新能源汽車性能仿真課件：系統(tǒng)仿真與Simulink-

新能源汽車性能仿真16七月2024

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頁系統(tǒng)仿真與Simulink1.1動態(tài)系統(tǒng)的計算機仿真1.2動態(tài)系統(tǒng)的Simulink仿真1.3Simulink簡介16七月2024

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頁1.1動態(tài)系統(tǒng)的計算機仿真1.1.1系統(tǒng)與模型為了能全面、正確的理解系統(tǒng)仿真，需要對系統(tǒng)仿真所研究的對象進行概要的了解。這里對與系統(tǒng)仿真相關(guān)的知識——系統(tǒng)與系統(tǒng)模型進行簡單的介紹。16七月2024

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頁1、系統(tǒng)系統(tǒng)是指具有某些特定功能，相互聯(lián)系、相互作用的元素的集合。這里的系統(tǒng)是指廣義上的系統(tǒng)，泛指自然界的一切現(xiàn)象與過程。它具有兩個基本特征：整體性和相關(guān)性。整體性是指系統(tǒng)作為一個整體存在而表現(xiàn)出某向特定的功能，它是不可分割的。16七月2024

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頁對于任何系統(tǒng)的研究都必須從如下三個方面考慮：(1)實體：組成系統(tǒng)的元素、對象。(2)屬性：實體的特征。(3)活動：系統(tǒng)由一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)的變化過程。組成系統(tǒng)的實體之間相互作用而引起的實體屬性的變化，通常用狀態(tài)變量來描述。研究系統(tǒng)主要研究系統(tǒng)的動態(tài)變化。除了研究系統(tǒng)的實體屬性活動外，還需要研究影響系統(tǒng)活動的外部條件，這些外部條件稱之為環(huán)境。16七月2024

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頁2、系統(tǒng)模型系統(tǒng)模型是對實際系統(tǒng)的一種抽象，是對系統(tǒng)本質(zhì)（或是系統(tǒng)的某些特性）的一種描述。模型可視為對真實世界中物體或過程的信息進行形式化的結(jié)果。模型具有與系統(tǒng)相似的特性，可以以各種形式給出我們所感興趣的信息。16七月2024

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頁模型可分為實體模型和數(shù)學模型。實體模型又稱為物理效應模型，是根據(jù)系統(tǒng)之間的相似性而建立起來的物理模型。實體模型最常見的是比例模型，如風洞風吹實驗常用的翼型模型或建筑模型。16七月2024

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頁數(shù)學模型包括原始系統(tǒng)數(shù)學模型和仿真系統(tǒng)數(shù)學模型。原始系統(tǒng)數(shù)學模型是對系統(tǒng)的原始數(shù)學描述。仿真系統(tǒng)數(shù)學模型是一種適合在計算機上演算的模型，主要是指根據(jù)計算機的運算特點、仿真方式、計算方式、精度要求將原始系統(tǒng)數(shù)學模型轉(zhuǎn)換為計算機程序。16七月2024

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頁數(shù)學模型可以分為許多類型。按照狀態(tài)變化可分為動態(tài)模型和靜態(tài)模型。用以描述系統(tǒng)狀態(tài)變化過程的數(shù)學模型稱為動態(tài)模型。而靜態(tài)模型僅僅反映系統(tǒng)在平衡狀態(tài)下系統(tǒng)特征值間的關(guān)系，這種關(guān)系常用代數(shù)方程來描述。16七月2024

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頁按照輸入和輸出的關(guān)系可分為確定性模型和隨機性模型。若一個系統(tǒng)的輸出完全可以用它的輸入來表示，則稱之為確定性系統(tǒng)。若系統(tǒng)的輸出是隨機的，即對于給定的輸入存在多種可能的輸出，則該系統(tǒng)是隨機系統(tǒng)。16七月2024

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頁動態(tài)系統(tǒng)模型又分為離散系統(tǒng)和連續(xù)系統(tǒng)。離散系統(tǒng)是指系統(tǒng)的操作和狀態(tài)變化僅在離散時刻產(chǎn)生的系統(tǒng)。如交通系統(tǒng)、電話系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡系統(tǒng)等等，常常用各種概率模型來描述。連續(xù)系統(tǒng)模型還可分為集中參數(shù)的和分布參數(shù)的，線性的和非線性的，時變的和時不變的，時域的和頻域的，連續(xù)時間的和離散時間的等等。表1.1列出了各種類型的數(shù)學模型及其數(shù)學描述。16七月2024

