請(qǐng)問Simulink如何在線動(dòng)態(tài)修改模塊參數(shù)呢？

典型的Simulink模塊雙擊時(shí)會(huì)彈出對(duì)話框，在對(duì)話框中可以設(shè)置模塊參數(shù)，如：雙擊正弦波模塊（SineWave），可以設(shè)置正弦波幅值和頻率；雙擊增益模塊（Gain），可以設(shè)置增益值；雙擊PID控制器模塊（PID Controller），可以設(shè)置PID參數(shù)值；雙擊傳遞函數(shù)模塊（Transfer Fcn），可以設(shè)置傳遞函數(shù)的分子和分母系數(shù)。

但很多時(shí)候，需要在 Simulink仿真過程中修改模塊的對(duì)話框參數(shù) （稱為在線修改或動(dòng)態(tài)修改模塊參數(shù)），如：希望在仿真過程中改變正弦波的頻率，實(shí)現(xiàn)掃頻信號(hào)；希望在仿真過程中改變?cè)鲆婺K增益值，實(shí)現(xiàn)變?cè)鲆妫幌Ｍ诜抡孢^程中改變PID控制器增益，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的PID控制；希望在仿真過程中改變傳遞函數(shù)的分子或分母系數(shù)，實(shí)現(xiàn)時(shí)變的傳遞函數(shù)。

本文詳細(xì)介紹Simulink如何在線修改（動(dòng)態(tài)修改）模塊參數(shù)的方法，并提供原創(chuàng)的DynamicChange Parameter模塊（簡(jiǎn)稱DCP模塊），可以輕松解決在線修改（動(dòng)態(tài)修改）模塊參數(shù)問題，提供詳細(xì)幫助文件和大量例程，簡(jiǎn)單易用。

1. 方法

Simulink中的對(duì)話框參數(shù)有三種類型：Tunable（可調(diào)）；Nontunable（不可調(diào)）；SimOnlyTunable（不可動(dòng)態(tài)調(diào)整）。需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整的參數(shù)，必須為可調(diào)(Tunable)類型。

鄭志波《Simulink 模塊參數(shù)在線修改方法的研究》中提到了兩種在線更新參數(shù)的方法：1. 使用全局變量，在m文件中動(dòng)態(tài)修改全局變量的值，進(jìn)而達(dá)到修改參數(shù)的目的；2. 使用set_param函數(shù)，在m文件中動(dòng)態(tài)設(shè)置對(duì)話框參數(shù)。

經(jīng)測(cè)試，第一種方法不可行。如圖2所示，Modify_c函數(shù)中對(duì)全局變量進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新，使c的取值由0每隔1s增加至11，Simulink運(yùn)行完成后全局變量的c更新為11，模型對(duì)全局變量的更新是成功的，但對(duì)話框參數(shù)并未隨全局變量的改變而改變，增益c仍然為0。原因是：simulink模塊對(duì)變量的讀入只在模型初始化(或開始運(yùn)行)的回調(diào)函數(shù)中執(zhí)行，在仿真進(jìn)行的過程中，盡管對(duì)話框參數(shù)的變量值改變了，但是系統(tǒng)并不會(huì)讀取更新后的參數(shù)值，仿真中使用的參數(shù)值仍是變量的初始值0。

第二種方法是可行的，該方法可用S函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，將模塊名和參數(shù)名都作為S函數(shù)的參數(shù)，需要改變的參數(shù)值作為S函數(shù)的輸入，在S函數(shù)的狀態(tài)更新(Updata)回調(diào)函數(shù)中，使用set_param函數(shù)對(duì)對(duì)話框參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新。

本人采用Level-2的S函數(shù)實(shí)現(xiàn)了上述第二種方法，并將其封裝為模塊形式(下文中稱此模塊為DCP模塊)，方便在其它模型中調(diào)用。

3. DCP模塊

DCP模塊經(jīng)封裝后，與Simulink自帶模塊完全相同，有兩個(gè)輸入端口，雙擊模塊會(huì)彈出屬性對(duì)話框，可以在對(duì)話框中設(shè)置需要?jiǎng)討B(tài)改變的模塊參數(shù)信息。

輸入接口：

接口1 [var] : 需要設(shè)定的參數(shù)值；

接口2[flag] : flag=0時(shí)忽略接口1的輸入，不對(duì)參數(shù)進(jìn)行更新；flag~=0時(shí)更新參數(shù)。

對(duì)話框參數(shù)：

模塊名[block_name] :格式為“mdl文件名/子模型名/模塊名(tag)”，字符串形式；

參數(shù)名[par_name] : 需要?jiǎng)討B(tài)修改的參數(shù)變量名，字符串形式，如需要修改增益模塊的增益值，則輸入“Gain”。一般來說，手動(dòng)輸入模塊名、參數(shù)名比較復(fù)雜而且容易出錯(cuò)，模塊中采用函數(shù)自動(dòng)提取模塊名和變量名，用戶只需在所提供的GUI中作出選擇即可。

