Sm iulink在抗震教學中的應用

趙子斌

（安陽職業技術學院建筑冶金工程系，河南 安陽 455000）

Sm iulink在抗震教學中的應用

趙子斌

（安陽職業技術學院建筑冶金工程系，河南 安陽 455000）

建筑結構抗震教學中的難點之一在于運動微分方程的求解，同時該課程存在著內容難、課時少的矛盾。本文分析了Simulink軟件的主要特點， 并在該基礎上提出將Simulink應用在建筑抗震的教學中將會促進教學的改革。

Simulink；抗震；多媒體教學

由于我國處于多發地震帶，而地震會給人民的生命財產造成巨大的危害。所以，必須對建筑結構進行必要的抗震分析，從而采取相應的措施來減小地震造成的危害。因為建筑本身復雜并且龐大，材料和幾何的非線性性能，導致要對建筑結構進行復雜的非線性時程分析和抗震驗算。建筑工程抗震是一門理論聯系實際很密切的專業課，它的目的是教授學生掌握結構抗震的理論知識和結構遭受地震的破壞機理以及可以采取的抗震措施。考慮到結構的材料和幾何非線性等問題，如何求解結構在地震作用下建立的微分方程特別是多質點層間剪切體系的微分方程的求解，就顯得尤為重要。并且建筑工程抗震概念多，知識點邏輯性強，而規定課時又往往太少。

本文將Simulink應用到建筑工程抗震教學中，可以將復雜抽象的數學公式推導直觀化，而且對學生理解和掌握時程分析法，數值計算方法有著很好的意義。這樣能夠使學生更快地掌握抗震基本原理，增加學生的學習興趣，使學生學習樂在其中緩解教學內容豐富與課時少的矛盾。

Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境。在該環境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統。Simulink具有適應面廣、結構和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優點，并基于以上優點Simulink已被廣泛應用于控制理論和數字信號處理的復雜仿真和設計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應用于或被要求應用于Simulink。

Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設計環境，是實現動態系統建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統，也就是系統中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創建動態系統模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口（GUI），這個創建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統的仿真結果。

Simulink是用于動態系統和嵌入式系統的多領域仿真和基于模型的設計工具。對各種時變系統，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統，Simulink提供了交互式圖形化環境和可定制模塊庫來對其進行設計、仿真、執行和測試。

構架在Simulink基礎之上的其他產品擴展了Simulink多領域建模功能，也提供了用于設計、執行、驗證和確認任務的相應工具。Simulink與MATLAB；緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進行算法研發、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創建、建模環境的定制以及信號參數和測試數據的定義。

1 Simulink模型的建立

1.1 Simulink的啟動

Simulink是MATLAB提供的一個實現動態系統的建模、仿真和分析的軟件包。因此要進行Simulink建模仿真，必須先打開MATLAB。Simulink的啟動有三種方法：

1.1.1 使用命令方式打開Simulink，在MATLAB命令窗口直接鍵入：simulink，如圖1所示。

1.1.2 用工具欄按鈕打開Simulink，即單擊MATLAB工具欄中的Simulink按鈕，如圖1所示。

圖1 MATLAB命令窗口

1.1.3 使用MATLAB的start菜單中的命令啟動Simulink，即用鼠標單擊MATLAB的start開始菜單，然后選擇Simulink項，再選擇Library Browser項，用鼠標單擊，即可啟動Simulink，如圖2所示。

圖 2 Simu link從開始菜單的打開方式

1.2 Simulink模型編輯器的啟動

當Simulink啟動后，將打開Simulink Library Browser窗口，即Simulink庫瀏覽器窗口，如圖4.3所示，這時，用戶就可通過系統模型編輯器來創建Simulink模型。啟動Simulink模型編輯器的方法有兩種。方法一：用鼠標點擊Simulink庫瀏覽器窗口上的按鈕；方法二：用鼠標點擊Simulink庫瀏覽器窗口上的file菜單中new中的model命令。

1.3 Simulink模塊庫簡介

為便于用戶能夠快速創建自己所需的動態系統，Simulink提供了大量以圖形方式給出的內置模塊，使用這些內置模塊可以快速方便地設計出特定的動態系統。Simulink的模塊庫能夠對系統模塊進行有效的管理與組織，使用Simulink模塊庫瀏覽器可以按照類型選擇合適的系統模塊、獲得系統模塊的簡單描述及查找系統模塊等，并且可以直接將模塊庫中的模塊拖動或拷貝到用戶的系統模型中以創建動態系統模型。

