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Definition Was ist Simulink?

| Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Stefan Luber / Nico Litzel

Mit der Software Simulink von The MathWorks lassen sich dynamische Systeme mithilfe von Funktionsblöcken am Rechner simulieren. Die Software benötigt MATLAB zur Ausführung und besitzt eine grafische Benutzeroberfläche, mit der die Modelle erstellt, modelliert und simuliert werden.

(Bild: © aga7ta - stock.adobe.com)

Simulink ist der Name einer Software des Herstellers The MathWorks. Sie ist eine Erweiterung von MATLAB und benötigt die MATLAB-Programmierumgebung zur Ausführung. Mit Simulink lassen sich mathematisch darstellbare technische, physikalische oder theoretische Systeme auf einem Rechner erstellen, modellieren und simulieren. Das Simulationswerkzeug eignet sich für diskrete und kontinuierliche dynamische Systeme.

Simulink arbeitet mit einer grafischen Oberfläche, in der die Modelle über miteinander verbundene Funktionsblöcke zusammengestellt werden. Es entsteht eine Darstellung der Systeme mit Signalflussbildern. Die Signalflussbilder lassen sich direkt in Programme umsetzen. Beschrieben sind die Systeme mithilfe von linearen oder nichtlinearen Gleichungen sowie Differenz- und Differenzialgleichungen.

Einsetzbar ist Simulink beispielsweise für die Simulation technischer Regelkreise, für Simulationen in der Signalverarbeitung oder für Rapid Prototyping und Loop-Tests. Die Modelle sind in Dateien mit der Endung .mdl gespeichert. Die textbasierten Dateien enthalten alle Bestandteile und Funktionsblöcke inklusive der Signalverbindungen und der Parameter für die Simulation. Die .mdl-Dateien lassen sich mit Texteditoren lesen und bearbeiten.

Grundlegende Arbeitsweise von Simulink

Simulink besitzt eine grafisch basierte Arbeitsweise. Anstatt die Simulationsmodelle mit zeilenorientierter Programmierung zu erstellen, verwendet Simulink ein Editierfenster, indem die Modell mithilfe von Blöcken visuell entstehen. Die verschiedenen kontinuierlichen oder diskreten Blöcke lassen sich über den Simulink Library Browser aus einer Bibliothek entnehmen und werden per Maus in das Editierfenster gezogen. Neben den vorgegebenen Blöcken sind zahlreiche weitere komplexe Schaltblöcke von The MathWorks oder anderen Herstellern verfügbar. Ebenfalls per Maus lassen sich die Blöcke miteinander verbinden. Ist das Modell grafisch zusammengestellt, sind die verschiedenen Blöcke und Verbindungen zu parametrisieren.

Nachdem alle Simulationsparameter festgelegt sind, kann die Simulation gestartet werden. Sie nutzt iterative Näherungsverfahren und liefert Ergebnisse, die wiederum grafisch darstellbar sind. Während der Simulation eines Modells berechnet Simulink die Ausgänge der Funktionsblöcke unter Berücksichtigung der Eingänge und des jeweilig gültigen Algorithmus.

Simulink gestattet es, mit sogenannten S-Funktionen eigenen Code in das Modell zu integrieren. Einstellbar sind für die Simulationen Werte wie Start- und Endzeit, variable oder feste Schrittweiten von Parametern, verschiedene Lösungsalgorithmus (Solver), mögliche Fehlerkategorien und Vieles mehr. Aus MATLAB und Simulink heraus können geeignete Toolboxen fertigen C- oder HDL-Code für Hardware wie Mikroprozessoren oder FPGAs (Field Programmable Gate Array) liefern.

Voraussetzungen zur Nutzung von Simulink

Für den Einsatz von Simulink ist MATLAB erforderlich. Um Modelle zu erstellen, zu parametrisieren und zu simulieren, muss die Entwicklungsumgebung MATLAB in den Arbeitsspeicher geladen sein. MATLAB und Simulink kombinieren die text- und grafikbasierte Programmierung. Es lassen sich die zahlreichen Algorithmen von MATLAB nutzen oder MATLAB-Codezeilen in Simulink-Blöcke einfügen. Eingangsdatensätze für die Simulation mit Simulink sind in MATLAB erstellbar. Auch für das Analysieren und Visualisieren der Simulationsergebnisse lässt sich MATLAB verwenden.

Erweiterungsmöglichkeiten von Simulink

Simulink bietet zahlreiche Erweiterungsmöglichkeiten. Sogenannte Blocksets, die von The MathWorks oder anderen Herstellern bereitgestellt werden, lassen sich in die eigenen Modelle integrieren. Für bestimmte elektrische, mechanische oder hydraulische Systeme existieren Erweiterungen, die die Modellierung der Systeme vereinfachen. Toolboxen wie Simulink Control Design machen die lineare Regelungstheorie für Simulink-Modelle nutzbar. Soll Programmcode direkt aus dem in Simulink geschaffenen Modell generiert werden, bieten Toolboxen wie Embedded Coder oder Simulink HDL-Coder passende Lösungen. Sie liefern Programmcode, der sich für verschiedene Programmiersprachen anpassen lässt und auf eingebetteten Systemen, FPGAs oder anderer Hardware lauffähig ist. Zusätzliche Erweiterungsmöglichkeiten bestehen mit Toolboxen wie Verification and Validation, Design Verifier und vielen Weiteren.

Einsatzmöglichkeiten von Simulink

Die Einsatzmöglichkeiten von Simulink sind vielfältig. Grundsätzlich lassen sich alle Systeme simulieren, die mathematisch beschreibbar sind. Häufige Einsatzgebiete sind Simulationen in Bereichen wie:

  • Steuerungs- und Regelungstechnik
  • Robotik
  • Signalverarbeitung
  • Rapid Prototyping
  • Loop Testing

In der Regelungstechnik lassen sich komplette Regelstrecken und geschlossene Regelkreise inklusive der Überwachungslogik entwerfen, testen und optimieren. Simulink erzeugt gleichzeitig automatisch den benötigten Code für das Prototyping und die Produktion. Für den Einsatz im Bereich Signalverarbeitung stellt Simulink eine Vielzahl an Testsignalen, Filtertypen, Wellenformen und Anzeigesystemen zur Verfügung.

Ein beliebtes Einsatzgebiet von Simulink sind Fahrerassistenzsysteme. Simulink ermöglicht die Modellierung und Simulation von Fahrzeugen und deren Umgebung inklusive der Sensor- und Regelungstechnik. Auf Basis der Modelle lassen sich Entscheidungslogiken und Regelalgorithmen entwerfen und deren Verhalten testen.

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