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頁表1-1數(shù)學模型分類

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頁1.1.2計算機仿真1、仿真的概念仿真是以相似性原理、控制論、信息技術(shù)及相關(guān)領域的有關(guān)知識為基礎，以計算機和各種專用物理設備為工具，借助系統(tǒng)模型對真實系統(tǒng)進行試驗研究的一門綜合性技術(shù)。它利用物理或數(shù)學方法來建立模型，類比模擬現(xiàn)實過程或者建立假想系統(tǒng)，以尋求過程的規(guī)律，研究系統(tǒng)的動態(tài)特性，從而達到認識和改造實際系統(tǒng)的目的。16七月2024

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頁系統(tǒng)仿真涉及相似論、控制論、計算機科學、系統(tǒng)工程理論、數(shù)值計算、概率論、數(shù)理統(tǒng)計、時間序列分析等多種學科。相似性原理是仿真主要的理論依據(jù)。所謂相似，是指各類事務或?qū)ο箝g存在的某些共性。相似性是客觀世界的一種普遍現(xiàn)象，它反映了客觀世界不同事物之間存在著某些共同的規(guī)律。采用相似性技術(shù)建立實際系統(tǒng)的相似模型就是仿真的本質(zhì)過程。16七月2024

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頁2、仿真分類按照實現(xiàn)方式的不同可以將系統(tǒng)仿真分為如下幾類：(1)實物仿真：又稱物理仿真。它是指研制某些實體模型，使之能夠重現(xiàn)原系統(tǒng)的各種狀態(tài)。早期的仿真大多屬于這一類。優(yōu)點：直觀形象，至今仍然廣泛應用。缺點：構(gòu)造物理模型非常復雜，投資巨大，周期長，很難改變參數(shù)，靈活性差。16七月2024

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頁(2)數(shù)學仿真：數(shù)學仿真就是用數(shù)學語言去表述一個系統(tǒng)，并編制程序在計算機上對實際系統(tǒng)進行研究的過程。數(shù)學仿真把研究對象的結(jié)構(gòu)特征或者輸入輸出關(guān)系抽象為一種數(shù)學描述(微分方程、狀態(tài)方程，可分為解析模型、統(tǒng)計模型)來研究。16七月2024

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頁優(yōu)點：具有很大的靈活性，它可以方便地改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)；而且速度快，可以在很短的時間內(nèi)完成實際系統(tǒng)很長時間的動態(tài)演變過程；精確度高，可以根據(jù)需要改變仿真的精度；重復性好，可以很容易地再現(xiàn)仿真過程。缺點：對某些復雜系統(tǒng)可能很難用數(shù)學模型來表達，或者難以建立其精確模型，或者由于數(shù)學模型過于復雜而難以求解。16七月2024

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頁(3)半實物仿真：又稱數(shù)學物理仿真或者混合仿真。為了提高仿真的可信度或者針對一些難以建模的實體，在系統(tǒng)研究中往往把數(shù)學模型、物理模型和實體結(jié)合起來組成一個復雜的仿真系統(tǒng)，這種在仿真環(huán)節(jié)中存在實體的仿真稱為半實物仿真或者半物理仿真。這樣的仿真系統(tǒng)有飛機半實物仿真、射頻制導導彈半實物仿真等，并且許多模擬器也屬于半實物仿真。16七月2024

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頁按照仿真系統(tǒng)與實際系統(tǒng)時間尺度上的關(guān)系，又可將其分為如下幾類：(1)實時仿真：仿真時鐘與系統(tǒng)實際時鐘完全一致。許多仿真應用需要滿足實時性，這時往往需要實時操作系統(tǒng)或者專用實時仿真硬件的支持。16七月2024

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頁(2)欠實時仿真：仿真時鐘比實際時鐘慢。當對仿真的實時性沒有嚴格的要求時，仿真時鐘比實際時鐘慢，不影響仿真的目的，采取欠實時仿真則可節(jié)約很多資金。(3)超實時仿真：仿真時鐘比實際時鐘快。當實際系統(tǒng)周期太長時，若采用實際時鐘就變得毫無意義，這時就要進行超實時仿真。16七月2024

