第三章-SIMULIN下数学模型建立与仿真省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢,第三章 SIMULINK环境建模和仿真,MATLAB于1990年推出Simulink，用于MATLAB下建立系统框图和仿真环境，该软件名称表明了该系统两个主要功效：Simu（仿真）和Link（连接），即该软件能够进行仿真和把一系列模型连接起来组成复杂系统，然后利用Simulink提供功效来对系统进行仿真和分析。,第1页,第一节 SIMULINK介绍,SIMULINK是MATLAB软件扩展，它是实现动态系统建模和仿真一个软件包，它与MATLAB语言主要区分在于，其与用户交互接口是基于Windows模型化图形输入。,所谓模型化图形输入是指SIMULINK提供了一些按功效分类基本系统模块，用户只需知道这些模块输入输出及模块功效，而无须考查模块内部是怎样实现，经过对这些基本模块调用，再将它们连接起来就能够组成所需要系统模型，进而进行仿真与分析。,一、什么是SIMULINK,第2页,特 点：,SIMULINK是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析集成软件包。它能够处理系统包含：线性、非线性系统；离散、连续及混合系统；单任务、多任务离散事件系统。,以调用模块代替程序编写，以模块连成方框图表示系统，点击模块能够完成模块参数输入，整个系统应包含输入、输出和系统组成等模块。,系统方框图画完，设置仿真参数即能够开启仿真，这时系统会自动地完成仿真初始化过程，将系统框图转换为仿真数学模型，建立仿真数据结构并计算系统在给定激励下响应。,第3页,系统运行状态和结果能够经过波形或曲线观察，与在试验室中用示波器观察效果基本一致。,假如系统方框图绘制不完整或仿真过程中出现计算不收敛情况，会给出一定犯错提醒信息。,SIMULINK环境中运作工具包很多，已覆盖通信、控制、信号处理、电力系统等很多领域，所涉内容专业性极强。,第4页,二、SIMULINK开启,1、在MATLAB命令窗口中输入simulink,结果是在桌面上出现一个称为Simulink Library Browser窗口，在这个窗口中列出了按功效分类各种模块名称。,2、在MATLAB工具栏上点击按钮 ，能够直接打开SIMULINK,然后打开对应模型库，查找模块。,第5页,第6页,第7页,3、开启simulink后，在MATLAB菜单栏中选择File，在下拉菜单中New选项中选择Model，屏幕上会出现Simulink工作窗口，标题栏上“untitled”表示是一个还未命名新文件。,2、标题栏下方是菜单栏，有File,Edit,View,Simulation,Format,Tolls,Help等七项主要功效菜单,第8页,三、SIMULINK模块操作,1、模块查找：打开Simulink Library Browser窗口，在这个窗口中列出了按功效分类各种模块名称。利用窗口滚动条能够搜索全部模块库，也能够依据模块名搜索。,或者在MATLAB工具栏上点击按钮 ，能够直接打开SIMULINK,然后打开对应模型库，查找模块。,第9页,三、SIMULINK模块操作,2、模块提取、复制和粘贴。,3、模块移动、放大和缩小。,4、模块转动。,5、模块名修改和移动。,6、模块参数设置。,7、模块删除和恢复。,8、模块连接。,9、信号线弯折、移动和删除。,第10页,SIMILINK模块库按功效进行分类，包含以下子库：,Continuous（连续模块）,disontinuous（非线性模块）,Discrete（离散模块）,look up tables(,查询表模块),Math,operations（数学模块）Model verification(,模型检测),Model-wide Utilities（,模型扩展功效模块）,Ports&Systems（端口和子系统模块）,Signal attributes(,信号描述模块),Signal routing(,信号路由模块),Sinks（仪表仪器（输出显示）模块）Sources（信号源模块）,U,ser-defined functions(,自定义模块),第11页,1、Continuous（连续系统子模块库）,Derivative：输入信号微分,Integrator：输入信号积分,State-Space：线性状态空间系统模型,Transfer-Fcn：线性传递函数模型,Transport Delay：输入信号延时一个固定时间再输出,Variable Transport Delay：输入信号延时一个可变时间再输出,Zero-Pole：以零极点表示传递函数模型,第12页,2、Discontinuities（非线性系统子模块库）,Backlash：间隙设定（模拟间隙非线性步骤）,Coulomb&Viscous Friction：,库仑粘滞摩擦信号（模拟非线性步骤）,Dead Zone：设定死区范围,Switch：可控开关（依据门槛电压，选择开关输出）,Quantizer；阶梯信号（依据输入产生阶梯输出信号）,Rate