simulink 学习笔记（一）
simulink 入门
打开方式
新建模型

simulink 入门
最近想在simulink上面搭建一个机器人，学一下仿真技术，正好今年的自动控制原理和电机拖动系统要去做实验，入门一下=V=。
打开方式
在matlab下面输入simulink，就可以直接打开simulink


也可以打开上面的快捷按键打开simulink

新建模型
点击上面的小加号，建立一个新的模型窗口


打开后的界面如下，然后直接添加模型就好了

这里链接一个二阶系统

输入是一个阶跃信号，看一下阶跃响应


看一下示波器的波形，不难看出阻尼大于1


里面的模块都是一些基础模块，直接拖进来就行
对于多输入多输出系统，传递函数的方式表示状态方程就显得力不从心，这里就会涉及状态空间的概念，使用状态空间模块解决问题

其中，可以用linmod函数提取状态矩阵（连续系统）

Simulink
一、什么是Simulink
SimulinkK是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。

所谓模型化图形输入是指Simulink提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以.mdl文件进行存取），进而进行仿真与分析。
二、Simulink的模块库介绍
Simulink模块库按功能进行分类

包括以下8类子库：

Continuous（连续模块）

Discrete（离散模块）

Function&Tables（函数和平台模块）

Math（数学模块）

Nonlinear（非线性模块）

Signals&Systems（信号和系统模块）

Sinks（接收器模块）

Sources（输入源模块）
三、Simulink简单模型的建立及模型特点
1、简单模型的建立

（1）建立模型窗口

（2）将功能模块由模块库窗口复制到模型窗口

（3）对模块进行连接，从而构成需要的系统模型
2、模型的特点

（1）在Simulink里提供了许多如Scope的接收器模块，这使得用Simulink进行仿真具有像做实验一般的图形化显示效果。

（2）Simulink的模型具有层次性，通过底层子系统可以构建上层母系统。

（3）Simulink提供了对子系统进行封装的功能，用户可以自定义子系统的图标和设置参数对话框。
3、Simulink功能模块的处理

模块库中的模块可以直接用鼠标进行拖曳（选中模块，按住鼠标左键不放）而放到模型窗口中进行处理。

在模型窗口中，选中模块，则其4个角会出现黑色标记。此时可以对模块进行以下的基本操作。

（1）移动：选中模块，按住鼠标左键将其拖曳到所需的位置即可。若要脱离线而移动，可按住shift键，再进行拖曳。

（2）复制：选中模块，然后按住鼠标右键进行拖曳即可复制同样的一个功能模块。

（3）删除：选中模块，按Delete键即可。若要删除多个模块，可以同时按住Shift键，再用鼠标选中多个模块，按Delete键即可。也可以用鼠标选取某区域，再按Delete键就可以把该区域中的所有模块和线等全部删除。

（4）转向：为了能够顺序连接功能模块的输入和输出端，功能模块有时需要转向。在菜单Format中选择Flip Block旋转180度，选择Rotate Block顺时针旋转90度。或者直接按Ctrl+F键执行Flip Block，按Ctrl+R键执行Rotate Block。

（5）改变大小：选中模块，对模块出现的4个黑色标记进行拖曳即可。

（6）模块命名：先用鼠标在需要更改的名称上单击一下，然后直接更改即可。名称在功能模块上的位置也可以变换180度，可以用Format菜单中的Flip Name来实现，也可以直接通过鼠标进行拖曳。Hide Name可以隐藏模块名称。

（7）颜色设定： Format菜单中的Foreground Color可以改变模块的前景颜色，Background Color可以改变模块的背景颜色；而模型窗口的颜色可以通过Screen Color来改变。

（8）参数设定：用鼠标双击模块，就可以进入模块的参数设定窗口，从而对模块进行参数设定。参数设定窗口包含了该模块的基本功能帮助，为获得更详尽的帮助，可以点击其上的help按钮。通过对模块的参数设定，就可以获得需要的功能模块。

（9）属性设定：选中模块，打开Edit菜单的Block Properties可以对模块进行属性设定。包括Description属性、 Priority优先级属性、Tag属性、Open function属性、Attributes format string属性。其中Open function属性是一个很有用的属性，通过它指定一个函数名，则当该模块被双击之后，Simulink就会调用该函数执行，这种函数在MATLAB中称为回调函数。

