MATLAB 7.X 系统建模与仿真.pdf录第1章 MATLAB仿真技术与应用简介 1.l系统衍

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详细说明：MATLAB 7.X 系统建模与仿真.pdfMATLAB 7.X 系统建模与仿真.pdf录第1章 MATLAB仿真技术与应用简介 1.l系统衍真技术概述………… 12Ⅵ ATLAB仿真技术的发展与应用… 4 13 MATLAB仿真技术的特点口■JL■p电p自l电dd山甲 ■■1■1上山■ 1,4仿真应用实例筒介第2章 Slink60快速入门…… 2, Simulink简介…… 2.1.1什么是 Simulink 2L2 Simulink6D的新特点 ■看p电1p电鲁看 2.3 Simulink60的共装… 甲pD甲『■山昏备昏山晶■甲P日早1 2.14 Simulink6.0实工作环境的作用及其主要特点……… 2.15 Simulink6.0工作环境如自a甲零mt1【晶1昏■ 2.6 Simulink60库浏览器界1面………∵ ■鲁昏■■口■q 2.].7 Simulink6.0模犁臼的绌成 L即·啊1 2.2 Simulink60快速入门………… 012455 22.1建模型的般步骤… 2,2运行一个不例模型 .2.3乎例的说明 23 Simulink是如何丁作的……… 23.过零点 8 2.32代数路…… 233非代数有接馈通回路 20 234不变的常量……… L晶■山着郾↓■■■t 21 第3章模型的建立…… 23 3.]模型的概念利文件操作…… 23 311什么是Sm!ink模型… 血·血p聊■■■dh啬模型文件的操作 ………24 32模块的操作甲·昌■↓■甲甲目山4b山■中b昌聊■自自■·■■1P啁1甲1·7血Pn如■量 25 321模块的基本操作 ……25 29 向量化模块和标量扩 52.3惯块参数的改置 30 3.3信线的操作山■凸■十■■■■ t;I量h■■■■ 34对模型的注释中自●中中 35常用的模型库 ■口罪■■■t ……34 3.5,1Surc斥信源 35 3.52Sink库信源…… …………………36 36仿頁的配 37 36l解数器的参数设置…… P■日日日?日日■日日日日日日一日日 37 36.2仿真嶔据输入输出设置……… 39 3.63仿真屮异常的诊第4章运用 Simulink60伤真…… d郾 46 4.]碗定模型的特征……… …46 4.2使川菜单命令运行仿真 46 421设置仿真参数和选怿求器 47 4.22应用仿真参……… …47 4.2.3开始仿真… 48 424仿真诊断( Simulation Diagnostics)对框… ■■↓bd4d4kI↓L 48 43仿真参数设置……………… 1■■■q■P口q 4.3.1求解器的迭择r…… ■TTT11 432仿舆性能和精度 50 44通过命令行运仿舆 ……………55 4.41使用sm耐令 55 4.4.2 simnet命令… p山■ 56 44.3 fidgEt俞令 …………58 第5章 Simulink6.0仿真结果分析…… ………59 5剃察输出轨迹… 5ll使用 Scope模块 5.1.2使陌返回变量…… 5!3使用 To Workspace模封……… 52线性化 ■↓■寻看 b4bD4罪日日■自血自4目P中导早P号.『自a.'Lt1r 63 53平衡点的确定trim 67 5,4线性化分析数 linfen………"…… 54,1离散时间系统的线性化 …69 542线性化的高级形式……………… 卓■ 5.5动态系统平衡点分析 70 第6章 Simulin中的系统模型 ■即司』1■■■1PP4Pp早P 8 6.1连续系统模型 ■中dp4甲4;m:■■:hd■■严■晕普甲■甲■■即m即即即q甲甲 78 611线性系统 ■量■甲俨甲日命目中唱P看目甲早4 78 6.12卡线性系统 81 61,3连续系统应用实例… 8 62离散酎问间系统模型…… aa·画■晶古山山番昌看晋■■■昏冒阝甲号L平↓1平早P甲自即P自看P即目p目即 ……………………B7 62.