Обозреватель разделов библиотеки Simulink

Общая характеристика программы Simulink

Программа Simulink является приложением к пакету MATLAB. При моделировании с использованием Simulink реализуется принцип визуального программирования, в соответствии с которым, пользователь на экране из библиотеки стандартных блоков создает модель устройства и осуществляет расчеты. При этом, в отличие от классических способов моделирования, пользователю не нужно досконально изучать язык программирования и численные методы математики, а достаточно общих знаний требующихся при работе на компьютере и, естественно, знаний той предметной области в которой он работает.

Simulink является достаточно самостоятельным инструментом MATLAB и при работе с ним совсем не требуется знать сам MATLAB и остальные его приложения. С другой стороны доступ к функциям MATLAB и другим его инструментам остается открытым и их можно использовать в Simulink. При работе с Simulink пользователь имеет возможность модернизировать библиотечные блоки, создавать свои собственные, а также составлять новые библиотеки блоков.

При моделировании пользователь может выбирать метод решения дифференциальных уравнений, а также способ изменения модельного времени (с фиксированным или переменным шагом). В ходе моделирования имеется возможность следить за процессами, происходящими в системе. Для этого используются специальные устройства наблюдения, входящие в состав библиотеки Simulink. Результаты моделирования могут быть представлены в виде графиков или таблиц.

Преимущество Simulink заключается также в том, что он позволяет пополнять библиотеки блоков с помощью подпрограмм написанных как на языке MATLAB, так и на языках С + +, Fortran и Ada.

Запуск Simulink

Для запуска программы необходимо предварительно запустить пакет MATLAB. Основное окно пакета MATLAB показано на Рис. 1. Там же показана подсказка появляющаяся в окне при наведении указателя мыши на ярлык Simulink в панели инструментов.

Рис 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 библиотеки Simulink (рис. 2).

Рис 2. Окно обозревателя разделов библиотеки Simulink

Обозреватель разделов библиотеки Simulink

Окно обозревателя библиотеки блоков содержит следующие элементы (рис.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.3 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).

Рис 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 (Рис.4).

Рис. 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).

Библиотека модулей (блоков)

1. Блоки, входящие в раздел Sources (Источники), предназначены для формирования сигналов, обеспечивающих управление работой S-модели в целом или отдельных её частей. Все блоки-источники имеют по одному выходу и не имеют входов. В этом разделе библиотеки в качестве источников сигналов предусмотрены следующие блоки:

a) Constant – формирует постоянную величину;

Блок предназначен для установки констант, применяемых при моделировании. Он имеет один параметр настройки – Constant value, который может быть введен и как вектор-строка из нескольких элементов.

b) Signal Generator – создаёт по выбору непрерывный колебательный сигнал одной из волновых форм: синусоидальная, прямоугольная, треугольная и случайная;

c) Step – генерирует сигнал в виде одиночной ступеньки с заданными параметрами;

d) Ramp – создаёт линейно нарастающий/убывающий сигнал;

e) Sine Wave – генерирует гармонический сигнал;

f) Discrete Pulse Generator – генератор дискретных импульсных сигналов;

g) Chirp Signal – генератор гармонических колебаний с частотой, линейно изменяющейся во времени;

h) Clock – источник непрерывного временного сигнала;

i) Digital clock – формирует дискретный временный сигнал;

j) Random Number – источник дискретного сигнала, амплитуда которого является случайной величиной, распределённому по нормальному закону;

k) Uniform Random Number - источник дискретного сигнала, амплитуда которого является случайной равномерно распределенной величиной;

l) Band-Limited White Noise – генератор белого шума с ограниченной полосой;

Этот блок формирует процесс в виде частотно-ограниченного белого шума. Параметры настройки у него следующие:

· Noise power – значение мощности белого шума;

· Sample time – значение дискрета времени (определяет верхнее значение частоты процесса);

· Seed – начальное значение базы генератора случайной величины.

