薛定宇教授大講堂（捲Ⅵ）：Simulink建模與模擬

薛定宇，分別在瀋陽工業大學、東北大學和英國Sussex大學獲得學士（1985年）、碩士（1988年）和博士學位（1992年），1997年起任東北大學信息學院教授。
深耕於計算機在數學與自動控制學科的應用，主持了國家精品課程建設，並於1996年在清華大學出版社出版《控制系統計算機輔助設計——MATLAB與應用》（該教材被評為國家精品教材，被認為是國內MATLAB應用領域具有深遠影響的一部圖書，為MATLAB在國內高校教學與科研中的普及起到了巨大的作用）。
先後被評為遼寧省教學名師、遼寧省優秀教師，獲得國家教學成果二等獎、中國自動化學會教育教學成果一等獎、遼寧省教學成果一等獎等獎勵。
主講的“控制系統仿真與CAD”課程被評為國家精品課程、國家精品資源共享課程；主講的“現代科□□算-MATLAB語言與應用”課程被評為首批國家本科課程，配套錄製的全新慕課課程均上線於愛課程與中國大學MOOC（慕課）網站

目　錄CONTENTS
第1 章Simulink 與系統模擬       1
1.1 系統模擬技術概述        1
1.2 數學建模與物理建模          2
1.3 電腦模擬工具發展概述      4
1.3.1 模擬與混合電腦模擬      4
1.3.2 數字電腦模擬語言        5
1.3.3 面向對象的模擬語言        7
1.3.4 MATLAB 與Simulink 發展歷程    7
1.4 本書的主要結構與說明        8
1.4.1 本書的結構       8
1.4.2 排版的特殊說明        10
本章習題            10

第2 章Simulink 的常用模塊       12
2.1 Simulink 環境的啟動          12
2.1.1 基於界面的啟動方法        13
2.1.2 MATLAB 命令式啟動方法        15
2.1.3 信號線與模塊端子      16
2.2 輸入輸出類模塊組        17
2.2.1 輸入信號源模塊組      17
2.2.2 信號構造器界面        21
2.2.3 輸出池模塊組          21
2.2.4 儀表板模塊組          24
2.3 系統類模塊組           26
2.3.1 線性連續模塊組        26
2.3.2 線性離散模塊組        28
2.3.3 不連續模塊組          29
2.4 數學運算與處理類模塊組      31
2.4.1 數學運算模塊組        31
2.4.2 自定義函數模塊組      33
2.4.3 查表模塊組       34
2.4.4 邏輯與位操作模塊組        35
2.5 信號操作類模塊組        36
2.5.1 信號路由模塊組        36
2.5.2 信號屬性模塊組        38
2.5.3 端子與子系統模塊組        38
2.6 Simulink 工具箱與模塊集      39
本章習題            40

第3 章模塊處理與模型菜單系統      43
3.1 模塊的簡單處理與修飾        43
3.1.1 模塊的快捷菜單        44
3.1.2 模塊的復制與移動      44
3.1.3 模塊的字體設置        45
3.1.4 模塊的連接       46
3.1.5 模塊的旋轉與翻轉      47
3.1.6 模塊的顏色設置和陰影設置       48
3.2 模塊的參數修改         49
3.2.1 參數對話框常用控件        50
3.2.2 參數對話框的信息填寫      52
3.3 早期版本Simulink 的菜單系統      53
3.3.1 文件管理菜單          54
3.3.2 Edit、View 與Display 菜單     58
3.3.3 模型操作菜單          59
3.3.4 模擬參數設置菜單      60
3.3.5 分析工具菜單          62
3.4 新版本的工具欄與菜單系統        64
3.4.1 模擬參數與設置        64
3.4.2 跟蹤與調試       66
3.4.3 模型搭建與模擬參數的設置       66
3.4.4 格式設置         68
3.4.5 APP 調用         69
3.5 模型瀏覽器的操作界面        69
本章習題            71

