Simulink动态系统建模与仿真2版 - 中国高校教材图书网
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书名： |
Simulink动态系统建模与仿真2版
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| ISBN： | 978-7-5606-2347-4 |
条码： | |
| 作者： |
李 颖
相关图书
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装订： | 平装 |
| 印次： | 1-1 |
开本： | 16开 |
| 定价： |
￥40.00
折扣价：￥38.00
折扣：0.95
节省了2元
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字数： |
678千字
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| 出版社： |
西安电子科技大学出版社 |
页数： |
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| 发行编号： | 2639002-2 |
每包册数： |
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| 出版日期： |
2009-12-01 |
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| 内容简介： |
内 容 简 介
本书介绍的是由MathWorks公司开发的MATLAB (R2007a)中的Simulink 6.6软件包。全书共12章，从Simulink的基本概念开始，全面介绍了Simulink软件包中各种模块的特性及使用方法，重点介绍了利用Simulink工具进行动态系统建模、仿真、分析和调试的方法，包括连续系统、离散系统和混合系统。同时，书中通过大量例程说明了Simulink中各种功能的实现
途径。
本书适用于初学Simulink的工程设计人员及从事控制工程或系统工程方面工作的工程师和研究人员，还可作为高等工科院校相关专业教师、本科生和研究生的参考书。
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| 作者简介： |
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| 章节目录： |
目 录
第1章 Simulink基础 1
1.1 Simulink简介 1
1.2 运行Simulink演示程序 2
1.2.1 运行房屋热力学系统演示模型 2
1.2.2 房屋热力学系统模型说明 4
1.2.3 其他Simulink演示程序 7
1.3 建立一个简单的Simulink模型 7
1.4 保存Simulink模型 11
1.5 打印及HTML报告 13
1.5.1 打印模型 13
1.5.2 生成模型报告 15
1.6 打印边框编辑器 16
1.6.1 用户接口 17
1.6.2 设计打印边框 17
1.6.3 打印边框示例 19
1.7 Simulink参数设置 21
1.7.1 常用Simulink参数 21
1.7.2 Simulink字体参数 24
1.7.3 Simulink仿真参数 25
第2章 Simulink模块操作 27
2.1 模块操作 27
2.1.1 Simulink模块类型 27
2.1.2 自动连接模块 28
2.1.3 手动连接模块 30
2.2 改变模块外观 30
2.2.1 改变模块方向 31
2.2.2 改变模块名称 31
2.2.3 指定方块图颜色 32
2.3 设置模块参数 33
2.3.1 设置模块特定参数 33
2.3.2 来自工作区的模块参数 34
2.4 标注方块图 35
2.4.1 编辑标注 35
2.4.2 在标注中使用TeX格式命令 35
2.5 模块属性对话框 36
2.6 显示模块输出 39
2.6.1 设置输出提示 39
2.6.2 模块输出提示选项 41
2.7 控制和显示模块的执行顺序 41
2.7.1 指定模块优先级 41
2.7.2 显示模块执行顺序 42
2.8 查表编辑器 42
2.8.1 编辑查询表数值 42
2.8.2 显示N-维表 45
2.8.3 绘制LUT表曲线 46
2.8.4 编辑自定义LUT模块 46
2.9 鼠标和键盘操作概述 47
第3章 Simulink信号操作 50
3.1 信号基础 50
3.1.1 信号属性及分类 50
3.1.2 信号的线型 54
3.1.3 确定输出信号的维数 54
3.1.4 确定信号及参数维数的准则 55
3.1.5 输入和参数的标量扩展 56
3.1.6 设置信号属性 57
3.2 信号及示波器管理器 60
3.2.1 信号及示波器管理器对话框 60
3.2.2 信号选择对话框 63
3.3 显示信号 67
