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本书是MathWorks图书计划作品。本书凝聚了薛定宇教授30年的MATLAB科研与教学积淀、30年的MATLAB推广与普及经历！其授课视频在爱课程与中国慕课数拥有十万读者学习的视频课程！英文版全球同步发行！
视频公开课： 爱课程或中国大学MOOC（慕课） “现代科学运算——MATLAB语言与应用”“控制系统仿真与CAD”（非严格配套本书视频，仅供读者参考）。
配书源代码： 配书源代码可以到清华大学出版社网站本书页面下载。
薛定宇大讲堂系列图书将陆续出版：
薛定宇教授大讲堂（卷Ⅰ）：MATLAB程序设计
薛定宇教授大讲堂（卷Ⅱ）：MATLAB微积分运算
薛定宇教授大讲堂（卷Ⅲ）：MATLAB线性代数运算
薛定宇教授大讲堂（卷Ⅳ）：MATLAB化计算
薛定宇教授大讲堂（卷Ⅴ）：MATLAB微分方程求解
薛定宇教授大讲堂（卷Ⅵ）：MATLAB/Simulink仿真
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| 內容簡介： |
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本书系统介绍基于Simulink的系统建模与仿真方法，包括Simulink仿真环境与操作方法、微分方程的Simulink建模、控制系统的建模方法、S-函数编写、子系统与模块封装、多媒体信息处理、工程与非工程系统的仿真方法。本书还将介绍将Simulink仿真与数值**化技术有机结合，解决微分方程边值问题与**控制问题的求解方法。 本书可作为一般读者系统学习Simulink建模与仿真的辅助教材。本书还可以作为高等学校理工科各类专业的本科生和研究生学习系统仿真技术的教材或参考书或查询仿真问题求解方法的手册。
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| 關於作者： |
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薛定宇教授：分别在沈阳工业大学、东北大学和英国Sussex大学获得学士（1985年）、硕士（1988年）和博士学位（1992年），1997年任东北大学信息学院教授。深耕于计算机在数学与自动控制学科的应用，主持了国家精品课程建设，并于1996年在清华大学出版社出版《控制系统计算机辅助设计——MATLAB与应用》，该教材被认为是国内MATLAB应用领域具有深远影响的一部图书，为MATLAB在国内高校教学与科研中的普及起到了巨大的作用。薛定宇教授先后被评为辽宁省教学名师、辽宁省优秀教师，获得教学成果二等奖。其主讲的“控制系统仿真与CAD”课程被评为精品课程、精品资源共享课程；主讲的“现代科学运算——MATLAB语言与应用”课程被评为辽宁省精品资源共享课程，配套录制的全新慕课课程均上线于爱课程与中国慕课网站。
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| 目錄：
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第1章 Simulink 与系统仿真 1
1.1 系统仿真技术概述 1
1.2 数学建模与物理建模 2
1.3 计算机仿真工具发展概述 4
1.3.1 模拟与混合计算机仿真 4
1.3.2 数字计算机仿真语言 5
1.3.3 面向对象的仿真语言 7
1.3.4 MATLAB 与Simulink 发展历程 7
1.4 本书的主要结构与说明 8
1.4.1 本书的结构 8
1.4.2 排版的特殊说明 10
本章习题 10
第2章 Simulink 的常用模块 12
2.1 Simulink 环境的启动 12
2.1.1 基于界面的启动方法 13
2.1.2 MATLAB 命令式启动方法 15
2.1.3 信号线与模块端子 16
2.2 输入输出类模块组 17
2.2.1 输入信号源模块组 17
2.2.2 信号构造器界面 21
2.2.3 输出池模块组 21
2.2.4 仪表板模块组 24
2.3 系统类模块组 26
2.3.1 线性连续模块组 26
2.3.2 线性离散模块组 28
2.3.3 不连续模块组 29
2.4 数学运算与处理类模块组 31
2.4.1 数学运算模块组 31
2.4.2 自定义函数模块组 33
2.4.3 查表模块组 34
2.4.4 逻辑与位操作模块组 35
2.5 信号操作类模块组 36
2.5.1 信号路由模块组 36
2.5.2 信号属性模块组 38
2.5.3 端子与子系统模块组 38
2.6 Simulink 工具箱与模块集 39
本章习题 40
第3章 模块处理与模型菜单系统 43
3.1 模块的简单处理与修饰 43
3.1.1 模块的快捷菜单 44
3.1.2 模块的复制与移动 44
