基於MATLAB/Simulink的系統仿真技術與應用（第3版）
薛定宇
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目錄大綱
目 錄
第1 章系統仿真技術與應用 1
1.1 系統仿真技術概述 1
1.2 仿真模式與軟件的發展概況 2
1.2.1 模擬與混合計算機仿真 2
1.2.2 數字計算機仿真語言 2
1.2.3 ACSL 仿真語言簡介 3
1.3 MATLAB 與Simulink 簡介 4
1.3.1 MATLAB 語言發展過程 4
1.3.2 MATLAB 語言的特色 5
1.3.3 Simulink 簡介 6
1.4 本書的結構和代碼 6
1.4.1 本書的結構 6
1.4.2 代碼下載和網上資源 7
1.5 習題 7
參考文獻 8
第2 章MATLAB 程序設計基礎 9
2.1 MATLAB 語言的基本使用環境 9
2.1.1 MATLAB 語言環境操作界面 9
2.1.2 MATLAB 的聯機幫助與電子版手冊 10
2.2 MATLAB 語言的數據結構 10
2.2.1 變量與常量 11
2.2.2 賦值語句 12
2.2.3 矩陣的MATLAB 表示 12
2.2.4 符號變量與符號型函數 13
2.2.5 多維數組 15
2.2.6 單元數組 16
2.3 MATLAB 下簡單數學運算 16
2.3.1 矩陣的代數運算 16
2.3.2 矩陣的邏輯運算 19
2.3.3 矩陣的比較關系 20
2.3.4 矩陣元素的數據變換 20
2.3.5 超越函數運算 21
2.4 流程控制結構 21
2.4.1 循環語句結構 21
2.4.2 條件轉移語句結構 22
2.4.3 開關語句結構 23
2.4.4 試探式語句結構 24
2.5 MATLAB 函數編寫與技巧 24
2.5.1 MATLAB 語言的函數的基本結構 24
2.5.2 函數名的命名規則 26
2.5.3 輸入變元的檢測 26
2.5.4 可變輸入輸出個數的處理 28
2.5.5 偽代碼與代碼保密處理 28
2.6 二維圖形的繪制方法 29
2.6.1 基本二維圖形繪制語句 30
2.6.2 已知數學函數的曲線繪制 31
2.6.3 帶有其他選項的繪圖函數 33
2.6.4 二維曲線的標註方法 34
2.6.5 在MATLAB 圖形上添加文字標註 35
2.6.6 特殊圖形繪制函數及舉例 35
2.7 三維圖形的繪制方法 36
2.7.1 三維曲線的繪制方法 36
2.7.2 三維曲面的繪制方法 37
2.7.3 局部圖形的剪切處理 38
2.7.4 三維隱函數的曲面函數 39
2.8 MATLAB 圖形用戶界面設計技術 40
2.8.1 圖形界面設計工具App Designer 40
2.8.2 簡單對話框與標準對話框 42
2.8.3 菜單系統設計 43
2.8.4 界面設計舉例與技巧 43
2.9 提高MATLAB 程序執行效率的技巧 46
2.9.1 測定程序執行時間和時間分配 46
2.9.2 加快MATLAB 程序執行速度的建議 46
2.9.3 分段函數的向量化計算方法 48
2.9.4 由MATLAB 調用Python 函數 49
2.10 基於人工智能大模型的半自動編程 50
2.11 習題 52
參考文獻 54
第3 章科學運算問題的求解 55
3.1 解析解與數值解 55
3.2 線性代數問題及求解 56
3.2.1 特殊矩陣的MATLAB 輸入 56
3.2.2 矩陣基本分析與運算 59
3.2.3 矩陣逆與廣義逆運算 62
3.2.4 矩陣的相似變換與分解 63
3.2.5 矩陣的特征值與特征向量 67
3.2.6 代數方程求解 67
3.2.7 矩陣函數運算 71
3.3 微積分問題的MATLAB 求解 72
3.3.1 微積分問題的解析解運算 72
3.3.2 數值差分與微分運算 73
3.3.3 數值積分運算 75
3.3.4 雙重定積分的數值求解 76
3.4 常微分方程的數值解法 77
3.4.1 常微分方程的數值解法 78
3.4.2 MATLAB 下的常微分方程求解函數 78
3.4.3 微分方程組的變換和技巧 84
3.4.4 微分方程數值解正確性的驗證 86
3.4.5 微分代數方程的數值解法 86
3.4.6 線性隨機微分方程的數值解法 88
