第9章 MATLAB环境下的仿真软件Simulink 9.3 仿真模型参数的设置 9.4 子系统的建立与封装 9.5 在命令窗口中创建模型 9.6 S-函数的设计和应用 9.7 仿真系统的线性化分析

9.1 Simulink的基本操作 9.1.1 Simulink的启动与退出 1. Simulink的启动 启动Simulink的方法有3种： (1)在MATLAB的命令窗口直接键入simulink。 (2)单击MATLAB命令窗口工具栏上的Simulink模块库浏览器命令按钮。 (3)在MATLAB命令窗口File菜单中选择New菜单项下的Model命令。 2. Simulink的退出 为了退出Simulink，只要关闭所有模型窗口和Simulink模块库窗口即可。

9.1.2 Simulink模块的操作 1. 选取模块 2. 复制与删除模块 3. 模块的参数和属性设置 4. 模块外形的调整 5. 模块名的处理 6. 模块的连接 7. 在连线上反映信息。

9.2 Simulink的几类基本模块 9.3 仿真模型参数的设置 9.3.1 通过菜单命令设置仿真模型参数 选择模型窗口Simulation菜单中的Parameter命令，将出现仿真参数对话框。对话框分四个选项卡：Solver(算法)、Workspace I/O(工作空间输入输出)、Diagnostics(诊断)和Real-Time Workshop(实时工作间)。

9.3.2 在命令窗口调用函数设置仿真模型参数 1. sim 函数 其调用格式为： [t, x, y ] =sim(modname,timespan,options,data); 2. simset函数 它有如下4种用法： (1)options=simset(property,value,…) (2)options=simset(old_opstruct,property,value,…) (3)options=simset(old_opstruct,new_opstruct) (4)simset

例9.1以图9.15所示的仿真模型为例，说明simset函数的用法。 (1)在命令窗口输入命令： option=simset('OutputVariables','x','OutputPoints','all','FinalstateName','date'); [t,x,y]=sim('mode1',[1,10],option) (2)在命令窗口中输命令： optionl=simset('OutputVariables','xy','OutputPoints','all')； [t,x,y]=sim('Simul',[2,4,6,8],option1);

3. simget函数 该函数有如下3种用法： (1)struct=simget(model) (2)value=simget(model,property) (3)value=simget(Option,Structure,property) 4.set_param函数 (1)设置仿真参数 调用格式为：set_param(mode,property,value,…) (2)控制仿真进程 调用格式为： set_param(mode,'SimulationCommand','cmd')

例9. 2 假设从实际应用领域(力学、电学、生态或社会)中，抽象出有初始状态为0的二阶微分方程x"+0. 2x'+0. 4x=0 例9.2 假设从实际应用领域(力学、电学、生态或社会)中，抽象出有初始状态为0的二阶微分方程x"+0.2x'+0.4x=0.2u (t), u(t)是单位阶跃函数。用积分器直接构造求解微分方程的模型exm1.mdl。 步骤如下： (1)改写微分方程。把原方程改写为：x"=0.2u(t)-0.2x'-0.4x (2)利用Simulink模块库中的标准模块构作模型。 (3)仿真操作。 (4)保存在MATLAB工作空间中的数据。

例9.3利用传递函数模块建模。 步骤如下： (1)根据系统传递函数构造系统模型 (2)仿真操作。 例9.4利用状态方程模块建模。 (1)利用构造仿真模型 (2)仿真

9.4 子系统的建立与封装 9.4.1 子系统的建立 1. 通过Subsystem模块建立子系统 操作步骤为： (1)先打开Simulink模块库浏览器，新建一个仿真模型。 (2)打开Simulink模块库中的Signals & Systems模块库，复制Subsystem模块到新的模型窗口中。 (3)用鼠标左键双击Subsystem模块打开一个空白的Subsystem窗口，将要组合的模块添加到该窗口中，另外还要根据需要复制一个或多个Input和Output模块，表示子系统的输入和输出端口。这样，一个子系统就建好了。

2. 通过已有的模块建立子系统 操作步骤为： (1)先选择要建立子系统的模块，不包括输入端口和输出端口。 (2)选择模型窗口Edit菜单中的Create Subsystem 命令，这样，子系统就建好了。在这种情况下，系统会自动把Input模块和Output模块添加到子系统中，并把原来的模块变为子系统的图标。

9.4.2 子系统的条件执行 1. 使能子系统 建立使能子系统的方法是：打开Simulink模块库中的Signals & Systems模块库，将Enable模块复制到子系统模型中，则系统的图标发生了变化。

例9.5利用使能原理构成一个正弦半波整流器。 操作步骤如下： (1)打开Simulink模块库浏览器以及新建一个模型窗口。 (2)双击空子系统模块Subsystem，打开其结构模型窗。 (3)将Simulink浏览库中的In输入口模块、Out输出口模块、Enable使能模块拖至子系统的结构模型窗；把In模块的输出直接送到Out模块的输入端；Enable模块无须进行任何连接，且采用它的缺省设置实现题目所需使能子系统。 (4)完成新建模型窗口中各模块间的连接并存盘。 (5)双击示波器模块，打开显示窗。然后选择Simulink菜单中的Start命令，就可看到半波整流波形。

2. 触发子系统 触发子系统是指当触发事件发生时开始执行子系统。与使能子系统相类似，触发子系统的建立要把Signals & Systems模块库中的Trigger模块拷贝到子系统中。

