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李獻，駱誌偉，於晉臣編著 著

圖書標籤:

• MATLAB
• Simulink
• 係統仿真
• 控製係統
• 信號處理
• 數值計算
• 工程仿真
• 建模
• 算法
• 自動化
• 數學建模

店鋪： 文軒網旗艦店

齣版社： 清華大學齣版社

ISBN：9787302467403

商品編碼：14962215024

齣版時間：2017-09-01

作  者:李獻,駱誌偉,於晉臣 編著 定  價:89 齣 版 社:清華大學齣版社 齣版日期:2017年09月01日 頁  數:540 裝  幀:平裝 ISBN:9787302467403 ●第1章 MATLAB基礎知識
●1.1 MATLAB簡介
●1.2 MATLAB的通用命令
●1.2.1 MATLAB菜單說明
●1.2.2 MATLAB路徑設置
●1.2.3 MATLAB係統常量說明
●1.2.4 MATLAB程序注解符說明
●1.3 MATLAB的計算基礎
●1.3.1 MATLAB的預定義變量
●1.3.2 常用運算和基本數學函數
●1.3.3 數值的輸齣格式
●1.4 MATLAB程序設計基礎
●1.4.1 MATLAB基本程序設計
●1.4.2 MATLAB程序控製語句的運用
●1.5 MATLAB的繪圖功能
●1.5.1 離散數據圖形繪製
●1.5.2 函數圖形繪製
●1.5.3 網格圖繪製
●1.5.4 麯麵圖的繪製
●1.5.5 特殊圖形繪製
●部分目錄

內容簡介

本書在MATLAB 2016a的基礎上由淺入深地講解瞭MATLAB/Simulink軟件的知識，內容涉及麵廣、涵蓋瞭用戶需要使用的各種功能。本書編排閤理，自始至終采用實例描述； 內容完整且各章相對獨立，是一本極具參考價值的MATLAB/Simulink參考書。
本書分為三大部分共16章。靠前部分主要介紹瞭MATLAB基礎知識、Simulink仿真入門、Simulink模型建立與仿真以及Simulink常用命令庫等； 第二部分主要介紹S-Function的應用、控製係統仿真和PID控製仿真等； 第三部分則涉及Simulink不錯應用，包括模糊邏輯控製、電力係統仿真、通信係統仿真、神經網絡控製仿真、滑模控製、車輛係統仿真、群智能算法仿真和圖像處理仿真等。
本書以工程應用為目標，深入淺齣，實例引導，講解翔實，適閤作為理工科高等院校本科生和研等
李獻,駱誌偉,於晉臣 編著 李獻、畢業於中國科學院研究生院，博士學位，碩士畢業於華中科技大學。畢業後留在中科院電工研究所應用超導重點實驗室工作。主要從事電磁推進、脈衝強磁場以及脈衝功率電源的相關研究工作。在靠前外期刊發錶論文多篇，齣版多部暢銷圖書。

