本系列教程來(lái)源于出版書籍《基于MATLAB編程基礎(chǔ)與典型應(yīng)用書籍》今妄，如涉及版權(quán)問(wèn)題团滥，請(qǐng)聯(lián)系：156204968@qq.com昏兆。 出版社：人民郵電出版社枫虏， 頁(yè)數(shù)：525。
本系列教程目前基于MATLABR2006a，可能對(duì)于更高級(jí)版本的功能和函數(shù)有差異隶债，教程中如有問(wèn)題腾它，請(qǐng)聯(lián)系：156204968@qq.com
Simulink工具箱包含大量的動(dòng)態(tài)仿真庫(kù)，能夠?qū)?shí)際系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真死讹，而且可以非常方便地實(shí)現(xiàn)Simulink與Matlab之間的交互操作瞒滴，使用Matlab命令行進(jìn)行Simulink模型的仿真，數(shù)據(jù)交換等赞警。同時(shí)可以編寫M函數(shù)或者S函數(shù)進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)的Simulink仿真妓忍。本章主要介紹Simulink建模與仿真的基本知識(shí)以及應(yīng)用實(shí)例分析。
15.1 Simulink簡(jiǎn)介
Simulink是一個(gè)用來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模仅颇、仿真和分析的軟件包单默。Simulink提供了大量的仿真元件庫(kù)，非常方便搭建忘瓦、分析和仿真各種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)搁廓，包括連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)耕皮。Simulink交互式的開(kāi)發(fā)界面方便用戶直接拖放境蜕，連接元件，設(shè)置模塊屬性和仿真參數(shù)凌停，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模仿真粱年。同時(shí)，Simulink強(qiáng)大的擴(kuò)展功能罚拟，包括M文件編程技術(shù)台诗，S-函數(shù)編程級(jí)數(shù)，子系統(tǒng)創(chuàng)建封裝技術(shù)等方便用戶開(kāi)發(fā)自己的仿真工具箱赐俗；Simulink中集成了大量的專業(yè)模塊庫(kù)拉队，包括信號(hào)處理DSP模塊庫(kù)，電力系統(tǒng)仿真模塊庫(kù)阻逮，通信系統(tǒng)模塊庫(kù)等粱快，廣泛地應(yīng)用與社會(huì)各領(lǐng)域中。綜合起來(lái)叔扼，Simulink工具箱具備以下強(qiáng)大的功能事哭。
（1）優(yōu)越的交互式界面，操作簡(jiǎn)單
Simulink模塊庫(kù)瀏覽窗口提供了大量的仿真元件庫(kù)以及其他專業(yè)模塊庫(kù)瓜富，用戶只需要啟動(dòng)Simulink仿真環(huán)境鳍咱，在Simulink Library Browser的窗口選擇需要的模塊，用鼠標(biāo)拖放元件与柑，然后連接流炕，就可以建立仿真模型澎现，同時(shí)子系統(tǒng)概念可以幫助用戶對(duì)獨(dú)立的仿真功能模塊進(jìn)行封裝，使系統(tǒng)模型更加簡(jiǎn)潔清晰每辟。這種簡(jiǎn)單的元件拖放剑辫，連接，仿真的過(guò)程渠欺，使Simulink建模變得非常容易直觀妹蔽。
（2）豐富的模塊庫(kù)，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛
Simulink仿真環(huán)境下提供了大量的模塊庫(kù)挠将，包括連續(xù)模塊庫(kù)胳岂、離散模塊庫(kù)、非線性模塊庫(kù)舔稀、信號(hào)與系統(tǒng)模塊庫(kù)乳丰、數(shù)學(xué)模塊庫(kù)、子系統(tǒng)模塊庫(kù)内贮、輸入輸出模塊庫(kù)和函數(shù)查表模塊庫(kù)产园。通過(guò)使用這些模塊庫(kù)，能夠非常輕松地描述實(shí)際物理模型夜郁。除了Simulink工具箱外什燕，Simulink仿真開(kāi)發(fā)環(huán)境集成了大量專業(yè)模塊庫(kù)，包括數(shù)字信號(hào)處理模塊庫(kù)竞端、通信系統(tǒng)模塊庫(kù)屎即、控制系統(tǒng)模塊庫(kù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模塊庫(kù)事富、電力系統(tǒng)仿真模塊庫(kù)等技俐，使Simulink的應(yīng)用領(lǐng)域幾乎擴(kuò)展到工業(yè)生產(chǎn)的各行各業(yè)，包括通訊衛(wèi)星系統(tǒng)统台、航空航天系統(tǒng)雕擂、汽車系統(tǒng)、金融系統(tǒng)饺谬、電機(jī)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。
