《過程控制工程及仿真－－基于matlabsimulink》

1、《過程控制工程及仿真－－基于MATLAB/Simulink》電子工業(yè)出版社 出版 2009.4,作者：郭陽寬 王正林聯(lián)系郵箱：wa_2003@126.com,2.1 Simulink仿真概述2.2 Simulink仿真模型及仿真過程2.3 Simulink模塊的處理2.4 Simulink仿真設置2.5 Simulink仿真舉例2.6 本章小結習題與思考,第 2章 Simulink仿真基礎,內(nèi)容提要,S

2、imulink的出現(xiàn)給控制系統(tǒng)分析與設計帶來了福音。它有兩個主要功能：Simu（仿真）和Link（連接），即該軟件可以利用鼠標在模型窗口上搭建出所需要的控制系統(tǒng)模型，然后對系統(tǒng)進行仿真和分析。在實際工程中，控制系統(tǒng)的結構往往很復雜，如果不借助專用的系統(tǒng)建模軟件，很難準確地把一個控制系統(tǒng)的復雜模型輸入計算機，對其進行進一步的分析與仿真，可見，熟練掌握Simulink是從事過程控制方面的工作所必須的。通過本章，讀者能對Simulink的

3、基本模塊和功能有一個全面了解，并能熟悉Simulink的基本操作，為使用Simulink進行過程控制系統(tǒng)仿真打下基礎。,2.1 Simulink仿真概述,2.1.1 Simulink的啟動與退出，一種是啟動MATLAB后，單擊MATLAB主窗口的快捷按鈕 來打開“Simulink Library Browser”窗口另一種是在MATLAB命令窗口中輸入“Simulink”，在桌面上會出現(xiàn)一個名為“Simulink Librar

4、y Browser”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。然后在MATLAB命令窗口中輸入“simulink3”，將在桌面上出現(xiàn)一個用圖標形式顯示的“Library :simulink3”的Simulink模塊庫窗口。,2.1.2 Simulink模塊庫,Simulink模塊庫按功能分為以下16類子模塊庫：（1）Commonly Used Blocks：仿真常用模塊庫（2）Continuous：連續(xù)系統(tǒng)模塊庫（3

5、）Discontinuities：非線性系統(tǒng)模塊庫（4）Discrete：離散系統(tǒng)模塊庫（5）Logic and Bit Operations：邏輯運算和位運算模塊庫（6）Lookup Tables：查找表模塊庫（7）Math Operations：數(shù)學運算模塊庫（8）Model Verification：模型驗證模塊庫（9）Model-Wide Utilities：進行模型擴充的實用模塊庫（10）Ports &

6、Subsystems：端口和子系統(tǒng)模塊庫（11）Signals Attributes：信號屬性模塊庫（12）Signals Routing：提供用于輸入、輸出和控制的相關信號及相關處理的模塊庫（13）Sinks：仿真接收模塊庫（14）Sources：仿真輸入源模塊庫（15）User-defined Functions：用戶自定義函數(shù)模塊庫（16）Additional Math &Discrete：附加的數(shù)學和離散模塊

7、庫,過程控制系統(tǒng)仿真中常用的模塊,（1）信號源部分模塊（2）連續(xù)系統(tǒng)模塊（3）數(shù)學運算模塊（4）非線性系統(tǒng)模塊（5）離散系統(tǒng)模塊（6）輸出顯示部分模塊,2.2 Simulink仿真模型及仿真過程,一個典型的Simulink仿真模型由以下三種類型的模塊構成：1．信號源模塊：信號源為系統(tǒng)的輸入，它包括常數(shù)信號源、函數(shù)信號發(fā)生器（如正弦波和階躍函數(shù)等）和用戶自己在MATLAB中創(chuàng)建的自定義信號。2．被模擬的系統(tǒng)模塊：系統(tǒng)模塊作

8、為仿真的中心模塊，它是Simulink仿真建模所要解決的主要問題。3．輸出顯示模塊：系統(tǒng)的輸出由顯示模塊接收。輸出顯示的形式包括圖形顯示、示波器顯示和輸出到文件或MATLAB工作空間中三種，輸出模塊主要在Sinks 庫中。Simulink仿真模型的基本特點可歸納如下：Simulink里提供了許多如Scope（示波器）的接收模塊，這使得用Simulink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

9、過底層子系統(tǒng)可以構建上層母系統(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)的圖標和設置參數(shù)對話框。,,2.2.2 Simulink仿真的基本過程,1．打開一個空白的Simulink模型窗口。2．進入Simulink模塊庫瀏覽界面，將相應模塊庫中所需的模塊拖到編輯窗口里。3．按照給定的框圖修改編輯窗口中模塊的參數(shù)。4．將各個模塊按給定的框圖連接起來，搭建所需要的系統(tǒng)模型。5．用菜單或在命令窗口鍵入命令進

