《基於MATLAB/Simulink的系統仿真技術與套用（第2版）》是2012-7-19出版的一本圖書，作者薛定宇
基本介紹
- 書名：基於MATLAB/Simulink的系統仿真技術與套用（第2版）
- 作者：薛定宇
- ISBN：9787302238805
- 定價：42元
- 出版時間：2012-7-19
- 裝幀：平裝
圖書信息,圖書簡介,圖書前言,圖書目錄,
圖書信息
圖書簡介
本書首先介紹了MATLAB語言程式設計的基本內容，在此基礎上系統地介紹了系統仿真所必要的數值計算方法及MATLAB 實現，並以Simulink 為主要工具介紹了系統仿真方法與技巧，包括連續系統、離散系統、隨機輸入系統和複數系統的仿真，由淺入深地介紹了模組封裝技術、複雜模型的線性化、多領域物理建模思想及工程系統仿真、非工程系統建模與仿真、Stateflow有限狀態機及離散事件系統建模與仿真等中高級使用方法，最後還介紹了半實物仿真技術與實時控制技術。
圖書前言
子曰：“工欲善其事，必先利其器”（《論語·衛靈公篇》）。如果有一種十分有效的工具能容易地解決在系統仿真領域的教學與研究中遇到的問題，它可以將使用者從繁瑣、無謂的底層編程中解放出來，把有限的寶貴時間更多地花在解決科學問題中，這樣無疑會提高工作效率。本書介紹的MATLAB°R /Simulink°R 語言正是這樣的一種工具。在系統仿真、自動控制等領域，國外很多高校在教學與研究中都將MATLAB/Simulink 語言作為首選的計算機工具。我國的科學工作者和教育工作者也逐漸認識到MATLAB語言的重要性，對MATLAB語言在理工科教學與科研中的地位也達成了共識。
MATLAB 語言雖然是計算數學專家倡導並開發的，但其普及和發展離不開自動控制領域學者的貢獻。甚至可以說，MATLAB語言是自動控制領域學者和工程技術人員捧紅的，因為在MATLAB 語言的發展進程中，許多有代表性的成就和控制界的要求與貢獻是分不開的。迄今為止，大多數工具箱也都是控制方面的。MATLAB具有強大的數學運算能力、方便實用的繪圖功能及語言的高度集成性，它在其他科學與工程領域的套用也越來越廣，並且有著更廣闊的套用前景和無窮無盡的潛能。
MATLAB 語言雖然是計算數學專家倡導並開發的，但其普及和發展離不開自動控制領域學者的貢獻。甚至可以說，MATLAB語言是自動控制領域學者和工程技術人員捧紅的，因為在MATLAB 語言的發展進程中，許多有代表性的成就和控制界的要求與貢獻是分不開的。迄今為止，大多數工具箱也都是控制方面的。MATLAB具有強大的數學運算能力、方便實用的繪圖功能及語言的高度集成性，它在其他科學與工程領域的套用也越來越廣，並且有著更廣闊的套用前景和無窮無盡的潛能。
圖書目錄
第1章系統仿真技術與套用1
1.1 系統仿真技術概述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 仿真軟體的發展概況. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2.1 早期數學軟體包的發展概況. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.2 仿真軟體的發展概況. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 MATLAB語言簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.1 MATLAB語言發展簡史. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.2 MATLAB語言的特色. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.3 MATLAB版本選擇和建議. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4 本書的結構和代碼. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.1 本書的結構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.2 代碼下載和網上資源. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4.3 書中英文字型說明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5 習題. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
第2章MATLAB語言程式設計基礎11
2.1 MATLAB語言的基本使用環境. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.1 MATLAB語言環境操作界面. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.2 MATLAB的在線上幫助與電子版手冊. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 MATLAB語言的數據結構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.1 常量與變數. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.2 賦值語句. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.3 矩陣的MATLAB表示. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.4 多維數組的定義. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 MATLAB下矩陣的運算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 矩陣的比較關係. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.4 矩陣元素的數據變換. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
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函式編寫與技巧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5.1 MATLAB語言的函式的基本結構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5.2 可變輸入、輸出個數的處理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.5.3 MATLAB函式的跟蹤調試. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.5.4 偽代碼與代碼保密處理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.6 MATLAB語言下圖形的繪製與技巧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.6.1 基本二維圖形繪製語句. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.6.2 帶有其他選項的繪圖函式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.6.3 二維曲線的標註方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.6.4 在MATLAB圖形上添加文字標註. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.6.5 特殊圖形繪製函式及舉例. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.6.6 隱函式的曲線繪製. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.7 三維圖形的繪製方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.7.1 三維曲線的繪製方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.7.2 三維曲面的繪製方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.7.3 局部圖形的剪下處理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.8 MATLAB圖形用戶界面設計技術. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.8.1 圖形界面設計工具Guide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.8.2 句柄圖形學及句柄對象屬性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.8.3 選單系統設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.8.4 界面設計舉例與技巧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.8.5 工具列設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.9 提高MATLAB程式執行效率的技巧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.9.1 測定程式執行時間和時間分配. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.9.2 加快MATLAB程式執行速度的建議. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.9.3 Mex程式設計技術. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.10 習題. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
第3章MATLAB語言在現代科學運算中的套用61
3.1 解析解與數值解. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2 數值線性代數問題及求解. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.1 特殊矩陣的MATLAB輸入. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.2 矩陣基本分析與運算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2.3 矩陣逆與廣義逆運算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2.4 矩陣的相似變換與分解. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2.5 矩陣的特徵值與特徵向量. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.2.6 代數方程求解. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2.7 矩陣的非線性運算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.3 微積分問題的MATLAB求解. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3.1 微積分問題的解析解運算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3.2 數值差分與微分運算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.3.3 數值積分運算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.3.4 多重定積分的數值求解. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.4 常微分方程的數值解法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.4.1 常微分方程的數值解法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.4.2 MATLAB下的常微分方程求解函式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.4.3 微分方程組的變換和技巧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.4.4 微分方程數值解正確性的驗證. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.4.5 微分代數方程的數值解法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.4.6 線性隨機微分方程的數值解法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.4.7 常微分方程的解析求解方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.5 非線性方程與最最佳化問題求解. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.5.1 非線性方程組求解. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.5.2 無約束最最佳化問題求解. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.5.3 線性規劃問題. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.5.4 二次型規劃問題. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.5.5 一般非線性規劃問題求解. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.5.6 最最佳化問題的全局搜尋解法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.6 動態規劃及其在路徑規劃中的套用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.6.1 圖的矩陣表示方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.6.2 有向圖的路徑尋優. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.6.3 無向圖的路徑最優搜尋. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.7 數據插值與統計分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.7.1 一維數據的插值擬合. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.7.2 二維數據的插值擬合. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.7.3 最小二乘曲線擬合技術. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.7.4 數據簡單排序. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.7.5 快速Fourier 變換. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.7.6 數據分析與統計處理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.8 習題. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
第4章Simulink 下數學模型的建立與仿真129
4.1 Simulink 模組庫簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.1.1 信號源模組組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.1.2 連續模組組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4.1.3 離散模組組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.1.4 查表模組組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
4.1.5 用戶自定義函式模組組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.1.6 數學運算模組組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.1.7 非線性模組組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.1.8 輸出池模組組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.1.9 信號與系統模組組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.1.10 子系統模組組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4.1.11 常用模組組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.1.12 其他工具箱與模組集. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.2 Simulink 模型的建立. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.2.1 模型視窗建立. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.2.2 模組的連線與簡單處理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.2.3 模組的參數修改. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.3 模型的處理與仿真分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4.3.1 模型建立及建模技巧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4.3.2 仿真模型的模組瀏覽. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4.3.3 Simulink 模組的在線上幫助系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.3.4 Simulink 模型的輸出與列印. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
4.3.5 仿真環境的設定與啟動. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.3.6 Simulink 模型的測試與調試工具. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
4.4 Simulink 模型舉例. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
4.5 線性系統建模、仿真與分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4.5.1 線性系統模型的輸入. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4.5.2 基於Simulink 的線性系統分析界面. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
4.6 非線性隨機系統的仿真方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
4.6.1 Simulink 下的隨機信號仿真方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
4.6.2 仿真結果的統計分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
4.7 習題. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
第5章Simulink 常用模組介紹與套用技巧171
5.1 常用模組套用技巧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.1.1 向量化模組舉例. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.1.2 Simulink 模型的信號標識. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
5.1.3 線性多變數系統建模與仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
5.1.4 Simulink 的代數環及消除方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
5.1.5 Simulink 的過零點檢測與仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
5.2 非線性環節與查表環節構建. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
5.2.1 單值非線性模組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
5.2.2 多值非線性記憶模組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
5.2.3 多維查表模組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
5.2.4 靜態非線性模組的代碼實現. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
5.3 微分方程的Simulink 框圖求解. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
5.3.1 一般微分方程的Simulink 建模. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
5.3.2 微分代數方程的Simulink 建模與求解. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
5.3.3 延遲微分方程的Simulink 求解. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
5.3.4 切換微分方程的Simulink 求解. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
5.3.5 分數階微分方程的Simulink 求解. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
5.4 輸出模組庫. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
5.4.1 一般輸出模組庫. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
5.4.2 模型參數顯示與模型瀏覽器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
5.4.3 輸出信號的錶盤與量計顯示. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
5.4.4 輸出的數位訊號處理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
5.5 MATLAB/Simulink 仿真結果的三維動畫顯示. . . . . . . . . . . . . . . . . 207
5.5.1 虛擬現實基礎. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
5.5.2 VRealm 程式的配置與虛擬現實場景建模. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
5.5.3 在MATLAB下瀏覽虛擬現實場景. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
5.5.4 Simulink 下的三維動畫場景驅動. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
5.6 子系統與模組封裝技術. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
5.6.1 子系統的處理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
5.6.2 條件執行子系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