（3）模塊庫(kù)易于擴(kuò)展谣拣，移植性好
Simulink仿真平臺(tái)中集成了大量的模塊庫(kù)募寨，能夠滿足一般用戶的仿真需求。同時(shí)Simulink子系統(tǒng)的概念可以方便地實(shí)現(xiàn)模塊庫(kù)擴(kuò)展森缠。在一些大型系統(tǒng)仿真中拔鹰，仿真模型元件眾多，此時(shí)需要建立各種獨(dú)立功能模塊子系統(tǒng)贵涵，并進(jìn)行封裝列肢，使之成為一個(gè)獨(dú)立的功能子模塊恰画，用戶可以將自己建立的子系統(tǒng)組成模塊庫(kù)，并添加到Simulink仿真平臺(tái)的庫(kù)瀏覽窗口中瓷马，方便使用拴还。對(duì)于一些復(fù)雜系統(tǒng)，Simulink仿真環(huán)境下可以使用S-函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)欧聘，它可以使用Matlab片林，C，C++怀骤，F(xiàn)ortran和Ada等語(yǔ)言來(lái)編寫费封，實(shí)現(xiàn)連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和混合系統(tǒng)等蒋伦，這些不同語(yǔ)言下的相關(guān)數(shù)值算法弓摘，不用修改就可以直接移植到Simulink開(kāi)發(fā)環(huán)境下，因此模塊庫(kù)的移植性非常好痕届。
（4）仿真手段靈活韧献，接口豐富
在Simulink仿真環(huán)境下，仿真手段靈活爷抓，一方面可以通過(guò)交互式界面菜單按鈕的使用進(jìn)行系統(tǒng)模型仿真势决，同時(shí)也可以通過(guò)命令行形式進(jìn)行模型仿真。交互式界面的仿真方法簡(jiǎn)單快捷蓝撇，但是當(dāng)需要對(duì)仿真模型進(jìn)行重復(fù)仿真果复，或者仿真模型中模塊參數(shù)動(dòng)態(tài)變化等情況下，這種交互式操作的仿真手段帶來(lái)極大不便渤昌，于是命令行仿真手段凸現(xiàn)優(yōu)勢(shì)虽抄，通過(guò)命令行仿真，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)改變模型參數(shù)独柑，進(jìn)行多次模型的重復(fù)仿真和數(shù)據(jù)分析等迈窟。在Simulink仿真環(huán)境下，與Matlab數(shù)據(jù)交換方式靈活忌栅，非常方便用戶對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)整理分析车酣。
15.2 Simulink啟動(dòng)和文件建立
在了解了Simulink基本組成和功能介紹后，可以利用Simulink仿真平臺(tái)建立仿真模型對(duì)實(shí)際物理模型進(jìn)行仿真索绪。本節(jié)將主要介紹Simulink仿真平臺(tái)的啟動(dòng)湖员，仿真模型的建立以及Simulink庫(kù)文件的建立。
15.2.1 Simulink的啟動(dòng)
在啟動(dòng)Simulink仿真環(huán)境前瑞驱，應(yīng)該首先啟動(dòng)Matlab娘摔。在Matlab工作環(huán)境中，啟動(dòng)Simulink主要有以下三種方法唤反。
（1）用命令行Simulink啟動(dòng)Simulink開(kāi)發(fā)環(huán)境凳寺，在Matlab的命令行窗口(Command Window)中直接鍵入命令：
>> simulink
回車(Enter)后就會(huì)新開(kāi)啟一個(gè)Simulink Library Browser的窗口鸭津，如圖15.2所示。
(2) 第二種方法是使用Matlab工具欄按鈕
啟動(dòng)Simulink仿真平臺(tái)肠缨。如圖15.2所示.