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頁3、計算機仿真計算機仿真是在研究系統(tǒng)過程中根據(jù)相似原理，利用計算機來逼真模擬研究對象。研究對象可以是實際的系統(tǒng)，也可以是設想中的系統(tǒng)。在沒有計算機以前，仿真都是利用實物或者它的物理模型來進行研究的，即物理仿真。物理仿真的優(yōu)點是直接、形象、可信，缺點是模型受限、易破壞、難以重用。16七月2024

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頁計算機作為一種最重要的仿真工具，已經(jīng)推出了模擬機、模擬數(shù)字機、數(shù)字通用機、仿真專用機等各種機型并應用在不同的仿真領域。除了計算機這種主要的仿真工具外還有兩類專用仿真器：一類是專用物理仿真器，如在飛行仿真中得到廣泛應用的轉(zhuǎn)臺，各種風洞、水洞等；另一類是用于培訓目的的各種訓練仿真器，如培訓原子能電站、大型自動化工廠操作人員和訓練飛行員、宇航員的培訓仿真器、仿真工作臺和仿真機艙等。16七月2024

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頁1.1.3仿真的作用仿真技術(shù)具有很高的科學研究價值和巨大的經(jīng)濟效益。由于仿真技術(shù)的特殊功效，特別是安全性和經(jīng)濟性，使得仿真技術(shù)得到廣泛的應用。首先由于仿真技術(shù)在應用上的安全性，使得航空、航天、核電站等成為仿真技術(shù)最早的和最主要的應用領域。16七月2024

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頁歸納起來，仿真技術(shù)的主要用途有如下幾點：(1)優(yōu)化系統(tǒng)設計。在實際系統(tǒng)建立以前，通過改變仿真模型結(jié)構(gòu)和調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)來優(yōu)化系統(tǒng)設計。如控制系統(tǒng)、數(shù)字信號處理系統(tǒng)的設計經(jīng)常要靠仿真來優(yōu)化系統(tǒng)性能。(2)系統(tǒng)故障再現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)故障原因。實際系統(tǒng)故障的再現(xiàn)必然會帶來某種危害性，這樣做是不安全的和不經(jīng)濟的，利用仿真來再現(xiàn)系統(tǒng)故障則是安全的和經(jīng)濟的。16七月2024

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頁(3)驗證系統(tǒng)設計的正確性。(4)對系統(tǒng)或其子系統(tǒng)進行性能評價和分析。多為物理仿真，如飛機的疲勞試驗。(5)訓練系統(tǒng)操作員。常見于各種模擬器，如飛行模擬器、坦克模擬器等。(6)為管理決策和技術(shù)決策提供支持。16七月2024

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頁1.1.4仿真算法和仿真軟件1、仿真算法在建立系統(tǒng)的數(shù)學模型后，需要將其轉(zhuǎn)變成能夠在計算機上運行的仿真模型。由于計算機只能進行離散的數(shù)值計算，因而必須推導出連續(xù)系統(tǒng)的遞推數(shù)學公式，如解微分方程的龍格庫塔算法。這實際上屬于數(shù)值計算的內(nèi)容，其發(fā)展已經(jīng)相當完善了。其實這就是計算機仿真算法的設計，即把數(shù)學模型轉(zhuǎn)化為能在計算機上運行的仿真模型。16七月2024

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頁通常這些仿真算法并不需要仿真人員去編制，因為這些仿真算法往往已經(jīng)內(nèi)嵌于各種面向仿真用途的專用軟件中了。但是對這些算法的了解無疑有助于用戶更好地完成仿真任務。一般來說，系統(tǒng)仿真算法有如下幾類：(1)集中參數(shù)系統(tǒng)仿真算法。(2)分布參數(shù)系統(tǒng)仿真算法。(3)離散時間系統(tǒng)仿真算法。16七月2024

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頁2、仿真軟件仿真軟件是一類面向仿真用途的專用軟件，它可能是面向通用的仿真，也可能是面向某個領域的仿真。它的功能可以概括為以下幾點：(1)為仿真提供算法支持。(2)模型描述，用來建立計算機仿真模型。(3)仿真實驗的執(zhí)行和控制。16七月2024

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頁(4)仿真數(shù)據(jù)的顯示、記錄和分析。(5)對模型、實驗數(shù)據(jù)、文檔資料和其它仿真信息的存儲、檢索和管理(即用于仿真數(shù)據(jù)信息管理的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng))。16七月2024