圖 3 Simulink Library Browser窗口

2 Simulink軟件的優越性

2.1 編程效率高

MATLAB是一種面向科學與工程計算的高級語言，允許使用數學形式的語言編寫程序，而且比BASIC，C語言等更加接近我們書寫計算公式的思維方式，用MATLAB編寫程序猶如在演草紙上排列出公式與求解問題，因此，MATLAB語言也可通俗的稱謂演算紙式的科學算法語言，由于編寫簡單，所以編程效率高，易學易懂。

2.2 用戶使用方面

MATLAB語言是一種可執行解釋的語言，它靈活，方便，其調試程序手段豐富，調試速度快，需要學習的時間少，人們用任何一種語言編寫程序一般都要經過四個步驟；編輯，編譯，連接以及執行和調試各步驟之間的順序關系，較好地解決了上述問題，把編輯，編譯，鏈接和執行融為一體。他能在同意畫面上進行靈活的操作，快速地排除輸入程序中的書寫錯誤，語法錯誤以及語義錯誤，從而加快用戶編寫，修改和調試程序的速度，可以說在編程和調試過程中它是一種很簡單的語言。具體地說運行MATLAB時，如直接在命令行輸入MATLAB語句包括調用M文件的語句，每輸入一句語句，就立即進行處理完成編譯，連接和運行的全過程，又如將MATLAB源程序編輯為M文件，由于MATLAB磁盤文件也是M文件時，如果有錯，計算機屏幕上會給出詳細的出錯信息，經過用戶修改后再執行，直到正確為止，所以可以說，MATLAB語言不僅是一種語言，廣義上講更是語言的開發系統。

2.3 擴充能力強，交互性好

在進行復雜的數序運算時可以直接調用而且MATLAB的庫函數同用戶文件在形式上一樣，所有用戶文件也可作為MATLAB的庫函數來調用，以便提高MATLAB的使用效率和擴展它的功能。這樣良好的交互性使得程序員可以使用以前編寫過的程序，減少重復性工作，也是正在寫的程序員具有重復利用的價值。

2.4 移植性和開發性好

MATLAB是用C語言編寫的，于是MATLAB可以很方便地移植到能運行C語言的操作平臺上，MATLAB的所有核心文件和工具箱文件都是公開的，都是可讀可寫的源文件，用戶可以通過對源文件的修改和自己變成構成新的工具箱。

2.5 語句簡單，內涵豐富

MATLAB語言中最基本的組成成分為函數，一般形式為[a，b，c，...]=fun（d，e，f，...），即一個函數由函數名，輸入變量d，e，f和輸出變量a，b，c的組成，這樣不僅使MATLAB的庫函數功能更加豐富，而且大大減少需要的磁盤空間，使得MATLAB編寫的M文件簡單，短小而高效。

2.6 高效方便的矩陣和數組運算

MATLAB語言像C語言一樣規定了自己的運算符，關系運算符等，但這些運算符大部分也可以毫不改變的照搬到數組間的運算，另外它不需要定義數組的維數，并給出矩陣函數，使他在求解建模控制，優化等問題時，顯得大為簡單，高效，方便這是無所比擬的。

2.7 方便的繪圖功能

MATLAB的繪圖十分方便，它有一系列繪圖函數，例如線性坐標、對數坐標，只需調用不同的函數，在圖上標出圖題，XY軸標注也只需調用相應的命令，簡單易行，另外在調用繪圖函數時調整自變量和繪出不變顏色的點，線，復線，這種為科學研究著想的設計師通用的編程軟件不能達到的。

3 結語

建筑工程抗震是一門理論性和實踐性很強的專業課，考慮到結構的材料和幾何非線性等問題，如何求解結構在地震作用下建立的微分方程就顯得尤為重要。并且建筑工程抗震概念多，知識點邏輯性強，而規定課時又往往太少。針對以上問題，本文分析了Simulink的主要特點，提出將該軟件引入抗震/教學中。

[1]范影樂，楊勝天，等.MATLAB仿真應用詳解[M].北京：人民郵電出版社，2001.

TU352.11

A

1671-0037（2014）09-78-2

趙子斌（1985.7-），男，碩士研究生，助教，研究方向：結構抗震與減震控制。