利用Simulink仿真輔助教學研究

【摘 要】Matlab軟件中的Simulink仿真功能強大，能將中學物理的動態系統輕松地、直觀地呈現在示波器、數值顯示器等顯示窗口中，為教學研究帶來便利。該文通過對中學物理中汽車啟動問題的分析建模過程，簡單介紹Simulink仿真的建模思路和常用模塊的應用，體會Simulink的強大。

【關鍵詞】Matlab Simulink仿真 教學研究輔助 汽車啟動

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-4810（2014）13-0141-02

Simulink是Matlab的重要組成部分，是一個用來對動態系統進行建模、仿真和分析的軟件包。它提供了建立系統模型、選擇仿真參數和數值算法、啟動仿真程序對該系統進行仿真、設置不同的輸出方式來觀察仿真結果等功能。使用Simulink來建模、分析和仿真各種動態系統（包括連續系統、離散系統和混合系統）將是一件非常輕松的事情。它提供了一種圖形化的交互環境，只需用鼠標拖動的方法便能迅速地建立起系統框圖模型，甚至不需要編寫一行代碼。

利用Simulink仿真可很好地輔助教學研究。很多大學現已開設Matlab課程，處于教學第一線的中學教師也應該學習利用Matlab的強大功能，為教學研究提供便利。現以高中物理中常見的汽車啟動問題來看看Simulink的工作方式。

一 準備工作：Simulink的啟動與退出

1.Simulink的啟動

在MATLAB的命令窗口輸入Simulink或單擊Matlab主窗口工具欄上的Simulink命令按鈕即可啟動Simulink。Simulink啟動后會顯示Simulink模塊庫瀏覽器（Simulink Library Browser）窗口。單擊模塊庫瀏覽器窗口左上角的“新建”按鈕即可啟動模型窗口。

2.Simulink的退出

退出Simulink，只要關閉所有模型編輯窗口和Simulink模塊庫瀏覽器窗口即可。

二 實例：汽車的啟動問題

1.恒功率啟動

汽車以P=60000w恒定功率啟動，其所受的阻力大小為2000N，車重為4噸。試描繪其速度變化。

第一，分析與模塊的選用。速度可由加速度積分得到，故要用到積分模塊Integrator。而a=（F-f）/m，其中F=P/V，牽引力F與速度V呈非線性關系，可由FCN模塊給出；阻力f恒定，我們要用到常數模塊Constant來輸入阻力大小；合成兩力要用到求和模塊；合力除以m，我們可用增益模塊Gain完成；最后的結果輸入到示波器Scope，以便于得到直觀的變化圖線。

第二，模型的創建。如圖1所示。

其中FCN模塊參數簡單說明：如圖2。

其Expression設為P/V，得到牽引力F。輸入端由積分后速度給出，輸入參數全都是用u表示的，即此處的u即是輸入端的V。另外還加上了一個極微小量eps，是因為初速度為0，除式會出現錯誤。

第三，運行仿真，結果如圖3所示。

2.汽車恒牽引力啟動

汽車以恒定的4000N牽引力啟動，其他條件同上。

第一，分析與模塊選用。由汽車運動的不同階段，牽引力F可分兩個階段：一個是恒力4000N階段，此階段F可由常數模塊給出；另一個是隨速度而變的階段，與V的關系為P/V，此階段可由FCN給定。而此時要進行自動控制選擇，我們選用Switch模塊，并將F（4000）與即時速度V的乘積（可由乘積模塊Product完成）和功率P的大小關系作為選擇的條件。當FV≥P時，選擇第一輸入端數據輸入，第一輸入端與FCN模塊輸出相連；當FV

輸入端數據輸入，第三輸入端與常數模塊（4000）相連。最后的結果同樣輸出到示波器Scope。

第二，模型的創建，如圖4所示。

圖4

運行仿真，得到結果如圖5所示。

通過上面的例子，可以發現應用Simulink仿真時，只要建立好模型，就可以很快得出直觀的變化圖像。而模型的建立常用的也無非幾個簡單的模塊，如積分模塊、常數模塊、非線性模塊、求和模塊、求積模塊、示波器模塊。只要稍加分析，還是很容易就能建好模型圖的。

圖5

參考文獻

[1]姚俊、馬松輝.Simulink建模與仿真[M].西安：西安電子科技大學出版社，2002

[2]陳懷琛、吳大正、高西全.MATLAB及在電子信息課程中的應用[M].北京：電子工業出版社，2004

[3]薛年喜.MATLAB在數字信號處理中的應用[M].北京：清華大學出版社，2008

〔責任編輯：范可〕