本书以MATLAB R2020a为基础，由浅入深全面讲解MATLAB/Simulink软件的应用知识。本书基于认知逻辑编排内容，自始至终采用示例描述，内容完整且每章相对独立，有较大的参考价值。
本书分为两部分，共17章。部分（第1～8章）主要介绍MATLAB基础知识、Simulink仿真基础、公共模块库、仿真命令操作、子系统及其封装、基于S函数建模、系统运行与调试等；第二部分（第9～17章）主要介绍控制系统仿真基础、PID控制系统仿真、模糊逻辑控制仿真、电力系统仿真、机电系统仿真、通信系统仿真、神经网络控制仿真、滑模控制仿真、汽车系统仿真等内容，并提供了仿真示例帮助读者学习。
本书以工程应用为目标，讲解深入浅出、内容翔实，可作为理工科高等院校研究生、本科生的教学用书，也可作为广大科研人员和工程技术人员的参考用书。

配套资源：
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程序代码 提供书中实例的程序代码，这些代码均已通过调试，帮助读者快速动手实践。
课件素材 提供大部分章节的课件素材，便于普通高校教师作为授课的讲义素材。
测试题库 提供MATLAB数学建模、科学计算方面的练习题库，便于读者巩固知识。
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　　Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于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，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。
　　MATLAB/Simulink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。对各种时变系统，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模块库对其进行设计、仿真、执行和测试。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或二者混合的采样时间进行建模，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框图的图形用户接口，整个创建过程只需单击和拖动即可完成，使建模与仿真变得更加快捷，且用户可以立即看到系统的仿真结果。
　　1．本书特点
　　本书有以下3个特点。
　　（1）由浅入深、循序渐进。本书以MATLAB爱好者为读者对象，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提高利用MATLAB/Simulink进行工程应用分析的技能。
　　（2）步骤详尽、内容新颖。本书根据作者多年MATLAB/Simulink使用经验，结合实际工程应用案例，将MATLAB/Simulink软件的使用方法与技巧详细地介绍给读者。本书步骤详尽、内容新颖，讲解过程辅以相应的图片，使读者在阅读时一目了然，从而快速掌握书中所讲内容。
　　（3）实例典型、轻松易学。学习实际工程应用案例的具体操作是掌握MATLAB/Simulink好的方式。本书通过综合应用案例，详尽透彻地讲解了MATLAB/Simulink在各方面的应用。
　　2．本书内容
　　本书基于MATLAB R2020a讲解了MATLAB/Simulink的基础知识和核心内容，主要围绕MATLAB/ Simulink在工程问题中的应用进行仿真运算。
　　本书附录部分为Simulink常用命令及模块库，包括常用的Simulink命令函数、常用的Simulink模块库。
　　3．读者对象
　　本书适合MATLAB/Simulink初学者和研究算法并解决工程应用能力的读者，包括MATLAB/Simulink爱好者、MATLAB/Simulink科技工作者、大中专院校的师生、相关培训机构的教师和学员等。
　　4．读者服务
　　读者在学习过程中遇到与本书有关的问题，可以通过微信公众号算法仿真与编者沟通，编者会尽快给予解答。书中所涉及的素材文件（程序代码）已上传到云盘，读者可通过公众号获取下载链接或者更多学习资源。
　　5．本书编者
　　本书由李献编著，虽然编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，书中疏漏之处在所难免，希望读者能够及时指出，共同促进本书质量的提高。后再次希望本书能为读者的学习和工作提供帮助！
