Описание пакета Simulink.
Практическая работа №1
Цель работы:
Источник постоянного сигнала Constant
Назначение:
Задает постоянный по уровню сигнал.
Параметры:
1. Constant value – Постоянная величина.
2. Interpret vector parameters as 1-D – Интерпретировать вектор параметров как одномерный (при установленном флажке). Данный параметр встречается у большинства блоков библиотеки Simulink. В дальнейшем он рассматриваться не будет.
Значение константы может быть действительным или комплексным числом, вычисляемым выражением, вектором или матрицей.
Рисунок 1 иллюстрирует применение этого источника и измерение его выходного сигнала с помощью цифрового индикатора Display.
Рисунок 1 – Источник постоянного воздействия Constant
EX_constant_1.zip
Источник линейно изменяющегося воздействия Ramp
Назначение:
Формирует линейный сигнал вида y = Slope* time + Initial value.
Рисунок 2 – Блок Sine Wave
Параметры:
1. Slope – Скорость изменения выходного сигнала.
2. Start time – Время начала формирования сигнала.
3. Initial value – Начальный уровень сигнала на выходе блока.
На рисунке 3 показано использование данного блока.
Рисунок 3 – Блок Ramp
Генератор ступенчатого сигнала Step
Назначение:
Формирует ступенчатый сигнал.
Параметры:
1. Step time – Время наступления перепада сигнала (с).
2. Initial value – Начальное значение сигнала.
3. Final value – Конечное значение сигнала.
Перепад может быть как в большую сторону (конечное значение больше чем начальное), так и в меньшую (конечное значение меньше чем начальное). Значения начального и конечного уровней могут быть не только положительными, но и отрицательными (например, изменение сигнала с уровня -5 до уровня -3).
На рисунке 4 показано использование генератора ступенчатого сигнала.
Рисунок 4 – Блок Step
Генератор сигналов Signal Generator
Назначение:
Формирует один из четырех видов периодических сигналов:
1. sine – Синусоидальный сигнал.
2. square – Прямоугольный сигнал.
3. sawtooth – Пилообразный сигнал.
4. random – Случайный сигнал.
Параметры:
1. Wave form – Вид сигнала.
2. Amplitude – Амплитуда сигнала.
3. Frequency – Частота (рад/с).
4. Units – Единицы измерения частоты. Может принимать два значения:
Rad/sec – рад/с.
На рисунке 5 показано применение этого источника при моделировании прямоугольного сигнала.
EX_signal_generator_1.zip
Блок входного порта Inport
Назначение:
Создает входной порт для подсистемы или модели верхнего уровня иерархии.
Параметры:
Port number – Номер порта.
Port dimensions – Размерность входного сигнала. Если этот параметр равен –1, то размерность входного сигнала будет определяться автоматически.
Sample time –Шаг модельного времени.
Data type – Тип данных входного сигнала: auto, double, single, int8, uint8, int16, uint16, int32, uint32 или boolean.
Signal type – Тип входного сигнала:
1. auto – Автоматическое определение типа.
2. real – Действительный сигнал.
3. complex – Комплексный сигнал.
Interpolate data (флажок) – Интерполировать входной сигнал. В случае, если временные отсчеты входного сигнала считываемого из рабочей области MATLAB не совпадают с модельным временем, то блок будет выполнять интерполяцию входного сигнала. При использовании блока Inport в подсистеме данный параметр не доступен.
17.1. Использование блока Inport в подсистемах
Блоки Inport подсистемы являются ее входами. Сигнал, подаваемый на входной порт подсистемы через блок Inport, передается внутрь подсистемы. Название входного порта будет показано на изображении подсистемы как метка порта.
При создании подсистем и добавлении блока Inport в подсистему Simulink использует следующие правила:
1. При создании подсистемы с помощью команды Edit/Create subsystem входные порты создаются и нумеруются автоматически начиная с 1.
2. Если в подсистему добавляется новый блок Inport, то ему присваивается следующий по порядку номер.
3. Если какой либо блок Inport удаляется, то остальные порты переименовываются таким образом, чтобы последовательность номеров портов была непрерывной.
4. Если в последовательности номеров портов имеется разрыв, то при выполнении моделирования Simulink выдаст сообщение об ошибке и остановит расчет. В этом случае необходимо вручную переименовать порты таким образом, чтобы последовательность номеров портов не нарушалась.
На рисунке 17 показана модель, использующая подсистему и схема этой подсистемы.
Рисунке 17 – Использование блока Inport в подсистеме
17.2. Использование блока Inport в модели верхнего уровня
Входной порт в системе верхнего уровня используется для передачи сигнала из рабочей области MATLAB в модель.
Для передачи сигнала из рабочего пространство MATLAB требуется не только установить в модели входной порт, но и выполнить установку параметров ввода на вкладке Workspace I/O окна диалога Simulation parameters… (должен быть установлен флажок для параметра Input и задано имя переменной, которая содержит входные данные). Тип вводимых данных: Array (массив), Structure (структура) или Structure with time (структура с полем "время") задается на этой же вкладке.