一些坛本模块 8了 622多速率离散时间系统……… 88 623离散系统应用实例……… 唱啁■ ……,……r…r……r-r-…90 6.3离散一连续混合系统 bpqp即■■■■↓■1卜卜■P■昏冒甲号号甲■日·日第7章子系統 p口p甲p甲■■■ ……97 71子系统的创建 ,昌■■甲着司甲q■·血▲■晶4b4司l■4 甲會早■ 97 71,!创建自己的子系统… 血■d即唱即甲●导■ 7.12用子系统米白定义库甲山国如聊聊■罪聊■■目『P日『P自P■中当■ 72子系统的封装…… ■■14■■ 100 721子系统封装示例… 4ppL血昌D即唱即甲罪■■自自PPP·P 鲁自山日甲音甲= ……l01 722Ian选项(图粉页)……………" ppap〓目一鲁■『冒甲·平"1 7.23 Parameters选项卡… LAl■■冒P■1 …103 7,2.4 ipitialirzalicr选项卡 106 72.5 Documentation迭项卡山山晶晶_■早■ 107 726联系封装子系统的参数与子系统中的模块参数 ……109 73条件执行子系统… 109 触发子系统及其实例 D聊pmm山■舞■昏4■甲冒甲 "……109 73.2使能子系统及其实例… 733触发使能子系统及其实例 734交梣执行子系统及其实例… ■■旷晶晶十昏冒4甲 117 第8章S函数模块 ATF-++++w 120 8S函数概达…… ■■■平■ "120 8L.1什么是S函数… 4==4+4善甲〓·唱b甲4鄂罪晶日日4·- 4120 81.2S函数的作用与原理…………… 1會■上lPP ……121 813S函数的有关概念…… 123 814S函数的例子“ n■■4p4b■44■讠自■P4P甲■ …125 82编写M文件形式的S函数 126 82L定义S函数模块的属忙… 号■甲■■『■冒矿 127 322M文件形式的S函数的例子 …………127 幽■I『1·· →147 8 3编写CMcx文件形式的S函数……… k31CMex文件形式的S函数基本内容… 山晶■山■郾看■ 147 832CMex文件形式的S燃数例子…… ……159 8.3.3使用 Function-Ca系统 ,…,…………159 pp如晶■舞1日■日即 160 834S函数类型第9章 iimmulinki0在信号处理仿真中的应用 162 9信号处理仿真基础……… 162 92 Simulink60中数字信号处理仿真模块 ITT 65 921 estimation-子模块集………………………--…--…--;… l65 92.2 Math functian了模块集 w167 923 FIltering子模块集 174 924 Transform子模块集… 925 Statistic子模块集…” ■■▲目日 93信号处埋仿真例1——信号滤波 L↓■郾■郾山■晶■ …172 94信号处理仿真实例2—卡尔曼滤波… l&I 第1章 Simulink6在通信系统仿真中的应用 ……………:2185 10.l通信系统仿真基础……… 185 10.1.1涌信系統仿真簡介…………… 185 1012通信系究仿真流程………………………… T?T■T 186 102 Simulink60中通信系统仿真模块… ↓▲山【品山山Ld晶 T■冒斷冒曾■■1I L88 1021 Comm sources子模块集…… L89 10.22 Source Coding子模块集… E89 1023 Channel子模块集……… ……!90 10.24 Comm sinks子模块集唱■ aL⊥L:↓ 190 102.5 Modulation子模块集…… 491 1026 Synchronization子模蚨集…… ……194 1077 Interleaving子模块集… ■郾「郾晷驷口「■■■罾■唱■■■4聊■■■L「■■晷郾甲。