系统仿真与应用

本书以帮助学生掌握仿真的方法和技术为目标，以信息系统的分析为背景，借鉴国外的有关做法，按照讲清概念、熟悉工具、学会使用的原则，重点阐述如何利用MATLAB工具分析问题，通过案例示范和多层次的项目训练，培养学生分析和解决问题的能力。全书分为5章，即系统仿真概述、MATLAB应用基础、系统模型的建立与表示、系统的仿真分析和系统仿真实训。仿真实训的介绍涉及电路分析、信号分析和系统分析等，不局限于某一专业，着力介绍系统仿真的基本方法和技术。本教材既可以独立存在，也可以作为其他课程的仿真教材或辅助教材。

党宏社，陕西科技大学教授，陕西省自动化学会常务理事，陕西省电子学会常务理事。主持和参与项目4项、省部级项目5项、厅局级项目6项，，横向合作项目40多项，承担教学研究与建设项目3项，省部级教改项目3项。获陕西省教学名师奖、陕西省优秀教材二等奖；获省部级科研奖4项，厅局级奖5项。

目 录

第1章 系统仿真概述 （1）
1.1 系统与模型 （1）
1.1.1 系统 （1）
1.1.2 模型 （3）
1.2 系统仿真的概念 （4）
1.2.1 仿真的概念 （4）
1.2.2 系统仿真的分类 （7）
1.2.3 计算机仿真 （8）
1.3 系统仿真的过程与特点 （9）
1.3.1 系统仿真的特征 （9）
1.3.2 系统仿真的过程 （9）
1.3.3 系统仿真的特点 （10）
1.4 仿真技术的发展与应用 （12）
1.4.1 系统仿真的发展 （12）
1.4.2 仿真技术的应用 （12）
1.4.3 仿真技术发展的主要方向 （13）
本章小结 （13）
思考练习题 （14）
第2章 MATLAB应用基础 （15）
2.1 MATLAB简介 （15）
2.1.1 发展概述 （15）
2.1.2 主要特点 （16）
2.1.3 组成与界面 （17）
2.2 MATLAB编程 （20）
2.2.1 基本语法 （20）
2.2.2 M文件 （22）
2.2.3　数值输入 （24）
2.2.4 流程控制 （29）
2.2.5 绘图 （35）
2.3 Simulink基础 （45）
2.3.1 简介 （45）
2.3.2 应用基础 （46）
2.3.3　仿真举例 （52）
本章小结 （53）
思考练习题 （53）

第3章 系统模型的建立与表示 （55）
3.1 模型建立 （55）
3.1.1　数学建模的概念 （55）
3.1.2　数学建模方法简介 （56）
3.1.3　机理分析建模方法 （56）
3.2 模型表示 （60）
3.2.1　系统的常微分方程模型 （60）
3.2.2　系统的传递函数模型 （61）
3.2.3　系统的状态空间模型 （64）
3.2.4　系统模型的其他形式 （66）
3.3 模型转换 （69）
3.3.1　系统的模型转换 （69）
3.3.2 复杂模型的处理方法 （77）
3.4 系统模型的连接 （78）
3.4.1 模型串联 （79）
3.4.2 模型并联 （81）
3.4.3　反馈连接 （83）
3.4.4　系统扩展 （84）
本章小结 （86）
思考练习题 （86）
第4章　系统的仿真分析 （88）
4.1　系统的稳定性分析 （88）
4.1.1　间接判别法 （89）
4.1.2 直接判别法 （90）
4.2　系统的时域分析 （99）
4.2.1　系统的时域性能指标 （99）
4.2.2　常用时域分析函数 （101）
4.2.3　时域分析应用实例 （108）
4.3　系统的频域分析 （115）
4.3.1　频域分析的基本概念 （115）
4.3.2 频域分析常用函数 （117）
4.3.3　频域分析实例 （127）
4.4　系统的根轨迹分析 （140）
4.4.1 概述 （140）
4.4.2　根轨迹分析函数 （142）

