第7章-MATLAB仿真与应用总结优秀PPT.ppt

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1、04 十一月十一月 20221第第7 7章章MATLABMATLAB仿真与应用仿真与应用04 十一月十一月 20222第7章 MATLAB仿真与应用学习目标了解MATLAB仿真的作用；了解MATLAB仿真的常见模块；理解MATLAB仿真的基本方法；驾驭MATLAB仿真的一般步骤和MATLAB仿真的一些常见应用 04 十一月十一月 202237.1 Simulink概述Simulink供应一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，只需通过简洁直观的鼠标操作，就可构造出困难的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、敏捷等优点。

2、Simulink已被广泛应用于限制理论和数字信号处理的困难仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。04 十一月十一月 202247.1.1 Simulink简介Simulink是实现动态系统建模、仿真的一个集成环境 支持线性和非线性系统，连续时间、离散时间，或两者的相结合的仿真，而且系统可以是多进程的 Simulink把MATLAB的很多功能都设计成一个个直观的功能模块 04 十一月十一月 202257.1.2 Simulink相关产品MathWorks公司供应了几十种系统仿真模块，这些相关的仿真能够帮助用户实现各种各样的仿真任务。了解更多相关的信息可以

3、接受以下两个途径：（1）假如在安装MATLAB软件的时候安装有在线帮助文档的话可以查看帮助文档。（2）可以访问MathWorks的官方网站 04 十一月十一月 20226表7-1 MATLAB仿真模块产产 品品 名名 称称描描 述述航天模块库航天模块库建模、分析、集成和模拟飞机、航天器、导弹、武器和推进系统建模、分析、集成和模拟飞机、航天器、导弹、武器和推进系统CDMA的参考模块库的参考模块库设计和模拟的设计和模拟的IS-95A标准的移动电话设备标准的移动电话设备通信模块库通信模块库设计和模拟通信系统设计和模拟通信系统通信工具箱通信工具箱设计和分析通信系统设计和分析通信系统控制系统工具箱控制系

4、统工具箱设计和分析反馈控制系统设计和分析反馈控制系统拨号及仪表模块库拨号及仪表模块库用图形信号监测仪器用图形信号监测仪器嵌入式对摩托罗拉嵌入式对摩托罗拉MPC555的仿真的仿真仿真摩托罗拉仿真摩托罗拉MPC555上的产品上的产品滤波器设计工具箱滤波器设计工具箱设计和分析高级浮点和定点滤波器设计和分析高级浮点和定点滤波器LMI控制工具箱控制工具箱利用表面优化技术设计控制器利用表面优化技术设计控制器MATLAB编译器编译器把把MATLAB的的.m文件转换为文件转换为C或者或者C+代码代码模型校准工具箱模型校准工具箱校准复杂动力系统校准复杂动力系统模型预测控制工具箱模型预测控制工具箱在预测系统中控制

5、大的多进程任务在预测系统中控制大的多进程任务分析与综合工具分析与综合工具设计多反馈信息的随机系统模型设计多反馈信息的随机系统模型非线性控制设计模块非线性控制设计模块优化非线性控制系统设计参数优化非线性控制系统设计参数优化工具箱优化工具箱解决标准和大规模优化问题解决标准和大规模优化问题信号处理模块信号处理模块设计和仿真信号处理系统设计和仿真信号处理系统04 十一月十一月 202277.1.3 一个运用Simulink的小例子在这个例子中，用Simulink来实现两个正弦信号的相加，即计算 。操作步骤如下：（1）在MATLAB的吩咐窗口中输入Simulink，按【Enter】键（2）在功能模块函数

6、库窗口中，选择FileNewModel吩咐（3）在功能模块函数库窗口中双击Sources或者单击模块阅读器中Simulink前面的“+”号，在Simulink基本模块库中找到Sources，打开一个子函数库（4）在Sinks接收子模块中，把示波器Scope添加到模型窗口中 04 十一月十一月 20228（5）编辑模块组成模型（6）将整个模型连接起来（7）进行系统仿真 04 十一月十一月 202297.2 功能模块函数库介绍Simulink的模块库中供应了大量用于各种应用范畴的模块，但各类模块的基本类型是一样的。在吩咐窗口中输入Simulink，按【Enter】键，打开功能模块函数窗口。可以看到

