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手把手教你学 Simulink (1.3)：探索Simulink模块库的奇妙世界

news 2025/9/4 18:33:49

打开Simulink的"工具箱"

想象一下，Simulink就像一个巨大的工具箱，而模块库就是这个工具箱里各种功能强大的工具。无论你是想构建一个控制系统、处理信号，还是模拟物理系统，这个工具箱都能提供你所需的一切。今天，就让我带你深入探索这个神奇的工具世界！

一、Simulink模块库概述

1.1 模块库的基本结构

Simulink模块库按照功能分为多个类别，每个类别包含专门用于特定任务的模块。当你打开Simulink Library Browser时，会看到这样的结构：

% 打开Simulink库浏览器
slLibraryBrowser% 或者以编程方式获取库列表
lib_list = simulinklib;
disp('可用的库列表:');
for i = 1:length(lib_list)disp(lib_list(i).Name);
end

主要库类别包括：

常用模块 (Simulink)：最基础和最常用的模块
信号处理模块 (DSP System Toolbox)：专业信号处理工具
通信模块 (Communications Toolbox)：通信系统设计
控制系统模块 (Control System Toolbox)：控制系统设计与分析

二、核心模块库详解

2.1 常用模块库 (Simulink)

这是最基础也是最重要的模块库，包含建模必需的基本构建块。

2.1.1 输入源模块 (Sources)

源模块提供各种信号输入，是模型的起点。

常用模块及代码示例：

% 创建包含各种源模块的模型示例
function createSourceDemo()% 创建新模型model_name = 'SourceDemo';new_system(model_name);open_system(model_name);% 添加各种源模块add_block('simulink/Sources/Sine Wave', [model_name '/SineWave']);add_block('simulink/Sources/Step', [model_name '/Step']);add_block('simulink/Sources/Random Number', [model_name '/Random']);add_block('simulink/Sources/From Workspace', [model_name '/FromWS']);add_block('simulink/Sources/Constant', [model_name '/Constant']);% 配置常数模块值set_param([model_name '/Constant'], 'Value', '3.14');% 添加显示模块add_block('simulink/Sinks/Scope', [model_name '/Scope1']);add_block('simulink/Sinks/Scope', [model_name '/Scope2']);% 连接模块add_line(model_name, 'SineWave/1', 'Scope1/1');add_line(model_name, 'Step/1', 'Scope2/1');% 保存并运行save_system(model_name);sim(model_name);
end

2.1.2 输出模块 (Sinks)

输出模块用于显示、保存或导出仿真结果。

重要输出模块：

Scope：实时显示信号波形
Display：数值显示
To Workspace：将数据导出到MATLAB工作区
Outport：创建子系统输出端口

% 配置输出模块示例
function configureSinks()% 配置Scope模块scope_block = 'myModel/Scope';set_param(scope_block, 'NumInputPorts', '3'); % 设置3个输入端口set_param(scope_block, 'Layout', [3, 1]);     % 3行1列布局% 配置To Workspace模块to_ws_block = 'myModel/To Workspace';set_param(to_ws_block, 'VariableName', 'simout_data');set_param(to_ws_block, 'SaveFormat', 'StructureWithTime');
end

2.2 数学运算模块

数学模块提供各种数学运算功能，从基础算术到复杂函数。

2.2.1 基础数学模块

% 创建数学运算演示
function mathOperationsDemo()model_name = 'MathDemo';new_system(model_name);open_system(model_name);% 添加数学模块add_block('simulink/Math Operations/Add', [model_name '/Add']);add_block('simulink/Math Operations/Product', [model_name '/Multiply']);add_block('simulink/Math Operations/Math Function', [model_name '/Sin']);add_block('simulink/Math Operations/Abs', [model_name '/Abs']);% 配置加法模块为三个输入set_param([model_name '/Add'], 'Inputs', '+++'); % 三个输入端口% 配置数学函数为正弦set_param([model_name '/Sin'], 'Operator', 'sin');disp('数学运算模块创建完成！');
end

