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工业和信息化职业教育“十二五”规划教材 MATLAB 工程仿真 与应用 30 例 施梨 编著 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 内 容 简 介 MATLAB 一个突出的特点是能够为工程实践提供强大有效的解决方案，目前已在多个工程领域中得到广泛应用。本书着眼于工程实际，一方面注重内容的实用性，不仅详细介绍 MATLAB 工程应用的理论基础，并且针对每个应用模块给出了典型的应用实例，使读者在实际练习的过程中能快速提高应用水平；另一方面结合工程应用的广泛性和集中性，将全书分为控制、通信、电力电子、结构、热、图像和逻辑七大部分，每一部分通过 46 个实例讲述 MATLAB 在某一个特定领域的工程应用，从而使读者充分掌握 MATLAB 在多个工程领域的应用方法和应用过程。随书提供案例源程序、教学视频等配套资源，读者可登陆华信教育资源网（）搜索本书免费下载（须先注册）。本书主要面向工科类的在校研究生和科研人员，另外还可作为相关专业技术人员的参考用书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 MATLAB 工程仿真与应用 30 例/施梨编著.北京：电子工业出版社，2015.5 ISBN 978-7-121-25105-4.M.施.Matlab 软件.TP317 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2014）第 292696 号 策划编辑：陈韦凯 责任编辑：陈韦凯 特约编辑：蒲 玥 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编：100036 开 本：7871092 1/16 印张：20.75 字数：531 千字 版 次：2015 年 5 月第 1 版 印 次：2015 年 5 月第 1 次印刷 印 数：3 000 册 定价：54.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 zltsphei.c ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。前 言 MATLAB 是由美国Mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化及交互式程序设计的仿真计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究尤其是工程设计提供了一种全面的解决方案。本书精心挑选了 30 个工程仿真实例，用于展示MATLAB 在工程仿真中的广泛应用和解决能力。在编写本书时，我们努力遵循如下 5 点准则：（1）精心选择、安排实例内容。在工程实例选取时，主要选取船舶、飞机、汽车和卫星 4 个具有典型代表的工程对象。这 4 个工程对象系统复杂，代表了现代工程中多学科、多领域融合的方向。（2）难度由浅入深，易于理解。本书从 MATLAB 基础知识开始到各种工具箱介绍，使读者逐渐掌握 MATLAB 在工程实践中的多项应用。（3）涉及范围广、实例集中。书中介绍了 MATLAB 在控制、通信、电力电子、结构、热、图像和逻辑等多个工程领域的应用，但是实例主要集中在船舶、飞机、汽车和卫星 4 个工程对象，从多个方面展示工程对象的特征，更易于读者理解和掌握。（4）理论和实践相结合。书中的每一部分都是由理论基础到工程实际应用，读者既可以全面地了解理论知识，又可以掌握在工程中的使用方法。（5）目标和任务明确。每一个实例都介绍本例学习目标及本例小结，使读者在阅读时带着明确的任务，效率更高。本书内容安排大致如下：第一部分（第 1 例至第 4 例）为控制工程仿真，在介绍 MATLAB 编程基础和Simulink 建模基础后，介绍基于 MATLAB 设计控制器的方法，并通过船舶、飞机、汽车和卫星 4 个实例予以介绍。第二部分（第 5 例至第 8 例）为通信工程仿真，基础知识部分介绍了 MATLAB 通信工具箱、MATLAB 文件操作、串口操作和 S 函数第一部分。在实例部分以车载数字电视调制解调、舰载雷达通信系统、机载 GPS 信号接收及处理建模和 GPS 的 C/A 码及导航电文建模为例，介绍通信工程部分的仿真。第三部分（第 9 例至第 12 例）为电力电子工程仿真，基础知识部分介绍了SimPowerSystems 工具箱、Simdriveline 工具箱、RF 工具箱、Simscape 工具箱和SimElectronics 工具箱基础知识。在实例部分介绍了燃料电池汽车仿真、雷达射频前端电 路仿真、飞机供电系统仿真和重力场卫星加速度计读取电路仿真。第四部分（第 13 例至第 16 例）为结构工程仿真，基础知识部分介绍了SimMechanics 工具箱和基于 M 语言的 GUI 设计。实例部分介绍了汽车 stewart 平台仿真、舰载四杆机构仿真、基于 SolidWorks 的 stewart 平台三维模型转换和卫星三维建模与有限元仿真。第五部分（第 17 例至第 20 例）为热工程仿真，基础知识部分介绍了 Simscape 语言、Level-2S 函数和基于 C 语言 S 函数的使用方法。工程实例部分介绍了汽车温度调节系统仿真、船舶温度调节系统和卫星温度调节系统等仿真。第六部分（第 21 例至第 24 例）为图像工程仿真，基础知识介绍了图像处理工具箱和地图工具箱，工程实例部分介绍了基于图像处理的交通车辆辨识、大型飞机航拍图处理、基于地图工具箱的船舶定位研究和卫星星下点轨迹图生成等仿真。第七部分（第 25 例至第 30 例）为逻辑系统仿真，基础知识介绍了 Stateflow 工具箱基础知识，工程实例部分介绍了发射终止系统、月球登陆器自动驾驶仪、飞机俯仰轴容错控制、汽车电动车窗升降控制、汽车传动系统和导弹制导系统等仿真。