Simulink是动态系统的图形建模和仿真环境。您可以创建模块图，用模块表示系统的各个组成部分。模块可以表示物理组件、小型系统或函数。输入/输出关系则完整描述了模块特征。请思考下面这些示例：

只有定义了输入和输出，模块的定义才算完成，并且此模型定义任务需与建模目的相关。

Simulink 提供了一些模块库，它们是按功能分组的模块集合。例如，要对以常量倍数放大输入的扩音器进行建模，可以使用 Math Operations 库中的 Gain 模块。 将进入扩音器的声波作为输入，出来的同一声波的更大版本作为输出。 > 符号表示模块的输入和输出，可以连接到其他模块。 **Simulink 的主要功能是对系统各个组件随时间流逝的行为变化进行仿真。**简单来讲就是：采用一个时钟，按时间确定各个模块的仿真顺序，并在仿真过程中依次将在上一个模块图中计算得出的输出传播到下一个模块，直至最后一个模块。以扩音器为例。在每个时间步，Simulink 都必须计算正弦波的值，将其传播给扩音器，然后计算输出值。 在每个时间步，每个模块都要根据输入计算输出。当在一个给定时间步计算完图中的所有信号后，Simulink 将基于模型配置和数值求解器算法确定下一个时间步，并向前移动仿真时钟。接下来，每个模块将为这个新的时间步计算输出。 在仿真中，时间的移动与真实时钟不同。完成每个时间步的计算需要多长时间，该时间步就会花费多长时间，而不管它代表几分之一秒还是几年。

通常，组件的输入对其输出的影响不是瞬时的。例如，打开加热器不会导致温度立即发生变化。该动作为微分方程提供输入。历史温度（一个状态）也是一个输入因子。当仿真需要求解微分方程或差分方程时，Simulink 使用内存和数值求解器来计算时间步的状态值。

Simulink 处理三类数据：

该示例对简化的汽车运动进行仿真。当踩下油门踏板时，汽车通常处于行进状态。松开踏板后，汽车怠速并停下来。

Simulink 模块是定义模块输入和模块输出之间数学关系的模型元素。要创建这个简单模型，您需要四个 Simulink 模块。

此模型的仿真过程是将一个简短的脉冲信号积分两次，形成一个斜坡。结果显示在一个示波器窗口中。输入脉冲表示是否踩下油门踏板 - 1 表示踩下，0 表示未踩下。输出斜坡表示与起点之间的距离增加。

使用 Simulink Editor 构建模型

Simulink 在库浏览器中提供了一系列按功能分类的模块库。下面是大多数工作流常用的一些模块库：

从 “Sources” 库中，将 Pulse Generator 模块拖到 Simulink Editor 中。您的模型中将出现 Pulse Generator 模块的副本，还有一个文本框用于输入 Amplitude 参数的值。输入 1。 使用相同的方法将以下模块添加到模型中。

通过点击并拖动每个模块来排列模块。要调整模块大小，请拖动一个角。

通过在输出端口和输入端口之间创建线条来连接模块。

要查看仿真结果，请将第一个输出连接到一个 Signal Viewer。 点击信号。在 Simulation 选项卡中的 Prepare 下，点击 Add Viewer。选择 Scope。信号上会出现查看器图标，并打开一个示波器窗口。

定义配置参数后，即可进行模型仿真。

在 Simulation 选项卡中，通过更改工具栏中的值来设置仿真停止时间。 默认停止时间 10.0 适合此模型。此时间值没有单位。Simulink 中的时间单位取决于方程的构造方式。此示例对简化的汽车运动进行 10 秒的仿真 - 其他模型的时间单位可以是毫秒或年。

要运行仿真，请点击 Run 按钮 。仿真开始运行并在查看器中生成输出。

此示例使用现有模型 moving_car.slx，并基于此运动模型对接近传感器建模。在这种情况下，数字传感器用于测量汽车与 10 米（30 英尺）外的障碍物之间的距离。模型基于下列条件来输出传感器的测量值和汽车的位置值：

