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E-Book

MATLAB - Simulink - Stateflow

Grundlagen, Toolboxen, Beispiele

AutorAnne Angermann, Martin Rau, Michael Beuschel, Ulrich Wohlfarth
VerlagDe Gruyter Oldenbourg
Erscheinungsjahr2012
Seitenanzahl532 Seiten
ISBN9783486719932
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis44,95 EUR
Die siebte Auflage dieses erfolgreichen Lehrbuchs der vier ausgezeichneten Autoren stellt eine kompakte Einführung in MATLAB und die grafischen Erweiterungen Simulink und Stateflow dar. Hierauf aufbauend werden auch die wichtigsten Erweiterungspakete (Control System Toolbox, Signal Processing Toolbox und Optimization Toolbox) behandelt. Die Software wird anhand prägnanter Beispiele aus Mathematik, Physik, Elektrotechnik und Mechatronik erläutert; zahlreiche Übungsaufgaben, die auch auf der beigelegten CD-ROM zu finden sind, ermöglichen die Vertiefung des Inhalts.

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Inhaltsverzeichnis
1 Einführung15
2 MATLAB Grundlagen19
2.1 Erste Schritte mit Matlab19
2.1.1 Der Matlab-Desktop19
2.1.2 Die Matlab-Hilfe21
2.1.3 Zuweisungen22
2.1.4 Mathematische Funktionen und Operatoren23
2.2 Variablen23
2.2.1 Datentypen in Matlab23
2.2.2 Vektoren und Matrizen24
2.2.3 Mathematische Funktionen und Operatoren für Vektoren und Matrizen26
2.2.4 Strukturen28
2.2.5 Cell Arrays29
2.2.6 Verwalten von Variablen30
2.3 Ablaufsteuerung31
2.3.1 Vergleichsoperatoren und logische Operatoren31
2.3.2 Verzweigungsbefehle if und switch33
2.3.3 Schleifenbefehle for und while34
2.3.4 Abbruchbefehle continue, break und return34
2.4 Der Matlab-Editor35
2.5 Matlab-Funktionen38
2.5.1 Funktionen mit variabler Parameterzahl39
2.5.2 Lokale, globale und statische Variablen40
2.5.3 Hilfetext in Funktionen41
2.5.4 Function Handles42
2.5.5 Funktionen als Inline Object42
2.5.6 P-Code und clear functions43
2.6 Code-Optimierung in Matlab43
2.6.1 Der Matlab-Profiler43
2.6.2 Optimierung von Rechenzeit und Speicherbedarf44
2.6.3 Tipps zur Fehlersuche45
2.7 übungsaufgaben47
2.7.1 Rechengenauigkeit47
2.7.2 Fibonacci-Folge47
2.7.3 Funktion gerade47
2.7.4 Berechnungszeiten ermitteln48
3 Eingabe und Ausgabe in MATLAB49
3.1 Steuerung der Bildschirmausgabe49
3.2 Benutzerdialoge50
3.2.1 Text in Matlab (Strings)50
3.2.2 Eingabedialog51
3.2.3 Formatierte Ausgabe51
3.3 Import und Export von Daten52
3.3.1 Standardformate52
3.3.2 Formatierte Textdateien53
3.3.3 Binärdateien55
3.4 Betriebssystemaufruf und Dateiverwaltung56
3.5 Grafische Darstellung57
3.5.1 Die Figure – Grundlage einer Matlab-Grafik57
3.5.2 Achsen und Beschriftung59
3.5.3 Plot-Befehle für zweidimensionale Grafiken (2D-Grafik)60
3.5.4 Plot-Befehle für dreidimensionale Grafiken (3D-Grafik)64
3.5.5 Perspektive65
3.5.6 Importieren, Exportieren und Drucken von Grafiken67
3.6 Grafische Benutzeroberfläche (GUI)68
3.6.1 GUI-Layout69
3.6.2 GUI-Funktionalität72
3.6.3 GUI ausführen und exportieren74
3.6.4 Aufbau des Application-M-File75
3.7 Tipps rund um die Matlab-Figure77
3.8 Übungsaufgaben80
