《 薛定宇教授大講堂（卷Ⅵ）：Simulink建模與仿真》是2021年清華大學出版社出版的一本圖書，作者是薛定宇。
基本介紹
- 書名： 薛定宇教授大講堂（卷Ⅵ）：Simulink建模與仿真
- 作者：薛定宇
- 出版社：清華大學出版社
- 出版時間：2021年7月1日
- 定價：89 元
- ISBN：9787302576358
- 印次：1-1
內容簡介,目錄,
內容簡介
本書系統介紹基於Simulink的系統建模與仿真方法，包括Simulink仿真環境與操作方法、微分方程的Simulink建模、控制系統的建模方法、S-函式編寫、子系統與模組封裝、多媒體信息處理、工程與非工程系統的仿真方法。本書還將介紹將Simulink仿真與數值**化技術有機結合，解決微分方程邊值問題與**控制問題的求解方法。本書可作為一般讀者系統學習Simulink建模與仿真的輔助教材。本書還可以作為高等學校理工科各類專業的本科生和研究生學習系統仿真技術的教材或參考書或查詢仿真問題求解方法的手冊。
目錄
CONTENTS
第1 章Simulink 與系統仿真 1
1.1 系統仿真技術概述 1
1.2 數學建模與物理建模2
1.3 計算機仿真工具發展概述 4
1.3.1 模擬與混合計算機仿真 4
1.3.2 數字計算機仿真語言 5
1.3.3 面向對象的仿真語言 7
1.3.4 MATLAB 與Simulink 發展歷程 7
1.4 本書的主要結構與說明 8
1.4.1 本書的結構 8
1.4.2 排版的特殊說明 10
本章習題 10
第2 章Simulink 的常用模組 12
2.1 Simulink 環境的啟動12
2.1.1 基於界面的啟動方法 13
2.1.2 MATLAB 命令式啟動方法 15
2.1.3 信號線與模組端子 16
2.2 輸入輸出類模組組 17
2.2.1 輸入信號源模組組 17
2.2.2 信號構造器界面 21
2.2.3 輸出池模組組21
2.2.4 儀錶板模組組24
2.3 系統類模組組 26
2.3.1 線性連續模組組 26
2.3.2 線性離散模組組 28
2.3.3 不連續模組組29
iv 薛定宇教授大講堂（卷VI）：Simulink 建模與仿真
2.4 數學運算與處理類模組組 31
2.4.1 數學運算模組組 31
2.4.2 自定義函式模組組 33
2.4.3 查表模組組 34
2.4.4 邏輯與位操作模組組 35
2.5 信號操作類模組組 36
2.5.1 信號路由模組組 36
2.5.2 信號屬性模組組 38
2.5.3 端子與子系統模組組 38
2.6 Simulink 工具箱與模組集 39
本章習題 40
第3 章模組處理與模型選單系統 43
3.1 模組的簡單處理與修飾 43
3.1.1 模組的快捷選單 44
3.1.2 模組的複製與移動 44
3.1.3 模組的字型設定 45
3.1.4 模組的連線 46
3.1.5 模組的旋轉與翻轉 47
3.1.6 模組的顏色設定和陰影設定 48
3.2 模組的參數修改 49
3.2.1 參數對話框常用控制項 50
3.2.2 參數對話框的信息填寫 52
3.3 早期版本Simulink 的選單系統 53
3.3.1 檔案管理選單54
3.3.2 Edit、View 與Display 選單58
3.3.3 模型操作選單59
3.3.4 仿真參數設定選單 60
3.3.5 分析工具選單62
3.4 新版本的工具列與選單系統 64
3.4.1 仿真參數與設定 64
3.4.2 跟蹤與調試 66
3.4.3 模型搭建與仿真參數的設定 66
3.4.4 格式設定 68
3.4.5 APP 調用 69
3.5 模型瀏覽器的操作界面 69
本章習題 71
目 錄v
第4 章常微分方程建模與仿真 72
4.1 Simulink 的模板設計72
4.1.1 微分方程建模的一般準則 73
4.1.2 簡單微分方程的框圖建模舉例73
4.1.3 新模型模板的設計 75
4.1.4 仿真的終止條件 77
4.1.5 過零點檢測 78
4.2 一階顯式微分方程組的建模 80
4.2.1 關鍵信號的定義與生成 80
4.2.2 數值解的檢驗與控制參數設定82
4.2.3 向量化的建模方法 84
4.2.4 一階顯式微分方程組的通用框架 85
4.2.5 一階時變顯式微分方程組的模型框架 88
4.3 一般高階微分方程的建模 89
4.3.1 關鍵信號的定義 89
4.3.2 高階線性微分方程的建模 90
4.3.3 常係數線性微分方程的傳遞函式模型 93
4.3.4 一般高階非線性微分方程建模96
4.3.5 高階隱式微分方程的建模方法96