（3）用命令行Simulink3啟動(dòng)Simulink開(kāi)發(fā)環(huán)境逆趋，在Matlab的命令窗口(Command Window)中直接鍵入命令：
>> Simulink3回車(Enter)后就會(huì)啟動(dòng)一個(gè)標(biāo)題為L(zhǎng)ibrary: Simulink3的新窗口，如圖15.3所示怜瞒。從圖中可以看到Simulink庫(kù)中的一些主要模塊庫(kù)父泳，雙擊模塊庫(kù)，即可看到對(duì)應(yīng)模塊庫(kù)中的元件列表吴汪。例如鼠標(biāo)左鍵雙擊連續(xù)模塊庫(kù)(Continuous)惠窄，或者用鼠標(biāo)右鍵的菜單中單擊【Open Block】選項(xiàng)，,就可以在新窗口中看到連續(xù)模塊庫(kù)中所包含的模塊元件漾橙，如圖15.4所示杆融。
15.2.2 Mdl文件的建立
如圖15.2所示，啟動(dòng)了Matlab/Simulink仿真平臺(tái)后霜运，需要建立一個(gè)空白的仿真模型脾歇，即.mdl文件。新建一個(gè)空白的系統(tǒng)仿真模型可以有以下幾個(gè)方法：
（1）如圖15.2所示淘捡，單擊主窗口【File】菜單下的【New】藕各，選擇【Model】選項(xiàng)，或者在Simulink主窗口下按CTRL+N的快捷鍵同樣可以創(chuàng)立空白的仿真模型焦除。
（2）在Simulink主窗口中工具欄中的建立一個(gè)空白的仿真文檔激况，用打開(kāi)一個(gè)當(dāng)前路徑下保存過(guò)的仿真模型。
（3）在Matlab主窗口的菜單欄【File】下的【New】膘魄，選擇【Model】選項(xiàng)乌逐。
圖15.5為新建的仿真模型，按CTRL+S快捷鍵或者選擇菜單欄【File】菜單下的【Save】選項(xiàng)创葡，,輸入仿真模型的文件名浙踢，然后設(shè)置模塊參數(shù)與系統(tǒng)的仿真參數(shù)，就可以完成一個(gè)簡(jiǎn)單系統(tǒng)的仿真了灿渴。在這個(gè)仿真模型中洛波，使用了輸入源模塊庫(kù)(Sources)中的正弦波發(fā)生器模塊(Sine Wave)，數(shù)學(xué)模塊庫(kù)(Math operations)中的絕對(duì)值模塊(Abs)骚露，以及輸出模塊庫(kù)(Sink)中的示波器模塊(Scope)蹬挤。三個(gè)模塊的功能敘述以及參數(shù)設(shè)置如下：
(1)正弦波發(fā)生器模塊(Sine Wave)：用來(lái)產(chǎn)生一定幅值和一定頻率的正弦波信號(hào)
（2）取絕對(duì)值模塊(Abs)：實(shí)現(xiàn)絕對(duì)值功能，屬性設(shè)置使用默認(rèn)設(shè)置愕鼓。
（3）示波器模塊(Scope)：示波器默認(rèn)情況下只有一個(gè)輸入端钙态，但很多情況下為了觀測(cè)多路不同的輸出信號(hào)，需要增加示波器的輸入端口菇晃，這時(shí)需要設(shè)置示波器的屬性册倒。雙擊Scope模塊，單擊工具欄按鈕磺送，彈出如圖15.7所示的示波器參數(shù)設(shè)置窗口驻子。
在【General】屬性頁(yè)，根據(jù)需要輸入端口數(shù)量設(shè)置Number of axes估灿。Time Range編輯框中輸入示波器時(shí)間軸的顯示范圍崇呵。在【Data history】屬性頁(yè)中，去掉Limit data points to last選項(xiàng)馅袁，使信號(hào)能夠完全顯示與示波器中域慷。如果需要對(duì)示波器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以選擇Save data to workspace選項(xiàng)司顿，定義保存變量的名稱芒粹，以及數(shù)據(jù)類型。在保存示波器數(shù)據(jù)時(shí)大溜，提供三種不同的數(shù)據(jù)格式：第一種是Structure with time化漆；第二種是Struct；第三種是Array钦奋。下面章節(jié)中將詳細(xì)介紹這三種不同數(shù)據(jù)類型保存的數(shù)據(jù)形式以及它們之間的差異座云。
