內容簡介
《MATLAB/Simulink係統仿真超級學習手冊》基於MATLAB R2013a版由淺入深地全麵講解瞭MATLAB/Simulink的知識。《MATLAB/Simulink係統仿真超級學習手冊》涉及麵廣,涵蓋瞭一般用戶需要使用的各種功能,並詳細介紹瞭MATLAB/Simulink的使用。本書按邏輯編排,自始至終采用實例描述;內容完整且每章相對獨立,是一本詳細的MATLAB/Simulink參考書。
全書共分為12章,首先介紹瞭MATLAB的基礎知識。Simulink是本書的重點,從Simulink的仿真基礎,到Simulink高級仿真技術,以及Simulink仿真應用,都是讀者應該掌握的知識點。其中,Simulink仿真基礎知識主要包含Simulink模塊庫、模塊基本操作以及係統的建模與仿真。同時,《MATLAB/Simulink係統仿真超級學習手冊》也對各種動態係統,如簡單係統、離散係統、連續係統、混閤係統的Simulink仿真進行瞭介紹。Simulink子係統、命令行方式仿真以及S-Function的運用則是Simulink高級仿真技術的內容。最後5章為Simulink在工程上的應用,包括通信係統仿真、電力係統仿真、控製係統仿真、模糊控製仿真、神經網絡仿真。本書從這些係統的基本概念齣發,對其仿真的方法及應用加以說明。
《MATLAB/Simulink係統仿真超級學習手冊》以實用為目標,深入淺齣,實例引導,講解翔實,既適閤作為理工科高等院校研究生、本科生的教學用書,也可作為廣大科研工程技術人員的參考用書。
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目錄
目 錄
第1章 係統仿真與MATLAB/Simulink 1
1.1 係統仿真技術概述 1
1.2 MATLAB簡介 2
1.2.1 MATLAB發展史 2
1.2.2 MATLAB産品說明 3
1.2.3 MATLAB/Simulink的特點 4
1.3 MATLAB/Simulink應用示例 5
1.4 本章小結 7
第2章 MATLAB編程基礎 8
2.1 MATLAB工作環境 8
2.1.1 MATLAB主界麵 8
2.1.2 MATLAB文本編輯窗口 13
2.1.3 MATLAB幫助使用 14
2.2 MATLAB語言基本元素 16
2.2.1 變量 16
2.2.2 賦值語句 17
2.2.3 矩陣及其元素錶示 18
2.3 MATLAB下矩陣的運算 20
2.3.1 矩陣的代數運算 20
2.3.2 矩陣的關係運算 23
2.3.3 矩陣的邏輯運算 24
2.4 MATLAB的程序流程控製 24
2.4.1 循環控製結構 24
2.4.2 條件選擇結構 26
2.5 M文件的編寫 27
2.5.1 腳本文件 27
2.5.2 函數文件 28
2.6 MATLAB的圖形繪製 30
2.6.1 二維圖形的繪製 30
2.6.2 三維圖形的繪製 37
2.6.3 PLOT工具欄 40
2.6.4 圖形對象屬性設置 41
2.7 MATLAB編程實例 43
2.7.1 漢諾塔問題 44
2.7.2 MATLAB在自動控製中的應用 45
2.7.3 MATLAB在電力信號分析處理中的應用 46
2.8 本章小結 48
第3章 Simulink仿真基礎 49
3.1 Simulink仿真環境 49
3.2 Simulink模塊庫 51
3.2.1 標準Simulink模塊庫 51
3.2.2 專業模塊庫 52
3.3 Simulink基本操作 53
3.3.1 模塊的基本操作 53
3.3.2 信號綫的基本操作 54
3.3.3 係統模型的基本操作 54
3.3.4 子係統建立 56
3.4 Simulink係統建模 57
3.5 Simulink運行仿真 60
3.5.1 運行仿真過程 60
3.5.2 仿真參數設置 62
3.5.3 示波器的使用 63
3.6 Simulink仿真示例 66
3.6.1 一般控製係統中的仿真 66
3.6.2 簡單電路係統中的仿真 67
3.7 本章小結 70
第4章 動態係統的Simulink仿真 71
4.1 簡單係統仿真 71
4.1.1 簡單係統的基本概念 71
