全书以MATLAB语言为平台，系统地阐述了系统建模与仿真技术的基本概念、原理与方法。全书分两篇共6章，主要包括： 基础篇(系统的实验方法、相似性原理、建模方法与工程案例、系统仿真的实现方法)，应用篇(控制系统CAD的工程案例、虚拟样机技术与实物仿真技术)等内容。
书中涉及到运动控制、过程控制等系统的建模、分析与设计问题，其内容深入浅出，倡导启发与探究式教学方法； 书中配有练习型、分析/设计型和探究型的习题，有助于激发读者的兴趣，可使读者进一步领会与掌握自动化领域相关课程与技术的内容。
本书系高等学校自动化专业本科生用教材，也可作为电气工程及其自动化、机械设计制造及其自动化等专业本科生(或研究生)“仿真技术”类课程的教学用书。

　　

前言
10年前，MATLAB语言在国内的出现与推广改变了以往人们“手工编程”的历史，使得数字仿真技术进入到“实质性的应用阶段”； 5年前，MATLAB/Simulink的日臻完善，使得“数字仿真技术”进入到“视窗化与图形化的人机交互阶段”，“数字仿真技术”开始广泛应用于教学与科研工作中； 今天，以虚拟现实技术、3D显示技术、数字仿真技术为核心内容的“虚拟样机技术”(又称“虚拟制造技术”)也已进入科研院所与大专院校，并开始在工厂企业中广泛应用，“数字仿真技术”又进入一个新的应用与发展阶段。
“系统建模与仿真”技术在其近50年的发展中，“推动了几乎所有设计领域的革命”，被喻为20世纪下半叶“十大工程技术成就之一”。如今，系统建模与仿真技术已成为现代工程技术人员应该掌握的基本技能之一。
2004年5月，针对“数字仿真与CAD技术”的广泛应用与发展趋势，为满足本科生教学工作的需要，教育部高等学校自动化专业教学指导分委员会决定组织编写“系统建模与仿真”课程的本科生教材。经在全国范围内招投标，确定由哈尔滨工业大学张晓华教授主编、东北大学薛定宇教授主审，并由清华大学出版社资助出版该教材。
作为联系“自动控制理论”、“自动控制系统/设计”、“计算机控制”、“课程设计”、“毕业设计”等教学环节的专业方向选修类课程，其不仅可以使学生了解与掌握 “系统建模与仿真”技术的基本理论与方法，而且还可为学生在毕业设计中提供一个强有力的工具，有效地加强教学中的实践性教学环节，培养学生的独立工作能力和创造性思维能力。
因此，本书编写的目的在于：
(1) 向读者传授“系统建模与仿真”技术这一利器，并使读者清楚： 随着新技术的不断发展，将会不断地产生更有效、更实用的“仿真工具”，而我们应该不断地学习与掌握，以使自己能够与时俱进；
(2) 为读者讲明“系统建模与仿真”技术中所涉及的基本原理、基本概念与基本方法，因为它们是我们能够有效运用仿真工具的理论基础；
(3) 给读者提供一些生动有趣、启迪思想的工程实际问题，创造一个“自由畅想、激发创造”的空间，以使读者从中体会到： “数字仿真技术”是我们学习、探究以及生活中不可缺少的有力工具。