第4 章常微分方程建模與模擬        72
4.1 Simulink 的模板設計          72
4.1.1 微分方程建模的一般準則        73
4.1.2 簡單微分方程的框圖建模舉例     73
4.1.3 新模型模板的設計      75
4.1.4 模擬的終止條件        77
4.1.5 過零點檢測       78
4.2 一階顯式微分方程組的建模        80
4.2.1 關鍵信號的定義與生成      80
4.2.2 數值解的檢驗與控制參數設置     82
4.2.3 向量化的建模方法      84
4.2.4 一階顯式微分方程組的通用框架       85
4.2.5 一階時變顯式微分方程組的模型框架   88
4.3 一般高階微分方程的建模      89
4.3.1 關鍵信號的定義        89
4.3.2 高階線性微分方程的建模        90
4.3.3 常系數線性微分方程的傳遞函數模型   93
4.3.4 一般高階非線性微分方程建模     96
4.3.5 高階隱式微分方程的建模方法     96
4.3.6 不連續微分方程的建模      99
4.4 高階微分方程組的建模        101
4.4.1 微分方程組的建模思路      101
4.4.2 多個微分方程的求解方法        103
4.4.3 延遲微分方程組的求解方法       103
4.4.4 中立型延遲微分方程        106
4.4.5 切換微分方程          107
4.4.6 隨機輸入微分方程      109
4.5 分數階微分方程的建模與求解      111
4.5.1 分數階微積分簡介      111
4.5.2 分數階微積分算子的逼近        112
4.5.3 分數階微分方程的建模與求解     115
4.6 差分方程的建模         117
本章習題            120

第5 章控制系統的Simulink 建模       126
5.1 連續線性模型的Simulink 建模      126
5.1.1 傳遞函數模型          127
5.1.2 狀態方程模型          128
5.1.3 線性奇異系統的狀態方程模型     129
5.1.4 帶有非零初值的傳遞函數模型     132
5.1.5 傳遞函數矩陣的Simulink 建模     136
5.1.6 可變參數線性系統的Simulink 建模     138
5.2 離散線性模型的建模與模擬        139
5.2.1 離散線性系統的數學模型        139
5.2.2 連續離散模型的相互轉換        140
5.2.3 離散模型的Simulink 建模        141
5.2.4 模擬控制參數對離散系統的影響       143
5.2.5 離散參數精度對模擬結果的影響       144
5.3 非線性環節的Simulink 構造        145
5.3.1 查表模塊         145
5.3.2 單值非線性模塊的搭建      146
5.3.3 雙值非線性模塊的搭建      147
5.3.4 多維查表模塊          149
5.4 模塊運行的自動排序          151
5.5 非線性控制系統的近似方法        154
5.5.1 延遲環節的Padé 近似       154
5.5.2 Simulink 模型的線性化      155
5.5.3 代數環現象與代數環消除        160
本章習題            164

第6 章子系統與模塊封裝        169
6.1 子系統建模         169
6.1.1 子系統的構建與提取        170
6.1.2 避免交叉連線的方法        172
6.1.3 Simulink 模型的嵌入        174
6.2 復雜的流程子系統        175
6.2.1 使能與觸發子系統      175
6.2.2 條件轉移子系統        178
6.2.3 其他流程控制子系統        179
6.3 模塊封裝           180
6.3.1 封裝模塊的圖標設計        180
6.3.2 圖標其他屬性的設計與修飾       184
6.3.3 封裝模塊的參數對話框設計       185
6.3.4 控件的回調函數        190
6.3.5 封裝模塊的初始化      191
6.3.6 封裝模塊的文檔與幫助信息       192
6.3.7 模塊封裝舉例          193
6.3.8 取消模塊封裝狀態      195
6.4 Simulink 模型的語句繪制      195
6.4.1 建立空白的Simulink 模型        195
6.4.2 模塊的復制       198
6.4.3 模塊的連線       199
6.4.4 模塊參數的填寫        201
6.4.5 利用語句的建模舉例        202
6.4.6 基於MATLAB 命令的模塊封裝    205
6.5 用MATLAB 命令控制模擬進程     207
6.5.1 用MATLAB 啟動模擬過程       207
6.5.2 模擬參數的設定        208
6.5.3 Simulink 模擬的輸入與輸出數據結構   209
6.5.4 並行模擬         211
本章習題            213

第7 章Simulink 模塊的編程實現       214
7.1 M-函數與實現           214
7.1.1 靜態非線性環節        215
7.1.2 M-函數的局限性       216
7.2 S-函數的程序設計        217
7.2.1 系統的狀態方程數學模型        217
7.2.2 S-函數的基本結構      218
7.2.3 S-函數的響應函數      219
7.2.4 S-函數的運行機制      220
7.2.5 用MATLAB 編寫S-函數：編程實例     220
7.2.6 S-函數模塊的封裝      227
7.2.7 二級S-函數       229
7.3 用C 語言編寫S-函數          231
7.3.1 C 編譯器的設置        231
7.3.2 S-函數編寫舉例        231
7.4 S-函數編程實踐：自抗擾控制系統        233
7.4.1 擴張狀態觀測器的建模      234
7.4.2 自抗擾控制器的建模        235
7.4.3 自抗擾控制系統的模擬      236
本章習題            239