《工程建模與仿真實踐》 引言 在當今科技飛速發展的時代，復雜工程係統的設計、分析與優化已成為一項極具挑戰性的任務。傳統的物理樣機製造和實地測試不僅耗時耗資，且存在安全隱患，難以滿足快速迭代和精準控製的需求。因此，高效、靈活且準確的仿真技術應運而生，並已成為現代工程研究與實踐不可或缺的工具。本書《工程建模與仿真實踐》旨在為讀者提供一套係統、深入的工程建模與仿真方法論，涵蓋從理論基礎到實際應用的各個環節，幫助讀者掌握利用仿真技術解決工程問題的能力。 本書內容不涉及任何具體的商業軟件名稱，而是專注於通用的工程建模與仿真原理、算法和流程，讓讀者能夠靈活地將所學知識遷移到不同的仿真平颱和工具中。我們相信，理解核心概念比掌握某個特定軟件的用法更為重要，因為軟件工具會不斷更新換代，而堅實的理論基礎和方法論將始終是解決問題的關鍵。 第一部分：工程建模基礎 工程建模是將現實世界中的物理係統、過程或現象轉化為數學描述或計算模型的過程。這一部分將深入探討建模的藝術與科學，為後續的仿真分析奠定堅實基礎。 第一章：建模的本質與分類 1.1 什麼是工程模型？ 我們將從哲學的角度審視模型在工程中的作用：模型是對現實世界的簡化、抽象和近似。 討論模型的精度、復雜度與適用性之間的權衡。 分析模型如何幫助我們理解、預測和控製係統行為。 1.2 模型的分類 物理模型 vs. 數學模型： 闡述兩者在構建方式和應用場景上的區彆。 連續模型 vs. 離散模型： 詳細講解如何根據係統的連續或離散特性選擇閤適的模型。 確定性模型 vs. 概率性模型： 探討模型中是否存在不確定性及其處理方法。 時域模型 vs. 頻域模型： 分析不同域的模型錶達方式及其優勢。 黑箱模型、白箱模型與灰箱模型： 深入解析不同透明度模型的構建思路和應用。 1.3 建模過程的關鍵步驟 問題定義與需求分析： 如何清晰地界定仿真目標和關鍵性能指標。 係統邊界的確定： 如何閤理地劃分係統與環境的界限。 變量與參數的選擇： 如何識彆和選擇影響係統行為的關鍵因素。 數學關係的建立： 介紹各種數學工具（代數方程、微分方程、差分方程等）在建模中的應用。 模型驗證與確認： 強調模型結果與實際係統或實驗數據的對比分析。 第二章：物理係統的建模方法 本章將聚焦於對常見物理係統進行建模的通用方法，涉及力學、電路、熱學等多個工程領域。 2.1 力學係統建模 牛頓定律在建模中的應用： 從基本運動方程齣發，推導各種機械係統的動力學模型。 拉格朗日方程與哈密頓方程： 介紹更高級的力學建模方法，適用於復雜多自由度係統。 質量-彈簧-阻尼係統： 作為經典示例，深入剖析振動係統的建模與分析。 剛體動力學建模： 討論如何處理慣性、力矩等因素。 2.2 電氣係統建模 基爾霍夫定律： 作為電路建模的基石，講解電壓定律與電流定律的應用。 元件模型： 詳細介紹電阻、電容、電感、二極管、晶體管等基本元件的數學模型。 交流與直流電路建模： 分析不同電源激勵下的電路行為。 電磁場模型簡介： 探討在特定情況下電磁效應的建模考量。 2.3 熱學係統建模 熱傳導、對流與輻射： 講解三種基本傳熱方式的數學描述。 能量守恒定律： 基於能量守恒原理構建熱平衡模型。 傳熱係數與熱阻： 介紹在熱學建模中常用的參數。 2.4 其他物理係統建模簡介 流體動力學建模： 簡要介紹納維-斯托剋斯方程等概念。 化學反應動力學建模： 概述化學反應速率方程的應用。 第三章：離散事件與狀態機建模 與連續變化的物理係統不同，許多工程係統（如通信協議、生産流程、控製係統中的邏輯決策）的演變是離散的、觸發式的。本章將介紹如何對這類係統進行建模。 3.1 狀態機模型 狀態、事件與轉移： 明確狀態機模型的組成要素。 有限狀態自動機 (FSA)： 講解 FSA 的定義、工作原理及應用。 帶輸齣的狀態機（摩爾機與米利機）： 區分兩種不同輸齣方式的狀態機模型。 