SIMULIN下數(shù)學模型建立與仿真.ppt

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第三章SIMULINK環(huán)境建模和仿真,MATLAB于1990年推出Simulink，用于MATLAB下建立系統(tǒng)框圖和仿真的環(huán)境，該軟件的名稱表明了該系統(tǒng)的兩個主要功能：Simu（仿真）和Link（連接），即該軟件可以進行仿真和把一系列模型連接起來構(gòu)成復雜的系統(tǒng)，然后利用Simulink提供的功能來對系統(tǒng)進行仿真和分析。,第一節(jié)SIMULINK簡介,SIMULINK是MATLAB軟件的擴展，它是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包，它與MATLAB語言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入。所謂模型化圖形輸入是指SIMULINK提供了一些按功能分類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實現(xiàn)的，通過對這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型，進而進行仿真與分析。,一、什么是SIMULINK,特點：SIMULINK是一個進行動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包。它可以處理的系統(tǒng)包括：線性、非線性系統(tǒng)；離散、連續(xù)及混合系統(tǒng)；單任務、多任務離散事件系統(tǒng)。以調(diào)用模塊代替程序的編寫，以模塊連成的方框圖表示系統(tǒng)，點擊模塊可以完成模塊參數(shù)輸入，整個系統(tǒng)應包括輸入、輸出和系統(tǒng)組成等模塊。系統(tǒng)方框圖畫完，設(shè)置仿真參數(shù)即可以啟動仿真，這時系統(tǒng)會自動地完成仿真的初始化過程，將系統(tǒng)的框圖轉(zhuǎn)換為仿真的數(shù)學模型，建立仿真的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并計算系統(tǒng)在給定激勵下的響應。,系統(tǒng)運行的狀態(tài)和結(jié)果可以通過波形或曲線觀察，與在實驗室中用示波器觀察的效果基本一致。如果系統(tǒng)方框圖繪制不完整或仿真過程中出現(xiàn)計算不收斂的情況，會給出一定的出錯提示信息。SIMULINK環(huán)境中運作的工具包很多，已覆蓋通信、控制、信號處理、電力系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域，所涉內(nèi)容專業(yè)性極強。,二、SIMULINK的啟動,1、在MATLAB命令窗口中輸入simulink結(jié)果是在桌面上出現(xiàn)一個稱為SimulinkLibraryBrowser的窗口，在這個窗口中列出了按功能分類的各種模塊的名稱。,2、在MATLAB的工具欄上點擊按鈕，可以直接打開SIMULINK,然后打開對應的模型庫，查找模塊。,3、啟動simulink后，在MATLAB的菜單欄中選擇File，在下拉菜單中的New選項中選擇Model，屏幕上會出現(xiàn)Simulink的工作窗口，標題欄上“untitled”表示是一個尚未命名的新文件。,2、標題欄下方是菜單欄，有File,Edit,View,Simulation,Format,Tolls,Help等七項主要功能菜單,三、SIMULINK模塊的操作,1、模塊的查找：打開SimulinkLibraryBrowser的窗口，在這個窗口中列出了按功能分類的各種模塊的名稱。利用窗口的滾動條可以搜索所有的模塊庫，也可以根據(jù)模塊名搜索。,或者在MATLAB的工具欄上點擊按鈕，可以直接打開SIMULINK,然后打開對應的模型庫，查找模塊。,三、SIMULINK模塊的操作,2、模塊的提取、復制和粘貼。3、模塊的移動、放大和縮小。4、模塊的轉(zhuǎn)動。5、模塊名的修改和移動。6、模塊的參數(shù)設(shè)置。7、模塊的刪除和恢復。8、模塊的連接。9、信號線的彎折、移動和刪除。