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）。

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薛定宇大讲堂系列图书已经出版：

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）：MATLABz优化计算

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

　　《薛定宇教授大讲堂（卷5）：Simulink建模与仿真》系统地介绍了基于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Sim ulink建模、控制系统的建模方法、S-函数编写、子系统与模块封装、多媒体信息处理与仿真、工程与非工程系统的仿真方法。该书还将Sim ulink仿真与数值优化技术有机结合，解决微分方程边值问题与最优控制问题的求解方法。
　　《薛定宇教授大讲堂（卷5）：Simulink建模与仿真》可作为一般读者系统学习Simulink建模与仿真技术的教材，也可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建模与仿真技术的教材或参考书，还可作为查询仿真问题求解方法的工具书。

　　薛定宇，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年起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》（该教材被评为国家精品教材，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）。先后被评为辽宁省教学名师、辽宁省优秀教师，获得国家教学成果二等奖、中国自动化学会教育教学成果一等奖、辽宁省教学成果一等奖等奖励。主讲的“控制系统仿真与CAD”课程被评为国家精品课程、国家精品资源共享课程；主讲的“现代科学运算-MATLAB语言与应用”课程被评为首批国家本科课程，配套录制的全新慕课课程均上线于爱课程与中国大学MOOC（慕课）网站。

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

…

3.3 早期版本Simulink 的菜单系统 53

…

3.4 新版本的工具栏与菜单系统 64

…

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

…

4.1.5 过零点检测 78

4.2 一阶显式微分方程组的建模 80

…

4.3 一般高阶微分方程的建模 89

…

4.4 高阶微分方程组的建模 101

…

4.5 分数阶微分方程的建模与求解 111

…

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

…

5.2 离散线性模型的建模与仿真 139

…

5.3 非线性环节的Simulink 构造 145

…

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

…

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

…

6.2 复杂的流程子系统 175

…

6.3 模块封装 180

…

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

…

7.2 S-函数的程序设计 217

…

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

本章习题 239

第8 章Simulink 与数值最优化技术的有机结合 241

8.1 微分方程的边值问题 242

…

8.2 应用程序界面设计 255

8.3 最优控制器设计 260

8.3.1 传统最优控制潜在的问题 260

8.3.2 伺服控制的性能指标与最优设计 264

8.3.3 最优控制器设计界面 268

8.3.4 最优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 型控制器最好的二阶控制器结构 274

8.4 最优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

…

11.3 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

　　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，利用当前最先进的计算机工具，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①，2020年发布了英文版的MOOC课程②，一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仿真与数值最优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。
薛定宇教授2021年6月，于东北大学