MWORKS實用教程：編程、計算與仿真
馮新宇、姜炫利
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目錄大綱
第一篇 MWORKS 程序設計基礎
第 1 章 Syslab 環境認識與基礎操作 ................................................................................................................ 3
微課視頻 15 分鐘
1.1 科學計算語言概述..................................................................................................................................................................3
1.2 MWORKS 介紹.......................................................................................................................................................................4
1.2.1 MWORKS 平臺體系 ...................................................................................................................................................4
1.2.2 MWORKS 系列工具箱 ...............................................................................................................................................5
1.3 Julia 介紹 .................................................................................................................................................................................6
1.3.1 Julia 的優勢..................................................................................................................................................................7
1.3.2 Julia 與其他科學計算語言的差異 ..............................................................................................................................7
1.4 Syslab 安裝及界面介紹 ..........................................................................................................................................................9
1.4.1 Syslab 的下載與安裝...................................................................................................................................................9
1.4.2 Syslab 環境認識.........................................................................................................................................................10
第 2 章 Julia語法基礎 ..................................................................................................................................... 16
微課視頻 82 分鐘
2.1 科學計算環境平臺層 API 詳細說明....................................................................................................................................16
2.1.1 基礎輸入指令 ............................................................................................................................................................17
2.1.2 環境與設置 ................................................................................................................................................................28
2.2 基本數據類型........................................................................................................................................................................31
2.2.1 變量及其賦值 ............................................................................................................................................................31
2.2.2 整數與浮點數 ............................................................................................................................................................32
2.2.3 復數與有理數 ............................................................................................................................................................35
2.2.4 字符與字符串 ............................................................................................................................................................36
2.3 數組........................................................................................................................................................................................40
2.3.1 數組的基本概念 ........................................................................................................................................................40
2.3.2 數組的基礎操作 ........................................................................................................................................................46
2.3.3 數組索引 ....................................................................................................................................................................50
2.4 元組與字典............................................................................................................................................................................54
2.4.1 元組............................................................................................................................................................................54
2.4.2 字典............................................................................................................................................................................55
第 3 章 MWORKS的數值運算與基礎函數..................................................................................................... 60
微課視頻 15 分鐘
3.1 數學運算符............................................................................................................................................................................60
IV MWORKS 實用教程：編程、計算與仿真
3.1.1 算術運算符 ................................................................................................................................................................60
3.1.2 位運算符 ....................................................................................................................................................................61
3.1.3 復合賦值運算符 ........................................................................................................................................................62
3.1.4 向量化“dot”運算符 ...............................................................................................................................................62
3.1.5 數值比較運算符 ........................................................................................................................................................62
3.2 運算符的優先級....................................................................................................................................................................64
3.3 算術運算函數........................................................................................................................................................................65
3.3.1 加法函數 ....................................................................................................................................................................65
3.3.2 減法函數 ....................................................................................................................................................................67
3.3.3 乘法函數 ....................................................................................................................................................................68
3.3.4 除法函數 ....................................................................................................................................................................69
3.4 其他運算函數........................................................................................................................................................................71
第 4 章 MWORKS的程序設計....................................................................................................................... 74
微課視頻 15 分鐘
4.1 復合表達式............................................................................................................................................................................74
4.2 條件表達式............................................................................................................................................................................75
4.2.1 if 語句.........................................................................................................................................................................75
4.2.2 三元運算符 ................................................................................................................................................................76
4.3 循環表達式............................................................................................................................................................................77
4.3.1 for 循環語句...............................................................................................................................................................77
4.3.2 while 循環語句 ..........................................................................................................................................................77
4.3.3 其他常用於循環表達式函數.....................................................................................................................................78
4.4 短路求值................................................................................................................................................................................79
4.5 異常處理................................................................................................................................................................................80
4.5.1 throw 函數..................................................................................................................................................................80
4.5.2 try/catch 語句 .............................................................................................................................................................80
4.5.3 finally 關鍵字.............................................................................................................................................................81
第 5 章 MWORKS的基礎繪圖函數 ............................................................................................................... 82
微課視頻 77 分鐘
5.1 線圖........................................................................................................................................................................................82
5.1.1 簡單線圖 ....................................................................................................................................................................83
5.1.2 對數圖 ........................................................................................................................................................................95
5.1.3 函數圖 ........................................................................................................................................................................98
5.2 數據分布圖..........................................................................................................................................................................101
5.2.1 直方圖 ......................................................................................................................................................................101
5.2.2 散點圖、餅圖和熱圖 ..............................................................................................................................................107
5.3 離散數據圖.......................................................................................................................................................................... 111
5.3.1 條形圖 ...................................................................................................................................................................... 111
5.3.2 針狀圖 ......................................................................................................................................................................116
5.4 極坐標圖..............................................................................................................................................................................119
目 錄 V
5.5 等高線圖、曲面圖和網格圖 ..............................................................................................................................................126
