本書對系統仿真理論、技術以及仿真方法學、仿真軟件和應用作了詳細的講述。主要內容有：系統仿真的基本概念、系統數學模型及其相互轉換、數值積分法在系統仿真中的應用、面向微分方程的仿真程序設計、面向結構圖的數字仿真法、快速數字仿真法、控制系統參數優化及仿真、SimuLink建模和仿真、現代仿真技術、快速控制原型、硬件在回路仿真和仿真應用技術等。
本書可以作為高等院校自動化、電氣工程及其自動化、電子信息工程、機械設計制造及其自動化及相關專業的本科生和研究生的教材，也可供從事系統控制、系統仿真的科研人員和工程師參考。
章 緒論 1
1.1 系統仿真的基本概念 1
1.2 連續系統仿真技術 3
1.3 離散事件系統仿真技術 6
1.3.1 離散事件系統的數學模型 7
1.3.2 離散事件系統的仿真方法 9
1.3.3 離散事件系統仿真語言 10
1.4 仿真技術的應用 12
1.4.1 系統仿真技術在系統分析、綜合方面的應用 12
1.4.2 系統仿真技術在仿真器方面的應用 13
1.4.3 系統仿真技術在技術咨詢和預測方面的應用 13
1.5 仿真技術的現狀與發展 14
1.5.1 仿真計算機的現狀及發展 14
1.5.2 計算機軟件的現狀及發展 14
1.5.3 仿真器的現狀與開發 15
本章小結 15
習題 15
第2章 系統數學模型及其相互轉換 16
2.1 系統的數學模型 16
2.1.1 連續系統的數學模型 16
2.1.2 離散時間模型 20
2.1.3 Matlab語言中的模型表示 22
2.1.4 不確定模型 23
2.2 實現問題 26
2.3 從系統結構圖向狀態方程的轉換 30
2.3.1 系統模擬結構圖轉換為狀態方程 30
2.3.2 系統動態結構圖轉換為狀態方程 32
2.3.3 利用Matlab語言對控制系統的結構圖進行描述和轉換 36
2.4 連續系統的離散化方程 38
2.4.1 狀態方程的離散化 38
2.4.2 傳遞函數的離散化 40
2.4.3 利用Matlab語言進行離散化處理 42
本章小結 43
習題 43
第3章 數值積分法在系統
仿真中的應用 45
3.1 在系統仿真中常用的數值積分法 45
3.1.1 歐拉法和改進的歐拉法 45
3.1.2 龍格-庫塔法 47
3.1.3 線性多步法 50
3.1.4 Matlab語言中的常微分方程
求解指令和使用方法 54
3.2 剛性系統的特點及算法 56
3.3 實時仿真算法 58
3.4 分布參數系統的數字仿真 60
3.4.1 模型形式和性質 60
3.4.2 差分解法 61
3.4.3 線上求解法 64
3.4.4 Matlab語言在偏微分方程解法中的應用 65
3.5 面向微分方程的仿真程序設計 71
本章小結 73
習題 73
第4章 面向結構圖的數字仿真法 75
4.1 典型環節仿真模型的確定 75
4.2 結構圖離散相似法仿真 77
4.3 非線性系統的數字仿真 81
4.4 連續系統的結構圖仿真及程序 85
4.4.1 CSSF程序包簡單介紹 85
4.4.2 Micro-CSS仿真程序 86
4.4.3 MCSS仿真程序的使用方法 86
4.4.4 MCSS仿真程序分析 90
4.4.5 代數環問題 94
本章小結 95
習題 96
第5章 快速數字仿真法 101
5.1 增廣矩陣法 101
5.2 替換法 103
5.2.1 簡單替換法 103
5.2.2 雙線性變換 106
5.2.3 狀態方程的雙線性變換 108
5.3 零極點匹配法 110
5.4 計算機控制系統仿真 112
本章小結 119
習題 119
第6章 控制系統參數優化及仿真 121
6.1 參數優化與函數優化 121
6.2 單變量尋優技術 123
6.2.1 黃金分割法（0.618法） 123
6.2.2 二次插值法 126
6.3 多變量尋優技術 130
6.3.1 速下降法 130
6.3.2 共軛梯度法 135
6.3.3 單純形法 143
6.4 尋優法 145
6.5 尋優過程對限制條件的處理 150
6.6 函數尋優 151
6.7 Matlab優化工具箱 154
6.7.1 Matlab優化工具箱概述 154
6.7.2 Matlab優化工具箱使用例子 155
本章小結 159
習題 159
第7章 Simulink建模和仿真 160
7.1 Simulink的概述和基本操作 160
7.1.1 Simulink的概述 160
7.1.2 基本操作 161
7.2 基本模塊 162
7.3 建模方法 168
7.3.1 模塊的操作 169
7.3.2 模塊的連接 172
7.4 系統仿真舉例 174
7.4.1 非線性系統的模擬 175
7.4.2 混合系統PID控制器仿真 177
7.5 子系統和子系統的封裝 179
7.5.1 Simulink子系統 179
7.5.2 子系統的封裝 184
7.6 回調 186
7.6.1 回調函數的介紹 187