3.4.7 常微分方程的解析求解方法 90
3.5 非線性方程與最優化問題求解 91
3.5.1 非線性方程組求解 91
3.5.2 多解矩陣方程的求解 93
3.5.3 無約束最優化問題求解 95
3.5.4 線性規劃問題 96
3.5.5 二次型規劃問題 98
3.5.6 一般非線性規劃問題求解 98
3.5.7 基於問題的描述與求解方法 100
3.5.8 最優化問題的全局搜索解法 101
3.6 動態規劃及其在路徑規劃中的應用 102
3.6.1 圖的矩陣表示方法 102
3.6.2 有向圖的路徑尋優 103
3.6.3 無向圖的路徑最優搜索 105
3.7 數據插值與統計分析 105
3.7.1 一維數據的插值擬合 105
3.7.2 二維數據的插值擬合 106
3.7.3 最小二乘曲線擬合技術 108
3.7.4 數據簡單排序 109
3.7.5 快速Fourier 變換 109
3.7.6 數據分析與統計處理 110
3.8 習題 114
參考文獻 120
第4 章Simulink 建模與仿真 121
4.1 Simulink 庫瀏覽器與常用模塊 122
4.1.1 啟動Simulink 122
4.1.2 輸入輸出類模塊組 124
4.1.3 控制系統類模塊組 125
4.1.4 信號計算與處理模塊組 129
4.1.5 常用模塊組 132
4.1.6 其他工具箱與模塊集 132
4.2 Simulink 模型創建方法 133
4.2.1 模型窗口建立 133
4.2.2 模塊的連接與簡單處理 134
4.2.3 模塊的參數修改 135
4.3 模型的處理與仿真分析 137
4.3.1 模型建立及建模技巧 137
4.3.2 仿真模型的模塊瀏覽 138
4.3.3 Simulink 模塊的聯機幫助系統 139
4.3.4 Simulink 模型的打印與輸出 140
4.3.5 仿真環境設置與Simulink 模板 140
4.3.6 Simulink 仿真結果的驗證 142
4.4 Simulink 建模與仿真舉例 142
4.5 線性系統建模、仿真與分析 147
4.5.1 線性系統模型的輸入 147
4.5.2 線性系統模型的Simulink 表示 147
4.5.3 線性系統的分析 149
4.6 非線性隨機系統的仿真方法 149
4.6.1 Simulink 下的隨機信號仿真方法 150
4.6.2 仿真結果的統計分析 150
4.7 習題 153
參考文獻 156
第5 章Simulink 建模與仿真技巧 157
5.1 常用建模應用技巧 157
5.1.1 向量化模塊舉例 157
5.1.2 Simulink 模型的信號標識與排序 160
5.1.3 Simulink 的代數環及消除方法 161
5.1.4 過零點檢測 163
5.1.5 仿真過程的快速重啟 164
5.2 非線性環節與查表環節構建 164
5.2.1 單值非線性模塊 165
5.2.2 多值非線性記憶模塊 167
5.2.3 多維查表模塊 170
5.2.4 靜態非線性模塊的代碼實現 171
5.3 微分方程的Simulink 框圖求解 172
5.3.1 一般微分方程的Simulink 建模技巧 172
5.3.2 微分代數方程的Simulink 建模與求解 174
5.3.3 延遲微分方程的Simulink 求解 174
5.3.4 切換微分方程的Simulink 求解 177
5.3.5 分數階微分方程的Simulink 求解 178
5.4 輸出型模塊 182
5.4.1 Sinks 模塊組 182
5.4.2 信號查看器 183
5.4.3 仿真數據檢查器 184
5.4.4 表盤與量計顯示 184
5.4.5 輸出信號的數字信號處理 186
5.4.6 避免交叉連線的方法 187
5.5 Simulink 仿真結果的三維動畫顯示 188
5.5.1 虛擬現實基礎 188
5.5.2 Simulink 三維動畫模型編輯器 189
5.5.3 Simulink 下的三維動畫場景驅動 191
5.5.4 新版本的三維動畫處理 192
5.6 子系統與模塊封裝技術 195
5.6.1 子系統的處理 195
5.6.2 條件執行子系統 197
5.6.3 模塊封裝技術 199
5.6.4 封裝模塊的圖標設計 201
5.6.5 組建自己的模塊庫 204
