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　　MATLAB 编程指南——计算、编程、仿真、算法及应用
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　　《MATLAB/Simulink系统仿真（科学与工程计算技术丛书）》在MATLAB 2016a的基础上由浅入深地讲解了MATLAB/Simulink软件的知识，内容涉及面广、涵盖了用户需要使用的各种功能。本书编排合理，自始至终采用实例描述； 内容完整且各章相对独立，是一本极具参考价值的MATLAB/Simulink参考书。

　　《MATLAB/Simulink系统仿真（科学与工程计算技术丛书）》分为三大部分共16章。第一部分主要介绍了MATLAB基础知识、Simulink仿真入门、Simulink模型建立与仿真以及Simulink常用命令库等； 第二部分主要介绍SFunction的应用、控制系统仿真和PID控制仿真等； 第三部分则涉及Simulink高级应用，包括模糊逻辑控制、电力系统仿真、通信系统仿真、神经网络控制仿真、滑模控制、车辆系统仿真、群智能算法仿真和图像处理仿真等。

　　《MATLAB/Simulink系统仿真（科学与工程计算技术丛书）》以工程应用为目标，深入浅出，实例引导，讲解翔实，适合作为理工科高等院校本科生和研究生的教学用书，也可作为广大科研工程技术人员的参考用书。

　　

　　李献，毕业于中国科学院研究生院，博士学位，硕士毕业于华中科技大学。毕业后留在中科院电工研究所应用超导重点实验室工作。主要从事电磁推进、脉冲强磁场以及脉冲功率电源的相关研究工作。在国内外期刊发表论文多篇，出版多部畅销图书。