5.6.3 模組封裝技術. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
5.6.4 組建自己的模組庫. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
5.6.5 子系統套用舉例―― F14 戰鬥機仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
5.7 習題. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
第6章Simulink 仿真的高級技術231
6.1 Simulink 模型的語句修改. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
6.1.1 Simulink 模型與檔案的處理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
6.1.2 Simulink 模型與模型檔案. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
6.1.3 用語句繪製方框圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
6.2 系統仿真與線性化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
6.2.1 仿真過程的命令化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
6.2.2 非線性模型的線性化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
6.2.3 純時間延遲環節的Pad′e 近似. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
6.3 S-函式的編寫及套用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
6.3.1 用MATLAB語句編寫S-函式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
6.3.2 S-函式設計與套用舉例―― 自抗擾控制器仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . 248
6.3.3 二級S-函式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
6.3.4 用C語句編寫S-函式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
6.3.5 S-函式模組的封裝. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
6.4 仿真最佳化舉例―― 控制系統最優控制器設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
6.4.1 伺服控制的最優性能指標選擇. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
6.4.2 目標函式編寫及最優控制器設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
6.4.3 全局最最佳化方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
6.5 習題. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
第7章工程系統建模與仿真271
7.1 物理系統建模仿真模組集Simscape 簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
7.1.1 傳統框圖建模方法的局限性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
7.1.2 Simscape 簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
7.1.3 Simscape 基礎模組庫簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
7.1.4 兩類信號及其相互轉換. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
7.1.5 Simscape 模組定義語言入門. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
7.1.6 複雜電路網路建模與仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
7.2 電氣系統模組集簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
7.3 電子線路及其仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
7.3.1 SimElectronics 模組集簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
7.3.2 模擬電子線路仿真舉例. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
7.3.3 數字電子線路仿真舉例. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
7.3.4 電力電子系統仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
7.3.5 將Spice 模組嵌入Simulink 仿真模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
7.4 電機拖動系統仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
7.4.1 直流電機拖動系統仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
7.4.2 交流電機拖動仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
7.5 機械系統建模與仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
7.5.1 簡單力學系統的仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
7.5.2 SimMechanics 簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
7.5.3 機構系統仿真舉例. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
7.5.4 Simulink 與其他CAD軟體的接口. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
7.6 習題. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
第8章非工程系統的建模與仿真319
8.1 藥物動力學系統建模與仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
8.1.1 藥物動力學系統簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
8.1.2 藥物動力學系統的艙室模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
8.1.3 基於生理的藥物動力學建模及Simulink 仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
8.1.4 藥效學建模. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
8.1.5 麻醉過程的非線性廣義預測控制. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
8.2 影像與圖像處理系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
8.2.1 圖像與影像讀取. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
8.2.2 圖像與影像的顯示與輸出. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
8.2.3 圖像處理基本模組介紹. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
8.2.4 圖像與影像的處理入門. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
8.2.5 圖像影像的實時處理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
8.3 有限狀態機仿真及Stateflow套用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
8.3.1 有限狀態機簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
8.3.2 Stateflow套用基礎. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
8.3.3 Stateflow的常用命令. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
8.3.4 Stateflow套用舉例. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
8.3.5 用Stateflow描述流程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
8.4 基於SimEvents 的離散事件系統仿真方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
8.4.1 離散事件動態系統基本概念. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
8.4.2 SimEvents 模組集簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
8.4.3 排隊服務模型建模與仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
8.5 習題. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
第9章半實物仿真與實時控制367
9.1 Simulink 仿真的實時工具RTW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
9.1.1 半實物仿真簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
9.1.2 獨立程式的自動生成. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
9.1.3 實時仿真與目標計算機仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
9.1.4 基於xPC Target 的半實物仿真方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
9.2 dSPACE簡介與常用模組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
9.2.1 dSPACE簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
9.2.2 dSPACE模組組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
9.3 Quanser 簡介與常用模組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
9.3.1 Quanser 簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
9.3.2 Quanser 常用模組介紹. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
9.3.3 Quanser 旋轉運動控制系列實驗受控對象簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . 381
9.4 半實物仿真與實時控制實例. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
9.4.1 受控對象的數學描述與仿真研究. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
