4.10.2. Имитационное моделирование и расширение Simulink

Система MATLAB сильна не только сама по себе, но и своими многочисленными пакетами расширения, охватывающими многие направления математических вычислений и математического моделирования. Одним из главных расширений является система имитационного блочного динамического моделирования систем - Simulink. В настоящее время используются версии Simulink 4 и 5.

Расширение Simulink является ядром интерактивного программного комплекса, предназначенного для математического моделирования линейных и нелинейных динамических систем и устройств, представленных своей функциональной блок-схемой, именуемой S-моделью (от слов State space - пространство состояния) или просто моделью. При этом возможны различные варианты моделирования: во временной области, в частотной области, с событийным управлением, на основе спектральных преобразований Фурье, с использованием метода Монте-Карло (реакция на воздействия случайного характера) и так далее.

Особенностью Simulink является обширная, открытая для изучения и модификации библиотека компонентов (блоков). Она включает источники сигналов с практически любыми временными зависимостями, масштабирующие, линейные и нелинейные преобразователи с разнообразными формами передаточных характеристик, квантующее устройство, интегрирующие и дифференцирующие блоки и т. д. Окно библиотеки (рис. 4.50) открывается при запуске Simulink из окна системы MATLAB активизацией кнопки на панели инструментов (или из меню).

Рис. 4.50. Окно библиотеки компонентов системыSimulink 5

В библиотеке имеется целый набор виртуальных регистрирующих устройств — от простых измерителей типа вольтметра или амперметра до универсальных осциллографов, позволяющих просматривать временные зависимости выходных параметров моделируемых систем , например, токов и напряжений, перемещений, давлений и т. п. Имеется даже графопостроитель для создания фигур в полярной системе координат, например фигур, Лиссажу и фазовых портретов колебаний. Simulink имеет средства анимации и звукового сопровождения. А в дополнительных библиотеках можно отыскать и такие «дорогие приборы», как анализаторы спектра сложных сигналов, многоканальные самописцы и средства анимации графиков.

Для построения функциональной блок-схемы моделируемых устройств Simulink кромебиблиотеки блочных компонентов имеет удобный редактор блок-схем. Он основан на графическом интерфейсе пользователя и по существу является типичным средством визуально- ориентированного программирования. Используя палитры компонентов (наборы), пользователь с помощью мыши переносит нужные блоки с палитр на рабочий стол пакета Simulink и соединяет линиями входы и выходы блоков. Таким образом, создается блок-схема системы или устройства, то есть модель (см. пример на рис. 4.51).

Рис. 4.51. Моделирование в среде Simulink колебательной системы

Simulink автоматизирует следующий, наиболее трудоемкий этап моделирования: он составляет и решает сложные системы алгебраических и дифференциальных уравнений, описывающих заданную функциональную схему (модель), обеспечивая удобный и наглядный визуальный контроль за поведением созданного пользователем виртуального устройства. Вам достаточно уточнить (если нужно) вид анализа и запустить Simulink в режиме симуляции (откуда и название пакета — Simulink) созданной модели системы или устройства. Мы используем вместо этого термина, имеющего нарицательное значение, термин «моделирование».

Средства визуализации результатов моделирования в пакете Simulink настолько наглядны, что порой создается впечатление, что созданная в виде блок-схемы модель работает «как живая». Более того, Simulink практически мгновенно меняет математическое описание модели по мере ввода ее новых блоков, даже в том случае, когда этот процесс сопровождается сменой порядка системы уравнений и ведет к существенному качественному изменению поведения системы. Приведенный выше пример (рис. 4.51) преследует только учебные цели. Он демонстрирует моделирование уже известной нам модели, которая состоит из нескольких блоков. На деле Simulink может моделировать системы, содержащие сотни блоков и субблоков, например, такие, как система отопления дома, система регулирования химического производства, система автопилота самолета и так далее [10].