3.3.1 显示信号属性 68
3.3.2 信号标签 69
3.3.3 信号标签的传递 70
3.3.4 操作信号标签 71
3.4 多维数组信号的连接 71
3.5 信号组操作 73
3.5.1 创建信号组 74
3.5.2 编辑信号组 75
3.5.3 编辑信号 76
3.5.4 编辑波形 78
3.5.5 设置输入信号的时间范围 80
3.5.6 输出信号组数据及波形 81
3.5.7 用信号组仿真 81
3.5.8 仿真选项对话框 82
3.6 复合信号 84
3.6.1 混合信号 85
3.6.2 总线信号 86
3.6.3 总线对象 88
第4章 Simulink动态系统建模 91
4.1 创建动态系统模型的要素 91
4.1.1 方块图 91
4.1.2 系统函数 92
4.1.3 状态 92
4.1.4 模块参数 94
4.1.5 模块采样时间 95
4.1.6 用户模块 95
4.1.7 系统和子系统 95
4.1.8 信号 96
4.1.9 模块方法和模型方法 96
4.1.10 仿真算法 97
4.2 Simulink开放式动态系统建模 98
4.3 动态系统数学模型分类 99
4.3.1 常微分方程 99
4.3.2 差分方程 101
4.3.3 代数方程 102
4.3.4 组合系统 103
4.4 建立方程模型 104
4.4.1 建立代数方程模型 104
4.4.2 建立简单的连续系统模型 108
4.4.3 选择最佳的数学模型 109
4.4.4 避免无效循环 111
4.4.5 建模提示 113
第5章 Simulink仿真设置 114
5.1 仿真基础 114
5.1.1 设定仿真参数 114
5.1.2 控制仿真执行 115
5.1.3 交互运行仿真 116
5.2 设置仿真算法 116
5.2.1 设置仿真时间 117
5.2.2 设置仿真算法 117
5.2.3 设置仿真步长 122
5.2.4 计算仿真步长 125
5.2.5 设置误差容限 126
5.3 工作区输入/输出设置 128
5.3.1 从基本工作区中装载输入 129
5.3.2 把输出结果保存到工作区 132
5.3.3 装载和保存状态 134
5.3.4 设置输出选项 134
5.4 输出信号的显示 136
5.4.1 Scope模块和XY Graph 模块的使用 136
5.4.2 悬浮Scope模块和Display 模块的使用 138
5.4.3 返回变量的使用 141
5.4.4 To Workspace模块的使用 141
第6章 Simulink动态系统仿真 144
6.1 Simulink动态系统仿真过程 144
6.1.1 模型编译阶段 144
6.1.2 模型链接阶段 145
6.1.3 仿真循环阶段 146
6.1.4 求解器的分类 148
6.2 离散系统仿真 149
6.2.1 差分方程的实现 149
6.2.2 指定采样时间 150
6.2.3 采样时间的传递 152
6.2.4 确定离散系统的步长 154
6.2.5 多速率系统 155
6.2.6 线性离散系统 157
6.3 连续系统仿真 159
6.3.1 微分方程的实现 159
6.3.2 线性连续系统 160
6.4 混合系统仿真 166
6.5 模型离散化 169
6.5.1 模型离散化GUI 170
6.5.2 查看离散化模型 174
6.5.3 从Simulink模型中离散化模块 175
6.6 诊断仿真错误 176
6.6.1 仿真诊断查看器 177
6.6.2 创建用户仿真错误消息 178
6.7 改善仿真性能和精度 179
6.7.1 提高仿真速度 180
6.7.2 改善仿真精度 180
6.8 综合实例 182
6.8.1 坐标系及其转换 183
6.8.2 转换矩阵算法的Simulink实现 183
6.8.3 惯性测量输出的Simulink实现 186
6.8.4 刚体角速度在惯性空间中矢量的Simulink实现 188
6.8.5 空间姿态角计算 188
第7章 高级仿真概念 191
7.1 过零检测 191
7.1.1 过零检测的工作方式 191
7.1.2 过零检测的实现方式 192
7.1.3 使用过零检测 194
7.1.4 关闭过零检测 197
7.2 处理代数循环 199
7.2.1 代数约束 199
7.2.2 非代数的直接馈通环 201
7.2.3 切断代数环 202
7.2.4 消除代数环 203
7.2.5 高亮显示代数环 205
7.3 高级积分器 206
7.3.1 积分器模块参数对话框 207
7.3.2 创建自重置积分器 211
7.3.3 在使能子系统间传递状态 213
7.4 仿真诊断选项设置 215
7.4.1 仿真算法诊断设置 215
7.4.2 采样时间诊断设置 219
7.4.3 数据验证诊断设置 220
7.4.4 类型转换诊断设置 225
7.4.5 连接诊断设置 225
7.4.6 兼容性诊断设置 228
7.4.7 模型引用诊断设置 232
7.5 仿真性能优化设置 234
第8章 使用命令行仿真 238
