在网站设计公司上班好吗,百度指数资讯指数,做棋牌网站合法,上海网站建设企业建站Simulink是MATLAB的重要组成部分#xff0c;可以非常容易地实现可视化建模#xff0c;并把理论研究和工程实践有机地结合在一起#xff0c;不需要书写大量程序#xff0c;只需要使用鼠标和键盘对已有模块进行简单的操作和设置。
21.1 Simulink简介 Simulink是MATLAB软件的… Simulink是MATLAB的重要组成部分可以非常容易地实现可视化建模并把理论研究和工程实践有机地结合在一起不需要书写大量程序只需要使用鼠标和键盘对已有模块进行简单的操作和设置。
21.1 Simulink简介 Simulink是MATLAB软件的扩展它提供了集动态系统建模、仿真和综合分析于一体的图形用户环境是实现动态系统建模和仿真的一个软件包。它与MATLAB的主要区别在于其与用户的交互接口是基于Windows的模型化图形输入其结果是用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建而非语言的编程上。 Simulink 提供了大量的系统模块包括信号、运算、显示和系统等多方面的功能可以创建各种类型的仿真系统实现丰富的仿真功能。用户也可以定义自己的模块进一步扩展模型的范围和功能以满足不同的需求。为了创建大型系统Simulink 提供了系统分层排列的功能的设计在Simulink中可以将系统分为从高级到低级的几个层次每层又可以细分几个部分每层系统构建完成后将各层连接起来构成一个完整的系统。模型创建完成之后可以启动系统的仿真功能分析系统的动态特性Simulink内置的分析工具包括各种仿真算法、系统线性化、寻求平衡点等仿真结果可以以图形的方式显示在示波器窗口以便于用户观察系统的输出结果Simulink也可以将输出结果以变量的形式保存起来并输入到MATLAB工作空间中以完成进一步的分析。 Simulink 可以支持多采样频率系统即不同的系统能够以不同的采样频率进行组合可以仿真较大、较复杂的系统
1图形化模型与数学模型间的关系
现实中每个系统都有输入、输出和状态3个基本要素它们之间随时间变化的数学函数关系即数学模型。图形化模型也体现了输入、输出和状态随时间变化的某种关系。只要这两种关系在数学上是等价的就可以用图形化模型代替数学模型。
2图形化模型的仿真过程
Simulink的仿真过程包括以下几个阶段。
(1模型编译阶段 Simulink 引擎调用模型编译器将模型翻译成可执行文件。其中编译器主要完成以下任务。
→计算模块参数的表达式以确定它们的值。
→ 确定信号属性如名称、数据类型等。
→传递信号属性以确定未定义信号的属性。
→优化模块。
→展开模型的继承关系如子系统。
→确定模块运行的优先级。
→确定模块的采样时间。
(2连接阶段 Simulink 引擎按执行次序创建运行列表初始化每个模块的运行信息。
(3仿真阶段 Simulink 引擎从仿真的开始到结束在每一个采样点按运行列表计算各模块的状态和输出。该阶段又分成以下两个子阶段。
→初始化阶段该阶段只运行一次用于初始化系统的状态和输出。
→迭代阶段该阶段在定义的时间段内按采样点间的步长重复运行并将每次的运算结果用于更新模型。在仿真结束时获得最终的输入、输出和状态值。 21.1.1 Simulink模型的特点 1仿真结果的可视化 2模型的层次性 3可封装子系统
21.1.2 Simulink模型的数据类型 Simulink在仿真开始之前和运行过程中会自动确认模型的类型安全性以确保该模型产生的代码不会上溢或者下溢。
1. Simulink支持的数据类型 Simulink支持所有的MATLAB内置的数据类型除此之外Simulink还支持布尔类型绝大多数模块都默认double类型的数据但有些模块需要布尔类型和复数类型。
2. 数据类型的统一 若模块的输入输出支持的数据类型不相同则在仿真时会弹出错误提示对话框告知冲突的信号和端口此时可以尝试在冲突的模块间插入DataTypeConversion数据类型转换模块来解决。示例如下 3. 复数类型 Simulink默认的信号值都是复数但在实际问题中需要处理复数信号。在Simulink中通常用Real-Image to Complex模块和Magnitude-Angle to Complex模块来建立处理复数信号的模型。如下图示例所示 21.2 Simulink模块库
21.2.1 常用模块库
1.Commonly Used Blocks库常用模块库 模块名 功能 Bus Creator 将输入信号合并成向量信号 Bus Selector 将输入向量分解成多个信号输入只接收从Mux和BusCreator输出的信号 Constant 输出常量信号 Data Type Conversion 数据类型的转换 DemuX 将输入向量转换成标量或更小的标量 Discrete-Time lntegrator 离散积分器模块 Gain 增益模块 In1 输入模块 Integrator 连续积分模块 Logical Operator 逻辑运算模块 Mux 将输入的向量、标量或矩阵信号合成 Out1 输出模块 Product 乘法器执行标量、向量或矩阵的乘法 Relational Operator 关系运算输出布尔类型数据 Saturation 定义输入信号的最大值和最小值 Scope 在示波器中输出 Subsystem 创建子系统 Sum 加法器 Switch 选择器根据第二个输入信号来选择输出第一个信号还是第三个信号 Terrainator 终止输出用于防止模型最后的输出端没有接任何模块时报错 Unit Delay 单位时间延迟
