1.4 基本建模流程与模块库使用

1.4 基本建模流程与模块库使用
Simulink 提供了一个直观的图形化环境，用于动态系统的建模和仿真。本节将详细介绍 Simulink 的基本建模流程以及如何高效使用模块库。

一、Simulink 基本建模流程
Simulink 的建模过程可以分为以下几个步骤：

明确建模目标
确定需要建模的系统类型（如控制系统、电力电子系统等）。
明确输入、输出及系统内部结构。
创建新模型
在 MATLAB 命令窗口中输入 simulink 或点击工具栏中的 Simulink 图标启动 Simulink。
选择 File -> New -> Model 创建一个新的空白模型。
添加模块
打开 模块库浏览器（Library Browser），浏览或搜索所需的模块。
将模块从模块库拖拽到模型编辑区，或双击模块将其插入到模型中。
连接模块
使用鼠标从一个模块的输出端口拖拽到另一个模块的输入端口，完成模块间的连接。
注意：只有兼容的端口才能连接（例如信号类型和维度必须匹配）。
设置模块参数
双击模块，打开其参数设置对话框。
根据需求调整模块的属性（如增益值、初始条件等）。
配置仿真参数
点击菜单栏中的 Simulation -> Model Configuration Parameters，设置仿真时间、求解器类型等。
常用仿真参数：
Start time：仿真开始时间。
Stop time：仿真结束时间。
Solver：选择求解器类型（如 ode45、ode23 等）。
运行仿真
点击工具栏中的“Run”按钮启动仿真。
观察仿真结果，分析系统行为。
保存模型
选择 File -> Save As 保存模型文件（扩展名为 .slx）。
二、模块库的使用
Simulink 提供了丰富的模块库，涵盖了各种功能模块。以下是模块库的主要分类及其用途：

Commonly Used Blocks（常用模块）
包含常用的输入、输出和显示模块。
示例：
Constant：生成常数值。
Step：生成阶跃信号。
Scope：显示仿真结果。
Continuous（连续系统模块）
适用于连续时间系统的建模。
示例：
Integrator：实现积分运算。
Derivative：实现微分运算。
Transfer Fcn：定义传递函数。
Discrete（离散系统模块）
适用于离散时间系统的建模。
示例：
Discrete-Time Integrator：离散积分器。
Unit Delay：延迟模块。
Math Operations（数学运算模块）
提供各种数学运算功能。
示例：
Sum：加法器。
Product：乘法器。
Gain：增益模块。
Sources（信号源模块）
提供各种输入信号。
示例：
Sine Wave：正弦波信号。
Random Number：随机数生成器。
Sinks（信号接收模块）
用于显示或存储仿真结果。
示例：
Scope：实时显示信号波形。
To Workspace：将信号数据存储到 MATLAB 工作区。
Signal Routing（信号路由模块）
用于信号的合并、分离和切换。
示例：
Mux：多路复用器。
Demux：多路分解器。
Switch：信号切换模块。
User-Defined Functions（用户自定义函数模块）
支持通过 MATLAB 函数或 S-Function 定义复杂功能。
示例：
MATLAB Function：嵌入 MATLAB 代码。
S-Function：自定义模块开发。
三、模块库使用技巧
快速搜索模块
在模块库浏览器顶部的搜索框中输入模块名称或关键字，快速找到所需模块。
模块拖拽与复制
将模块从模块库拖拽到模型编辑区，或直接在模型中复制已有的模块以节省时间。
模块注释
右键点击模块，选择 Add Block Annotation 添加注释，便于理解模型结构。
模块封装
将多个模块组合成一个子系统，并为其添加接口，简化模型视图。
方法：选中多个模块后右键选择 Create Subsystem。
模块颜色标记
使用不同颜色标记模块，区分不同的功能区域。
方法：右键点击模块，选择 Format -> Fill Color。
自动布局
使用 Ctrl+Shift+A 快捷键对模型进行自动布局，使模块排列更加整齐。
四、示例：简单系统的建模
以下是一个简单的建模示例，演示如何使用模块库构建并仿真一个一阶线性系统。

目标：建模并仿真系统 y'(t) = -2y(t) + u(t)y
′
(t)=−2y(t)+u(t)，其中 u(t)u(t) 是阶跃信号。
步骤：
添加模块：
从 Continuous 库中添加 Integrator 模块。
从 Math Operations 库中添加 Gain 和 Sum 模块。
从 Sources 库中添加 Step 模块。
从 Sinks 库中添加 Scope 模块。
连接模块：
将 Sum 模块的输出连接到 Integrator 输入。
将 Integrator 输出连接到 Gain 模块。
将 Gain 输出连接到 Sum 模块的一个输入端。
将 Step 模块连接到 Sum 模块的另一个输入端。
将 Integrator 输出连接到 Scope 模块。
设置参数：
设置 Gain 模块的增益为 -2。
设置 Step 模块的时间步长为 0。
配置仿真参数：
设置仿真时间为 10 秒。
选择求解器为 ode45。
运行仿真并观察结果。
通过本节的学习，读者将掌握 Simulink 的基本建模流程以及模块库的使用方法，为后续更复杂的建模任务奠定基础。