Блоки, собранные в раздел Sinks (Приёмники), имеют только входы и не имеют выходов. Условно их можно разделить на три вида:

1. Блоки, используемые как смотровые окна при моделировании; к ним относятся:

a) блок Scope с одним входом, которой выводит график зависимости величины, подаваемой на его вход, от модельного времени;

Блок Scope позволяет в процессе моделирования наблюдать интересующие исследователя процессы. Для настройки параметров блока следует после установки блока в поле сборки схемы дважды щелкнуть мышью на его изображении.

Размер и пропорции этого окна можно изменять произвольно, используя мышь. По горизонтальной оси откладываются значения модельного времени, а по вертикальной – значения входной величины, соответствующие этим моментам времени. Если входная величина блока Scope представляет собой вектор, в окне строятся графики изменения всех элементов этого вектора, т.е. столько кривых, сколько элементов во входном векторе, причем каждая – своего цвета. Одновременно в окне может отображаться до 30 кривых.

Для управления параметрами графиков и выполнения над ними различных действий в окне имеется панель инструментов, содержащая 7 пиктограмм со следующим назначением:

· Изменение масштаба осей графика

· Изменение масштаба по горизонтальной оси

· Изменение масштаба по вертикальной оси

· Автоматическая установка оптимального масштаба осей

· Сохранение установленного масштаба осей

· Вызов окна настройки параметров блока Scope

· Печать содержимого окна Scope

Первые три пиктограммы являются альтернативными, т.е. в каждый момент времени может быть активна лишь одна из них. Первые пять пиктограмм не активны до тех пор, пока в окне Scope нет графика. Активными с самого начала являются лишь последние две пиктограммы.

Нажатие шестой пиктограммы приводит к появлению окна настройки параметров (свойств) Properties: Scope

Это окно имеет две вкладки: Axes ( Оси), которая позволяет установить параметры осей, и Setting (Установки), которая предназначена для ввода значений дополнительных параметров блока Scope.

В нижней части окна расположены кнопки Apply (Применить), Revert (Вернуть исходные значения), Help (Справка) и Close (Закрыть).

На вкладке Axes имеется область Default limits (Пределы по умолчанию) и опция Hide tick label (Скрыть обозначение осей). В области Default limits устанавливаются верхняя (поле Y max) и нижняя (поле Y min) границы осей координат, а также верхний предел модельного времени, отображаемого на оси абсцисс (поле Time range). При этом следует принимать во внимание следующее.

Если величина заданного интервала моделирования (Тм) не превышает установленное в поле Time range значение, то под графиком в строке Time offset выводится значение 0. В случае, когда интервал моделирования превышает значение в поле Time range, в окне Scope отображается только последний отрезок времени, меньший чем Time range и равный Tм – n*Time range, где n – целое число. При этом в строке Time offset выводится величина скрытного интервала времени, т.е. n*Time range.

Например, если значение в поле Time range равно 3, а длительность интервала моделирования установлена равной 17, то в окне Scope будет выведен график моделируемого процесса за последние 2 единицы времени, а строка под графиком будет содержать число 15.

Любые произведенные в окне Properties изменения оказывают влияние на окно Scope лишь в случае, если после их ввода нажата кнопка Apply.

Опция Hide tick label позволяет изменить форму вывода графика в окне Scope. Если она установлена, то график занимает все поле окна и на него не наносятся никакие надписи по осям и заголовок.

На вкладке Setting имеются следующие элементы. Список Genera l обеспечивает выбор дискретности измерения отображаемых величин. При этом выбор пункта Decimation позволяет задать дискрет измерения характеристик системы в виде целого числа шагов времени, а выбор пункта Sample Time – дискрет изменения модельного времени. Для ввода требуемых значений используется строка ввода, расположенная правее списка.

Область Data history позволяет задавать максимальный объем и способ хранения отображаемых в окне Scope данных. Объем сохраняемых данных вводится в поле ввода. Способ хранения задается при помощи опции Save data to workspace. Если она установлена, то отображаемые в окне Scope данные сохраняются в рабочем пространстве MatLab в виде матрицы.