（4）當(dāng)完成了仿真模型所有模塊的參數(shù)設(shè)置后，并且正確設(shè)置系統(tǒng)仿真參數(shù)付材，就可以進(jìn)行模型的仿真朦拖。在模型窗口（圖15.5所示）中，單擊菜單欄【Simulation】下的【Configuration parameters】選項(xiàng)厌衔，或者按CTRL+E快捷鍵璧帝，即可彈出仿真參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，如圖15.8所示富寿。首先在仿真時(shí)間組件中設(shè)置仿真的起始時(shí)間和終止時(shí)間睬隶。在求解組合框中锣夹，首先選擇仿真算法，采用變步長(zhǎng)算法或者定步長(zhǎng)算法苏潜，變步長(zhǎng)算法包括離散算法（discrete）银萍、ode45、 ode23,恤左、ode113,峭梳、ode15s迂猴、 ode23s,、ode23t和ode23tb算法；在定步長(zhǎng)仿真中驳概，包括離散算法派敷、ode1气忠、ode2诫钓、ode3、ode4蹄皱、ode5算法览闰。然后設(shè)置仿真算法步長(zhǎng)，包括初始步長(zhǎng)巷折，最小步長(zhǎng)和最大步長(zhǎng)設(shè)置压鉴，以及誤差容忍度的設(shè)置，包括絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差設(shè)置锻拘。
當(dāng)仿真模型所有模塊參數(shù)和仿真參數(shù)設(shè)置完成后油吭，就可以進(jìn)行仿真系統(tǒng)的仿真。單擊模型窗口（圖15.5所示）中菜單欄【Simulation】下的【Start】選項(xiàng)署拟，或者按快捷鍵CTRL+T婉宰，或者單擊工具欄按鈕進(jìn)行模型仿真，結(jié)果如圖15.9所示推穷。
示波器在不同保存數(shù)據(jù)格式下心包，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不盡相同。當(dāng)數(shù)據(jù)格式設(shè)置為Structure with time時(shí)馒铃，仿真結(jié)束后蟹腾，在命令窗口中輸入：
>> compare_sine
compare_sine =
time: [200001x1 double]
signals: [1x2 struct]
blockName: 'sim_book_1/Scope'
可以看出，示波器保存的是包含時(shí)間和信號(hào)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)體区宇，同時(shí)還有示波器模塊的名稱娃殖。而信號(hào)數(shù)據(jù)也是一個(gè)結(jié)構(gòu)體。在命令窗口中輸入：
>> signals_struct=compare_sine.signals
signals_struct =
1x2 struct array with fields:
values
dimensions
label
title
plotStyle
如果要獲取時(shí)間和信號(hào)的數(shù)據(jù)可以分別用以下的命令：
>> time=compare_sine.time;%獲取仿真時(shí)間數(shù)據(jù)
>> pre_signal=compare_sine.signals(1).values;%獲取第一個(gè)信號(hào)的數(shù)據(jù)
>> aft_signal=compare_sine.signals(2).values; %獲取第二個(gè)信號(hào)的數(shù)據(jù)
當(dāng)數(shù)據(jù)格式設(shè)置為Struct時(shí)议谷，仿真結(jié)束后炉爆，在命令窗口中輸入：
>> compare_sine
compare_sine =
time: []
signals: [1x2 struct]
blockName: 'sim_book_1/Scope'
發(fā)現(xiàn)此時(shí)示波器數(shù)據(jù)中時(shí)間數(shù)據(jù)為空集，并沒(méi)有保存時(shí)間的數(shù)據(jù)。信號(hào)數(shù)據(jù)同第一種數(shù)據(jù)格式一種為1x2 struct結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)芬首。