重置[Reset] : 此復(fù)選框選中時(shí)，彈出選擇模塊和參數(shù)設(shè)置GUI，如圖4所示。

圖4 模塊和參數(shù)設(shè)置GUI

采樣模式: 1×2矩陣；設(shè)置模塊的采樣方式(與S函數(shù)中的采樣方式定義相同)。

[0 offset] : 連續(xù)采樣時(shí)間，offset給定時(shí)間偏置；

[ts offset] : 離散采樣時(shí)間，ts為采樣時(shí)間；

[-1, 0] : 繼承采樣時(shí)間，取決于上一模塊的采樣方式和時(shí)間；

參數(shù)維數(shù): 1×2矩陣（[行數(shù) 列數(shù)]），表示需要修改參數(shù)的維數(shù)(即接口1中輸入數(shù)據(jù)的維數(shù))，使用本模塊必須保證參數(shù)的維數(shù)不變。

4.使用

DCP模塊配套文件有：

使用步驟如下：

1)將DCP文件夾放置在Matlab工作目錄下；

2)運(yùn)行1次AddFilePath.m文件（僅首次使用DCP模塊時(shí)需要執(zhí)行此步驟）；

3)兩種方式將DCP模塊加入到Simulink中：方法一，打開Simulink Library Browser -> User Defined Block模塊組 -> DCP模塊 -> 將DCP模塊拖入Simulink模型中；方法二，復(fù)制例程中的DCP模塊至需要的Simulink模型中。

4)雙擊DCP模塊，彈出屬性設(shè)置對(duì)話框，點(diǎn)擊Reset復(fù)選框，彈出模塊和參數(shù)設(shè)置GUI，選擇需要在線修改的模塊和參數(shù)，設(shè)置采樣時(shí)間和參數(shù)維度，點(diǎn)擊“OK”確定；

5)將需要修改的參數(shù)值接入DCP模塊的輸入接口1，輸入接口2用于進(jìn)行時(shí)序控制，如不需要進(jìn)行時(shí)序控制，輸入接口2可以接入常數(shù)1。

5. 例程

5.1 DCP模塊實(shí)現(xiàn)可變?cè)鲆?/p>

模型 ：DCP_Test01_stairGain.slx

功能描述 ：通過動(dòng)態(tài)改變?cè)鲆嬷?，?shí)現(xiàn)階梯上升曲線；

改變參數(shù)的條件 ：通過設(shè)置DCP 為離散定步長(zhǎng)采樣方式，并給定固定采樣時(shí)間0.1s，來實(shí)現(xiàn)每隔0.1s 改變一次增益值。

結(jié)果 ：

說明 ：實(shí)際設(shè)定的參數(shù)比期望設(shè)定的要滯后一拍，這說明參數(shù)的更新需要在下一個(gè)步長(zhǎng)起作用，0～0.1s內(nèi)設(shè)定的參數(shù)值2為Gain模塊的初始值。

5.2 DCP模塊實(shí)現(xiàn)正弦掃頻信號(hào)

模型 ：DCP_Test02_sweep.mdl

功能描述 ：通過動(dòng)態(tài)改變正弦波模塊的頻率，實(shí)現(xiàn)掃頻曲線。頻率間隔為1Hz，每個(gè)頻率保持時(shí)間為1s；

改變參數(shù)的條件 ：通過輸入接口1 中參數(shù)par_val 的輸入波形來控制，接口1 中輸入的參數(shù)為階梯波(可在Scope__Frequence 中查看)，DCP 模塊中的set_param 函數(shù)只會(huì)在階梯波發(fā)生突變的時(shí)間執(zhí)行，其它時(shí)間DCP 模塊會(huì)執(zhí)行，但其中的set_param 函數(shù)不會(huì)執(zhí)行，這不會(huì)占用太多的資源。

結(jié)果 ：

說明：在整數(shù)秒時(shí)刻(1、2、3 …)頻率突變。

5.3 DCP模塊實(shí)現(xiàn)時(shí)變傳遞函數(shù)

模型 ：DCP_Test03_variGs.mdl

功能描述 ：通過動(dòng)態(tài)改變傳遞函數(shù)模塊的分母向量實(shí)現(xiàn)時(shí)變的傳遞函數(shù)，在仿真時(shí)間為5s 時(shí)，傳遞函數(shù)分母由[1 2 50]突變?yōu)閇1 4 100]；

參數(shù)改變的條件 ：在仿真時(shí)間等于5s 時(shí)，使DCP 模塊的接口2 的flag 值從0 突變到1(這里通過一個(gè)階躍來實(shí)現(xiàn)這個(gè)突變)。DCP 模塊中的set_param 函數(shù)前5s 由于flag=0 不會(huì)執(zhí)行；階躍后flag=1，set_param 函數(shù)執(zhí)行一次；之后又由于接口1 中的輸入保持恒定，set_param 函數(shù)也不會(huì)再執(zhí)行。