4.1.2 簡單係統的仿真分析 71
4.2 離散係統仿真 74
4.2.1 離散係統的基本概念 74
4.2.2 離散係統的仿真分析 75
4.2.3 綫性離散係統的基本概念 76
4.2.4 綫性離散係統的仿真分析 77
4.3 連續係統仿真 79
4.3.1 連續係統的基本概念 80
4.3.2 連續係統的仿真分析 80
4.3.3 綫性連續係統的基本概念 83
4.3.4 綫性連續係統的仿真分析 84
4.4 混閤係統仿真 86
4.4.1 混閤係統仿真技術概述 86
4.4.2 混閤係統仿真實例一:通信係統 87
4.4.3 混閤係統仿真實例二:行駛控製係統 90
4.5 Simulink的調試技術 93
4.5.1 Simulink調試器啓動 93
4.5.2 調試器的操作設置與功能 93
4.5.3 係統調試實例 95
4.6 本章小結 98
第5章 Simulink子係統 99
5.1 Simulink簡單子係統 99
5.1.1 簡單子係統的生成 99
5.1.2 子係統的基本操作 100
5.2 Simulink高級子係統 100
5.2.1 條件執行子係統的建立方法 101
5.2.2 使能子係統 102
5.2.3 觸發子係統 104
5.2.4 觸發使能子係統 106
5.2.5 原子子係統 107
5.2.6 其他子係統介紹 108
5.3 Simulink子係統的封裝 109
5.3.1 子係統封裝的概念 109
5.3.2 創建子係統封裝模塊 110
5.3.3 子係統封裝實例 112
5.4 Simulink模塊庫技術 114
5.4.1 模塊庫的概念及應用 114
5.4.2 建立與使用模塊庫 114
5.4.3 庫模塊與引用模塊的關聯 115
5.4.4 可配置子係統 117
5.5 本章小結 118
第6章 Simulink命令行仿真 119
6.1 使用命令行方式建立係統模型 119
6.1.1 關於係統模型的命令 120
6.1.2 關於模塊的命令 122
6.1.3 關於連綫的命令 123
6.1.4 關於參數的命令 123
6.1.5 關於路徑名的命令 125
6.1.6 其他命令 125
6.1.7 命令行方式建立係統模型實例 126
6.2 Simulink與MATLAB的接口 127
6.2.1 由MATLAB工作空間變量設置係統模塊參數 127
6.2.2 將信號輸齣到MATLAB工作空間中 127
6.2.3 使用工作空間變量作為係統輸入信號 128
6.2.4 MATLAB Function與Function模塊 128
6.3 使用命令行方式進行動態係統仿真 129
6.3.1 使用sim命令進行動態係統仿真 129
6.3.2 simset與simget命令的使用 133
6.3.3 simplot命令的使用 137
6.4 使用MATLAB腳本分析動態係統 137
6.4.1 蹦極跳的安全性分析 137
6.4.2 汽車行駛控製係統中控製器的調節 139
6.5 Simulink係統仿真常見問題 140
6.5.1 係統狀態的確定 141
6.5.2 係統平衡點的確定 142
6.5.3 非綫性係統的綫性化處理 143
6.5.4 迴調函數 144
6.6 本章小結 146
第7章 S-function 147
7.1 S-function概述 147
7.1.1 S-function的基本概念 147
7.1.2 S-function的幾個相關概念 148
7.1.3 S-function模塊 151
7.1.4 在模型中使用S-function 152
7.1.5 嚮S-function傳遞參數 153
7.1.6 何時使用S-function 153
7.2 S-function的工作原理 154
7.2.1 Simulink模塊的數學關係 154
7.2.2 Simulink仿真流程 154
7.2.3 S-function仿真流程 155
7.2.4 S-function迴調程序 155
7.3 編寫M文件S-function 156
7.3.1 M文件S-function概述 156
7.3.2 S-function參數 157
7.3.3 S-function的輸齣 157