10、行仿真分析，在仿真的同時，可以觀察仿真結果，如果發(fā)現(xiàn)有不正確的地方，可以停止仿真，對參數(shù)進行修正。6．如果對結果滿意，可以保存模型。,,舉例：將一正弦信號輸出到示波器中,,2.3 Simulink模塊的處理,2.3.1 Simulink模塊參數(shù)設置,圖2.8 功能模塊參數(shù)設置對話框,,圖2.10 示波器屬性對話框,2.3.2 Simulink模塊基本操作,,1．模塊選?。?）選取單個模塊；（2）選取多個模塊；2．模塊復

11、制（1）在同一窗口內(nèi)復制（2）在不同的窗口之間復制3．模塊刪除選中模塊，按Delete鍵即可。刪除多個模塊，可以同時按住Shift鍵，再用鼠標選中多個模塊，再按Delete鍵；4．模塊外形的調(diào)整（1）改變大小（2）轉(zhuǎn)向（3）給模塊加陰影5．模塊名的處理（1）是否顯示模塊名（2）修改模塊名（3）改變模塊名的位置6．模塊顏色設定【Format】菜單中的【Foreground Color】可以改變模塊的前景顏色，

12、【Background Color】可以改變模塊的背景顏色，而模型窗口的顏色可以通過【Screen Color】來改變。7．模塊屬性設定選中模塊，打開【Edit】>【Block Properties】可以對模塊進行屬性設定，包括對Description、Priority、Tag、Open function、Attributes format string等屬性的設定。,2.3.3 Simulink模塊連接,1．模塊間連線在

13、模塊間連線，有以下幾種情況：（1）連接兩個模塊（2）模塊間連線的調(diào)整（3）在連線之間插入模塊（4）連線的分支2．在連線上標示信息在連線上標示的信息包括表示向量、顯示數(shù)據(jù)類型和標記等。（1）標示向量（2）顯示數(shù)據(jù)類型（3）信號標記,,2.4 Simulink仿真設置,單擊【Simulation】菜單下面的【Configuration Parameters】項或者直接按快捷鍵“Ctrl+E”，便彈出設置界面包括仿真器參

14、數(shù)設置、工作空間數(shù)據(jù)導入/導出（Data Import/Export）設置等。下面對控制系統(tǒng)仿真中常用的仿真設置進行介紹。,,,圖2.11 Simulink設置窗口,2.4.1 仿真器參數(shù)設置,仿真器參數(shù)設置可用于選擇仿真開始時間、仿真結束時間、解法器及輸出項等。對于一般的仿真，使用默認設置即可。1．仿真時間（Simulation time）設置需要設置的有仿真開始時間（Start time）和仿真結束時間（Stop time）

15、。2．仿真步長模式設置可供選擇的有“Variable-step”（變步長）和“Fixed-step”（固定步長）方式。3．解法器設置用戶在“Solver”后面的下拉選項中可以選擇變步長模式解法器或固定步長模式解法器。變步長模式解法器有：discrete、ode45、ode23、ode113、ode15s、ode23s、ode23t和ode23tb。4．變步長的參數(shù)設置對于變步長模式，用戶常用的設置有：最大和最小步長參數(shù)、相對

16、誤差和絕對誤差、初始步長以及過零控制。默認情況下，步長自動確定，用auto值表示。5．固定步長的參數(shù)設置對于固定步長模式，用戶常用的設置有：（1）Multitasking模式；（2）Singletasking模式；（3）Auto模式,,,2.4.2 工作空間數(shù)據(jù)導入/導出設置,工作空間數(shù)據(jù)導入/導出（Data Import/Export）設置主要在Simulink與MATLAB工作空間交換數(shù)值時進行有關選項設置，可以設置以下三個選

17、擇項。（1）Load from workspace：選中前面的復選框即可從MATLAB工作空間獲取時間和輸入變量，一般時間變量定義為t，輸入變量定義為u。（2）Save to workspace：用來設置保存在MATLAB工作空間的變量類型和變量名。（3）Save options：用來設置存往工作空間的有關選項。,,,2.5 Simulink仿真舉例,使用Simulink仿真的基本過程如下：（1）啟動Simulink并打開模型

18、編輯窗口；（2）將所需模塊添加到模型中；（3）設置模塊參數(shù)，并連接各個模塊組成仿真模型；（4）設置系統(tǒng)仿真參數(shù)；（5）開始系統(tǒng)仿真；（6）觀察仿真結果。,,Simulink仿真舉例（續(xù)）,,2.6 本章小結,Simulink是一個非常友好的仿真工具，入門簡單、使用方便。了解Simulink的構成，掌握Simulink的基本操作，是使用Simulink進行過程控制系統(tǒng)仿真的基礎。本章只介紹了Simulink最常用、最具有代表