趙子斌

（安陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑冶金工程系，河南 安陽 455000）

Sm iulink在抗震教學(xué)中的應(yīng)用

趙子斌

（安陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑冶金工程系，河南 安陽 455000）

建筑結(jié)構(gòu)抗震教學(xué)中的難點(diǎn)之一在于運(yùn)動微分方程的求解，同時(shí)該課程存在著內(nèi)容難、課時(shí)少的矛盾。本文分析了Simulink軟件的主要特點(diǎn)， 并在該基礎(chǔ)上提出將Simulink應(yīng)用在建筑抗震的教學(xué)中將會促進(jìn)教學(xué)的改革。

Simulink；抗震；多媒體教學(xué)

由于我國處于多發(fā)地震帶，而地震會給人民的生命財(cái)產(chǎn)造成巨大的危害。所以，必須對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的抗震分析，從而采取相應(yīng)的措施來減小地震造成的危害。因?yàn)榻ㄖ旧韽?fù)雜并且龐大，材料和幾何的非線性性能，導(dǎo)致要對建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)雜的非線性時(shí)程分析和抗震驗(yàn)算。建筑工程抗震是一門理論聯(lián)系實(shí)際很密切的專業(yè)課，它的目的是教授學(xué)生掌握結(jié)構(gòu)抗震的理論知識和結(jié)構(gòu)遭受地震的破壞機(jī)理以及可以采取的抗震措施?？紤]到結(jié)構(gòu)的材料和幾何非線性等問題，如何求解結(jié)構(gòu)在地震作用下建立的微分方程特別是多質(zhì)點(diǎn)層間剪切體系的微分方程的求解，就顯得尤為重要。并且建筑工程抗震概念多，知識點(diǎn)邏輯性強(qiáng)，而規(guī)定課時(shí)又往往太少。

本文將Simulink應(yīng)用到建筑工程抗震教學(xué)中，可以將復(fù)雜抽象的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)直觀化，而且對學(xué)生理解和掌握時(shí)程分析法，數(shù)值計(jì)算方法有著很好的意義。這樣能夠使學(xué)生更快地掌握抗震基本原理，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生學(xué)習(xí)樂在其中緩解教學(xué)內(nèi)容豐富與課時(shí)少的矛盾。

Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。

Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。Simulink可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口（GUI），這個(gè)創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。

Simulink是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計(jì)工具。對各種時(shí)變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、執(zhí)行和測試。

構(gòu)架在Simulink基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴(kuò)展了Simulink多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計(jì)、執(zhí)行、驗(yàn)證和確認(rèn)任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink與MATLAB；緊密集成，可以直接訪問MATLAB大量的工具來進(jìn)行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義。

1 Simulink模型的建立

1.1 Simulink的啟動

Simulink是MATLAB提供的一個(gè)實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)的建模、仿真和分析的軟件包。因此要進(jìn)行Simulink建模仿真，必須先打開MATLAB。Simulink的啟動有三種方法：

1.1.1 使用命令方式打開Simulink，在MATLAB命令窗口直接鍵入：simulink，如圖1所示。

1.1.2 用工具欄按鈕打開Simulink，即單擊MATLAB工具欄中的Simulink按鈕，如圖1所示。

圖1 MATLAB命令窗口

1.1.3 使用MATLAB的start菜單中的命令啟動Simulink，即用鼠標(biāo)單擊MATLAB的start開始菜單，然后選擇Simulink項(xiàng)，再選擇Library Browser項(xiàng)，用鼠標(biāo)單擊，即可啟動Simulink，如圖2所示。

圖 2 Simu link從開始菜單的打開方式

1.2 Simulink模型編輯器的啟動

當(dāng)Simulink啟動后，將打開Simulink Library Browser窗口，即Simulink庫瀏覽器窗口，如圖4.3所示，這時(shí)，用戶就可通過系統(tǒng)模型編輯器來創(chuàng)建Simulink模型。啟動Simulink模型編輯器的方法有兩種。方法一：用鼠標(biāo)點(diǎn)擊Simulink庫瀏覽器窗口上的按鈕；方法二：用鼠標(biāo)點(diǎn)擊Simulink庫瀏覽器窗口上的file菜單中new中的model命令。

1.3 Simulink模塊庫簡介

為便于用戶能夠快速創(chuàng)建自己所需的動態(tài)系統(tǒng)，Simulink提供了大量以圖形方式給出的內(nèi)置模塊，使用這些內(nèi)置模塊可以快速方便地設(shè)計(jì)出特定的動態(tài)系統(tǒng)。Simulink的模塊庫能夠?qū)ο到y(tǒng)模塊進(jìn)行有效的管理與組織，使用Simulink模塊庫瀏覽器可以按照類型選擇合適的系統(tǒng)模塊、獲得系統(tǒng)模塊的簡單描述及查找系統(tǒng)模塊等，并且可以直接將模塊庫中的模塊拖動或拷貝到用戶的系統(tǒng)模型中以創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型。

