Sm iulink在抗震教学中的应用

2014-07-27赵子斌

创新科技 2014年18期

关键词：鼠标抗震建模

赵子斌

（安阳职业技术学院建筑冶金工程系，河南安阳 455000）

Sm iulink在抗震教学中的应用

赵子斌

（安阳职业技术学院建筑冶金工程系，河南安阳 455000）

建筑结构抗震教学中的难点之一在于运动微分方程的求解，同时该课程存在着内容难、课时少的矛盾。本文分析了Simulink软件的主要特点，并在该基础上提出将Simulink应用在建筑抗震的教学中将会促进教学的改革。

Simulink；抗震；多媒体教学

由于我国处于多发地震带，而地震会给人民的生命财产造成巨大的危害。所以，必须对建筑结构进行必要的抗震分析，从而采取相应的措施来减小地震造成的危害。因为建筑本身复杂并且庞大，材料和几何的非线性性能，导致要对建筑结构进行复杂的非线性时程分析和抗震验算。建筑工程抗震是一门理论联系实际很密切的专业课，它的目的是教授学生掌握结构抗震的理论知识和结构遭受地震的破坏机理以及可以采取的抗震措施。考虑到结构的材料和几何非线性等问题，如何求解结构在地震作用下建立的微分方程特别是多质点层间剪切体系的微分方程的求解，就显得尤为重要。并且建筑工程抗震概念多，知识点逻辑性强，而规定课时又往往太少。

本文将Simulink应用到建筑工程抗震教学中，可以将复杂抽象的数学公式推导直观化，而且对学生理解和掌握时程分析法，数值计算方法有着很好的意义。这样能够使学生更快地掌握抗震基本原理，增加学生的学习兴趣，使学生学习乐在其中缓解教学内容丰富与课时少的矛盾。

Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI），这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。

构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB；紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。

1 Simulink模型的建立

1.1 Simulink的启动

Simulink是MATLAB提供的一个实现动态系统的建模、仿真和分析的软件包。因此要进行Simulink建模仿真，必须先打开MATLAB。Simulink的启动有三种方法：

1.1.1 使用命令方式打开Simulink，在MATLAB命令窗口直接键入：simulink，如图1所示。

1.1.2 用工具栏按钮打开Simulink，即单击MATLAB工具栏中的Simulink按钮，如图1所示。

图1 MATLAB命令窗口

1.1.3 使用MATLAB的start菜单中的命令启动Simulink，即用鼠标单击MATLAB的start开始菜单，然后选择Simulink项，再选择Library Browser项，用鼠标单击，即可启动Simulink，如图2所示。

图 2 Simu link从开始菜单的打开方式

1.2 Simulink模型编辑器的启动

当Simulink启动后，将打开Simulink Library Browser窗口，即Simulink库浏览器窗口，如图4.3所示，这时，用户就可通过系统模型编辑器来创建Simulink模型。启动Simulink模型编辑器的方法有两种。方法一：用鼠标点击Simulink库浏览器窗口上的按钮；方法二：用鼠标点击Simulink库浏览器窗口上的file菜单中new中的model命令。

1.3 Simulink模块库简介

为便于用户能够快速创建自己所需的动态系统，Simulink提供了大量以图形方式给出的内置模块，使用这些内置模块可以快速方便地设计出特定的动态系统。Simulink的模块库能够对系统模块进行有效的管理与组织，使用Simulink模块库浏览器可以按照类型选择合适的系统模块、获得系统模块的简单描述及查找系统模块等，并且可以直接将模块库中的模块拖动或拷贝到用户的系统模型中以创建动态系统模型。

图 3 Simulink Library Browser窗口

2 Simulink软件的优越性

2.1 编程效率高

MATLAB是一种面向科学与工程计算的高级语言，允许使用数学形式的语言编写程序，而且比BASIC，C语言等更加接近我们书写计算公式的思维方式，用MATLAB编写程序犹如在演草纸上排列出公式与求解问题，因此，MATLAB语言也可通俗的称谓演算纸式的科学算法语言，由于编写简单，所以编程效率高，易学易懂。

2.2 用户使用方面

MATLAB语言是一种可执行解释的语言，它灵活，方便，其调试程序手段丰富，调试速度快，需要学习的时间少，人们用任何一种语言编写程序一般都要经过四个步骤；编辑，编译，连接以及执行和调试各步骤之间的顺序关系，较好地解决了上述问题，把编辑，编译，链接和执行融为一体。他能在同意画面上进行灵活的操作，快速地排除输入程序中的书写错误，语法错误以及语义错误，从而加快用户编写，修改和调试程序的速度，可以说在编程和调试过程中它是一种很简单的语言。具体地说运行MATLAB时，如直接在命令行输入MATLAB语句包括调用M文件的语句，每输入一句语句，就立即进行处理完成编译，连接和运行的全过程，又如将MATLAB源程序编辑为M文件，由于MATLAB磁盘文件也是M文件时，如果有错，计算机屏幕上会给出详细的出错信息，经过用户修改后再执行，直到正确为止，所以可以说，MATLAB语言不仅是一种语言，广义上讲更是语言的开发系统。

2.3 扩充能力强，交互性好

在进行复杂的数序运算时可以直接调用而且MATLAB的库函数同用户文件在形式上一样，所有用户文件也可作为MATLAB的库函数来调用，以便提高MATLAB的使用效率和扩展它的功能。这样良好的交互性使得程序员可以使用以前编写过的程序，减少重复性工作，也是正在写的程序员具有重复利用的价值。

2.4 移植性和开发性好

MATLAB是用C语言编写的，于是MATLAB可以很方便地移植到能运行C语言的操作平台上，MATLAB的所有核心文件和工具箱文件都是公开的，都是可读可写的源文件，用户可以通过对源文件的修改和自己变成构成新的工具箱。

2.5 语句简单，内涵丰富

MATLAB语言中最基本的组成成分为函数，一般形式为[a，b，c，...]=fun（d，e，f，...），即一个函数由函数名，输入变量d，e，f和输出变量a，b，c的组成，这样不仅使MATLAB的库函数功能更加丰富，而且大大减少需要的磁盘空间，使得MATLAB编写的M文件简单，短小而高效。

2.6 高效方便的矩阵和数组运算

MATLAB语言像C语言一样规定了自己的运算符，关系运算符等，但这些运算符大部分也可以毫不改变的照搬到数组间的运算，另外它不需要定义数组的维数，并给出矩阵函数，使他在求解建模控制，优化等问题时，显得大为简单，高效，方便这是无所比拟的。

2.7 方便的绘图功能

MATLAB的绘图十分方便，它有一系列绘图函数，例如线性坐标、对数坐标，只需调用不同的函数，在图上标出图题，XY轴标注也只需调用相应的命令，简单易行，另外在调用绘图函数时调整自变量和绘出不变颜色的点，线，复线，这种为科学研究着想的设计师通用的编程软件不能达到的。