基于模型的设计——MCU篇

第二章Simulink建模与调试Simulink是动态和嵌入式等系统的建模与仿真工具，也是基于模型设计的基础。对于机电、航空航天、信号处理、自动控制、通讯、音视频处理等众多领域，Simulink提供了交互式的可视化开发环境和可定制的模块库，对系统进行建模、仿真与调试等。并可实现与Stateflow有限状态机的无缝连接，扩展对复杂系统的建模能力。通过Simulin模块库自带的1000多个预定义模块，基本上可快速地创建基于MCU器件应用的系统模型。运用层次化建模、数据管理，子系统定制等手段，即使是复杂的嵌入式MCU应用系统，也能轻松完成简明精确的模型描述。大量使用EmbeddedMATLAB来创建用户自己的算法模块，可大大加快建模速度。读者在后面的内容中，会经常看到用EmbeddedMATLAB创建的算法模块，加快MCU器件开发的实例。模型是基于模型设计的起点，同时也最核心的东西。本章将以基于PID控制的直流电机的物理建模与调试为例来介绍Simulink，更详细的内容请读者参考MathWorks公司相关内容的用户手册。Simulink的主要特点如下：众多可扩展的模块库利用图形编辑器来组合和管理模块图以系统功能来划分模型，实现对复杂系统的管理利用模型浏览器（ModelExplorer）寻找、创建、配置模型组件的参数与属性利用API实现与其他仿真程序的连接或集成用户代码用图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，评估模型的性能指标在MATLAB命令窗口中，可对仿真结果进行分析与可视化，自定义模型环境、信号参数和测试数据利用模型分析和诊断工具来确保模型的一致性，定位模型中的错误本章主要内容有：Simulink基本操作搭建直流电机模型Simulink模型调试2.1Simulink基本操作2.1.1模块库和编辑窗口打开模型库浏览器在matlab的命令窗口中输入“simulink”指令或单击matlab工具栏上的“simulink”图标就可以打开模型库浏览器。如图2.1.1所示:图2.1.1模型库浏览器打开模型编辑窗口要建立一个新的模型，首先要打开一个模型编辑窗口。可以通过点击模块库浏览器上的NEWModel按钮，或File→NEW→Model来打开窗口，如图2.1.2所示。图2.1.2打开模型编辑窗口2.1.2Simulink模块库Simulink模块库是建立模型的基础，其中囊括了大量的基本功能模块，只有当用户熟练的掌握了模块库，才能快速、高效的建立模型。从图2.1.1所示的模型库浏览器可知，在Simulink模块库中包含有以下子模块库，如表2.1.1所示：表2.1.1模块库列表常用模块（commonlyusedblock）连续模块（continuous）非连续模块（discontinuous）离散模块（discrete）逻辑和位操作模块（logicandbitoperations）查找表模块（lookuptables）数学运算模块（mathoperations）模型验证模块（modelverification）模型实用模块（model-wideutilities）端口与子系统模块（ports&subsystems）信号属性模块（signalattributes）信号路由模块（signalrouting）接收器模块（sinks）源模块（sources）用户自定义模块（user-definedfunctions）附加操作模块（additionalmath&discrete）下面将详细介绍几种使用频率较高的模块库。1.常用模块库（commonlyusedblock）常用模块库中的模块是simulink所有模块库中使用频率最高模块的合集，主要是为了方便用户以最快的速度建立模型。常用模块包含如图2.1.3所示的成员，模块功能如表2.1.2所示：图2.1.3常用模块库表2.1.2常用模块库列表名称功能名称功能BusCreator生成总线BusSelector分离总线Constant常量信号DataTypeConversion转换数据类型Demux抽取向量信号中的元素并输出Discrete-TimeIntegrator时间离散积分Gain放大器Ground接地Inport产生输入口Integrator,IntegratorLimited信号积分LogicalOperator逻辑运算Mux将输入信号合成为向量Outport产生输出口Product标量和非标量乘除或矩阵乘法和转置RealationalOperator对输入做关系运算Saturation饱和ScopeandFloatingScope显示仿真信号Subsystem,AtomicSubsystem,NonvitualSubsystem,CodeReuseSubsystem以子系统表示其他系统Sum,Add,Subtract,SumofElements加或减Switch通过第二个输入值来输出第一或第二个输入。Terminator终止未连接的输出口UnitDelay延迟一个采样周期2.连续模块库（continuous）连续模块库中的模块如2.1.4图所示，它包含了搭建连续系统所涉及到的绝大部分模块，这些模块的功能如2.1.3表所示：图2.1.4连续模块库表2.1.3连续模块库列表名称功能名称功能Derivative微分Integrator积分IntegratorLimited有限积分Integrator2nd-order二阶积分Integrator2nd-orderLimited二阶有限积分PIDController比例微积分控制器PIDController（2DOF）双自由度比例微积分控制器State-Space状态空间TransferFcn传递函数TransportDelay时间延迟VariableTimeDelay可变时间延迟VariableTransportDelay可变时间延迟Zero-Pole零极点结合本书是讲述基于模型设计的思想开发MCU器件，本章将以Simulink在控制电机中的应用为例，介绍Simulink的建模与调试技术。