На рисунке 18 показана модель, считывающая входной сигнал из рабочего пространства MATLAB. Подсистема Load Data обеспечивает ввод данных из файла в рабочую область MATLAB.
Рисунок 18 – Модель, считывающая входной сигнал из рабочего пространства MATLAB с помощью блока Input
Контрольные вопросы.
1. В чем состоит назначение блоков библиотеки Source?
2. Каким образом сгенерировать ступенчатый сигнал?
3. Сколько способов генерации синусоидального сигнала используется в блоке Sine Wave?
4. Какой блок обеспечивает чтение данных из файла?
5. Какой сигнал генерируют с помощью блока Random Number?
6. Какой сигнал генерируют с помощью блока Uniform Random Number?
7. Какой сигнал генерируют с помощью блока Chirp Signal?
Практическая работа №1
Библиотека блоков Simulink: Sources - источники сигналов
Цель работы: изучить библиотеку блоков Source. Понять принцип действия блоков, изучить их параметры.
Назначение блоков библиотеки: генерируют сигналы различной формы.
Запуск Simulink. Для запуска программы необходимо предварительно запустить пакет Matlab. После открытия основного окна программы Matlab нужно запустить программу Simulink . Это можно сделать одним из трех способов:
Нажать кнопку (Simulink ) на панели инструментов командного окна Matlab;
В командной строке главного окна Matlab напечатать Simulink и нажать клавишу Enterна клавиатуре;
Выполнить команду Open… в меню File и открыть файл модели (mdl-файл). Этот вариант удобно использовать для запуска уже готовой и отлаженной модели, когда требуется лишь провести расчеты и не нужно добавлять новые блоки в модель.
Использование первого и второго способов приводит к открытию окна обозревателя разделов библиотеки Simulink (рис. 1).
Рис. 1. Окно обозревателя разделов библиотеки Simulink
Обозреватель разделов библиотеки Simulink. Окно обозревателя библиотеки блоков содержит следующие элементы:
Заголовок, с названием окна - Simulink Library Browser .
Меню, с командами File , Edit , View , Help .
Панель инструментов, с ярлыками наиболее часто используемых команд.
Окно комментария для вывода поясняющего сообщения о выбранном блоке.
Список разделов библиотеки, реализованный в виде дерева.
Окно содержимого раздела библиотеки (список вложенных разделов библиотеки или блоков)
Строка состояния, содержащая подсказку по выполняемому действию.
При выборе соответствующего раздела библиотеки в правой части окна отображается его содержимое (рис. 2).
Рис. 2. Окно обозревателя с набором блоков раздела библиотеки
Основные разделы библиотеки :
Continuous - линейные непрерывные компоненты;
Discontinuous -нелинейные компоненты;
Discrete - дискретных компоненты;
Math Operation - математические компоненты;
Ports & Subsystems - компоненты для создания подсистем;
Signal Routing - компоненты для разделения сигналов;
Sinks - регистрирующие компоненты;
Sources - источники сигналов и воздействий;
User - Defined Function - компоненты для создания функций пользователя.
Если два раза щелкнуть левой кнопкой мыши на каком-нибудь блоке в окне библиотек, то открывается окно параметров блока, где отображаются установки параметров по умолчанию. Как правило, они нормализованы - например, задана единичная частота, единичная амплитуда, нулевая фаза и так далее. Возможность изменения параметров в этом случае отсутствует. Она появляется после переноса графических элементов в окно подготовки и редактирования функциональных схем (для его открытия необходимо выбрать иконку на панели инструментов илиFileNewModel ).
Подробно рассмотрим наиболее используемые разделы библиотеки.
Линейные непрерывные компоненты (Continuous ) . Линейные компоненты играют важную роль в создании математических моделей многих устройств. Имеются следующие типы линейных компонентов: Derivative - аналоговое дифференцирующее устройство; Integrator - аналоговый интегратор; State - Space - модель в пространстве состояний; Transfer Fcn - передаточные функции, и ряд других устройств.
Нелинейные компоненты (Discontinuous ). Simulink предназначен главным образом для моделирования нелинейных динамических систем. Среди нелинейных компонентов следует отметить компоненты с типичными нелинейностями, например, вида abs (u ) ,с характеристиками, описанными типовыми математическими функциями, компонентами вида идеальных и неидеальных ограничителей и так далее. Представлены и такие сложные компоненты, как квантователи, блоки нелинейности, моделирующие нелинейные петли гистерезиса, временные задержки и ключи-переключатели.