4.4.3 根轨迹分析应用实例 （145）
4.5 系统的设计 （153）
4.5.1　系统设计概述 （153）
4.5.2　基于根轨迹图的校正方法 （154）
4.5.3　基于波特图的校正方法 （158）
4.6　电路分析 （166）
4.6.1　交流电路分析 （166）
4.6.2　直流电路分析 （167）
本章小结 （169）
思考练习题 （169）
第5章 系统仿真实训 （173）
5.1 常用连续信号的实现 （173）
5.2 常用离散时间信号的实现 （183）
5.3 连续时间信号的时域基本运算 （191）
5.4 离散时间信号的时域基本运算 （198）
5.5 连续时间信号的卷积运算 （201）
5.6 离散信号的卷积和 （206）
5.7 周期信号的合成与分解 （210）
5.8 连续时间信号的傅里叶变换 （214）
5.9 离散时间信号的傅里叶变换 （220）
5.10 信号的调制与解调 （229）
5.11 信号的采样与恢复 （234）
5.12 连续LTI系统的时域分析 （243）
5.13 离散LTI系统的时域分析 （247）
5.14 连续系统的复频域响应 （251）
5.15 连续LTI系统的根轨迹分析法 （256）
5.16 离散系统的z域分析 （260）
5.17 连续系统的状态变量分析 （267）
5.18 离散系统的状态变量分析 （272）
5.19 数字滤波器设计初步 （275）
5.20 音频信号的采样与重构 （275）
5.21 线性系统稳定性分析 （276）
5.22 无失真传输系统 （277）
附录 MATLAB符号运算简介 （279）
参考文献 （281）

前    言
仿真实验作为一种科学研究手段和实物实验的补充，具有不受设备和环境条件的限制，不受时间与地点限制，不需要另外增加投资等特点而受到了人们越来越多的重视。
本书是在作者多年前出版的《控制系统仿真》和《信号与系统实验（MATLAB版）》（西安电子科技大学出版社，2007年）的基础上，根据作者近年来的教学实践与体会，以及目前大学教育的现状，重新修改、补充和完善而成的。
本书也是作者所承担的*首批新工科项目“面向中国制造2025具有轻工特色的自动化专业改造升级路径探索与实践”的成果之一，目前已经入选了中国轻工业联合会“十三五”规划教材。
在教材内容的处理与安排上主要考虑了如下几点：
1．按照“讲清概念、掌握工具、学会使用”的原则，简化理论内容，增加系统建模与系统分析的实例；
2．引入问题导向、项目式训练等方式，通过章前提示、章后小结、项目扩展和小结与体会等环节，着力培养学生独立思考和交流的能力；
3．对仿真工具的介绍，打破常规，以会用工具解决问题为核心，按照数据流的走向分模块介绍，使学生的关注点始终在工具的使用，而不是只学习了一门计算机语言。
4．课堂举例与项目训练相结合，从理论问题的求解到实际问题的分析，给出了大量的仿真示例；项目内容按照从简单到复杂的结构，从验证、模仿到设计三个层次逐级展开，达到了解仿真过程、掌握仿真方法的目的，以培养学生利用所学知识分析和解决问题的能力。
这本书的使用对象是学过“信号与系统”“电路”等课程的电子信息类或电气信息类的本科生或研究生，既可以作为学习和掌握MATLAB的参考，也可以作为学习“信号与系统”“自动控制原理”“数字信号处理”等课程的参考资料。学习方式可以灵活多样，可以根据需要对相关内容进行取舍，只要能够会使用这一工具，就让作者深感欣慰了。
在本书的编写过程中，得到了电子工业出版社赵玉山老师的大力支持和鼓励，使作者能顺利完成书稿；研究生张卫江，高敏娟，侯金良，张梦腾，王晓庄，牟杰等完成了部分书稿的录入与校对工作；作者的多位同事也给予了不同形式的帮助和支持，在此，作者一并表示衷心的感谢。
由于编者水平有限，书中难免存在错误或不妥之处，恳请读者批评指正。

编  者    
2018年5月1日