3.1.3 模块的字体设置 45
3.1.4 模块的连接 46
3.1.5 模块的旋转与翻转 47
3.1.6 模块的颜色设置和阴影设置 48
3.2 模块的参数修改 49
3.2.1 参数对话框常用控件 50
3.2.2 参数对话框的信息填写 52
3.3 早期版本Simulink 的菜单系统 53
3.3.1 文件管理菜单 54
3.3.2 Edit、View 与Display 菜单 58
3.3.3 模型操作菜单 59
3.3.4 仿真参数设置菜单 60
3.3.5 分析工具菜单 62
3.4 新版本的工具栏与菜单系统 64
3.4.1 仿真参数与设置 64
3.4.2 跟踪与调试 66
3.4.3 模型搭建与仿真参数的设置 66
3.4.4 格式设置 68
3.4.5 APP 调用 69
3.5 模型浏览器的操作界面 69
本章习题 71
第4章 常微分方程建模与仿真 72
4.1 Simulink 的模板设计 72
4.1.1 微分方程建模的一般准则 73
4.1.2 简单微分方程的框图建模举例 73
4.1.3 新模型模板的设计 75
4.1.4 仿真的终止条件 77
4.1.5 过零点检测 78
4.2 一阶显式微分方程组的建模 80
4.2.1 关键信号的定义与生成 80
4.2.2 数值解的检验与控制参数设置 82
4.2.3 向量化的建模方法 84
4.2.4 一阶显式微分方程组的通用框架 85
4.2.5 一阶时变显式微分方程组的模型框架 88
4.3 一般高阶微分方程的建模 89
4.3.1 关键信号的定义 89
4.3.2 高阶线性微分方程的建模 90
4.3.3 常系数线性微分方程的传递函数模型 93
4.3.4 一般高阶非线性微分方程建模 96
4.3.5 高阶隐式微分方程的建模方法 96
4.3.6 不连续微分方程的建模 99
4.4 高阶微分方程组的建模 101
4.4.1 微分方程组的建模思路 101
4.4.2 多个微分方程的求解方法 103
4.4.3 延迟微分方程组的求解方法 103
4.4.4 中立型延迟微分方程 106
4.4.5 切换微分方程 107
4.4.6 随机输入微分方程 109
4.5 分数阶微分方程的建模与求解 111
4.5.1 分数阶微积分简介 111
4.5.2 分数阶微积分算子的逼近 112
4.5.3 分数阶微分方程的建模与求解 115
4.6 差分方程的建模 117
本章习题 120
第5章 控制系统的Simulink 建模 126
5.1 连续线性模型的Simulink 建模 126
5.1.1 传递函数模型 127
vi 薛定宇教授大讲堂（卷VI）：Simulink 建模与仿真
5.1.2 状态方程模型 128
5.1.3 线性奇异系统的状态方程模型 129
5.1.4 带有非零初值的传递函数模型 132
5.1.5 传递函数矩阵的Simulink 建模 136
5.1.6 可变参数线性系统的Simulink 建模 138
5.2 离散线性模型的建模与仿真 139
5.2.1 离散线性系统的数学模型 139
5.2.2 连续离散模型的相互转换 140
5.2.3 离散模型的Simulink 建模 141
5.2.4 仿真控制参数对离散系统的影响 143
5.2.5 离散参数精度对仿真结果的影响 144
5.3 非线性环节的Simulink 构造 145
5.3.1 查表模块 145
5.3.2 单值非线性模块的搭建 146
5.3.3 双值非线性模块的搭建 147
5.3.4 多维查表模块 149
5.4 模块运行的自动排序 151
5.5 非线性控制系统的近似方法 154
5.5.1 延迟环节的Padé 近似 154
5.5.2 Simulink 模型的线性化 155
5.5.3 代数环现象与代数环消除 160
本章习题 164
第6章 子系统与模块封装 169
6.1 子系统建模 169
6.1.1 子系统的构建与提取 170
6.1.2 避免交叉连线的方法 172
6.1.3 Simulink 模型的嵌入 174
6.2 复杂的流程子系统 175
6.2.1 使能与触发子系统 175
6.2.2 条件转移子系统 178
6.2.3 其他流程控制子系统 179
6.3 模块封装 180
6.3.1 封装模块的图标设计 180
6.3.2 图标其他属性的设计与修饰 184
6.3.3 封装模块的参数对话框设计 185
6.3.4 控件的回调函数 190
目 录vii
6.3.5 封装模块的初始化 191
6.3.6 封装模块的文档与帮助信息 192
6.3.7 模块封装举例 193
6.3.8 取消模块封装状态 195
6.4 Simulink 模型的语句绘制 195
6.4.1 建立空白的Simulink 模型 195
6.4.2 模块的复制 198
6.4.3 模块的连线 199
6.4.4 模块参数的填写 201
6.4.5 利用语句的建模举例 202