2.2.2 矩阵运算模块

对于涉及矩阵的复杂计算，Simulink提供专门的矩阵运算模块：

% 矩阵运算示例
function matrixOperations()% 创建矩阵运算模型model_name = 'MatrixOps';new_system(model_name);open_system(model_name);% 添加矩阵相关模块add_block('simulink/Math Operations/Matrix Concatenate', [model_name '/Concat']);add_block('simulink/Math Operations/Reshape', [model_name '/Reshape']);add_block('simulink/Math Operations/Transpose', [model_name '/Transpose']);% 配置矩阵拼接方式set_param([model_name '/Concat'], 'Mode', 'Horizontal');save_system(model_name);
end

2.3 信号路由模块

信号路由模块控制和管理信号流向，是构建复杂系统的关键。

重要路由模块：

Mux：多信号合并
Demux：信号分离
Selector：信号选择
Switch：信号切换

% 信号路由示例
function signalRoutingDemo()model_name = 'RoutingDemo';new_system(model_name);open_system(model_name);% 创建信号路由系统add_block('simulink/Sources/Sine Wave', [model_name '/Signal1']);add_block('simulink/Sources/Square', [model_name '/Signal2']);add_block('simulink/Signal Routing/Mux', [model_name '/Mux']);add_block('simulink/Signal Routing/Switch', [model_name '/Switch']);add_block('simulink/Sinks/Scope', [model_name '/OutputScope']);% 配置Mux为2输入set_param([model_name '/Mux'], 'Inputs', '2');% 配置Switch模块set_param([model_name '/Switch'], 'Criteria', 'u2 > 0');% 连接系统add_line(model_name, 'Signal1/1', 'Mux/1');add_line(model_name, 'Signal2/1', 'Mux/2');add_line(model_name, 'Mux/1', 'Switch/1');add_line(model_name, 'Switch/1', 'OutputScope/1');save_system(model_name);
end

三、专业模块库探索

3.1 信号处理模块库

DSP System Toolbox提供专业的信号处理功能。

% 信号处理系统示例
function dspSystemDemo()model_name = 'DSPSystem';new_system(model_name);open_system(model_name);% 添加DSP模块add_block('dsparch4/Sources/DSP Constant', [model_name '/DSPConstant']);add_block('dsparch4/Sinks/Spectrum Analyzer', [model_name '/Spectrum']);add_block('dsparch4/Filtering/Filter Designs', [model_name '/LowpassFilter']);% 配置滤波器set_param([model_name '/LowpassFilter'], 'FilterType', 'Lowpass');set_param([model_name '/LowpassFilter'], 'Fpass', '1000'); % 通带频率1kHzdisp('DSP系统创建完成！');
end

3.2 控制系统模块库

Control System Toolbox提供控制系统设计与分析工具。

% 控制系统设计示例
function controlSystemDemo()model_name = 'ControlSystem';new_system(model_name);open_system(model_name);% 添加控制模块add_block('simulink/Continuous/Transfer Fcn', [model_name '/Plant']);add_block('simulink/Discrete/Discrete PID Controller', [model_name '/PID']);add_block('simulink/Continuous/Transport Delay', [model_name '/Delay']);% 配置传递函数set_param([model_name '/Plant'], 'Numerator', '[1]');set_param([model_name '/Plant'], 'Denominator', '[1 2 1]');% 配置PID控制器set_param([model_name '/PID'], 'P', '0.8');set_param([model_name '/PID'], 'I', '0.2');set_param([model_name '/PID'], 'D', '0.1');save_system(model_name);
end

四、创新应用：创建自定义模块库

4.1 建立个人常用模块库

你可以创建自己的模块库，收藏常用模块，提高建模效率。

% 创建自定义模块库
function createCustomLibrary()library_name = 'MyCustomLibrary';new_system(library_name, 'Library');open_system(library_name);% 添加常用模块add_block('simulink/Sources/Sine Wave', [library_name '/MySineWave']);add_block('simulink/Math Operations/Gain', [library_name '/MyGain']);add_block('simulink/Discrete/Unit Delay', [library_name '/MyDelay']);% 自定义模块参数set_param([library_name '/MyGain'], 'Gain', '2.5');% 保存库save_system(library_name);disp(['自定义库 ' library_name ' 创建完成！']);
end

