Simulink函数信号实时平均值计算与仿真系统

资 源 简 介

该项目旨在Simulink仿真环境中实现对连续或离散时间函数信号的动态平均值计算。通过搭建专用的仿真模型，能够处理包含周期性信号、非平稳信号以及带有随机噪声干扰的数据流。核心实现方案包含两种主要模式：一是基于滑动窗口的移动平均法，通过缓存特定时间段内的数据点进行实时求和并取均值，非常适用于实时信号的高频噪声滤除；二是基于积分原理的连续平均法，利用积分器对特定时间区间内的信号进行数学积分，再除以对应的时间跨度得到精确的平均值。该系统不仅支持标准的正弦波、方波等基础波形，还允许通过MATLAB Functio

详 情 说 明

Simulink函数实时平均值仿真分析系统

项目介绍

本系统是一个基于MATLAB和Simulink环境的自动化仿真平台，旨在对动态变化的信号进行多种模式的实时平均值计算与分析。系统通过自动化代码构建Simulink模型，实现了从信号生成、算法处理到结果可视化的全流程闭环分析。它能够有效处理带有高频随机噪声的信号，并在保持信号物理特性的前提下提取平滑的趋势信息，广泛适用于电力系统分析、传感器信号去噪及控制系统开发。

功能特性

• 自动化建模：通过MATLAB脚本自动创建、配置并运行Simulink模型，无需手动拖拽控件。
• 多算法对比：集成了离散滑动窗口（FIR滤波）与连续积分延迟差分两种核心平均值计算方案。
• 随机噪声抑制：支持在标准信号源上叠加高频随机干扰，模拟真实的工业传感器数据流。
• 自定义算法扩展：利用MATLAB Function模块实现了基于持久变量的高级缓冲区处理，支持计算均方值等自定义数学指标。
• 实时可视化与性能评估：自动生成时域波形对比图，并计算不同算法间的均方误差（MSE）用于量化分析。

使用方法

1. 环境准备：确保MATLAB已安装Simulink组件以及Stateflow支持。
2. 运行仿真：打开MATLAB，将工作目录切换至脚本所在文件夹，直接运行主程序脚本。
3. 观察模型：脚本将自动弹出生成的Simulink模型窗口，用户可以实时观察信号链路。
4. 查看结果：仿真完成后，系统会自动弹出包含原始信号与处理后信号对比的可视化图表，并在命令行输出采样点数和算法误差报告。
5. 数据分析：相关的仿真数据（rawSignal、slideAvg、integAvg）会自动保存至MATLAB工作空间。

系统要求

• 软件版本：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 必备组件：Simulink, Stateflow（用于编写并运行MATLAB Function模块脚本）。
• 硬件要求：通用办公级电脑即可，建议内存不低于8GB以运行仿真分析。

实现逻辑说明

系统主要通过以下逻辑层级实现：

1. 环境初始化层：

清空工作区并检测重名模型。设置全局采样频率（1000Hz）、仿真时长（2秒）以及计算平均值的滑动窗口宽度（0.1秒）。

1. 信号生成层：

构建复合信号源。利用Sine Wave模块生成2V幅度的基准正弦波，并叠加一个Random Number模块生成的随机噪声信号，通过Sum模块混合。

1. 核心算法实现层：

• 基于滑动窗口的离散移动平均：采用Discrete FIR Filter模块，通过设置分子系数序列为全1数组并除以窗口宽度点数，在离散域实现对特定步长内数据的实时求和求均值。
• 基于积分原理的连续平均：利用Integrator模块对输入信号进行累积积分，结合Transport Delay模块实现窗口时间T的物理延迟。通过将实时积分值与延迟后的积分值相减，再乘以1/T的增益，实现了对连续信号区间积分均值的精确模拟。
• 基于MATLAB Function的自定义处理：利用Stateflow架构在模型中嵌入自定义代码。通过定义persistent buffer（持久化缓冲区），模拟了一个固定长度的FIFO队列，实现了对信号均方值（Power Average）的自定义流式处理。

1. 数据导出与执行层：

配置系统求解器为固定步长的四阶龙格-库塔法（ode4），设置仿真停止时间。通过To Workspace模块将原始信号、滑动窗口结果、积分平均结果以时间序列格式导出。

1. 结果处理与分析层：

自动提取仿真结果，绘制对比曲线图。第一子图对比带噪原始信号与滑动窗口平滑后的信号；第二子图对比离散算法与连续算法的拟合度，并最终计算输出两者的均方误差。

关键技术与算法分析

• 离散FIR结构实现：通过ones(1, N)/N的滤波器系数，系统在频域上表现为一个低通滤波器，能够有效滤除频率高于窗口倒数的噪声分量，且具有严格的线性相位。
• 积分延迟差分法：这是一种数学上等价于平均值定义的连续实现方式。通过计算当前积分值与N秒前积分值的差额，实时获取长度为T的滑动窗口内的面积，这种方法比传统的RC低通滤波具有更精确的窗口截断特性。
• 状态化缓冲区处理：在MATLAB Function中使用持久化变量（persistent），解决了Simulink无记忆函数模块无法处理时域序列的问题，为计算RMS（有效值）或复杂的统计特征量提供了扩展接口。
• 采样与窗口的协同：系统通过floor(winWidth * fs)确保了物理时间窗口与数字采样点数的严格对应，保证了离散与连续两种仿真模式在对比时的时域一致性。