5.5.1 等高線圖 ..................................................................................................................................................................126
5.5.2 曲面圖和網格圖 ......................................................................................................................................................129
5.6 向量場..................................................................................................................................................................................134
5.7 標簽與註釋..........................................................................................................................................................................138
5.7.1 標簽..........................................................................................................................................................................138
5.7.2 註釋..........................................................................................................................................................................142
5.8 坐標區外觀..........................................................................................................................................................................149
5.8.1 坐標區範圍和縱橫比 ..............................................................................................................................................149
5.8.2 網格線、刻度值和標簽 ..........................................................................................................................................152
5.8.3 組合繪圖與圖塊化繪圖 ..........................................................................................................................................156
第二篇 MWORKS 工程應用
第 6 章 MWORKS控制系統基礎及穩定性分析 ........................................................................................... 163
微課視頻 46 分鐘
6.1 MWORKS 中控制系統常用工具箱 ...................................................................................................................................163
6.1.1 控制系統工具箱 ......................................................................................................................................................163
6.1.2 系統辨識工具箱 ......................................................................................................................................................164
6.1.3 魯棒控制工具箱 ......................................................................................................................................................165
6.2 動態系統的基本模型 ..........................................................................................................................................................165
6.2.1 傳遞函數模型 tf.......................................................................................................................................................165
6.2.2 零點增益模型 zpk....................................................................................................................................................171
6.2.3 狀態空間模型 ss ......................................................................................................................................................176
6.2.4 頻率響應數據模型 frd.............................................................................................................................................179
6.2.5 以 DSP 格式指定離散傳遞函數 filt........................................................................................................................180
6.2.6 生成隨機的連續時間狀態空間模型 rss .................................................................................................................182
6.2.7 生成隨機的離散時間狀態空間模型 drss ...............................................................................................................183
6.3 PID 控制器 ..........................................................................................................................................................................184
6.3.1 並行形式的 PID 控制器 ..........................................................................................................................................184
6.3.2 標準形式的 PID 控制器 ..........................................................................................................................................186
6.3.3 並行形式的二自由度 PID 控制器 ..........................................................................................................................188
6.3.4 標準形式的二自由度 PID 控制器 ..........................................................................................................................189
6.3.5 線性模型的 PID 整定算法 ......................................................................................................................................191
6.4 時域與頻域響應..................................................................................................................................................................191
6.4.1 時域響應 ..................................................................................................................................................................191
6.4.2 頻域響應 ..................................................................................................................................................................198
6.5 控制系統穩定性分析 ..........................................................................................................................................................204
6.5.1 極點和零點位置 ......................................................................................................................................................205
6.5.2 裕度..........................................................................................................................................................................207
VI MWORKS 實用教程：編程、計算與仿真
第 7 章 典型控制系統建模與仿真................................................................................................................. 211
微課視頻 12 分鐘
7.1 經典控制系統設計..............................................................................................................................................................211
7.1.1 動態系統的根軌跡圖繪制.......................................................................................................................................211
7.1.2 PI 控制器的參數配置二階系統的極點選擇 ..........................................................................................................213
7.1.3 傳遞函數 P(s)的穩定區域邊界生成 .......................................................................................................................213
7.2 線性二次調節器（LQR）設計 ..........................................................................................................................................214
7.3 極點配置問題......................................................................................................................................................................216
7.3.1 極點配置設計 ..........................................................................................................................................................216
7.3.2 阿克曼法進行極點配置 ..........................................................................................................................................218
第 8 章 數字圖像處理及可視化分析............................................................................................................. 219
微課視頻 18 分鐘
8.1 數字圖像處理工具箱 ..........................................................................................................................................................219
8.2 數字圖像處理的基本操作 ..................................................................................................................................................220
8.2.1 轉換圖像類型 ..........................................................................................................................................................220
8.2.2 修改圖像顏色 ..........................................................................................................................................................221
8.3 圖像的顯示與幾何變換 ......................................................................................................................................................224
8.3.1 圖像的顯示 ..............................................................................................................................................................224
8.3.2 圖像的幾何變換 ......................................................................................................................................................227
8.4 圖像濾波與分割方法 ..........................................................................................................................................................231
8.4.1 圖像濾波 ..................................................................................................................................................................231
8.4.2 圖像分割 ..................................................................................................................................................................233
第 9 章 MWORKS綜合案例分析 ................................................................................................................. 236
微課視頻 51 分鐘
9.1 MWORKS.Sysplorer 引例...................................................................................................................................................236
9.1.1 簡單一階系統 ..........................................................................................................................................................236
9.1.2 環境冷卻系統 ..........................................................................................................................................................238
9.1.3 電氣系統 ..................................................................................................................................................................240
9.1.4 機械系統 ..................................................................................................................................................................242
9.2 雙擺運動系統......................................................................................................................................................................244
9.2.1 雙擺運動系統介紹 ..................................................................................................................................................244
9.2.2 雙擺運動系統狀態反饋模型仿真分析...................................................................................................................245
9.2.3 雙擺運動系統物理模型仿真分析...........................................................................................................................247
9.3 光伏逆變器發電系統 ..........................................................................................................................................................250
9.3.1 光伏逆變器發電系統介紹.......................................................................................................................................250
9.3.2 光伏逆變器發電系統模型仿真分析.......................................................................................................................253
9.4 房屋溫度控制系統綜合案例 ..............................................................................................................................................254
9.4.1 房屋模型系統組成及其仿真...................................................................................................................................254
9.4.2 冷凝系統組成及其仿真 ..........................................................................................................................................256
9.4.3 基於 PID 的室內環境控制系統 ..............................................................................................................................258
參考文獻 ........................................................................................................................................................ 262