狀態機在設計與驗證中的應用： 如何利用狀態機描述係統邏輯、檢測死鎖和活鎖。 3.2 離散事件係統 (DES) 建模 事件驅動的仿真： 闡述 DES 仿真的基本思想。 隊列與事件調度： 討論如何在仿真中管理事件的發生順序。 Petri 網簡介： 作為一種強大的 DES 建模工具，介紹其基本概念和錶達能力。 離散事件係統在通信、製造等領域的應用。 第二部分：仿真方法與技術 建立好模型之後，關鍵在於如何利用這些模型進行仿真，從而獲取有價值的信息。本部分將深入探討各種仿真方法和相關的技術細節。 第四章：數值解法與離散化技術 大多數工程模型的數學描述是微分方程或代數方程，在計算機上求解時需要將其轉化為數值算法。 4.1 常微分方程 (ODE) 的數值解法 歐拉方法： 介紹最基礎的顯式與隱式歐拉法，分析其精度與穩定性。 龍格-庫塔 (RK) 方法： 詳細講解二階、四階 RK 方法，闡述其在高精度求解中的優勢。 多步法： 介紹 Adams-Bashforth、Adams-Moulton 等方法。 求解器選擇的原則： 如何根據模型的特性選擇閤適的 ODE 求解器。 4.2 偏微分方程 (PDE) 的數值解法簡介 有限差分法 (FDM)： 介紹如何將連續域的導數用離散的差分來近似。 有限元法 (FEM)： 介紹如何將求解域劃分為小單元，在單元上構建近似解。 有限體積法 (FVM)： 介紹如何基於守恒律在單元邊界上進行積分。 4.3 代數方程組的求解 直接法： 如高斯消元法、LU 分解。 迭代法： 如雅可比迭代、高斯-賽德爾迭代。 非綫性方程組的求解： 如牛頓-拉夫遜法。 4.4 離散化技術在不同模型類型中的應用： 如何將連續係統轉化為可計算的離散模型。 第五章：仿真算法與仿真策略 除瞭數值求解，仿真還需要一係列算法來管理仿真過程、處理數據和提高效率。 5.1 仿真類型： 動態仿真： 模擬係統隨時間變化的軌跡。 穩態仿真： 分析係統達到穩定狀態後的行為。 濛特卡洛仿真： 通過隨機抽樣進行多次模擬，分析不確定性。 優化仿真： 結閤優化算法，搜索最優參數。 5.2 仿真步長控製與穩定性 自適應步長算法： 如何根據誤差估計動態調整仿真步長。 仿真穩定性分析： 確保數值解法不會發散。 5.3 仿真模型集成與互操作性 模塊化建模： 如何將大型係統分解為可重用的模塊。 模型接口與通信： 如何實現不同模型模塊之間的數據交換。 混閤仿真： 如何將不同類型的模型（如連續模型與離散事件模型）集成到同一個仿真框架中。 5.4 仿真效率的提升策略 並行計算與分布式仿真： 如何利用多核處理器或多颱計算機加速仿真。 模型降階： 如何通過簡化模型來降低計算復雜度，同時保持足夠的精度。 事件隊列優化： 在離散事件仿真中提高事件處理效率。 第六章：模型驗證與確認 (V&V) 仿真結果的可靠性取決於模型的準確性。V&V 是確保仿真模型符閤設計意圖、能準確預測實際係統行為的關鍵環節。 6.1 模型驗證： 概念驗證： 檢查模型是否正確實現瞭設計者設定的數學邏輯。 單元測試： 對模型中的獨立模塊進行單獨測試。 集成測試： 測試模型模塊組閤後的整體行為。 仿真代碼審查與靜態分析： 檢查代碼中的潛在錯誤。 6.2 模型確認： 數據比較： 將仿真結果與實際係統或實驗數據進行對比。 敏感性分析： 評估模型輸齣對輸入參數變化的敏感程度。 不確定性量化： 分析輸入參數的不確定性如何影響仿真結果。 極端情況測試： 模擬係統在邊界條件或異常條件下的行為。 專傢評審： 邀請領域專傢對模型和仿真結果進行評估。 6.3 V&V 過程中的挑戰與最佳實踐。 第三部分：仿真應用與實踐 本部分將通過具體案例，展示工程建模與仿真在解決實際工程問題中的強大能力。 第七章：係統性能分析與優化 仿真最核心的應用之一是評估係統性能並找到最優的設計方案。 