,SIMILINK模塊庫按功能進行分類，包括以下子庫：Continuous（連續(xù)模塊）disontinuous（非線性模塊）Discrete（離散模塊）lookuptables(查詢表模塊)Mathoperations（數(shù)學模塊）Modelverification(模型檢測)Model-wideUtilities（模型擴展功能模塊）Ports&Systems（端口和子系統(tǒng)模塊）Signalattributes(信號描述模塊)Signalrouting(信號路由模塊)Sinks（儀表儀器（輸出顯示）模塊）Sources（信號源模塊）User-definedfunctions(自定義模塊),1、Continuous（連續(xù)系統(tǒng)子模塊庫）Derivative：輸入信號微分Integrator：輸入信號積分State-Space：線性狀態(tài)空間系統(tǒng)模型Transfer-Fcn：線性傳遞函數(shù)模型TransportDelay：輸入信號延時一個固定時間再輸出VariableTransportDelay：輸入信號延時一個可變時間再輸出Zero-Pole：以零極點表示的傳遞函數(shù)模型,2、Discontinuities（非線性系統(tǒng)子模塊庫）Backlash：間隙設(shè)定（模擬間隙非線性環(huán)節(jié)）Coulomb&ViscousFriction：庫侖粘滯摩擦信號（模擬非線性環(huán)節(jié)）DeadZone：設(shè)定死區(qū)范圍Switch：可控開關(guān)（根據(jù)門檻電壓，選擇開關(guān)的輸出）Quantizer；階梯信號（根據(jù)輸入產(chǎn)生階梯輸出信號）RateLimiter；斜坡函數(shù)（限制輸入信號的上升、下降率）Relay：滯環(huán)控制（模擬滯環(huán)特性的繼電器環(huán)節(jié)）Saturation：飽和限制（設(shè)置限幅值，模擬環(huán)節(jié)的飽和特性）,3、Discrete（離散系統(tǒng)子模塊庫）DiscreteTransfer-Fcn：離散傳遞函數(shù)模型DiscreteZero-Pole：以零極點表示的離散傳遞函數(shù)模型DiscreteFilter：離散濾波器（建立一個離散度濾波器）DiscreteState-Space：離散狀態(tài)方程Discrete-timeIntegrator：離散時間積分器First-OrderHold：一階保持器Memory：單步積分延遲，輸出為前一個輸入UnitDelay：單位延遲（信號采樣后保持一個采樣周期后輸出）,4、FunctionandTables（函數(shù)與表格子模塊庫）Fan:自定義函數(shù)表達式Interpolation(n-D)usingPreLook-Up：根據(jù)輸入用內(nèi)插值運算得到輸出Look-UpTable：給出輸入數(shù)據(jù)值，經(jīng)過插值計算得到輸出值返回Look-UpTable(2-D)：同上Look-UpTable(n-D)：同上S-Functionbuilder:創(chuàng)建一個s函數(shù)（用戶自己編寫的函數(shù)，可以將MATLAB語句、c語言等編寫的函數(shù)在Simulink中執(zhí)行）,5、MathOperations（數(shù)學模塊）Abs：取絕對值A(chǔ)lgebraicConstraint：輸出強制系統(tǒng)輸入為零的代數(shù)狀態(tài)Assignment：對信號進行分配BitwiseLogicalOperator：按位邏輯運算CombinatorialLogic：邏輯真值查找ComplextoMagnitude-Angle：輸出輸入復數(shù)的幅值與相位ComplextoReal-Imag：輸出系統(tǒng)輸入的實部或虛部DotProduct：點乘運算Gain：比例運算（信號增益）,6、Sinks（系統(tǒng)輸出子模塊庫）Display：以數(shù)值形式顯示輸入信號FloatingScope：懸浮信號顯示器（不需任何連線，可顯示任何指定信號）Out1：為子系統(tǒng)或其它模型提供輸出端口Scope：示波器（觀察輸入信號波形）StopSimulation：終止仿真（滿足條件預置條件時停止仿真）Terminator：信號終結(jié)器（終