MATLAB/Simulink系统建模与仿真

知识全面  对MATLAB和Simulink的基本知识进行了全面的讲解，系统介绍了利用MATLAB/Simulink实现系统建模与仿真的基本方法和实战案例。
结构合理  根据作者多年的MATLAB/Simulink编程实践和教学经验编写，内容浅显易懂、结构合理、逻辑严密、条理清晰，便于学习。
注重实践  结合自动控制系统、通信系统和数字信号处理系统中的建模与仿真应用，提供了大量实践案例，全面介绍了MATLAB/Simulink工具箱在各种系统建模与仿真领域的实际应用。

 

本书以MATLAB R2020a为平台,深入浅出地介绍MATLAB/Simulink软件的功能、基本概念及其在 系统建模与仿真中的实际应用。全书共分8章,主要介绍系统建模与仿真的基本概念、MATLAB基础、 Simulink入门、MATLAB/Simulink动态系统建模与仿真、子系统与S函数、MATLAB/Simulink控制系统 分析与设计、数字滤波器的MATLAB辅助分析与设计、MATLAB/Simulink通信系统仿真等内容。 本书紧扣高等院校电子信息工程、通信工程、电子科学与技术、计算机科学与技术等专业的人才培养 方案,以数字信号处理、自动控制原理、现代通信原理为前修课程,特别适合作为高等院校电子、电气类专 业系统建模与仿真技术等相关课程教材及实验参考资料,也可作为相关领域工程技术人员的参考书。

向军：西南交通大学电气工程学院副教授。长期从事系统建模与仿真领域的教学和研究工作。先后为本科生与研究生开设“系统建模与仿真”“数字信号处理”“通信原理”等多门课程，出版教材2部。

