Simulink培训课程体系（选修）

本课程体系结合企业实际人才需求与Simulink技术发展路线，按照技术专题分类，涵盖从基础建模到高级应用、从动态系统仿真到代码生成、从控制系统设计到信号处理的完整知识体系，共分为六个技术专题。每个专题均结合MathWorks官方工具链与工程实践。

课程目录

专题一：Simulink基础建模与仿真

专题二：动态系统建模与求解器技术

专题三：子系统、封装与模型复用

专题四：基于模型设计与代码生成

专题五：信号处理与通信系统仿真

专题六：控制系统设计与仿真

课程体系概述

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一款基于模型设计（MBD）的图形化仿真软件包，广泛应用于动态系统模拟、控制系统设计、信号处理、通信系统仿真以及嵌入式系统开发等领域。Simulink提供交互式图形化环境和可自定义模块库，支持连续时间、离散时间以及混合系统的建模与仿真。基于模型设计（MBD）的理念使得开发团队能够在统一的模型环境中进行需求分析、设计、实现和测试，特别适用于航空航天、汽车、工业自动化等安全关键领域的复杂系统开发。

本课程体系参考了MathWorks官方培训课程、国家高等教育智慧教育平台精品课程以及专业培训机构的课程设置，按照从基础到高级、从通用到专业的进阶路径设计，确保课程内容的系统性、先进性和实用性。

 

专题一：Simulink基础建模与仿真

培训目标

• 熟悉Simulink图形化编程环境和基本操作

• 掌握模块库的使用和模型建立方法

• 能够进行简单系统的仿真与结果分析

• 理解Simulink与MATLAB工作空间的交互

• 具备独立创建和运行基础Simulink模型的能力

培训内容介绍

1. Simulink概述与环境介绍：Simulink的启动与退出，用户界面组成（模型编辑器、模块库浏览器、仿真面板），基于模型设计的概念，Simulink在系统设计中的作用

2. 模块库概览与基本操作：常用模块库（Sources、Sinks、Continuous、Discrete、Math Operations），模块的添加、选择、复制、移动、删除，模块参数设置，模块外观调整（颜色、方向、名称）

3. 信号与连接操作：信号线的绘制与连接，信号分支与合并，信号标签的添加与传递，总线信号的创建与应用，信号线与数据类型

4. 模型的建立与编辑：从空模型开始构建系统，模块参数的配置，工作区变量的使用，模型注释与文档化，模型的保存与版本管理

5. 仿真参数设置与运行：仿真时间设置，求解器类型选择，步长参数配置，仿真启动与停止，仿真进度监控

6. 信号可视化与分析：Scope模块的使用与配置，多信号显示与对比，游标测量与数据分析，信号导出到MATLAB工作区

7. MATLAB与Simulink交互：从MATLAB工作区传递变量，使用MATLAB Function模块嵌入代码，仿真结果返回工作区，MATLAB脚本控制仿真运行

8. 基础数学运算建模：加减乘除运算模块，增益与矩阵运算，数学函数模块（三角函数、指数、对数），逻辑与关系运算

9. 简单物理系统建模实例：弹簧-质量-阻尼系统建模，RC电路仿真，运动学系统建模，仿真结果分析与验证

10. 调试工具与技术：仿真诊断查看器，模块执行顺序显示，信号显示与监视，断点设置与单步仿真，常见错误排查

 