結(jié)果 ：

5.4 DCP模塊實(shí)現(xiàn)積分分離PID控制算法

模型 ：DCP_Test04_int_separatePID.mdl

功能描述 ：通過動(dòng)態(tài)改變PID 控制器積分增益的值(由0 變?yōu)?.01)，來控制積分環(huán)節(jié)的投入與分離，對(duì)一個(gè)純滯后的一階系統(tǒng)進(jìn)行控制；仿真表明：積分分離式PID 可無超調(diào)收斂到給定值，常規(guī)PID 有超調(diào)，不投入積分時(shí)，又會(huì)存在穩(wěn)態(tài)誤差。

參數(shù)改變的條件 ：當(dāng)偏差信號(hào)(指令信號(hào)減去給定信號(hào))的絕對(duì)值小于閾值(這里取0.3)時(shí)，積分增益由0 突變?yōu)?.01，之后保持不變。本例與前述例子的不同之處在于，使用一個(gè)布爾條件作為DCP 模塊接口2 的flag 值。

注意 ：由于DCP 模塊中的第二個(gè)接口定義的是double 類型的數(shù)據(jù)，所以判斷條件的結(jié)構(gòu)(為布爾量)不能直接接入，需通過一個(gè)數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換(Data Type Conversion)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換之后再輸入到DCP 模塊的接口2。數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換模塊的路徑為：Simulink –> Signal Attributes -> Data Type Conversion。

結(jié)果 ：

6. 適用范圍

使用set_param修改模塊參數(shù)耗時(shí)較長(zhǎng)，如將set_param循環(huán)10000次消耗4.9s，過于頻繁的調(diào)用DCP模塊會(huì)使模型仿真速度很慢。為了盡量減少set_param不必要的執(zhí)行，DCP模塊中采用了以下方法：

1)當(dāng)輸入接口1中輸入的變量值與上一采樣時(shí)間相等，即var(k) = var(k-1)時(shí)，set_param不執(zhí)行；

2)當(dāng)輸入接口2中輸入0值，即flag=0時(shí)，set_param不執(zhí)行；

下面情況請(qǐng)慎用本模塊：需要設(shè)定的參數(shù)連續(xù)變化，即在求解器的每個(gè)時(shí)間(步長(zhǎng))內(nèi)都要執(zhí)行set_param，這將嚴(yán)重影響仿真效率。此時(shí)建議使用“轉(zhuǎn)換”的思想，將對(duì)話框參數(shù)變成輸入接口。

DCP 模塊的功能通俗的講，就是將模塊的“對(duì)話框參數(shù)”變成一個(gè)“輸入接口”，通過在這個(gè)接口中引入動(dòng)態(tài)信號(hào)(simulink 中連線傳遞的都是動(dòng)態(tài)信號(hào))，來達(dá)到動(dòng)態(tài)改變參數(shù)的目的。 DCP模塊帶來方便的同時(shí)，頻繁執(zhí)行set_param會(huì)降低Simulink運(yùn)行速度，因此參數(shù)連續(xù)變化時(shí)需要一種效率更高的解決辦法。

變參數(shù)的問題稍作變化可以得到解決，如例程1 中的變?cè)鲆鎲栴}：如下所示，可直接使用乘法模塊，將信號(hào)增益轉(zhuǎn)換成信號(hào)乘法，從而實(shí)現(xiàn)將“對(duì)話框參數(shù)”轉(zhuǎn)換成“輸入?yún)?shù)”。

當(dāng)然這只是一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，對(duì)于復(fù)雜的問題道理也是相同的，即：使用恰當(dāng)?shù)哪K，將“對(duì)話框參數(shù)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拜斎虢涌凇?。往后有機(jī)會(huì)的話，我將向大家介紹幾種實(shí)現(xiàn)時(shí)變傳遞函數(shù)的方法。

7. 不足之處

1)由于S 函數(shù)中未定義RTW 相關(guān)回調(diào)函數(shù)，使用了DCP 模塊的simulink 模型不能編譯。

2)set_param 是在S 函數(shù)中的Updata 回調(diào)函數(shù)中，simulink 的運(yùn)行模式是先執(zhí)行Output回調(diào)函數(shù)，再執(zhí)行Updata 回調(diào)函數(shù)，所以DCP 模塊中設(shè)置的參數(shù)只能在下一步長(zhǎng)中生效，當(dāng)前步長(zhǎng)的計(jì)算中仍使用的舊參數(shù)，即使用本模塊有一拍的固有延時(shí)(延時(shí)時(shí)間為一個(gè)仿真步長(zhǎng))。觀察Test01 的結(jié)果，0-0.1s 內(nèi)，輸出為Gain 的初始值，0.1-0.2s 內(nèi)，輸出為0(0 是在0.1s 時(shí)由DCP 設(shè)置的)，0.2-0.3s 內(nèi)為0.1 …… 一般來說，當(dāng)simulink 的仿真步長(zhǎng)足夠小時(shí)，上述的延時(shí)可以忽略不計(jì)。