pobieranie: Wprowadzenie do SIMULINKA
Pobierz dokument pdfPrzeglądaj wersję html pliku:
Akademia Morska w Gdyni Katedra Automatyki Okrętowej Teoria sterowania
Wprowadzenie do SIMULINKA
Mirosław Tomera
1. WSTĘP
SIMULINK jest pakietem oprogramowania służącym do modelowania, symulacji i analizowania układów dynamicznych. Można implementować w nim zarówno układy liniowe jak i nieliniowe modelowane w czasie ciągłym, dyskretnym lub w hybrydowym w którym część układu pracuje w czasie dyskretnym natomiatst inna część w czasie ciągłym. SIMULINK wyposażony jest w interfejs graficzny pozwalający w łatwy sposób budować modele w postaci schematów blokowych przy użyciu myszki komputerowej. Przy użyciu tego interfejsu można wykreślać modele w podobny sposób jak to odbywa się przy użyciu kartki i ołówka. SIMULINK zawiera biblioteki źródeł i rejestratorów sygnału, elementów liniowych i nieliniowych oraz połączeń między nimi. Można również tworzyć swoje własne bloki przy użyciu S-Funkcji. Modele mają strukturę hierachiczną, można przeglądać układ z najwyższego poziomu, klikając dwukrotnie myszką na bloki przechodzi się na niższe poziomy zawierające więcej szczegółów. Taka organizacja struktury modelu pozwala na łatwe zorientowanie się w pracy systemu i w jaki sposób poszczególne części oddziałują na siebie. Po zdefiniowaniu modelu można przeprowadzać symulacje z użyciem wybranej metody całkowania z poziomu menu SIMULINKA lub po wpisaniu odpowiednich poleceń w oknie komend MATLABA. Menu SIMULINKA jest szczególnie dogodne przy pracy interaktywnej, podczas gdy linia komend MATLABA przy uruchamianiu wielokrotnych symulacji przy zmianie pewnych parametrów w szerokim zakresie. Wykorzystując oscyloskopy lub inne bloki wyświetlaczy można obserwować wyniki symulacji podczas uruchamiania symulacji. Wyniki symulacji mogą być umieszczane w przestrzeni roboczej MATLABA pozwalając w ten sposób na dalszą ich obróbkę.
2. BUDOWANIE PROSTEGO MODELU
Przykład ten ilustruje w sposób skrótowy w jaki sposób buduje się model w SIMULINKU. W modelu tym odbywa się wyznaczanie odpowiedzi skokowej na podstawie transmitancji i wyświetlanie zarówno wymuszenia jak i wyników symulacji. Przykład 1 Wyznaczyć odpowiedź skokową układu o transmitancji
G(s) =
2 ωn 2 s 2 + 2ζω n s + ω n
(1.1)
dla ω n = 1 oraz ζ = 0.5. Wyniki symulacji wyświetlić na oscyloskopie Rozwiązanie: Zadanie to zrealizowane zostanie w następującym układzie.
Ostatnia aktualizacja: 2007-02-21
M. Tomera
Teoria sterowania
Wprowadzenie do SIMULINKA
Rys. 1.1. Kompletny model badanego układu
Aby utworzyć model, najpierw należy wpisać polecenie simulink w oknie komend MATLABA, pojawi się wówczas okno biblioteki SIMULINKA.
Rys. 1.2. Okno bibliotki SIMULINKA
Aby utworzyć nowy model, należy wybrać opcję File/New/Model lub odpowiednią ikonę w oknie biblioteki SIMULINKA i wówczas zostanie nowe okienko do tworzenia modelu
Ostatnia aktualizacja: 2007-02-21
M. Tomera
2
Teoria sterowania
Wprowadzenie do SIMULINKA
Rys. 1.3. Okno do tworzenia nowego modelu
Aby utworzyć pożądany w tym przykładzie model należy skopiować odpowiednie bloki z następujących bibliotek SIMULINKA: • Sources ( blok Step) − wymuszenie skokowe • Sinks ( blok Scope) − oscyloskop • Continuous ( blok Transfer Fcn) − transmitancja • Control System Toolbox ( ikony: Input Point, Output Point) − złącza wejścia i wyjścia dla programu LtiView • Signals Routing ( blok Mux) − multiplekser Aby skopiować z biblioteki blok Step, najpierw należy rozwinąć drzewo biblioteki Sources w celu wyświetlenia jej zawartości przez kliknięcie na węzeł Sources, następnie należy kliknąć na węzeł Step w celu wybrania go. Teraz przeciągając blok Step z biblioteki do okna modelu SIMULINK tworzy kopię tego bloku w punkcie do którego został przesunięty.
Rys. 1.4. Skopiowanie bloku Step do okna modelu
W podobny sposób dokonuje się skopiowania do okna modelu pozostałych potrzebnych elementów schematu z odpowiednich bibliotek SIMULINKA. Zmiany położenia bloku z jednego miejsca w inne dokonuje się poprzez naciśnięcie myszką na blok i jego przesunięcie. Po skopiowaniu wszystkich bloków model układu wygląda następująco:
Ostatnia aktualizacja: 2007-02-21
M. Tomera
3
Teoria sterowania
Wprowadzenie do SIMULINKA
Rys. 1.5. Skopiowane wszystkie bloki do realizacji schematu
Przeglądając ikony bloków widać, że blok Step ma grot strzałki z prawej strony, natomiast blok Mux ma dwa z lewej i jeden z prawej. Symbol > umieszczony na wejściu bloku oznacza port wejścia (wejście) do bloku, natomiast jeśli symbol ten znajduje się na wyjściu wówczas oznacza port wyjścia (wyjście) z bloku. Jeśli sygnał przekazywany jest z wyjścia jednego bloku na wejście innego bloku wówczas odbywa się to poprzez linię łączącą. Kiedy bloki zostaną ze sobą połączone, wówczas symbole portów znikną. Teraz jest czas aby połączyć bloki ze sobą. Połącz blok Step z górnym portem bloku Mux. Jeśli umieszczony zostanie wskaźnik myszki na porcie wyjściowym z prawej strony bloku Step, wówczas znak kursora zmieni swój kształt na krzyż. Naciśnij wówczas przycisk myszy i przesuń kursor do górnego portu wejściowego bloku Mux. Zauważ, że gdy wciśnięty jest przycisk myszy, wówczas linia łącząca bloki jest kreskowana, natomiast gdy wskaźnik osiąga blok Mux wówczas zmienia się kształt kursora na podwójny krzyżyk (rys. 1.6).