2. Continuous库连续系统库 模块名 功能 Derivative 数值微分 Integrator 积分器与 Commonly Used Blocks 子库中的同名模块一样 State-Space 创建状态空间模型 dx/dt Ax Bu y Cx Du Transport Delay 定义传输延迟如果将延迟设置得比仿真步长大就可以得到更精确的结果 Transfer Fen 用矩阵形式描述的传输函数形 Variable Transport Delay 定义传输延迟第一个输入接收输入第二个输入接收延迟时间用 Zero-Pole 矩阵描述系统零点用向量描述系统极点和增益
21.2.2 子系统及其封装 若模型的结构过于复杂则需要将功能相关的模块组合在一起形成几个小系统即子系统,后在这些子系统之间建立连接关系从而完成整个模块的设计。这种设计方法实现了模型图表的次化使整个模型变得非常简洁使用起来非常方便。
用户可以把一个完整的系统按照功能划分为若干个子系统而每个子系统又可以进一步划分为更小的子系统由此可以将系统分为多层。 1. 子系统的创建方法
1通过子系统模块来创建子系统
2组合已经存在的模块集 2. 封装子系统
21.3 模块的创建 模块是Simulink建模的基本元素了解各模块的作用是熟练掌握Simulink的基础。下面介绍利用Simulink进行系统建模和仿真的基本步骤。
1绘制系统流程图。首先将所要建模的系统根据功能划分为若干子系统然后用模块来搭建每个子系统
2启动Simulink模块库浏览器建立一个空白模型窗口
3将所需模块放入空白模型窗口中将系统流程图的布局连接各模块并封装子系统
4设置各模块的参数以及仿真有关的各种参数
5保存模型模型文件的后缀名为.mdl
6运行并调试模型
21.3.1 创建模块文件
21.3.2 模块的基本操作 1. 模块的选择 2. 模块的放置 3. 模块的位置调整 4. 模块的属性编辑
21.3.3 模块参数设置 1. 参数设置 2. 属性设置 示例1滤波信号输出 示例2正弦信号输出 21.3.4 模块的连接 1. 直线的连接 2. 直线的编辑 示例1正弦信号的最大值、最小值输出 示例2信号输出 21.4 仿真分析
21.4.1 仿真参数设置 1Solver求解器面板 主要用于设置仿真开始和结束的时间选择解法器并设置相应的参数。 2Data Import/Export输入/输出数据面板
21.4.2 仿真的运行和分析 1. 仿真结果输出分析 1在模型中将信号输入Scope示波器模块或XY Graph模型 2将输出写入To Workspace模块然后使用MATLAB绘图功能 3将输出写入To File模块然后使用MATLAB文件读取和绘图功能。 2. 线性化分析 3. 平衡点分析
21.4.3 仿真错误分析
21.5 回调函数 21.6 S函数 S函数(System 函数)是一种描述动态系统的计算机语言可以用MATLAB、C、C、Ada和 FORTRAN 语言编写。用mex 命令可将C、C等语言编写的S函数编译成 MEX文件从而可以像 MATLAB 中的其他 MEX文件一样动态地连接到MATLAB。S函数采用一种特殊的调用语法和 Simulink 解法器进行交互这种交互与解法器和 Simulink 自带模块间的交互十分类似。S函数可以用来描述连续、离散和混杂系统。 S函数是扩展Simulink 功能的强有力的工具可以实现以下操作 1用多种语言来创建新的通用性的 Simulink 模块 2可以在 User-Defined Functions 模块库的 S-function 模块中通过名称来调用并封装 3将一个系统描述成一个数学方程 4便于图形化仿真 5可以创建代表硬件驱动的模块。
21.7 综合实例——轴系扭转振动仿真 某柴油机4级系统振动方程其中轴系各质量点扭振转角位移轴系节点向量轴系转动惯量阻尼刚度矩阵。当时计算系统自由振动当计算系统受迫振动。 系统受迫振动微分方程表述为将原微分方程修改为 转化方程组对于系统受迫振动微分方程 转化为高阶微分方程这里需要将其转换为一阶微分方程组即状态方程然后使用函数ode45()进行求解。令 则状态方程为 创建函数文件verderpol.m
function [xn]verderpol(t,x)
global mu
xn[x(2);0.2*mu-400*x(1)-2600*x(2)];
end在命令行窗口中输入下面的程序 global mu;mu1200;y0[1200;0];[t,x]ode45(verderpol,[0,1200],y0);subplot(1,2,1);plot(t,x);title(时间响应曲线)xlim([-200,1500])subplot(1,2,2);plot(x(:,1),x(:,2))title(平面曲线)xlim([0,1500])结果 参考资料
[1] 天工在线. MATLAB2020从入门到精通·实战案例版[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2020.