|
Saturation – насыщение, в параметрах задаются верхний и нижний пределы (Upper limit и Lower limit ). |
|
|
Dead zone – нечувствительность, «мертвая зона». В параметрах задаются пределы нечувствительности (Start of dead zone и End of dead zone ). |
|
|
Rate Limiter – ограничитель скорости изменения сигнала, в параметрах задаются пределы на скорость увеличения (Rising slew rate ) и на скорость уменьшения (Falling slew rate ). |
|
|
Relay – реле, в параметрах задаются точки переключения (Switch on point и Switch off point ), в также величины сигналов в режимах «включено» (Output when on ) и «выключено» (Output when off ). |
|
|
Backlash – люфт, «мертвый ход». В параметрах задаются величина мертвого хода (Deadband width ) и начальное значение выхода (Initial output ). |
|
|
Coulomb and Viscous Friction – кулоновское и вязкое трение. |
Дискретные компоненты (Discrete ) . Дискретные компоненты включают в себя устройства задержки, дискретно-временной интегратор, дискретный фильтр и т. д. Дискретные блоки аналогичные непрерывным блокам:
Среди них есть два блока, не имеющих аналога среди непрерывных блоков. Это блок задержки Unit delay и блок Discrete Filter - дискретный фильтр, который определяет рациональную функцию от оператора задержки z / 1 .
Математические компоненты (Math Operation ) . Окно Math Operation позволяет задавать множество математических компонентов с описываемыми пользователями свойствами, имеет решающее значение для выполнения прозрачного для пользователя математического моделирования как простых, так и сложных устройств и систем. Некоторые из них:
Компоненты для создания подсистем (Ports & Subsystems ). В случае если моделируемая система имеет сложную схему, удобным может быть объединение нескольких элементов в один с помощью блока Subsystem . При этом для задания требуемого количества входов и выходов нового элемента используются блоки In 1 и Out 1 .
Компоненты для разделения сигналов (Signal Routing ). Иногда для большей наглядности необходимо отобразить несколько графиков в одном окне, для этого может быть использован блок Mux из библиотеки Signal Routing , который объединяет любое количество входных воздействий в один выходной сигнал, представляющий собой вектор. С помощью блока Demux выполняется обратная операция - разъединение одного сигнала (вектора) на несколько.
|
Manual Switch - ручной переключатель, позволяет двойным щелчком переключать выход на один из двух входных сигналов. |
|
|
Mux - мультиплексор, объединяет несколько сигналов в один «жгут» (векторный сигнал), в параметрах задается число входов (Number of Inputs ). |
|
|
Demux - демультиплексор, позволяет «разбить» векторный сигнал на несколько скалярных, в параметрах задается число выходов (Number of Outputs ). |
Регистрирующие элементы (Sinks ) . Устройства наблюдения за процессами на выходах звеньев схемы сосредоточены в библиотеке приемников сигналов Sinks . Приемники сигналов оформлены в виде блоков, имеющих только входы (один или несколько).
На схеме можно разместить несколько приемников, воспринимающих сигналы на выходах различных звеньев, в том числе и непосредственно от источников сигналов.
Наиболее простым устройством для отображения процесса является Scope, имитирующий осциллограф. Он имеет один вход, и соответственно одно окно для отображения результата. Если необходимо вывести несколько графиков, то на панели инструментов графика выбирается ParametrsGeneral и в полеNumber of axes выставляется количество осей, которому будет соответствовать количество входов блока Scope .
В окне блока Scope изображается график изменения входного сигнала. Если вход соединен с выходом мультиплексора, сразу строится несколько графиков (по размерности входного «жгута»).
По умолчанию на оси ординат используется диапазон от -5 до 5. Если этот вариант не подходит, выбрать масштаб автоматически (так, чтобы весь график был виден) можно с помощью кнопки . Соседняя кнопкасохраняет эти настройки для следующих запусков.
Кнопка открывает окно настроек, причем наиболее важные данные содержатся на вкладкеData history . Если не сбросить флажок Limit data points , в памяти будет сохраняться только заданное число точек графика, то есть, при большом времени моделирования начало графика будет потеряно.
Отметив на этой же странице флажок Save data to workspace можно сразу передать результаты моделирования в рабочую область Matlab для того, чтобы их можно было дальше обрабатывать, выводить на графики и сохранять в файле. Поле Variable name задает имя переменной в рабочей области, в которой сохраняются данные. В простейшем случае выбирается формат Array (в списке Format ). Это означает, что данные будут сохраняться в массиве из нескольких столбцов (первый столбец – время, второй – первый сигнал, третий – второй сигнал и т.д., по порядку входов мультиплексора).
Блок XY Scope применяется при необходимости построения фазовых портретов и статических характеристик.
|
Display – цифровой дисплей, показывает изменение входного сигнала в цифровом виде. |
|
|
Scope – осциллограф, показывает изменение сигнала в виде графика. |
|
|
To File - передача данных в файлuntilited.mat . |
|
|
To Workspace - сохранение данных в переменной simout и передача в Workspace . |
Источники сигналов и воздействий (Sources ) . Окно Sources содержит графические элементы - источники воздействий. В электро- и радиотехнике их принято называть источниками сигналов, но в механике и в других областях науки и техники такое название не очень подходит - природа воздействий может быть самой разнообразной, например, в виде перепада давления или температуры, механического перемещения, звуковой волны и так далее.