8.1 通过命令行仿真 238
8.1.1 基本命令行语法—— sim命令 238
8.1.2 设置仿真参数—— simset命令 243
8.1.3 获取仿真参数—— simget命令 247
8.1.4 获取模型属性——get_param命令 248
8.1.5 设置模型参数—— set_param命令 250
8.1.6 绘制仿真曲线—— simplot命令 251
8.1.7 确定模型状态 252
8.2 模型线性化 253
8.2.1 模型线性化命令 253
8.2.2 连续系统模型线性化 255
8.2.3 离散系统模型线性化 257
8.2.4 线性化模型分析 257
8.3 寻找平衡点 258
8.4 编写模型和模块的回调函数 263
8.4.1 跟踪回调函数 263
8.4.2 创建模型回调函数 264
8.4.3 创建模块回调函数 264
第9章 使用子系统 266
9.1 创建子系统 266
9.1.1 Simulink子系统定义 266
9.1.2 创建子系统 268
9.1.3 浏览层级子系统 269
9.2 创建条件执行子系统 271
9.2.1 使能子系统 272
9.2.2 触发子系统 278
9.2.3 触发使能子系统 284
9.2.4 创建交替执行子系统 285
9.2.5 函数调用子系统 288
9.3 控制流语句 290
9.3.1 If-Else控制流语句 290
9.3.2 Switch控制流语句 293
9.3.3 While控制流语句 296
9.3.4 For控制流语句 301
9.3.5 Stateflow图和控制流语句的比较 305
第10章 封装子系统 308
10.1 封装子系统概述 308
10.1.1 封装特征 308
10.1.2 封装举例 310
10.2 封装编辑器 313
10.2.1 Icon选项页的设置 313
10.2.2 Parameters选项页的设置 317
10.2.3 Initialization选项页的设置 320
10.2.4 Documentation选项页的设置 322
10.3 创建封装模块的动态对话框 323
10.3.1 设置封装模块对话框参数 324
10.3.2 预定义封装对话框参数 324
10.4 自定义库操作 329
10.4.1 建立和使用库 330
10.4.2 库连接状态 332
10.4.3 显示库关联及信息 333
10.4.4 把用户库添加到Simulink库浏览器中 334
10.5 可配置子系统 334
10.5.1 创建可配置子系统 335
10.5.2 映射I/O端口 336
第11章 Simulink调试器 340
11.1 调试器概述 340
11.1.1 启动调试器 340
11.1.2 调试器的图形用户接口 341
11.1.3 调试器的命令行接口 341
11.1.4 调试器命令 343
11.2 调试器控制 344
11.2.1 连续运行仿真 344
11.2.2 继续仿真 344
11.2.3 单步运行仿真 346
11.3 设置断点 348
11.3.1 设置无条件断点 349
11.3.2 设置有条件断点 350
11.4 显示仿真信息 352
11.4.1 显示模块I/O 352
11.4.2 显示代数环信息 353
11.4.3 显示系统状态 354
11.4.4 显示求解器信息 354
11.5 显示模型信息 355
11.5.1 显示模型中模块的执行顺序 355
11.5.2 显示模块 356
第12章 编写M语言S-函数 360
12.1 S-函数 360
12.1.1 S-函数的定义 360
12.1.2 S-函数的工作方式 361
12.2 在模型中创建S-函数 363
12.2.1 在模型中使用S-函数 363
12.2.2 向S-函数中传递参数 364
12.2.3 何时使用S-函数 365
12.3 S-函数的概念 365
12.3.1 直接馈通 366
12.3.2 动态设置数组维数 366
12.3.3 设置采样时间和偏移量 367
12.4 编写M语言S-函数 368
12.4.1 M文件S-函数模板 368
12.4.2 定义S-Function模块特征 370
12.5 M文件S-函数范例 370
12.5.1 无状态M文件S-函数 371
12.5.2 连续状态S-函数 376
12.5.3 离散状态S-函数 382
12.5.4 混合系统S-函数 388
附录 391
附录A 模型和模块参数 391
A.1 模型参数 391
A.2 共用模块参数 411
A.3 专用模块参数 415
A.4 封装参数 425
附录B 模型和模块回调函数 429
B.1 模型回调函数 429
B.2 模块回调函数 429
附录C Simulink模块简介 432
C.1 输入源模块库(Sources) 432
C.2 接收模块库(Sinks) 433
C.3 连续系统模块库(Continuous) 434
C.4 离散系统模块库(Discretes) 435
C.5 数学运算模块库(Math Operations) 436
