請問Simulink如何在線動態(tài)修改模塊參數(shù)呢？

典型的Simulink模塊雙擊時會彈出對話框，在對話框中可以設(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)。

但很多時候，需要在 Simulink仿真過程中修改模塊的對話框參數(shù) （稱為在線修改或動態(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，實現(xiàn)掃頻信號；希望在仿真過程中改變增益模塊增益值，實現(xiàn)變增益；希望在仿真過程中改變PID控制器增益，實現(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)，實現(xiàn)時變的傳遞函數(shù)。

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

1. 方法

Simulink中的對話框參數(shù)有三種類型：Tunable（可調(diào)）；Nontunable（不可調(diào)）；SimOnlyTunable（不可動態(tài)調(diào)整）。需要動態(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文件中動態(tài)設(shè)置對話框參數(shù)。

經(jīng)測試，第一種方法不可行。如圖2所示，Modify_c函數(shù)中對全局變量進(jìn)行動態(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，模型對全局變量的更新是成功的，但對話框參數(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，盡管對話框參數(shù)的變量值改變了，但是系統(tǒng)并不會讀取更新后的參數(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)對對話框參數(shù)進(jìn)行動態(tài)更新。

本人采用Level-2的S函數(shù)實現(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，有兩個輸入端口，雙擊模塊會彈出屬性對話框，可以在對話框中設(shè)置需要動態(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時忽略接口1的輸入，不對參數(shù)進(jìn)行更新；flag~=0時更新參數(shù)。

對話框參數(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] : 需要動態(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，手動輸入模塊名、參數(shù)名比較復(fù)雜而且容易出錯，模塊中采用函數(shù)自動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，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)采樣時間，offset給定時間偏置；

[ts offset] : 離散采樣時間，ts為采樣時間；

[-1, 0] : 繼承采樣時間，取決于上一模塊的采樣方式和時間；

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)置對話框，點擊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)置采樣時間和參數(shù)維度，點擊“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)行時序控制，如不需要進(jìn)行時序控制，輸入接口2可以接入常數(shù)1。

5. 例程

5.1 DCP模塊實現(xiàn)可變增益

模型 ：DCP_Test01_stairGain.slx

功能描述 ：通過動態(tài)改變增益值，實現(xiàn)階梯上升曲線；

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

結(jié)果 ：

說明 ：實際設(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步長起作用，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模塊實現(xiàn)正弦掃頻信號

模型 ：DCP_Test02_sweep.mdl

功能描述 ：通過動態(tài)改變正弦波模塊的頻率，實現(xiàn)掃頻曲線。頻率間隔為1Hz，每個頻率保持時間為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)只會在階梯波發(fā)生突變的時間執(zhí)行，其它時間DCP 模塊會執(zhí)行，但其中的set_param 函數(shù)不會執(zhí)行，這不會占用太多的資源。

結(jié)果 ：

說明：在整數(shù)秒時刻(1、2、3 …)頻率突變。

5.3 DCP模塊實現(xiàn)時變傳遞函數(shù)

模型 ：DCP_Test03_variGs.mdl

功能描述 ：通過動態(tài)改變傳遞函數(shù)模塊的分母向量實現(xiàn)時變的傳遞函數(shù)，在仿真時間為5s 時，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 ：在仿真時間等于5s 時，使DCP 模塊的接口2 的flag 值從0 突變到1(這里通過一個階躍來實現(xiàn)這個突變)。DCP 模塊中的set_param 函數(shù)前5s 由于flag=0 不會執(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)也不會再執(zhí)行。

結(jié)果 ：

5.4 DCP模塊實現(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，對一個純滯后的一階系統(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，又會存在穩(wěn)態(tài)誤差。

參數(shù)改變的條件 ：當(dāng)偏差信號(指令信號減去給定信號)的絕對值小于閾值(這里取0.3)時，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)耗時較長，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間相等，即var(k) = var(k-1)時，set_param不執(zhí)行；

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

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

DCP 模塊的功能通俗的講，就是將模塊的“對話框參數(shù)”變成一個“輸入接口”，通過在這個接口中引入動態(tài)信號(simulink 中連線傳遞的都是動態(tài)信號)，來達(dá)到動態(tài)改變參數(shù)的目的。 DCP模塊帶來方便的同時，頻繁執(zhí)行set_param會降低Simulink運(yùn)行速度，因此參數(shù)連續(xù)變化時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 中的變增益問題：如下所示，可直接使用乘法模塊，將信號增益轉(zhuǎn)換成信號乘法，從而實現(xiàn)將“對話框參數(shù)”轉(zhuǎn)換成“輸入?yún)?shù)”。

當(dāng)然這只是一個簡單的例子，對于復(fù)雜的問題道理也是相同的，即：使用恰當(dāng)?shù)哪K，將“對話框參數(shù)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拜斎虢涌凇薄Ｍ笥袡C(jī)會的話，我將向大家介紹幾種實現(xiàn)時變傳遞函數(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)只能在下一步長中生效，當(dāng)前步長的計算中仍使用的舊參數(shù)，即使用本模塊有一拍的固有延時(延時時間為一個仿真步長)。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 的仿真步長足夠小時，上述的延時可以忽略不計。