本书主要由施梨编著，此外，参与编写、修改工作的还有李龙、魏勇、王华、李辉、刘峰、徐浩、李建国、马建军、唐爱华、苏小平、朱丽云、马淑娟、周毅、张玉兰等。本书编著者在编写过程中一直从读者的角度出发，力求通俗易懂，并充分考虑了当前工程实践的需求，其内容和难度符合广大学生和科研工作者在学习和生产实践中的使用需求。由于编著者水平有限，书中缺点和疏漏在所难免，恳请读者批评指正。编著者 2015 年 2 月于上海松江 V 目 录 第一部分 控制工程仿真实例.1 引言控制工程建模与分析方法.1 第 1 例 船舶运动控制仿真.7 1.1 MATLAB 编程基础.7 1.1.1 变量.7 1.1.2 运算符.11 1.1.3 常用数学函数.12 1.1.4 文件建立.15 1.2 船舶运动动力学及控制器.15 1.3 船舶运动控制器设计及仿真程序.16 1.4 本例小结.21 第 2 例 F-14 战斗机俯仰轴控制仿真.22 2.1 Simulink 建模及仿真基础.22 2.2 F-14 俯仰轴动力学模型.25 2.3 基于 Simulink 的 F-14 俯仰轴仿真模型.26 2.4 本例小结.29 第 3 例 汽车主动悬架控制器设计与仿真.30 3.1 汽车被动悬架系统仿真.30 3.1.1 被动悬架系统动力学模型.31 3.1.2 被动悬架系统 Simulink 模型.32 3.2 汽车主动悬架系统控制器设计.33 3.2.1 主动悬架系统动力学模型.33 3.2.2 主动悬架系统控制器设计及建模仿真.34 3.3 本例小结.37 第 4 例 卫星对地定向姿态控制设计.38 4.1 LMI 工具箱简介.38 4.1.1 LMI 基本概念.38 MATLAB 工程仿真与应用 30 例 VI 4.1.2 LMI 求解问题类型.39 4.1.3 LMI 建模求解函数.40 4.2 卫星对地定向动力学模型.42 4.3 控制器设计及仿真.43 4.4 本例小结.45 第二部分 通信工程仿真实例.46 引言通信系统分类及 MATLAB 通信工具箱简介（上）.46 第 5 例 车载数字电视调制解调设计.56 5.1 MATLAB 通信工具箱简介（下）.56 5.2 车载数字电视调制解调设计.59 5.3 本例小结.63 第 6 例 舰载雷达通信系统仿真.64 6.1 S 函数简介.64 6.2 舰载雷达通信系统建模仿真.67 6.3 本例小结.71 第 7 例 机载 GPS 信号接收及处理过程建模.72 7.1 基于 MATLAB 文件操作简介.72 7.1.1 文件的打开与关闭.72 7.1.2 二进制文件的读/写操作.73 7.1.3 文本文件的读/写操作.74 7.1.4 MATLAB 读 txt 文件.74 7.2 机载 GPS 信号接收及处理建模.75 7.3 本例小结.80 第 8 例 GPS 卫星发射信号模拟.81 8.1 MATLAB 串口操作简介.81 8.2 GPS 的 C/A 码及导航电文建模.83 8.3 本例小结.89 第三部分 电力电子仿真实例.90 引言SimPowerSystems 简介.90 第 9 例 燃料电池汽车动力系统仿真.96 9.1 Simdriveline 简介.96 9.1.1 SimDriveline 功能概述.96 9.1.2 SimDriveline 工具箱分类.98 目 录 VII 9.1.3 基于 SimDriveline 建模特点.99 9.2 燃料电池汽车仿真.99 9.2.1 燃料电池汽车简介.99 9.2.2 燃料电池汽车仿真电路设计.99 9.2.3 仿真结果及分析.102 9.3 本例小结.103 第 10 例 船舶雷达系统射频前端电路分析.104 10.1 RF 工具箱简介.104 10.1.1 基于 M 语言的 RF 工具箱特点及仿真过程.104 10.1.2 基于 Simulink 的 RF 工具箱分类.108 10.2 雷达射频前端电路设计与仿真.111 10.3 本例小结.112 第 11 例 飞机供配电系统设计与仿真.113 11.1 Simscape 工具箱简介.113 11.1.1 Simscape 功能及特点.113 11.1.2 Simscape 分类.114 11.1.3 Simscape 数学方程及仿真流程.115 11.2 飞机供配电系统建模与仿真.117 11.2.1 飞机供配电系统电路设计.118 11.2.2 仿真结果.121 11.3 本例小结.122 第 12 例 重力场卫星加速度计读取电路设计.123 12.1 SimElectronics 工具箱简介.123 12.1.1 SimElectronics 工具箱特点.123 12.1.2 SimElectronics 工具箱分类介绍.124 12.2 重力场卫星加速度计敏感电路设计与仿真.127 12.2.1 重力场卫星读取电路设计.127 12.2.2 仿真结果及分析.128 12.3 本例小结.131 第四部分 结构工程仿真实例.132 引言SimMechanics 工具箱简介（上）.132 第 13 例 车载 stewart 平台建模与仿真.141 13.1 SimMechanics 工具箱简介（中）.141 13.2 车载 stewart 平台建模与仿真.145.MATLAB 工程仿真与应用 30 例 VIII 13.3 本例小结.148 第 14 例 舰载雷达四杆机构建模与仿真.149 14.1 SimMechanics 工具箱简介（下）.149 14.1.1 SimMechanics 工具箱可视化准备工作.149 14.1.2 可视化仿真窗口介绍.150 14.2 舰载雷达四杆机构仿真.152 14.3 本例小结.154 第 15 例 基于 SolidWorks 的机载 stewart 平台建模与仿真.155 15.1 从 CAD 建模工具中输入模型.155 15.1.1 转换步骤.155 15.1.2 生成模型特性.158 15.1.3 转换后模型修改.1