9.4.2 Quanser 實時控制實驗. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
9.4.3 dSPACE實時控制實驗. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
9.5 基於NIAT的低成本半實物仿真簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
9.5.1 NIAT模組集常用模組簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
9.5.2 Pendubot 系統的數學模型、控制與仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
9.5.3 Pendubot 控制系統的半實物仿真實驗. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
9.6 習題. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
參考文獻395
附錄A MATLAB函式索引399
附錄B 關鍵字索引405
1.1 系統仿真技術概述. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 仿真軟體的發展概況. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2.1 早期數學軟體包的發展概況. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.2 仿真軟體的發展概況. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 MATLAB語言簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.1 MATLAB語言發展簡史. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3.2 MATLAB語言的特色. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.3 MATLAB版本選擇和建議. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4 本書的結構和代碼. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.1 本書的結構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4.2 代碼下載和網上資源. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4.3 書中英文字型說明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5 習題. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
第2章MATLAB語言程式設計基礎11
2.1 MATLAB語言的基本使用環境. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.1 MATLAB語言環境操作界面. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.2 MATLAB的在線上幫助與電子版手冊. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 MATLAB語言的數據結構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.1 常量與變數. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.2 賦值語句. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.3 矩陣的MATLAB表示. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2.4 多維數組的定義. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 MATLAB下矩陣的運算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 矩陣的比較關係. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3.4 矩陣元素的數據變換. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
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函式編寫與技巧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5.1 MATLAB語言的函式的基本結構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5.2 可變輸入、輸出個數的處理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.5.3 MATLAB函式的跟蹤調試. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.5.4 偽代碼與代碼保密處理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.6 MATLAB語言下圖形的繪製與技巧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.6.1 基本二維圖形繪製語句. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.6.2 帶有其他選項的繪圖函式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.6.3 二維曲線的標註方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.6.4 在MATLAB圖形上添加文字標註. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.6.5 特殊圖形繪製函式及舉例. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.6.6 隱函式的曲線繪製. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.7 三維圖形的繪製方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.7.1 三維曲線的繪製方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.7.2 三維曲面的繪製方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.7.3 局部圖形的剪下處理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.8 MATLAB圖形用戶界面設計技術. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.8.1 圖形界面設計工具Guide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.8.2 句柄圖形學及句柄對象屬性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.8.3 選單系統設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.8.4 界面設計舉例與技巧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.8.5 工具列設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.9 提高MATLAB程式執行效率的技巧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.9.1 測定程式執行時間和時間分配. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.9.2 加快MATLAB程式執行速度的建議. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.9.3 Mex程式設計技術. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.10 習題. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
第3章MATLAB語言在現代科學運算中的套用61
3.1 解析解與數值解. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2 數值線性代數問題及求解. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.1 特殊矩陣的MATLAB輸入. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.2 矩陣基本分析與運算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2.3 矩陣逆與廣義逆運算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.2.4 矩陣的相似變換與分解. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2.5 矩陣的特徵值與特徵向量. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.2.6 代數方程求解. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2.7 矩陣的非線性運算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.3 微積分問題的MATLAB求解. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3.1 微積分問題的解析解運算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.3.2 數值差分與微分運算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.3.3 數值積分運算. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.3.4 多重定積分的數值求解. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.4 常微分方程的數值解法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.4.1 常微分方程的數值解法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.4.2 MATLAB下的常微分方程求解函式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.4.3 微分方程組的變換和技巧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.4.4 微分方程數值解正確性的驗證. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.4.5 微分代數方程的數值解法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.4.6 線性隨機微分方程的數值解法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.4.7 常微分方程的解析求解方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.5 非線性方程與最最佳化問題求解. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.5.1 非線性方程組求解. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
