Раздел Nonlinear (нелинейные компоненты)

Раздел содержит 10 блоков, реализующих различные нелинейные компоненты. Ниже на рис. 5.15 приведены блоки этого раздела.

Рис. 5.15 - Блоки раздела Nonlinear

Блок ограничения скорости изменения сигнала Rate Limiter обеспечивает ограничение скорости изменения сигнала (первой производной).

Параметры:

§ Rising slew rate - уровень ограничения скорости при увеличении сигнала;

§ Falling slew rate - уровень ограничения скорости при уменьшении сигнала.

Блок ограничения Saturation выполняет ограничение величины сигнала.

Параметры:

§ Upper limit - верхний порог ограничения;

§ Lower limit - нижний порог ограничения.

По достижении входным сигналом уровня ограничения выходной сигнал блока перестает изменяться и остается равным порогу.

Блок квантования по уровню Quantizer обеспечивает квантование входного сигнала с одинаковым шагом по уровню.

Параметр блока: - Quantization interval - шаг квантования по уровню.

Блок люфта Backlash моделирует нелинейность типа “люфт”.

Параметры:

§ Deaband width - ширина люфта;

§ Initial output - начальное значение выходного сигнала.

Сигнал на выходе будет равен заданному значению Initial output, пока входной сигнал при возрастании не достигнет значения (Deaband width)/ 2(где U ­ входной сигнал), после чего выходной сигнал будет равен U ­ (Deaband width)/ 2. После того как произойдет смена направления изменения входного сигнала, он будет оставаться неизменным, пока входной сигнал не изменится на величину (Deaband width)/ 2, после чего выходной сигнал будет равен U +(Deaband width)/ 2.

Блок с зоной нечувствительности Dead Zone реализует нелинейную зависимость типа "зона нечувствительности (мертвая зона)".

Параметры:

§ Start of dead zone - начало зоны нечувствительности (нижний порог);

§ End of dead zone - конец зоны нечувствительности (верхний порог);

§ Saturate on integer overflow (флажок) - подавлять переполнение целого (при установленном флажке ограничение сигналов целого типа выполняется корректно);

§ Treat as gain when linearizing (флажок) - трактовать как усилитель с коэффициентом передачи равным 1 при линеаризации.

Выходной сигнал блока вычисляется в соответствии со следующим алгоритмом:

- если величина входного сигнала находится в пределах зоны нечувствительности, то выходной сигнал блока равен нулю;

- если входной сигнал больше или равен верхнему входному порогу зоны нечувствительности, то выходной сигнал равен входному минус величина порога;

- если входной сигнал меньше или равен нижнему входному порогу зоны нечувствительности, то выходной сигнал равен входному минус величина порога.

Релейный блок Relay реализует релейную нелинейность.

Параметры:

§ Switch on point - порог включения. Значение, при котором происходит включение реле;

§ Switch off point - порог выключения. Значение, при котором происходит выключение реле;

§ Output when on - величина выходного сигнала во включенном состоянии;

§ Output when off - величина выходного сигнала в выключенном состоянии.

Выходной сигнал блока может принимать два значения. Одно из них соответствует включенному состоянию реле, второе - выключенному. Переход их одного состояния в другое происходит скачком при достижении входным сигналом порога включения или выключения реле. В том случае если пороги включения и выключения реле имеют разные значения, блок реализует релейную характеристику с гистерезисом. При этом значение порога включения должно быть больше, чем значение порога выключения.

Блок Switch является переключателем. Блок имеет три входа. Два из них информационные (1-й и 3-й) и один управляющий (2-й). Если амплитуда сигнала, поступающего на 2-й вход, не меньше заданного порогового значения, то на выход блока подается сигнал с 1-го входа, в противном случае - сигнал с 3-го входа. Блок имеет параметр настройки порога – Treshold. Этот параметр может задаваться как числовая константа или как вычисляемое выражение. На рис. 5.16 приведен пример применения блока Switch (при этом значение порога принималось равным 6).

Рис.5.16 - Пример использования блока Switch

Блок Manual Switch осуществляет ручное управление. Этот блок не имеет параметров настройки и позволяет "вручную" выбирать один из двух портов, сигнал с которого будет передаваться на выход блока. Для переключения необходимо дважды щелкнуть левой кнопкой мыши по изображению блока. На рис. 5.17 приведен пример.

