Лазарев Ю.Ф. Mатематическое моделирование физических процессов и технических систем в MATLAB
Подождите немного. Документ загружается.
261
Рис. 7. 8. Окно Scope при установке значения none параметра Tick Labels
Флажок Floating scope предназначен для отключения входов в блок
Scopе. Для этого достаточно отметить его,
щелкнув в нем мышью. Если флажок установлен, то
Scope отображается как блок без входа, и если он был
связан по входу с другими блоками, то эти связи «обрываются». Тот же эффект оказывает нажатие значка с тем
же названием в линейке инструментов блока.
Поле Sampling содержит лишь одно окошко с надписью Decimation. В нем можно задать целое положительное
число, которое равно количеству шагов (дискретов) времени,
в которых используются полученные данные для
построения графиков в окне
Scopе
.
Вторая вкладка Data history (рис. 7.9) позволяет задать максимальное количество (начиная с конца) элементов
массивов данных, которые используются для построения графиков в окне
Scope
(окошко рядом с надписью
Limit data rows to last (Максимальный размер строки данных)).
Рис. 7. 9. Вкладка Data history окна настройки блока Scope
Другие окошки этой вкладки становятся активными, если установить флажок в переключателе Save data to
work space (Записать данные в рабочее пространство). При этом становится возможным записать данные,
которые выводятся на графики окна
Scope
, в рабочее пространство системы MatLAB, и становятся активными
окошки с надписями Variable name (Имя переменной) и Format (Формат). В первое из них можно ввести имя
переменной, под которым будут сохраняться данные в рабочем пространстве системы (по умолчанию эти
данные будут записаны под именем ScopeData). Окошко Format дает возможность выбрать один из трех
форматов записи данных – Array (Массив, матрица), Structure (Структура) и Structure with time (Структура с
временем).
Любые изменения, сделанные в окне
'Scope' parameters
, изменяют окно
Scope
лишь в случае, если после
введения этих изменений нажата кнопка Аpply в нижней части окна.
Продемонстрируем работу блока
Scope на простейшем примере.
262
Перетянем в окно будущей блок-схемы из окна раздела Sources блок Sine Wave (Волна синусоиды), а из
окна раздела Sinks – блок
Scope и соединим выход первого блока со входом второго. Получим схему,
показанную на рис. 7.10.
Рис. 7. 10. Простейшая блок-схема с блоком Scope
Вызовем в окне этой блок схемы
Simulation
►
Start
, а затем дважды щелкнем на изображении блока Scope. На
экране возникнет графическое окно этого блока с изображением графика изменения во времени гармонически
изменяющегося сигнала (рис. 7. 11).
Рис. 7. 11. Окно Scope с изображением синусоиды
Блок XY Graph
Этот блок также является обзорным окном. В отличие от Scope, он имеет два входа: на первый (верхний)
подается сигнал, значения которого откладываются по горизонтальной оси графика, а на второй (нижний) - по
вертикальной оси.
Если перетянуть этот блок на поле блок-схемы, а потом на изображении его щелкнуть дважды мышкой, то на
экране появится окно настраивания блока (рис. 7.12), которое позволяет установить
границы изменений обеих
входных величин, в которых будет построен график зависимости второй величины от первой, а также задать
дискрет по времени.
263
Рис. 7. 12. Окно настраивания блока XY Graph
Приведем пример использования блока
XY Graph. Для этого перетянем в окно блок-схемы изображение этого
блока из окна
Library: Simulink/Sinks
, а из окна
Library:Simulink/Sources
- два блока-источника
Clock и Sine
Wave
. Соединим выходы блоков-источников с входами блока XY Graph
. Получим блок-схему, приведенную на
рис. 7.13.
Рис. 7. 13. Блок-схема проверки работы блока XY Graph
Прежде чем запустить эту схему на моделирование, необходимо настроить блок
XY Graph
, вводя в его окне
настраивания (рис. 7. 12) ожидаемые диапазоны изменения величины x (в нашем случае – времени: x-min=0, x-
max=10) и y (синусоидального сигнала: ymin = -1, ymax = 1). Отметим, что в случае использования блока
Scope
ввода диапазонов изменения величин не требуется, - они устанавливаются автоматически.
Вызывая
Simulation
►
Start
, получим на экране обзорное окно
XY Graph
и в нем будет построено изображение,
представленное на рис. 7.14.
264
Рис. 7. 14. Обзорное окно блока XY Graph с графиком синусоиды
Блок Display
Этот блок предназначен для вывода на экран численных значений величин, которые фигурируют в блок-схеме.
Перетянем блок
Display в окно блок схемы и дважды щелкнем на нем. Появится окно настраивания блока
(рис. 7.15).