Большинство элементов содержит рисунок, представляющий временную зависимость воздействий, например, перепад для блока Step , синусоиду для блока Sine Wave и т. д.
Набор блоков содержит практически все часто используемые при моделировании источники воздействий с самой различной функциональной и временной зависимостью. Возможно задание произвольного воздействия из файла - блок From File .
|
Constant – сигнал постоянной величины. |
|
|
Step – ступенчатый сигнал, меняется время скачка (Step Time ), начальное (Initial Value ) и конечное значение (Final Value ). |
|
|
Ramp – линейно возрастающий сигнал с заданным наклоном (Slope ). Можно задать также время начала изменения сигнала (Start Time ) и начальное значение (Initial Value ). |
|
|
Pulse Generator – генератор прямоугольных импульсов, задаются амплитуда (Amplitude) , период (Period ), ширина (Pulse Width , в процентах от периода), фаза (Phase Delay ). |
|
|
Repeating Sequence – последовательность импульсов, их форма задается в виде пар чисел (время; величина сигнала) |
|
|
Sine Wave – синусоидальный сигнал, задается амплитуда (Amplitude ), частота (Frequency ), фаза (Phase ) и среднее значение (Bias ). |
|
|
Signal Builder – построитель сигналов, позволяющий задавать форму сигнала, перетаскивая мышью опорные точки. |
|
|
Random Number – случайные числа с нормальным (гауссовым) распределением. Можно задать среднее значение (Mean Value ), дисперсию (Variance ), период изменения сигнала (Sample Time ). |
|
|
Uniform Random Number – случайные числа с равномерным распределением в заданном интервале от Minimum до Maximum . |
|
|
Band Limited White Noise – случайный сигнал, ограниченный по полосе белый шум (имеющий равномерный спектр до некоторой частоты). Блок используется как источник белого шума для моделей непрерывных систем. Задается интенсивность (Noise Power ) и интервал дискретизации (Sample Time ), в течение которого удерживается постоянное значение сигнала. Чем меньше интервал, тем точнее моделирование, однако больше вычислительные затраты. |
Компоненты для создания функций пользователя (User - Defined Function ).
Построение схемы и проведение имитации. После того как все необходимые для построения модели устройства блоки перенесены на рабочий лист пакета Simulink ,их соединяют линиям связи, по которым распространяются сигналы. Для этого надо щелкнуть левой кнопкой мыши по источнику сигнала и затем, при нажатой клавише Ctrl , по блоку-приемнику. Можно также протянуть мышкой линию связи между нужными выходом и входом.
Для выделения одного блока или соединительной линии надо щелкнуть левой кнопкой мыши по нужному элементу. Для того чтобы выделить несколько блоков, надо «обвести» их при нажатой левой кнопки мыши. Клавиша Delete удаляют выделенную часть. Чтобы скопировать блок (или выделенную часть), надо перетащить его при нажатой правой кнопке мыши.
Для изменения оформления выделенного блока предназначено меню Format на верхней панели инструментов. Также для этой цели можно использовать контекстное меню Format при нажатии на блоке правой кнопкой мыши.Для выделенного блока можно изменить цвет текста и линий (Foreground color ), цвет фона (Background color ), вывести тень (Show drop shadow ), переместить название на другую сторону (Flip name ).
Для имитационного моделирования следует отредактировать «параметры» имитации и запустить процесс.
Команда из меню SimulationParameters раскрывает диалоговое поле редактирования параметров имитации, что подразумевает выбор алгоритма численного интегрирования уравнений и задание числовых параметров:
- Start Time - время начала процесса (обычно равно 0);
- Stop Time - время окончания процесса имитации;
- Min Step Size - минимальная величина шага интегрирования;
- Max Step Size - максимальная величина шага интегрирования;
- Tolerance - допуск (допустимая погрешность).
Величину минимального шага следует назначать с учетом скорости протекания процессов в системе. Максимальный шаг интегрирования можно принять на один или два порядка большим.
Использование переменных для задания параметров блоков. Параметры блоков Simulink можно задавать не только как числовые параметры, но и как имена переменных. Значения переменных необходимо задать перед началом расчета в командном окне Matlab или в m-файле. Такой способ задания параметров удобен, если требуется проводить расчеты для множества вариантов параметров блоков модели.
Запуск Simulink
Для запуска программы необходимо предварительно запустить пакет MATLAB. Основное окно пакета MATLAB показано на Рис. 2.1. Там же показана подсказка, появляющаяся в окне при наведении указателя мыши на ярлык Simulink в панели инструментов.
Рис. 2.1. Основное окно программы MATLAB
После открытия основного окна программы MATLAB нужно запустить программу Simulink. Это можно сделать одним из трех способов:
- · Нажать кнопку (Simulink)на панели инструментов командного окна MATLAB.
