Министерство образования и науки Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
В.Н. Аносов, В.В. Наумов
ПРОГРАММА
MatLab 6.5 / Simulink 5
Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2007
УДК 004.42(075.8)
А695
Рецензент:
канд. техн. наук, доц. Е. А. Зима
Работа подготовлена кафедрой электропривода и автоматизации промышленных установок для студентов электромеханического факультета всех курсов и форм обучения
Аносов, В. Н.
А695 Программа MatLab 6.5 / Simulink 5 : учеб. пособие / В. Н. Аносов, В. В. Наумов. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. – 104 с.
ISBN 978-5-7782-0769-1
В пособии в сжатой и удобной форме изложена методика структурного меделирования динамических объектов любой физической природы в среде MatLab / Simulink.
Пособие можно использовать в лабораторном практимуме, при курсовом и дипломном проектировании на специальностях, в которых базовой, математической основой является теория автоматического управления.
УДК 004.42(075.8)
ISBN 978-5-7782-0769-1 В. Н. Аносов, В. В. Наумов, 2007
Новосибирский государственный
технический университет, 2007
Оглавление
Оглавление 4
1. Общие сведения 6
2. Установка MatLab 8
3. Запуск системы MatLab 8
4. Запуск Simulink 11
5. Моделирующие блоки библиотеки Simulink 15
5.1. Раздел Continuous – блоки непрерывных элементов 15
Блок вычисления производной 15
Интегратор 17
Модель в пространстве состояний 19
Передаточная функция 20
Блок фиксированной задержки сигнала 21
Блок управляемой задержки сигнала 22
5.2. Раздел Sources – блоки источники сигналов 24
Источник постоянного сигнала 24
Источник синусоидального сигнала 25
Формирование сигнала по текущему значению времени для непрерывных систем 27
Формирование сигнала по текущему значению времени для дискретных систем 27
Формирование выходного сигнала по количеству тактов на один период 27
Генератор ступенчатого сигнала 28
Источник линейно изменяющегося сигнала 29
Генератор сигналов 32
5.3. Раздел Sinks – блоки приемники сигналов 32
Осциллограф 32
Изменяющийся осциллограф 36
Цифровой дисплей 36
Графопостроитель 38
Блок остановки моделирования 39
Блок записи в файл 39
Блок записи в рабочую область MatLab 39
Концевой приёмник 39
Выходной порт 39
5.4. Раздел Math Operations – блоки математических операций 39
Сумматор 39
5.5. Раздел Signal Routing – блоки маршрутизации сигналов 47
5.6. Раздел Discontinuities – нелинейные блоки 52
5.7. Раздел Discrete – блоки дискретных модулей 57
5.8. Раздел Ports & Subsystems – блоки портов и подсистем 59
5.9. Раздел Look-Up Tables – блоки задания таблиц 63
6. Подготовка к моделированию без компьютера 64
7. Подготовка к моделированию на компьютере 65
8. Создание новой модели 68
9. Редактирование модели 70
9.1. Операции по выделению объектов 70
9.2. Операции по копированию и вырезанию объектов в буфер обмена 71
9.3. Операции по вставке объектов из буфера обмена 71
9.4. Операции с блоками 72
9.5. Операции с линиями связи 74
9.6. Операции с метками линий (сигналов) 75
9.7. Операции с комментариями 75
10. Форматирование объектов модели 77
11. Создание подсистем 78
12. Маскирование подсистем 79
13. Моделирование 81
14. Запуск моделирования 88
15. Документирование схемы модели и результатов моделирования 88
15.1. Документирование схемы модели 89
15.2. Печать графиков моделирования из окна Scope 89
16. Интерфейс с ИС LTI-Viewer 90
16.1. Запуск ИС LTI-Viewer в программе Simulink 91
16.2. Настройка LTI-Viewer 95
16.3. Печать графиков из окна LTI-Viewer 96
Литература 97
Приложение 1 98
Приложение 2 100
1. Общие сведения
Компьютерная программа MatLab предназначена для решения математических и инженерных задач в самых различных областях науки, техники, экономики, образовании и т.п. Название программы происходит от двух слов Matrix Laboratory – матричная лаборатория. Из названия программы следует, что MatLab ориентирована на современный математический аппарат, опирающийся на вычисления с матрицами, векторами и самыми разнообразными функциями, включая функции комплексного переменного.
