Simulink如何在线修改模块参数 (动态修改模块参数)

1. 原由

典型的Simulink模块双击时会弹出对话框，在对话框中可以设置模块参数，如：双击正弦波模块（Sine Wave），可以设置正弦波幅值和频率；双击增益模块（Gain），可以设置增益值；双击PID控制器模块（PID Controller），可以设置PID参数值；双击传递函数模块（Transfer Fcn），可以设置传递函数的分子和分母系数。

但很多时候，需要在Simulink仿真过程中修改模块的对话框参数（称为在线修改或动态修改模块参数），如：希望在仿真过程中改变正弦波的频率，实现扫频信号；希望在仿真过程中改变增益模块增益值，实现变增益；希望在仿真过程中改变PID控制器增益，实现自适应的PID控制；希望在仿真过程中改变传递函数的分子或分母系数，实现时变的传递函数。
本文详细介绍Simulink如何在线修改（动态修改）模块参数的方法，并提供原创的Dynamic Change Parameter模块（简称DCP模块），可以轻松解决在线修改（动态修改）模块参数问题，提供详细帮助文件和大量例程，简单易用。

2. 方法

Simulink中的对话框参数有三种类型： Tunable（可调）； Nontunable（不可调）；SimOnlyTunable（不可动态调整）。需要动态调整的参数，必须为可调(Tunable)类型。
郑志波《Simulink 模块参数在线修改方法的研究》中提到了两种在线更新参数的方法：1. 使用全局变量，在m文件中动态修改全局变量的值，进而达到修改参数的目的；2. 使用set_param函数，在m文件中动态设置对话框参数。

经测试，第一种方法不可行。如上图所示，Modify_c函数中对全局变量进行动态更新，使c的取值由0每隔1s增加至11，Simulink运行完成后全局变量的c更新为11，模型对全局变量的更新是成功的，但对话框参数并未随全局变量的改变而改变，增益c仍然为0。原因是：simulink模块对变量的读入只在模型初始化(或开始运行)的回调函数中执行，在仿真进行的过程中，尽管对话框参数的变量值改变了，但是系统并不会读取更新后的参数值，仿真中使用的参数值仍是变量的初始值0。
第二种方法是可行的，该方法可用S函数来实现，将模块名和参数名都作为S函数的参数，需要改变的参数值作为S函数的输入，在S函数的状态更新(Updata)回调函数中，使用set_param函数对对话框参数进行动态更新。
本人采用Level-2的S函数实现了上述第二种方法，并将其封装为模块形式(下文中称此模块为DCP模块)，方便在其它模型中调用。

3. DCP模块

DCP模块经封装后，与Simulink自带模块完全相同，有两个输入端口，双击模块会弹出属性对话框，可以在对话框中设置需要动态改变的模块参数信息。

输入接口：

• 接口1 [var]: 需要设定的参数值；
• 接口2[flag]: flag=0时忽略接口1的输入，不对参数进行更新；flag~=0时更新参数。

对话框参数：

• 模块名[block_name]: 格式为“mdl文件名/子模型名/模块名(tag)”，字符串形式；
• 参数名[par_name]: 需要动态修改的参数变量名，字符串形式，如需要修改增益模块的增益值，则输入“Gain”。一般来说，手动输入模块名、参数名比较复杂而且容易出错，模块中采用函数自动提取模块名和变量名，用户只需在所提供的GUI中作出选择即可。
• 重置[Reset] : 此复选框选中时，弹出选择模块和参数设置GUI，如下图所示。
• 采样模式： 1*2矩阵；设置模块的采样方式(与S函数中的采样方式定义相同)。
  [0 offset] : 连续采样时间，offset给定时间偏置；
  [ts offset] : 离散采样时间，ts为采样时间；
  [-1, 0] : 继承采样时间，取决于上一模块的采样方式和时间；
  [-2, 0]: 可变采样时间。
• 参数维数： 1*2矩阵，表示需要修改参数的维数(即接口1中输入数据的维数)，使用本模块必须保证参数的维数不变。

4. 使用

DCP模块配套文件（放置在DCPFiles文件夹内，源程序下载方式见文尾）有：

文件名	文件功能
Sfun_DCP.m	Level-2的M文件编写的S函数,实现动态改变参数的功能
slblocks.m	将模块加入simulink模块浏览器的m文件，模块组名字为 User Defined Block
fig_par_set.m	模块属性中载入所需修改“模块/参数”的 GUI m文件
AddFilePath.m	将文件加入Matlab搜索路径，首次使用DCP模块之前，需要运行本文件一次
str_bracket.m	功能是在在字符串头尾插入括号
User_Defined_MDL.slx	自定义模块的库文件，里面已含动态改变参数(程序中简称DCP)模块，可将需要加入模块浏览器的模块均放入此slx文件之中

使用步骤如下：

1)将DCP文件夹放置在Matlab工作目录下；
2) 运行1次AddFilePath.m文件（仅首次使用DCP模块时需要执行此步骤）；
3) 两种方式将DCP模块加入到Simulink中：方法一，打开Simulink Library Browser -> User Defined Block模块组 -> DCP模块 -> 将DCP模块拖入Simulink模型中； 方法二，复制例程中的DCP模块至需要的Simulink模型中。
4) 双击DCP模块，弹出属性设置对话框，点击Reset复选框，弹出模块和参数设置GUI，选择需要在线修改的模块和参数，设置采样时间和参数维度，点击“OK”确定；
5) 将需要修改的参数值接入DCP模块的输入接口1，输入接口2用于进行时序控制，如不需要进行时序控制，输入接口2可以接入常数1。