Рис. 5.17 - Пример использования блока Manual Switch

Блок многовходового переключателя Multiport Switch выполняет переключение входных сигналов по сигналу управления, задающему номер активного входного порта. Блок имеет 1 параметр: Number of inputs -количество входов. Блок многовходового переключателя Multiport Switch пропускает на выход сигнал с того входного порта, номер которого равен текущему значению управляющего сигнала. Если управляющий сигнал не является сигналом целого типа, то блок Multiport Switch производит отбрасывание дробной части числа. Исключение составляет случай, если значение управляющего сигнала превышает число информационных входов, то оно принимается равным наибольшему номеру. Входы блока нумеруются сверху вниз. На рис. 5.18 приведен пример применения блока Multiport Switch.

Рис. 5.18 - Пример использования блока Maltiport Switch

Блок сухого и вязкого трения Coulomb and Viscous Friction моделирует эффекты сухого и вязкого трения.

Параметры:

§ Coulomb friction value (Offset) -величина сухого трения;

§ Coefficient of viscous friction (Gain) -коэффициент вязкого трения.

5.9. Раздел Signal & Systems (блоки преобразования сигналов и создания систем)

Раздел содержит 26 блоков, реализующих различные блоки преобразования и вспомогательные блоки. Ниже на рис 5.19 приведены блоки этого раздела.

Рис. 5.19 - Блоки раздела Signal & Systems

Рассмотрим основные блоки этого раздела.

Мультиплексор (смеситель) Mux объединяет входные сигналы в вектор.

Параметр блока: Number of Inputs - количество входов.

Входные сигналы блока могут быть скалярными и (или) векторными. Если среди входных сигналов есть векторы, то количество входов можно задавать как вектор с указанием числа элементов каждого вектора. Например, выражение [2 3 2] определяет три входных сигнала; первый сигнал - вектор из двух элементов, второй сигнал - вектор из трех элементов, последний сигнал - скаляр. В том случае, если размерность входного вектора не совпадает с указанной в параметре Number of Inputs, после начала расчета Simulink выдаст сообщение об ошибке.

Демультиплексор (разделитель) Demux разделяет входной векторный сигнал на отдельные составляющие.

Параметр блока: - Number of Outputs - количество выходов.

Входным сигналами в обычном режиме является вектор, сформированный любым способом. Выходными сигналами являются скаляры или векторы, количество которых и размерность определяется параметром Number of Outputs и размерностью входного вектора.

Если количество выходов P (значение параметра Number of Outputs) равно размерности входного сигнала N, то блок выполняет разделение входного вектора на отдельные элементы.

Если количество выходов P меньше, чем размерность входного сигнала N, то размерность первых P-1 выходных сигналов равна отношению N/P, округленному до ближайшего большего числа, а размерность последнего выходного сигнала равна разности между размерностью входного сигнала и суммой размерностей первых P-1 выходов. Например, если размерность входного сигнала равна 8, а количество выходов равно 3, то первые два выходных вектора будут иметь размерность ceil(8/3) = 3, а последний выходной вектор будет иметь размерность 8 - (3+3) = 2.

Параметр Number of Outputs может быть задан также с помощью вектора, определяющего размерность каждого выходного сигнала. Например, выражение [2 3 1] определяет три выходных сигнала; первый сигнал - вектор из двух элементов, второй сигнал - вектор из трех элементов, и последний сигнал - скаляр.

Блок шинного селектора Bus Selector выделяет из шины требуемые сигналы.

Параметры:

§ Signals in the bus - имеющиеся в шине сигналы (входные сигналы);

§ Selected signals - выделенные сигналы (выходные сигналы);

§ Muxed output (флажок) - объединение выходных сигналов в один.

Шина может быть сформирована блоком Mux. Для извлечения сигнала из шины необходимо открыть окно параметров блока, выделить сигнал в окне Signals in the bus и с помощью кнопки Select скопировать имя сигнала в окно Selected signals. Для удаления сигнала из списка Selected signals необходимо выделить его имя в правом списке окна параметров блока и затем воспользоваться кнопкой Remove. С помощью кнопок Up и Down можно изменить порядок расположения сигналов в шине, перемещая их в окне Selected signals вверх или вниз соответственно.

Блок селектора Selector - выбирает из входного вектора требуемые элементы.

Параметры:

§ Elements -список индексов элементов входного вектора, передаваемых на выход блока (задается в виде вектора);

§ Input port width -размерность входного вектора.

На рис. 5.20 приведен пример применения блока

Рис. 5.20 - Пример использования блока Selector

Блок Merge осуществляет объединение (слияние) поступающих на его входы сигналов в один.

Параметры:

§ Number of inputs - определяет количество входных сигналов, которое может быть подано на входы блока (для корректной работы блока все входные сигналы должны иметь одинаковую размерность);

§ Initual output - задает сигнал, на основе которого должно выполняться объединение (если значение параметра не задано, то на выход блока выдается один входных сигналов).

Блок Ground используется как заглушка для входных портов, которые оказались не подключенными к модели.