　　
　　编 者
　　2023年3月
6
MATLAB/Simulink系统仿真（第2版）
　　
5
前 言
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　

李献,毕业于华中科技大学，研究生学历，高级职称，现就职与中国科学院电工所，精通MATLAB、ANSYS等工程分析软件，工作期间获得授权国际、国内发明专利二十余项，发表论文多篇，出版计算机图书多部，拥有丰富的工程实践经验。

部分 MATLAB/Simulink基础知识
第1章 初识MATLAB 3
　　1.1 操作界面简介 3
　　　　1.1.1 操作界面 3
　　　　1.1.2 当前文件夹 4
　　　　1.1.3 命令行窗口 4
　　　　1.1.4 工作区 5
　　　　1.1.5 命令历史记录窗口 6
　　1.2 通识命令 6
　　　　1.2.1 选项卡命令 6
　　　　1.2.2 路径设置 7
　　　　1.2.3 无穷量和非数值量 8
　　　　1.2.4 注释符及常用命令 9
　　1.3 基本概念 9
　　　　1.3.1 数据类型概述 9
　　　　1.3.2 常量与变量 13
　　　　1.3.3 字符型数据 14
　　　　1.3.4 运算符 14
　　1.4 帮助系统 17
　　　　1.4.1 纯文本帮助 17
　　　　1.4.2 帮助导航 17
　　　　1.4.3 示例帮助 18
　　1.5 本章小结 18
第2章 MATLAB基本运算 19
　　2.1 数组运算 19
　　　　2.1.1 数组的创建与操作 19
　　　　2.1.2 数组的常见运算 22
　　2.2 矩阵运算 25
　　　　2.2.1 矩阵的生成 26
　　　　2.2.2 矩阵的加减运算 29
　　　　2.2.3 矩阵的乘法运算 30
　　　　2.2.4 矩阵的除法运算 31
　　　　2.2.5 矩阵的分解运算 32
　　2.3 符号运算 32
　　　　2.3.1 符号表达式的生成 33
　　　　2.3.2 符号矩阵 33
　　　　2.3.3 常用符号运算 34
　　2.4 复数运算 35
　　　　2.4.1 复数和复矩阵的生成 35
　　　　2.4.2 复数运算函数 37
　　2.5 本章小结 37
第3章 Simulink仿真基础 38
　　3.1 基本操作 38
　　　　3.1.1 运行Simulink 38
　　　　3.1.2 模块库 39
　　　　3.1.3 打开系统模型 40
　　　　3.1.4 保存系统模型 40
　　　　3.1.5 打印模型框图并生成报告 41
　　　　3.1.6 常用鼠标和键盘操作 42
　　　　3.1.7 环境设置 43
　　　　3.1.8 系统模型构建与运行 43
　　3.2 模块与系统 45
　　　　3.2.1 模型文件的创建 45
　　　　3.2.2 模块的连接与处理 46
　　　　3.2.3 仿真参数设置 47
　　　　3.2.4 系统封装 51
　　3.3 管理模型版本 52
　　　　3.3.1 管理模型属性 52
　　　　3.3.2 模型文件更改通知 53
　　　　3.3.3 指定当前用户 54
　　　　3.3.4 查看和编辑模型的信息和历史 54
　　　　3.3.5 修改日志 54
　　3.4 本章小结 55
第4章 公共模块库 56
　　4.1 模块库概述 56
　　　　4.1.1 模块库的基本操作 56
　　　　4.1.2 常用模块库 57
　　　　4.1.3 信号输出模块库 57
　　　　4.1.4 专业模块库 58
　　4.2 信号源模块库 58
　　　　4.2.1 Clock模块 59
　　　　4.2.2 Digital Clock模块 59
　　　　4.2.3 Constant模块 60
　　　　4.2.4 Band-Limited White Noise模块 61
　　　　4.2.5 Chirp Signal模块 62
　　　　4.2.6 Sine Wave模块 62
　　　　4.2.7 Pulse Generator模块 63
　　　　4.2.8 Random Number模块 65
　　　　4.2.9 Step模块 66
　　　　4.2.10 Uniform Random Number模块 66
　　　　4.2.11 其他模块 67
　　4.3 连续模块库 68
　　　　4.3.1 Derivative模块 68