例9.6 利用触发子系统原理将一锯齿波转换成方波。 操作步骤如下： (1)用Signal Generator、Subsystem和Scope模块构成一子系统，双击Signal Generator模块图标在Wave from的下拉列表框中选择sawtooth，即锯齿波。 (2)将上例中的Enable模块换成Trigger触发模块。双击该模块并选Trigger type触发事件形式为either，即上跳沿或下跳没触发。 (3)完成新建模型窗口中各模块间的连接，并存盘。 (4)双击示波器模块，然后选择Simulink菜单中的start命令，就可看到方波。

3. 使能加触发子系统 所谓使能加触发子系统就是把Enable和Tirgger模块都加到子系统中，使能控制信号和触发控制信号共同作用子系统的执行，也就是前两种子系统的综合。该系统的行为方式与触发子系统相似，但只有当使能信号为正时，触发事件才起作用。

9.4.3 子系统的封装 子系统的封装过程很简单：先选中所要封装的子系统，再选择模型窗口Edit菜单中的Mask Subsystem命令，这时将出现Mask Editor对话框。 Mask Editor对话框中共包括3个选项卡：Icon、Initialization和Documentation。子系统的封装主要就是对这3页参数进行设置。

9.5 在命令窗口中创建模型 9.5.1 构造模型的命令 9.5.2 设置参数

9.6 S-函数的设计和应用 9.6.1 S-函数概述 9.6.2 用M文件编写S-函数 (1)MATLAB5.3为用户提供了一个模板，只要在必要的子程序里编写代码并输入参数就可以了。 (2)从Function & Tables子库里把S-Function系统的功能模块复制过来，输入程序的文件名，以供调用。

例9.7利用M文件来写一个限幅积分器的S-函数，并借助S-函数模块来调用此文件。限幅积分器的数学模型如下： 操作步骤如下： (1)根据数学模型，编写S-函数sfun97.m。 function [sys, x0, str, ts] = sfun97(t, x, u, flag, lb, ub, xi) switch flag, case 0, [sys, x0, srt, ts] = mdlInitializeSizes(xi); case 1, sys = mdlDerivatives(t, x, u, lb, ub); case 2 , sys = mdlUpdate(t, x, u); case 3, sys = mdlOutputs(t, x, u); case 4, sys = mdlGetTimeOfNextVarHit(t, x, u); case 9, sys = mdlTerminate (t , x , u); otherwise error ( [ ‘Unhandled flag =’ ,num2str ( flag) ] ); end function [sys,x0,str,ts]=mdlInitializeSizes(xi) sizes =simsizes; sizes.NumContStates=1; sizes.NumDiscStates=0; sizes.NumOutputs=1; sizes.NumInputs=1; sizes.DirFeedthrough=0; sizes.NumSampleTimes=1; sys=simsizes(sizes); xo=xi; str=[ ]; ts=[0, 0]; function sys=mdlDerivatives(t,x,u,lb,ub) if(x<=lb&u<0)|(x>=ub&u>0) sys=0; else sys=u; function sys=mdIUpdae(t,x,u) sys=[ ]; function sys=mdIOutputs(t,x,u) sys=x; function sys=mdlGetTimeOfNextVarHit(t,x,u) sampleTime=1;% Example,set the next hit to be one second later sys=t+ sampleTime; function sys=mdlTerminate(t,x,u) sys = [ ];

(2)完成S-函数的编写后，接着建立 Simulink模型，将功能模块S-function复制到设计区域，打开其参数页，输入S-函数的文件名sfun97.m和S-函数的参数lb、ub、xi。 (3)编写主程序。 clear; lb=-0.5; ub=0.5; xi=0; sim(‘sfun97’); (4)在命令窗口运行主程序，并双击示波器，即可查看到输入波形及限幅积分的结果。

线性化分析函数linmod用来提取非线性系统的近似线性模型，也可以用来获取线性系统的数学模型。linmod函数的调用格式为： 9.7 仿真系统的线性化分析 9.7.1 连续系统的线性化 线性化分析函数linmod用来提取非线性系统的近似线性模型，也可以用来获取线性系统的数学模型。linmod函数的调用格式为： [A,B,C,D]=linmod ('sys') [A,B,C,D]=linmod ('sys', x ,u) [A,B,C,D]=linmod ('sys', x, u, pert) [A,B,C,D]=linmod ('sys', x, u, pert, xpert, upert)

9.7.2离散系统的线性化 dlinmod能够以任意给定的采样时间对离散系统、多速率系统以及连续和离散混合系统进行线性化。除了第2个选项需要插入采样时间来对系统线性化外，dlinmod的调用格式和linmod是相同的： [A,B,C,D]=dlinmod ('sys', Ts, x ,u)

9.7.4 平衡分析 在给定输入、输出及状态条件下，Simulink提供的函数trim可以用来确定系统的稳态平衡点。其调用格式为： [x,u,y,dx]=trim('sys') [x,u,y,dx]=trim('sys',x0,u0,y0,ix,iu,iy) 其中x,u,y,dx分别代表状态向量、输入向量、输出向量和状态向量的导数。sys是模型名。x0,u0,y0分别为状态向量x、输入向量u和输出向量y的初始猜测值，它们的输入格式必须是列向量形式。ix是向量，它的元素是那些在寻找过程中，要求保持其值固定不变(等于初始猜测值)的那些状态变量的序号。iu、iy与ix类似，分别适用于u和y。