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第1章MATLAB基础知识

1.1MATLAB简介

1.2MATLAB的通用命令

1.2.1MATLAB菜单说明

1.2.2MATLAB路径设置

1.2.3MATLAB系统常量说明

1.2.4MATLAB程序注解符说明

1.3MATLAB的计算基础

1.3.1MATLAB的预定义变量

1.3.2常用运算和基本数学函数

1.3.3数值的输出格式

1.4MATLAB程序设计基础

1.4.1MATLAB基本程序设计

1.4.2MATLAB程序控制语句的运用

1.5MATLAB的绘图功能

1.5.1离散数据图形绘制

1.5.2函数图形绘制

1.5.3网格图绘制

1.5.4曲面图的绘制

1.5.5特殊图形绘制

1.6微积分问题的MATLAB求解

1.6.1符号微积分

1.6.2微分方程的数值解

1.6.3龙贝格积分法微积分运算

1.6.4有限差分方法求边值问题

1.6.5样条函数求积分

1.6.6常微分方程符号解

1.7非线性方程与线性规划问题求解

1.7.1非线性方程组求解

1.7.2无约束最优化问题求解

1.7.3线性规划问题

1.7.4二次型规划问题

1.8本章小结

第2章Simulink仿真入门

2.1Simulink基本操作

2.1.1运行Simulink

2.1.2Simulink模块库

2.1.3Simulink模块的操作

2.2运行仿真及参数设置简介

2.2.1模型的创建

2.2.2模块的连接与简单处理

2.2.3仿真参数设置简介

2.3子系统及其封装

2.3.1创建子系统

2.3.2使能子系统

2.3.3触发子系统

2.3.4使能触发子系统

2.3.5封装子系统

2.4用MATLAB命令创建和运行Simulink模型

2.4.1创建Simulink模型与文件

2.4.2添加模块和信号线

2.4.3设置模型和模块属性

2.4.4仿真

2.5本章小结

第3章Simulink模型的建立与仿真

3.1Simulink模块库简介

3.2信号源模块组

3.2.1Clock模块

3.2.2Digital Clock模块

3.2.3Constant模块

3.2.4BandLimited White Noise模块

3.2.5Chirp Signal模块

3.2.6Sine Wave模块

3.2.7Pulse Generator模块

3.2.8Random Number模块

3.2.9Step模块

3.2.10Uniform Random Number模块

3.3连续模块组

3.3.1Derivative模块

3.3.2Integrator模块

3.3.3Transfer Fcn模块

3.3.4Transport Delay模块

3.3.5ZeroPole模块

3.3.6StateSpace模块

3.4离散模块组

3.4.1Discrete Transfer Fcn模块

3.4.2Discrete Filter模块

3.4.3Unit Delay模块

3.4.4Memory模块

3.4.5Discrete ZeroPole模块

3.4.6Discrete StateSpace模块

3.4.7ZeroOrder Hold模块

3.5查表模块组

3.5.11D Lookup Table模块

3.5.22D Lookup Table模块

3.6用户自定义函数模块组

3.6.1Fcn模块

3.6.2MATLAB Fcn模块

3.6.3SFunction模块

3.7数学运算模块组

3.7.1Abs模块

3.7.2Add模块

3.7.3Divide模块

3.7.4Dot Product模块

3.7.5Gain模块

3.7.6Complex to MagnitudeAngle模块

3.7.7MagnitudeAngle to Complex模块

3.8非线性模块组

3.8.1Backlash模块

3.8.2Coulomb & Viscous Friction模块

3.8.3Dead Zone模块

3.8.4Quantizer模块

3.8.5Rate Limiter模块

3.8.6Saturation模块

3.9信号与系统模块组

3.9.1Bus Selector模块

3.9.2Bus Creator模块

3.9.3Mux模块

3.9.4Demux模块

3.9.5Data Store Memory模块

3.9.6Data Store Read模块

3.9.7Data Store Write模块

3.9.8Enable模块

3.9.9Ground模块

3.10本章小结

第4章Simulink常用命令库分析

4.1Simulink中常用的模块库

4.2Simulink命令代码

4.2.1Simulink系统路径

4.2.2获取Simulink模型参数值

4.3Simulink系统创建命令

4.3.1simulink命令

4.3.2simulink3命令

4.3.3find_system命令

4.3.4new_system命令

4.3.5open_system命令

4.3.6save_system命令

4.3.7bdclose命令

4.4Simulink模型模块操作命令