3.5.2 無約束最最佳化問題求解. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.5.3 線性規劃問題. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.5.4 二次型規劃問題. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.5.5 一般非線性規劃問題求解. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.5.6 最最佳化問題的全局搜尋解法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.6 動態規劃及其在路徑規劃中的套用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.6.1 圖的矩陣表示方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.6.2 有向圖的路徑尋優. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
3.6.3 無向圖的路徑最優搜尋. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.7 數據插值與統計分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.7.1 一維數據的插值擬合. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.7.2 二維數據的插值擬合. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3.7.3 最小二乘曲線擬合技術. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.7.4 數據簡單排序. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.7.5 快速Fourier 變換. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.7.6 數據分析與統計處理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.8 習題. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
第4章Simulink 下數學模型的建立與仿真129
4.1 Simulink 模組庫簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.1.1 信號源模組組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.1.2 連續模組組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
4.1.3 離散模組組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.1.4 查表模組組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
4.1.5 用戶自定義函式模組組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.1.6 數學運算模組組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.1.7 非線性模組組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.1.8 輸出池模組組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.1.9 信號與系統模組組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.1.10 子系統模組組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4.1.11 常用模組組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.1.12 其他工具箱與模組集. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.2 Simulink 模型的建立. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.2.1 模型視窗建立. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.2.2 模組的連線與簡單處理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.2.3 模組的參數修改. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.3 模型的處理與仿真分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4.3.1 模型建立及建模技巧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4.3.2 仿真模型的模組瀏覽. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4.3.3 Simulink 模組的在線上幫助系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.3.4 Simulink 模型的輸出與列印. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
4.3.5 仿真環境的設定與啟動. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.3.6 Simulink 模型的測試與調試工具. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
4.4 Simulink 模型舉例. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
4.5 線性系統建模、仿真與分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4.5.1 線性系統模型的輸入. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4.5.2 基於Simulink 的線性系統分析界面. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
4.6 非線性隨機系統的仿真方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
4.6.1 Simulink 下的隨機信號仿真方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
4.6.2 仿真結果的統計分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
4.7 習題. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
第5章Simulink 常用模組介紹與套用技巧171
5.1 常用模組套用技巧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.1.1 向量化模組舉例. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.1.2 Simulink 模型的信號標識. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
5.1.3 線性多變數系統建模與仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
5.1.4 Simulink 的代數環及消除方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
5.1.5 Simulink 的過零點檢測與仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
5.2 非線性環節與查表環節構建. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
5.2.1 單值非線性模組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
5.2.2 多值非線性記憶模組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
5.2.3 多維查表模組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
5.2.4 靜態非線性模組的代碼實現. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
5.3 微分方程的Simulink 框圖求解. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
5.3.1 一般微分方程的Simulink 建模. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
5.3.2 微分代數方程的Simulink 建模與求解. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
5.3.3 延遲微分方程的Simulink 求解. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
5.3.4 切換微分方程的Simulink 求解. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
5.3.5 分數階微分方程的Simulink 求解. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
5.4 輸出模組庫. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
5.4.1 一般輸出模組庫. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
5.4.2 模型參數顯示與模型瀏覽器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
5.4.3 輸出信號的錶盤與量計顯示. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
5.4.4 輸出的數位訊號處理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
5.5 MATLAB/Simulink 仿真結果的三維動畫顯示. . . . . . . . . . . . . . . . . 207
5.5.1 虛擬現實基礎. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
5.5.2 VRealm 程式的配置與虛擬現實場景建模. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
5.5.3 在MATLAB下瀏覽虛擬現實場景. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
5.5.4 Simulink 下的三維動畫場景驅動. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
5.6 子系統與模組封裝技術. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
5.6.1 子系統的處理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
5.6.2 條件執行子系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
5.6.3 模組封裝技術. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
5.6.4 組建自己的模組庫. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
5.6.5 子系統套用舉例―― F14 戰鬥機仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
5.7 習題. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
第6章Simulink 仿真的高級技術231
6.1 Simulink 模型的語句修改. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
6.1.1 Simulink 模型與檔案的處理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
6.1.2 Simulink 模型與模型檔案. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
6.1.3 用語句繪製方框圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