3.8.1 Harmonisches Mittel80
3.8.2 Einschwingvorgang80
3.8.3 Gauß-Glocke80
3.8.4 Spirale und Doppelhelix81
3.8.5 Funktion geradevek82
4 Differentialgleichungen in MATLAB83
4.1 Anfangswertprobleme (ODEs, DAEs und DDEs)83
4.1.1 Gewöhnliche Differentialgleichungen (ODEs)83
4.1.2 Differential-algebraische Gleichungen (DAEs)96
4.1.3 Differentialgleichungen mit Totzeiten (DDEs)99
4.1.4 Implizite Differentialgleichungen102
4.2 Randwertprobleme für gewöhnliche Differentialgleichungen104
4.3 Partielle Differentialgleichungen (PDEs)110
4.4 Übungsaufgaben114
4.4.1 Feder-Masse-Schwinger114
4.4.2 Elektrischer Schwingkreis114
4.4.3 Springender Ball115
4.4.4 Kettenlinie115
5 Regelungstechnische Funktionen – Control System Toolbox117
5.1 Modellierung linearer zeitinvarianter Systeme als LTI-Modelle117
5.1.1 Übertragungsfunktion – Transfer Function TF118
5.1.2 Nullstellen-Polstellen-Darstellung – Zero-Pole-Gain ZPK120
5.1.3 Zustandsdarstellung – State-Space SS123
5.1.4 Frequenzgang-Daten-Modelle – Frequency Response Data FRD124
5.1.5 Zeitdiskrete Darstellung von LTI-Modellen126
5.1.6 Zeitverzögerungen in LTI-Modellen128
5.2 Arbeiten mit LTI-Modellen131
5.2.1 Eigenschaften von LTI-Modellen131
5.2.2 Schnelle Datenabfrage134
5.2.3 Rangfolge der LTI-Modelle135
5.2.4 Vererbung von LTI-Modell-Eigenschaften136
5.2.5 Umwandlung in einen anderen LTI-Modell-Typ136
5.2.6 Arithmetische Operationen137
5.2.7 Auswählen, verändern und verknüpfen von LTI-Modellen139
5.2.8 Spezielle LTI-Modelle142
5.2.9 Umwandlung zwischen zeitkontinuierlichen und zeitdiskreten Systemen143
5.3 Analyse von LTI-Modellen147
5.3.1 Allgemeine Eigenschaften147
5.3.2 Modell-Dynamik149
5.3.3 Systemantwort im Zeitbereich157
5.3.4 Systemantwort im Frequenzbereich161
5.3.5 Interaktive Modellanalyse mit dem LTI-Viewer170
5.3.6 Ordnungsreduzierte Darstellung173
5.3.7 Zustandsbeschreibungsformen176
5.4 Reglerentwurf181
5.4.1 Reglerentwurf mittels Wurzelortskurve181
5.4.2 Reglerentwurf mit dem Control and Estimation Tools Manager und dem SISO Design Tool185
5.4.3 Zustandsregelung und Zustandsbeobachtung187
5.4.4 Reglerentwurf mittels Polplatzierung189
5.4.5 Linear-quadratisch optimale Regelung193
5.5 Probleme der numerischen Darstellung200
5.5.1 Fehlerbegriff200
5.5.2 Kondition eines Problems201
5.5.3 Numerische Instabilität202
5.5.4 Bewertung der LTI-Modell-Typen nach numerischen Gesichtspunkten203
5.6 übungsaufgaben203
5.6.1 Erstellen von LTI-Modellen203
5.6.2 Verzögerte Übertragungsglieder205
5.6.3 Verzögerte Übertragungsglieder zeitdiskretisiert206
5.6.4 Typumwandlung207
5.6.5 Stabilitätsanalyse207
5.6.6 Regelung der stabilen PT2-Übertragungsfunktion209
5.6.7 Regelung der instabilen PT2-Übertragungsfunktion210
5.6.8 Kondition und numerische Instabilität213
6 Signalverarbeitung – Signal Processing Toolbox215
6.1 Aufbereitung der Daten im Zeitbereich215
6.1.1 Interpolation und Approximation215
6.1.2 Änderung der Abtastrate218
6.1.3 Weitere Werkzeuge219
6.2 Spektralanalyse221
6.2.1 Diskrete Fouriertransformation (DFT)221
6.2.2 Averaging223
6.2.3 Fensterung223