- · В командной строке главного окна MATLAB напечатать Simulink и нажать клавишу Enter на клавиатуре.
- · Выполнить команду Open… в меню File и открыть файл модели (mdl - файл).
Последний вариант удобно использовать для запуска уже готовой и отлаженной модели, когда требуется лишь провести расчеты и не нужно добавлять новые блоки в модель. Использование первого и второго способов приводит к открытию окна обозревателя разделов библиотекиSimulink (рис. 2.2).
Рис. 2.2. Окно обозревателя разделов библиотеки Simulink
Обозреватель разделов библиотеки Simulink
Окно обозревателя библиотеки блоков содержит следующие элементы (Рис. 2.2):
- 1. Заголовок, с названием окна - Simulink Library Browser.
- 2. Меню, с командами File, Edit, View, Help.
- 3. Панель инструментов, с ярлыками наиболее часто используемых команд.
- 4. Окно комментария для вывода поясняющего сообщения о выбранном блоке.
- 5. Список разделов библиотеки, реализованный в виде дерева.
- 6. Окно содержимого раздела библиотеки (список вложенных разделов библиотеки или блоков)
- 7. Строка состояния, содержащая подсказку по выполняемому действию.
На рис. 2.2 выделена основная библиотека Simulink (в левой части окна) и показаны ее разделы (в правой части окна).
Библиотека Simulink содержит следующие основные разделы:
- 1. Continuous - линейные блоки.
- 2. Discrete - дискретные блоки.
- 3. Functions & Tables - функции и таблицы.
- 4. Math - блоки математических операций.
- 5. Nonlinear - нелинейные блоки.
- 6. Signals & Systems - сигналы и системы.
- 7. Sinks - регистрирующие устройства.
- 8. Sources - источники сигналов и воздействий.
- 9. Subsystems - блоки подсистем.
Список разделов библиотеки Simulink представлен в виде дерева, и правила работы с ним являются общими для списков такого вида:
- · Пиктограмма свернутого узла дерева содержит символ "+", а пиктограмма развернутого содержит символ "-".
- · Для того чтобы развернуть или свернуть узел дерева, достаточно щелкнуть на его пиктограмме левой клавишей мыши (ЛКМ).
При выборе соответствующего раздела библиотеки в правой части окна отображается его содержимое (Рис. 3.1).
Рис. 3.1. Окно обозревателя с набором блоков раздела библиотеки
Для работы с окном используются команды, собранные в меню. Меню обозревателя библиотек содержит следующие пункты:
- · File (Файл) - Работа с файлами библиотек.
- · Edit (Редактирование) - Добавление блоков и их поиск (по названию).
- · View (Вид) - Управление показом элементов интерфейса.
- · Help (Справка) - Вывод окна справки по обозревателю библиотек.
Для работы с обозревателем можно также использовать кнопки на панели инструментов (Рис. 3.2).
Блоки библиотеки Simulink
2.2.1. Continuous – раздел непрерывных блоков
Рис. 2.3. Раздел Continuous
В состав раздела непрерывных блоков входят (рис 2.3):
· Derivative – дифференцирующий блок;
· Integrator – интегрирующий блок;
· Transport Delay – блок постоянного запаздывания;
· Transfer Fcn – блок, реализующий передаточную функцию, заданную в виде отношения полиномов (апериодическое и колебательное звенья);
· State-Space – линейная аналоговая система, заданная в виде уравнений состояния, т. е. в виде системы уравнений, представленной в форме Коши;
· Zero-Pole – линейная аналоговая система, заданная своими нулями и полюсами;
· Memore – блок памяти, выполняющий задержку на один шаг модельного времени;
· Variable Transport Delay – блок памяти с переменной задержкой.
2.2.2. Discrete – раздел дискретных блоков
· Discrete Transfer Fcn - блок, реализующий передаточную функцию, заданную в виде отношения полиномов (апериодическое и колебательное звенья), для дискретных САУ;
· Discrete Time Integrator – интегрирующий блок для дискретных САУ. Выполняет численное интегрирование входного сигнала;
· Zero-Order-Hold –экстраполятор нулевого порядка;
· Unit Delay – блок задержки сигнала. Обеспечивает задержку входного сигнала на заданное число шагов модельного времени;
· Discrete State-Spase – блок задания дискретного звена матрицами его состояния;
Рис. 2.4. Раздел Discrete
· Discrete Filter – блок задания дискретного звена через дискретную передаточную дробно-рациональную функцию относительно 1/Z;
· Discrete Zero-Pole – блок задания дискретного звена через указание значений нулей и полюсов дискретной передаточной функции относительно 1/Z;
· First-Order Hold – экстраполятор первого порядка.