7.3.4 定義S-function的模塊特性 158
7.3.5 M文件S-function實例 158
7.4 編寫C MEX文件S-function 168
7.4.1 MEX文件S-function概述 169
7.4.2 SimStruct數據結構與工作嚮量 169
7.4.3 C MEX S-function仿真流程 171
7.4.4 C MEX S-function模闆 172
7.4.5 C MEX S-function實例 174
7.4.6 S-Function Builder 176
7.5 M文件S-function與C MEX S-function的比較 183
7.6 本章小結 188
第8章 通信係統仿真 189
8.1 通信係統 189
8.1.1 通信係統的分類 189
8.1.2 通信係統的仿真方法 191
8.2 通信係統仿真模型 199
8.2.1 通信係統的基本模型 199
8.2.2 通信係統基本模塊 202
8.3 通信係統仿真命令 221
8.3.1 信源産生函數 221
8.3.2 信源編碼/解碼函數 222
8.3.3 信道模型函數 224
8.3.4 調製/解調函數 226
8.3.5 濾波器函數 226
8.4 通信係統仿真實例 228
8.5 本章小結 232
第9章 電力係統仿真 233
9.1 電力係統元件 233
9.1.1 同步發電機 233
9.1.2 電力變壓器 240
9.1.3 輸電綫路 246
9.1.4 負荷 252
9.2 電力圖形分析界麵模塊 253
9.2.1 配置參數 254
9.2.2 穩態電壓電流 254
9.2.3 初始狀態設置 255
9.2.4 潮流計算 256
9.2.5 電機初始化 256
9.2.6 LTI視窗 257
9.2.7 阻抗依頻特性 257
9.2.8 FFT分析 258
9.2.9 報錶生成 259
9.2.10 磁滯特性設計工具 259
9.2.11 計算RLC綫路參數 260
9.3 電力係統仿真命令 261
9.3.1 電源及組件函數類型 261
9.3.2 發動機和發生器函數類型 263
9.3.3 感應測量函數類型 265
9.3.4 仿真分析函數類型 265
9.4 電力係統仿真實例 266
9.4.1 電力係統潮流計算 266
9.4.2 電力係統穩態分析 268
9.5 本章小結 270
第10章 控製係統仿真 271
10.1 控製係統基本概念 271
10.1.1 控製係統的結構 271
10.1.2 控製係統的數學模型 272
10.1.3 控製係統的性能指標 277
10.2 控製係統分析方法 279
10.2.1 時域分析法 279
10.2.2 根軌跡分析法 283
10.2.3 頻域分析法 287
10.2.4 狀態空間分析法 292
10.3 控製係統仿真模塊 302
10.3.1 Simulink標準模塊庫 302
10.3.2 控製係統工具箱 307
10.4 控製係統仿真命令 310
10.4.1 模型命令 310
10.4.2 分析命令 312
10.4.3 設計命令 313
10.5 控製係統仿真實例 314
10.6 本章小結 319
第11章 模糊控製仿真 320
11.1 模糊理論的基本概念 320
11.1.1 模糊集閤 320
11.1.2 模糊關係 322
11.1.3 模糊邏輯 322
11.1.4 模糊語言 322
11.1.5 模糊推理 323
11.2 模糊控製的基本概念 324
11.2.1 模糊控製係統的組成 324
11.2.2 模糊控製係統的設計 327
11.3 模糊推理係統 330
11.3.1 模糊推理係統的圖形用戶界麵 330
11.3.2 模糊推理係統編輯器 331
11.3.3 隸屬函數編輯器 335
11.3.4 模糊規則編輯器 337
11.3.5 模糊規則觀察器 343
11.3.6 麯麵觀察器 344
11.3.7 模糊係統設計實例 346
11.4 模糊控製係統仿真 351
11.4.1 模糊邏輯工具箱簡介 352
11.4.2 FIS與模糊邏輯控製器連接 353
11.4.3 模糊控製係統的仿真 354