Rys. 1.6. Łączenie dwóch bloków linią
Teraz po zwolnieniu przycisku myszy bloki zostaną połączone. Z rysunku 1 widać, że są linie które łączą ten sam port wyjściowy z dwoma różnymi portami wejściowymi. Takie linie łączą port wyjściowy bloku Step z portem wejściowym bloku Mux i blokiem Transfer Fcn. Chcąc założyć węzeł na linii łączącej blok Step i blok Mux i poprowadzić linię do portu wejściowego bloku Transfer Fcn należy: • umieścić wskaźnik kursora na linii pomiędzy blokami Step i Mux; • wcisnąć klawisz Ctrl (lub kliknąć na prawy przycisk myszy); • trzymając wciśnięty przycisk myszy przesunąć kursor do portu wejściowego bloku Transfer Fcn; • zwolnij przycisk myszy i SIMULINK narysuje linię pomiędzy punktem początkowym i portem wejściowym bloku Transfer Fcn. Wykonaj w ten sposób wszystkie konieczne połączenia. Pozostaje jeszcze wprowadzenie parametrów badanej transmitancji w tym celu kliknij dwukrotnie na blok Transfer Fcn
Ostatnia aktualizacja: 2007-02-21
M. Tomera
4
Teoria sterowania
Wprowadzenie do SIMULINKA
Rys. 1.7. Wprowadzenie parametrów badanej transmitancji
i wprowadź współczynniki licznika i mianownika transmitancji. Uzyskany został model pokazany na rysunku 1. Teraz otwórz blok Scope (oscyloskop) do przeglądania wyników symulacji. Mając otwarte okno oscyloskopu uruchom symulację na 10 sekund. Ustawianie parametrów symulacji odbywa się w oknie Simulation Parameters z menu Simulation.
Rys. 1.8. Wprowadzenie parametrów symulacji
Zauważ, że w oknie dialogowym domyślnie ustawiona jest wartość czasu końcowego (Stop time) na 10.0 sekund. Po ustawieniu parametrów symulacji kliknij na przycisk OK. SIMULINK przyjmuje te wartości i zamyka okno dialogowe. W menu Simulation wybierz polecenie Start i obserwuj przebiegi w bloku Scope.
Ostatnia aktualizacja: 2007-02-21
M. Tomera
5
Teoria sterowania
Wprowadzenie do SIMULINKA
Rys. 1.9. Wprowadzenie parametrów symulacji
Symulacja kończy się osiąga czas końcowy (Step time) określony w oknie dialogowym Simulation Parameters lub kiedy zostanie wybrane polecenie Stop z menu Simulation. Aby zachować ten model, wybierz polecenie Save z menu File i wprowadź nazwę i wybierz katalog w którym ma być umieszczony. Plik ten zawiera opis modelu.
3. ZAPISYWANIE WYNIKÓW SYMULACJI
W SIMULINKU możliwe jest również przeprowadzanie symulacji i zapisywanie wybranych zmiennych do pamięci roboczej MATLABA celem dalszej obróbki. Poniższy przykład ilustruje te możliwości. Przykład 2 Wyznaczyć odpowiedź skokową układu o transmitancji
2 ωn G(s) = 2 2 s + 2ζω n s + ω n
(2.1)
dla ω n = 2 oraz ζ = 0.25. Czas trwania symulacji 10 sekund. Wyniki symulacji wyświetlić na oscyloskopie oraz zapisać do przestrzeni roboczej MATLABA i w pliku dyskowym pod nazwą plik_wyniki, następnie: • uzyskane wyniki symulacji znajdujące się w pamięci roboczej MATLABA zapisać do pliku dyskowego tekstowego o nazwie odp_skokowa, • zamknąć okno SIMULINKA, • wyczyścić przestrzeń roboczą MATLABA poleceniem clear, • odczytać umieszczone w pliku dyskowym dane i przedstawić je na wykresie, • uzyskany wykres zamieścić w dokumencie Worda, Rozwiązanie: Zadanie to zrealizowane zostanie w następującym układzie.
Ostatnia aktualizacja: 2007-02-21
M. Tomera
6
Teoria sterowania
Wprowadzenie do SIMULINKA
Rys. 2.1. Model układu z przykładu 2
W porównaniu z modelem z przykładu 1 w tym układzie (rys. 2.1) zmianie uległa badana transmitancja oraz umieszczone zostały dodatkowe bloki takie jak: To Workspace (zapis danych do przestrzeni roboczej MATLABA) To File (zapis danych do pliku binarnego). Po dwukrotnym kliknięciu myszką na blok To Workspace pojawi się okno dialogowe pokazane na rysunku 2.2, w oknie tym należy zmienić nazwę zbioru zapisywanego do przestrzeni roboczej (Variable name) na wyniki oraz ustawić typ zapisywanych danych (Save format) na Array (tablicowe). Wcisnąć przycisk OK. i zamknąć okno dialogowe bloku To Workspace. Dokonać również zmian w okienku dialogowym dla bloku o nazwie To File pokazanym na rysunku 2.3, w okienku tym zmienić nazwę zbioru dyskowego (Filename) na plik_wyniki oraz nazwę zapisywanych zmiennych (Variable name) na sim_wyniki. Uzyskany model układu z rysunku 2.1. zachować pod nazwą uklad_IIrz.mdl.