7、窗口的左边是一个树状书目，右边就是进行仿真设计时常用的、最基本的功能模块函数库，它包括：Commonly Used Blocks模块库：供应一些常用的仿真模块。Continuous模块库：为仿真供应（连续的）线性元件。Discontinuities模块库：为仿真供应一些不连续的非线性的模块。Discrete模块库：为仿真供应常用的离散仿真模块。Logic and Bit Operations模块库：为仿真供应一些常见的逻辑运算和位运算模块。Lookup Tables模块库：为仿真供应一些常见的查找表模块。04 十一月十一月 202210Math模块库：为仿真供应数学运算功能元件。Model V

8、erification模块库：供应一些信号检查或者模型检测的模块。Model-Wide Utilities模块库：为仿真供应一些公共的文本或信息显示模块。Ports&Subsystems模块库：为仿真供应子系统端口和模块。Signal Attributes模块库：为仿真供应常用的数据类型转换的模块。图7-7 输入源模块库Signal Routing模块库：为仿真供应信号和数据操作模块。Sinks模块库：供应输出设备元件。Sources模块库：为仿真供应各种信号源。User-Defined Functions模块库：为仿真供应用户自定义函数的模块。Function&Tables模块库：为仿真供应

9、特定的功能函数。Additional Math&Discrete模块库：供应附加的数学和离散模块。04 十一月十一月 2022117.2.1 输入源模块库名名 字字功功 能能Band-Limited White Noise产生有限带宽的白噪声产生有限带宽的白噪声Chirp Signal产生频率与时间成正比的信号产生频率与时间成正比的信号Clock提供系统的时间提供系统的时间Constant产生固定的常数量产生固定的常数量Counter Free-Running提供一个自动归零的计数器，即当计数到一定值后清零提供一个自动归零的计数器，即当计数到一定值后清零Counter Limited提供一个归

10、零后输出上限的计数器提供一个归零后输出上限的计数器Digital Clock在固定的时间间隔中产生模拟的时钟在固定的时间间隔中产生模拟的时钟From File从文件输入数据从文件输入数据From Workspace从从MATLAB的工作区中输入数据的工作区中输入数据Ground使输入接口接地使输入接口接地In1给一个子系统产生一个输入接口给一个子系统产生一个输入接口Pulse Generator产生脉冲信号产生脉冲信号Ramp产生斜坡信号产生斜坡信号04 十一月十一月 202212名名 字字功功 能能Random Number产生随机数产生随机数Repeating Sequence产生锯齿波信

11、号产生锯齿波信号Repeating Sequence Interpolated重复离散时间输出重复离散时间输出Repeating Sequence Stair产生重复锯齿波信号产生重复锯齿波信号Signal Builder图形界面的信号产生器图形界面的信号产生器Signal Generator信号生成器信号生成器Sine Wave产生正弦波信号产生正弦波信号Step产生界跃输入产生界跃输入Uniform Random Number产生正态分布的随机数产生正态分布的随机数04 十一月十一月 2022137.2.2 接收模块模模 块块 名名 称称功功 能能 简简 介介Display显示输入的数值显

12、示输入的数值Floating Scope浮动的示波器输出浮动的示波器输出Out1给一个子系统产生一个输出接口给一个子系统产生一个输出接口Scope示波器输出示波器输出Stop Simulation停止仿真停止仿真Terminator终止一个悬空的输出接口终止一个悬空的输出接口To File写入文件写入文件To Workspace写入到写入到MATLAB的工作区的工作区XY Graph现实二维图形现实二维图形04 十一月十一月 2022147.2.3 连续系统模块模模 块块 名名 称称功功 能能 简简 介介Derivative微分环节微分环节Integrator积分环节积分环节State-Spa

13、ce状态方程状态方程Transfer Fcn传递函数传递函数Transport Delay把前一步的输入延时后输出把前一步的输入延时后输出Variable Transport Delay按第二个输入指定的时间将第一按第二个输入指定的时间将第一个输入延时个输入延时Zero-Pole零极点模型零极点模型04 十一月十一月 2022157.2.4 数学运算模块模模 块块 名名 称称功功 能能 简简 介介Abs求绝对值或复数的值求绝对值或复数的值Add求和运算求和运算Algebraic Constraint代数约束代数约束Assignment分配分配Bias输入偏移输入偏移Complex to Mag