6.2.4 Leistungsspektren226
6.3 Korrelation228
6.4 Analoge und Digitale Filter233
6.4.1 Analoge Filter233
6.4.2 Digitale FIR-Filter235
6.4.3 Digitale IIR-Filter237
6.4.4 Filterentwurf mit Prototyp-Tiefpässen240
6.5 Übungsaufgaben243
6.5.1 Signaltransformation im Frequenzbereich243
6.5.2 Signalanalyse und digitale Filterung243
6.5.3 Analoger Bandpass244
6.5.4 Digitaler IIR-Bandpass244
7 Optimierung – Optimization Toolbox245
7.1 Inline Objects246
7.2 Algorithmensteuerung247
7.3 Nullstellenbestimmung250
7.3.1 Skalare Funktionen250
7.3.2 Vektorwertige Funktionen / Gleichungssysteme254
7.4 Minimierung nichtlinearer Funktionen259
7.5 Minimierung unter Nebenbedingungen265
7.5.1 Nichtlineare Minimierung unter Nebenbedingungen265
7.5.2 Quadratische Programmierung271
7.5.3 Lineare Programmierung274
7.6 Methode der kleinsten Quadrate (Least Squares)278
7.7 Optimierung eines Simulink-Modells285
7.8 Übungsaufgaben288
7.8.1 Nullstellenbestimmung288
7.8.2 Lösen von Gleichungssystemen288
7.8.3 Minimierung ohne Nebenbedingungen288
7.8.4 Minimierung unter Nebenbedingungen288
7.8.5 Ausgleichspolynom289
7.8.6 Curve Fitting289
7.8.7 Lineare Programmierung289
8 Simulink Grundlagen291
8.1 Starten von Simulink291
8.2 Erstellen und Editieren eines Signalflussplans295
8.3 Simulations- und Parametersteuerung297
8.4 Signale und Datenobjekte298
8.4.1 Arbeiten mit Signalen298
8.4.2 Arbeiten mit Datenobjekten300
8.4.3 Der Model Explorer302
8.5 Signalerzeugung und -ausgabe303
8.5.1 Bibliothek: Sources – Signalerzeugung303
8.5.2 Bibliothek: Sinks, Signal Logging und der Simulation Data Inspector309
8.5.3 Der Signal & Scope Manager318
8.6 Mathematische Verknüpfungen und Operatoren319
8.6.1 Bibliothek: Math Operations319
8.6.2 Bibliothek: Logic and Bit Operations322
8.7 Simulationsparameter323
8.7.1 Die Configuration Parameters Dialogbox323
8.7.2 Fehlerbehandlung und Simulink Debugger338
8.8 Verwaltung und Organisation eines Simulink-Modells340
8.8.1 Arbeiten mit Callback Funktionen340
8.8.2 Der Model Browser343
8.8.3 Bibliotheken: Signal Routing und Signal Attributes – Signalführung und -eigenschaften344
8.8.4 Drucken und Exportieren eines Simulink-Modells348
8.9 Subsysteme und Model Referencing349
8.9.1 Erstellen von Subsystemen / Bibliothek: Ports & Subsystems349
8.9.2 Maskierung von Subsystemen354
8.9.3 Erstellen einer eigenen Blockbibliothek357
8.9.4 Model Referencing359
8.10 übungsaufgaben362
8.10.1 Nichtlineare Differentialgleichungen362
8.10.2 Gravitationspendel363
9 Lineare und nichtlineare Systeme in Simulink367
9.1 Bibliothek: Continuous – Zeitkontinuierliche Systeme367
9.2 Analyse von Simulationsergebnissen373
9.2.1 Linearisierung mit der linmod-Befehlsfamilie373
9.2.2 Bestimmung eines Gleichgewichtspunkts378
9.2.3 Linearisierung mit dem Simulink Control Design379
9.3 Bibliothek: Discontinuities – Nichtlineare Systeme382
9.4 Bibliothek: Lookup Tables – Nachschlagetabellen386
9.5 Bibliothek: User-Defined Functions – Benutzer-definierbare Funktionen388