Rys. 2.2. Okno dialogowe bloku To Workspace
Ostatnia aktualizacja: 2007-02-21
M. Tomera
7
Teoria sterowania
Wprowadzenie do SIMULINKA
Rys. 2.3. Okno dialogowe bloku To File
Otworzyć okno oscyloskopu (Scope) i przeprowadzić symulację. Wyniki symulacji zapisane zostały w binarnym pliku dyskowym o nazwie plik_wyniki.mat oraz w przestrzeni roboczej MATLABA umieszczona została tablica o nazwie wyniki. Wpisując w oknie komend MATLABA polecenie
>> dir *.mat
można sprawdzić czy utworzony został binarny plik dyskowy o nazwie plik_wyniki.mat oraz wpisując nazwę utworzonej w przestrzeni roboczej tablicy
>> wyniki
na ekranie pojawią się dwie kolumny zmiennych, w pierwszej kolumnie jest wymuszenie a w drugiej odpowiedź wyjściowa badanej transmitancji. Dodatkowo w pamięci roboczej MATLABA znajduje się czas pod nazwą zmiennej tout o czym można się przekonać wpisując polecenie
>> whos Name tout wyniki Size 57x1 57x2 Bytes 456 912 Class double array double array
Grand total is 171 elements using 1368 bytes
Chcąc zapisać wyniki symulacji znajdujące się w pamięci roboczej MATLABA do tekstowego pliku dyskowego o nazwie odp_skokowa należy zapisać następujące komendy
>> wyniki_txt = [tout wyniki] >> save odp_skokowa wyniki_txt -ascii
Utworzony zostanie plik dyskowy typu ASCII który pozwala również na późniejsze wczytanie tych danych, np. do Excela. Aby sprawdzić czy rzeczywiście utworzony został tekstowy plik dyskowy o nazwie odp_skokowa należy zapisać
>> dir *.
Teraz należy zamknąć okno SIMULINKA i wyczyścić przestrzeń roboczą MATLABA komendą
Ostatnia aktualizacja: 2007-02-21
M. Tomera
8
Teoria sterowania
>> clear
Wprowadzenie do SIMULINKA
Wpisując teraz do okna komend MATLABA nazwę zbioru wyniki
>> wyniki
uzyska się następującą odpowiedź
??? Undefined function or variable 'wyniki'.
Jednak wyniki uzyskane podczas symulacji zabezpieczone zostały w plikach dyskowych pod nazwami: plik_wyniki i odp_skokowa. Odczyt wyników symulacji zapisanych w plikach dyskowych i następnie przedstawienie tych danych na wykresie zostanie wykonane przy użyciu następującego kodu programu
clear close all load odp_skokowa -ascii wyniki = odp_skokowa; ta = wyniki(:,1) ua = wyniki(:,2) ya = wyniki(:,3) load plik_wyniki tb = sim_wyniki(1,:) ub = sim_wyniki(2,:) yb = sim_wyniki(3,:)
% % % % % % % % % % % %
Odczyt danych z tekstowego pliku dyskowego Wstawienie tych danych do tablicy o nazwie: wyniki Wektor czasu Wektor wymuszenia Wektor odpowiedzi Odczyt danych z binarnego pliku dyskowego Wektor czasu Wektor wymuszenia Wektor odpowiedzi
figure(1) plot( ta, ua, 'b:', ta, ya, 'b-', tb, ub, 'k:', tb, yb, 'k-') xlabel('t [s]') ylabel('y(t)') title('Odpowiedź skokowa układu II rzędu')
Odpowiedź skokowa uk ładu II rz ędu 1.5
1.0
y(t) 0.5 0.0 0
1
2
3
4
5 t [s]
6
7
8
9
10
Rys. 2.4. Uzyskany w MATLABIE rysunek z wynikami symulacji
Ostatnia aktualizacja: 2007-02-21
M. Tomera
9
Teoria sterowania
Wprowadzenie do SIMULINKA
Przy pisaniu skryptu w MATLABIE na uwagę zasługuje sposób podstawiania danych pod zmienne (np. ta i tb). Wyniki symulacji, które zapisywane były bezpośrednio do binarnego pliku dyskowego w bloku To File (rys. 2.1) umieszczane tam były wierszami, przy czym do pliku dodatkowo bez udziału użytkownika, w pierwszym wierszu wpisany został czas. Wyniki symulacji zapisane w tekstowym pliku dyskowym umieszczone zostały tam kolumnami, wynika to z tego, że MATLAB zapisuje te same dane w bloku To Workspace (rys. 2.1) do pamięci roboczej − kolumnami. Uzyskany wykres przedstawiający wyniki symulacji pokazany został na rysunku 2.4. Wykres ten może być zachowany w pliku dyskowym do późniejszego odczytania go w oknie graficznym MATLABA lub wyeksportowany np. z rozszerzeniem *.emf w celu późniejszego wstawienia go np. do dokumentu tworzonego w Wordzie.
4. STEROWANIE MODELEM SIMULINKA Z POZIOMU KOMEND MATLABA
Bardzo dogodnym rodzajem pracy ze schematami utworzonymi w Simulinku jest możliwość sterowania pracą Simulinka z poziomu Matlaba. Zadanie to wykonuje się poprzez napisanie odpowiedniego skryptu i sterowanie wykonywaniem symulacji w SIMULINKU przy pomocy odpowiednich komend MATLABA. Problem ten zilustrowany został w przykładzie 3. Przykład 3 Wyznaczyć odpowiedź skokową układu o transmitancji
G(s) =
2 ωn 2 s 2 + 2ζω n s + ω n
(3.1)
dla ω n = 2 oraz ζ = 0.25. Czas trwania symulacji 15 sekund. Transmitancję zaimplementować w Simulinku, natomiast sterowanie symulacją ma się odbywać z poziomu Matlaba. Rozwiązanie: Do realizacji tak postawionego zadania zbudowany został schemat pokazany na rysunku 3.1 i zapisany pod nazwą uklad_IIrz.mdl. W bloku Transfer Fcn wartości liczbowe parametrów muszą zostać zastąpione zmiennymi (rys. 3.2).