专题二：动态系统建模与求解器技术

培训目标

• 掌握连续系统、离散系统和混合系统的建模方法

• 理解不同求解器的工作原理与适用场景

• 能够根据系统特性选择合适的求解器参数

• 具备复杂动态系统建模与仿真能力

培训内容介绍

1. 动态系统基础：动态系统的数学描述（微分方程、差分方程、传递函数、状态空间），连续时间系统与离散时间系统的区别，Simulink中的系统表示方法

2. 连续系统建模：连续积分模块的使用，微分方程的Simulink实现，连续传递函数模块，连续状态空间模块，连续系统仿真实例

3. 离散系统建模：采样时间概念，单位延迟模块，离散传递函数模块，离散状态空间模块，离散滤波器实现，多速率离散系统

4. 混合系统建模：连续与离散混合系统的构建，采样保持器的应用，连续信号与离散信号的接口，混叠效应与抗混叠滤波

5. 求解器基础：定步长求解器与变步长求解器，显式求解器与隐式求解器，求解器的数值稳定性，仿真精度与速度的权衡

6. 常用定步长求解器：ode1（欧拉法）、ode2（改进欧拉法）、ode3（龙格-库塔法）、ode4（四阶龙格-库塔法），适用场景与选择原则

7. 常用变步长求解器：ode45（Dormand-Prince）、ode23、ode113，刚性问题求解器（ode15s、ode23t），求解器容差设置

8. 多速率系统求解：多速率系统的特点，采样时间转换模块，速率转换策略，多速率系统的仿真效率优化

9. 零点交叉检测：零点交叉的概念与作用，零点交叉使能设置，模块与零点交叉的关系，不连续系统的仿真

10. 代数环问题：代数环的产生原因，代数环的诊断与处理，人工打断代数环的方法，代数环对仿真的影响

 

专题三：子系统、封装与模型复用

培训目标

• 掌握子系统的创建与组织方法

• 理解虚拟子系统与原子子系统的区别

• 能够进行模块封装与参数自定义

• 具备创建可复用模型组件和库的能力

培训内容介绍

1. 子系统概述：子系统的作用与意义，子系统的创建方法（通过模块合并、子系统模块），子系统的编辑与导航

2. 虚拟子系统与原子子系统：虚拟子系统的特点与执行逻辑，原子子系统的执行单元概念，子系统的执行顺序控制，子系统与非虚拟子系统的转换

3. 条件执行子系统：使能子系统的创建与应用，触发子系统的触发模式（上升沿、下降沿、双边沿），触发子系统的应用场景，函数调用子系统

4. 子系统端口与信号连接：输入/输出端口的添加与命名，总线信号与子系统接口，信号维度与数据类型传播，端口数据字典

5. 封装技术基础：封装（Mask）的概念与作用，Mask编辑器的使用，封装参数类型（编辑框、复选框、弹出式菜单），图标编辑与绘图命令

6. 高级封装技术：封装初始化回调函数，封装参数验证，封装文档与帮助，动态封装与参数联动

7. 自定义模块库创建：库文件的创建，将封装模块添加到库，库链接的管理与维护，库链接的分辨机制

8. 模型引用：模型引用的概念与适用场景，模型引用与子系统的对比，模型引用参数设置，引用模型的仿真模式

9. 变型系统建模：变型子系统的概念，变型控制模块的使用，配置项管理与选择，设计变体与代码变体

10. 模型组件化管理：模型工作区与基础工作区，数据字典的使用，模块与信号的命名规范，大型模型的层次化组织策略

 

专题四：基于模型设计与代码生成

培训目标

• 理解基于模型设计（MBD）的开发流程

• 掌握Stateflow进行逻辑状态机建模

• 了解自动代码生成的基本流程

• 熟悉MBD在安全关键领域的应用与认证要求

培训内容介绍

1. 基于模型设计（MBD）概述：MBD的核心理念与优势，传统开发流程与MBD对比，MBD在系统开发中的应用阶段，MBD工具链介绍

2. Stateflow基础：Stateflow的启动与界面，状态图的创建，状态转移与连接，状态动作类型（entry、during、exit）

3. Stateflow高级应用：层次化状态图，并行状态，历史节点，状态活动数据与事件，时间逻辑与超时控制

4. 控制逻辑建模：有限状态机的Simulink实现，流程图与状态转移表，条件判断与分支控制，模式切换逻辑建模

5. 模型验证与测试：模型仿真测试，测试用例生成，模型覆盖度分析，设计错误检测与诊断

6. 代码生成概述：自动代码生成的概念与优势，Simulink Coder与Embedded Coder介绍，代码生成配置选项，代码格式与优化

7. 代码生成流程：模型准备与配置，代码生成设置，生成代码的结构，代码与模型的对应关系

8. 代码优化与定制：代码效率优化，内存使用优化，代码可读性配置，自定义代码集成

9. MBD在安全关键领域的应用：DO-178C航空软件认证，ISO 26262汽车功能安全，IEC 61508工业安全标准，模型与代码的认证证据

10. 模型安全与防护：模型知识产权保护，模型防篡改技术，工具链安全，模型开发过程中的网络安全考虑

 