C.6 信号路由模块库(Signal Routing) 437
C.7 信号属性模块库(Signal Attributes) 439
C.8 非线性模块库(Discontinuous) 440
C.9 查询表模块库(Look-Up Tables) 441
C.10 用户定义函数模块库(User-Defined Functions) 441
C.11 模型验证模块库(Model Verification) 442
C.12 端口和子系统模块库(Ports & Subsystems) 443
C.13 模型实用模块库(Model-Wide Utilities) 444
附录D MATLAB可用的TeX字符集 446
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| 精彩片段： |
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| 书 评： |
第 一 版 前 言
MathWorks公司创建于1984年，该公司推出的MATLAB软件，一直以其强大的功能在同类数值计算软件中独领风骚。目前，MATLAB软件的最新版本6.5.1，即MATLAB Release 13 SP1，已经发展为多学科、跨平台的功能强大的软件包，在全球100多个国家和地区拥有数以百万计的正式用户。
在过去几年中， Simulink已经成为院校和工程领域中广大师生及研究人员用来建模和仿真动态系统的软件包。Simulink鼓励人们去尝试，可以用它轻松地搭建一个系统模型，并设置模型参数和仿真参数。由于Simulink是交互式的应用程序，因此在仿真过程中，可以在线修改仿真参数，并立即观察到改变后的仿真结果。
利用Simulink，可以建立更趋于真实的非线性模型，如考虑摩擦中的各个因素、空气阻力、齿轮的传动损耗以及其他描述真实世界中各种现象的干扰因素。安装了Simulink的计算机就如真正的建模和系统分析实验室一样，在这个实验室中，可以分析汽车离合器系统的动作过程、飞机机翼的抖动方式、经济学中的货币规律以及其他可以用数学方式描述的动态系统，这是非常重要的。因为在真实世界中的系统不可能都是线性系统，更多的系统需要考虑各种复杂的非线性环节，对系统的真实建模对于分析结论的正确性及系统设计都具有非常重要的意义。正因为如此，全球数以万计的工程人员都使用Simulink创建模型并寻找解决实际问题的方法，掌握Simulink已经成为专业技术人员必不可少的一项技能。
本书介绍的是目前最新的MATLAB Release 13 SP1版本下的Simulink 5.1软件包。
全书共分12章，从各个方面介绍了Simulink软件包的强大功能：
第1章：Simulink基础。介绍什么是Simulink，以及Simulink的主要特性，并引导读者建立一个简单的Simulink模型，同时还介绍了如何保存和打印Simulink模型。
第2章：Simulink模块操作。介绍构成Simulink模型的基本要素——模块，包括在模型中模块操作的各种方式。
第3章：Simulink信号操作。介绍Simulink中的信号概念，以及如何判别不同的信号类型，如何在模型中标识信号等。
第4章：Simulink动态系统建模。介绍在Simulink中建立动态系统模型的要素，以及如何在Simulink中实现动态系统的数学模型，并给出模型创建过程中的注意事项。
第5章：Simulink仿真设置。介绍如何根据用户模型设置模型仿真中的各种参数，包括仿真时间、仿真算法、仿真步长和误差容限，这是Simulink仿真中非常重要的一部分。
第6章：Simulink动态系统仿真。介绍了Simulink仿真动态系统的过程，还详细说明了如何在Simulink中仿真连续系统、离散系统、混合系统和多速率系统模型，并给出建模实例说明动态系统建模和仿真的实现过程。
第7章：高级仿真概念。介绍如何在Simulink中利用仿真的高级选项仿真模型，以获得更准确的仿真结果，包括：过零检测、代数环、高级积分器和仿真参数对话框的高级选项设置。
第8章：使用命令行仿真。介绍如何在MATLAB命令窗口中利用Simulink的仿真命令仿真系统模型，如果用户想要重复运行仿真或者分析、比较在不同参数下的仿真结果，那么利用命令行进行仿真则更有优势。
第9章：使用子系统。子系统是Simulink中的一个重要概念，这里介绍了Simulink中子系统的分类，即虚拟子系统和非虚拟子系统。本章还给出了例程说明如何在Simulink中创建条件执行子系统，以及如何创建类似C语言的控制流子系统。
第10章：封装子系统。用户可以利用Simulink中的封装子系统功能建立自定义的用户模块，本章以实例说明如何利用封装编辑器创建自定义模块和可配置子系统。
第11章：Simulink调试器。调试器是调试模型和查找模型错误的重要工具，本章介绍了Simulink中的调试器类型，以及如何利用不同类型的调试器调试模型，并显示仿真信息和模型信息。