第三種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Array必須是示波器為單輸入時(shí)才能保存為數(shù)組鲫凶。在多輸入情況下，必須以結(jié)構(gòu)體形式保存數(shù)據(jù)衩辟。
1．示波器圖形編輯和數(shù)據(jù)處理方法
從圖15.9可以看出，示波器仿真結(jié)果無(wú)法直接進(jìn)行編輯波附，而且以黑色為圖形背景艺晴，不利于工程論文圖形美觀需求。因此需要對(duì)示波器圖形或者數(shù)據(jù)進(jìn)行重新處理掸屡。以下提供5種基本的處理方式封寞。
(1)按下鍵盤的屏幕打印按鈕【PrintScreen】，然后粘貼到Windows位圖編輯器仅财，即Windows下自帶的畫圖板軟件狈究，選擇圖像單擊右鍵，選擇【反色】即可盏求；
(2)在Scope屬性頁(yè)中的Data history屬性頁(yè)抖锥，選中 Save Data to Workplace單選框，然后在Variable Name編輯框中指定變量名碎罚，F(xiàn)ormat下拉按鈕下選擇示波器保存數(shù)據(jù)類型磅废，將仿真數(shù)據(jù)保存在工作窗口下，使用plot命令繪制仿真結(jié)果如圖15.10示荆烈；
(3)直接在模型的輸出信號(hào)線上添加To Workplace模塊拯勉，在工作窗口中將仿真數(shù)據(jù)使用plot命令繪制出來(lái)；
(4)直接在模型的輸出信號(hào)線上添加Outport模塊憔购，用plot命令繪制tout和yout宫峦；
(5)仿真模型仿真結(jié)束后，等示波器Scope顯示出來(lái)圖像以后玫鸟，在Matlab的命令行窗口中輸入：
>> set(0,'ShowHiddenHandles','On')
>> set(gcf,'menubar','figure')
單擊菜單欄的【Insert】選項(xiàng)导绷，鼠標(biāo)會(huì)變成十字形狀，然后再圖像的任意一處雙擊左鍵出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框PropertyEditor屎飘，選中style在窗口的右邊會(huì)出現(xiàn)color選項(xiàng)诵次，就可以任意修改波形背景顏色,同時(shí)也可以對(duì)曲線顏色以及坐標(biāo)軸進(jìn)行設(shè)置，結(jié)果如圖15.11所示枚碗。
在命令行窗口中輸入以下繪圖命令逾一，結(jié)果如圖15.10所示。
>> subplot(2,1,1)
>> time=compare_sine.time;
>> pre_signal=compare_sine.signals(1).values;
>> aft_signal=compare_sine.signals(2).values;
>> plot(time,pre_signal)
>> grid on
>> xlabel('Time(sec)');ylabel('original signal')
>> subplot(2,1,2)
>> plot(time,aft_signal)
>> grid on
>> xlabel('Time(sec)');ylabel('absolute signal')
以上通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)模型演示了Simulink建模與仿真的基本步驟肮雨。相信讀者通過(guò)這一部分的學(xué)習(xí)能夠大致了解一個(gè)Simulink仿真模型建立的步驟遵堵，示波器數(shù)據(jù)圖像化顯示的基本方法，以及仿真數(shù)據(jù)的交互式處理。在后續(xù)章節(jié)中陌宿，會(huì)更加詳細(xì)地介紹Simulink模塊庫(kù)各模塊的功能锡足，使用方法和應(yīng)用場(chǎng)所，通過(guò)更加深入的學(xué)習(xí)壳坪，相信讀者能夠輕松地建立相對(duì)簡(jiǎn)單的Simulink仿真模型舶得。對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)，離散－連續(xù)混合系統(tǒng)的仿真爽蝴，在介紹完命令行仿真技術(shù)沐批，S-function建模仿真后，相信讀者能夠針對(duì)一些綜合的復(fù)雜系統(tǒng)蝎亚，進(jìn)行建模和仿真九孩。
作者：德特?cái)?shù)據(jù)
聯(lián)系方式:156204968@qq.com