专题五：信号处理与通信系统仿真

培训目标

• 掌握Simulink中数字信号处理系统的建模方法

• 理解单通道与多通道信号处理技术

• 能够进行滤波器设计与集成

• 具备频谱分析与通信系统仿真能力

培训内容介绍

1. 信号处理基础：离散信号与连续信号的表示，采样与量化，采样定理与混叠现象，Simulink中的信号处理模块库

2. 单通道与多通道信号处理：单通道系统的建模，多通道信号的创建与处理，帧信号与样本信号的区别，缓冲区与延迟管理

3. 基于样本与基于帧的处理：基于样本处理的实现，基于帧处理的优势，帧信号的重叠与拼接，处理延迟的分析

4. 数字滤波器设计：Simulink中的滤波器设计工具，FIR滤波器的实现，IIR滤波器的实现，滤波器性能分析与验证

5. 滤波器集成应用：滤波器模块的参数配置，定点滤波器建模，滤波器的多速率应用，自适应滤波器简介

6. 频谱分析工具：Spectrum Analyzer模块的使用，频谱分析参数设置（分辨率带宽、窗口类型），功率谱密度估计，频谱分析在信号处理中的应用

7. 多速率信号处理：多速率系统的概念，上采样与下采样模块，采样率转换的实现，多速率滤波器设计

8. 混合信号系统建模：混合信号模型的概念，模数转换器（ADC）建模，数模转换器（DAC）建模，量化误差与信噪比分析

9. 通信系统仿真基础：调制与解调模块（AM、FM、PM），数字调制技术（ASK、FSK、PSK、QAM），信道模型（AWGN、多径衰落），误码率分析

10. 集成外部代码与优化：MATLAB Function模块集成算法，C语言代码集成，模型自动化测试，仿真性能优化

 

专题六：控制系统设计与仿真

培训目标

• 掌握控制系统的Simulink建模方法

• 能够进行控制系统的时域与频域分析

• 熟悉PID控制器设计与参数整定

• 具备控制系统仿真与优化的能力

培训内容介绍

1. 控制系统数学模型：传递函数模块的使用，状态空间模块的使用，零极点增益模块，模型之间的相互转换，系统连接与化简

2. 时域响应分析：阶跃响应的仿真与性能指标（上升时间、超调量、调节时间），脉冲响应分析，任意输入下的响应仿真

3. 频域响应分析：线性化工具的使用，波特图的绘制与分析，奈奎斯特曲线绘制，频域性能指标计算

4. 稳定性分析：极点位置与系统稳定性，根轨迹的绘制与分析，稳定裕度的计算，奈奎斯特判据的应用

5. PID控制器设计与整定：PID控制器模块的使用，PID参数整定方法（Ziegler-Nichols、试凑法），PID自动整定工具，PID控制器性能评估

6. 状态空间分析与设计：能控性与能观性分析，极点配置控制器设计，状态观测器设计，LQR最优控制器设计

7. 非线性控制系统：非线性环节建模（饱和、死区、间隙、继电器），非线性系统的仿真，描述函数法简介，非线性系统稳定性分析

8. 控制器实现与测试：连续域控制器与离散域控制器的转换，控制器实现中的数值问题，硬件在环仿真基础，控制系统验证与确认

9. 多闭环控制系统：串级控制系统的建模，前馈补偿控制，解耦控制系统设计，多变量控制系统分析

10. 综合控制应用实例：伺服电机控制系统设计，倒立摆控制系统仿真，过程控制（PID温度控制），飞行器姿态控制系统仿真

 

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