Limiter；斜坡函数（限制输入信号上升、下降率）,Relay,：滞环控制（模拟滞环特征继电器步骤）,Saturation：,饱和限制（设置限幅值，模拟步骤饱和特征）,第13页,3、Discrete（离散系统子模块库）,Discrete Transfer-Fcn：离散传递函数模型,Discrete Zero-Pole：以零极点表示离散传递函数模型,Discrete Filter：离散滤波器（建立一个离散度滤波器）,Discrete State-Space：离散状态方程,Discrete-time Integrator：离散时间积分器,First-Order Hold：一阶保持器,Memory：,单步积分延迟，输出为前一个输入,Unit Delay：单位延迟（信号采样后保持一个采样周期后输出）,第14页,4、,Function and Tables（函数与表格子模块库）,Fan:,自定义函数表示式,Interpolation(n-D)using PreLook-Up：,依据输入用内插值运算得到输出,Look-Up Table：给出输入数据值，经过插值计算得到输出值返回,Look-Up Table(2-D)：同上,Look-Up Table(n-D)：,同上,S-Function builder:,创建一个,s,函数（用户自己编写函数，能够将,MATLAB,语句、,c,语言等编写函数在,Simulink,中执行）,第15页,5、Math,Operations（数学模块）,Abs：取绝对值,Algebraic Constraint：输出强制系统输入为零代数状态,Assignment：对信号进行分配,Bitwise Logical Operator：按位逻辑运算,Combinatorial Logic：逻辑真值查找,Complex to Magnitude-Angle：输出输入复数幅值与相位,Complex to Real-Imag：输出系统输入实部或虚部,Dot Product：点乘运算,Gain：百分比运算（信号增益）,第16页,6、Sinks（系统输出子模块库）,Display：,以数值形式显示输入信号,Floating Scope：悬浮信号显示器（不需任何连线，可显示任何指定信号）,Out1：,为子系统或其它模型提供输出端口,Scope：示波器（观察输入信号波形）,Stop Simulation：终止仿真（满足条件预置条件时停顿仿真）,Terminator：信号终止器（终止信号，预防输出信号无连接）,To File(.mat)：将仿真输出写入(.mat)数据文件,To Workspace：将仿真输出写入MATLAB工作空间,XY Graph：使用X、Y作变量输出二维图形,第17页,7、Sources（信号源子模块库）,Band-Limited White Noise：有限带宽白噪声,Chirp Signal：输出频率随时间线性变换正弦信号,Clock：仿真时钟信号,Constant：常数信号（数值可设置）,From Workspace：来自MATLAB工作空间输入数据,From File(.mat)：来自数据文件.mat中输入数据,Ground：,接地信号,In1：,为子系统或其它模型提供输入端口,第18页,Pulse Generator：脉冲发生器,Ramp：,斜坡信号发生器,Random,Number：服从高斯分布随机信号发生器,Repeating Sequence：周期信号发生器,Signal Generator：信号发生器，能够产生正弦、方波、锯齿涉及随意波。,Signal Builder：时序波形生成器,Sine Wave：正弦波信号发生器,Step：阶跃波信号发生器,Uniform Random,Number：服从均匀分布随机信号发生器,第19页,五、SIMULINK下自定义子系统模块,自定义子系统模块有两种方法,：,一个方法是采取,Ports&Subsystems 模块库中Subsystem功效模块，利用其编辑区设计组合新功效模块；,另一个方法是将现有多个功效模块组合起来，形成新功效模块。对于很大SIMULINK模型，经过自定义功效模块能够简化图形，降低功效模块个数，有利于模型分层构建。,第20页,方法 1,将,Ports&Subsystems 模块库中Subsystem功效模块复制到打开模型窗口中。,双击Subsystem功效模块，进入自定义功效模块窗口，从而能够利用已经有基本功效模块设计出新功效模块。,第21页,方法 2,在模型窗口中建立所定义功效模块子模块。,用鼠标将这些需要组合功效模块框住，然后选择Edit菜单下Create Subsystem即可。,第22页,子系统模块封装,封装,子系统含有以下特点：,自定义子系统模块及其图标。,用户双击封装后图标时显示子系统参数设置对话框。,用户自定义子系统模块帮助文档。,上面提到两种方法都只是创建一个功效模块，假如要命名该自定义模块、对模块进行说明、选定模块外观、设定输入数据窗口，则需要对其进行封装处理。