MatLab – программа модульная. В её состав входят: основной модуль (собственно программа MatLab) и большое количество дополнительных модулей – пакетов расширения.
Основной модуль – это ядро программы. Он может работать в двух режимах:
в режиме калькулятора, когда вычисления производятся после набора очередного оператора или команды MatLab в окне команд;
программном режиме – решение задач осуществляется с использованием программ, составленных и записанных на языке MatLab.
В обоих режимах пользователю доступны практически все вычислительные возможности: арифметические и логические операции, арифметические, тригонометрические и некоторые специальные математические функции, векторные и матричные функции, средства для работы с комплексными переменными, операторы построения графиков, диаграмм и т.д. Программный режим, кроме того, позволяет сохранять разработанные пользователем вычислительные алгоритмы и использовать их при других расчётах.
Детально познакомиться с режимом калькулятора и программирования на языке MatLab можно в [4, 6].
Решения специфических задач, созданных на базе MatLab и работающих на его ядре, вынесены в отдельные блоки – так называемые пакеты расширения (Toolboxes) или пакеты прикладных программ (ППП). Кроме того, в MatLab имеются дополнительные программы – инструментальные средства (ИС), обеспечивающие связь с другими программами. Например, ИС ExcelLink-связь с Excel, ИС Notebook – c Word и т.п.
Важным достоинством программы, а точнее говоря, системы MatLab, являются её открытость и расширяемость. В результате этого MatLab активно пополняется пакетами прикладных программ и инструментальными средствами как разработчиками системы (Math Works), так и её многочисленными партнёрами. Мало того, даже у каждого пользователя есть возможность пополнения библиотеки программ собственными файлами для решения своих оригинальных задач.
Для научных работников, инженеров и студентов высших учебных заведений, интересующихся вопросами анализа и синтеза систем автоматического управления, особое место среди прикладных программ занимает программа Simulink.
Simulink – это программа визуального моделирования динамических объектов, включая системы автоматического управления (линейные, нелинейные, дискретные и гибридные) любой физической природы и любой сложности. Работает Simulink под управлением ядра MatLab и использует для моделирования все его возможности.
Модель исследуемой системы или динамического объекта (называется S-моделью) составляется в виде блок-схемы непосредственно на мониторе компьютера. Моделирующие блоки, являющиеся моделями элементов системы, переносятся мышью из библиотеки типовых блоков Simulink с использованием технологии drag-and-drop («перетащи и оставь») в предварительно открытый файл модели. Каждый моделирующий блок является отдельным объектом со своим графическим начертанием, графическим или математическим символами и численными или формульными параметрами.
Блоки между собой соединяются стрелками, отображающими направления преобразования сигналов в моделируемой системе. Данные, которыми обмениваются блоки, могут быть скалярными величинами, а также векторами или матрицами произвольной размерности.
Блок-схемы моделей могут иметь иерархическую структуру, т. е. содержать в своём составе подсистемы в виде одного блока. Содержимое этого блока (более низкий уровень иерархии) можно открыть двойным щелчком мыши на блоке подсистемы.
После построения модели можно запустить процесс моделирования как из меню Simulink, так и из командной строки MatLab.
Для регистрации процесса и результата моделирования используются специальные блоки – «смотровые окна», входящие в состав библиотеки Simulink. Интересующие пользователя характеристики системы могут быть получены как в числовой, так и в графической форме.
Результаты моделирования могут быть переданы в рабочую область MatLab (Workspace) для последующей обработки и визуализации.
Кроме того, в системе предусмотрена возможность сохранения схемы модели и результатов моделирования на диске и распечатка их на принтере.