圖 3 Simulink Library Browser窗口

2 Simulink軟件的優(yōu)越性

2.1 編程效率高

MATLAB是一種面向科學(xué)與工程計(jì)算的高級語言，允許使用數(shù)學(xué)形式的語言編寫程序，而且比BASIC，C語言等更加接近我們書寫計(jì)算公式的思維方式，用MATLAB編寫程序猶如在演草紙上排列出公式與求解問題，因此，MATLAB語言也可通俗的稱謂演算紙式的科學(xué)算法語言，由于編寫簡單，所以編程效率高，易學(xué)易懂。

2.2 用戶使用方面

MATLAB語言是一種可執(zhí)行解釋的語言，它靈活，方便，其調(diào)試程序手段豐富，調(diào)試速度快，需要學(xué)習(xí)的時(shí)間少，人們用任何一種語言編寫程序一般都要經(jīng)過四個(gè)步驟；編輯，編譯，連接以及執(zhí)行和調(diào)試各步驟之間的順序關(guān)系，較好地解決了上述問題，把編輯，編譯，鏈接和執(zhí)行融為一體。他能在同意畫面上進(jìn)行靈活的操作，快速地排除輸入程序中的書寫錯(cuò)誤，語法錯(cuò)誤以及語義錯(cuò)誤，從而加快用戶編寫，修改和調(diào)試程序的速度，可以說在編程和調(diào)試過程中它是一種很簡單的語言。具體地說運(yùn)行MATLAB時(shí)，如直接在命令行輸入MATLAB語句包括調(diào)用M文件的語句，每輸入一句語句，就立即進(jìn)行處理完成編譯，連接和運(yùn)行的全過程，又如將MATLAB源程序編輯為M文件，由于MATLAB磁盤文件也是M文件時(shí)，如果有錯(cuò)，計(jì)算機(jī)屏幕上會給出詳細(xì)的出錯(cuò)信息，經(jīng)過用戶修改后再執(zhí)行，直到正確為止，所以可以說，MATLAB語言不僅是一種語言，廣義上講更是語言的開發(fā)系統(tǒng)。

2.3 擴(kuò)充能力強(qiáng)，交互性好

在進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)序運(yùn)算時(shí)可以直接調(diào)用而且MATLAB的庫函數(shù)同用戶文件在形式上一樣，所有用戶文件也可作為MATLAB的庫函數(shù)來調(diào)用，以便提高M(jìn)ATLAB的使用效率和擴(kuò)展它的功能。這樣良好的交互性使得程序員可以使用以前編寫過的程序，減少重復(fù)性工作，也是正在寫的程序員具有重復(fù)利用的價(jià)值。

2.4 移植性和開發(fā)性好

MATLAB是用C語言編寫的，于是MATLAB可以很方便地移植到能運(yùn)行C語言的操作平臺上，MATLAB的所有核心文件和工具箱文件都是公開的，都是可讀可寫的源文件，用戶可以通過對源文件的修改和自己變成構(gòu)成新的工具箱。

2.5 語句簡單，內(nèi)涵豐富

MATLAB語言中最基本的組成成分為函數(shù)，一般形式為[a，b，c，...]=fun（d，e，f，...），即一個(gè)函數(shù)由函數(shù)名，輸入變量d，e，f和輸出變量a，b，c的組成，這樣不僅使MATLAB的庫函數(shù)功能更加豐富，而且大大減少需要的磁盤空間，使得MATLAB編寫的M文件簡單，短小而高效。

2.6 高效方便的矩陣和數(shù)組運(yùn)算

MATLAB語言像C語言一樣規(guī)定了自己的運(yùn)算符，關(guān)系運(yùn)算符等，但這些運(yùn)算符大部分也可以毫不改變的照搬到數(shù)組間的運(yùn)算，另外它不需要定義數(shù)組的維數(shù)，并給出矩陣函數(shù)，使他在求解建?？刂?，優(yōu)化等問題時(shí)，顯得大為簡單，高效，方便這是無所比擬的。

2.7 方便的繪圖功能

MATLAB的繪圖十分方便，它有一系列繪圖函數(shù)，例如線性坐標(biāo)、對數(shù)坐標(biāo)，只需調(diào)用不同的函數(shù)，在圖上標(biāo)出圖題，XY軸標(biāo)注也只需調(diào)用相應(yīng)的命令，簡單易行，另外在調(diào)用繪圖函數(shù)時(shí)調(diào)整自變量和繪出不變顏色的點(diǎn)，線，復(fù)線，這種為科學(xué)研究著想的設(shè)計(jì)師通用的編程軟件不能達(dá)到的。

3 結(jié)語

建筑工程抗震是一門理論性和實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)課，考慮到結(jié)構(gòu)的材料和幾何非線性等問題，如何求解結(jié)構(gòu)在地震作用下建立的微分方程就顯得尤為重要。并且建筑工程抗震概念多，知識點(diǎn)邏輯性強(qiáng)，而規(guī)定課時(shí)又往往太少。針對以上問題，本文分析了Simulink的主要特點(diǎn)，提出將該軟件引入抗震/教學(xué)中。

[1]范影樂，楊勝天，等.MATLAB仿真應(yīng)用詳解[M].北京：人民郵電出版社，2001.

TU352.11

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1671-0037（2014）09-78-2

趙子斌（1985.7-），男，碩士研究生，助教，研究方向：結(jié)構(gòu)抗震與減震控制。