4.2 封装常用子系统

将常用功能封装成子系统，创建可重用的自定义模块。

% 创建并封装子系统
function createCustomSubsystem()model_name = 'CustomSubsystemDemo';new_system(model_name);open_system(model_name);% 创建PID控制器子系统add_block('simulink/Ports & Subsystems/Subsystem', [model_name '/MyPID']);open_system([model_name '/MyPID']);% 在子系统中添加PID组件add_block('simulink/Math Operations/Sum', 'MyPID/Sum');add_block('simulink/Continuous/Integrator', 'MyPID/Integrator');add_block('simulink/Continuous/Derivative', 'MyPID/Derivative');add_block('simulink/Math Operations/Gain', 'MyPID/PGain');add_block('simulink/Math Operations/Gain', 'MyPID/IGain');add_block('simulink/Math Operations/Gain', 'MyPID/DGain');% 配置增益值set_param('MyPID/PGain', 'Gain', 'Kp');set_param('MyPID/IGain', 'Gain', 'Ki');set_param('MyPID/DGain', 'Gain', 'Kd');% 回到主模型并封装open_system(model_name);set_param([model_name '/MyPID'], 'Mask', 'on');save_system(model_name);
end

五、实用技巧与最佳实践

5.1 模块搜索与快速定位

当你知道模块名称但不知道位置时，使用搜索功能：

% 查找模块
function findBlockExample()% 查找所有包含'filter'的模块filter_blocks = find_system('Simulink', 'Name', 'filter');disp('找到的滤波器模块:');for i = 1:min(5, length(filter_blocks)) % 显示前5个disp(filter_blocks{i});end% 使用库浏览器搜索slLibraryBrowser;% 在库浏览器搜索框中输入'filter'
end

5.2 模块参数优化技巧

% 批量配置模块参数
function batchConfigureBlocks()model_name = 'MyModel';open_system(model_name);% 找到所有Gain模块gain_blocks = find_system(model_name, 'BlockType', 'Gain');% 批量设置参数for i = 1:length(gain_blocks)tryset_param(gain_blocks{i}, 'Gain', '2.0');set_param(gain_blocks{i}, 'Multiplication', 'Element-wise(K.*u)');catch MEwarning('无法配置模块 %s: %s', gain_blocks{i}, ME.message);endenddisp(['已配置 ' num2str(length(gain_blocks)) ' 个Gain模块']);
end

六、综合实例：构建完整的信号处理系统

让我们构建一个完整的系统来实践所学知识：

% 创建完整的信号处理系统
function completeSignalProcessingSystem()model_name = 'CompleteSignalProcessor';new_system(model_name);open_system(model_name);% 1. 信号源部分add_block('simulink/Sources/Sine Wave', [model_name '/SignalSource']);add_block('simulink/Sources/Band-Limited White Noise', [model_name '/Noise']);add_block('simulink/Math Operations/Add', [model_name '/SignalCombiner']);% 2. 处理部分add_block('simulink/Discrete/Discrete Filter', [model_name '/LowpassFilter']);add_block('simulink/Math Operations/Gain', [model_name '/Amplifier']);% 3. 分析部分add_block('simulink/Sinks/Scope', [model_name '/TimeDomain']);add_block('dsparch4/Sinks/Spectrum Analyzer', [model_name '/FrequencyDomain']);% 配置参数set_param([model_name '/SignalSource'], 'Frequency', '10');set_param([model_name '/LowpassFilter'], 'Numerator', 'fir1(30, 0.4)');set_param([model_name '/Amplifier'], 'Gain', '2.5');% 连接所有模块add_line(model_name, 'SignalSource/1', 'SignalCombiner/1');add_line(model_name, 'Noise/1', 'SignalCombiner/2');add_line(model_name, 'SignalCombiner/1', 'LowpassFilter/1');add_line(model_name, 'LowpassFilter/1', 'Amplifier/1');add_line(model_name, 'Amplifier/1', 'TimeDomain/1');add_line(model_name, 'Amplifier/1', 'FrequencyDomain/1');% 设置仿真参数set_param(model_name, 'StopTime', '10');save_system(model_name);sim(model_name);disp('完整信号处理系统创建完成并运行！');
end