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頁根據(jù)軟件功能，仿真軟件可分為以下三個層次：(1)仿真程序庫：由一組完成特定功能的程序組成的集合，專門面向某一問題或某一領域。它可能是用通用的語言(C++、FORTRAN等)開發(fā)的程序軟件包，也可能是依附于某種集成仿真環(huán)境的函數(shù)庫或模塊庫。(2)仿真語言：仿真語言多屬于面向?qū)ｉT問題的高級語言，它是針對仿真問題，在高級語言的基礎上研制的。16七月2024

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頁(3)集成仿真環(huán)境：它是一組用于仿真的軟件工具的集合，包括設計、分析、編制系統(tǒng)模型，編寫仿真程序，創(chuàng)建仿真模型，運行、控制、觀察仿真實驗，記錄仿真數(shù)據(jù)，分析仿真結(jié)果，校驗仿真模型等。16七月2024

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頁1.1.5仿真的三要素計算機仿真的三個基本要素是系統(tǒng)、模型和計算機，聯(lián)系著它們的三項基本活動是模型建立、仿真模型建立（又稱二次建模）和仿真試驗。數(shù)學仿真采用數(shù)學模型，用數(shù)學語言對系統(tǒng)的特性進行描述，其工作過程是：16七月2024

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頁建立系統(tǒng)的數(shù)學模型；建立系統(tǒng)仿真模型，即設計算法，并轉(zhuǎn)化為計算機程序，使系統(tǒng)的數(shù)學模型能為計算機所接受并能在計算機上運行；運行仿真模型，進行仿真試驗，再根據(jù)仿真試驗的結(jié)果進一步修正系統(tǒng)的數(shù)學模型和仿真模型。16七月2024

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頁1.1.6計算機仿真的一般過程計算機仿真的一般過程可以表述如下：(1)描述仿真問題，明確仿真目的。(2)項目計劃、方案設計與系統(tǒng)定義。根據(jù)仿真目的確定相應的仿真結(jié)構(gòu)(實時仿真還是非實時仿真，純數(shù)學仿真還是半物理仿真等)，規(guī)定相應仿真系統(tǒng)的邊界條件與約束條件。16七月2024

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頁(3)數(shù)學建模：根據(jù)系統(tǒng)的先驗知識、實驗數(shù)據(jù)及其機理研究，按照物理原理或者采取系統(tǒng)辨識的方法，確定模型的類型、結(jié)構(gòu)及參數(shù)。注意要確保模型的有效性和經(jīng)濟性。(4)仿真建模：根據(jù)數(shù)學模型的形式、計算機類型、采用的高級語言或其它仿真工具，將數(shù)學模型轉(zhuǎn)換成能在計算機上運行的程序或其他模型，也即獲得系統(tǒng)的仿真模型。16七月2024

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頁(5)試驗：設定實驗環(huán)境/條件和記錄數(shù)據(jù)，進行實驗，并記錄數(shù)據(jù)。(6)仿真結(jié)果分析：根據(jù)實驗要求和仿真目的對實驗結(jié)果進行分析處理(整理及文檔化)。16七月2024

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頁圖1.1計算機仿真流程圖16七月2024

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頁1.2動態(tài)系統(tǒng)的Simulink仿真1.2.1Simulink簡介Simulink是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包。使用Simulink來建模、分析和仿真各種動態(tài)系統(tǒng)(包括連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和混合系統(tǒng))，將是一件非常輕松的事情。它提供了一種圖形化的交互環(huán)境，只需用鼠標拖動的方法便能迅速地建立起系統(tǒng)框圖模型，甚至不需要編寫一行代碼。16七月2024

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頁利用Simulink進行系統(tǒng)的建模仿真，其最大的優(yōu)點是易學、易用，并能依托MATLAB提供的豐富的仿真資源。這里對Simulink的強大功能進行簡單的介紹。16七月2024

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頁1、交互式、圖形化的建模環(huán)境Simulink提供了豐富的模塊庫以幫助用戶快速地建立動態(tài)系統(tǒng)模型。建模時只需使用鼠標拖放不同模塊庫中的系統(tǒng)模塊并將它們連接起來。16七月2024

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頁2、交互式的仿真環(huán)境Simulink框圖提供了交互性很強的仿真環(huán)境，既可以通過下拉菜單執(zhí)行仿真，也可以通過命令行進行仿真。菜單方式對于交互工作非常方便，而命令行方式對于運行一大類仿真如蒙特卡羅仿真非常有用。16七月2024