Рис. 7. 15. Окно настраивания блока Display
Как видим, блок имеет 4 параметра настраивания. Поле Format задает формат вывода чисел; вид формата
избирается с помощью списка, содержащего 5 пунктов: short, long, short_e, long_e, bank. Поле ввода Decimation
позволяет задать периодичность (через сколько шагов времени) вывода значений в окне
Display
.
Переключатель Floating display (если сбросить флажок) позволяет определять блок
Display
как блок без
входа, обрывая его связи. Четвертый параметр Sample Time используется только для дискретных во времени
процессов. Установленное по умолчанию его значение (на рис. 7.15 – (-1)) для непрерывных процессов и
блоков рекомендуется не изменять.
Блок
Display может использоваться для вывода как скалярных, так и векторных величин. Если отображаемая
величина является вектором, то исходное представление блока изменяется автоматически, о чем
свидетельствует появление маленького черного треугольника в правом нижнем углу блока. Для каждого
элемента вектора создается свое мини-окно, но чтобы они стали видимыми, необходимо растянуть
изображение блока. Для
этого следует выделить блок, подвести курсор мышки к одному из его углов, нажать
левую клавишу мыши и, не отпуская ее, растянуть изображение блока, пока не исчезнет черный треугольник.
Для примера создадим блок-схему (рис. 7.16) из двух элементов – блока-источника
Constant и блока-
приемника
Display. Вызвав окно настраивания блока Constant (рис. 7.17), установим в нем значения
265
константы-вектора, который состоит из четырех элементов [1e-17 pi 1757 -0.087]. Вызывая окно настраивания
блока
Display, установим с его помощью формат вывода чисел short_e. После активизации команды Start
меню
Simulation
, получим изображение окна блок-схемы, показанное на рис. 7.16.
Рис. 7. 16. Блок-схемо проверки функционирования блока Display
Рис. 7. 17. Окно настраивания блока Constant
Растягивая изображение блока
Display на блок-схеме, получим картину, представленную на рис. 7.18.
266
Рис. 7. 18. Полное изображение содержимого обзорного блока Display
Блок To File
Этот блок обеспечивает запись значений величины, поданной на его вход, в МАТ-файл данных для
использования их в последующем в других S-моделях.
Блок имеет такие параметры настраивания (см. рис. 7.19):
Filename
имя МАТ-файла, в который будут записываться значения входной
величины; по умолчанию untitled. mat; имя файла выводится на
изображении блока в блок-
схеме;
Variable name
имя переменной, по которому можно будет обращаться к данным,
записанным в файле (для того, чтобы просмотреть или изменить их
в командном окне MatLAB); по умолчанию используется
системное имя ans;
Decimation
дискретность (через сколько шагов времени)
записи данных в
файл;
Sample Time размер дискрета времени для данного блока.
Рис. 7. 19. Окно настраивания блока To File
Следует отметить, что значения данных, которые подаются в вход блока записываются в выходную
переменную (например, ans) так: первую строку матрицы образуют значения соответствующих моментов
времени; вторая строка содержит соответствующие значения первого элемента входного вектора, третья строка
- значения второго элемента и т.д. В результате записывается
матрица размером (k+1)*N, где k - количество
элементов входного вектора, а N - количество точек измерения (или количество моментов времени, в которые
осуществлены измерение).
Блок To Workspace
Этот блок предназначен для сохранения данных в рабочем пространстве системы MatLAB. Данные
сохраняются в виде матрицы размером (N*k), структура которой отличается от структуры данных в МАТ-
файле тем, что:
- значения величин, которые
сохраняются, расположены по столбцам, а не по строкам;
- не записываются значения модельного времени.
Блок имеет 4 параметра настраивания (см. рис. 7.20):
Variable name имя, под которым данные сохраняются в рабочем пространстве
(по умолчанию - simout);
Maximum number
of rows
максимально допустимое количество строк, т. е. значений
данных, которые записываются; по умолчанию оно задается
константой inf, т. е
. данные регистрируются на всем интервале
моделирования;
Decimation и имеют то же смысл, что и ранее;
267
Sample Time
Поле
Save format (Формат записи) позволяет выбрать один из трех вариантов записи данных: Array (Массив,
матрица), Structure (Структура) и Structure with time (Структура со временем).
Рис. 7. 20. Окно настраивания блока To Workspace
7.1.4. Раздел Sources (Источники)
После выбора раздела Sources библиотеки SIMULINK на экране появится окно, показанное на рис. 7.21.
Рис. 7. 21. Содержимое раздела Sources библиотеки SIMULINK
Как видим, в этом разделе библиотеки блоки разделены на две группы:
- Входы моделей и подсистем;
268
- Генераторы сигналов.