首先需要对在汽车位置到达 10 时的紧急刹车进行建模。Integrator, Second-Order 模块有用于此目的的参数。

添加一个用来测量与障碍物之间距离的传感器。

修改模型。根据需要展开模型窗口，以容纳新模块。

连接新模块。

将信号名称添加到模型中。

将 actual distance 信号与 measured distance 信号进行比较。

建模是为真实系统创建虚拟表示的一种方法。您可以在各种条件下仿真此虚拟表示，以观察其行为。

建模和仿真对于测试单独使用硬件原型时难以重现的情形非常有用。在尚无硬件可用的设计过程早期阶段尤其如此。交替进行建模和仿真可以减少设计过程后期发现的错误数量，从一开始就提高系统设计的质量。

可以从模型中自动生成代码，当包含软件和硬件实现要求时，还可以创建测试平台进行系统验证。代码生成可以节省时间，并避免引入手动编码错误。

在基于模型的设计中，系统模型是工作流的核心。利用基于模型的设计，可以快速且经济高效地开发动态系统，包括控制系统、信号处理系统和通信系统。 Simulink 中基于模型的设计工作流示例

确定建模目的、确定组件、建模系统布局

本教程中讨论的模型是一个平板机器人，它可以借助两个轮子进行移动或旋转，类似于家用扫地机器人。此模型假设机器人以下列两种方式之一进行移动：

这两种运动都从静止状态开始，也就是说，旋转速度和线性速度均为零。按照这些假设，您可以对线性运动组件和旋转运动组件分别建模。

在设计模型之前，请明确您的目的和需求。目的决定模型的结构和详细程度。

如果目的只是弄清楚机器人可以走多快，那么只对线性运动进行建模就足够了。如果目的是为设备设计一组输入，使它按照给定的路径移动，那就会涉及到旋转组件。如果目的是避障，那么系统就需要一个传感器。本教程的模型构建目的是设计一些传感器参数，使机器人能够在检测到路径中的障碍物时及时停止。要实现此目的，模型必须：

明确建模需求之后，即可开始确定系统的组件。确定顶层结构的各个组件及其关系有助于您以系统化方式构建比较复杂的模型。这些步骤是在您构建模型之前在 Simulink 外部进行的。

执行此任务需要回答以下问题：

思考以下问题通常也很有帮助：

本教程中的系统定义了一个机器人，它通过两个电动轮子在两个维度上移动。其中包括：

此系统的模型包括两个相同的轮子、施加在轮子上的输入作用力、旋转动态特性、坐标变换和一个传感器。此模型使用 Subsystem 表示每个组件：

确定子系统之间的输入和输出连接。输入和输出值在仿真过程中动态变化。模块之间的连接线代表数据传输。下表显示每个组件的输入和输出。

一些模块输入与模块输出并不完全匹配。因此，除了各个组件的动态特性之外，模型还必须计算以下内容：

轮子的速度大小始终相等，并且计算在该假设内是精确的。添加必要的组件并完成连接：

确定模型需要的参数以及参数的值。根据建模目的决定这些值是始终固定，还是针对不同的仿真而更改。实现建模目的所需要的参数必须在模型中显式表示。下表可以帮助您确定对每个组件进行建模时的详细程度。

建模并测试组件、集成组件、测试系统。 对系统结构中的每个组件进行建模，以表示该组件的物理行为或功能行为。通过使用测试数据对组件进行仿真，以验证它们的基本行为。

对系统结构中的每个组件进行建模，以表示该组件的物理行为或功能行为。通过使用测试数据对组件进行仿真，以验证它们的基本行为。 对各个组件进行建模时，需要从大局上把握整个系统布局。首先加载布局模型。在 MATLAB 命令行中，输入：

包含一个组件的 Simulink® 模型基于以下几点：

本教程对具有显式输入/输出关系的物理组件和功能组件进行建模。在本教程中，您将：

描述组件之间的关系，例如数据、能量和力的传递。在 Simulink 中使用系统方程构建系统的图形化模型。 为组件建模之前，需要思考以下问题：

根据科学原理推导出每个组件的方程。许多系统方程不外乎以下三种类别：

作用在轮子上的力有两个：

构建轮子模型

在 system_layout 模型中，双击 Right Wheel 子系统以显示空子系统。

对速度和加速度进行建模。添加一个 Integrator 模块。将初始条件设置保留为 0。此模块的输入是加速度 Vdot，输出是速度 V。

对阻力进行建模。从 User-Defined Functions 库中添加一个 MATLAB Function 模块。MATLAB Function 模块提供一种在模型中实现数学表达式的快速方法。要编辑函数，请双击该模块以打开 MATLAB Function 编辑器。