2.2.3. Function & Tables – раздел блоков функций и таблиц
· Fcn – блок, реализующий в пакете Simulink любую функцию системы MATLAB, где в качестве параметра настройки можно ввести любое вычисляемое выражение, аргументом которого выступает входной сигнал;
· MATLAB Fcn – подобен предыдущему блоку, но также позволяет реализовывать m-функции (программы, написанные на языке программирования MATLAB);
· Look-Up Table, (2-D) и (n-D) – блоки данных, заданных в виде таблиц (позволяют задать нелинейные блоки любого вида), отличаются друг от друга размерностью задающих таблиц. Все эти блоки выполняют различного вида интерполяции.
2.2.4. Math – раздел математических блоков
· Gain – усилительный блок;
· Sum – сумматор сигналов с различными знаками и любым количеством входов;
· Product – вычислитель, формирующий на выходе результат умножения или деления двух и более входных сигналов. В качестве параметров настройки указывается число входов и вид выполняемой операции;
· Dot Product – звено, осуществляющее перемножение двух входных величин, если они являются скалярами. Это звено вычисляет также сумму поэлементных произведений двух входных векторов одинаковой длины;
· Slider Gain – аналоговый усилитель с интерактивной настройкой;
· Matrix Gain – усилитель, на вход которого подается вектор;
· Mat Function – блок, позволяющий выбрать одну из математических функций в поле настройки и включить ее в модель;
· Trigonometric Function – звено формирования тригонометрических функций от входного сигнала. Выбор функции обеспечивается в поле настройки;
Рис. 2.5. Раздел Math
· MinMax – блок выбирает минимальное или максимальное значение вектора в соответствии с заданием поля настройки. Входной сигнал на блок задается числовым вектором. В окне настройки определяется также количество входов;
· Abs – блок, формирующий на выходе абсолютное значение входного сигнала;
· Sign – блок-реле, реагирующий на знак входного сигнала;
· Rounding Function – округление входного сигнала;
· Combinatorial Logic – блок обеспечивает преобразование входного сигнала в соответствии с формированной в окне настройки таблицей истинности;
· Logical Operation и Relaition Operator – блоки производят известные логические операции «и» и «или», количество входов задается в поле настройки;
· Bitwise Logical Operator – универсальный блок, реализующий любую логическую функцию;
· Complex to Magnitude-Angle – блок, позволяющий выделить модуль и фазу входной комплексной величины;
· Magnitude-Angle to Complex – блок, преобразующий входную величину, заданную модулем и фазой в комплексную выходную величину;
· Complex to Real-Image, Real-Image to Complex – блоки, преобразующие комплексные величины из показательной формы в алгебраическую и обратно;
· Algebraic Constrain – блок, позволяющий в структурную модель включать систему алгебраических уравнений.
2.2.5. Nonlinear – раздел нелинейных блоков
Рис. 2.6. Раздел Nonlinear
· Saturation – блок ограничения;
· Dead Zone – блок с зоной нечувствительности;
· Relay – релейный блок;
· Rate Limiter – блок с ограничением скорости;
· Coulomb and Viscous Friction – блок фрикционных эффектов;
· Backlash – блок люфта;
· Switch и Multiport Switch – переключатели одно- и многовходовые;
· Quantizer – блок, обеспечивающий квантование входного сигнала по уровню. В системах управления такие блоки являются частью аналого-цифрового преобразователя;
· Manual Switch – блок, который переключается вручную. В процессе моделирования при помощи этого ключа удобно менять параметры и структуру модели;
· Coulumb & Viscous Friction – блок, реализующий характеристику трения в механических системах.
2.2.6. Signal & Systems – раздел блоков сигналов и систем
· Sub System – блок-подсистема (полезен в случае громоздких систем, части которых можно с помощью данного блока заменить на один или несколько блоков-подсистем);
· In, Out – блоки входа/выхода, предназначенные для создания блоков-подсистем;
· Mux – микшер сигналов, собирающий несколько сигналов в одну шину;
· Demux – блок, выполняющий действие, обратное действию предыдущего блока;
· Enable, Trigger – блоки, предназначенные для логического управления работой модели;
· Bus Selector – блок выделяет из присоединенной к его порту шины требуемые сигналы. В окне настройки блока имеется два списка – входной и выходной;
· Selector – блок выбирает из входного вектора элементы, которые указаны в параметрах настройки;
· Merge – блок, осуществляющий объединение входных сигналов;
· Matrix Concatenation – блок, позволяющий векторный сигнал, представленный развернутой строкой или столбцом, преобразовать к «свернутому» векторному сигналу;
· From, Goto Tag Visibility, Goto – блоки («Принять», «Признак видимости», «Передать») используются совместно и предназначены для обмена между различными данными модели с учетом их доступности;
· Data Store Memory, Data Store Read, Data Store Write – «Память», «Чтение» и «Запись» данных, также используются совместно и обеспечивают хранение и передачу данных;
· Ground, Terminator – блоки используются в качестве «заглушек» для неиспользованных входных и выходных портов соответственно;
Рис. 2.7. Раздел Signal & Systems
· Reshape – блок, позволяющий изменить размерность входного сигнала;
· Data Type Conversion – блок, обеспечивающий приведение типа данных входного сигнала к требуемому;
· Function-Call Generator – блок, обеспечивающий запуск подключенных к нему подсистем с заданной периодичностью;
· Configurable Subsystem – блок, реализующий функцию любой подсистемы, которая может быть библиотечной или созданной пользователем;
· Model info – блок, позволяющий получить информацию о модели;
· IC – блок, позволяющий установить начальное значение входного сигнала, значение которого задается в окне настройки;
· Width – блок, вычисляющий размерность сигнала на входе;
· Probe – блок, позволяющий получить на выходе необходимую информацию о входном сигнале. Блок имеет один вход, число выходов зависит от числа исследуемых параметров входного сигнала;
· Signal Specification – блок, управляющий процессом моделирования в зависимости от параметров входного сигнала.