止信號，防止輸出信號無連接）ToFile(.mat)：將仿真輸出寫入(.mat)數(shù)據(jù)文件ToWorkspace：將仿真輸出寫入MATLAB的工作空間XYGraph：使用X、Y作變量輸出二維圖形,7、Sources（信號源子模塊庫）Band-LimitedWhiteNoise：有限帶寬白噪聲ChirpSignal：輸出頻率隨時間線性變換的正弦信號Clock：仿真時鐘信號Constant：常數(shù)信號（數(shù)值可設(shè)置）FromWorkspace：來自MATLAB的工作空間輸入數(shù)據(jù)FromFile(.mat)：來自數(shù)據(jù)文件.mat中輸入數(shù)據(jù)Ground：接地信號In1：為子系統(tǒng)或其它模型提供輸入端口,PulseGenerator：脈沖發(fā)生器Ramp：斜坡信號發(fā)生器RandomNumber：服從高斯分布的隨機信號發(fā)生器RepeatingSequence：周期信號發(fā)生器SignalGenerator：信號發(fā)生器，可以產(chǎn)生正弦、方波、鋸齒波及隨意波。SignalBuilder：時序波形生成器SineWave：正弦波信號發(fā)生器Step：階躍波信號發(fā)生器UniformRandomNumber：服從均勻分布的隨機信號發(fā)生器,五、SIMULINK下自定義子系統(tǒng)模塊,自定義子系統(tǒng)模塊有兩種方法：一種方法是采用Ports&Subsystems模塊庫中的Subsystem功能模塊，利用其編輯區(qū)設(shè)計組合新的功能模塊；另一種方法是將現(xiàn)有的多個功能模塊組合起來，形成新的功能模塊。對于很大的SIMULINK模型，通過自定義功能模塊可以簡化圖形，減少功能模塊的個數(shù)，有利于模型的分層構(gòu)建。,方法1將Ports&Subsystems模塊庫中的Subsystem功能模塊復制到打開的模型窗口中。雙擊Subsystem功能模塊，進入自定義功能模塊窗口，從而可以利用已有的基本功能模塊設(shè)計出新的功能模塊。,方法2在模型窗口中建立所定義功能模塊的子模塊。用鼠標將這些需要組合的功能模塊框住，然后選擇Edit菜單下的CreateSubsystem即可。,子系統(tǒng)模塊的封裝,封裝子系統(tǒng)具有以下特點：自定義子系統(tǒng)模塊及其圖標。用戶雙擊封裝后的圖標時顯示子系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置對話框。用戶自定義子系統(tǒng)模塊的幫助文檔。,上面提到的兩種方法都只是創(chuàng)建一個功能模塊，如果要命名該自定義模塊、對模塊進行說明、選定模塊外觀、設(shè)定輸入數(shù)據(jù)窗口，則需要對其進行封裝處理。,子系統(tǒng)模塊封裝方法首先選中Subsystem功能模塊，再打開Edit菜單中的MaskSubsystem進入mask的編輯窗口，可以看出有3個標簽頁。Icon：設(shè)定功能模塊的外觀。Initialization：設(shè)定輸入數(shù)據(jù)窗口。Documentation：設(shè)計該功能模塊的文字說明。,SimpowerSystem模型庫是專用于RLC電路、電力電子電路、電機傳動控制系統(tǒng)和電力系統(tǒng)仿真的模型庫。模型庫中包換交直流電源、電氣元器件、電工測量儀表，控制元器件等的模型。利用這些模型和其它工具箱的模型結(jié)合可以模擬組成電力電子系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、電力拖動系統(tǒng)等來進行仿真研究。電力系統(tǒng)模型有兩種端口，一種用于連接主電路，一種用于連接控制信號。,六、電力系統(tǒng)模型庫,一、SIMULINK的仿真步驟,1、根據(jù)系統(tǒng)的框圖或者原理圖構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型,模型的特點在SIMULINK里提供了許多如Scope的接收器模塊，這使得用SIMULNK進行仿真具有像做實驗一般的圖形化顯示效果。SIMULINK的模型具有層次性，通過底層子系統(tǒng)可以構(gòu)建上層母系統(tǒng)。