11.4.4 MATLAB自帶模糊控製係統示例 361
11.5 本章小結 363
第12章 神經網絡仿真 364
12.1 神經網絡的基本概念 364
12.1.1 生物神經元 364
12.1.2 人工神經網絡 365
12.1.3 神經網絡的結構 366
12.1.4 神經網絡的學習 367
12.2 神經網絡工具箱 368
12.2.1 神經網絡工具箱簡介 369
12.2.2 神經網絡函數擬閤 370
12.2.3 神經網絡模式識彆 379
12.2.4 神經網絡數據聚類 383
12.2.5 神經網絡時間序列預測 386
12.2.6 神經網絡函數命令 389
12.3 神經網絡與Simulink 393
12.3.1 神經網絡Simulink模塊 394
12.3.2 神經網絡Simulink建模 396
12.4 自定義神經網絡 398
12.4.1 自定義神經網絡函數命令 398
12.4.2 神經網絡數據管理GUI 400
12.5 本章小結 403
附錄 404
參考文獻 419
前言/序言
《工程實踐中的仿真建模與控製係統設計》 一、 導論:精益求精的工程之道 在瞬息萬變的現代工程領域,從航空航天到能源,從汽車製造到生物醫藥,對係統行為的精確預測和優化控製至關重要。傳統的基於物理模型的分析方法,雖然提供瞭深刻的洞察,但在處理復雜、非綫性、時變係統時,往往顯得力不從心。仿真建模,作為一種強大的工程工具,應運而生,它為工程師提供瞭一個虛擬的實驗環境,能夠以極低的成本和極高的效率,探索係統的動態特性,驗證設計方案,優化性能參數,甚至在實際係統建造之前發現潛在的問題。 本書《工程實踐中的仿真建模與控製係統設計》正是旨在係統地介紹工程領域中仿真建模的核心理念、關鍵技術以及在實際項目中的應用。我們不局限於某一種特定的仿真軟件,而是將重點放在通用性的建模思想、係統分析方法和控製策略的設計與實現上。通過深入淺齣的講解,輔以豐富的工程實例,本書將幫助讀者建立起紮實的仿真建模基礎,掌握有效的控製係統設計方法,從而在復雜的工程挑戰中遊刃有餘。 二、 仿真建模:揭示係統內在規律的利器 仿真建模並非憑空想象,它根植於物理定律、數學原理和工程經驗。本書將從建模的基本原則齣發,逐步深入到不同類型係統的建模方法。 1. 係統建模的基本要素: 狀態空間錶示: 詳細闡述如何使用狀態嚮量、輸入嚮量和輸齣嚮量來描述一個係統的動態演化。我們將介紹綫性定常、綫性時變、非綫性係統的狀態空間方程形式,以及它們在建模中的意義。 傳遞函數錶示: 講解傳遞函數在描述輸入輸齣關係方麵的優勢,尤其是在綫性定常係統分析中的廣泛應用。我們將涵蓋從微分方程推導傳遞函數,以及傳遞函數在頻率域分析中的作用。 框圖建模: 介紹如何通過圖形化的方式,將係統的各個組件及其相互作用可視化,從而清晰地展現係統結構。我們將探討串聯、並聯、反饋等基本連接方式,以及如何利用框圖進行係統分解與閤成。 物理係統建模: 深入研究不同領域物理係統的建模方法。 機械係統: 涵蓋剛體動力學、彈簧-阻尼係統、多體係統建模,包括拉格朗日方程和牛頓-歐拉方程的應用。 電氣係統: 講解電路元件(電阻、電容、電感、二極管、晶體管)的數學模型,以及基爾霍夫定律在網絡分析中的應用。 液壓/氣動係統: 介紹流體的基本物理特性,如粘度、密度,以及管路、閥門、泵等組件的建模方法,重點關注流體動力學方程。 熱力學係統: 探討能量守恒定律在熱傳導、熱對流、熱輻射中的應用,以及不同材料的導熱係數、比熱容等參數的建模。 2. 建模策略與技巧: 抽象層次的選擇: 強調在建模過程中,需要根據工程需求,選擇閤適的抽象層次。過度的細節可能導緻模型過於復雜,計算量大;而過於簡化的模型可能無法準確反映係統行為。我們將討論如何權衡模型的準確性與計算效率。 參數辨識: 介紹如何利用實驗數據來估計模型中的未知參數。我們將涉及最小二乘法、最大似然估計等常用的參數辨識技術,並討論參數辨識的穩定性和準確性。 模型驗證與簡化: 講解如何通過與實際係統數據對比、穩定性分析、頻率響應分析等方法,驗證模型的有效性。同時,介紹模型降階的常用方法,以提高仿真效率,例如模態截斷法、平衡截斷法等。 三、 控製係統設計:駕馭係統行為的藝術 仿真建模的最終目的之一,便是為控製係統設計提供堅實的基礎。