Rys. 3.1. Schemat modelu z zastąpionymi współczynnikami transmitancji na zmienne
Ostatnia aktualizacja: 2007-02-21
M. Tomera
10
Teoria sterowania
Wprowadzenie do SIMULINKA
Rys. 3.2. Okno dialogowe bloku transmitancji z wprowadzonymi zmiennymi
Dodatkowo napisany został poniższy program Matlaba i zapisany pod nazwą model_IIrz.m
clear wn = 2; zeta = 0.6 tmax = 6; open_system('uklad_IIrz') sim('uklad_IIrz', tmax) close_system % % % % % % % % Wyczyszczenie pamięci roboczej Matlaba Wartość częstotliwości drgań własnych Wartość współczynników tłumienia Zakres czasowy wykonywanej symulacji Otwarcie modelu Simulinka Wykonanie symulacji w zadanym odcinku czasu Zamknięcie modelu Simulinka
5. MASKOWANIE PODUKŁADÓW MODELU SIMULINKA
Maskowanie jest własnością SIMULINKA pozwalającą na wprowadzenie okna dialogowego oraz ikony dla podukładu. Przy użyciu maskowania można: • uprościć model poprzez zastąpienie pojedynczym oknem wielu okien dialogowych występujących w podukładzie. Zamiast wprowadzania parametrów dla każdego bloku w oddzielnym oknie dialogowym, te parametry są wprowadzane w oknie dialogowym maski i wprowadzane do bloków w zamaskowanym podsystemie; • zastosować bardziej opisowy i użyteczny interfejs przez zdefiniowanie okna dialogowego ze swoimi własnymi zmiennymi i ich opisem oraz tekstem pomocy; • zdefiniować komendy, które obliczają zmienne których wartości zależą od parametrów bloku; • utworzyć ikonę bloku, która oznacza własności podsystemu • zabezpieczyć przed niezamierzonymi modyfikacjami podukładu poprzez ukrycie ich zawartości pod wprowadzony interfejs. Przykład 4 W układzie pokazanym na rysunku 3.1. zamaskować blok z transmitancją II rzędu opisana równaniem (3.1) i ustawić wartości parametrów na ω n = 1 oraz ζ = 0.5. Dodatkowo zaprezentować w jaki sposób te parametry na masce mogą być zmieniane przy użyciu kodu Matlaba. Ostatnia aktualizacja: 2007-02-21 M. Tomera 11
Teoria sterowania
Wprowadzenie do SIMULINKA
Rozwiązanie: W zbudowanym w Simulinku modelu pokazanym na rysunku 3.1 z bloku Transfer Fcn utworzony zostanie podukład, co realizuje się przez zaznaczenie tego bloku i wybraniu polecenia Edit/Create Subsystem. Spowoduje to zastąpienie bloku transmitancji nową ikoną o nazwie Subsystem (rys. 4.1), którą to nazwę można zmienić na inną. Klikając teraz dwukrotnie na ikonę bloku Subsystem można otworzyć nowe okno z blokiem transmitancji z której uczyniony został podukład.
Rys. 4.1. Model układu z utworzonym podukładem (Subsystem)
Maskowanie bloku Subsystem odbywa się poprzez zaznaczenie jego ikony i wybranie polecenia Edit/Mask subsystem spowoduje pojawienie się edytora maskowanego podukładu w edytorze tym wprowadzone zostaną zmienne, które występują w podukładzie.
Rys. 4.2. Okno edytora maski podsystemu
Zmienne te ( ω n −> wn oraz ζ −> zeta ) wraz z opisami wprowadzane są po wybraniu opcji Initialization. W opcji Icon w postaci wektorowej wpisuje się rysunek, który jest umieszczany
Ostatnia aktualizacja: 2007-02-21
M. Tomera
12
Teoria sterowania
Wprowadzenie do SIMULINKA
na ikonie Subsystem, natomiast w opcji Documentation wpisuje się komentarz pomocniczy (help) opisujący co dany zamaskowany podukład realizuje. Po wciśnięciu przycisku OK w oknie dialogowym edytora maski, podukład Subsystem zostanie zamaskowany i po dwukrotnym kliknięciu na jego ikonę pojawi się okno dialogowe zamaskowanego podukładu (rys. 4.5), do którego wpisuje się wartości parametrów transmitancji w tym przypadku układu II rzędu czyli ω n = 1 oraz ζ = 0.5.
Rys. 4.5. Okno dialogowe zamaskowanego podukładu
Teraz do zamaskowanego Edit/Look under mask.
podukładu
dostęp
jest
możliwy
po
wybraniu
opcji
Poniżej znajduje się program Matlaba przy użyciu którego można uruchamiać zmieniać parametry w utworzonym modelu Simulinka, pokazany na rysunku 4.1 i zachowanym pod nazwą uklad_II_rz.mdl.
clear wn = 2; zeta = 0.5 tmax = 10; % Wyczyszczenie pamięci roboczej Matlaba % Wartość częstotliwości drgań własnych % Wartość współczynników tłumienia % Zakres czasowy wykonywanej symulacji
open_system('uklad_II_rz') % Otwarcie modelu Simulinka % set_param - ustawia wartości parametrów w bloku Subsystem set_param('uklad_II_rz/Subsystem', 'wn', num2str( wn),... 'zeta', num2str(zeta)) sim('uklad_II_rz', tmax) % Wykonanie symulacji w zadanym odcinku czasu close_system % Zamknięcie modelu Simulinka
Ostatnia aktualizacja: 2007-02-21
M. Tomera
13
Teoria sterowania
Wprowadzenie do SIMULINKA
ĆWICZENIA W SIMULINKU S1. Zbudować model pracujący w układzie z rys. S1.1
Rys. S1.1. Schemat blokowy
W bloku obiekt należy zamaskować układ o poniższej transmitancji
G(s) = k
(1 + Ts )
2
(a s
2
1 + bs
2
+ a1 s + a 0
)
w której ma być dostęp do każdego parametru. Po zamaskowaniu podstawić w okienku dialogowym zamaskowanego bloku wartości liczbowe poszczególnych współczynników transmitancji, wyznaczonych z liter imienia i nazwiska jednej z osób ćwiczących w danej podgrupie i tak: k = liczba liter w imieniu b = 0.1*(liczba liter w nazwisku) T = liczba spółgłosek w imieniu a 2 = liczba spółgłosek w nazwisku a 0 = liczba samogłosek w nazwisku
a1 =
2a 2 a 0
Dla tak utworzonego schematu przeprowadzić symulację.