2.2.7. Sinks – раздел блоков получателей сигналов
· Display – блок, отображающий цифровую информацию (уровень сигнала в данный момент времени);
· Scope – виртуальный осциллограф, предназначенный для получения временных зависимостей (переходных процессов);
· XY Graph – виртуальный графопостроитель (построение фазовых портретов и различных двухмерных графиков);
Рис. 2.8. Раздел Sinks
· To File и To Workspace – блоки, передающие информацию в файл или в рабочую область MATLAB;
· Stop Simulink – остановка симуляции.
2.2.8. Sources – раздел блоков источников сигналов
· Band-Limited White Noice – генератор белого шума;
· Chrip Signal – генератор сигнала с нарастающей частотой;
· Constant - источник постоянного воздействия, задающий константу (t < 0, y = 0; t ³ 0, y = сonst);
· Discrete Pulse Generator – источник дискретных импульсов;
· From File и From Workspace - источником сигнала для этих блоков служит файл или рабочая область MATLAB;
· Ramp – источник нарастающего воздействия;
Рис. 2.9. Раздел Sources
· Random Number – источник случайного сигнала с нормальным распределением;
· Repeating Sequence – источник пилообразного сигнала;
· Sine Wave – источник синусоидального воздействия;
· Step – источник перепада сигнала (t < Step time, y = Initial value; t > Step time, y = Final value);
· Signal Generator – универсальный сигнал-генератор;
· Clock – источник времени моделирования;
· Digital Clock – цифровой источник времени.
2.2.9. Библиотека Simulink Extras
Библиотека Simulink Extras является дополнительной библиотекой пакета Simulink. Эта библиотека содержит наборы блоков с более широкими функциями, чем рассмотренные ранее разделы основной библиотеки. Тем не менее это вовсе не означает, что применение этой библиотеки всегда предпочтительнее. Связано это с тем, что усложнение функций блоков, полезное при решении ряда специфических задач, оборачивается усложнением моделирования при решении большинства обычных задач.
Библиотека Simulink Extras представлена на рис. 2.10. Работа с этой библиотекой ничем не отличается от работы с основной библиотекой.
Рис.2.10. Библиотека Simulink Extras
2.2.9.1. Additional Discrete – дополнительные дискретные блоки
Рис. 2.11. Дополнительные
дискретные блоки
Дополнительные блоки Additional Discrete представлены всего четырьмя блоками – по два варианта известных нам блоков Discrete Transfer Fcn и Discrete Zero-Pole (рис 2.11). Их единственным отличием от описанных ранее блоков является возможность инициализации входов и состояний.
2.2.9.2. Additional Linear – дополнительные линейные блоки
Состав дополнительных линейных блоков раздела Additional Linear показан на рис. 2.12. Блоки этого раздела можно разделить на две категории: PID-контроллеры и блоки типа State-Shfct, Transfer Fnc и Zero-Pole, дополненные возможностями выходных сигналов и состояний.
Для анализа и синтеза систем управления наибольший интерес представляют PID-контроллеры. Первый из них PID-controller – это довольно универсальный блок, выходной сигнал которого задается операторным выражением:
OUT = P + I / s + Ds,
где Р – входной сигнал; I – его интеграл; D – его производная.
Рис. 2.12. Дополнительные линейные
Параметр Р (по умолчанию 1) фактически задает коэффициент усиления безынерционного усилительного звена. Параметр I задает пропорциональность интегралу входного сигнала и, наконец, параметр D задает пропорциональность производной входного сигнала. Параметры P, I и D задаются в таблице настройки PID-контроллера, поэтому задавая различные значения указанных параметров, можно получить П -, ПИ -, ПД - и ПИД - регуляторы.
Второй PID-controller (with Approximate Derivative) c улучшенной операцией дифференцирования вычисляет выходной сигнал как:
OUT = Р + I / s + Ds/(1/Ns + 1).
За счет применения дополнительного параметра N улучшается вычисление производной.