本書將係統地闡述經典控製理論和現代控製理論在實際工程中的應用,並結閤仿真工具進行設計與驗證。 1. 經典控製理論: PID 控製器設計: 深入分析比例(P)、積分(I)、微分(D)三個控製作用的物理意義及其對係統響應的影響。我們將介紹Ziegler-Nichols整定法、試湊法等PID參數整定方法,並討論實際應用中PID控製器可能遇到的問題,如超調、震蕩、積分飽和等,以及相應的改進策略,例如抗積分飽和、抗微分飽和等。 頻率域分析與設計: 講解根軌跡、奈奎斯特圖、伯德圖等工具在穩定性分析和係統性能評估中的應用。我們將演示如何利用頻率響應特性來設計超前、滯後、超前-滯後補償器,以改善係統的動態性能,例如提高帶寬、減小相位裕度等。 穩定性分析: 重點介紹Routh-Hurwitz判據、Lyapunov穩定性理論在判斷係統是否穩定方麵的理論基礎和實際應用。 2. 現代控製理論: 狀態反饋控製: 詳細闡述如何利用係統的狀態信息來設計狀態反饋控製器,以實現期望的閉環係統極點配置。我們將推導狀態反饋增益矩陣的計算方法,並討論極點配置在改善係統動態響應、魯棒性方麵的優勢。 觀測器設計: 講解當係統狀態無法直接測量時,如何設計狀態觀測器來估計係統狀態。我們將介紹 Luenberger 觀測器和卡爾曼濾波器,並分析它們的特點和適用範圍。 最優控製: 介紹LQR(綫性二次調節器)等最優控製理論,其目標是尋找使性能指標(如能量消耗、跟蹤誤差等)達到最小的控製規律。我們將講解LQR的設計步驟和在實際工程中的應用場景。 3. 先進控製策略: 模型預測控製(MPC): 深入探討MPC的工作原理,包括滾動優化、預測模型的使用以及約束處理。我們將分析MPC在處理多變量耦閤係統、存在約束條件下的係統控製方麵的優勢。 自適應控製: 介紹當係統參數未知或隨時間變化時,自適應控製器的設計思想,例如自校正調節器(STR)和模型參考自適應控製(MRAC)。 魯棒控製: 探討如何設計控製器,使其在係統存在不確定性(如參數擾動、外部乾擾)時仍能保持良好的性能和穩定性。 四、 仿真工具與實踐:理論付諸實踐的關鍵環節 雖然本書不拘泥於特定軟件,但理解仿真工具的工作原理和功能是至關重要的。我們將探討仿真軟件在建模、仿真運行、結果分析等方麵的通用功能。 1. 模型構建與配置: 介紹如何利用軟件提供的模塊庫,拖拽、連接各組件,構建復雜係統模型。講解如何設置模型的參數、求解器選項、仿真時間等。 2. 仿真運行與調試: 演示如何啓動仿真,觀察係統在不同輸入作用下的響應。講解如何設置斷點、查看中間變量,以及對模型進行調試,找齣潛在的錯誤。 3. 結果分析與可視化: 介紹如何利用圖錶、麯綫、動畫等方式,直觀地展示仿真結果。講解如何進行數據導齣,與其他分析工具結閤使用。 4. 腳本與自動化: 演示如何利用腳本語言(如MATLAB腳本、Python腳本)來自動化仿真過程、參數掃描、批量處理等任務,提高工程效率。 五、 工程應用案例:理論與實踐的融閤 本書將通過一係列具體的工程應用案例,展示仿真建模與控製係統設計在解決實際問題中的強大能力。 飛行器姿態控製: 模擬無人機或飛機的飛行姿態,設計PID或更先進的控製器,實現精確的航嚮、俯仰和滾轉控製。 工業過程控製: 建立化工廠反應釜的動態模型,設計PID控製器或MPC控製器,實現溫度、壓力、液位等關鍵參數的穩定控製。 電力係統穩定性分析: 建模發電機組、輸電綫路等,分析係統在故障情況下的動態響應,設計相應的保護和控製策略。 機器人路徑規劃與跟蹤: 建立機器人運動學和動力學模型,設計控製器,實現機器人精確的路徑跟蹤和避障。 自動駕駛車輛的動力學控製: 建模車輛的縱嚮和橫嚮動力學,設計加速度控製、轉嚮控製算法,並利用仿真進行驗證。 六、 總結與展望:持續學習與創新 本書的目的是為讀者打下堅實的理論基礎和實踐能力,使之能夠獨立進行復雜的工程係統建模和控製係統設計。工程領域日新月異,新的建模技術、控製理論和仿真工具不斷湧現。我們鼓勵讀者在掌握本書內容的基礎上,積極探索更前沿的知識,例如機器學習在係統建模和控製中的應用,分布式控製係統,以及混閤動力係統等。仿真建模與控製係統設計是一個不斷學習和創新的過程,希望本書能成為讀者在該領域深耕細作的堅實起點。