■即啁■啁甲看■甲看L4L4L4b4IL着 195 10..8 Utility blocks子模块集血d山西血■ 103通信系统仿真实例1数字幅度调制的抗噪卢性能… 196 104通信系统仿真实例2—QPSK与卫QPSK性能比较 201 第11章 Simulink“0在控制系统仿真中的应用…… 206 }L1.1控剖系统模型 206 1L..数学模玛… 口mm ■■■郾↓晶■↓郾■;郾道看郾通■甲4郾44I■ …206 11.12数学楨转换(删除)怛能指标 ■鲁血■西看 208 1.2搾制系统仿真实例连续时间控铜系统仿真 214 1.3控制系统仿貞实例2—离散时间控制系统仿真 218 参考文献 229 第1章 MATLAB仿真技术与应用简介 MATLAB经过十几年均发展先善,已经成为国际控制界公认的标准计算软件,并在大学里广泛使用,深受大学生的喜爱。在欧美的一些大学里, MATLAB已经成为理工科大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本工具之一。 MATLAB在仿真领域已经成为主流工具,而且 MATELAB能够与各种程序语言进行混合编程,大大加快了实际开发周期,这也是它广泛应用于仿真领域的又一原因。本章主要内容: >系统仿真技术概述 MATLAB仿真技术的发展与应用 MATLAB仿真技术的特点仿真应用实例简介 1.1系统仿真技术概述自从有人类以夹,人们为了满足自身的基本需要,一直在同外部环境发生着联系。随着时间的流逝,人类所依赖的这种联系方式交得订趋复杂并多样化。人类在科学和T程技术所做的研究就是努力理解真实世界并能掌握与真实世界发联系的形式。随着科学和工程技术发展,人们认识自然和改造自然的能力和手段也不断增强。回顾科学和工程技术的发展历史,在计算机皆现之前,科学研究中的绝大部分工作利用数学手段或其代方法对事物或貞实世界进行描述,这也就是建模活动,计算机的出现对科学和工程技术的发展产生了深远的影响,使人们能对复杂事物和复杂系统建立模型并利用计算机进行求解,这些手段和方法逐步形成了计算机仿真技术。建模与仿真成为当今现代科学技术研究的主要内容,建模与仿真技术也渗透到各学科和工程技术领域建模与仿真这一领域的发展可分为两个阶段。其一是计算机出现之前,主要是在物理科学础上的建模:其二是20世纪40年代计算机诞生以后,出现了计算机仿真技术,它的发展也促进了建模技术的发展,建模与纺真囗益紧密,互不可分。计算问世不久,人们就清楚地看到这种新机器给很多问题的求解带来了异常的生机但最初计算机在人类的科学工程活动中的作用是有限的,它仅仅作为一部强有力的、高速的不会说话的机器。随着计算机的日益完苦,许多复杂的模型可以通过计算机来进行计算求解, 它在私学技术中的作用也与日银增,并把模型求解的手段发展成为现代的计算机仿真技术这样才真正诞生了“仿真”这个新词。计算机仿真技术有着巨大的优越性,利用它可以求解许多复杂而无法用数学手段解析求解的问题,利用它可以预演或再现系统的运动规律或运动过稈,利用它可以对法直接进行实验的系统进行仿真试验研究,从而可以节省大量的资源和贵用。由于计算札仿真技术的优性,的应用领域已经非常广泛,而且越来越受到普遍的重视 “伤真”一词即模仿真实,多数人认为仿真就是程序的运行,该程序表小了一个抽象的模型,用来研究现实系统的一些特征。在这个意义卜,仿真活动可认为就是支持模型建立与模型分析的所有计算,它对科学丁程方法中的模型建立阶段和模型分析阶段其有同等重要的伫值。建模与仿真是指构造现实世异实际系统的模型和在计算L实际统计算机机上进行仿真的有关复杂活动,它主要包括实系统、模型和计算机等3个基本部分,同时考虑3个基本部分之间的关建模伤真系,即建模和仿真的关系,如图1-1所示。建模关系主要研究实际系统与模型之间的关系,它通过椟型对实际系统的观测和检测,在g略次要因素及不可检测变量陌]建棋与仿真的关系的基础上,用数学的方法进行描述从而获得实际系统的简化近似模型。仿真关系主要研究计算机的程序实现与模型之间的关系,其程序能为计算机所接受并在计算机上运行。仿真关系主要关注的是计算机执行模型所规定的指令的真实性。