第8 章Simulink 與數值最優化技術的有機結合    241
8.1 微分方程的邊值問題          242
8.1.1 微分方程邊值問題與打靶法       242
8.1.2 將邊值問題的打靶法轉換為數值最優化問題  243
8.1.3 常規邊值問題求解舉例      243
8.1.4 Simulink 模型的快速重啟     246
8.1.5 含有參數的微分方程邊值問題求解     248
8.1.6 多已知點問題的求解        249
8.1.7 分數階微分方程的邊值問題       250
8.1.8 延遲微分方程邊值問題      251
8.1.9 全局最優解問題        253
8.2 應用程序界面設計        255
8.3 最優控制器設計         260
8.3.1 傳統最優控制潛在的問題        260
8.3.2 伺服控制的性能指標與最優設計       264
8.3.3 最優控制器設計界面        268
8.3.4 最優控製程序的其他應用        272
8.3.5 開放的程序框架        273
8.3.6 PID 型控制器最好的二階控制器結構    274
8.4 最優PID 控制器設計界面      275
8.4.1 控制系統的底層模擬模型        276
8.4.2 OptimPID 程序舉例         277
8.4.3 開放框架與程序擴展        279
本章習題            280

第9 章多媒體信息處理與模擬        284
9.1 音頻信息的輸入與輸出        284
9.1.1 音頻處理工具箱簡介        285
9.1.2 音頻信息的讀入與播放      285
9.1.3 音頻信號的數據結構        289
9.1.4 MATLAB 命令式音頻讀入與輸出      289
9.2 音頻信號的處理         292
9.2.1 音頻信號的濾波處理        292
9.2.2 動態範圍控制          293
9.2.3 音效處理         295
9.2.4 音頻信息的檢測        297
9.3 視頻信息處理與電腦視覺工具箱       299
9.4 圖像與影像的輸入與輸出      300
9.4.1 圖像與影像的讀取      300
9.4.2 圖像與影像的顯示與輸出        301
9.4.3 命令式影像播放語句        302
9.5 圖像的簡單變換         304
9.5.1 圖像的顏色空間表示        304
9.5.2 顏色空間轉換          305
9.5.3 圖像的幾何尺度變換        307
9.5.4 圖像的Gamma 校正         307
9.5.5 圖像的頻域變換與濾波      309
9.6 圖像分析與增強         310
9.6.1 直方圖均衡化          310
9.6.2 邊緣檢測         313
9.6.3 形態學處理       315
9.6.4 實時影像處理          318
本章習題            318

第10 章工程系統的建模與模擬       320
10.1 物理建模模擬模塊集Simscape      321
10.1.1 數學建模方法的局限性     321
10.1.2 Simscape 簡介        323
10.1.3 Simscape 基礎模塊庫簡介       323
10.1.4 兩類信號及其相互轉換     327
10.1.5 創立簡單的Simscape 模型       328
10.1.6 復雜電路網絡建模與模擬       331
10.2 電氣系統模塊集簡介         332
10.2.1 電源模塊        333
10.2.2 傳感器模塊          333
10.2.3 電路與電子元件模塊       333
10.2.4 機電裝置模塊         335
10.3 電氣系統的建模與模擬       336
10.3.1 電子線路及其模擬         336
10.3.2 運算放大器電路模擬       338
10.3.3 數字電子線路模擬舉例     340
10.4 機械系統建模與模擬         345
10.4.1 簡單力學系統的模擬       345
10.4.2 Multibody 模塊集簡介      347
10.4.3 四連桿機構的建模與模擬       349
本章習題            352

第11 章非工程系統的模擬       356
11.1 藥物動力學系統建模與模擬       356
11.1.1 藥物動力學系統簡介       356
11.1.2 藥物動力學系統的艙室模型      357
11.1.3 帶有傳輸延遲的Wada 模型      360
11.1.4 藥物動力學工具箱和Simulink 模型    362
11.1.5 Mapleson 模型、代碼與框圖      362
11.1.6 藥效學建模          366
11.2 有限狀態機模擬及Stateflow 應用       367
11.2.1 有限狀態機簡介       367
11.2.2 Stateflow 入門知識         368
11.2.3 Stateflow 的常用命令       371
11.2.4 Stateflow 建模舉例         372
11.2.5 用Stateflow 控制流程       376
11.3 基於SimEvents 的離散事件系統模擬方法     378
11.3.1 離散事件動態系統基本概念      378
11.3.2 SimEvents 模塊集簡介      379
11.3.3 離散事件系統模擬演示     379
本章習題            383

參考文獻           385
MATLAB 函數名索引         390
術語索引           394