,第23页,子系统模块封装方法,首先选中Subsystem功效模块，再打开Edit菜单中Mask,Subsystem进入mask编辑窗口，能够看出有3个标签页。,Icon：设定功效模块外观。,Initialization：设定输入数据窗口。,Documentation：设计该功效模块文字说明。,第24页,Simpower System模型库是专用于RLC电路、电力电子电路、电机传动控制系统和电力系统仿真模型库。,模型库中包换交直流电源、电气元器件、电工测量仪表，控制元器件等模型。利用这些模型和其它工具箱模型结合能够模拟组成电力电子系统、电力系统、电力拖动系统等来进行仿真研究。,电力系统模型有两种端口，一个用于连接主电路，一个用于连接控制信号。,六、电力系统模型库,第25页,一、SIMULINK仿真步骤,1、依据系统框图或者原理图构建系统仿真模型,模型特点,在SIMULINK里提供了许多如Scope接收器模块，这使得用SIMULNK进行仿真含有像做试验普通图形化显示效果。,SIMULINK模型含有层次性，经过底层子系统能够构建上层母系统。,SIMULINK提供了对子系统进行封装功效，用户能够自定义子系统图标和设置参数对话框。,第二节 仿真模型建立与仿真,第26页,查找需要模块,建立模型,第27页,设置仿真模型中模块参数。,第28页,设置系统仿真参数和选择解法。,第29页,设置系统仿真参数和选择解法。,第30页,设置仿真参数和选择解法,设置仿真参数和选择解法器，选择Simulation菜单下Parameters命令，就会弹出一个仿真参数对话框，它主要用三个页面来管理仿真参数。,Solver页，它允许用户设置仿真开始和结束时间，选择解法器，说明解法器参数及选择一些输出选项。,Workspace I/O页，作用是管理模型从MATLAB工作空间输入和对它输出。,Diagnostics页，允许用户选择Simulink在仿真中显示警告信息等级。,第31页,算法参数设置（Solver）,此页能够进行设置有：选择仿真开始和结束时间；选择解法器，并设定它参数；选择输出项。,仿真时间：,注意这里时间概念与真实时间并不一样，只是计算机仿真中对时间一个表示，比如10秒仿真时间，假如采样步长定为0.1，则需要执行100步，若把步长减小，则采样点数增加，那么实际执行时间就会增加。,Simulink,默认仿真开始时间为0，结束时间为10,s。实际中可依据需要设置适当仿真时间。总说来，执行一次仿真要花费时间依赖于很多原因，包含模型复杂程度、解法器及其步长选择、计算机时钟速度等等。,第32页,2）仿真步长模式：,用户在Type后面第一个下拉选项框中指定仿真步长选取方式，可供选择有Variable-step（变步长）和Fixed-step（固定步长）方式。变步长模式能够在仿真过程中改变步长，提供误差控制和过零检测。固定步长模式在仿真过程中提供固定步长，不提供误差控制和过零检测。用户还能够在第二个下拉选项框中选择对应模式下仿真所采取算法。,第33页,步长参数：,对于变步长模式，用户能够设置最大和推荐初始步长参数，缺省情况下，步长自动地确定，它由值auto表示。,Maximum step size（最大步长参数）：它决定了解法器能够使用最大时间步长，它缺省值为“仿真时间/50”，即整个仿真过程中最少取50个取样点，但这么取法对于仿真时间较长系统则可能带来取样点过于稀疏，而使仿真结果失真，或造成仿真输出曲线不光滑。普通提议对于仿真时间不超出15s采取默认值即可，对于超出15s每秒最少确保5个采样点，对于超出100s，每秒最少确保3个采样点。,Initial step size（初始步长参数）：普通提议使用“auto”默认值即可。,第34页,仿真精度（对于变步长模式）,Relative tolerance（相对误差）：它是指误差相对于状态值，是一个百分比，缺省值为1e-3，表示状态计算值要准确到0.1%。,Absolute tolerance（绝对误差）：表示误差值门限，或者是说在状态值为零情况下，能够接收误差。假如它被设成了auto，那么simulink为每一个状态设置初始绝对误差为1e-6。,第35页,仿真数据输入输出设置（Workspace I/O）,此页主要用来设置SIMULINK与MATLAB工作空间交换数值、处理数值存取相关选项。,第36页,仿真中异常情况诊疗（Diagnostics）,能自动诊疗22种异常情况，比如：,Algebraic loop：,代数环异常，即无惯性、无延迟，环中每个模块输入与输出间都包含代数关系。它会大大减慢仿真速度，进而可能造成仿真失败。,Min step size violation：,最小步长欠小，表明微分方程解法器为到达指定精度需要更小步长，但这是解法器所不允许。须采取更高阶解法器。,U,nconnected block input：,模块输入悬空,U,nconnected block output：,模块输出悬空,U,nconnected line：,信号线未接,第37页,4、开启仿真,5、观察仿真结果。,第38页,