6.4.6 基于MATLAB 命令的模块封装 205
6.5 用MATLAB 命令控制仿真进程 207
6.5.1 用MATLAB 启动仿真过程 207
6.5.2 仿真参数的设定 208
6.5.3 Simulink 仿真的输入与输出数据结构 209
6.5.4 并行仿真 211
本章习题 213
第7章 Simulink 模块的编程实现 214
7.1 M-函数与实现 214
7.1.1 静态非线性环节 215
7.1.2 M-函数的局限性 216
7.2 S-函数的程序设计 217
7.2.1 系统的状态方程数学模型 217
7.2.2 S-函数的基本结构 218
7.2.3 S-函数的响应函数 219
7.2.4 S-函数的运行机制 220
7.2.5 用MATLAB 编写S-函数：编程实例 220
7.2.6 S-函数模块的封装 227
7.2.7 二级S-函数 229
7.3 用C 语言编写S-函数 231
7.3.1 C 编译器的设置 231
7.3.2 S-函数编写举例 231
7.4 S-函数编程实践：自抗扰控制系统 233
7.4.1 扩张状态观测器的建模 234
7.4.2 自抗扰控制器的建模 235
7.4.3 自抗扰控制系统的仿真 236
viii 薛定宇教授大讲堂（卷VI）：Simulink 建模与仿真
本章习题 239
第8章 Simulink 与数值化技术的有机结合 241
8.1 微分方程的边值问题 242
8.1.1 微分方程边值问题与打靶法 242
8.1.2 将边值问题的打靶法转换为数值化问题 243
8.1.3 常规边值问题求解举例 243
8.1.4 Simulink 模型的快速重启 246
8.1.5 含有参数的微分方程边值问题求解 248
8.1.6 多已知点问题的求解 249
8.1.7 分数阶微分方程的边值问题 250
8.1.8 延迟微分方程边值问题 251
8.1.9 全局解问题 253
8.2 应用程序界面设计 255
8.3 控制器设计 260
8.3.1 传统控制潜在的问题 260
8.3.2 伺服控制的性能指标与设计 264
8.3.3 控制器设计界面 268
8.3.4 控制程序的其他应用 272
8.3.5 开放的程序框架 273
8.3.6 PID 型控制器好的二阶控制器结构 274
8.4 PID 控制器设计界面 275
8.4.1 控制系统的底层仿真模型 276
8.4.2 OptimPID 程序举例 277
8.4.3 开放框架与程序扩展 279
本章习题 280
第9章 多媒体信息处理与仿真 284
9.1 音频信息的输入与输出 284
9.1.1 音频处理工具箱简介 285
9.1.2 音频信息的读入与播放 285
9.1.3 音频信号的数据结构 289
9.1.4 MATLAB 命令式音频读入与输出 289
9.2 音频信号的处理 292
9.2.1 音频信号的滤波处理 292
9.2.2 动态范围控制 293
9.2.3 音效处理 295
9.2.4 音频信息的检测 297
9.3 视频信息处理与计算机视觉工具箱 299
9.4 图像与影像的输入与输出 300
9.4.1 图像与影像的读取 300
9.4.2 图像与影像的显示与输出 301
9.4.3 命令式影像播放语句 302
9.5 图像的简单变换 304
9.5.1 图像的颜色空间表示 304
9.5.2 颜色空间转换 305
9.5.3 图像的几何尺度变换 307
9.5.4 图像的Gamma 校正 307
9.5.5 图像的频域变换与滤波 309
9.6 图像分析与增强 310
9.6.1 直方图均衡化 310
9.6.2 边缘检测 313
9.6.3 形态学处理 315
9.6.4 实时影像处理 318
本章习题 318
第10章 工程系统的建模与仿真 320
10.1 物理建模仿真模块集Simscape 321
10.1.1 数学建模方法的局限性 321
10.1.2 Simscape 简介 323
10.1.3 Simscape 基础模块库简介 323
10.1.4 两类信号及其相互转换 327
10.1.5 创立简单的Simscape 模型 328
10.1.6 复杂电路网络建模与仿真 331
10.2 电气系统模块集简介 332
10.2.1 电源模块 333
10.2.2 传感器模块 333
10.2.3 电路与电子元件模块 333
10.2.4 机电装置模块 335
10.3 电气系统的建模与仿真 336
10.3.1 电子线路及其仿真 336
10.3.2 运算放大器电路仿真 338
10.3.3 数字电子线路仿真举例 340
10.4 机械系统建模与仿真 345
10.4.1 简单力学系统的仿真 345
10.4.2 Multibody 模块集简介 347
10.4.3 四连杆机构的建模与仿真 349
本章习题 352
第11章 非工程系统的仿真 356
11.1 药物动力学系统建模与仿真 356