定义 MATLAB Function 模块的参数。在 MATLAB Function 模块编辑器中，点击 Edit Data 按钮。点击 k_drag，将 Scope 设置为 Parameter 并点击 Apply。

用 Subtract 模块从电机的作用力中减去阻力。使用带有参数 1/(m/2) 的 Gain 模块完成力-加速度方程。

要反转 MATLAB Function 模块的方向，请右键点击该模块并选择 Rotate & Flip > Flip Block。连接这些模块。

这两个轮子的动态特性相同。复制您刚刚建模的 Right Wheel 子系统，并将其粘贴到 Left Wheel 子系统中。

当两个轮子沿相反方向转动时，它们沿半径为 r 的圆周运动，从而产生机器人的旋转运动。当这些轮子向相同方向转动时，没有旋转。假设轮子的速度大小始终相等，则可将旋转运动视为两个轮子速度 VR 与 VL 之差的因变量来对其进行建模： d θ d t = V R − V L 2 r \frac{d\theta}{dt}=\frac{V_R-V_L}{2r} dtdθ​=2rVR​−VL​​ 构建Rotation Dynamics 模型：

通过一个函数从输入到输出的整个过程来描述功能。此描述可以包含代数方程和逻辑构造，您可以使用它们在 Simulink 中构建系统的图形化模型。

坐标变换 机器人在 X 坐标和 Y 坐标上的速度 VX 和 VY 与线性速度 VN 和角度 theta 相关： V X = V N c o s ( θ ) V_X=V_N cos(\theta) VX​=VN​cos(θ) V Y = V N s i n ( θ ) V_Y=V_N sin(\theta) VY​=VN​sin(θ) 构建坐标变换模型：

模型参数值的来源可以是：

此模型使用以下参数：

Simulink 使用 MATLAB® 工作区来计算参数。可在 MATLAB 命令行窗口中设置这些参数：

通过提供输入并观察输出来验证组件。即使这样简单的验证也能指出改进模型的直接方法。此示例验证以下行为：

验证轮子组件 为轮子组件创建并运行测试模型：

验证旋转组件

为旋转组件创建并运行测试模型：

此仿真显示，当两个轮子以相同速度向相反方向转动时，角度会稳定增加。您可以对模型进行一些改进，以便更容易解释角度输出，例如：

验证单个组件后，您可以对整个模型进行类似的验证。此示例验证以下行为：

第一个视图显示 X-Y 平面上没有运动。第二个视图显示有稳定旋转。

通过更改输入，可以使用这个最终模型来回答有关模型的许多问题。下面是一些示例：

设计并测试新组件。

设定目标的说明是完成设计任务的关键第一步。即使是一个简单的系统，也可能存在多个甚至是相互矛盾的设计目的。对于示例模型，请考虑以下目标：

本教程将设计一个警报系统。需要确定用于测量障碍物距离的传感器的参数。完美的传感器精确地测量它与障碍物的距离。警报系统按固定时间间隔对这些测量值进行采样，使输出与测量值相差始终不超过 0.05 米。系统会及时生成警报，让机器人在碰到障碍物前停下来。

设计新组件需要分析机器人的线性运动以确定：

使用能够使机器人开始运动的作用力输入来运行模型，等到机器人达到稳定速度后，将输入作用力设置为零：

若要求出最高速度，需执行以下操作： 1. 放大速度输出在时间上的稳定区域，即从 1 秒到 3 秒。 2. 再次点击缩放按钮，退出缩放模式。点击 Cursor Measurements 按钮 。 3. 将第二个游标设置在速度曲线平坦的区域。 Cursor Measurements 面板中的 Value 列表明机器人的最高速度为 0.183 米/秒。要计算机器人行驶 0.05 米所需的时间，用 0.05 米除以 0.183 米/秒。您即可得到 0.27 秒。

传感器设计包括以下组件：

构建传感器：