第12章：编写M语言S-函数。S-函数是系统函数，它扩展了Simulink的功能。本章介绍了什么是S-函数，并给出实例说明了编写连续状态、离散状态和混合状态的M语言S-函数的方法。
在本书的编写过程中，作者收集了国内外大量的、最新的权威资料，结合了MathWorks公司中国独家代理商——北京经纬恒润科技有限公司多年来在MATLAB软件应用以及培训教学方面的经验。本书适用于从事理工科学习和研究的各行各业的工程设计人员、大专院校的教师和学生，也可供研究人员学习Simulink工具时使用。
如果中国国内的用户需要购买MATLAB软件，请按照下列地址与北京经纬恒润科技有限公司联系：
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○ 电话：021-64325413/5/6
○ 传真：021-64325144
■ 成都办事处
○ 地址：成都市人民南路一段86号城市之心大厦23楼N座
○ 邮编：610016
○ 电话：028-86203381/2/3
○ 传真：028-86203381
北京经纬恒润科技有限公司的互联网地址：www.hirain.com。
北京经纬恒润科技有限公司的技术论坛：www.hirain.com/forum/。
在本书的编写过程中，得到了西安电子科技大学出版社毛红兵编辑的大力支持，同时也得到了MathWorks公司中国独家代理商——北京经纬恒润科技有限公司的鼎力协助，在这里对他们表示衷心的感谢。
由于时间仓促，书中难免存在一些不妥之处，诚望广大读者谅解，并且提出宝贵的意见和建议，以便我们在再版时改进。
作 者
2004年4月
前 言
本书是《Simulink动态系统建模与仿真基础》(西安电子科技大学出版社，2004)的修订版。随着软件技术的快速发展，MATLAB已由1999年的5.3版本发展到2008年的R2008a(7.6)版本，而作为MATLAB软件重要组成部分的Simulink软件包，也已由当时的3.0版本发展到7.1版本。编者在多年的使用和学习中体会到，Simulink软件包带给用户的不仅是灵活便利的操作和精致的界面效果，更由于其功能的日趋强大和完善，满足了各个学科、不同工程领域中设计人员和研究人员的建模与仿真需求。欧美许多公司在进行产品研制阶段进行的仿真试验中主要使用的就是Simulink。因此，多年以来，编者一直关注着该软件包的功能更新，并为每次发布的新功能感到欣喜；同时，也希望能有机会对《Simulink动态系统建模与仿真基础》一书进行升级修订，向读者介绍这个经受了多年考验、在各个领域广受欢迎的强大软件。
本书是应读者要求和市场需求而对第一版书的功能升级和补充。本书介绍的是MATLAB R2007a版，即MATLAB 7.4中的Simulink 6.6软件包。在这个版本中，MATLAB的整个产品包中更新了多个模块，增加了350个新特性，对于MATLAB仿真工具的Simulink软件包，也增加了很多新特性。下面列出的是读者在实际工作中经常会用到的Simulink 6.6新特性：
? 增加了支持多维信号的模块。关于多维信号及信号操作可参看第3章。
? 新增了模块的回调函数。关于模块的回调函数可参看第2.5节。
? 几乎在所有的模块库中新添了模块。关于Simulink的模块名称及功能简介，可以参看附录C。
? 对仿真模型的参数设置做了较大的改动，尤其是在仿真模型的诊断选项中增加了更多的可设置参数。关于仿真参数的设置内容可参看第7章。
? 在执行连续状态的模块中可以指定状态名称，既可以用ContinuousStateAtrributes参数指定状态名称，也可以在模块的参数对话框中指定状态名称。下面的模块可以指定连续状态的名称：Interator、State-Space、Transfer Fcn、Variable Transport Delay、Zero-Pole。由于篇幅有限，附录A中只列出了常用的Continuous库、Discontinuous库和Discrete库模块的专用参数。
? 由于仿真参数设置的内容改动较大，因此增加了Simulink模型的默认参数设置。关于默认参数的设置可参看第1.7节。
与第一版相比，本书在保持原书结构和风格的基础上，对部分内容进行了扩充，并增加了部分仿真实例；同时，介绍了Simulink 6.6软件包中的部分新特性，尤其对Simulink 6.6仿真参数设置中新增的各种属性进行了较为详细的介绍。限于篇幅和本书的侧重点，本书对某些新特性并没有涉及，如Simulink 6.6中新增的对MATLAB表达式中可调参数的支持等功能。读者如果有兴趣，可以登录MathWorks公司的网站进行查询。要把Simulink软件包的所有功能用得得心应手，唯一有效的途径就是在工程实践中多尝试，并不断地进行经验总结。
感谢西安电子科技大学出版社对本书的肯定，使本书得以再版。书中的不足之处还请广大读者不吝赐教。
编 者
2009年7月
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| 其 它： |
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