本书在“注重基础、内容精炼、可读性强”写作风格的基础上，在如下几方面进行了积极的探索。
1. 案例教学
(1) 在系统建模方面，包含有“一阶直线倒立摆系统”、“龙门吊车防摆控制系统”、“水箱液位控制系统”、“燃煤热水锅炉温度控制系统”等工程案例。
系统建模与仿真前言(2) 在系统仿真/CAD方面，包含有“直流电动机转速双闭环控制系统设计”、“一阶直线倒立摆运动控制”、“龙门吊车负载防摆控制”、“一阶直线双倒立摆系统的可控性研究”、“自平衡式两轮电动车运动控制”等工程案例。
(3) 从例题到习题，给读者提供了十余个生动、形象的工程实际问题，它们是：
① 一阶直线倒立摆小车位置伺服控制问题；
② 龙门吊车重物防摆伺服控制问题；
③ 水箱液位控制问题；
④ 燃煤热水锅炉水温控制问题；
⑤ 一阶直线双摆系统可控性问题；
⑥ 水轮发电机组功率控制问题；
⑦ 具有弹性立杆的移动小车控制问题；
⑧ 自平衡式两轮电动车运动控制问题；
⑨ 斜梁滚球系统的控制问题；
⑩ 多部直行电梯运行管理的最佳调度控制问题。
通过对这些问题的分析、设计与仿真实验研究，有助于提高学生独立分析问题与解决问题的能力； 同时，也希望这些案例能够对本科生毕业设计的选题有所帮助。
2. 启发与探究式教学
21世纪，人类社会进入到知识经济时代，社会对人才的需求发生了变化。那些具有“独立思维能力、自主创新能力与敏捷适应能力”的能力型人才将成为社会进步的中坚力量。
作为一门时代特色鲜明，以向学生传授系统分析与设计的“利器”，培养学生“综合运用所学知识、勤于思考、勇于探索”工作作风的专业课，在 “系统建模与仿真”课程的教学工作中，笔者认为： “能力”比“知识”更重要，新技术的不断涌现会使得已有的知识变得陈旧，而获取新知识与独立工作的能力永恒； “过程”比“结果”更重要，随着“问题与条件”的改变，“结果”将会不同，而通过“提出问题、分析问题、解决问题、归纳总结”这样一个“过程”的训练，将会有效地塑造学生们科学的“思维方式”与“工作习惯”，而这将会使他们终生受益。
因此，本书在各章中均设立了“问题与探究”一节，为读者提供了一个畅想与实践的空间，以求抛砖引玉。同时，作者声明： 在本书各章的例题、习题及有关工程案例的阐述中，其工程背景(或问题的提出)是确凿的，但是其中模型建立的有效性、控制策略的优劣性、仿真结果的可信性等方面内容，作者不敢说是最终结果，希望读者勇于给出质疑，以使我们共同进步。
3. 虚拟样机与实物仿真
系统建模与仿真技术的最终目的是指导人们去实践。
本书在“应用篇”中系统地阐述了虚拟样机与实物仿真技术的最新成果，希望读者能够从中理解“数字仿真与实物仿真”在认识世界与自身成长过程中所起到的不同作用。同时，也希望有条件的院校能够结合自身的行业背景，建立自己的实物仿真平台，尽可能多地给学生提供一些亲手实践的环境与机会，因为“实践出真知”是古今中外的教育家们所崇尚的认知理念。
4. 参考文献
一个人的经验与阅历是有限的，在探究未知中，如何快速准确地把握他人已有的经验与结论是我们在教学与研究中要面对的一个实际问题。本书在各章均给出相关的参考文献，在有关章节中还给出了网上资源等信息。希望这些资料能够有助于读者对所感兴趣的问题进行深入探究，以达到触类旁通的目的。
5. 电子课件
本教材为任课教师配有“现代仿真技术概述”多媒体课件(适用于本书第１章的教学)与“系统建模与仿真”电子教案(适用于本书各章节的教学)，所配电子课件中还将包括： 各章习题解答、图像资料、参考文献电子文档以及PPT讲稿等教学参考资料。需要说明的是，为便于选用本书的院校与教师有效地组织教学工作，凡选用本书作为“仿真技术”类课程教材院校的任课教师，均可获赠逐年更新的“多媒体课件与电子教案”。