（10）模块的输入输出信号：模块处理的信号包括标量信号和向量信号；标量信号是一种单一信号，而向量信号为一种复合信号，是多个信号的集合，它对应着系统中几条连线的合成。缺省情况下，大多数模块的输出都为标量信号，对于输入信号，模块都具有一种“智能”的识别功能，能自动进行匹配。某些模块通过对参数的设定，可以使模块输出向量信号。
4、启动仿真

（1）选择Simulink菜单下的start选项来启动仿真，如果模型中有些参数没有定义，则会出现错误信息提示框。如果一切设置无误，则开始仿真运行，结束时系统会发出一鸣叫声。

（2）除了直接在Simulink环境下启动仿真外，还可以在MATLAB命令窗口中通过函数进行，格式如下：

[t,x,y]=sim(‘模型文件名’,[to tf],simset(‘参数1’,参数值1,‘参数2’,参数值2, …))；其中to为仿真起始时间，tf为仿真终止时间。[t,x,y]为返回值，t为返回的时间向量值，x为返回的状态值，y为返回的输出向量值。simset定义了仿真参数，包括以下一些主要参数：
AbsTol：默认值为1e-6设定绝对误差范围。
Decimation：默认值为1，决定隔多少个点返回状态和输出值。
MaxRows：默认值为0，表示不限制。若为大于零的值，则表示限制输   出和状态的规模，使其最大行数等于该数值。
InitialState：一个向量值，用于设定初始状态。
FixedStep：用一个正数表示步阶的大小，仅用于固定步长模式。
MaxStep：默认值为auto。用于变步长模式，表示最大的步阶大小。
如果知道模型文件名称，可以用以下命令得到该模型的仿真参数：
simget(‘模型文件名’）

simulink模型搭建的时候，中断不能搭建在if等判断条件下，时刻注意虚拟子系统和非虚拟子系统。

注：

1：此为永磁同步控制系列文章之一，应大家的要求，关于永磁同步矢量控制的系列文章已经在主页置顶，大家可以直接去主页里面查阅，希望能给大家带来帮助，谢谢。

2：矢量控制的六篇文章后。弱磁、MTPA、位置控制系列讲解已经补充，也放在主页了，请大家查阅。

3: 恰饭一下，也做了一套较为详细教程放在置顶了，内含基本双闭环、MTPA、弱磁、三闭环、模糊PI等基本控制优化策略，也将滑模，MRAS等无速度控制课题整理完成，请大家查看_
1 电机模型的选择及参数设置



电机总体控制框图如下，我们按照这个框图来一步一步的搭建。

1.1 型号设置

永磁同步电机的英文缩写为PMSM，全称 Permanent Magnet Synchronous Machine。在 library 内搜索 Permanent 即可找到它。



number of phase              电机相数
Back EMF waveform       反电动势波形
sinusoidal                        正弦波
Rotor type                       转子类型
salient-pole                     凸极

1.2 参数设置

在此仿真中没用系统自带的典型电压模型，为了便于以后实验，用的是实验室已有电机的参数。

1.3 高级设置


注意这里的 Roto flux position when theta = 0 一定要选择

Aligned with phase A axis  跟随A相，因为当theta=0 时磁通不跟随A相，会出现非常严重的相位错位，导致PI调节器失效。

最全的模型设置请参考，英文的但是介绍的很详细：

http://ww2.mathworks.cn/help/physmod/sps/powersys/ref/permanentmagnetsynchronousmachine.html#brlinhw-3
2 变换环节的设置
2.1 3/2 变换 和 2/2变换 functions的设置


function 内数学变换程序：
function [ia,ib] = fcn(Ia,Ib)
ia=sqrt(2/3)*sqrt(3/2)*Ia;               % 3/2变换  N3/N2 = 2/3   且  ia + ib + ic = 0 
ib=sqrt(2/3)*(1/sqrt(2)*Ia+sqrt(2)*Ib);
end

function [id,iq] = fcn(ia,ib,theta)
%#codegen

 id=ia*cos(theta)+ib*sin(theta);          % 2/2变换
 iq=-ia*sin(theta)+ib*cos(theta);
end

2.2 两相旋转变两相静止部分function设置
function Uref  = fcn(uq,ud,iq,id,theta)
  ua_out=ud*cos(theta)-uq*sin(theta);
  ub_out=ud*sin(theta)+uq*cos(theta);
  Uref=[ua_out;ub_out];
  
end

以上三个变换的程序编写均以永磁同步电机矢量控制（二）——坐标变换中所写公式编写。
3 PI模块的搭建

PI模块的搭建主要来源于其传递函数：





PI调节器的限幅值设置，请大家参考这篇文章。https://blog.csdn.net/sy243772901/article/details/105287993