14、nitude-Angle求复数的模和辅角求复数的模和辅角Complex to Real-Imag求复数的实部和虚部求复数的实部和虚部Dot Product求点积（内积）求点积（内积）Divide对输入求商对输入求商Gain常量增益（输入乘以一个常数）常量增益（输入乘以一个常数）Magnitude-Angle to Complex根据复数的摸和辅角球复数根据复数的摸和辅角球复数Math Function数学运算函数数学运算函数Matrix Concatenation矩阵增益（输入乘以一个矩阵）矩阵增益（输入乘以一个矩阵）MinMax求最大值或最小值求最大值或最小值04 十一月十一月 202216

15、MinMax Running Resettable输出最大值或最小值后复位输出最大值或最小值后复位Polynomial多项式多项式Product对输入求积或商对输入求积或商Product of Elements对输入元素求积或商对输入元素求积或商Real-Imag to Complex根据实部和虚部球复数根据实部和虚部球复数Relational关系运算关系运算Rounding Function取整函数取整函数Sign符号函数符号函数Sine Wave Function正弦波函数正弦波函数Subtract加或减去输入加或减去输入Slider Gain 可以用滑动条来改变增益可以用滑动条来改变增益

16、Sum对输入求代数和对输入求代数和Sum of Elements求和求和Trigonometric Function三角函数或双曲函数三角函数或双曲函数Unary Minus减去一个信号减去一个信号Weighted Sample Time Math对采样时间进行加权操作对采样时间进行加权操作04 十一月十一月 2022177.3 Simulink模块的操作Simulink进行仿真的本质就是用模块构成模型，因此模块操作是Simulink仿真中特别重要的一个环节，本节主要对各个模块的具体操作进行简洁介绍。04 十一月十一月 2022187.3.1 添加和选取模块1添加模块当要把一个模块添加到模型中

17、时，首先在Simulink模块库中找到它，然后在模块库中单击该模块，不要释放鼠标，将这个模块拖动到模型窗口中即可。2选取模块当模块已经位于模型窗口中时，只要用鼠标在这个模块上单击就可以选中该模块，这时模块上出现一个黑色的小方块，这些小方块就是该模块的关键点，拖动这些黑色的小方块可以变更模块的大小。04 十一月十一月 2022197.3.2 模块的复制和删除1复制模块在同一个模型窗口中复制模块时，按住【Ctrl】键不放，按下鼠标左键不放，拖动该模块，在拖动过程中，会显示该模块的虚框和一个加号，最终将模块放到合适的位置，释放鼠标和【Ctrl】键即可。2删除模块选定模块，选择EditCut吩咐，将模

18、块剪切到剪切板；在右键快捷菜单中选择Clear吩咐将模块彻底删除，也可以运用【Delete】键进行彻底删除。右击模块，在弹出菜单中也有相应吩咐。04 十一月十一月 2022207.3.3 模块属性和参数的设置 1模块参数的设置选中要设置参数的模块，选择SimulationConfiguration Parameters吩咐，打开仿真的环境参数对话框 左边树形列表框内分为七大项，分别是:SolverData Import/ExportOptimizationDiagnosticsHardware ImplementationModel ReferencingReal-Time Workshop

19、04 十一月十一月 2022212模块属性的设置选定要设置属性的模块，然后选择EditBlock Properties吩咐，将得到属性设置对话框。各项属性的意义：（1）Description（说明）文本框（2）Priority（优先级）文本框（3）Tag（标记）文本框04 十一月十一月 2022227.3.4 模块间连线 1连接两个模块方法是先移动鼠标到输出端，鼠标的箭头会变成十字光标，这时按住鼠标左键不放，拖动鼠标到另一个模块的输入端，当十字形光标出现“重影”时，释放鼠标即可完成连接。2模块间连线的调整单击连线选中该连线。这时会看到线上的一些黑色小方块，这些是连线的关键点。在关键点按住鼠标左

20、键不放，拖动鼠标即可变更连线的走向。04 十一月十一月 2022233连线的分支先按下【Ctrl】键，然后按住鼠标左键不放，将连线拖动到目标模块，释放鼠标和【Ctrl】键即可。4标注连线双击某一条连线，可以打开一个文本框，在里面输入标注文字，按【Esc】键确定。我们还可以将这个文本框拖动到合适的位置。04 十一月十一月 2022247.4 自定义功能模块 Simulink不仅给用户供应了大量现成的功能模块，可以让用户便利地实现各种仿真功能。还给用户供应了自定义模块，可以让用户依据自己的实际需求的不同，定义自己专用的功能模块。04 十一月十一月 2022257.4.1 自定义功能模块的生成自定义