SIMULINK提供了對子系統(tǒng)進行封裝的功能，用戶可以自定義子系統(tǒng)的圖標和設(shè)置參數(shù)對話框。,第二節(jié)仿真模型的建立與仿真,查找需要的模塊建立模型,設(shè)置仿真模型中的模塊的參數(shù)。,設(shè)置系統(tǒng)的仿真參數(shù)和選擇解法。,設(shè)置系統(tǒng)的仿真參數(shù)和選擇解法。,設(shè)置仿真參數(shù)和選擇解法設(shè)置仿真參數(shù)和選擇解法器，選擇Simulation菜單下的Parameters命令，就會彈出一個仿真參數(shù)對話框，它主要用三個頁面來管理仿真的參數(shù)。Solver頁，它允許用戶設(shè)置仿真的開始和結(jié)束時間，選擇解法器，說明解法器參數(shù)及選擇一些輸出選項。WorkspaceI/O頁，作用是管理模型從MATLAB工作空間的輸入和對它的輸出。Diagnostics頁，允許用戶選擇Simulink在仿真中顯示的警告信息的等級。,算法參數(shù)設(shè)置（Solver）,此頁可以進行的設(shè)置有：選擇仿真開始和結(jié)束的時間；選擇解法器，并設(shè)定它的參數(shù)；選擇輸出項。仿真時間：注意這里的時間概念與真實的時間并不一樣，只是計算機仿真中對時間的一種表示，比如10秒的仿真時間，如果采樣步長定為0.1，則需要執(zhí)行100步，若把步長減小，則采樣點數(shù)增加，那么實際的執(zhí)行時間就會增加。Simulink默認的仿真開始時間為0，結(jié)束時間為10s。實際中可根據(jù)需要設(shè)置合適的仿真時間?？偟恼f來，執(zhí)行一次仿真要耗費的時間依賴于很多因素，包括模型的復雜程度、解法器及其步長的選擇、計算機時鐘的速度等等。,2）仿真步長模式：用戶在Type后面的第一個下拉選項框中指定仿真的步長選取方式，可供選擇的有Variable-step（變步長）和Fixed-step（固定步長）方式。變步長模式可以在仿真的過程中改變步長，提供誤差控制和過零檢測。固定步長模式在仿真過程中提供固定的步長，不提供誤差控制和過零檢測。用戶還可以在第二個下拉選項框中選擇對應模式下仿真所采用的算法。,步長參數(shù)：對于變步長模式，用戶可以設(shè)置最大的和推薦的初始步長參數(shù)，缺省情況下，步長自動地確定，它由值auto表示。Maximumstepsize（最大步長參數(shù)）：它決定了解法器能夠使用的最大時間步長，它的缺省值為“仿真時間/50”，即整個仿真過程中至少取50個取樣點，但這樣的取法對于仿真時間較長的系統(tǒng)則可能帶來取樣點過于稀疏，而使仿真結(jié)果失真，或造成仿真輸出曲線的不光滑。一般建議對于仿真時間不超過15s的采用默認值即可，對于超過15s的每秒至少保證5個采樣點，對于超過100s的，每秒至少保證3個采樣點。Initialstepsize（初始步長參數(shù)）：一般建議使用“auto”默認值即可。,仿真精度（對于變步長模式）Relativetolerance（相對誤差）：它是指誤差相對于狀態(tài)的值，是一個百分比，缺省值為1e-3，表示狀態(tài)的計算值要精確到0.1%。Absolutetolerance（絕對誤差）：表示誤差值的門限，或者是說在狀態(tài)值為零的情況下，可以接受的誤差。如果它被設(shè)成了auto，那么simulink為每一個狀態(tài)設(shè)置初始絕對誤差為1e-6。,仿真數(shù)據(jù)的輸入輸出設(shè)置（WorkspaceI/O）,此頁主要用來設(shè)置SIMULINK與MATLAB工作空間交換數(shù)值、解決數(shù)值存取的有關(guān)選項。,仿真中異常情況的診斷（Diagnostics）,能自動診斷22種異常情況，例如：Algebraicloop：代數(shù)環(huán)異常，即無慣性、無延遲，環(huán)中每個模塊輸入與輸出間都包含代數(shù)關(guān)系。它會大大減慢仿真速度，進而可能導致仿真失敗。Minstepsizeviolation：最小步長欠小，表明微分方程解法器為達到指定精度需要更小的步長，但這是解法器所不允許的。須采用更高階解法器。Unconnectedblockinput：模塊輸入懸空Unconnectedblockoutput：模塊輸出懸空Unconnectedline：信號線未接,4、啟動仿真5、觀測仿真結(jié)果。,