这里值得一提的是PID控制模块。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。它是在较新版本的Simulink中才新增并逐步完善的一个模块，R2010b版已经具备自动调节功能。具体原理和使用将在后面分析。3.离散模块库（discontinuous）离散模块在涉及数字信号系统中被广泛使用，基于这种考虑，mathworks公司单独列出了离散系统模块库。离散模块库中的模块和其功能如2.1.5图所列：图2.1.5离散模块库其中常用模块的功能如表2.1.4所示：表2.1.4离散模块库列表名称功能名称功能Difference差分DiscreteDerivative离散微分方程DiscreteFIRFilter离散FIR滤波器DiscreteFilter离散滤波器DiscretePIDController离散PID控制器DiscretePIDController(2DOF)离散双自由度PID控制器DiscreteState-Space离散状态空间DiscreteTransferFcn离散传递函数DiscreteZero-Pole离散零极点DiscreteTimeIntegrator离散时间积分1st-orderHold一阶保持器IntegerDelay采样保持Memory记忆TappedDelay采样周期延迟TransferFcn1st-order一阶传递函数TransferFcnLeadorLag传递函数（超前或延迟）TransferFcnRealZero传递函数(有零点无极点)UnitDelay单位延迟Zero-OrderHold零阶保持器4.数学运算模块库（mathoperations）数学运算模块将很多数学运算封装成模块的形式，使数学运算操作大大简化，减少了很多程序设计上的繁琐过程。此模块库所包含的模块如图2.1.6所示：图2.1.6数学运算模块库其中常用模块的功能如表2.1.5所示：表2.1.5数学运算模块库列表名称功能名称功能Sum对输入求代数和RoundingFunction取整Gain常量增益MinMax求最值SliderGain可用滑动条改变的增益TrigonometricFunction三角函数Product对输入求积或商AlgebraicConstraint强制驶入信号为0DotProduct点积ComplextoMagnitude-Angle复数的幅值相角Sign取输入的正负符号Magnitude-AngletoComplex根据幅值相角得到复数Abs绝对值（模）ComplextoReal-Imag复数的实部虚部MathFunction数学运算函数Real-Imagtocomplex由实部虚部求复数5.信号源模块库（signalattributes）信号源模块库如2.1.7图所示：图2.1.7信号源模块库其中常用模块的功能如表2.1.6所示：表2.1.6信号源模块库列表名称功能名称功能Band-LimitedWhiteNoise限带白噪声ChirpSignal频率变化的正弦信号Clock时钟信号Constant常数CounterLimited受限计数器DigitalClock数字时钟EnumeratedConstant枚举常数FromFile从文件读数据FromWorkSpace从工作空间读数据Ground接地Inport输入接口PulseGenerator脉冲发生器Ramp线性增或减的信号RandomNumber随机数RepeatingSequence重复系列RepeatingSequenceInterpolated重复序列插值RepeatingSequenceStair阶梯状重复序列SignalBuilder产生分段线性的可交替信号SignalGenerator信号发生器SineWave正弦信号Step阶跃信号UniformRandomNumber平均分布的随机信号6.信号接收模块库（sinks）信号接收模块库如图2.1.8所示：图2.1.8信号接收模块库其中常用模块的功能如表2.1.7所示：表2.1.7信号接收模块库列表名称功能名称功能Display显示输入值Output输出端口ScopeandFloatingScope显示仿真信号StopSimulation非零时停止仿真Terminator终止输出信号ToFile输出到文件ToWorkSpace输出到工作空间XYGragh作图7.用户自定义模块库（user-definedfunctions）用户自定义模块库如图2.1.9所示：图2.1.9用户自定义模块库其中常用模块的功能如表2.1.8所示：表2.1.8用户自定义模块库列表名称功能名称功能EmbeddedMATLABFunction嵌入式MATLAB函数Fcn各种函数组合Level-2M-FileS-Function二级M文件S函数MATLABFcn使用MATLAB函数作为输入S-FunctionS函数S-FunctionBuilderS函数构造器2.1.3模块的基本操作1.模块的查找在模块库页面的左侧以树形结构显示了一系列的子库，如连续模块库，离散模块库，数学运算模块库，当用户对这些模块比较熟悉以后，可以非常方便、快捷的找到自己需要的模块。如果是刚刚接触Simulink的用户，这里还提供了查找功能，方便不熟悉它的人使用。如图2.1.10所示：图2.1.10模块查找当用户找到自己所需要的模块后，就要把它复制到模型编辑窗口中以便进行下一步的操作。这里可以直接把模块拖拽到编辑窗口中完成复制，也可以右键单击，在弹出菜单中选择“Addtonewmodel”，如图2.1.11所示。图2.1.11添加模块2.模块的选定模块被加入到编辑窗口以后，要通过选定模块才能对其进行操作。选定单个模块可以直接用鼠标左键单击目标模块；也可以按下鼠标任意键拖动，此时会出现一个虚线框，当虚线框包围了目标模块时放