Блок Terminator используется как заглушка для выходных портов, которые, так же как и для предыдущего блока, оказались не подключенными к модели.

Блок IC позволяет устанавливать произвольное начальное состояние входного сигнала. Длительность пребывания системы в этом состоянии равна длительности шага моделирования.

Параметр блока: Initial value задает значение сигнала на момент входа в блок.

Блок Width вычисляет размерность сигнала, поступающего на его вход. Вычисленное значение выводится на изображении блока.

Датчик свойств сигнала Probe позволяет получить численные значения параметров сигнала.

Параметры:

§ Probe width (флажок) - определение числа элементов в векторном или матричном сигнале;

§ Probe Sample time (флажок) - определение значения эталонного времени;

§ Probe Complex Signal (флажок) - определение типа сигнала (возвращает 1, если сигнал представлен в комплексном виде, и 0 в противном случае).

Контролируются те параметры, для которых установлены флажки. Числом отмеченных флажков задается число выходов блока. Установка флажка для какого-либо параметра приводит к появлению на изображении блока порта, с которого можно считывать значение данного параметра сигнала.

Блок создания общей области памяти Data Store Memory создает поименованную область памяти для хранения данных.

Параметры:

§ Data store nаmе - имя области памяти;

§ Initial value - начальное значение.

Блок используется совместно с блоками Data Store Write (запись данных) и Data Store Read (считывание данных). Если блок Data Store Memory расположен в модели верхнего уровня, то заданную им область памяти можно использовать как в самой модели, так и во всех подсистемах нижнего уровня иерархии. Если блок Data Store Memory расположен в подсистеме, то заданную им область памяти можно использовать в данной подсистеме и всех подсистемах нижнего уровня иерархии.

Блок записи данных в общую область памяти Data Store Write блок записывает данные в поименованную область памяти.

Параметры:

§ Data store паmе - имя области памяти;

§ Sample time- шаг модельного времени.

Операция записи выполняется для значения сигнала полученного на предыдущем шаге расчета. В модели могут использоваться несколько блоков Data Store Write, выполняющих запись в одну область памяти. Однако если запись производится на одном и том же шаге расчета, то результат будет не предсказуем.

Блок считывания данных из общей области памяти Data Store Read считывает данные из поименованной области памяти.

Параметры:

§ Data store nаmе - имя области памяти;

§ Sample time -шаг модельного времени.

Операция считывания выполняется на каждом шаге расчета. В модели могут использоваться несколько блоков Data Store Read, выполняющих считывание данных из одной и той же области памяти.

Блок, задающий количество итераций Function-Call Generator позволяет задать количество итераций на каждом шаге модельного времени для управляемой подсистемы.

Параметр блока: Sample time -шаг модельного времени.

Блок передачи сигнала Goto выполняет передачу сигнала к блоку From.

Параметры:

§ Tag -идентификатор сигнала;

§ Tag visibility -признак видимости.

Tag visibility выбирается из списка:

§ local -сигнал передается в пределах локальной подсистемы;

§ scoped -сигнал передается в пределах локальной подсистемы и подсистемах нижнего уровня иерархии;

§ global -сигнал передается в пределах всей модели.

Использование блока Goto совместно с блоком From обеспечивает передачу сигнала без линии связи. Для передачи могут использоваться сигналы любого типа.

Блок приема сигнала From выполняет прием сигнала от блока Goto.

Параметр блока: Goto tag -идентификатор принимаемого сигнала. Должен совпадать с идентификатором указанным в соответствующем блоке Goto. Использование блока From совместно с блоком Goto обеспечивает передачу сигнала без линии связи. Признак видимости сигнала отображается на пиктограмме блока таким же способом, что и у блока Goto.

Блок признака видимости сигнала Goto Tag Visibility отображает признак видимости сигнала передаваемого блоком Goto.

Параметр блока: Goto tag -идентификатор сигнала передаваемого блоком Goto. Блок необходимо включать в состав модели или подсистемы в том случае, если для передаваемых сигналов задана область видимости scoped. Блок помещается в те подсистемы, на которые распространяется область видимости передаваемых данных. Блок не участвует в передаче сигнала, а лишь отображает имя передаваемого сигнала.

Информационный блок Model Info блок отображает информацию о модели. Для отображения данных на пиктограмме блока необходимо с помощью кнопки скопировать нужный параметр из окна Model properties в окно редактирования. В блоке может отображаться статическая информация, которую пользователь вносит сам (например, данные об авторе, описание модели и т.п.) и динамически обновляемая информация (например, дата создания модели, дата последней модификации и т.п.). На пиктограмме блока отображается также часть информации, заданная с помощью команды Model Properties меню File окна модели.