LITERATURA
1. Mrozek B., MATLAB 5.0x, SIMULINK 2.x − poradnik użytkownika, Warszawa PLJ, 1998.
Ostatnia aktualizacja: 2007-02-21
M. Tomera
14
Wprowadzenie do SIMULINKA
Akademia Morska w Gdyni Katedra Automatyki Okrętowej Teoria sterowania
Wprowadzenie do SIMULINKA
Mirosław Tomera
1. WSTĘP
SIMULINK jest pakietem oprogramowania służącym do modelowania, symulacji i analizowania układów dynamicznych. Można implementować w nim zarówno układy liniowe jak i nieliniowe modelowane w czasie ciągłym, dyskretnym lub w hybrydowym w którym część układu pracuje w czasie dyskretnym natomiatst inna część w czasie ciągłym. SIMULINK wyposażony jest w interfejs graficzny pozwalający w łatwy sposób budować modele w postaci schematów blokowych przy użyciu myszki komputerowej. Przy użyciu tego interfejsu można wykreślać modele w podobny sposób jak to odbywa się przy użyciu kartki i ołówka. SIMULINK zawiera biblioteki źródeł i rejestratorów sygnału, elementów liniowych i nieliniowych oraz połączeń między nimi. Można również tworzyć swoje własne bloki przy użyciu S-Funkcji. Modele mają strukturę hierachiczną, można przeglądać układ z najwyższego poziomu, klikając dwukrotnie myszką na bloki przechodzi się na niższe poziomy zawierające więcej szczegółów. Taka organizacja struktury modelu pozwala na łatwe zorientowanie się w pracy systemu i w jaki sposób poszczególne części oddziałują na siebie. Po zdefiniowaniu modelu można przeprowadzać symulacje z użyciem wybranej metody całkowania z poziomu menu SIMULINKA lub po wpisaniu odpowiednich poleceń w oknie komend MATLABA. Menu SIMULINKA jest szczególnie dogodne przy pracy interaktywnej, podczas gdy linia komend MATLABA przy uruchamianiu wielokrotnych symulacji przy zmianie pewnych parametrów w szerokim zakresie. Wykorzystując oscyloskopy lub inne bloki wyświetlaczy można obserwować wyniki symulacji podczas uruchamiania symulacji. Wyniki symulacji mogą być umieszczane w przestrzeni roboczej MATLABA pozwalając w ten sposób na dalszą ich obróbkę.
2. BUDOWANIE PROSTEGO MODELU
Przykład ten ilustruje w sposób skrótowy w jaki sposób buduje się model w SIMULINKU. W modelu tym odbywa się wyznaczanie odpowiedzi skokowej na podstawie transmitancji i wyświetlanie zarówno wymuszenia jak i wyników symulacji. Przykład 1 Wyznaczyć odpowiedź skokową układu o transmitancji
G(s) =
2 ωn 2 s 2 + 2ζω n s + ω n
(1.1)
dla ω n = 1 oraz ζ = 0.5. Wyniki symulacji wyświetlić na oscyloskopie Rozwiązanie: Zadanie to zrealizowane zostanie w następującym układzie.
Ostatnia aktualizacja: 2007-02-21
M. Tomera
Teoria sterowania
Wprowadzenie do SIMULINKA
Rys. 1.1. Kompletny model badanego układu
Aby utworzyć model, najpierw należy wpisać polecenie simulink w oknie komend MATLABA, pojawi się wówczas okno biblioteki SIMULINKA.
Rys. 1.2. Okno bibliotki SIMULINKA
Aby utworzyć nowy model, należy wybrać opcję File/New/Model lub odpowiednią ikonę w oknie biblioteki SIMULINKA i wówczas zostanie nowe okienko do tworzenia modelu
Ostatnia aktualizacja: 2007-02-21
M. Tomera
2
Teoria sterowania
Wprowadzenie do SIMULINKA
Rys. 1.3. Okno do tworzenia nowego modelu
Aby utworzyć pożądany w tym przykładzie model należy skopiować odpowiednie bloki z następujących bibliotek SIMULINKA: • Sources ( blok Step) − wymuszenie skokowe • Sinks ( blok Scope) − oscyloskop • Continuous ( blok Transfer Fcn) − transmitancja • Control System Toolbox ( ikony: Input Point, Output Point) − złącza wejścia i wyjścia dla programu LtiView • Signals Routing ( blok Mux) − multiplekser Aby skopiować z biblioteki blok Step, najpierw należy rozwinąć drzewo biblioteki Sources w celu wyświetlenia jej zawartości przez kliknięcie na węzeł Sources, następnie należy kliknąć na węzeł Step w celu wybrania go. Teraz przeciągając blok Step z biblioteki do okna modelu SIMULINK tworzy kopię tego bloku w punkcie do którego został przesunięty.
Rys. 1.4. Skopiowanie bloku Step do okna modelu
W podobny sposób dokonuje się skopiowania do okna modelu pozostałych potrzebnych elementów schematu z odpowiednich bibliotek SIMULINKA. Zmiany położenia bloku z jednego miejsca w inne dokonuje się poprzez naciśnięcie myszką na blok i jego przesunięcie. Po skopiowaniu wszystkich bloków model układu wygląda następująco:
Ostatnia aktualizacja: 2007-02-21
M. Tomera
3
Teoria sterowania
Wprowadzenie do SIMULINKA
Rys. 1.5. Skopiowane wszystkie bloki do realizacji schematu
Przeglądając ikony bloków widać, że blok Step ma grot strzałki z prawej strony, natomiast blok Mux ma dwa z lewej i jeden z prawej. Symbol > umieszczony na wejściu bloku oznacza port wejścia (wejście) do bloku, natomiast jeśli symbol ten znajduje się na wyjściu wówczas oznacza port wyjścia (wyjście) z bloku. Jeśli sygnał przekazywany jest z wyjścia jednego bloku na wejście innego bloku wówczas odbywa się to poprzez linię łączącą. Kiedy bloki zostaną ze sobą połączone, wówczas symbole portów znikną. Teraz jest czas aby połączyć bloki ze sobą. Połącz blok Step z górnym portem bloku Mux. Jeśli umieszczony zostanie wskaźnik myszki na porcie wyjściowym z prawej strony bloku Step, wówczas znak kursora zmieni swój kształt na krzyż. Naciśnij wówczas przycisk myszy i przesuń kursor do górnego portu wejściowego bloku Mux. Zauważ, że gdy wciśnięty jest przycisk myszy, wówczas linia łącząca bloki jest kreskowana, natomiast gdy wskaźnik osiąga blok Mux wówczas zmienia się kształt kursora na podwójny krzyżyk (rys. 1.6).
