MATLAB/Simulink系統建模與仿真（簡體書）

前言

MATLAB是Matrix和Laboratory兩個詞的組合，稱為矩陣實驗室，由美國MathWorks公司發布，主要面向科學計算、可視化以及交互式程序設計。它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易於使用的窗口環境中，為科學研究、工程設計等眾多科學領域提供了一種全面的解決方案。

MATLAB的各版本中主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。其中，MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數和數據、實現算法、創建用戶界面、連接其他編程語言程序等，主要應用於工程計算、控制設計、信號處理、圖像處理、信號檢測、金融系統建模與分析等領域。附加的工具箱擴展了MATLAB 的環境和功能，以解決特定應用領域內的科學計算和工程分析設計問題。

Simulink集成於MATLAB中，是用於動態系統和嵌入式系統的多領域仿真和基於模型的設計工具，為各種時變系統，包括通信、控制、信號處理、視頻和圖像處理系統等都提供了交互式圖形化環境和可定制模塊庫來對其進行設計、仿真、執行和測試。Simulink能夠將MATLAB算法引入仿真模型，也能將仿真結果導出到MATLAB中，以便做進一步分析處理。Simulink可以直接訪問MATLAB大量的工具，以便進行算法研發和仿真分析、數據的可視化、批處理腳本的創建、建模環境的定制以及信號參數和測試數據的定義等。

本書基於最新的MATLAB R2020a版本，深入淺出地介紹了MATLAB和Simulink的相關知識，以期幫助讀者盡快掌握MATLAB/Simulink的基本概念、使用方法及其在系統建模和仿真中的應用。本書的主要特點有：

1. 邏輯性強、條理清晰

全書內容精心組織，各章內容聯系緊密、條理清晰、深入淺出，並注重理實結合，突出實踐能力的訓練。

2. 例題豐富、步驟詳盡

本書例題緊扣知識點，題目精心設計，解答步驟詳盡，所有例題都在MATLAB R2020a和R2016a兩個版本上調試通過。

3. 習題多樣、便於教學

每章都提供了題型多樣、數量充足的課後習題和實踐練習題，便於復習鞏固相關知識點，提升實踐能力，方便進行課程教學設計和內容組織。

全書內容共分為兩大部分，共8章。第1~5章是基本概念部分。其中，第1章簡要介紹系統建模和仿真的基本概念； 第2章和第3章分別介紹MATLAB編程和Simulink模型仿真的基本概念和方法； 第4章介紹動態系統的數學模型，以及根據各種數學模型對動態系統進行編程和建模仿真的基本方法； 第5章介紹MATLAB中功能十分強大的子系統和S函數的基本概念及其實現方法。

第6~8章是具體應用部分。其中，第6章介紹MATLAB/Simulink在自動控制系統的輔助分析和設計中的應用； 第7章主要介紹利用MATLAB提供的相關函數、模塊和應用程序APP進行數字濾波器的分析與設計的基本方法； 第8章主要介紹MATLAB/Simulink在通信系統的調制解調過程仿真和性能分析方面的應用。

為便於讀者學習，本書配套提供了豐富的學習資源，讀者可以掃描書中對應二維碼在線學習或下載到自己的計算機學習。

■程序代碼提供全書100多個案例的程序代碼，這些程序代碼均已通過驗證調試。

■教學課件提供全書8章的教學課件，便於廣大教師備課與教學。

■習題解答提供各章習題的參考答案，解答步驟詳盡。

■微課視頻提供與教材同步的教學視頻，共計1000多分鐘，覆蓋全書90%以上的內容。

■教學大綱為相關課程任課教師撰寫課程教學大綱參考，幫助自學讀者明確內容的重點、難點及學習目標。

■實驗大綱配合相關課程的實驗教學。

為便於組織教學或自學，本書編者精心制作了教學課件，每章都提供了題型豐富的習題和實踐練習題，可供相關課程和實驗教學環節參考。所有習題都提供了參考解答，需要的讀者可與清華大學出版社或者編者聯系。