4.4.1add_block命令

4.4.2delete_block命令

4.4.3add_line命令

4.4.4delete_line命令

4.4.5replace_block命令

4.5获取Simulink文件路径

4.5.1gcb命令

4.5.2gcbh命令

4.5.3gcs命令

4.5.4bdroot命令

4.6获取Simulink模型参数命令

4.6.1get_param命令

4.6.2set_param命令

4.7Simulink代码建模

4.8本章小结

第5章基于Simulink的S函数建模

5.1Simulink S函数仿真应用

5.1.1Simulink S函数仿真过程

5.1.2S函数的回调方法

5.2Mfile S函数应用

5.3Mfile S函数模板

5.3.1S函数工作方式

5.3.2S函数仿真过程

5.3.3S函数的编写

5.3.4M文件S函数的模块化

5.4Mfile S函数实现

5.5本章小结

第6章控制系统Simulink仿真

6.1控制系统频域分析

6.1.1频率特性的定义

6.1.2频率特性和传递函数的关系

6.1.3频率特性的图形表示方法

6.2幅相频率特性

6.2.1比例环节

6.2.2微分环节

6.2.3积分环节

6.2.4惯性环节

6.2.5一阶复合微分环节

6.2.6二阶振荡环节

6.2.7二阶复合微分环节

6.2.8延迟环节

6.2.9开环系统的幅相特性曲线

6.3对数频率特性

6.3.1比例环节

6.3.2微分环节

6.3.3积分环节

6.3.4惯性环节

6.3.5一阶复合微分环节

6.3.6二阶振荡环节

6.3.7二阶复合微分环节

6.3.8延迟环节

6.4开环系统的Bode图

6.5最小相角系统和非最小相角系统

6.6奈奎斯特频域稳定判据

6.7频域对数稳定判据

6.8稳定裕度

6.8.1稳定裕度的定义

6.8.2稳定裕度的计算

6.9本章小结

第7章基于PID的Simulink控制系统仿真

7.1PID控制原理

7.2基于PID的控制仿真

7.3基于S函数的PID控制系统仿真

7.4基于PID的倒立摆小车控制仿真

7.5本章小结

第8章模糊逻辑控制仿真

8.1模糊逻辑概述

8.1.1高斯型隶属函数

8.1.2三角形隶属函数

8.2模糊逻辑控制箱图形界面

8.2.1基本FIS编辑器

8.2.2隶属函数编辑器

8.2.3绘制FIS

8.2.4设置模糊系统属性

8.2.5规则编辑器和语法编辑器

8.2.6规则观察器和模糊推理框图

8.3模糊聚类分析

8.3.1FIS曲面

8.3.2FIS结构

8.3.3模糊均值聚类

8.3.4模糊聚类工具箱

8.4模糊与PID控制器仿真设计

8.4.1模糊逻辑工具箱

8.4.2PID控制

8.4.3模糊控制器设计

8.4.4模糊与PID控制仿真

8.5本章小结

第9章Simulink在电力系统中的应用

9.1同步发电机原理分析

9.2简化同步电机模块使用

9.3同步电机模块使用

9.4负荷模型

9.4.1静态负荷模块

9.4.2三相动态负荷模块

9.5异步电动机模块

9.6直流电机模块

9.7本章小结

第10章电力系统稳定性分析

10.1Powergui模块

10.1.1仿真类型

10.1.2分析工具

10.2二极管模块

10.3晶闸管模块

10.4电力系统稳态仿真

10.4.1连续系统仿真

10.4.2离散系统仿真

10.5电力系统电磁暂态仿真

10.5.1断路器模块

10.5.2三相断路器模块

10.5.3三相故障模块

10.5.4暂态仿真分析

10.6本章小结

第11章通信系统仿真设计

11.1通信系统仿真概述

11.2信源与信道模型

11.2.1随机数产生器

11.2.2泊松分布产生器

11.2.3伯努利二进制信号产生器

11.2.4加性噪声产生器

11.3滤波器分析

11.4调制与解调

11.4.1基带模型与调制通带分析

11.4.2解调与模拟调制模型分析

11.4.3数字调制解调器模型分析

11.5本章小结

第12章神经网络控制

12.1神经网络简介

12.2人工神经元模型

12.3神经网络的学习规则

12.4MATLAB神经网络工具箱

12.5基于BP神经网络的PID自适应控制

12.6基于Simulink的神经网络模块仿真

12.6.1模块的设置

12.6.2模块的生成

12.7基于Simulink的神经网络控制系统

12.8反馈线性化控制

12.9本章小结

第13章滑模控制

13.1基于名义模型的滑模控制

13.1.1名义控制系统结构

13.1.2基于名义模型的控制

13.1.3基于名义模型的滑模控制器的设计

13.1.4基于名义模型的滑模控制仿真

13.2全局滑模控制

13.2.1全局滑模控制系统

13.2.2全局滑模控制器的设计

13.2.3基于全局滑模控制的仿真

13.3基于线性化反馈的滑模控制

13.3.1二阶非线性确定系统的倒立摆仿真

13.3.2二阶非线性不确定系统的倒立摆仿真

13.3.3输入输出的反馈线性化控制

13.3.4输入输出的反馈线性化滑模控制

13.4基于模型参考的滑模控制

13.5本章小结

第14章车辆系统仿真

14.1汽车制动系统仿真

14.2汽车悬架系统仿真