9.5.1 Bibliotheken: Model Verification und Model-Wide Utilities – Prüfblöcke und Modell-Eigenschaften392
9.6 Algebraische Schleifen393
9.7 S-Funktionen394
9.8 übungsaufgaben402
9.8.1 Modellierung einer Gleichstrom-Nebenschluss-Maschine (GNM)402
9.8.2 Modellierung einer Pulsweitenmodulation (PWM)402
9.8.3 Aufnahme von Bode-Diagrammen404
10 Abtastsysteme in Simulink407
10.1 Allgemeines407
10.2 Bibliothek: Discrete – Zeitdiskrete Systeme408
10.3 Simulationsparameter411
10.3.1 Rein zeitdiskrete Systeme412
10.3.2 Hybride Systeme (gemischt zeitdiskret und zeitkontinuierlich)413
10.4 Der Model Discretizer416
10.5 Übungsaufgaben419
10.5.1 Zeitdiskreter Stromregler für GNM419
10.5.2 Zeitdiskreter Anti-Windup-Drehzahlregler für GNM419
11 Regelkreise in Simulink423
11.1 Die Gleichstrom-Nebenschluss-Maschine GNM423
11.1.1 Initialisierung der Maschinendaten424
11.1.2 Simulink-Modell425
11.2 Untersuchung der Systemeigenschaften427
11.2.1 Untersuchung mit Simulink427
11.2.2 Untersuchung des linearisierten Modells mit Matlab und der Control System Toolbox428
11.2.3 Interaktive Untersuchung eines Modells mit Simulink Control Design430
11.3 Kaskadenregelung433
11.3.1 Stromregelung433
11.3.2 Drehzahlregelung435
11.4 Zustandsbeobachter438
11.4.1 Luenberger-Beobachter440
11.4.2 Störgrößen-Beobachter441
11.5 Zustandsregelung mit Zustandsbeobachter443
11.6 Initialisierungsdateien447
11.6.1 Gleichstrom-Nebenschluss-Maschine447
11.6.2 Stromregelung447
11.6.3 Drehzahlregelung448
11.6.4 Grundeinstellung Zustandsbeobachter448
11.6.5 Zustandsbeobachtung mit Luenberger-Beobachter449
11.6.6 Zustandsbeobachtung mit Störgrößen-Beobachter449
11.6.7 Zustandsregelung mit Zustandsbeobachter450
11.6.8 Zustandsregelung mit Luenberger-Beobachter450
11.6.9 Zustandsregelung mit Störgrößen-Beobachter451
11.7 Übungsaufgaben452
11.7.1 Zustandsdarstellung GNM452
11.7.2 Systemanalyse452
11.7.3 Entwurf eines Kalman-Filters453
11.7.4 Entwurf eines LQ-optimierten Zustandsreglers453
12 Stateflow455
12.1 Elemente von Stateflow456
12.1.1 Grafische Elemente eines Charts458
12.1.2 Chart-Eigenschaften und Trigger-Methoden468
12.1.3 Nichtgrafische Elemente eines Charts470
12.2 Strukturierung und Hierarchiebildung475
12.2.1 Superstates475
12.2.2 Subcharts480
12.2.3 Grafische Funktionen482
12.2.4 Truth Tables484
12.2.5 Matlab Functions in Stateflow Charts487
12.2.6 Simulink Functions in Stateflow489
12.3 Action Language490
12.3.1 Numerische Operatoren490
12.3.2 Logische Operatoren490
12.3.3 Unäre Operatoren und Zuweisungsaktionen490
12.3.4 Detektion von Wertänderungen491
12.3.5 Datentyp-Umwandlungen492
12.3.6 Aufruf von Matlab-Funktionen und Zugriff auf den Workspace493
12.3.7 Variablen und Events in Action Language495
12.3.8 Temporallogik-Operatoren497
12.4 Anwendungsbeispiel: Getränkeautomat498
12.5 Anwendungsbeispiel: Steuerung eines Heizgebläses500
12.6 Anwendungsbeispiel: Springender Ball503
12.7 Übungsaufgaben505
12.7.1 Mikrowellenherd505
12.7.2 Zweipunkt-Regelung506
Symbolverzeichnis507
Literaturverzeichnis511
Index515

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