《通信原理实验》课程电子教案（PPT讲稿）FPGA通信系统设计——第一讲 simulink教程（Simulink建模和仿真）

第七章Simulinki建模和仿真 貧喜技术飞速发展的含玉，务多纱穷 工程设计由 县公维越来葜高，此写计算机的接 膏机最关的个尺女零雯许茤 日趋紧密。 学科的结构、研 汇蒲☑兰1素嘉牛失xw 奚密，市随着专业 和等论域 仿的紧 氯喷 ,这秤联系皇玩 。士算控制论的建立足以说明这个问题。这种 展 为了满足用户对工程计算的要求， 些软件公司相继推出 批数学类科技应用软件，如Matlab、Xmath、 Mathematica、Maple等。其中MathWorks:公司推出的 Matlab由于有强大的功能和友好的用户界面受到越来越多 的科技工作者的青睐，尤其是控制领域的专家和学者

第七章 Simulink建模和仿真 ◼ 在计算机技术飞速发展的今天，许多科学研究、工程设计由 于其复杂性越来越高，因此与计算机的接合日趋紧密。也正 是计算机技术的介入，改变了许多学科的结构、研究内容和 研究方向。例如，计算流体力学、计算物理学、计算声学等 新兴学科的兴起，均与计算机技术的发展分不开。控制理论、 仿真技术本身与计算机的接合就十分紧密，而随着专业领域 的研究深入和计算机软硬件技术的发展，这种联系呈现更加 紧密。计算控制论的建立，足以说明这个问题。而这种发展， 又以系统仿真技术的发展分不开的。 ◼ 为了满足用户对工程计算的要求，一些软件公司相继推出一 批数学类科技应用软件，如Matlab、Xmath、 Mathematica、Maple等。其中MathWorks公司推出的 Matlab由于有强大的功能和友好的用户界面受到越来越多 的科技工作者的青睐，尤其是控制领域的专家和学者

第七章Simulink建模和仿真 Matlab.具有友好的工作平台和编程环境、简单易学的编程语言 强大的科学计算和数据敔处理能力、，出色的图形和图像处理功能 能适应多领域应用的工具精、适应多秤语的程序接口、模块化 的设计和系统级的仿真功能等，诸多的优点和特点。 支持Matlab仿真是Simulink工具箱，Simulink一般可以附在 Matlab上同时安装，也有独立版本来单独使用。，但大多数用户 都是附在Matlab上，以便能更好地发挥Matlab在科学计算上的 优势，进一步扩展$imulink的使用领域和功能。 本章详细地向用户介绍Simulink地建摸方法、使用操作、以及 电Simulink进行系统级的仿真和设迁原理。使读者通过未章 地学习，不但可以进—步掌握讦算机仿真的基本溉念和理论，也 可以初步学会使用Simulink去真正地运用仿真技术解决科研和工 程中地实际问题

第七章 Simulink建模和仿真 ◼ Matlab具有友好的工作平台和编程环境、简单易学的编程语言、 强大的科学计算和数据处理能力、出色的图形和图像处理功能、 能适应多领域应用的工具葙、适应多种语言的程序接口、模块化 的设计和系统级的仿真功能等，诸多的优点和特点。 ◼ 支持Matlab仿真是Simulink工具箱，Simulink一般可以附在 Matlab上同时安装，也有独立版本来单独使用。但大多数用户 都是附在Matlab上，以便能更好地发挥Matlab在科学计算上的 优势，进一步扩展Simulink的使用领域和功能。 ◼ 本章详细地向用户介绍Simulink地建模方法、使用操作、以及 使用Simulink进行系统级的仿真和设计原理。使读者通过本章 地学习，不但可以进一步掌握计算机仿真的基本概念和理论，也 可以初步学会使用Simulink去真正地运用仿真技术解决科研和工 程中地实际问题

第七章Simulink建模和仿真 7.1 Simulink的概述和基本操作 近几年来， 在学术界和工业领域， Simulink已经成为动态系 统建模和仿真领域中应用最为广泛的软件之一。Simulink可 方宾盛 式耒建模，从而可以使得用户能够快速、准确地健窈悉系 统的讦算机仿真模型，特别是对复杂的不确定非线性系统 更为方便。 Simulink模型可以用来模拟线性和非线性、连续和离散或者 两者的混合系统，也就是说它可以用来模拟以从儿乎所有可能遇 到动态系统。另外Simulinki还提供一套图形动画的处理方法 使用户可以方便的观察到仿真的整个过程。 Simulink没有单独的语言，但是它提供了S函数规则。所谓 的S函数可以是一个M函数文件、FORTRAN程序、C或C++ 语言程序等，通过特殊的语法规测使之能够被Simulink模型 或模块调用。S函数使Simulink更加充实、完备，具有更强 的处理能力