Опция Floating scope предназначена для изменения способа использования блока Scope в блок-схеме. Когда она установлена, то Scope отображается как блок без входа.

b) блок XY Graph c двумя входами, обеспечивающий построение графика зависимости одной моделируемой величины от другой;

Этот блок также представляет собой смотровое окно. В отличие от Scope, он имеет два входа: на первый подается сигнал, значение которого откладывается по горизонтальной оси графика, а на второй - по вертикальной оси. Если перетащить этот блок в поле блок-схемы, а затем выполнить на его изображении двойной щелчок, то появится окно настройки блока. Оно позволяет установить пределы изменений входных величин, внутри которых будет выводиться график зависимости второй величины от первой, а также задать дискрет по времени.

c) блок Display с одним входом, предназначенный для отображения численных значений входной величины;

2. Блоки, обеспечивающие сохранение промежуточных и выходных результатов моделирования;

- блок To File, обеспечивающий сохранение результатов моделирования в MAT-файле;

- блок To Workspace, сохраняющий результаты в рабочем пространстве;

3. Блок управления моделированием, который позволяет прервать моделирование при выполнении тех или иных условий.

В раздел Discrete (Дискретные элементы) входят блоки, с помощью которых в модели может быть описано поведение дискретных систем. Различают два основных типа таких систем: системы с дискретным временем и системы с дискретными состояниями. Блоки, входящие в раздел Discrete, обеспечивают моделирование, как тех, так и других. Раздел Discrete содержит блоки:

· Unit Delay – блок задержки сигнала;

· Discrete-Time Integrator – дискретный интегратор;

· Zero-Order Hold – экстраполятор нулевого порядка;

· First-Order Hold – экстраполятор первого порядка;

· Discrete State-Space – блок задания дискретного звена матрицами его состояния;

· Discrete Filter – блок задания дискретного звена через дискретную передаточную дробно-рациональную функцию относительно 1/z;

· Discrete Transfer Fcn – блок задания дискретного звена через дискретную передаточную дробно-рациональную функцию относительно z;

· Discrete Zero-Pole – блок задания дискретного звена через указание значений нулей и полюсов дискретной передаточной функции относительно 1/z;

Раздел Linear (Линейные элементы) содержит блоки, которые можно условно разделить на две группы:

1. Блоки общего назначения (сумматоры, интеграторы и т.п.);

2. Блоки описания линейных стационарных звеньев

Раздел Nonlinear (Нелинейные элементы) самый большой по составу. Он включает 30 блоков, которые условно можно разбить на следующие группы:

- Блоки, реализующие элементарные математические функции;

- Блоки, обеспечивающие логическую обработку входного сигнала;

- Блоки, аппроксимирующие входной дискретный сигнал;

- Блоки, реализующие функцию задержки входного сигнала;

- Блоки-переключатели;

- Блоки, используемые при моделировании систем автоматического регулирования и управления;

Блоки раздела Connections (Связи) предназначены для разработки сложных S-моделей, содержащих модели более низкого уровня (подсистемы), и обеспечивают установление нужных связей между несколькими S-моделями.

Чтобы перейти в окно соответствующего раздела библиотеки, которое содержит графическое изображения блоков, следует выполнить двойной щелчок мышью на пиктограмме раздела.

Работа по сборке S-модели заключается в том, что изображения выбранных блоков мышью перетаскиваются из окна раздела библиотеки в окно сборки модели, а затем выходы одних блоков в окне сборки соединяются с входами других блоков.

Технология перетаскивания блока такова: следует установить курсор на изображении блока в окне раздела библиотеки, нажать левую кнопку мыши и, не отпуская кнопку, переместить курсор в поле сборки схемы. Аналогично производятся соединения линиями выходов одних блоков со входами других блоков: необходимо подвести курсор к нужному выходу некоторого блока, нажать левую кнопку мыши и, не отпуская кнопку, переместить курсор ко входу другого блока и затем отпустить кнопку мыши.

