MODEL_A 文档 (Simulink 模型)¶

本文档描述 MODEL_A Simulink 模型的设计、功能和使用方法。

模型概述¶

基本信息¶

模型名称: MODEL_A
版本: 1.0.0
创建日期: 2024-01-01
最后修改: 2024-06-01
作者: 项目团队
依赖: Simulink R2022a 或更高版本

功能描述¶

MODEL_A 是一个用于 [此处描述模型主要功能，例如：控制系统仿真、信号处理、电力系统分析等] 的 Simulink 模型。

应用场景¶

场景 1: [具体应用场景 1]
场景 2: [具体应用场景 2]
场景 3: [具体应用场景 3]

模型结构¶

顶层结构图¶

┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│                    MODEL_A (顶层)                    │
├─────────────────────────────────────────────────────┤
│  ┌──────────┐  ┌──────────┐  ┌──────────┐         │
│  │ 输入模块 │  │ 处理模块 │  │ 输出模块 │         │
│  └──────────┘  └──────────┘  └──────────┘         │
│         │             │             │              │
│         └─────┬───────┴───────┬─────┘              │
│               │               │                    │
│         ┌─────▼─────┐   ┌─────▼─────┐              │
│         │  控制逻辑  │   │  监控模块  │              │
│         └───────────┘   └───────────┘              │
└─────────────────────────────────────────────────────┘

子系统说明¶

1. 输入模块 (Input_Subsystem)¶

功能: 负责接收和处理输入信号

参数: - SampleTime: 采样时间 (默认: 0.01s) - InputRange: 输入范围 (默认: [-10, 10]) - NoiseLevel: 噪声水平 (默认: 0.01)

接口:

输入端口:
  1. In1: 主输入信号
  2. In2: 参考信号
  3. In3: 配置参数

输出端口:
  1. Out1: 处理后的输入信号
  2. Out2: 输入状态标志

2. 处理模块 (Processing_Subsystem)¶

功能: 执行核心算法和处理逻辑

包含组件: - 控制器: PID 控制器模块 - 滤波器: 低通滤波器 (截止频率: 10Hz) - 转换器: 信号转换和缩放

算法描述:

% 核心处理算法
function output = processAlgorithm(input, params)
    % 步骤 1: 信号预处理
    processed = preprocess(input, params.preprocess);

    % 步骤 2: 核心计算
    result = coreCalculation(processed, params.core);

    % 步骤 3: 后处理
    output = postprocess(result, params.postprocess);
end

3. 输出模块 (Output_Subsystem)¶

功能: 生成输出信号和状态信息

输出类型: 1. 连续输出: 主要控制信号 2. 离散输出: 状态标志和事件 3. 监控输出: 性能指标和诊断信息

4. 控制逻辑 (Control_Logic)¶

功能: 实现状态机和模式切换

状态定义:

states = {
    'INIT',      % 初始化状态
    'STANDBY',   % 待机状态
    'RUNNING',   % 运行状态
    'FAULT',     % 故障状态
    'SHUTDOWN'   % 关机状态
};

5. 监控模块 (Monitoring_Subsystem)¶

功能: 实时监控和诊断

监控指标: - 系统稳定性指标 - 性能指标 (响应时间、超调量等) - 故障检测和诊断

参数配置¶

主要参数表¶

参数名	描述	默认值	单位	范围
`Kp`	比例增益	1.0	-	[0.1, 10]
`Ki`	积分增益	0.1	-	[0, 5]
`Kd`	微分增益	0.01	-	[0, 2]
`Ts`	采样时间	0.01	s	[0.001, 1]
`Fc`	截止频率	10	Hz	[1, 100]
`MaxOutput`	最大输出	100	%	[0, 100]
`MinOutput`	最小输出	0	%	[0, 100]

配置示例¶

% MATLAB 配置脚本
model_params = struct();
model_params.controller.Kp = 1.5;
model_params.controller.Ki = 0.2;
model_params.controller.Kd = 0.05;
model_params.sampling.Ts = 0.005;
model_params.filter.Fc = 15;
model_params.limits.MaxOutput = 90;
model_params.limits.MinOutput = 10;

% 应用配置到模型
set_param('MODEL_A/Controller', 'Kp', num2str(model_params.controller.Kp));
set_param('MODEL_A/Controller', 'Ki', num2str(model_params.controller.Ki));
% ... 其他参数设置

使用指南¶

1. 打开和加载模型¶

% 方法 1: 使用 open_system
open_system('MODEL_A.slx');

% 方法 2: 使用 load_system 然后打开
load_system('MODEL_A.slx');
open_system('MODEL_A');

2. 运行仿真¶

% 基本仿真
simOut = sim('MODEL_A.slx', 'StopTime', '10');

% 带参数的仿真
simOut = sim('MODEL_A.slx', ...
    'StopTime', '20', ...
    'FixedStep', '0.01', ...
    'Solver', 'ode4');