5. 例程

5.1 DCP模块实现可变增益

模型： DCP_Test01_stairGain.slx

功能描述： 通过动态改变增益值，实现阶梯上升曲线；
改变参数的条件： 通过设置DCP 为离散定步长采样方式，并给定固定采样时间0.1s，来实现每隔0.1s 改变一次增益值。
结果：

**说明：**实际设定的参数比期望设定的要滞后一拍，这说明参数的更新需要在下一个步长起作用，0～0.1s内设定的参数值2为Gain模块的初始值。

5.2 DCP模块实现正弦扫频信号

模型： DCP_Test02_sweep.mdl

功能描述： 通过动态改变正弦波模块的频率，实现扫频曲线。频率间隔为1Hz，每个频率保持时间为1s；
改变参数的条件： 通过输入接口1 中参数par_val 的输入波形来控制，接口1 中输入的参数为阶梯波(可在Scope__Frequence 中查看)，DCP 模块中的set_param 函数只会在阶梯波发生突变的时间执行，其它时间DCP 模块会执行，但其中的set_param 函数不会执行，这不会占用太多的资源。
结果：

说明： 在整数秒时刻(1、2、3 …)频率突变。

5.3 DCP模块实现时变传递函数

模型： DCP_Test03_variGs.mdl

功能描述： 通过动态改变传递函数模块的分母向量实现时变的传递函数，在仿真时间为5s 时，传递函数分母由[1 2 50]突变为[1 4 100]；
参数改变的条件： 在仿真时间等于5s 时，使DCP 模块的接口2 的flag 值从0 突变到1(这里通过一个阶跃来实现这个突变)。DCP 模块中的set_param 函数前5s 由于flag=0 不会执行；阶跃后flag=1，set_param 函数执行一次；之后又由于接口1 中的输入保持恒定，set_param 函数也不会再执行。
结果：

5.4 DCP模块实现积分分离PID控制算法

模型： DCP_Test04_int_separatePID.mdl

功能描述： 通过动态改变PID 控制器积分增益的值(由0 变为0.01)，来控制积分环节的投入与分离，对一个带纯滞后的一阶系统进行控制；仿真表明：积分分离式PID 可无超调收敛到给定值，常规PID 有超调，不投入积分时，又会存在稳态误差。
参数改变的条件： 当偏差信号(指令信号减去给定信号)的绝对值小于阈值(这里取0.3)时，积分增益由0 突变为0.01，之后保持不变。本例与前述例子的不同之处在于，使用一个布尔条件作为DCP 模块接口2 的flag 值。
注意： 由于DCP 模块中的第二个接口定义的是double 类型的数据，所以判断条件的结构(为布尔量)不能直接接入，需通过一个数据类型转换(Data Type Conversion)模块进行数据类型转换之后再输入到DCP 模块的接口2。数据类型转换模块的路径为：Simulink –> Signal Attributes -> Data Type Conversion。
结果：

6. 适用范围

使用set_param修改模块参数耗时较长，如将set_param循环10000次消耗4.9s，过于频繁的调用DCP模块会使模型仿真速度很慢。为了尽量减少set_param不必要的执行，DCP模块中采用了以下方法：
1). 当输入接口1中输入的变量值与上一采样时间相等，即var(k) = var(k-1)时，set_param不执行；
2). 当输入接口2中输入0值，即flag=0时，set_param不执行；
下面情况请慎用本模块：需要设定的参数连续变化，即在求解器的每个时间(步长)内都要执行set_param，这将严重影响仿真效率。此时建议使用“转换”的思想，将对话框参数变成输入接口。
DCP 模块的功能通俗的讲，就是将模块的“对话框参数”变成一个“输入接口”，通过在这个接口中引入动态信号(simulink 中连线传递的都是动态信号)，来达到动态改变参数的目的。DCP模块带来方便的同时，频繁执行set_param会降低Simulink运行速度，因此参数连续变化时需要一种效率更高的解决办法。
变参数的问题稍作变化可以得到解决，如例程1 中的变增益问题：如下图所示，直接使用乘法模块，将信号增益转换成信号乘法，从而实现将“对话框参数”转换成“输入参数”。

当然这只是一个简单的例子，对于复杂的问题道理也是相同的，即：使用恰当的模块，将“对话框参数”转变为“输入接口”。往后有机会的话，我将向大家介绍几种实现时变传递函数的方法。

7. 不足之处

1). 设置模块名和参数名的GUI 的弹出是在重置Reset 复选框的回调函数中实现的，正常情况下只有当点击该复选框(并且复选框变为“选中”状态) 时，GUI 才会被弹出，奇怪的是在模型运行过程中，该GUI 也会被弹出并马上被关闭；另外双击DCP 模块属性的时候也会弹出该GUI。因此建议在设置好block_name 和par_name 之后，将复选框设为“未选中”的状态，可消除上述的不正常现象。
2). 由于S 函数中未定义RTW 相关回调函数，使用了DCP 模块的simulink 模型不能编译。
3). set_param 是在S 函数中的Updata 回调函数中，simulink 的运行模式是先执行Output回调函数，再执行Updata 回调函数，所以DCP 模块中设置的参数只能在下一步长中生效，当前步长的计算中仍使用的旧参数，即使用本模块有一拍的固有延时(延时时间为一个仿真步长)。观察Test01 的结果，0-0.1s 内，输出为Gain 的初始值，0.1-0.2s 内，输出为0(0 是在0.1s 时由DCP 设置的)，0.2-0.3s 内为0.1 …… 一般来说，当simulink 的仿真步长足够小时，上述的延时可以忽略不计。

8. 联系作者

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