-个模型的程序能否真实地体现模型所具有的内涵,称之为程序的正确性。它主要关心由计算机产生数据的准确性, 要确认计算机是真实地产生实际模型的行为还是产生错误的输出,确认计算札是执行了模型本身的特征还是只是一个假象。要验证模型的有效性,需要把模型的行为同实际系统的行为进行比较。这样,首先要检验模型程序的正确牲,才不会把程序的问题和模型的问题混淆起来。这也要求我们必懂得仿真过程,包括仿真机理和仿真策略。除了关注程序的正确性外, 仿真关系也包括模犁型的仿真机理和仿真策略研究。 1984年,Oren提出仿真是一种基于模型的活动,并认为仿真包括了3个基本要素:对仿真间题的描述、行为产生器和模型行为及其处理对仿真问题的描述任何一个仿真问题都由模型与实验两部分组成,这一点与传统的仿真定义是完全致的。而任何一个数学模型,不论采用什么样的建模方法,又都出两部分组成:一个参数模型及一组參数值。当我们给定了一个参数模型,同时又赋予它具体的参数值后,就形成了一个特定的模型。另外,实验也可分为两部分:实验框架及仿真运行控制。个实验框架可以定义为一组条件,在该条件下,系统可被观测或被进行实验。具体来讲,试验框架可由5个部分组成:可观测变量,输入值的调度,初始设置,终止条件,对数据的采集及压缩的具体说明所谓对数据的压缩,是指将某个描述变量的轨迹行为转变为更浓缩的形式。一般可分为统汁数据压缩及解析数据压缩两种,前者是讲轨迹行为转变为几个点行为,如最小值、最大值、取值范围、标准差等,后者则是讲轨迹行为转变为曲线或某种解析形式 2.行为产生器行为产生器是一套对模型进行实验的软件,比如连续系统仿真中的仿真计算程序。由它可以产生一组随时间变化的系统状态变量的数据(称为模型行为)。 3.模型行为及其处理模型行为有3种类型:点行为、轨迹行为及结构行为在各种类型的仿真中可以获得钊迹行为,它通常被表示为一组系统中各种描述变量随时叫推移而变化的数据。结构行为只可以从可变构系統模型申获得,即这殚系统模型的静态结构〔指定一述变量及其属性)及动态结构(指状态变量之间的动念关系)是可变的点行为则是指模型行为的·种特定属性,如最小值、最大值、振荡次数、上升时间、稳定时间等。·般來讲,常规的仿泉软件并不生点行为,它是在对数据进行压缩后才能产生出米行为处埋包括对行为进行分析及显示。根据以上分析可以清楚地看出,整个仿真过程包含了建模、实验和分析3个主要步骤, 它们分别对应上述3个要素。这种规范化的认识形成了仿真的基本概念框架——“建模一实验分析”三段式。般来讲,过去的仿真一直着重于“试验”也即着重于如何获得系统中有关变量的时间响应。近20年来,对模型的研究及如何来建京模型已成为仿真活动所关心的问题。同时,建模与模型实验这两者本来是不可分割的,应该起进行研究。齿此,现代仿真是这样一个过程,它为了分析与研究存在的或尚未建成的系统,先建氵该系统的模型,再将其芠放到计算机上进行实验。仿真的重点包括“模型”和“实验”两个方面,仿真是一种基于模型的活动, 仿真的基本概念*架为“建模一实验一分析现代仿真技术的发展是与控制T、系统工程和计算机技木的发展密切相关的。控制亡程是仿真技术较早应用的领域之一,探制工程技术的发展为现代仿真技术的形成和发展奠定了良好的基础。系统工程的发展进一步完善了系统模与纺真的理论体系,同时使系统仿真广泛应用于非工程系统的究和颓测计算机仿真技术不论是在理论上还是在实践上都已经取得∫丰硕的成果,积累了大量的系统仿真模型和行之有效的仿真算法。但仿貞技术目前仍然存在·些缺陷,例虾建模方法尚不亢善,研究同一个系统的同个问题一样建立出不同的模型,而且有效社会经济系统屮的问题尚无法迎立准确的模型来进行求解。同时,检测者必须通过建模者和伤真试验人员才能介入到对系统的仿真分析中。随着建模与仿貞的埋论和方法的研究不断深入,以及作为其支撑技术之一的计算机技术的不断发展和进步,计算机仿真技术住应用过程屮出现的问题将逐步得到解决。进入21世纪,计算机技术的各个方面都取得了异乎寻常的进展。徽处理器咔能的增长时段利判微型计算机和工作站进行复杂系统的伤真分析成为可能,当然像中长期天气预报这样模型复杂、数据繁多、实时性要求高的问题的计算仍然离不开巨型机。