计算机仿真技术

目 录

第1章 计算机仿真概述 1

1.1 仿真的概念和方法 1

1.1.1 仿真的概念及分类 1

1.1.2 仿真的基本步骤 3

1.2 仿真技术的应用和发展 4

1.2.1 仿真技术的应用 4

1.2.2 仿真技术的发展阶段 6

1.2.3 仿真技术的发展趋势 6

1.3 仿真工具MATLAB 7

1.3.1 MATLAB的发展历史 7

1.3.2 MATLAB的特点 8

1.3.3 MATLAB的工具箱 9

1.3.4 Notebook 10

1.4 本书学习方法 11

第2章 数学运算 12

2.1 MATLAB的集成环境 12

2.2 MATLAB语法 14

2.2.1 变量 14

2.2.2 运算符 18

2.2.3 流程控制 20

2.2.4 M文件 23

2.2.5 编程技巧 25

2.3 数值运算 27

2.3.1 矩阵运算 27

2.3.2 统计分析 28

2.3.3 多项式运算 29

2.3.4 解方程 30

2.3.5 曲线拟合与插值 31

2.3.6 微积分 32

2.3.7 概率统计 33

2.4 符号运算 33

2.4.1 符号变量和表达式 34

2.4.2 符号运算实例 34

第3章 数据可视化及GUI 42

3.1 数据可视化 42

3.1.1 二维及三维图形绘制 42

3.1.2 图形窗口的控制及修饰 46

3.1.3 特殊图形绘制 51

3.1.4 动画制作 58

3.2 图形句柄 60

3.2.1 图形对象和句柄 60

3.2.2 利用句柄图形设计GUI 65

3.3 GUI设计工具GUIDE 67

第4章 数字图像处理 69

4.1 图像处理概述 69

4.1.1 基本概念 69

4.1.2 图像的运算 71

4.1.3 图像处理的内容 72

4.2 图像处理的应用 73

4.2.1 图像处理工具箱 73

4.2.2 图像的读写和显示 74

4.2.3 图像的代数运算 76

4.2.4 图像的几何处理 76

4.2.5 图像的增强和复原 77

4.2.6 图像变换 81

4.2.7 图像压缩 83

4.2.8 图像分割 87

4.2.9 图像识别 88

第5章 系统建模及仿真算法 92

5.1 系统和模型 92

5.1.1 系统 92

5.1.2 模型 94

5.1.3 数学模型 95

5.2 仿真算法 100

5.2.1 算法的概念和性能 100

5.2.2 连续系统的仿真算法 101

5.2.3 离散事件系统仿真算法 107

5.2.4 系统的稳定性与仿真精度 108

第6章 动态建模工具Simulink 110

6.1 Simulink概述 110

6.1.1 操作环境 110

6.1.2 运行原理 111

6.2 模块库及模块功能 112

6.2.1 Simulink公共模块库 112

6.2.2 Simulink专业模块库 118

6.3 建模及仿真 119

6.3.1 模块的基本操作 119

6.3.2 仿真参数设置 120

6.3.3 Simulink与MATLAB之间的数据交互 123

6.3.4 模型的运行、结果观察和调试 124

6.3.5 仿真实例 127

6.4 子系统 131

6.4.1 子系统的建立及封装 132

6.4.2 条件子系统 134

6.5 S-函数 136

6.5.1 S-函数的功能 136

6.5.2 S-函数的调用 136

6.5.3 S-函数的编写规则 136

6.5.4 S-函数实例 137

6.6 性能优化 139

6.6.1 仿真性能和精度 139

6.6.2 代数环 140

6.6.3 过零检测 142

第7章 控制系统的仿真 144

7.1 控制系统的基础理论 144

7.1.1 控制系统的组成 144

7.1.2 控制系统的分类 145

7.1.3 控制系统的数学模型 146

7.1.4 控制系统的典型环节及传递函数 149

7.1.5 控制系统的性能要求 150

7.1.6 控制系统的分析 151

7.1.7 控制系统的设计 155

7.2 控制系统的建模 156

7.2.1 基本数学模型 156

7.2.2 模型的转换 161

7.2.3 模型的属性描述、降阶与标准化 163

7.2.4 延迟系统模型 164

7.2.5 非线性系统的模型 165

7.3 控制系统的分析 166

7.3.1 稳定性分析 166

7.3.2 时域分析 167

7.3.3 根轨迹分析 171

7.3.4 频域分析 173

7.3.5 系统分析工具ltiview 177

7.4 控制系统的设计 179

7.4.1 串联校正 180

7.4.2 PID控制器调节 182

7.4.3 状态反馈与极点配置 183

7.4.4 系统设计工具SISO Design Tool 188

7.5 仿真实例——直流电机双闭环调速 190

7.5.1 系统的工作原理 190

7.5.2 系统的动态性能分析 191

7.5.3 系统的数学模型和仿真模型 192

7.5.4 调节器的设计 192

7.5.5 调节器校正前后的典型响应分析 193

第8章 电力系统仿真 196

8.1 电力系统仿真概述 196

8.2 Simpowersystems模块库 197

8.2.1 Simpowersystems简介 197

8.2.2 模块库 198

8.2.3 常用模块设置 203

8.3 电力系统中典型电路的仿真 208

8.3.1 直流电路仿真 208

8.3.2 开关电路仿真 209

8.3.3 整流滤波电路仿真 213

8.3.4 电力传输系统仿真 218

参考文献 225

计算机仿真作为科学研究和工程中的一个重要环节，起着重要的作用。本书基于计算机仿真的重要工具——MATLAB，详细地讲述了计算机仿真的原理、方法与应用，所列举的实例紧密结合理工科的相关专业，对相关从业人员会有较大的帮助。随着计算机技术的不断发展，仿真技术的应用领域在不断扩大，越来越受到重视，而作为仿真工具的MATLAB是美国MathWorks公司推出的科学计算软件，是一种广泛应用于工程计算及数值分析领域的高级计算机仿真语言，目前，MATLAB已经成为国际上最流行的科学与工程计算的软件工具。 本书基于MATLAB2011版，介绍仿真的基础概念和方法，仿真工具MATLAB的环境、语法、数学运算和绘图功能，模块化建模的原理及基本算法；从应用领域的角度，介绍图像处理的基本内容和应用，控制系统的基本理论及仿真，电力系统仿真的理论和应用。【作者简介】瞿量，男，湖南大学电气与信息工程学院副教授，具有丰富的工程实践经验，主要研究方向为计算机仿真、软件技术基础、数据库原理、软件工程、C语言等。