计算机仿真技术.pdf

华信经管创新市场营销系列 国家精品课程教材 计算机仿真技术 瞿 亮 主编 王 亚 凌志刚 王 石 王文洁 副主编 王耀南 主审 内 容 简 介 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。全书内容详实，结构清晰，力求做到理论与实践紧密结合。本书可作为高校电气类专业的高年级本科生与研究生仿真或计算机辅助设计课程的教材和参考书，也可作为电气类专业的工程技术人员及计算机开发人员的参考书。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 计算机仿真技术/瞿亮主编 北京：电子工业出版社，2013.5 ISBN 978-7-121-20048-9 I计 II瞿 III计算机仿真 IVTP391.9 中国版本图书馆 CIP 数据核字(2013)第 062094 号 责任编辑：田宏峰 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：14.75 字数：377 千字 印 次：2013 年 5 月第 1 次印刷 印 数：4000 册 定价：49.00 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 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：(010)88258888。三河市鑫金马印装有限公司三河市鑫金马印装有限公司 III 前 言 随着计算机技术的发展，计算机仿真得到非常广泛的应用，已成为科学研究的一种重要手段。对于所有理工科学生，掌握一门仿真工具，对于验证理论、设计以及分析系统而言，是非常重要的一种学习方法。在实际科研中几乎所有复杂系统都需要运用仿真技术进行系统的评估、设计和分析。MATLAB 作为当前国际最流行的面向工程与科学计算的高级语言，可轻易地实现 C语言或 FORTRAN 语言几乎全部的功能，并设计出功能强大、界面优美、稳定可靠的高质量程序，编程效率和计算效率极高。MATLAB 环境下的 Simulink 是当前众多仿真软件中功能最强大、最优秀、最容易使用的一个用于系统建模、仿真和分析的动态仿真集成环境工具，在各个领域都得到了广泛的应用。本书介绍计算机仿真的基本概念原理，系统建模的方法和仿真算法、MATLAB 的语法、数学运算和数据可视化功能、Simulink 动态建模、数字图像的处理、控制系统仿真、电力系统仿真的原理及应用，书中程序基于 MATLAB2011 版。本书内容由浅入深，根据仿真技术近年来在电气类专业中的发展情况和当前最新版的MATLAB 的使用情况，以及多年来在教学和科研上的经验，结合实例进行介绍。全书共分8 章，第 1 章介绍仿真的基础知识，第 2 章介绍 MATLAB 的环境、语法、数学运算功能，第 3 章介绍 MATLAB 的绘图功能，第 4 章介绍图像处理的基本内容及应用，第 5 章介绍系统建模方法和仿真算法，第 6 章介绍动态可视化建模工具 Simulink，第 7 章介绍控制系统的基本理论及仿真应用，第 8 章介绍电力系统仿真的原理及应用。考虑到系统仿真是一门实验性很强的学科，书中附有大量的示范程序。本书的参考教学学时为 32 学时。在学习本课程之前，学生应已修过计算机程序设计语言、自动控制原理、电力系统理论、数字图像处理等课程。本书可作为高校电气类专业的高年级本科生与研究生计算机仿真和计算机辅助设计课程的教材和参考书。也可作为电气类专业的工程技术人员及计算机开发人员的参考书。由于 MATLAB 是一个涵盖内容丰富，而且功能完善的软件，我们不可能将其所有的功能一一介绍给读者，但本书涉及的内容基本覆盖了常用的分析工具和分析方法，并向读者详细阐述了 MATLAB 中实现这些方法的步骤。本书由国内自动控制领域权威专家王耀南教授审阅，并提出了许多宝贵意见，此外蔡明杰、关培源、向杜君、姜艳君、贺佳俊也参与了部分编写工作，在此表示衷心的感谢。由于作者水平有限，错误之处请读者不吝赐教，可以通过E-mail（）与作者联系。作 者 2013 年 4 月 IV 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 V2.4.1 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 VI 第 6 章 动态建模工具 Simulink110 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 VII 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 ltiview177 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 Tool188 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 第 1章 计算机仿真概述 1第 1 章 计算机仿真概述 仿真是 20 世纪 40 年代末伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一类试验研究的新兴方法。最初，仿真主要应用于航空、航天、原子反应堆等少数领域。计算机技术和信息科学的迅猛发展，为仿真技术的应用提供了技术和物质基础，目前仿真已渗透到国民经济的多个领域，成为分析、研究各种系统，尤其是复杂系统的重要工具，它不仅用于工程领域，如机械、航空、航天、电力、冶金、化工、电子等方面，还广泛用于非工程领域，如交通管理、生产调度、库存控制、生态环境以及社会经济等方面。1.1 仿真的概念和方法仿真的概念和方法 首先来看两个例子。（1）气囊弹射速度确定（1997 年，美国）。汽车安全气囊的弹射速度原来为 220 英里/小时，在加拿大一年统计：在 6 000 件事故中，救了 4 000 人，打死了 2 000 人；通过大量的仿真实验后，1997 年 12 月美国众议院通过，速度调整为 180 英里/小时。（2）美国三种典型导弹研制过程仿真技术的作用，如表 1-1-1 所示。表 1-1-1 导弹研制过程仿真技术的作用 导 弹 类 型 原计划发射数量 仿真后实发 节 省 导 弹 节省费用（万美元）爱国者 141 101 40 8 000 罗兰特 224 129 95 4 200 尾 刺 185 114 71 2 500 在现实生活及工程应用中，大部分的试验对象是很复杂的，并且要考虑安全性、经济性以及进行实验研究的可能性等，这在现场实验中往往不易做到，甚至根本不允许这样做。例如，在研究导弹飞行、宇航、反应堆控制等系统