6.2 系統仿真與線性化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
6.2.1 仿真過程的命令化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
6.2.2 非線性模型的線性化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
6.2.3 純時間延遲環節的Pad′e 近似. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
6.3 S-函式的編寫及套用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
6.3.1 用MATLAB語句編寫S-函式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
6.3.2 S-函式設計與套用舉例―― 自抗擾控制器仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . 248
6.3.3 二級S-函式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
6.3.4 用C語句編寫S-函式. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
6.3.5 S-函式模組的封裝. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
6.4 仿真最佳化舉例―― 控制系統最優控制器設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
6.4.1 伺服控制的最優性能指標選擇. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
6.4.2 目標函式編寫及最優控制器設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
6.4.3 全局最最佳化方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
6.5 習題. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
第7章工程系統建模與仿真271
7.1 物理系統建模仿真模組集Simscape 簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
7.1.1 傳統框圖建模方法的局限性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
7.1.2 Simscape 簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
7.1.3 Simscape 基礎模組庫簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
7.1.4 兩類信號及其相互轉換. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
7.1.5 Simscape 模組定義語言入門. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
7.1.6 複雜電路網路建模與仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
7.2 電氣系統模組集簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
7.3 電子線路及其仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
7.3.1 SimElectronics 模組集簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
7.3.2 模擬電子線路仿真舉例. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
7.3.3 數字電子線路仿真舉例. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
7.3.4 電力電子系統仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
7.3.5 將Spice 模組嵌入Simulink 仿真模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
7.4 電機拖動系統仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
7.4.1 直流電機拖動系統仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
7.4.2 交流電機拖動仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
7.5 機械系統建模與仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
7.5.1 簡單力學系統的仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
7.5.2 SimMechanics 簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
7.5.3 機構系統仿真舉例. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
7.5.4 Simulink 與其他CAD軟體的接口. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
7.6 習題. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
第8章非工程系統的建模與仿真319
8.1 藥物動力學系統建模與仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
8.1.1 藥物動力學系統簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
8.1.2 藥物動力學系統的艙室模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
8.1.3 基於生理的藥物動力學建模及Simulink 仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
8.1.4 藥效學建模. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
8.1.5 麻醉過程的非線性廣義預測控制. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
8.2 影像與圖像處理系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
8.2.1 圖像與影像讀取. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
8.2.2 圖像與影像的顯示與輸出. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
8.2.3 圖像處理基本模組介紹. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
8.2.4 圖像與影像的處理入門. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
8.2.5 圖像影像的實時處理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
8.3 有限狀態機仿真及Stateflow套用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
8.3.1 有限狀態機簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
8.3.2 Stateflow套用基礎. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
8.3.3 Stateflow的常用命令. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
8.3.4 Stateflow套用舉例. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
8.3.5 用Stateflow描述流程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
8.4 基於SimEvents 的離散事件系統仿真方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
8.4.1 離散事件動態系統基本概念. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
8.4.2 SimEvents 模組集簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
8.4.3 排隊服務模型建模與仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
8.5 習題. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
第9章半實物仿真與實時控制367
9.1 Simulink 仿真的實時工具RTW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
9.1.1 半實物仿真簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
9.1.2 獨立程式的自動生成. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369
9.1.3 實時仿真與目標計算機仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
9.1.4 基於xPC Target 的半實物仿真方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
9.2 dSPACE簡介與常用模組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
9.2.1 dSPACE簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
9.2.2 dSPACE模組組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
9.3 Quanser 簡介與常用模組. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
9.3.1 Quanser 簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
9.3.2 Quanser 常用模組介紹. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
9.3.3 Quanser 旋轉運動控制系列實驗受控對象簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . 381
9.4 半實物仿真與實時控制實例. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
9.4.1 受控對象的數學描述與仿真研究. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
9.4.2 Quanser 實時控制實驗. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
9.4.3 dSPACE實時控制實驗. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
9.5 基於NIAT的低成本半實物仿真簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
9.5.1 NIAT模組集常用模組簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
9.5.2 Pendubot 系統的數學模型、控制與仿真. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
9.5.3 Pendubot 控制系統的半實物仿真實驗. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
9.6 習題. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
參考文獻395
附錄A MATLAB函式索引399
附錄B 關鍵字索引405