第七章 Simulink建模和仿真 7.1 Simulink的概述和基本操作 ◼ 近几年来，在学术界和工业领域，Simulink已经成为动态系 统建模和仿真领域中应用最为广泛的软件之一。Simulink可 以很方便地创建和维护一个完整地模块，评估不同地算法和 结构，并验证系统的性能。由于Simulink是采用模块组合方 式来建模，从而可以使得用户能够快速、准确地创建动态系 统的计算机仿真模型，特别是对复杂的不确定非线性系统， 更为方便。 ◼ Simulink模型可以用来模拟线性和非线性、连续和离散或者 两者的混合系统，也就是说它可以用来模拟几乎所有可能遇 到动态系统。另外Simulink还提供一套图形动画的处理方法， 使用户可以方便的观察到仿真的整个过程。 ◼ Simulink没有单独的语言，但是它提供了S函数规则。所谓 的S函数可以是一个M函数文件、FORTRAN程序、C或C++ 语言程序等,通过特殊的语法规则使之能够被Simulink模型 或模块调用。S函数使Simulink更加充实、完备，具有更强 的处理能力

第七章Simulink建模和仿真 7.1 Simulink的概述和基本操作 同Matlab-一样，Simulink也不是封闭的，他允许用户可 以很方便的定制自己的模块和模块库。同时Simulink也 同样有比较完整的帮助系统，使用户可以随时找到对应 模块的说明，便于应用。 综上所述，Simulink就是一种开放性的，用来模拟线 性或非线性的以及连续或离散的或者两者混合的动态系 统的强有力的系统级仿真工具。 目前，随着软件的升级换代，在软硬件的接口方面有了 长足的进步，使用Simulink可以很方便地进行实时的信 号控制和处理、信息通信以及DSP的处理。世界上许多 知名的大公司已经使用Simulink作为他们产品设计和开 发的强有力工具

第七章 Simulink建模和仿真 7.1 Simulink的概述和基本操作 ◼ 同Matlab一样，Simulink也不是封闭的,他允许用户可 以很方便的定制自己的模块和模块库。同时Simulink也 同样有比较完整的帮助系统，使用户可以随时找到对应 模块的说明，便于应用。 ◼ 综上所述，Simulink就是一种开放性的，用来模拟线 性或非线性的以及连续或离散的或者两者混合的动态系 统的强有力的系统级仿真工具。 ◼ 目前，随着软件的升级换代，在软硬件的接口方面有了 长足的进步，使用Simulink可以很方便地进行实时的信 号控制和处理、信息通信以及DSP的处理。世界上许多 知名的大公司已经使用Simulink作为他们产品设计和开 发的强有力工具

第七章Simulink建模和仿直7.1 Simulink的概述和基本操作 7.1.2基本操作 一、 模型基本结构 个典型的Simulink模型包括如下三种类型的元素 ①信号源模块 ② 被模拟的系统模块 ③ 输出显示模块 如图7.1.1所示说明了这三种元素之间的典型关系。系统 模块作为中心模块是Simulink仿真建模所要解决的主要部分； 信号源为系统的输入，它包括常数信号源函数信号发生器 (如正弦和阶跃函数波等)和用户自己在Matlab中创建的自 定义信号或Matlab工作间中三种。输出模块主要在Sinks库 中。 源模块 系统模块 显示模块 图7.1.1 Simulink模型元素关联图

第七章 Simulink建模和仿真 7.1 Simulink的概述和基本操作 图7.1.1 Simulink模型元素关联图 源模块 系统模块 显示模块 7.1.2 基本操作 一、模型基本结构 一个典型的Simulink模型包括如下三种类型的元素： ① 信号源模块 ② 被模拟的系统模块 ③ 输出显示模块 如图7.1.1所示说明了这三种元素之间的典型关系。系统 模块作为中心模块是Simulink仿真建模所要解决的主要部分； 信号源为系统的输入，它包括常数信号源函数信号发生器 （如正弦和阶跃函数波等）和用户自己在Matlab中创建的自 定义信号或Matlab工作间中三种。输出模块主要在Sinks库 中

第七章Simulink建模和仿真 7.1 Simulink的概述和基本操作 Simulink模型并不一定要包含全部的三种元素，在实际应用 中通常可以缺少其中的二个或两个。例如，若要模拟一 个 统离平衡位置后的恢复行为，就可以建立二个这没有输 人二 个 个函薮复合的特殊信等，则可以使师源模块生成詹号并 巴 送入Matlab工作间成文件中 二、仿真运行原理 Simulink仿真包括两个阶段；初始化阶段和模型执行阶段 (1)模块初始化 在初始化阶段主要完成以下工作： ①模型参数传给Matlab:进行估值，得到的数值结果将作为模 型的实际参数： 2 展开模型的各个层次，每一个非条件执行的子系统被它所包 含的模块所代替