第1章建模与仿真的基本概念

1.1系统及系统模型

1.1.1系统

1.1.2系统模型

1.2系统建模与仿真

1.2.1系统建模

1.2.2系统仿真

1.3常用的仿真工具和软件

1.3.1SimuWorks

1.3.2Flexsim

1.3.3Simio

1.3.4VRPlatform

1.3.5MATLAB和Simulink

第2章MATLAB基础

2.1MATLAB工作环境与帮助系统

2.1.1工作环境

2.1.2帮助系统

2.2MATLAB的数据类型

2.2.1常数和变量

2.2.2矩阵和数组

2.3MATLAB的基本运算

2.3.1标量运算

2.3.2数组运算

2.3.3矩阵运算

2.4脚本和函数

2.4.1脚本

2.4.2函数

2.5程序流程控制语句

2.5.1条件语句

2.5.2循环语句

2.6数据的可视化

2.6.1基本二维图形的绘制

2.6.2三维图形的绘制

2.6.3特殊图形的绘制及相关函数

本章习题

实践练习

第3章Simulink入门

3.1Simulink的工作环境

3.1.1Simulink编辑器

3.1.2库浏览器

3.2Simulink建模与仿真的基本过程

3.2.1模块的调入和参数设置

3.2.2模块的连接

3.2.3运行仿真

3.3Simulink模块库和模块

3.3.1Simulink模块库

3.3.2模块的参数设置

3.3.3模块的基本操作

3.4Simulink求解器

3.4.1求解器的分类及选择

3.4.2求解器的参数配置

3.4.3求解器步长与模块采样时间

3.5仿真运行

3.5.1仿真运行方式

3.5.2仿真运行过程

3.6仿真数据的导出和检查

3.6.1导出数据的格式

3.6.2To Workspace和To File模块

3.6.3仿真数据检查器

3.7示波器和信号观察器

3.7.1示波器

3.7.2浮动示波器和信号观察器

本章习题

实践练习

第4章MATLAB/Simulink动态系统建模与仿真

4.1动态系统的数学模型

4.1.1方框图

4.1.2时域方程与系统的响应

4.1.3传递函数

4.1.4状态空间方程

4.2时域方程的MATLAB求解

4.2.1差分方程的递推求解

4.2.2数值微积分

4.2.3微分方程的数值求解

4.2.4微积分和微分方程求解函数

4.3基于方框图的动态系统建模与仿真

4.3.1Simulink相关模块

4.3.2离散动态系统的方框图仿真

4.3.3连续动态系统的方框图仿真

4.4基于传递函数的动态系统建模与仿真

4.4.1传递函数模块

4.4.2传递函数的零极点增益模型及其仿真

4.5基于状态空间方程的动态系统建模与仿真

4.5.1相关转换函数

4.5.2基于状态空间方程的仿真

4.6模型对象及其编程仿真

4.6.1模型对象的创建

4.6.2模型对象的编程仿真

4.6.3模型对象的串并联

本章习题

实践练习

第5章子系统与S函数

5.1子系统的基本概念

5.1.1子系统的分类

5.1.2虚拟子系统的创建和基本操作

5.1.3模型浏览器

5.2条件子系统

5.2.1使能子系统

5.2.2触发子系统

5.2.3使能触发子系统

5.3控制流子系统

5.3.1动作子系统

5.3.2循环迭代子系统

5.4子系统的封装

5.4.1封装编辑器

5.4.2子系统封装步骤

5.4.3对封装模块的操作

5.5S函数

5.5.1S函数的基本概念

5.5.2S函数的实现方法和一般结构

5.5.3静态和动态系统的S函数实现

5.5.4S函数模块的封装

本章习题

实践练习

第6章MATLAB/Simulink控制系统分析与设计

6.1控制系统的数学模型

6.1.1零极点与根轨迹

6.1.2频率特性

6.2控制系统的分析

6.2.1时域分析

6.2.2频域分析

6.2.3线性系统分析仪

6.2.4控制系统的稳定性分析

6.3控制系统的设计

6.3.1控制系统设计器

6.3.2设计指标的添加

6.3.3控制器设计

6.3.4设计结果的验证

本章习题

实践练习

第7章数字滤波器的MATLAB辅助分析与设计

7.1数字滤波器的基本概念

7.1.1滤波器的数学模型

7.1.2滤波器的技术指标

7.1.3数字滤波器的基本设计方法

7.2数字滤波器的MATLAB设计

7.2.1数字IIR滤波器设计

7.2.2数字FIR滤波器设计

7.2.3designfilt()函数及滤波器特性分析

7.3Filter Designer及其使用

7.3.1Filter Designer的启动

7.3.2滤波器的设计过程

7.3.3设计结果的分析和导出

7.4Simulink中的滤波器设计和实现模块

本章习题

实践练习

第8章MATLAB/Simulink通信系统仿真

8.1调制和解调的基本概念

8.1.1调制和解调

8.1.2带通调制和基带调制

8.2调制与解调过程的仿真

8.2.1MATLAB编程仿真

8.2.2Simulink仿真

8.3通信工具箱简介

8.3.1信源模块

8.3.2信道模块

8.4调制与解调模块

8.4.1模拟带通调制模块

8.4.2模拟基带调制模块

8.4.3数字基带调制模块

8.5通信系统性能的仿真分析

8.5.1信号频谱及带宽分析

8.5.2误码率测量及曲线的绘制

本章习题

实践练习

附录AMATLAB的主要历史版本

附录BSimulink常用模块库

附录Csfuntmpl.m模板文件

参考文献

MATLAB是Matrix和Laboratory两个词的组合，称为矩阵实验室，由美国MathWorks公司发布，主要面向科学计算、可视化以及交互式程序设计。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的窗口环境中，为科学研究、工程设计等众多科学领域提供了一种全面的解决方案。
MATLAB的各版本中主要包括MATLAB和Simulink两大部分。其中，MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理、图像处理、信号检测、金融系统建模与分析等领域。附加的工具箱扩展了MATLAB 的环境和功能，以解决特定应用领域内的科学计算和工程分析设计问题。

Simulink集成于MATLAB中，是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具，为各种时变系统，包括通信、控制、信号处理、视频和图像处理系统等都提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。Simulink能够将MATLAB算法引入仿真模型，也能将仿真结果导出到MATLAB中，以便做进一步分析处理。Simulink可以直接访问MATLAB大量的工具，以便进行算法研发和仿真分析、数据的可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义等。
本书基于的MATLAB R2020a版本，深入浅出地介绍了MATLAB和Simulink的相关知识，以期帮助读者尽快掌握MATLAB/Simulink的基本概念、使用方法及其在系统建模和仿真中的应用。本书的主要特点有： 
1. 逻辑性强、条理清晰
全书内容精心组织，各章内容联系紧密、条理清晰、深入浅出，并注重理实结合，突出实践能力的训练。
2. 例题丰富、步骤详尽
本书例题紧扣知识点，题目精心设计，解答步骤详尽，所有例题都在MATLAB R2020a和R2016a两个版本上调试通过。
3. 习题多样、便于教学
每章都提供了题型多样、数量充足的课后习题和实践练习题，便于复习巩固相关知识点，提升实践能力，方便进行课程教学设计和内容组织。

全书内容共分为两大部分，共8章。第1~5章是基本概念部分。其中，第1章简要介绍系统建模和仿真的基本概念； 第2章和第3章分别介绍MATLAB编程和Simulink模型仿真的基本概念和方法； 第4章介绍动态系统的数学模型，以及根据各种数学模型对动态系统进行编程和建模仿真的基本方法； 第5章介绍MATLAB中功能十分强大的子系统和S函数的基本概念及其实现方法。

第6~8章是具体应用部分。其中，第6章介绍MATLAB/Simulink在自动控制系统的辅助分析和设计中的应用； 第7章主要介绍利用MATLAB提供的相关函数、模块和应用程序APP进行数字滤波器的分析与设计的基本方法； 第8章主要介绍MATLAB/Simulink在通信系统的调制解调过程仿真和性能分析方面的应用。
为便于读者学习，本书配套提供了丰富的学习资源，读者可以扫描书中对应二维码在线学习或下载到自己的计算机学习。

■程序代码提供全书100多个案例的程序代码，这些程序代码均已通过验证调试。
■教学课件提供全书8章的教学课件，便于广大教师备课与教学。
■习题解答提供各章习题的参考答案，解答步骤详尽。
■微课视频提供与教材同步的教学视频，共计1000多分钟，覆盖全书90%以上的内容。

■教学大纲为相关课程任课教师撰写课程教学大纲参考，帮助自学读者明确内容的重点、难点及学习目标。
■实验大纲配合相关课程的实验教学。

为便于组织教学或自学，本书编者精心制作了教学课件，每章都提供了题型丰富的习题和实践练习题，可供相关课程和实验教学环节参考。所有习题都提供了参考解答，需要的读者可与清华大学出版社或者编者联系。
本书的出版得到了美国MathWorks公司图书出版计划的支持，并提供了的MATLAB R2020a试用版本，在此表示谢意。

向军2021年1月于西南交通大学