　　　　4.3.2 Integrator模块 69
　　　　4.3.3 Transfer Fcn模块 70
　　　　4.3.4 Transport Delay模块 71
　　　　4.3.5 Zero-Pole模块 72
　　　　4.3.6 State-Space模块 73
　　4.4 离散模块库 74
　　　　4.4.1 Discrete Transfer Fcn模块 75
　　　　4.4.2 Discrete Filter模块 76
　　　　4.4.3 Unit Delay模块 77
　　　　4.4.4 Memory模块 77
　　　　4.4.5 Discrete Zero-Pole模块 78
　　　　4.4.6 Discrete State-Space模块 79
　　　　4.4.7 Zero-Order Hold模块 80
　　　　4.4.8 Discrete-Time Integrator模块 81
　　4.5 查表模块库 82
　　　　4.5.1 1-D Lookup Table模块 82
　　　　4.5.2 2-D Lookup Table模块 83
　　4.6 用户自定义函数模块库 84
　　　　4.6.1 Fcn模块 84
　　　　4.6.2 MATLAB Function模块 85
　　　　4.6.3 S-Function模块 86
　　4.7 数学运算模块库 89
　　　　4.7.1 Abs模块 90
　　　　4.7.2 Add模块 90
　　　　4.7.3 Divide模块 91
　　　　4.7.4 Dot Product模块 92
　　　　4.7.5 Gain模块 93
　　　　4.7.6 Complex to Magnitude-Angle模块 93
　　　　4.7.7 Magnitude-Angle to Complex模块 94
　　　　4.7.8 其他模块 95
　　4.8 非线性模块库 95
　　　　4.8.1 Backlash模块 96
　　　　4.8.2 Coulomb & Viscous Friction模块 97
　　　　4.8.3 Dead Zone模块 97
　　　　4.8.4 Quantizer模块 98
　　　　4.8.5 Rate Limiter模块 99
　　　　4.8.6 Saturation模块 100
　　4.9 信号路由模块库 101
　　　　4.9.1 Bus Selector模块 102
　　　　4.9.2 Bus Creator模块 102
　　　　4.9.3 Mux模块 103
　　　　4.9.4 Demux模块 104
　　　　4.9.5 Data Store Memory模块 105
　　　　4.9.6 Data Store Read模块 106
　　　　4.9.7 Data Store Write模块 107
　　4.10 本章小结 108
第5章 仿真命令操作 109
　　5.1 操作命令概述 109
　　5.2 系统命令 110
　　　　5.2.1 simulink命令 110
　　　　5.2.2 simulink3命令 110
　　　　5.2.3 find_system命令 111
　　　　5.2.4 new_system命令 113
　　　　5.2.5 open_system命令 113
　　　　5.2.6 save_system命令 114
　　　　5.2.7 bdclose命令 115
　　5.3 模块操作命令 115
　　　　5.3.1 add_block命令 115
　　　　5.3.2 delete_block命令 116
　　　　5.3.3 add_line命令 116
　　　　5.3.4 delete_line命令 118
　　　　5.3.5 replace_block命令 118
　　5.4 获取文件路径 120
　　　　5.4.1 gcb命令 120
　　　　5.4.2 gcbh命令 120
　　　　5.4.3 gcs命令 120
　　　　5.4.4 bdroot命令 121
　　5.5 模型参数命令 121
　　　　5.5.1 get_param获取模型参数 121
　　　　5.5.2 set_param设置模型参数 123
　　　　5.5.3 simget获取模型属性 125
　　5.6 模型仿真 126
　　5.7 本章小结 128
第6章 子系统及其封装 129
　　6.1 子系统介绍 129
　　　　6.1.1 子系统含义 129