В первую группу входят блоки, обеспечивающие поступление сигналов в S-модель или подсистему Simulink
извне – из других S-моделей, рабочего пространства или МАТ-файлов:
In
– входной порт S-модели или подсистемы; он обеспечивает поступление в подсистему
сигналов из системы более высокого порядка, формируя вход этой подсистемы; в S-модели
верхнего уровня обеспечивает поступление в нее процесса из рабочего пространства;
Ground
- (Заземление) создает нулевой по уровню сигнал;
From File
- предназначен для введения в S модель данных, которые сохраняются на диске в МАТ-
файле;
From
Workspace
- обеспечивает введение в модель данных непосредственно из рабочего пространства
MatLAB.
Напомним, что структура данных в МАТ-файле является многомерным массивом с переменным количеством
строк, которое определяется количеством регистрируемых переменных. Элементы первой строки содержат
последовательные значения модельного времени, элементы в других строках - значения переменных,
соответствующие отдельным моментам времени.
Вторую группу образуют
блоки, формирующие выходную величину как заданную функцию времени. Их
можно рассматривать как своеобразные генераторы сигналов заданного вида. Сюда включены блоки:
Соnstant
формирует постоянную величину (скаляр, вектор или матрицу);
Signal
Generator
создает (генерирует) непрерывный колебательный сигнал одной из волновых форм
на выбор синусоидальный, прямоугольный, треугольный или случайный;
Pulse Generator
генератор непрерывных прямоугольных импульсов;
Signal Builder
создает (генерирует) один или несколько процессов, аппроксимируемых отрезками
прямых (до пяти отрезков в каждом);
Ramp
создает линейно восходящий (или нисходящий) сигнал;
Sine Wave
генерирует гармонический сигнал;
Step
генерирует сигнал в виде одиночной ступеньки (ступенчатый сигнал) с заданными
параметрами (начала ступеньки и ее высоты);
Repeating
Sequence
генерирует периодическую последовательность;
Chirp Signal
генератор гармонических колебаний с частотой, которая линейно изменяется с
течением времени;
Random Number
источник дискретного сигнала, значения которого являются случайной величиной,
распределенной по нормальному (гауссовому) закону;
Uniform Random
Number
источник дискретного сигнала, значения которого являются случайной равномерно
распределенной величиной;
Limited White
Noise
генератор белого шума с ограниченной полосой частот.
Clock
(Часы) источник непрерывного сигнала, пропорционального модельному времени;
Digital clock
(Цифровые часы) формирует дискретный сигнал, пропорциональный времени.
Как и другие блоки библиотеки SIMULINK, блоки-источники могут настраиваться пользователем, за
исключением блока
Clock
, работа которого основана на использовании аппаратного таймера компьютера.
Блок Constant
Блок предназначен для генерирования процессов, который являются неизменными во времени, т. е. имеют
постоянное значение. Он имеет один параметр настраивания (см. рис. 7.17) - Constant value, который может
быть введен и как вектор-строка из нескольких элементов по общим правилам MatLAB. Пример его
использования приведен
ранее при рассмотрении блока
Display.
Блок Signal Generator
Окно настраивания этого блока выглядит так, как показано на рис. 7.22.
269
Рис. 7. 22. Окно настраивания блока Signal Generator
Как видно, в параметры настраивания входят:
Wave form
форма волны позволяет выбрать одну из таких форм периодического
процесса:
Sine - синусоидальные волны;
Square - прямоугольные волны;
Sawtooth - треугольные волны;
Random - случайные колебания;
Amplitude определяет значения амплитуды колебаний, которые генерируются;
Frequency задает частоту колебаний;
Units позволяет выбрать одну
из единиц измерения частоты с помощью
списка:
Hertz (в Герцах)
Rad/Sec (в радианах в секунду).
На рис. 7.23 показана простейшая блок-схема S-модели, которая состоит из блока
Signal Generator и блока
отображения
XY Graph. Окно блока XY Graph после проведения моделирования при следующих параметрах
настраивания: вид колебаний - Sine; амплитуда - 1; частота - 1 Герц (см. рис. 7. 22), - отображено на рис. 7. 24.
На рис. 7. 25.. 7. 27 представлены результаты, отображаемые в окне
XY Graph в случае выбора соответственно
прямоугольных, треугольных и случайных колебаний при тех же значениях остальных параметров
настраивания.
Рис. 7. 23. Блок-схема проверки функционирования блока Signal Generator
270
Рис. 7. 24. Результат генерирования синусоидального сигнала
Рис. 7. 25. Результат генерирования прямоугольных волн
Рис. 7. 26. Результат генерирования треугольных волн