5.6.6 子系統應用舉例——F-14 戰鬥機仿真 205
5.7 習題 207
參考文獻 210
第6 章Simulink 仿真的高級技術 213
6.1 Simulink 模型的語句修改 213
6.1.1 Simulink 模型與文件的處理 214
6.1.2 Simulink 模型與模型文件 214
6.1.3 用語句繪制Simulink 模型 215
6.2 系統仿真進程控制與線性化 220
6.2.1 仿真進程的命令化 220
6.2.2 Simulink 仿真的輸入與輸出數據結構 221
6.2.3 並行仿真 222
6.2.4 非線性模型的線性化 223
6.2.5 延遲環節的Padé 近似 226
6.2.6 非線性系統的穩定性分析 228
6.3 S-函數的編寫及應用 229
6.3.1 系統的狀態方程描述 230
6.3.2 一級S-函數的基本結構 230
6.3.3 S-函數的運行機制 231
6.3.4 S-函數的響應函數 231
6.3.5 S-函數編程實例 232
6.3.6 S-函數模塊的封裝 237
6.3.7 二級S-函數簡介 238
6.3.8 二級S-函數的半自動轉換 240
6.4 S-函數舉例：自抗擾控制器 240
6.4.1 擴張狀態觀測器的建模 241
6.4.2 自抗擾控制器的建模 242
6.4.3 自抗擾控制系統的仿真 243
6.5 仿真優化舉例：最優控制器設計 245
6.5.1 伺服控制的最優性能指標選擇 246
6.5.2 目標函數編寫及最優控制器設計 246
6.5.3 最優PID 控制器設計界面 248
6.6 基於千問3 的Simulink 建模方法 251
6.7 習題 253
參考文獻 256
第7 章工程系統建模與仿真 257
7.1 物理系統建模仿真模塊集Simscape 簡介 257
7.1.1 數學模型與物理模型 257
7.1.2 Simscape 簡介 259
7.1.3 Simscape 基礎模塊庫簡介 259
7.1.4 兩類信號及其相互轉換 261
7.1.5 空白物理模型窗口的創建 262
7.2 電氣系統建模與仿真 262
7.2.1 基於基礎模塊集的建模與仿真 262
7.2.2 Simscape 語言簡介 265
7.2.3 復雜電路網絡建模與仿真 266
7.2.4 專業的電氣系統模塊集 268
7.3 電子線路及其仿真 269
7.3.1 模擬電子線路仿真舉例 269
7.3.2 數字電子線路仿真舉例 272
7.3.3 電力電子系統建模與仿真 275
7.4 機械系統建模與仿真 278
7.4.1 簡單力學系統的仿真 278
7.4.2 Multibody 模塊集簡介 280
7.4.3 機構系統仿真舉例 283
7.5 習題 285
參考文獻 288
第8 章非工程系統的建模與仿真 289
8.1 藥物動力學系統建模與仿真 289
8.1.1 藥物動力學系統簡介 289
8.1.2 藥物動力學系統的艙室模型 290
8.1.3 基於生理的藥物動力學建模及Simulink 仿真 292
8.1.4 藥效學建模 297
8.1.5 麻醉過程的非線性廣義預測控制 298
8.2 音頻處理系統 299
8.2.1 音頻處理工具箱簡介 300
8.2.2 音頻信息的輸入與輸出 300
8.2.3 常用音頻模塊組簡介 303
8.2.4 簡單音頻處理系統實例 304
8.2.5 實時語音處理 306
8.2.6 基於深度學習的音頻分類 307
8.3 影像與圖像處理系統 308
8.3.1 圖像與影像讀取 309
8.3.2 圖像與影像的顯示與輸出 310
8.3.3 圖像處理基本模塊介紹 311
8.3.4 圖像與影像的處理入門 314
8.3.5 圖像影像的實時處理 319
8.4 有限狀態機仿真及Stateflow 應用 322
8.4.1 有限狀態機簡介 322
8.4.2 Stateflow 應用基礎 323
8.4.3 Stateflow 建模舉例 325
8.5 基於SimEvents 的離散事件系統仿真方法 330
8.5.1 離散事件動態系統基本概念 330
8.5.2 SimEvents 模塊集簡介 331
8.5.3 離散事件系統仿真演示 332
8.6 習題 337
參考文獻 338
MATLAB 函數名索引 341
術語索引 347