Rys. 1.6. Łączenie dwóch bloków linią
Teraz po zwolnieniu przycisku myszy bloki zostaną połączone. Z rysunku 1 widać, że są linie które łączą ten sam port wyjściowy z dwoma różnymi portami wejściowymi. Takie linie łączą port wyjściowy bloku Step z portem wejściowym bloku Mux i blokiem Transfer Fcn. Chcąc założyć węzeł na linii łączącej blok Step i blok Mux i poprowadzić linię do portu wejściowego bloku Transfer Fcn należy: • umieścić wskaźnik kursora na linii pomiędzy blokami Step i Mux; • wcisnąć klawisz Ctrl (lub kliknąć na prawy przycisk myszy); • trzymając wciśnięty przycisk myszy przesunąć kursor do portu wejściowego bloku Transfer Fcn; • zwolnij przycisk myszy i SIMULINK narysuje linię pomiędzy punktem początkowym i portem wejściowym bloku Transfer Fcn. Wykonaj w ten sposób wszystkie konieczne połączenia. Pozostaje jeszcze wprowadzenie parametrów badanej transmitancji w tym celu kliknij dwukrotnie na blok Transfer Fcn
Ostatnia aktualizacja: 2007-02-21
M. Tomera
4
Teoria sterowania
Wprowadzenie do SIMULINKA
Rys. 1.7. Wprowadzenie parametrów badanej transmitancji
i wprowadź współczynniki licznika i mianownika transmitancji. Uzyskany został model pokazany na rysunku 1. Teraz otwórz blok Scope (oscyloskop) do przeglądania wyników symulacji. Mając otwarte okno oscyloskopu uruchom symulację na 10 sekund. Ustawianie parametrów symulacji odbywa się w oknie Simulation Parameters z menu Simulation.
Rys. 1.8. Wprowadzenie parametrów symulacji
Zauważ, że w oknie dialogowym domyślnie ustawiona jest wartość czasu końcowego (Stop time) na 10.0 sekund. Po ustawieniu parametrów symulacji kliknij na przycisk OK. SIMULINK przyjmuje te wartości i zamyka okno dialogowe. W menu Simulation wybierz polecenie Start i obserwuj przebiegi w bloku Scope.
Ostatnia aktualizacja: 2007-02-21
M. Tomera
5
Teoria sterowania
Wprowadzenie do SIMULINKA
Rys. 1.9. Wprowadzenie parametrów symulacji
Symulacja kończy się osiąga czas końcowy (Step time) określony w oknie dialogowym Simulation Parameters lub kiedy zostanie wybrane polecenie Stop z menu Simulation. Aby zachować ten model, wybierz polecenie Save z menu File i wprowadź nazwę i wybierz katalog w którym ma być umieszczony. Plik ten zawiera opis modelu.
3. ZAPISYWANIE WYNIKÓW SYMULACJI
W SIMULINKU możliwe jest również przeprowadzanie symulacji i zapisywanie wybranych zmiennych do pamięci roboczej MATLABA celem dalszej obróbki. Poniższy przykład ilustruje te możliwości. Przykład 2 Wyznaczyć odpowiedź skokową układu o transmitancji
2 ωn G(s) = 2 2 s + 2ζω n s + ω n
(2.1)
dla ω n = 2 oraz ζ = 0.25. Czas trwania symulacji 10 sekund. Wyniki symulacji wyświetlić na oscyloskopie oraz zapisać do przestrzeni roboczej MATLABA i w pliku dyskowym pod nazwą plik_wyniki, następnie: • uzyskane wyniki symulacji znajdujące się w pamięci roboczej MATLABA zapisać do pliku dyskowego tekstowego o nazwie odp_skokowa, • zamknąć okno SIMULINKA, • wyczyścić przestrzeń roboczą MATLABA poleceniem clear, • odczytać umieszczone w pliku dyskowym dane i przedstawić je na wykresie, • uzyskany wykres zamieścić w dokumencie Worda, Rozwiązanie: Zadanie to zrealizowane zostanie w następującym układzie.
Ostatnia aktualizacja: 2007-02-21
M. Tomera
6
Teoria sterowania
Wprowadzenie do SIMULINKA
Rys. 2.1. Model układu z przykładu 2
W porównaniu z modelem z przykładu 1 w tym układzie (rys. 2.1) zmianie uległa badana transmitancja oraz umieszczone zostały dodatkowe bloki takie jak: To Workspace (zapis danych do przestrzeni roboczej MATLABA) To File (zapis danych do pliku binarnego). Po dwukrotnym kliknięciu myszką na blok To Workspace pojawi się okno dialogowe pokazane na rysunku 2.2, w oknie tym należy zmienić nazwę zbioru zapisywanego do przestrzeni roboczej (Variable name) na wyniki oraz ustawić typ zapisywanych danych (Save format) na Array (tablicowe). Wcisnąć przycisk OK. i zamknąć okno dialogowe bloku To Workspace. Dokonać również zmian w okienku dialogowym dla bloku o nazwie To File pokazanym na rysunku 2.3, w okienku tym zmienić nazwę zbioru dyskowego (Filename) na plik_wyniki oraz nazwę zapisywanych zmiennych (Variable name) na sim_wyniki. Uzyskany model układu z rysunku 2.1. zachować pod nazwą uklad_IIrz.mdl.