2.2.9.3. Дополнительные блоки Additional Sinks
Раздел дополнительных блоков Additional Sinks содержит ряд новых виртуальных регистраторов (рис. 2.13):
· Auto Correlator – автокоррелятор (используется с пакетом Signal Processing Toolbox);
· Averaging Power Spectral Density – анализатор спектральной плотности мощности с усреднением;
Рис. 2.13. Дополнительные блоки
Additional Sinks
· Averaging Spectrum Analyzer – спектральный анализатор с усреднением;
· Cross-Correlator – кросс-коррелятор;
· Floating Point Bar – утилита построения гистограммы;
· Power Spectral Density – анализатор спектральной плотности мощности;
· Spectrum Analyser – анализатор спектра.
Данные блоки относятся к двум важным разделам моделирования – статистическому анализу и анализу спектров сигналов (по уровню и по мощности).
2.2.9.4. Блоки триггеров Flip Flops
Рис. 2.14. Раздел библиотеки Flip Flops
Раздел библиотеки Simulink Extras Flip Flops содержит следующие основные блоки (рис. 2.14):
· Clock – генератор тактовых импульсов;
· D Flip Flops, D Latch, J-K Flip Flops, R-S Flip Flops – 4 триггерных устройства типа D -, J-K, R-S – триггеров.
2.2.9.5. Раздел преобразований Transformations
Раздел преобразований Transformations (рис. 2.15) содержит 8 блоков для осуществления типичных преобразований – температуры из градусов Цельсия в градусы Фаренгейта и наоборот; углов, выраженных в градусах, в углы, выраженные в радианах, и наоборот; прямоугольных систем координат в полярные системы координат и наоборот.
Рис. 2.15. Блок Transformations
Основные настройки вышеописанных блоков и правила работы с ними описаны ниже.
Любая модель, собираемая в программном пакете Simulink, должна состоять из трех основных частей: источник сигнала, модель, приемник сигнала. Причем модель может состоять из любых блоков, описанных выше (кроме разделов источников и приемников сигналов).
Окно обозревателя библиотеки блоков содержит следующие элементы (рисунок 1.2):
1. Заголовок, с названием окна – Simulink Library Browser .
2. Меню, с командами File , Edit , View , Help .
3. Панель инструментов, с ярлыками наиболее часто используемых команд.
4. Окно комментария для вывода поясняющего сообщения о выбранном блоке.
5. Список разделов библиотеки, реализованный в виде дерева.
6. Окно содержимого раздела библиотеки (список вложенных разделов библиотеки или блоков)
7. Строка состояния, содержащая подсказку по выполняемому действию.
На рисунке 1.2 выделена основная библиотека Simulink (в левой части окна) и показаны ее разделы (в правой части окна).
Библиотека Simulink содержит следующие основные разделы:
1. Continuous – линейные блоки.
2. Discrete – дискретные блоки.
3. Functions & Tables – функции и таблицы.
4. Math – блоки математических операций.
5. Nonlinear – нелинейные блоки.
6. Signals & Systems – сигналы и системы.
7. Sinks - регистрирующие устройства.
8. Sources - источники сигналов и воздействий.
9. Subsystems – блоки подсистем.
Список разделов библиотеки Simulink представлен в виде дерева, и правила работы с ним являются общими для списков такого вида:
· Пиктограмма свернутого узла дерева содержит символ "+ ", а пиктограмма развернутого содержит символ "- ".
· Для того чтобы развернуть или свернуть узел дерева, достаточно щелкнуть на его пиктограмме левой клавишей мыши (ЛКМ).
При выборе соответствующего раздела библиотеки в правой части окна отображается его содержимое (рисунок 1.3).
Рисунок 1.3 - Окно обозревателя с набором
блоков раздела библиотеки
Для работы с окном используются команды собранные в меню. Меню обозревателя библиотек содержит следующие пункты:
· File (Файл) - Работа с файлами библиотек.
· Edit (Редактирование) - Добавление блоков и их поиск (по названию).
· View (Вид) - Управление показом элементов интерфейса.
· Help (Справка) - Вывод окна справки по обозревателю библиотек.
Для работы с обозревателем можно также использовать кнопки на панели инструментов (рисунок 1.4).
Рисунок 1.4 - Панель инструментов обозревателя разделов библиотек
Кнопки панели инструментов имеют следующее назначение:
1. Создать новую S -модель (открыть новое окно модели).
2. Открыть одну из существующих S -моделей.
3. Изменить свойства окна обозревателя. Данная кнопка позволяет установить режим отображения окна обозревателя "поверх всех окон ”. Повторное нажатие отменяет такой режим.
4. Поиск блока по названию (по первым символам названия). После того как блок будет найден, в окне обозревателя откроется соответствующий раздел библиотеки, а блок будет выделен. Если же блок с таким названием отсутствует, то в окне комментария будет выведено сообщение Not found <имя блока> (Блок не найден).