7.6.2 基于回調的圖形用戶界面 187
7.7 S函數 189
7.7.1 S函數模塊 189
7.7.2 S函數的工作原理 190
7.7.3 S函數中的幾個概念 190
7.7.4 S函數動畫 192
本章小結 197
習題 197
第8章 現代仿真技術 199
8.1 面向對象仿真技術 199
8.1.1 面向對象的概念和特點 199
8.1.2 UML統一建模語言 200
8.1.3 面向對象的建模與仿真 203
8.1.4 面向對象仿真舉例 206
8.2 分布交互仿真技術 210
8.2.1 分布交互仿真的發展歷程 210
8.2.2 分布交互仿真技術的特點和關鍵技術 212
8.2.3 DIS系統的體系結構和標準 214
8.2.4 高層體系結構（HLA） 216
8.3 虛擬現實技術 218
8.3.1 虛擬現實技術的基本概念 218
8.3.2 分布式虛擬現實系統 220
8.3.3 虛擬現實技術的應用 221
8.4 建模與仿真的VV&A技術 223
8.4.1 概述 223
8.4.2 VV&A技術與方法 224
8.4.3 VV&A的過程及基本原則 230
本章小結 233
習題 233
第9章 仿真應用技術 234
9.1 仿真語言及其發展 234
9.1.1 連續系統的數字仿真 234
9.1.2 仿真語言的功能 235
9.1.3 對仿真語言的主要要求 235
9.1.4 仿真語言的一般結構和組織 236
9.2 快速控制原型 238
9.2.1 快速原型制造技術 239
9.2.2 快速控制原型技術 240
9.2.3 快速控制原型開發原理 241
9.2.4 RCP系統研究方法和關鍵技術 242
9.2.5 硬件在回路仿真 244
9.3 Matalb/RTW實時仿真工具箱 246
9.3.1 Real-Time Workshop簡介 246
9.3.2 RTW程序創建過程和代碼結構 250
9.3.3 RTW嵌入式代碼在VxWorks/ Tornado 環境下實現過程 255
9.3.4 水下航行器深度控制系統仿真 258
9.4 人工智能與仿真技術 259
9.4.1 概述 259
9.4.2 人工智能在仿真技術中的主要應用 260
9.4.3 仿真專家系統 261
9.4.4 智能化仿真的研究與探索 262
9.5 數學模型和建模方法學 263
9.5.1 數學模型的作用和目標 263
9.5.2 數學模型的性質和假設 264
9.5.3 建模方法學 267
9.5.4 結論 269
9.6 仿真實驗的計劃制定和實施 269
9.6.1 問題的闡述和計劃的制定 270
9.6.2 仿真實驗準備階段 271
9.6.3 仿真實驗與結果處理 271
附錄 273
實驗一 面向微分方程的數字仿真 273
實驗二 連續系統的離散化仿真 274
實驗三 面向結構圖仿真 275
實驗四 單純型法參數尋優 275
實驗五 PID調節器參數優化仿真 276
參考文獻 278
章緒論
本章將介紹系統仿真的基本概念。它將從橫向和縱向來闡述系統仿真的內涵，所有內賓將為學習和以后更進一步地研究計算機仿真技術建立一個基礎。
（1）系統與模型
系統就是一些具有特定功能的、相互間以規律聯系著的物體所組成的一個總體。顯然，系統是一個廣泛的概念，毫無疑問它在現代科學研究和工程實踐中扮演著重要的角色。不同領域的問題均可以用系統的框架來解決。但究竟一個系統是由什么構成的，這取決于觀測者的觀點。例如，這個系統可以是一個由一些電子部件組成的放大器；或者是一個可能包括該放大器在內的控制回路；或者是一個有許多這樣回路的化學處理裝置；或者是一些裝置組成的一個工廠：或者是一些工廠的聯合作業形成的系統，而世界經濟就是這個系統的環境。一個系統可能非常復雜，也可能很簡單，因此很難給“系統”下一個確切的定義。因為這個定義不但能夠足以概括系統的各種應用，而且又能夠簡明地把這個定義應用于實際。但無論什么系統一般均具有4個重要的性質，即整體性、相關性、有序性和動態性。
首先，必須明確系統的整體性。也就是說，它作為一個整體，各部分是不可分割的。就好像人體，它由頭、身軀、四肢等多個部分組成，如果把這些部分拆開，就不能構成完整的人體。至于人們熟悉的自動控制系統，其基本組成部分（控制對象、測量元件、控制器等）同樣缺一不可。整體性是系統的特性。
其次，要明確系統的相關性。相關性是指系統內部各部分之間相互以的規律聯系著，它們之問的特定關系形成了具有特定性能的系統。有時系統各要素之間的關系并不是簡單的線，而是呈現出復雜的非線。也正是由于這種非線性，才構成了這個多彩的世界。對于復雜的非線，必須研究其復雜性與整體性。再以人體為例，人的雙眼視敏度是單眼視敏度的6～10倍。此外，雙眼有立體感，而單眼卻無此特點。這就是一種典型的非線性特征，因此相關性是系統的第二特性，也是目前系統研究的主要問題。
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