　　　　6.1.2 创建子系统 130
　　　　6.1.3 模型浏览器 133
　　6.2 高级子系统 135
　　　　6.2.1 条件执行子系统 135
　　　　6.2.2 交替执行子系统 142
　　6.3 封装子系统 145
　　　　6.3.1 封装子系统特征 145
　　　　6.3.2 封装选项设置 146
　　6.4 本章小结 151
第7章 基于S函数建模 152
　　7.1 S函数概述 152
　　　　7.1.1 模块的数学含义 152
　　　　7.1.2 Simulink仿真过程 153
　　　　7.1.3 S函数回调方法 154
　　　　7.1.4 M文件S函数应用 154
　　7.2 编写S函数 162
　　　　7.2.1 S函数模板 162
　　　　7.2.2 S函数工作方式 166
　　　　7.2.3 S函数控制流 167
　　　　7.2.4 S函数的模块化 169
　　7.3 S函数应用 169
　　7.4 本章小结 175
第8章 系统运行与调试 176
　　8.1 仿真参数配置 176
　　　　8.1.1 求解器概述 176
　　　　8.1.2 仿真参数设置 177
　　8.2 模型调试 181
　　　　8.2.1 调试器GUI模式 182
　　　　8.2.2 调试器命令行模式 182
　　　　8.2.3 调试器命令 183
　　　　8.2.4 调试器控制 184
　　8.3 设置断点 186
　　　　8.3.1 无条件断点 187
　　　　8.3.2 有条件断点 188
　　8.4 仿真信息显示 190
　　　　8.4.1 显示模块I/O 190
　　　　8.4.2 显示代数环信息 191
　　　　8.4.3 显示系统状态 191
　　　　8.4.4 显示求解器信息 192
　　　　8.4.5 显示模型中模块的执行顺序 193
　　　　8.4.6 显示系统或模块 194
　　8.5 本章小结 196
第二部分 Simulink系统仿真应用
第9章 控制系统仿真基础 199
　　9.1 控制系统频域分析 199
　　　　9.1.1 频率特性的定义 199
　　　　9.1.2 频率特性和传递函数的关系 201
　　　　9.1.3 频率特性的图形表示方法 202
　　9.2 幅相频率特性 205
　　　　9.2.1 比例环节 205
　　　　9.2.2 微分环节 207
　　　　9.2.3 积分环节 208
　　　　9.2.4 惯性环节 209
　　　　9.2.5 一阶复合微分环节 213
　　　　9.2.6 二阶振荡环节 215
　　　　9.2.7 二阶复合微分环节 220
　　　　9.2.8 延迟环节 223
　　　　9.2.9 开环系统的幅相特性曲线 223
　　9.3 对数频率特性（Bode图） 228
　　　　9.3.1 比例环节 228
　　　　9.3.2 微分环节 228
　　　　9.3.3 积分环节 229
　　　　9.3.4 惯性环节 229
　　　　9.3.5 一阶复合微分环节 230
　　　　9.3.6 二阶振荡环节 231
　　　　9.3.7 二阶复合微分环节 233
　　　　9.3.8 延迟环节 233
　　9.4 开环系统 234
　　　　9.4.1 开环系统的Bode图 234
　　　　9.4.2 小/非小相角系统 236
　　9.5 稳定判据 238
　　　　9.5.1 奈奎斯特频域稳定判据 238
　　　　9.5.2 频域对数稳定判据 243
　　　　9.5.3 稳定裕度 244
　　9.6 本章小结 247
第10章 PID控制系统仿真 248
　　10.1 PID控制原理 248
　　10.2 PID控制仿真示例 249
　　10.3 倒立摆小车控制仿真 258
　　10.4 本章小结 261
第11章 模糊逻辑控制仿真 262
　　11.1 模糊逻辑控制基础 262
11.1.1 模糊逻辑控制的基本概念 262
11.1.2 模糊逻辑控制原理 263
11.1.3 模糊逻辑控制规则设计 263
　　11.2 模糊逻辑控制函数 264
11.2.1 模糊系统基本类型 264
11.2.2 模糊逻辑控制系统的构成 265
11.2.3 模糊推理系统的建立 266
11.2.4 模糊语言变量的隶属度函数 268
11.2.5 模糊规则的建立与修改 271
11.2.6 模糊推理计算与去模糊化 273
　　11.3 模糊逻辑控制App 276
11.3.1 FIS编辑器 276
11.3.2 隶属度函数编辑器 278