11.1.1 药物动力学系统简介 356
11.1.2 药物动力学系统的舱室模型 357
11.1.3 带有传输延迟的Wada 模型 360
11.1.4 药物动力学工具箱和Simulink 模型 362
11.1.5 Mapleson 模型、代码与框图 362
11.1.6 药效学建模 366
11.2 有限状态机仿真及Stateflow 应用 367
11.2.1 有限状态机简介 367
11.2.2 Stateflow 入门知识 368
11.2.3 Stateflow 的常用命令 371
11.2.4 Stateflow 建模举例 372
11.2.5 用Stateflow 控制流程 376
11.3 基于SimEvents 的离散事件系统仿真方法 378
11.3.1 离散事件动态系统基本概念 378
11.3.2 SimEvents 模块集简介 379
11.3.3 离散事件系统仿真演示 379
本章习题 383
参考文献 385
MATLAB 函数名索引 390
术语索引 394
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| 內容試閱：
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科学运算问题是每个理工科学生和科技工作者在课程学习、科学研究与工程实践中常常会遇到的问题，不容回避。对于非纯数学专业的学生和研究者而言，从底层全面学习数学相关问题的求解方法并非一件简单的事情，也不易得出复杂问题的解。因此，利用当前的计算机工具，高效、准确、创造性地求解科学运算问题是一种行之有效的方法，尤其能够满足理工科人士的需求。
作者曾试图在同一部著作中叙述各个数学分支典型问题的直接求解方法，通过清华大学出版社出版了《高等应用数学问题的MATLAB 求解》。该书从2004 年出版之后多次重印再版，并于2018 年出版了第4 版，还配套发布了全新的MOOC课程? ，2020 年发布了英文版的MOOC 课程- ，一直受到广泛的关注与欢迎。首次MOOC 开课的选课人数接近14000 人，教材内容也被数万篇期刊文章和学位论文引用。
从作者首次使用MATLAB 语言算起，已经有30 多年的时间了，通过相关领域的研究、思考与一线教学实践，积累了大量的实践经验资料。这些不可能在一部著作中全部介绍，所以通过清华大学出版社策划，作者编写了这套“薛定宇教授大讲堂”系列著作，系统深入地介绍基于MATLAB 语言与工具的科学运算问题的求解方法。本系列著作的英文版在德国De Gruyter 出版社同步出版。
本系列著作不是原来版本的简单改版，而是通过十余年的经验和资料积累，全面贯穿“再认识”的思想写作而成，深度融合科学运算数学知识与基于MATLAB的直接求解方法与技巧，力图更好地诠释计算机工具在每个数学分支中的作用，帮助读者用不同的思维与视角了解、学习工程数学问题的求解方法，创造性地得出问题的解。
本系列著作卷I 可以作为学习MATLAB 入门知识的教材与参考书，也为读者? MOOC 网址：https://www.icourse163.org/learn/NEU-1002660001- MOOC 网址：https://www.icourse163.org/course/NEU1-1458222170·ii· 薛定宇教授大讲堂（卷VI）：Simulink 建模与仿真深入学习与熟练掌握MATLAB 语言编程技巧，深度理解科学运算领域MATLAB的应用奠定坚实的基础。后续每卷对应一个数学专题或一门数学课程进行展开。全套系列著作的写作贯穿“计算思维”的思想，深度探讨数学专题的问题求解方法。
本系列著作既适合于学完相应的数学课程之后，深入学习利用计算机工具的科学运算问题的求解方法与技巧，也可作为相应数学课程同步学习的伴侣，在学习相应课程理论知识的同时，侧重学习基于计算机的数学问题的求解方法，从另一个角度观察、审视数学课程所学的内容，扩大知识面，更好地学习、理解和实践相应的数学课程。
本书是系列著作的卷VI。本书系统介绍基于MATLAB 与Simulink 的各种系统的仿真方法。首先介绍Simulink 的常用模块与常用界面使用方法，然后介绍各种微分方程的框图求解方法。对线性系统而言，介绍一般的仿真框架并给出非零初值传递函数的一般仿真方法。对非线性系统而言，构造了通用的静态非线性模块，并介绍Simulink 模型的近似方法。本书还介绍了子系统与模块封装、基于命令的建模与仿真方法等技术。特别探讨了将Simulink 仿真与数值化技术有机结合的方法，解决一些传统方法无法解决的问题。本书还专门介绍了多媒体信息的处理与仿真、工程与非工程系统仿真等应用问题。
值此系列著作付梓之际，衷心感谢相濡以沫的妻子杨军教授，她数十年如一日的无私关怀是我坚持研究、教学与写作工作的巨大动力。
薛定宇2020 年10 月
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