7.1 性能指標定義與仿真分析： 如何通過仿真量化關鍵性能指標（如響應時間、穩定性、能耗、吞吐量等）。 7.2 參數掃描與靈敏度分析： 如何通過係統地改變模型參數，分析其對係統性能的影響。 7.3 場景分析與魯棒性評估： 模擬係統在不同操作場景、環境條件下或麵對乾擾時的錶現，評估其魯棒性。 7.4 設計空間探索與優化： 迭代式優化： 通過反復仿真和參數調整來逼近最優解。 自動化優化流程： 結閤優化算法，實現設計參數的自動搜索。 案例研究： 以一個具體的工程係統（如通信係統、控製係統、機器人係統）為例，展示性能分析與優化過程。 第八章：故障診斷與容錯控製 仿真不僅可以預測正常運行，還能模擬和分析係統故障，並設計相應的應對策略。 8.1 故障模式的建模與仿真： 如何將各種可能的故障（如傳感器失效、執行器故障、通信中斷）引入模型。 8.2 故障診斷的仿真方法： 基於模型的故障檢測： 利用模型預測值與實際觀測值的偏差來判斷故障。 基於數據驅動的故障識彆： 結閤機器學習等技術進行故障模式分類。 8.3 容錯控製策略的設計與仿真： 重構控製： 在檢測到故障後，自動調整控製器參數或切換到備用控製器。 冗餘係統設計： 利用備份組件來維持係統功能。 仿真驗證容錯效果： 確保在故障發生時，係統能夠安全、可靠地繼續運行。 8.4 案例研究： 如航空器控製係統、工業過程控製中的故障診斷與容錯。 第九章：復雜係統的集成仿真與虛擬測試 在現代工程中，係統往往由多個子係統構成，它們的集成行為至關重要。仿真能夠在大規模集成之前對整體係統進行全麵測試。 9.1 多領域耦閤係統仿真： 機電一體化係統： 仿真力學、電子、控製等多個學科的相互作用。 人機交互係統： 仿真操作員與係統的互動行為。 嵌入式係統仿真： 在軟件開發早期，對嵌入式軟件與硬件進行協同仿真。 9.2 虛擬測試環境的構建： 仿真平颱集成： 如何將不同模型和仿真器整閤到一個統一的仿真框架中。 真實環境模擬： 仿真各種外部環境因素（如氣候、地形、電磁乾擾）。 硬件在環 (HiL) 仿真： 將真實的硬件組件接入仿真環境進行測試。 9.3 虛擬測試在産品開發中的優勢： 降低開發成本、縮短開發周期、提高産品質量、提升安全性。 9.4 案例研究： 如汽車電子控製單元 (ECU) 的集成測試、大規模通信網絡的性能評估。 第十章：仿真在生命周期中的作用 工程建模與仿真不僅僅局限於設計階段，它貫穿於産品的整個生命周期。 10.1 概念設計與可行性研究： 快速評估不同設計方案的可行性。 10.2 詳細設計與優化： 精確分析係統性能，完成參數優化。 10.3 生産製造輔助： 模擬生産過程，優化工藝參數。 10.4 運行維護與故障預測： 模擬係統運行狀態，預測潛在故障。 10.5 産品升級與退役： 評估升級方案的影響，規劃退役策略。 10.6 仿真數據管理與知識傳承： 如何有效管理仿真模型和仿真結果，為未來的項目提供支持。 結論 《工程建模與仿真實踐》提供瞭一套全麵而深入的工程建模與仿真知識體係。本書強調瞭對核心原理和方法論的理解，使其具有廣泛的適用性和長久的價值。通過學習本書，讀者將能夠： 構建準確、有效的工程模型： 掌握不同類型係統的建模方法，理解模型選擇的原則。 選擇和應用閤適的仿真技術： 熟悉數值解法、仿真算法，並能根據問題選擇最優的仿真策略。 進行嚴謹的模型驗證與確認： 確保仿真結果的可靠性，增強對仿真結果的信心。 利用仿真解決實際工程問題： 掌握係統性能分析、優化、故障診斷、集成測試等關鍵應用。 理解仿真在産品生命周期中的價值： 將仿真技術融入工程實踐的各個環節。 本書適閤所有希望提升工程問題解決能力、掌握現代工程設計與分析技術的學生、研究人員和工程師。我們期望本書能夠成為您在工程建模與仿真領域學習和實踐的寶貴指南。