11.3.3 模糊规则编辑器 278
11.3.4 模糊规则浏览器 278
11.3.5 模糊推理输入/输出曲面视图 278
　　11.4 模糊逻辑控制的经典应用 280
11.4.1 基于Simulink的模糊逻辑控制 280
11.4.2 模糊与PID控制器仿真设计 285
　　11.5 本章小结 290
第12章 电力系统仿真 291
　　12.1 电力系统模型环境模块 291
12.1.1 模块功能及仿真类型 292
12.1.2 分析工具 293
　　12.2 二极管与晶闸管 301
12.2.1 二极管 301
12.2.2 晶闸管 304
　　12.3 电力系统稳态仿真 307
12.3.1 连续系统仿真 308
12.3.2 离散系统仿真 312
　　12.4 电力系统电磁暂态仿真 314
12.4.1 断路器模块 315
12.4.2 三相断路器模块 316
12.4.3 三相故障模块 317
12.4.4 暂态仿真分析 318
　　12.5 本章小结 322
第13章 机电系统仿真 323
　　13.1 同步电机 323
13.1.1 同步发电机原理分析 323
13.1.2 简化同步电机模块使用 324
13.1.3 同步电机模块使用 329
　　13.2 负荷模型 337
13.2.1 静态负荷模块 338
13.2.2 三相动态负荷模块 338
　　13.3 异步电机 339
13.3.1 异步电动机等效电路 339
13.3.2 异步电机模块 340
　　13.4 直流电机模块 347
　　13.5 本章小结 351
第14章 通信系统仿真 352
　　14.1 通信系统仿真概述 352
　　14.2 信源与信道模型 355
14.2.1 随机整数发生器 355
14.2.2 泊松分布整数发生器 356
14.2.3 伯努利二进制信号发生器 357
　　14.3 滤波器 358
14.3.1 滤波器相关函数 359
14.3.2 滤波器分析与设计工具 361
14.3.3 滤波器设计模块 363
　　14.4 调制与解调 365
14.4.1 基带模型与调制通带分析 365
14.4.2 模拟调制与解调器模块 366
14.4.3 数字调制解调器模块 376
　　14.5 本章小结 383
第15章 神经网络控制仿真 384
　　15.1 神经网络简介 384
15.1.1 人工神经元模型 384
15.1.2 神经网络的学习规则 386
15.1.3 神经网络函数 387
　　15.2 神经网络控制系统仿真 389
15.2.1 基于BP神经网络的PID自适应控制 389
15.2.2 基于Simulink的神经网络模块仿真 395
15.2.3 基于Simulink的神经网络控制系统仿真 398
15.2.4 反馈线性化控制 400
　　15.3 本章小结 402
第16章 滑模控制仿真 403
　　16.1 基于名义模型的滑模控制 403
16.1.1 名义控制系统结构 403
16.1.2 基于名义模型的控制 404
16.1.3 基于名义模型的滑模控制器的设计 404
16.1.4 基于名义模型的滑模控制仿真 406
　　16.2 全局滑模控制 411
16.2.1 全局滑模控制器的设计 411
16.2.2 基于全局滑模控制的仿真 412
　　16.3 基于线性化反馈的滑模控制 416
16.3.1 二阶非线性确定系统的倒立摆仿真 416
16.3.2 二阶非线性不确定系统的倒立摆仿真 420
16.3.3 输入/输出的反馈线性化控制 425
16.3.4 输入/输出的反馈线性化滑模控制 429
　　16.4 基于模型参考的滑模控制 433
　　16.5 本章小结 438
第17章 汽车系统仿真 439
　　17.1 汽车悬架系统仿真 439
17.1.1 运动方程建立 439
17.1.2 主被动悬架系统仿真 441
17.1.3 白噪声路面模拟输入仿真 447
　　17.2 汽车四轮转向控制系统仿真 448
17.2.1 低速四轮转向系统仿真 451
17.2.2 高速四轮转向系统仿真 452
　　17.3 汽车制动系统仿真 454
17.3.1 数学模型 454
17.3.2 仿真模型 456
　　17.4 本章小结 459
　　
附录A Simulink常用命令 460
附录B Simulink基本模块库 462
参考文献 465
14
MATLAB/Simulink系统仿真（第2版）
　　
15
目 录