4.3.6 不連續微分方程的建模 99
4.4 高階微分方程組的建模 101
4.4.1 微分方程組的建模思路 101
4.4.2 多個微分方程的求解方法 103
4.4.3 延遲微分方程組的求解方法 103
4.4.4 中立型延遲微分方程 106
4.4.5 切換微分方程107
4.4.6 隨機輸入微分方程 109
4.5 分數階微分方程的建模與求解 111
4.5.1 分數階微積分簡介 111
4.5.2 分數階微積分運算元的逼近 112
4.5.3 分數階微分方程的建模與求解115
4.6 差分方程的建模 117
本章習題 120
第5 章控制系統的Simulink 建模 126
5.1 連續線性模型的Simulink 建模 126
5.1.1 傳遞函式模型127
vi 薛定宇教授大講堂（卷VI）：Simulink 建模與仿真
5.1.2 狀態方程模型128
5.1.3 線性奇異系統的狀態方程模型129
5.1.4 帶有非零初值的傳遞函式模型132
5.1.5 傳遞函式矩陣的Simulink 建模136
5.1.6 可變參數線性系統的Simulink 建模138
5.2 離散線性模型的建模與仿真 139
5.2.1 離散線性系統的數學模型 139
5.2.2 連續離散模型的相互轉換 140
5.2.3 離散模型的Simulink 建模 141
5.2.4 仿真控制參數對離散系統的影響 143
5.2.5 離散參數精度對仿真結果的影響 144
5.3 非線性環節的Simulink 構造 145
5.3.1 查表模組 145
5.3.2 單值非線性模組的搭建 146
5.3.3 雙值非線性模組的搭建 147
5.3.4 多維查表模組149
5.4 模組運行的自動排序151
5.5 非線性控制系統的近似方法 154
5.5.1 延遲環節的Padé 近似 154
5.5.2 Simulink 模型的線性化 155
5.5.3 代數環現象與代數環消除 160
本章習題 164
第6 章子系統與模組封裝 169
6.1 子系統建模 169
6.1.1 子系統的構建與提取 170
6.1.2 避免交叉連線的方法 172
6.1.3 Simulink 模型的嵌入 174
6.2 複雜的流程子系統 175
6.2.1 使能與觸發子系統 175
6.2.2 條件轉移子系統 178
6.2.3 其他流程控制子系統 179
6.3 模組封裝 180
6.3.1 封裝模組的圖示設計 180
6.3.2 圖示其他屬性的設計與修飾 184
6.3.3 封裝模組的參數對話框設計 185
6.3.4 控制項的回調函式 190
目 錄vii
6.3.5 封裝模組的初始化 191
6.3.6 封裝模組的文檔與幫助信息 192
6.3.7 模組封裝舉例193
6.3.8 取消模組封裝狀態 195
6.4 Simulink 模型的語句繪製 195
6.4.1 建立空白的Simulink 模型 195
6.4.2 模組的複製 198
6.4.3 模組的連線 199
6.4.4 模組參數的填寫 201
6.4.5 利用語句的建模舉例 202
6.4.6 基於MATLAB 命令的模組封裝 205
6.5 用MATLAB 命令控制仿真進程207
6.5.1 用MATLAB 啟動仿真過程 207
6.5.2 仿真參數的設定 208
6.5.3 Simulink 仿真的輸入與輸出數據結構 209
6.5.4 並行仿真 211
本章習題 213
第7 章Simulink 模組的編程實現 214
7.1 M-函式與實現 214
7.1.1 靜態非線性環節 215
7.1.2 M-函式的局限性 216
7.2 S-函式的程式設計 217
7.2.1 系統的狀態方程數學模型 217
7.2.2 S-函式的基本結構 218
7.2.3 S-函式的回響函式 219
7.2.4 S-函式的運行機制 220
7.2.5 用MATLAB 編寫S-函式：編程實例220
7.2.6 S-函式模組的封裝 227
7.2.7 二級S-函式 229
7.3 用C 語言編寫S-函式231
7.3.1 C 編譯器的設定 231
7.3.2 S-函式編寫舉例 231
7.4 S-函式編程實踐：自抗擾控制系統 233
7.4.1 擴張狀態觀測器的建模 234
7.4.2 自抗擾控制器的建模 235
7.4.3 自抗擾控制系統的仿真 236
viii 薛定宇教授大講堂（卷VI）：Simulink 建模與仿真
本章習題 239
第8 章Simulink 與數值最最佳化技術的有機結合 241
8.1 微分方程的邊值問題242
8.1.1 微分方程邊值問題與打靶法 242
