在 Simulink 中设计系统

基于模型的设计范式以物理组件和系统的模型为中心，模型是设计、测试和实现活动的基础。本教程将在一个现有的系统模型中添加一个设计组件。

打开系统模型

此模型是一个平板机器人，它可以借助两个轮子进行移动或旋转，类似于家用扫地机器人。通过在 MATLAB® 命令行中输入以下命令打开模型：

open_system('system_model.slx')

本教程将分析此系统并为其添加功能。

确定设计的组件和设计目的

设定目标的说明是完成设计任务的关键第一步。即使是一个简单的系统，也可能存在多个甚至是相互矛盾的设计目的。对于示例模型，请考虑以下目标：

设计一个控制器，它可以改变作用力输入，使轮子按所需的速度转动。
设计输入，使设备沿预定的路径移动。
设计一个传感器和一个控制器，使设备沿直线移动。
设计一种规划算法，使设备沿可能的最短路径到达某个点并避开障碍物。
设计一个传感器和一种算法，使设备在某个区域内移动并避开障碍物。

本教程将设计一个警报系统。您需要确定用于测量障碍物距离的传感器的参数。完美的传感器精确地测量它与障碍物的距离。警报系统按固定时间间隔对这些测量值进行采样，使输出与测量值相差始终不超过 0.05 米。系统会及时生成警报，让机器人在碰到障碍物前停下来。

通过仿真来分析系统行为

设计新组件需要分析机器人的线性运动以确定：

如果切断轮子的电源，机器人能够以最高速度行驶多远
机器人的最高速度

使用能够使机器人开始运动的作用力输入来运行模型，等到机器人达到稳定速度后，将输入作用力设置为零：

在模型中，双击 Inputs 子系统。
删除现有步长输入，并添加一个 Pulse Generator 模块。
设置 Pulse Generator 模块的参数：
- 幅值：1
- 周期：20
- 脉冲宽度：15
采用以上参数值是为了确保达到最高速度。您可以更改参数以查看其效果。
运行模型 20 秒。

第一个示波器显示，在时间值为 3 时切断电源，此时速度迅速开始下降。然后速度逐渐接近零，但不会完全达到零。这是建模的局限性；无外力作用下的低速动态特性需要更复杂的表示。但针对本示例的目的，我们可以取近似值。放大位置信号。

在时间值为 3 时，机器人的位置大约在 0.55 米处。当仿真结束时，位置值小于 0.71 米。可以肯定地说，机器人在切断电源后行驶距离不到 0.16 米。

要求出最高速度，请执行以下操作：

放大速度输出在时间上的稳定区域，即从 1 秒到 3 秒。
再次点击缩放按钮，退出缩放模式。点击游标测量按钮。
将第二个游标设置在速度曲线平坦的区域。

游标测量面板中的值列表明机器人的最高速度为 0.183 米/秒。要计算机器人行驶 0.05 米所需的时间，用 0.05 米除以 0.183 米/秒。您即可得到 0.27 秒。

设计组件并验证设计

传感器设计包括以下组件：

机器人与障碍物之间的距离测量值 - 此示例假定测量值非常精确。
警报系统测量距离的时间间隔 - 要使测量误差低于 0.05 米，采样间隔必须小于 0.27 秒。采用 0.25 秒。
传感器发出警报时的距离 - 分析显示必须从距离障碍物 0.16 米处开始减速。但实际警报距离还必须将离散测量误差 0.05 米考虑在内。

添加设计的组件

构建传感器：

创建具有如下端口的子系统。
构建距离测量值子系统。在 Sensor 模块中，按如下所示使用 Subtract、具有函数 magnitude^2 的 Math Function、Sum 和 Sqrt 模块。请注意输入端口的重新排序。
对采样进行建模。从 Discrete 库中将一个 Zero-Order Hold 模块添加到子系统中，并将其采样时间参数设置为 0.25。
对警报逻辑进行建模。从 Logic and Bit Operations 库中添加 Compare to Constant 模块，并设置参数：
- 运算符：<=
- 常量值：0.21
- 输出数据类型：boolean
此逻辑模块在输入小于或等于 0.21 时输出 1。
完成模块的连接。

验证设计

使用 Constant 模块作为 Sensor model 子系统的输入，以 X = 0.65, Y = 0 的障碍物位置来测试设计。此测试验证 X 方向的设计功能。您可以针对不同路径创建类似的测试。此模型仅生成警报，不控制机器人。

设置障碍物位置。从 Sources 库中添加两个 Constant 模块，并将常量值设置为 0.65 和 0。将机器人的位置输出连接到传感器的输入端口。
为 Alert 输出添加一个示波器。
运行模型。

注意观察，一旦机器人位置与障碍物位置之间的距离在 0.21 米范围内并且满足此组件的设计要求，警报状态就变为 1。

对于具有复杂组件和严格要求的真实系统，Simulink^® 产品系列提供了一些附加工具，可以细化和自动完成设计过程。Requirements Toolbox™ 可以对要求进行形式化定义，并将它们与模型组件联系起来。如果您要为此机器人构建一个控制器，Simulink Control Design™ 可以帮助您完成设计。Simulink Verification and Validation™ 产品则建立了一套严格的框架，可用于测试组件和系统。