第七章Simulink建模和仿真 7.1 Simulink的概述和基本操作 ◼ Simulink模型并不一定要包含全部的三种元素，在实际应用 中通常可以缺少其中的一个或两个。例如，若要模拟一个系 统偏离平衡位置后的恢复行为，就可以建立一个没有输入而 只有系统模块加一个显示模块的模型。在某种情况下，也可 以建立一个只有源模块和显示模块的系统。若需要一个由几 个函数复合的特殊信号，则可以使用源模块生成信号并将其 送入Matlab工作间或文件中。 二、仿真运行原理 Simulink仿真包括两个阶段；初始化阶段和模型执行阶段 (1) 模块初始化 在初始化阶段主要完成以下工作： ① 模型参数传给Matlab进行估值，得到的数值结果将作为模 型的实际参数； ② 展开模型的各个层次，每一个非条件执行的子系统被它所包 含的模块所代替；

第七章Simulink建模和仿真 7.1 Simulink的概述和基本操作 模型中的模块按更新的次序进行排序。排序算法产生一个列表 以确保具有代数环的模块在产生之的躯动输入的模块被更新后才 更新。 $然，这一步要先检测出模型中存在的代数环。 决定模型中有无显示设定的信号属性，例如乌称、，数据类型 值类型以及大小等，并耳检查每个模块是杏能够接受连接到它 只瑞雨信穹。Simulink使用属性传递的过程联确定耒被设定的 输 雪住，这个过程将源信号的属性传递到它所驱动的模块的 决定所有无显示设定采样时间的模块的采样时间 ⑥ 分配和初始化用于存储每个模块的状态和输入当前值的存储空 完成这些工作后就可以进行仿真了。 2)模型执行 隆学分 般模型是使用数值积分来进行仿真的。， 可以分两步进行：

第七章Simulink建模和仿真 7.1 Simulink的概述和基本操作 ③ 模型中的模块按更新的次序进行排序。排序算法产生一个列表 以确保具有代数环的模块在产生它的驱动输入的模块被更新后才 更新。当然，这一步要先检测出模型中存在的代数环。 ④ 决定模型中有无显示设定的信号属性，例如名称、数据类型、 数值类型以及大小等，并且检查每个模块是否能够接受连接到它 输入端的信号。Simulink使用属性传递的过程来确定未被设定的 属性，这个过程将源信号的属性传递到它所驱动的模块的输入信 号； ⑤ 决定所有无显示设定采样时间的模块的采样时间； ⑥ 分配和初始化用于存储每个模块的状态和输入当前值的存储空 间。 完成这些工作后就可以进行仿真了。 2) 模型执行 一般模型是使用数值积分来进行仿真的。所运用的仿真解法器 （仿真算法）依赖于模型提供它的连续状态微分能力。计算微分 可以分两步进行：

第七章Simulink建模和仿真 7.1 Simulink的概述和基本操作 首先，按照排序所决定的次序计算每个模块的输出。 ②然后，根据当前时刻的输入和状态来决定状态的微分 得到微分可童后用把它返回给解送鉴上后者来江算下 个采样点的厌态向鼻。一二旦新的厌态向量讦算完毕，被采 样的数据源模块和接受模奂牙被更新。 在仿真开始时模型设定待仿真系统的视始状态和输出：，在 二个时间：单，Simulink计算系统的输入、 状态和输出 羚入、代态和 更新模型来反唤计算出的值。在仿真结束时，模型得由 在每个时间步中，Simulink所采取的动作依次为 ①按排列好的次序更新模型中模块的输出。Simulink通过 清中关麦美餐铃。 对于离散系统，Simulink只有在当前时间是模块采样时间 的整数倍时，才会更新模块的输出

第七章Simulink建模和仿真 7.1 Simulink的概述和基本操作 ① 首先，按照排序所决定的次序计算每个模块的输出。 ◼ ② 然后，根据当前时刻的输入和状态来决定状态的微分； 得到微分向量后再把它返回给解法器；后者用来计算下一 个采样点的状态向量。一旦新的状态向量计算完毕，被采 样的数据源模块和接受模块才被更新。 ◼ 在仿真开始时模型设定待仿真系统的初始状态和输出。在 每一个时间步中，Simulink计算系统的输入、状态和输出， 并更新模型来反映计算出的值。在仿真结束时，模型得出 系统的输入、状态和输出。 ◼ 在每个时间步中，Simulink所采取的动作依次为： ◼ ① 按排列好的次序更新模型中模块的输出。Simulink通过 调用模块的输出函数计算模块的输出。Simulink只把当前 值、模块的输入以及状态量传给这些函数计算模块的输出。 对于离散系统，Simulink只有在当前时间是模块采样时间 的整数倍时，才会更新模块的输出