14.2.1汽车悬架系统运动方程建立

14.2.2汽车悬架系统仿真

14.2.3白噪声路面模拟输入仿真

14.3汽车四轮转向控制系统仿真

14.3.1低速四轮转向系统仿真

14.3.2高速四轮转向系统仿真

14.4本章小结

第15章群智能算法控制系统仿真

15.1PID控制

15.2粒子群算法控制仿真

15.2.1基本粒子群算法

15.2.2粒子群算法流程

15.2.3被控对象PID整定

15.2.4阶跃响应性能检测

15.3遗传算法控制仿真

15.3.1选择算子

15.3.2交叉算子

15.3.3变异算子

15.3.4适应度值评估

15.3.5遗传算法流程

15.3.6被控对象PID整定

15.3.7阶跃响应性能检测

15.4人群搜索算法控制仿真

15.4.1搜索步长的确定

15.4.2搜索方向的确定

15.4.3搜寻者个体位置的更新

15.4.4人群搜索算法流程

15.4.5被控对象PID整定

15.4.6阶跃响应性能检测

15.5本章小结

第16章图像处理仿真

16.1图像处理模块库

16.1.1分析和增强模块

16.1.2转换模块库

16.1.3滤波模块库

16.1.4几何变换模块库

16.1.5形态学操作模块库

16.1.6接收器模块库

16.1.7输入源模块库

16.1.8统计模块库

16.1.9文本和图形模块库

16.1.10变换模块库

16.1.11工具模块库

16.2基于Simulink的图像增强

16.2.1图像灰度变换增强

16.2.2图像的平滑增强

16.2.3图像锐化增强

16.3基于Simulink的图像转换处理

16.3.1图像类型转换

16.3.2颜色模型转换

16.4基于Simulink的图像几何变换

16.4.1图像的旋转

16.4.2图像的缩放

16.5基于Simulink的图像数学形态学操作

16.5.1图像膨胀和腐蚀

16.5.2图像的开运算与闭运算

16.6基于Simulink的图像增强综合实例

16.6.1图像进行旋转和增强

16.6.2图像缩小旋转及边缘检测处理

16.7本章小结

附录Simulink常用命令库

参考文献

　　第3章Simulink模型的建立与仿真

　　Simulink是MATLAB的仿真工具箱，它是面向框图的仿真软件。Simulink能用绘制方框图代替程序，结构和流程清晰；利用Simulink可智能化地建立和运行仿真，仿真精细、贴近实际。Simulink适应面广。可应用于线性、非线性系统，连续、离散及混合系统，以及单任务、多任务离散事件系统。采用Simulink模块库能够方便地进行模型的编辑和仿真构建。

　　学习目标：

　　(1)学习Simulink基本库原件；

　　(2)学习Simulink各模块的使用；

　　(3)学习Simulink各模块的参数配置；

　　(4)学习使用Simulink各模块搭建仿真框图。

　　3.1Simulink模块库简介

　　在MATLAB命令行窗口输入simulink，打开Simulink工具箱，进行Simulink工具箱模块库的学习。Simulink模块库很庞大，以下将主要介绍常规的Simulink应用模块，包括信号源模块组、连续模块组、离散模块组、查表模块组、用户自定义函数模块组、数学运算模块组、非线性模块组、输出池模块组、信号与系统模块组、子系统模块组、常用模块组、其他工具箱与模块集等。

　　3.2信号源模块组

　　Simulink模块库中提供了丰富的信号源模块组，下面逐一介绍。

　　3.2.1Clock模块

　　时钟模块以及时钟模块的属性如图31所示。

　　图31时钟模块

　　时钟模块如图31所示，在Simulink仿真中，时钟模块主要用于计时，效果很直观。

　　在时钟模块的属性窗口中：

　　（1）Displaytime：如果该复选框被选中，则该时钟模块在仿真过程中，界面将显示时间，如果不显示，则可将其输入到工作区中。

　　（2）Decimation：默认为10，Decimation的数值可以为任意整数，在仿真过程中，随着时钟不断地更新，其数值不断增加，例如对于10s的仿真，系统Decimation默认为10，则表示系统将以1s、2s、3s、…、10s依次递增。

　　搭建时钟模块如图32所示。

　　运行仿真文件，输出结果如图33所示。

　　图32时钟使用

　　图33时钟模块示波器时钟变化图

　　3.2.2DigitalClock模块

　　数字时钟模块以及数字时钟模块的属性如图34所示。

　　图34数字时钟模块

　　图35DigitalClock模块使用

　　在Simulink仿真中，数字时钟模块主要用于离散系统的计时，该模块能够输出保持前一次的值不变。

　　对于其属性窗口：Sampletime表示采样时间，默认值为1s。

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　　MATLAB/Simulink可用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真，是基于模型的设计工具。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，它基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。