3.1 具体PI 参数的计算
由电机参数

Rs = 0.415

Lq = 0.0054

Ld = 0.0045

J   = 1

B  =  0.0025

flux = 0.8767

P= 4

由 PI 参数整定文章内公式计算出得



如图所示将PI参数输入到PI调节器中，上图是我自己做的一个VB小程序，把计算公式写在里面了，算是偷个懒。

12月22日补充：这张图计算出来的转速环参数经常需要手调，需要具体计算的请大家参考以下重新整理的转速环PI参数设计过程：https://blog.csdn.net/sy243772901/article/details/110246280
4 实验结果

4.1 空载输出特性
转速波形


稳定性：系统无明显的超调，在到达给定转速后很快稳定下来。稳定性优良。

准确性：准确跟随速度给定。准确性优良。

快速性：由于电机较大，转动惯量达到了J=1，所以0.65s左右转速升到800r/min,可见系统的快速性还是相当不错的。
定子三相电流波形


三相定子电流呈现较好的正弦特性，在到达给定转速后，迅速降低，到0-0.2附近波动。
电机转矩波形


电机转矩波形稳定在额定转矩附近，在到达给定转速后迅速降低，进行维持稳定转速的微调。
4.2 带载输出特性

4.2.1 带20N负载输出特性
转速波形


基本无明显速度降落。放大后速降在0.5很快就恢复到给定值。
三相定子电流波形


三相定子电流正弦特性完好，且在给定负载后反映迅速。
转矩波形


转矩波形稳定，在到达给定后迅速降低，突加负载后迅速上升，性能优良。
4.2.2 带100N负载输出特性
转速波形


在突加负载100N后，速度有一个较小的降落后迅速的返回给定值，性能优良。
三相定子电流波形


定子三相电流与20N负载一个明显的区别，在突加负载后，定子电流先增大到额定电流大小，按照最大电流升速，再减小至100N转矩所需要的电流大小，稳定转速，证明PI调节器参数设定合理，既有良好的抗扰性能。
转矩波形


同上，100N转矩波形与20N转矩波形的区别也在于，在突加负载后，转矩先增大到最大转矩，以最大的转矩升速，再减小至维持给定转速的转矩大小。
小结：按照解小刚老师论文的阐述，以及陈伯时书籍上异步电动机矢量控制的对照，对永磁同步电机，坐标变换解耦以及PI参数设定，形成了整个仿真基础。实验效果较为良好，学到了很多永磁同步电机的知识。
个人感想：在仿真时候，内心是跟随那转速波形一点一点波动的。看到转速一点点到达给定，看到转速在突加负载时迅速返回给定，心中更是激动不已。其中当然有很多失败的过程，比如电机模型内跟随A相相位设置不当，导致一下午换了多种电机模型换了多个PI参数，波形仍然不堪入目的时候，内心也是比较失落的。不过似乎我比较热爱我的专业，就算这样仍然一直坐在实验室，继续更换电机继续更换参数，虽然很枯燥却乐在其中。还有一点就是看论文确实很重要，作者的思想和提供的参考论文，都是我们专业最精华的知识，我们的大部分问题都可以通过查论文来解决。通过看这些论文，我从侧面体会到未来研究生的生活，就好想一个检索机和一个记录仪，一遍遍的在各大学者书籍中寻找自己需要的知识，然后记录下来。这个检索的过程是相当兀杂的，想要记录下来也需要耐心。但转念一想，想到自己能在如果盛大的知识的海洋里遨游，寻找宝藏，这又是多么何乐而不为的美好。路漫漫其修远兮，吾将上下而求索，以此与各位互勉。

整理不易，希望大家帮忙点个赞呀，谢谢啦~_
系列文章链接：
永磁同步电机矢量控制到无速度传感器控制学习教程（PMSM）

永磁同步电机矢量控制（一）——数学模型

永磁同步电机矢量控制（二）——控制原理与坐标变换推导

永磁同步电机矢量控制（三）——电流环转速环 PI 参数整定

永磁同步电机矢量控制（五）——波形记录及其分析

永磁同步电机矢量控制（六）——MTPA最大转矩电流比控制

永磁同步电机矢量控制（七）——基于id=0的矢量控制的动态解耦策略

永磁同步电机矢量控制（八）——弱磁控制(超前角弱磁)

永磁同步电机矢量控制（九）——三闭环位置控制系统

永磁同步电机矢量控制（十）——PMSM最优效率（最小损耗）控制策略