Rys. 2.2. Okno dialogowe bloku To Workspace
Ostatnia aktualizacja: 2007-02-21
M. Tomera
7
Teoria sterowania
Wprowadzenie do SIMULINKA
Rys. 2.3. Okno dialogowe bloku To File
Otworzyć okno oscyloskopu (Scope) i przeprowadzić symulację. Wyniki symulacji zapisane zostały w binarnym pliku dyskowym o nazwie plik_wyniki.mat oraz w przestrzeni roboczej MATLABA umieszczona została tablica o nazwie wyniki. Wpisując w oknie komend MATLABA polecenie
>> dir *.mat
można sprawdzić czy utworzony został binarny plik dyskowy o nazwie plik_wyniki.mat oraz wpisując nazwę utworzonej w przestrzeni roboczej tablicy
>> wyniki
na ekranie pojawią się dwie kolumny zmiennych, w pierwszej kolumnie jest wymuszenie a w drugiej odpowiedź wyjściowa badanej transmitancji. Dodatkowo w pamięci roboczej MATLABA znajduje się czas pod nazwą zmiennej tout o czym można się przekonać wpisując polecenie
>> whos Name tout wyniki Size 57x1 57x2 Bytes 456 912 Class double array double array
Grand total is 171 elements using 1368 bytes
Chcąc zapisać wyniki symulacji znajdujące się w pamięci roboczej MATLABA do tekstowego pliku dyskowego o nazwie odp_skokowa należy zapisać następujące komendy
>> wyniki_txt = [tout wyniki] >> save odp_skokowa wyniki_txt -ascii
Utworzony zostanie plik dyskowy typu ASCII który pozwala również na późniejsze wczytanie tych danych, np. do Excela. Aby sprawdzić czy rzeczywiście utworzony został tekstowy plik dyskowy o nazwie odp_skokowa należy zapisać
>> dir *.
Teraz należy zamknąć okno SIMULINKA i wyczyścić przestrzeń roboczą MATLABA komendą
Ostatnia aktualizacja: 2007-02-21
M. Tomera
8
Teoria sterowania
>> clear
Wprowadzenie do SIMULINKA
Wpisując teraz do okna komend MATLABA nazwę zbioru wyniki
>> wyniki
uzyska się następującą odpowiedź
??? Undefined function or variable 'wyniki'.
Jednak wyniki uzyskane podczas symulacji zabezpieczone zostały w plikach dyskowych pod nazwami: plik_wyniki i odp_skokowa. Odczyt wyników symulacji zapisanych w plikach dyskowych i następnie przedstawienie tych danych na wykresie zostanie wykonane przy użyciu następującego kodu programu
clear close all load odp_skokowa -ascii wyniki = odp_skokowa; ta = wyniki(:,1) ua = wyniki(:,2) ya = wyniki(:,3) load plik_wyniki tb = sim_wyniki(1,:) ub = sim_wyniki(2,:) yb = sim_wyniki(3,:)
% % % % % % % % % % % %
Odczyt danych z tekstowego pliku dyskowego Wstawienie tych danych do tablicy o nazwie: wyniki Wektor czasu Wektor wymuszenia Wektor odpowiedzi Odczyt danych z binarnego pliku dyskowego Wektor czasu Wektor wymuszenia Wektor odpowiedzi
figure(1) plot( ta, ua, 'b:', ta, ya, 'b-', tb, ub, 'k:', tb, yb, 'k-') xlabel('t [s]') ylabel('y(t)') title('Odpowiedź skokowa układu II rzędu')
Odpowiedź skokowa uk ładu II rz ędu 1.5
1.0
y(t) 0.5 0.0 0
1
2
3
4
5 t [s]
6
7
8
9
10
Rys. 2.4. Uzyskany w MATLABIE rysunek z wynikami symulacji
Ostatnia aktualizacja: 2007-02-21
M. Tomera
9
Teoria sterowania
Wprowadzenie do SIMULINKA
Przy pisaniu skryptu w MATLABIE na uwagę zasługuje sposób podstawiania danych pod zmienne (np. ta i tb). Wyniki symulacji, które zapisywane były bezpośrednio do binarnego pliku dyskowego w bloku To File (rys. 2.1) umieszczane tam były wierszami, przy czym do pliku dodatkowo bez udziału użytkownika, w pierwszym wierszu wpisany został czas. Wyniki symulacji zapisane w tekstowym pliku dyskowym umieszczone zostały tam kolumnami, wynika to z tego, że MATLAB zapisuje te same dane w bloku To Workspace (rys. 2.1) do pamięci roboczej − kolumnami. Uzyskany wykres przedstawiający wyniki symulacji pokazany został na rysunku 2.4. Wykres ten może być zachowany w pliku dyskowym do późniejszego odczytania go w oknie graficznym MATLABA lub wyeksportowany np. z rozszerzeniem *.emf w celu późniejszego wstawienia go np. do dokumentu tworzonego w Wordzie.
4. STEROWANIE MODELEM SIMULINKA Z POZIOMU KOMEND MATLABA
Bardzo dogodnym rodzajem pracy ze schematami utworzonymi w Simulinku jest możliwość sterowania pracą Simulinka z poziomu Matlaba. Zadanie to wykonuje się poprzez napisanie odpowiedniego skryptu i sterowanie wykonywaniem symulacji w SIMULINKU przy pomocy odpowiednich komend MATLABA. Problem ten zilustrowany został w przykładzie 3. Przykład 3 Wyznaczyć odpowiedź skokową układu o transmitancji
G(s) =
2 ωn 2 s 2 + 2ζω n s + ω n
(3.1)
dla ω n = 2 oraz ζ = 0.25. Czas trwania symulacji 15 sekund. Transmitancję zaimplementować w Simulinku, natomiast sterowanie symulacją ma się odbywać z poziomu Matlaba. Rozwiązanie: Do realizacji tak postawionego zadania zbudowany został schemat pokazany na rysunku 3.1 i zapisany pod nazwą uklad_IIrz.mdl. W bloku Transfer Fcn wartości liczbowe parametrów muszą zostać zastąpione zmiennymi (rys. 3.2).