第七章Simulink建模和仿真 7.1 Simulink的概述和基本操作 按排列好的次序更新模型中模块的状态，Simulink计算 个模块的离散状态的方法时调用模块的离散状态更新函数。 而对于连续状态，则对连续状态的微分（在模块可调用的函 数里，有一个用于计算连续微分的函数)进行数值积分来获 得当前的连续状态。 ③检查模块连续状态的不连续点。Simulink使用过零检测 来检测连续状态的不连续点。 ④计算下一个仿真时间步的时间。这是通过调用模块获得 下一个采样时间函数来完成的。 (3)定摸块更新次序 在仿真中，Simulink更新状态和输出都要根据事先确定的模 块更新次序，而更新次序对方针结果的有效性来说非常关键。 特别当模块的输出是当前输入值的函数时，这个模块必须在 驱动它的模块被更新之后才能被更新，否则，模块的输出将 没有意义

第七章Simulink建模和仿真 7.1 Simulink的概述和基本操作 ◼ ② 按排列好的次序更新模型中模块的状态，Simulink计算 一个模块的离散状态的方法时调用模块的离散状态更新函数。 而对于连续状态，则对连续状态的微分（在模块可调用的函 数里，有一个用于计算连续微分的函数）进行数值积分来获 得当前的连续状态。 ◼ ③ 检查模块连续状态的不连续点。Simulink使用过零检测 来检测连续状态的不连续点。 ◼ ④ 计算下一个仿真时间步的时间。这是通过调用模块获得 下一个采样时间函数来完成的。 ◼ (3) 定模块更新次序 ◼ 在仿真中，Simulink更新状态和输出都要根据事先确定的模 块更新次序，而更新次序对方针结果的有效性来说非常关键。 特别当模块的输出是当前输入值的函数时，这个模块必须在 驱动它的模块被更新之后才能被更新，否则，模块的输出将 没有意义

第七章Simulinki建模和仿真 7.1 Simulink的概述和基本操作 注意：不要把模块保存到模块文件的次序与仿真过程模块被更新 的次序相混淆。Simulink在模块初始化时以将模块排好正确的次 为又建立有效的更新次序，sm叫lnk根据输入和输出鲍养系将模 分。县知 前输逆依赖王当前输入的模块称为直接入 块，所有其他的模块都标为罪虚拟摸县。真接人模的例字 有 Gain、Product和Sum模块i非直接馈入模块的例子有 Integrator模块（它的输出只依赖于它的状态），Constant模块（没 有输入)和Memory模块（它的输出只依赖于前一个模块的输入 基于上述分类，Simulink使用下面两个基本规则对模块进行排序 每个模块必须在它驱动的所有模块更新之前被更新。这条规 则确保了模块被更新时输入八有效。 ②若非直接馈入模块在直接馈入模块之前更新，则它们的更新 次序可以是准意的。这条规测允许$imulink在排序过程中忽略非 虚拟模块。 另外一个约束模块更新次序的因素是用户给模块设定优先级 Simulink在低优先级模块之前更新高优先级模块

第七章Simulink建模和仿真 7.1 Simulink的概述和基本操作 ◼ 注意：不要把模块保存到模块文件的次序与仿真过程模块被更新 的次序相混淆。Simulink在模块初始化时以将模块排好正确的次 序。 ◼ 为了建立有效的更新次序，Simulink根据输入和输出的关系将模 块分类。其中，当前输出依赖于当前输入的模块称为直接馈入模 块，所有其他的模块都称为非虚拟模块。直接馈入模块的例子有 Gain、Product和Sum模块；非直接馈入模块的例子有 Integrator模块(它的输出只依赖于它的状态)，Constant模块(没 有输入)和Memory模块(它的输出只依赖于前一个模块的输入)。 ◼ 基于上述分类，Simulink使用下面两个基本规则对模块进行排序： ◼ ① 每个模块必须在它驱动的所有模块更新之前被更新。这条规 则确保了模块被更新时输入有效。 ◼ ② 若非直接馈入模块在直接馈入模块之前更新，则它们的更新 次序可以是任意的。这条规则允许Simulink在排序过程中忽略非 虚拟模块。 ◼ 另外一个约束模块更新次序的因素是用户给模块设定优先级， Simulink在低优先级模块之前更新高优先级模块