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頁3、專用模塊庫(Blocksets)作為Simulink建模系統(tǒng)的補充，MathWorks公司還開發(fā)了專用功能塊程序包，如DSPBlockset和CommunicationBlockset等。通過使用這些程序包，用戶可以迅速地對系統(tǒng)進行建模、仿真與分析。更重要的是用戶還可以對系統(tǒng)模型進行代碼生成，并將生成的代碼下載到不同的目標機上。16七月2024

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頁表1.2Simulink的部分軟件工具包16七月2024

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頁4、提供了仿真庫的擴充和定制機制Simulink的開放式結(jié)構(gòu)允許用戶擴展仿真環(huán)境的功能：采用MATLAB、FORTRAN和C代碼生成自定義模塊庫，并擁有自己的圖標和界面。因此用戶可以將使用FORTRAN或C編寫的代碼鏈接進來，或者購買使用第三方開發(fā)提供的模塊庫進行更高級的系統(tǒng)設計、仿真與分析。16七月2024

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頁5、與MATLAB工具箱的集成由于Simulink可以直接利用MATLAB的諸多資源與功能，因而用戶可以直接在Simulink下完成諸如數(shù)據(jù)分析、過程自動化、優(yōu)化參數(shù)等工作。工具箱提供的高級的設計和分析能力可以融入仿真過程。簡而言之，Simulink具有以下特點：16七月2024

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頁(1)基于矩陣的數(shù)值計算。(2)高級編程語言。(3)圖形與可視化。(4)工具箱提供面向具體應用領域的功能。(5)豐富的數(shù)據(jù)I/O工具。(6)提供與其它高級語言的接口。(7)支持多平臺(PC/Macintosh/UNIX)。(8)開放與可擴展的體系結(jié)構(gòu)。16七月2024

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頁1.2.2Simulink的應用領域至此，讀者應該對動態(tài)系統(tǒng)的模型建立、系統(tǒng)仿真與分析有了一個比較感性的認識；同時對Simulink的強大功能也會有一定的了解。那么使用Simulink到底可以對什么樣的動態(tài)系統(tǒng)進行仿真分析與輔助設計呢？其實，任何使用數(shù)學方式進行描述的動態(tài)系統(tǒng)都可以使用Simulink進行建模、仿真與分析。16七月2024

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頁Simulink可以搭建：(1)通信系統(tǒng)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層；(2)動力學系統(tǒng)；(3)控制系統(tǒng)；(4)數(shù)字信號處理系統(tǒng)；(5)電力系統(tǒng)；(6)生物系統(tǒng)；(7)金融系統(tǒng)等。16七月2024

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頁由于Simulink具有強大的功能與友好的用戶界面，因此它已經(jīng)被廣泛地應用到諸多領域之中，如：(1)通訊與衛(wèi)星系統(tǒng)。(2)航空航天系統(tǒng)。(3)生物系統(tǒng)。(4)船舶系統(tǒng)。(5)汽車系統(tǒng)。(6)金融系統(tǒng)。16七月2024

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頁此外，Simulink在生態(tài)系統(tǒng)、社會和經(jīng)濟等領域也都有所應用。在科學技術(shù)飛速發(fā)展的21世紀，Simulink的應用領域也將會更加廣泛。圖1.2所示為Simulink在一些領域中的典型應用。16七月2024

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頁圖1.2Simulink的應用領域示意圖16七月2024

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頁1.2.3Simulink在MATLAB家族中的位置MATLAB是一個包含數(shù)值計算、高級圖形與可視化、高級編程語言的集成化科學計算環(huán)境。MATLABToolbox提供了面向?qū)I(yè)的函數(shù)庫，擴展了MATLAB的能力。16七月2024

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頁MATLABCompiler自動將MATLAB中的M文件轉(zhuǎn)換成C和C++代碼，用于獨立應用開發(fā)。Simulink是一個交互式動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析工具。SimulinkBlockset提供了豐富的專業(yè)模塊庫，廣泛地用于控制、DSP、通訊等系統(tǒng)仿真領域。Stateflow是一種利用有限狀態(tài)機理論建模和仿真事件驅(qū)動系統(tǒng)的可視化設計工具，適合用于描述復雜的開關(guān)控制邏輯、狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖以及流程圖等。16七月2024

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頁Real-TimeWorkshop能夠從Simulink模型中生成可定制的代碼及獨立的可執(zhí)行程序。Stateflowcoder能夠