21、功能模块就是依据我们的须要自己“加工”所须要的功能模块。主要有两种方法：（1）在设计好一个具有某种功能的Simulink程序时，把程序中的全部功能模块都选中，然后右击鼠标，在弹出快捷菜单中选择Create Subsystem吩咐，则一个自定义的功能模块就产生了。（2）选中模块库中的Subsystems模块，在打开的菜单中把Subsystem模块复制到设计区，双击设计区的Subsystem模块就会出现Subsystem的设计区域。在此设计区域进行设计，并把in和out两个模块放在输入端和输出端，返回上一层设计区域，于是一个自定义的功能模块就产生了。04 十一月十一月 202226须要留意的有以下

22、几点：从子设计区域返回上一层设计区域，可以选择ViewGo To Parent吩咐。在打开模块库的Subsystem时，可以看到很多可以自定义功能模块的模块，Subsystem只是其中的一个。这些模块都分别有自己的适用范围，不同的状况下设计自定义功能模块时，选用不同的模块。可以变更自定义功能模块的图标以及给自定义功能模块添加说明文档，设置自定义模块的初始选项卡。这些将在后面的范例中进行说明04 十一月十一月 2022277.4.2 自定义功能模块选项卡的设置 选中自定义的功能模块，然后右击，在弹出的快捷菜单中选择Edit mask吩咐或者选择所在窗口中的EditEdit mask吩咐都可以打开

23、选项卡。假如刚设计好的功能模块还没有设置选项卡，在菜单中的Edit mask吩咐将不会出现，出现的是Mask subsystem吩咐。04 十一月十一月 2022287.5 Simulink仿真的应用Simulink仿真的应用领域特别广泛，如数字电路、数字信号处理、通信仿真、电力系统仿真、宇航仿真等各个领域。脉冲和数字技术广泛应用于电视、雷达、计算机、自动化、通信等各个方面。由于数字系统中凹凸电平分别用0和1表示，因此数字电路问题往往可以转化为一个数字上的逻辑问题。MATLAB供应了逻辑运算模块和各种触发器模块，可以便利地进行数字电路设计和仿真。04 十一月十一月 20222911位全加器的设

24、计首先设计1位的不带进位的加法器，有时也成为半加器。假如用A、B表示两个输入的加数，S表示相加的和（留意，由于不带进位，所以这里S也是一位的二进制数），这个半加器的逻辑表达式如下：04 十一月十一月 2022301位的二进制的全加器。所谓全加器，就是带进位输入和进位输出的加法器。1位全加器有3个输入，分别是加数A、B和来自低位的进位C；还有2个输出端，分别是和数S以及向高位进位D。一位全加器的输入输出逻辑表达式如下：04 十一月十一月 202231从逻辑表达式中可以看出，和数S的逻辑形式相当困难，假如用基本的逻辑门（与门、或门、非门）来实现，须要4个与门，3个或门，还有6个非门。但是假如将S进

25、行一次变形，会发觉S的表达式原来如此简洁：04 十一月十一月 202232实现了一位全加器后，就可以很轻松地得到4位全加器。只要将4个1位全加器级联起来，前一个的高位进位端D送入后一个的地位进位端C，就可以实现4位数的相加了。这其实就是利用了进位端，将4个1位全加器分别用于个位、十位、百位、千位上的运算。04 十一月十一月 2022332用Simulink实现4位全加器（1）添加模块：首先从MATLAB吩咐窗口运行Simulink，然后新建一个电路模型。这个电路中只须要:逻辑运算（SimulinkCommonly Used BlocksLogical Operator）离散脉冲源（Simuli

26、nkSourcesPulse Generator）示波器（SimulinkSinksScope）以及子系统（SimulinkCommonly Used BlocksSubsystem）。04 十一月十一月 202234（2）修改模块参数：首先要完成逻辑部分的电路。将逻辑运算模块复制到5个，其中3个设为2输入与门（AND），另一个设置为3输入或门（OR），最终一个设置为3输入异或门（XOR）。连线如图 04 十一月十一月 20223504 十一月十一月 202236（3）连线及仿真：参照图7-19连线，并在相应的连线上标注。选择SimulationConfiguration Parameters吩咐，将仿真时间设置为020s，其余接受默认值，然后将这个模型保存到MATLAB的work书目下。04 十一月十一月 20223704 十一月十一月 202238小 结我们了解了系统仿真的基本思路和方法介绍了仿真在某些领域中的应用。学习了仿真的基本模块如何自定义仿真模块实现仿真的基本步骤