在软件设计屮广泛采用了而向对象的思想和方法,再加上计算机图形技术的进步,仿真过程中的人机交互越来越方便、直观。总之计算刈仿真技术正朝差体化建模与仿真环境的方向稳步发展。下面列出在仿真领域的6个研究方向,作为本节的结束 ●建模方法学( Modeling Methodology ·面向对象仿真( Object-Oriented Simulation 分布交互仿真〔 istributed Interactive simulation ●人T智能( Artificial Intelligence)与计算机仿真虚拟球实( Virtual Reality)仿貞 nenet网上仿真 3 12 MATLAB仿真技术的发展与应用 MATLAB诞生在20世纪70年代,它的编写者是 Cleve moler博士和他的同事。当时, ve moler博土和他的同事开发了 EISPACK和 LINPA(K的 Fortran子程序库,这两个程序库主要是求解线性方程的程序库。但是, Cleve moler发现学生使这两个程序库时有困难, 上要是接口程序不好写,很费时间。是 Cleve moler自己动手,在业余时间里编写了 EISPACK 和 LINPACK的接口程序。 Cleve moler给这个接口程序取名为 MATLAB,意为矩阵( MATRIX) 和实验( LABORATORY)的组合。 1984年, Cleve moler和 John little成立了 Math Works公司,正式把 MATLAB推向市场并继续进行 MATLAB的开发。1993年, Math works公司推出了 MATLAB40;1995年,Math Works公司推出 MATLAB42C( For windows3x):199年推出 MATLAB5.0:20010 月, Math works公司推出 MATLAB60;2002年8月推出 MATLAB65;2004年6月最新的版本 MATLAB70开始发布。每一次新版本的推出都使 MATLAB有了长足的进步,界面越来越友好,内容越来越丰富,功能越来越强大。在 MATLAB以商品形式出现后,仅短短儿年就以良好的开放性和运行的可革性淘汰了当时众多的软件包。进入20世纪90年代后, MATLAB已统成为国际控制界公认的标准计算软件,并在大学里广泛使用,深爱大学生的喜爱。在欧美的一些大学里,诸如应用代数、数理统计、自动控制、数字信号处理、模拟与数字通信、时间序列分析、动态系统仿真等课程的教科都把 MATLAB 作为内容,在那里 MATLAB成为攻读学位的大学生、硕土生、博士生必须掌握的基本工具之一。 MATLAB K于数值计算,能处狸大量的数据,而且效率比较高。 Math Works公司在此基础上计拍了符号计算、文字处理、可视化建模和实肘控制能力,增强了 MATLAB的布场竞争力,使 MATLAB成为了市场主流的数值计算软件。纤过多年的工程实践,人们已经发塊 MATLAE作为计算工具和科技资源可以扩大科学研究的服务,提商工积生产的效率,缩短开发期,加快探索步伐,激发创作活力 Simulink作为 MATLAB工具包中的重要一员,是一种图形化的仿臭1具包,能够进行动态系统建模、仿真和综合分析,可以处理线性和非线性系统,离散、连续和混合系统,以及单任务和多任务系统,并在同一系统中支持不同的变化速率。 Simulink应用领域非常广,可使用的领域包括航空航天、电子、力学、数学、通信、影视、核控制等。世界各地的工程师都在利用它来对实际问题建模,解袂问题。 13 MATLAB仿真技术的特点应用 MATLAB,尤其是应用其工具包 Simulink进行伤真已成为当今钫具领域的主流方法,它的应用如此之广泛,是因为它具有与众不同的特点,下面介绍主要特点交互式仿真工具 Simulink具有非常友好的界面,提倡将模型通过柱图的形式表示出来,允许随意修改模

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