本書的出版得到了美國MathWorks公司圖書出版計劃的支持，並提供了最新的MATLAB R2020a試用版本，在此表示謝意。

向軍2021年1月於西南交通大學

第1章建模與仿真的基本概念

1.1系統及系統模型

1.1.1系統

1.1.2系統模型

1.2系統建模與仿真

1.2.1系統建模

1.2.2系統仿真

1.3常用的仿真工具和軟件

1.3.1SimuWorks

1.3.2Flexsim

1.3.3Simio

1.3.4VRPlatform

1.3.5MATLAB和Simulink

第2章MATLAB基礎

2.1MATLAB工作環境與幫助系統

2.1.1工作環境

2.1.2幫助系統

2.2MATLAB的數據類型

2.2.1常數和變量

2.2.2矩陣和數組

2.3MATLAB的基本運算

2.3.1標量運算

2.3.2數組運算

2.3.3矩陣運算

2.4腳本和函數

2.4.1腳本

2.4.2函數

2.5程序流程控制語句

2.5.1條件語句

2.5.2循環語句

2.6數據的可視化

2.6.1基本二維圖形的繪制

2.6.2三維圖形的繪制

2.6.3特殊圖形的繪制及相關函數

本章習題

實踐練習

第3章Simulink入門

3.1Simulink的工作環境

3.1.1Simulink編輯器

3.1.2庫瀏覽器

3.2Simulink建模與仿真的基本過程

3.2.1模塊的調入和參數設置

3.2.2模塊的連接

3.2.3運行仿真

3.3Simulink模塊庫和模塊

3.3.1Simulink模塊庫

3.3.2模塊的參數設置

3.3.3模塊的基本操作

3.4Simulink求解器

3.4.1求解器的分類及選擇

3.4.2求解器的參數配置

3.4.3求解器步長與模塊采樣時間

3.5仿真運行

3.5.1仿真運行方式

3.5.2仿真運行過程

3.6仿真數據的導出和檢查

3.6.1導出數據的格式

3.6.2To Workspace和To File模塊

3.6.3仿真數據檢查器

3.7示波器和信號觀察器

3.7.1示波器

3.7.2浮動示波器和信號觀察器

本章習題

實踐練習

第4章MATLAB/Simulink動態系統建模與仿真

4.1動態系統的數學模型

4.1.1方框圖

4.1.2時域方程與系統的響應

4.1.3傳遞函數

4.1.4狀態空間方程

4.2時域方程的MATLAB求解

4.2.1差分方程的遞推求解

4.2.2數值微積分

4.2.3微分方程的數值求解

4.2.4微積分和微分方程求解函數

4.3基於方框圖的動態系統建模與仿真

4.3.1Simulink相關模塊

4.3.2離散動態系統的方框圖仿真

4.3.3連續動態系統的方框圖仿真

4.4基於傳遞函數的動態系統建模與仿真

4.4.1傳遞函數模塊

4.4.2傳遞函數的零極點增益模型及其仿真

4.5基於狀態空間方程的動態系統建模與仿真

4.5.1相關轉換函數

4.5.2基於狀態空間方程的仿真

4.6模型物件及其編程仿真

4.6.1模型物件的創建

4.6.2模型物件的編程仿真

4.6.3模型物件的串並聯

本章習題

實踐練習

第5章子系統與S函數

5.1子系統的基本概念

5.1.1子系統的分類

5.1.2虛擬子系統的創建和基本操作

5.1.3模型瀏覽器

5.2條件子系統

5.2.1使能子系統

5.2.2觸發子系統

5.2.3使能觸發子系統

5.3控制流子系統

5.3.1動作子系統

5.3.2循環迭代子系統

5.4子系統的封裝

5.4.1封裝編輯器

5.4.2子系統封裝步驟

5.4.3對封裝模塊的操作

5.5S函數

5.5.1S函數的基本概念

5.5.2S函數的實現方法和一般結構

5.5.3靜態和動態系統的S函數實現

5.5.4S函數模塊的封裝

本章習題

實踐練習

第6章MATLAB/Simulink控制系統分析與設計

6.1控制系統的數學模型

6.1.1零極點與根軌跡

6.1.2頻率特性

6.2控制系統的分析

6.2.1時域分析

6.2.2頻域分析

6.2.3線性系統分析儀

6.2.4控制系統的穩定性分析

6.3控制系統的設計

6.3.1控制系統設計器

6.3.2設計指標的添加

6.3.3控制器設計

6.3.4設計結果的驗證

本章習題

實踐練習

第7章數字濾波器的MATLAB輔助分析與設計

7.1數字濾波器的基本概念

7.1.1濾波器的數學模型

7.1.2濾波器的技術指標

7.1.3數字濾波器的基本設計方法

7.2數字濾波器的MATLAB設計

7.2.1數字IIR濾波器設計

7.2.2數字FIR濾波器設計

7.2.3designfilt()函數及濾波器特性分析

7.3Filter Designer及其使用

7.3.1Filter Designer的啟動

7.3.2濾波器的設計過程

7.3.3設計結果的分析和導出

7.4Simulink中的濾波器設計和實現模塊

本章習題

實踐練習

第8章MATLAB/Simulink通信系統仿真

8.1調制和解調的基本概念

8.1.1調制和解調

8.1.2帶通調制和基帶調制

8.2調制與解調過程的仿真

8.2.1MATLAB編程仿真

8.2.2Simulink仿真

8.3通信工具箱簡介

8.3.1信源模塊

8.3.2信道模塊

8.4調制與解調模塊

8.4.1模擬帶通調制模塊

8.4.2模擬基帶調制模塊

8.4.3數字基帶調制模塊

8.5通信系統性能的仿真分析

8.5.1信號頻譜及帶寬分析

8.5.2誤碼率測量及曲線的繪制

本章習題

實踐練習

附錄AMATLAB的主要歷史版本

附錄BSimulink常用模塊庫

附錄Csfuntmpl.m模板文件

參考文獻