本书共6章，其中第1、4、5、6章由哈尔滨工业大学张晓华教授编写，第3章由西安理工大学王华民教授编写，第2章由张晓华、王华民合作编写； 全书由张晓华教授统稿，东北大学薛定宇教授主审。
本书按授课30学时编写。对于“计算机仿真技术基础”类课程，可选用本书的前3章； 一般学时数为20学时授课＋4学时实验。对于“系统建模与仿真”类课程，可选用全书内容(其中第4、5、6章内容，可视具体情况灵活掌握)； 一般学时数为30学时授课+8学时实验。
“系统建模与仿真”是一门实践性较强的专业课，一般均要求安排一定量的上机实验。对于4学时的实验，可安排MATLAB/Simulink基础内容的上机实验，重点在引领学生入门； 对于8学时的实验，可在MATLAB/Simulink入门实验内容的基础上，安排“水箱液位控制”、“双闭环直流调速系统设计”或“基于双闭环PID控制的一阶倒立摆控制系统设计”等方面的“系统仿真实验”，重点在于培养学生的综合应用能力； 如有条件，还可进一步安排书中有关内容的“验证性仿真实验”。
作为以提高学生能力为主要目的的专业类课程，“系统建模与仿真”一般为考查课。因此，笔者建议： 本门课程的考核以“写作报告”形式为主(如“实验报告”或“课程报告”)，重点考核学生解决实际问题的能力、归纳总结能力以及科技论文的撰写能力。

在本书的成稿与面世过程中，我们得到《全国高等学校自动化专业系列教材》编审委员会、清华大学出版社以及哈尔滨工业大学教学发展基金的支持； 东北大学薛定宇教授提出的中肯意见为本书添色许多； 还有许多同仁给予了无私的帮助。在此，一并致以衷心的谢意。在本书的成稿与面世过程中，我们得到了以下支持与帮助：
哈尔滨工业大学教学发展基金；
哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院；
哈尔滨工业大学航天学院控制科学与工程系；
西安理工大学自动化与信息工程学院；
东北大学薛定宇教授、任兴权教授；
清华大学出版社；
哈尔滨工业大学冉树成教授、陈兴林教授、胡广大教授、马广富教授、
陈宏钧副教授、宋申民副教授；
哈尔滨工业大学研究生金玉岭、熊永波、李军远、蔡增威、高丙团、姜春瑞、
赵旖旎、郭源博、齐海铭、贾智勇、郑剑飞。
在此，一并向他们致以衷心的谢意。

由于编者水平有限，错误与不当之处在所难免，殷切期望广大读者批评指正。
信函请至： 哈尔滨工业大学354信箱张晓华收邮编150001。
Email:xh_zhang@hit.edu.cn

编者
2006年9月

目录
基础篇
第1章概述
1.1系统的实验研究方法
1.2仿真实验的分类
1.3相似性原理
1.4系统、模型与数字仿真
1.5仿真技术的应用
1.5.1控制系统CAD
1.5.2虚拟现实
1.5.3工程应用
1.5.4几种常用的数字仿真工具软件
1.6仿真技术的发展与展望
本章小结
习题
参考文献
第2章系统建模
2.1控制系统的数学模型
2.2系统建模概述
2.3系统建模方法
2.4模型验证
2.5系统建模实例
2.5.1独轮自行车实物仿真问题
2.5.2龙门吊车运动控制问题
2.5.3水箱液位控制问题
2.5.4燃煤热水锅炉控制问题
2.6问题与探究——水轮发电机系统的线性化模型
本章小结
习题
参考文献
第3章系统仿真
3.1常微分方程的数值求解
3.2面向系统结构图的仿真
3.3环节的离散化与非线性系统仿真
3.4数字控制系统的仿真
3.5问题与探究——投针实验
本章小结
习题
参考文献
系统建模与仿真目录应用篇
第4章系统建模、仿真与控制实例
4.1直流电动机转速/电流双闭环控制系统设计
4.2基于双闭环PID控制的一阶倒立摆控制系统设计
4.3龙门吊车重物防摆的鲁棒PID控制方案
4.4龙门吊车重物防摆的滑模变结构控制方案
4.5一阶直线双倒立摆系统的可控性研究
4.6自平衡式两轮电动车运动控制技术研究
4.7问题与探究——灵长类仿生机器人运动控制
本章小结
习题
参考文献
第5章虚拟样机技术与应用
5.1概述
5.2虚拟样机技术的形成、发展与应用
5.3一阶直线倒立摆的虚拟样机
5.4问题与探究——球棒系统的虚拟样机研究
本章小结
参考文献
第6章实物仿真技术与应用
6.1概述
6.2龙门吊车实物仿真系统
6.3实物仿真实验系统的电气控制平台
6.4实物仿真实验研究
6.5问题与探究——独轮自行车实物仿真
本章小结
参考文献