在現(xiàn)代自動(dòng)化項(xiàng)目的方案設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)仿真已成為一個(gè)重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。所謂仿真，就是通過某種方法，建立能描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或行為過程的仿真模型，并據(jù)此進(jìn)行試驗(yàn)或定量分析，以獲得正確決策所需的各種信息。仿真技術(shù)的使用，可以大大縮短系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)和調(diào)試周期，節(jié)省原料，降低成本，為使用者帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。尤其當(dāng)所研究的系統(tǒng)造價(jià)昂貴、實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性大或需要很長時(shí)間才能了解系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)的影響的時(shí)候，仿真是一種特別有效的研究手段。仿真過程有兩個(gè)主要步驟建立仿真模型和進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，其中仿真模型的建立是極其關(guān)鍵的一步，仿真模型的類型決定了仿真的類型，同時(shí)也決定了所使用的仿真工具。

  仿真模型概括來說有兩個(gè)種類物理模型和數(shù)學(xué)模型，相應(yīng)的仿真類型就是物理仿真和數(shù)學(xué)仿真。物理仿真中使用的物理模型，是用幾何相似或物理類比的方法建立的，可以描述系統(tǒng)的內(nèi)部特性，也可以描述實(shí)驗(yàn)所必需的環(huán)境條件，是一種實(shí)體模型。數(shù)學(xué)仿真中使用的數(shù)學(xué)模型，是根據(jù)各種原理及定律如力學(xué)定律、電磁方程等得出的數(shù)學(xué)方程，用來描述系統(tǒng)的各種狀態(tài)及運(yùn)行特性。兩者相比，物理仿真具有較強(qiáng)的針對性，而數(shù)學(xué)仿真則通用性更強(qiáng)，應(yīng)用更為廣泛。本章的仿真特指數(shù)學(xué)仿真，所使用的仿真工具為計(jì)算機(jī)及仿真軟件。自動(dòng)控制中常用的仿真軟件是MATLAB/Simulink，其非常實(shí)用的一個(gè)功能就是Simulink模型C代碼生成，這個(gè)功能可以為工程師節(jié)省大量的開發(fā)及調(diào)試時(shí)間。

  與控制軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)無縫對接的MATLAB/Simulink

  MATLAB是美國MathWorks公司推出的一款軟件，主要面對科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)。從名字來看，MATLAB是Matrix Laboratory(矩陣實(shí)驗(yàn)室)的縮寫，它最初主要用于矩陣運(yùn)算，其基本數(shù)據(jù)元素是沒有維數(shù)限制的矩陣。因此，其最大特點(diǎn)就是具有強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力，這使得用戶可以解決許多工程技術(shù)上的問題，特別是那些包含了矩陣和向量公式的計(jì)算。在工業(yè)界，它是一個(gè)高效研究、開發(fā)和分析的工具。隨著科技的發(fā)展，許多優(yōu)秀的工程師不斷地對MATLAB進(jìn)行了完善，使其從一個(gè)簡單的矩陣分析軟件逐漸發(fā)展成為一個(gè)具有極高通用性，并帶有眾多實(shí)用工具的運(yùn)算操作平臺(tái)。

  MATLAB的一個(gè)重要特色就是它有一套程序擴(kuò)展系統(tǒng)和一組稱之為工具箱(toolbox)的特殊應(yīng)用子程序。工具箱是MATLAB函數(shù)的子程序庫，每一個(gè)工具箱都是為某一類學(xué)科專業(yè)和應(yīng)用而制定的。例如，包括信號(hào)處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、小波分析和系統(tǒng)仿真等方面的應(yīng)用。

  MATLAB工作環(huán)境如圖6.1°所示。主要包括菜單、工具欄、當(dāng)前路徑、命令窗口、歷史命令窗口、工作空間和開始菜單。具體功能及實(shí)用方法的參考文獻(xiàn)很多，本書不再贅述。

圖6.1 MATLB工作環(huán)境

  Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，它提供了一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。該環(huán)境支持連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間建模，還提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI)，用戶無須大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)，并且可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，基于以上優(yōu)點(diǎn)，Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)中。