Rys. 3.1. Schemat modelu z zastąpionymi współczynnikami transmitancji na zmienne
Ostatnia aktualizacja: 2007-02-21
M. Tomera
10
Teoria sterowania
Wprowadzenie do SIMULINKA
Rys. 3.2. Okno dialogowe bloku transmitancji z wprowadzonymi zmiennymi
Dodatkowo napisany został poniższy program Matlaba i zapisany pod nazwą model_IIrz.m
clear wn = 2; zeta = 0.6 tmax = 6; open_system('uklad_IIrz') sim('uklad_IIrz', tmax) close_system % % % % % % % % Wyczyszczenie pamięci roboczej Matlaba Wartość częstotliwości drgań własnych Wartość współczynników tłumienia Zakres czasowy wykonywanej symulacji Otwarcie modelu Simulinka Wykonanie symulacji w zadanym odcinku czasu Zamknięcie modelu Simulinka
5. MASKOWANIE PODUKŁADÓW MODELU SIMULINKA
Maskowanie jest własnością SIMULINKA pozwalającą na wprowadzenie okna dialogowego oraz ikony dla podukładu. Przy użyciu maskowania można: • uprościć model poprzez zastąpienie pojedynczym oknem wielu okien dialogowych występujących w podukładzie. Zamiast wprowadzania parametrów dla każdego bloku w oddzielnym oknie dialogowym, te parametry są wprowadzane w oknie dialogowym maski i wprowadzane do bloków w zamaskowanym podsystemie; • zastosować bardziej opisowy i użyteczny interfejs przez zdefiniowanie okna dialogowego ze swoimi własnymi zmiennymi i ich opisem oraz tekstem pomocy; • zdefiniować komendy, które obliczają zmienne których wartości zależą od parametrów bloku; • utworzyć ikonę bloku, która oznacza własności podsystemu • zabezpieczyć przed niezamierzonymi modyfikacjami podukładu poprzez ukrycie ich zawartości pod wprowadzony interfejs. Przykład 4 W układzie pokazanym na rysunku 3.1. zamaskować blok z transmitancją II rzędu opisana równaniem (3.1) i ustawić wartości parametrów na ω n = 1 oraz ζ = 0.5. Dodatkowo zaprezentować w jaki sposób te parametry na masce mogą być zmieniane przy użyciu kodu Matlaba. Ostatnia aktualizacja: 2007-02-21 M. Tomera 11
Teoria sterowania
Wprowadzenie do SIMULINKA
Rozwiązanie: W zbudowanym w Simulinku modelu pokazanym na rysunku 3.1 z bloku Transfer Fcn utworzony zostanie podukład, co realizuje się przez zaznaczenie tego bloku i wybraniu polecenia Edit/Create Subsystem. Spowoduje to zastąpienie bloku transmitancji nową ikoną o nazwie Subsystem (rys. 4.1), którą to nazwę można zmienić na inną. Klikając teraz dwukrotnie na ikonę bloku Subsystem można otworzyć nowe okno z blokiem transmitancji z której uczyniony został podukład.
Rys. 4.1. Model układu z utworzonym podukładem (Subsystem)
Maskowanie bloku Subsystem odbywa się poprzez zaznaczenie jego ikony i wybranie polecenia Edit/Mask subsystem spowoduje pojawienie się edytora maskowanego podukładu w edytorze tym wprowadzone zostaną zmienne, które występują w podukładzie.
Rys. 4.2. Okno edytora maski podsystemu
Zmienne te ( ω n −> wn oraz ζ −> zeta ) wraz z opisami wprowadzane są po wybraniu opcji Initialization. W opcji Icon w postaci wektorowej wpisuje się rysunek, który jest umieszczany
Ostatnia aktualizacja: 2007-02-21
M. Tomera
12
Teoria sterowania
Wprowadzenie do SIMULINKA
na ikonie Subsystem, natomiast w opcji Documentation wpisuje się komentarz pomocniczy (help) opisujący co dany zamaskowany podukład realizuje. Po wciśnięciu przycisku OK w oknie dialogowym edytora maski, podukład Subsystem zostanie zamaskowany i po dwukrotnym kliknięciu na jego ikonę pojawi się okno dialogowe zamaskowanego podukładu (rys. 4.5), do którego wpisuje się wartości parametrów transmitancji w tym przypadku układu II rzędu czyli ω n = 1 oraz ζ = 0.5.
Rys. 4.5. Okno dialogowe zamaskowanego podukładu
Teraz do zamaskowanego Edit/Look under mask.
podukładu
dostęp
jest
możliwy
po
wybraniu
opcji
Poniżej znajduje się program Matlaba przy użyciu którego można uruchamiać zmieniać parametry w utworzonym modelu Simulinka, pokazany na rysunku 4.1 i zachowanym pod nazwą uklad_II_rz.mdl.
clear wn = 2; zeta = 0.5 tmax = 10; % Wyczyszczenie pamięci roboczej Matlaba % Wartość częstotliwości drgań własnych % Wartość współczynników tłumienia % Zakres czasowy wykonywanej symulacji
open_system('uklad_II_rz') % Otwarcie modelu Simulinka % set_param - ustawia wartości parametrów w bloku Subsystem set_param('uklad_II_rz/Subsystem', 'wn', num2str( wn),... 'zeta', num2str(zeta)) sim('uklad_II_rz', tmax) % Wykonanie symulacji w zadanym odcinku czasu close_system % Zamknięcie modelu Simulinka
Ostatnia aktualizacja: 2007-02-21
M. Tomera
13
Teoria sterowania
Wprowadzenie do SIMULINKA
ĆWICZENIA W SIMULINKU S1. Zbudować model pracujący w układzie z rys. S1.1
Rys. S1.1. Schemat blokowy
W bloku obiekt należy zamaskować układ o poniższej transmitancji
G(s) = k
(1 + Ts )
2
(a s
2
1 + bs
2
+ a1 s + a 0
)
w której ma być dostęp do każdego parametru. Po zamaskowaniu podstawić w okienku dialogowym zamaskowanego bloku wartości liczbowe poszczególnych współczynników transmitancji, wyznaczonych z liter imienia i nazwiska jednej z osób ćwiczących w danej podgrupie i tak: k = liczba liter w imieniu b = 0.1*(liczba liter w nazwisku) T = liczba spółgłosek w imieniu a 2 = liczba spółgłosek w nazwisku a 0 = liczba samogłosek w nazwisku
a1 =
2a 2 a 0
Dla tak utworzonego schematu przeprowadzić symulację.
LITERATURA
1. Mrozek B., MATLAB 5.0x, SIMULINK 2.x − poradnik użytkownika, Warszawa PLJ, 1998.
Ostatnia aktualizacja: 2007-02-21
M. Tomera
14