% 批量仿真 (参数扫描)
paramValues = 0.1:0.1:1.0;
results = cell(length(paramValues), 1);
for i = 1:length(paramValues)
    set_param('MODEL_A/Controller', 'Kp', num2str(paramValues(i)));
    simOut = sim('MODEL_A.slx', 'StopTime', '10');
    results{i} = simOut;
end

3. 数据记录和分析¶

% 配置数据记录
set_param('MODEL_A', 'SaveOutput', 'on');
set_param('MODEL_A', 'OutputSaveName', 'yout');
set_param('MODEL_A', 'SaveTime', 'on');
set_param('MODEL_A', 'TimeSaveName', 'tout');

% 运行仿真
simOut = sim('MODEL_A.slx');

% 提取和分析数据
time = simOut.tout;
output = simOut.yout;

% 绘制结果
figure;
subplot(2,1,1);
plot(time, output(:,1));
title('输出信号 1');
xlabel('时间 (s)');
ylabel('幅值');

subplot(2,1,2);
plot(time, output(:,2));
title('输出信号 2');
xlabel('时间 (s)');
ylabel('幅值');

模型验证¶

测试用例¶

测试 1: 阶跃响应测试¶

目的: 验证系统对阶跃输入的响应特性

测试步骤: 1. 设置输入为阶跃信号 (幅值: 1, 时间: 1s) 2. 运行仿真 10 秒 3. 记录和评估响应特性

验收标准: - 上升时间 < 2 秒 - 超调量 < 5% - 稳态误差 < 1%

测试 2: 频率响应测试¶

目的: 验证系统频率特性

测试步骤: 1. 使用正弦扫频输入 (频率: 0.1-10Hz) 2. 记录输出幅值和相位 3. 绘制 Bode 图

验收标准: - 带宽 > 5Hz - 相位裕度 > 45°

测试 3: 鲁棒性测试¶

目的: 验证系统对参数变化的鲁棒性

测试步骤: 1. 在参数范围内随机变化关键参数 2. 运行蒙特卡洛仿真 3. 统计性能指标

验收标准: - 95% 的仿真满足性能要求

性能指标¶

静态性能¶

稳态误差: < 1%
线性度: > 99%
重复性: > 99.5%

动态性能¶

上升时间: 1.5 ± 0.3 秒
调节时间: 3.0 ± 0.5 秒
超调量: < 5%

计算性能¶

仿真步长: 0.01 秒
实时因子: < 0.1 (远快于实时)
内存使用: < 100 MB

故障排除¶

常见问题¶

问题 1: 仿真发散¶

症状: 输出值无限增大或变为 NaN

可能原因: 1. 控制器参数不合适 (特别是积分项过大) 2. 代数环问题 3. 采样时间设置不当

解决方案: 1. 检查并调整控制器参数 2. 使用 Algebraic Loop Solver 3. 减小采样时间或使用变步长求解器

问题 2: 仿真速度慢¶

症状: 仿真运行时间过长

可能原因: 1. 过小的固定步长 2. 复杂的模型结构 3. 过多的数据记录

解决方案: 1. 适当增大固定步长或使用变步长求解器 2. 简化模型结构，使用封装子系统 3. 减少数据记录点或使用触发记录

问题 3: 模型编译错误¶

症状: 编译时出现错误

可能原因: 1. 模块参数设置错误 2. 数据类型不匹配 3. 缺少必需的依赖项

解决方案: 1. 检查错误信息中提到的模块和参数 2. 使用 Model Advisor 检查模型 3. 确保所有依赖的库和工具箱已安装

调试技巧¶

使用信号记录: 在关键点添加信号记录
断点调试: 使用 Simulink 调试器设置断点
模型覆盖度: 使用 Simulink Coverage 分析测试覆盖度
性能分析: 使用 Simulink Profiler 分析仿真性能

代码生成¶

生成 C 代码¶

% 配置代码生成
rtwconfig = get_param('MODEL_A', 'RTWGenSettings');
rtwconfig.TargetLang = 'C';
rtwconfig.GenCodeOnly = 'off';
rtwconfig.GenerateReport = 'on';

% 生成代码
slbuild('MODEL_A');

% 查看生成报告
rtwview('MODEL_A');

生成的代码结构¶

MODEL_A_ert_rtw/
├── MODEL_A.c          # 主模型代码
├── MODEL_A.h          # 模型头文件
├── MODEL_A_private.h  # 私有头文件
├── MODEL_A_types.h    # 类型定义
├── rtmodel.h          # 实时模型头文件
└── html/              # 代码生成报告

集成到目标系统¶

手动集成: 将生成的代码文件添加到目标项目
自动集成: 使用 Simulink Coder 支持包
验证: 使用 PIL (Processor-in-the-Loop) 测试

版本历史¶

v1.0.0 (2024-06-01)¶

初始发布版本
包含基本控制功能
支持代码生成

v0.9.0 (2024-05-15)¶

Beta 测试版本
添加监控和诊断功能
改进参数配置接口

v0.8.0 (2024-04-30)¶

Alpha 测试版本
基本模型结构完成
初步验证通过