8.1.2 將邊值問題的打靶法轉換為數值最最佳化問題 243
8.1.3 常規邊值問題求解舉例 243
8.1.4 Simulink 模型的快速重啟246
8.1.5 含有參數的微分方程邊值問題求解248
8.1.6 多已知點問題的求解 249
8.1.7 分數階微分方程的邊值問題 250
8.1.8 延遲微分方程邊值問題 251
8.1.9 全局最優解問題 253
8.2 應用程式界面設計 255
8.3 最優控制器設計 260
8.3.1 傳統最優控制潛在的問題 260
8.3.2 伺服控制的性能指標與最優設計 264
8.3.3 最優控制器設計界面 268
8.3.4 最優控制程式的其他套用 272
8.3.5 開放的程式框架 273
8.3.6 PID 型控制器最好的二階控制器結構 274
8.4 最優PID 控制器設計界面 275
8.4.1 控制系統的底層仿真模型 276
8.4.2 OptimPID 程式舉例 277
8.4.3 開放框架與程式擴展 279
本章習題 280
第9 章多媒體信息處理與仿真 284
9.1 音頻信息的輸入與輸出 284
9.1.1 音頻處理工具箱簡介 285
9.1.2 音頻信息的讀入與播放 285
9.1.3 音頻信號的數據結構 289
9.1.4 MATLAB 命令式音頻讀入與輸出 289
9.2 音頻信號的處理 292
9.2.1 音頻信號的濾波處理 292
9.2.2 動態範圍控制293
9.2.3 音效處理 295
9.2.4 音頻信息的檢測 297
目 錄ix
9.3 視頻信息處理與計算機視覺工具箱 299
9.4 圖像與影像的輸入與輸出 300
9.4.1 圖像與影像的讀取 300
9.4.2 圖像與影像的顯示與輸出 301
9.4.3 命令式影像播放語句 302
9.5 圖像的簡單變換 304
9.5.1 圖像的顏色空間表示 304
9.5.2 顏色空間轉換305
9.5.3 圖像的幾何尺度變換 307
9.5.4 圖像的Gamma 校正 307
9.5.5 圖像的頻域變換與濾波 309
9.6 圖像分析與增強 310
9.6.1 直方圖均衡化310
9.6.2 邊緣檢測 313
9.6.3 形態學處理 315
9.6.4 實時影像處理318
本章習題 318
第10 章工程系統的建模與仿真 320
10.1 物理建模仿真模組集Simscape 321
10.1.1 數學建模方法的局限性321
10.1.2 Simscape 簡介 323
10.1.3 Simscape 基礎模組庫簡介 323
10.1.4 兩類信號及其相互轉換327
10.1.5 創立簡單的Simscape 模型 328
10.1.6 複雜電路網路建模與仿真 331
10.2 電氣系統模組集簡介 332
10.2.1 電源模組 333
10.2.2 感測器模組333
10.2.3 電路與電子元件模組 333
10.2.4 機電裝置模組 335
10.3 電氣系統的建模與仿真 336
10.3.1 電子線路及其仿真 336
10.3.2 運算放大器電路仿真 338
10.3.3 數字電子線路仿真舉例340
x 薛定宇教授大講堂（卷VI）：Simulink 建模與仿真
10.4 機械系統建模與仿真 345
10.4.1 簡單力學系統的仿真 345
10.4.2 Multibody 模組集簡介 347
10.4.3 四連桿機構的建模與仿真 349
本章習題 352
第11 章非工程系統的仿真 356
11.1 藥物動力學系統建模與仿真 356
11.1.1 藥物動力學系統簡介 356
11.1.2 藥物動力學系統的艙室模型 357
11.1.3 帶有傳輸延遲的Wada 模型 360
11.1.4 藥物動力學工具箱和Simulink 模型 362
11.1.5 Mapleson 模型、代碼與框圖 362
11.1.6 藥效學建模366
11.2 有限狀態機仿真及Stateflow 套用 367
11.2.1 有限狀態機簡介 367
11.2.2 Stateflow 入門知識 368
11.2.3 Stateflow 的常用命令 371
11.2.4 Stateflow 建模舉例 372
11.2.5 用Stateflow 控制流程 376
11.3 基於SimEvents 的離散事件系統仿真方法378
11.3.1 離散事件動態系統基本概念 378
11.3.2 SimEvents 模組集簡介 379
11.3.3 離散事件系統仿真演示379
本章習題 383
參考文獻 385
MATLAB 函式名索引 390
術語索引 394