　　对于各种时变系统，包括通信、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制的模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，即系统中的不同部分具有不同的采样速率。

　　为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方框图的图形用户接口(GUI)，创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种快捷、直接明了的方式，使得用户可以立即看到系统的仿真结果。

　　1.本书特点

　　（1）由浅入深、循序渐进：本书以MATLAB爱好者为对象，首先从MATLAB使用基础讲起，再辅以MATLAB/Simulink在工程中的应用案例帮助读者尽快掌握MATLAB/Simulink进行工程应用分析的技能。

　　（2）步骤详尽、内容新颖：本书结合作者多年MATLAB/Simulink使用经验与实际工程应用案例，将MATLAB/Simulink软件的使用方法与技巧详细地讲解给读者。本书在讲解过程中步骤详尽、内容新颖，并辅以相应的图片，使读者在阅读时一目了然，从而快速掌握书中的内容。

　　（3）实例典型、轻松易学：通过实际工程应用案例的具体操作，读者可以更好地掌握MATLAB/Simulink的使用方法。本书通过综合应用案例，透彻详尽地讲解了MATLAB/Simulink在各方面的应用。

　　2.本书内容

　　本书基于MATLAB2016a版本，讲解了MATLAB/Simulink的基础知识和核心内容。本书主要围绕MATLAB/Simulink在工程问题中的应用进行仿真运算，内容分为三部分共16章。第一部分主要介绍了MATLAB及Simulink的基本操作知识；第二部分介绍了Simulink的控制系统仿真应用；第三部分则讲解Simulink的高级应用。

　　第一部分为MATLAB及Simulink的基本应用，包括第1章到第4章，内容涵盖矩阵的应用、MATLAB计算基础、程序设计基础、绘图功能、微积分应用、非线性方程求解、Simulink基本操作、Simulink运行仿真参数设置、Simulink子系统封装展开以及Simulink模块库分析等。

　　第二部分为Simulink控制系统的仿真部分，包括第5章到第7章，主要介绍采用SFunction进行控制系统设计，采用S函数进行Simulink模块设计，控制系统计算机仿真的算法分析、控制系统数字仿真的实现和控制系统计算机仿真等。

　　第三部分为Simulink高级系统仿真应用，包括第8章到第16章，主要分析了模糊逻辑控制器的设计、电力系统仿真设计、通信系统仿真设计、Simulink神经网络应用、滑模控制、车辆系统仿真和群智能算法控制系统仿真等。

　　本书附录部分介绍Simulink常用命令库，基本涵盖所有常用的Simulink命令函数。

　　3.读者对象

　　本书适合于MATLAB/Simulink初学者，也适合想要研究算法和提高工程应用能力的读者，本书面向的读者群体包括：

　　★广大科研工作人员★初学MATLAB/Simulink的技术人员

　　★大中专院校的教师和在校生★相关培训机构的教师和学员

　　★参加工作实习的“菜鸟”★MATLAB/Simulink爱好者

　　★初中级MATLAB/Simulink从业人员

　　4.读者服务

　　为了方便解决本书的疑难问题，读者朋友在学习过程中遇到任何与本书有关的技术问题，都可以发邮件到邮箱caxart@126.com，或者访问博客http://blog.sina.com.cn/caxart，编者会尽快给予解答。

　　另外本书所涉及的资料（程序代码）已经上传到上面提到的博客及清华大学出版社本书页面中，读者可以下载。

　　5.本书作者

　　本书主要由李献、骆志伟和于晋臣编著。此外，付文利、王广、张岩、温正、林晓阳、任艳芳、唐家鹏、孙国强和高飞等也参与了本书部分内容的编写工作。

　　虽然作者在本书的编写过程中力求叙述准确、完善，但由于水平有限，书中欠妥之处在所难免，希望读者能够及时指出，以促进本书质量的提高。

　　最后希望本书能够为读者的学习和工作提供帮助！

　　编者