Создание модели

Для создания модели в среде SIMULINK необходимо последовательно выполнить ряд действий:

1. Создать новый файл модели с помощью команды File/New/Model, или используя кнопку на панели инструментов (здесь и далее, с помощью символа “/”, указаны пункты меню программы, которые необходимо последовательно выбрать для выполнения указанного действия). Вновь созданное окно модели показано на Рис. 5.

Рис 6. Пустое окно модели

2. Расположить блоки в окне модели. Для этого необходимо открыть соответствующий раздел библиотеки (Например, Sources - Источники). Далее, указав курсором на требуемый блок и нажав на левую клавишу “мыши” - “перетащить” блок в созданное окно. Клавишу мыши нужно держать нажатой. На Рис. 7 показано окно модели, содержащее блоки.

Рис 7. Окно модели, содержащее блоки

Для удаления блока необходимо выбрать блок (указать курсором на его изображение и нажать левую клавишу “мыши”), а затем нажать клавишу Delete на клавиатуре.

Для изменения размеров блока требуется выбрать блок, установить курсор в один из углов блока и, нажав левую клавишу “мыши”, изменить размер блока (курсор при этом превратится в двухстороннюю стрелку).

3. Далее, если это требуется, нужно изменить параметры блока, установленные программой “по умолчанию”. Для этого необходимо дважды щелкнуть левой клавишей “мыши”, указав курсором на изображение блока. Откроется окно редактирования параметров данного блока. При задании численных параметров следует иметь в виду, что в качестве десятичного разделителя должна использоваться точка, а не запятая. После внесения изменений нужно закрыть окно кнопкой OK. На рис.8 в качестве примера показаны блок, моделирующий передаточную функцию и окно редактирования параметров данного блока.

Рис 8. Блок, моделирующий передаточную функцию и окно редактирования параметров блока

4. После установки на схеме всех блоков из требуемых библиотек нужно выполнить соединение элементов схемы. Для соединения блоков необходимо указать курсором на “выход” блока, а затем, нажать и, не отпуская левую клавишу “мыши”, провести линию к входу другого блока. После чего отпустить клавишу. В случае правильного соединения изображение стрелки на входе блока изменяет цвет. Для создания точки разветвления в соединительной линии нужно подвести курсор к предполагаемому узлу и, нажав правую клавишу “мыши”, протянуть линию. Для удаления линии требуется выбрать линию (так же, как это выполняется для блока), а затем нажать клавишу Delete на клавиатуре. Схема модели, в которой выполнены соединения между блоками, показана на рис.9

Рис 9. Схема модели

5. После составления расчетной схемы необходимо сохранить ее в виде файла на диске, выбрав пункт меню File/Save As... в окне схемы и указав папку и имя файла. Следует иметь в виду, что имя файла не должно превышать 32 символов, должно начинаться с буквы и не может содержать символы кириллицы и спецсимволы. Это же требование относится и к пути файла (к тем папкам, в которых сохраняется файл). При последующем редактировании схемы можно пользоваться пунктом меню Fille/Save. При повторных запусках программы SIMULINK загрузка схемы осуществляется с помощью меню File/Open... в окне обозревателя библиотеки или из основного окна MATLAB.

Соединение блоков

Для соединения блоков необходимо сначала установить курсор мыши на выходной порт одного из блоков. Курсор при этом превратится в большой крест из тонких линий (Рис. 10). Держа нажатой левую кнопку мыши, нужно переместить курсор ко входному порту нужного блока. Курсор мыши примет вид креста из тонких сдвоенных линий (Рис. 11). После создания линии необходимо отпустить левую клавишу мыши. Свидетельством того, что соединение создано, будет жирная стрелка у входного порта блока. Выделение линии производится точно также как и выделение блока – одинарным щелчком левой клавиши мыши. Черные маркеры, расположенные в узлах соединительной линии говорят о выделении линии.

Рис 10. Начало создания соединения

Рис 11. Завершение создания соединения

Создание петли линии соединения выполняется также как перемещение блока. Линия соединения выделяется, и затем нужная часть линии перемещается. Рисунок 12 поясняет этот процесс.