Блок определения момента пересечения порогового значения Hit Crossing определяет момент времени, когда входной сигнал пересекает заданное пороговое значение.

Параметры:

§ Hit crossing offset -порог,пересечение которого входным сигналом требуется идентифицировать;

§ Hit crossing direction -направление пересечения;

§ Show output port (флажок) -показать выходной порт.

Hit crossing direction выбирается из списка:

1) rising -возрастание;

2) failing -убывание;

3) either -оба направления.

В том случае если этот флажок снят, точка пересечения сигналом порогового уровня определяется, но выходной сигнал блоком не генерируется.

В момент пересечения порогового уровня блок вырабатывает единичный сигнал длительностью в один шаг модельного времени.

Блок Enable используется в подсистеме, которая получает дополнительный управляющий вход, помеченный знаком блока при установленном флажке. Подсистема активизируется при наличии положительного сигнала на управляющем входе. Если входной сигнал векторный, то подсистема активизируется, если хотя бы один элемент принимает положительное значение.

Параметры:

§ States when enabling -состояние при запуске. Параметр задает состояние подсистемы при каждом запуске;

§ Show output port (флажок) -показать выходной порт.

States when enabling выбирается из списка:

1) held -использовать предыдущее состояние (последнее состояние, когда система была активна);

2) reset -использовать начальное (исходное) состояние.

Блок Trigger используется в подсистеме, которая получает дополнительный управляющий вход, помеченный знаком блока при установленном флажке. Подсистема активизируется фронтом (перепадом уровня) управляющего сигнала и выполняет вычисления только на том шаге моделирования, где произошло это изменение. Если входной сигнал векторный, то подсистема активизируется, если хотя бы в одном элементе изменяется уровень сигнала.

Параметры:

§ Trigger type -тип триггера;

§ Show output port (флажок) -показать выходной порт.

Trigger type выбирается из списка:

1) rising -активизация подсистемы положительным фронтом;

2) falling -активизация подсистемы отрицательным фронтом;

3) either -активизация подсистемы как положительным, так и отрицательным фронтом;

4) function-call -активизация подсистемы определяется логикой работы заданной S- функции.

Блок Configurable Subsystem позволяет создавать подсистему, обеспечивающую выбор конфигурации этой подсистемы.

Блок Subsystem -подсистемы. Подсистема это фрагмент Simulink -модели, оформленный в виде отдельного блока. Использование подсистем при составлении модели имеет следующие преимущества:

1. Уменьшает количество одновременно отображаемых блоков на экране, что облегчает восприятие модели.

2. Позволяет создавать и отлаживать фрагменты модели по отдельности, что повышает технологичность создания модели.

3. Позволяет создавать собственные библиотеки.

4. Дает возможность синхронизации параллельно работающих подсистем.

5. Позволяет включать в модель собственные справочные средства.

Использование подсистем и механизма их блоков позволяет создавать блоки, не уступающие стандартным по своему оформлению (собственное окно параметров блока, пиктограмма, справка и т.п.). Количество подсистем в модели не ограничено, кроме того, подсистемы могут включать в себя другие подсистемы. Уровень вложенности подсистем друг в друга также не ограничен. Связь подсистемы с моделью (или подсистемой верхнего уровня иерархии) выполняется с помощью входных (блок In) и выходных (блок Out) портов. Добавление в подсистему входного или выходного порта приводит к появлению на изображении подсистемы метки порта, с помощью которой внешние сигналы передаются внутрь подсистемы или выводятся в основную модель. Переименование блоков In или Out позволяет изменить метки портов, отображаемые на пиктограмме подсистемы со стандартных на те, которые нужны пользователю.

Подсистемы могут быть также управляемыми или неуправляемыми (см. описание блоков Enable и Trigger). Управляемые подсистемы имеют дополнительные (управляющие) входы, на которые поступают сигналы активизирующие данную подсистему. Управляющие входы расположены сверху или снизу подсистемы. Когда управляемая подсистема активизирована, она выполняет вычисления. В том случае если управляемая подсистема пассивна, она не выполняет вычисления, а значения сигналов на ее выходах определяются настройками выходных портов.

Для создания в модели подсистемы можно воспользоваться двумя способами:

1. Скопировать нужную подсистему из библиотеки Subsystem в модель.

2. Выделить с помощью мыши нужный фрагмент модели и выполнить команду Create Subsystem из меню Edit окна модели. Выделенный фрагмент будет помещен в подсистему.

На рис. 5.21 приведен пример подсистемы с двумя входами и одним выходов. На рис. 5.22 приведен пример использования этой подсистемы.

Рис. 5.21 - Структурная схема подсистемы

Рис. 5.22 - Пример использования блока Subsystems