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E-Book

MATLAB - Simulink - Stateflow

Grundlagen, Toolboxen, Beispiele

AutorAnne Angermann, Martin Rau, Michael Beuschel, Ulrich Wohlfarth
VerlagDe Gruyter Oldenbourg
Erscheinungsjahr2014
Seitenanzahl545 Seiten
ISBN9783486859102
FormatePUB/PDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis44,95 EUR

The 8th edition of the successful textbook provides a compact introduction to MATLAB and its graphic extensions Simulink and Stateflow. The book also examines the most important expansion packages. Explanations are illustrated with incisive examples drawn from mathematics, physics, electrical engineering, and mechanical engineering. The reader can download numerous problem exercises to further enhance the content.



Anne Angermann, Michael Beuschel, Martin Rau, Ulrich Wohlfahrt

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Blick ins Buch
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 Matlab24
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 Mehrdimensionale Arrays30
2.2.7 Verwalten von Variablen31
2.3 Ablaufsteuerung33
2.3.1 Vergleichsoperatoren und logische Operatoren33
2.3.2 Verzweigungsbefehle if und switch35
2.3.3 Schleifenbefehle for und while35
2.3.4 Abbruchbefehle continue, break und return36
2.4 Der Matlab-Editor37
2.5 Matlab-Funktionen40
2.5.1 Funktionen mit variabler Parameterzahl41
2.5.2 Lokale, globale und statische Variablen42
2.5.3 Hilfetext in Funktionen43
2.5.4 Function Handles44
2.5.5 Anonymous Functions44
2.5.6 P-Code und clear functions45
2.6 Code-Optimierung in Matlab45
2.6.1 Der Matlab-Profiler45
2.6.2 Optimierung von Rechenzeit und Speicherbedarf46
2.6.3 Tipps zur Fehlersuche und Fehlervermeidung47
2.7 Übungsaufgaben49
2.7.1 Rechengenauigkeit49
2.7.2 Fibonacci-Folge49
2.7.3 Funktion gerade49
2.7.4 Berechnungszeiten ermitteln50
3 Eingabe und Ausgabe in MATLAB51
3.1 Steuerung der Bildschirmausgabe51
3.2 Benutzerdialoge52
3.2.1 Text in Matlab (Strings)52
3.2.2 Eingabedialog53
3.2.3 Formatierte Ausgabe53
3.3 Import und Export von Daten54
3.3.1 Standardformate54
3.3.2 Formatierte Textdateien55
3.3.3 Binärdateien57
3.4 Betriebssystemaufruf und Dateiverwaltung58
3.5 Grafische Darstellung59
3.5.1 Die Figure – Grundlage einer Matlab-Grafik59
3.5.2 Achsen und Beschriftung61
3.5.3 Plot-Befehle für zweidimensionale Grafiken (2D-Grafik)62
3.5.4 Plot-Befehle für dreidimensionale Grafiken (3D-Grafik)66
3.5.5 Perspektive67
3.5.6 Importieren, Exportieren und Drucken von Grafiken69
3.6 Grafische Benutzeroberfläche (GUI)70
3.6.1 GUI-Layout71
3.6.2 GUI-Funktionalität74
3.6.3 GUI ausführen und exportieren76
3.6.4 Aufbau des Application-M-File76
3.7 Tipps rund um die Matlab-Figure79
3.8 Übungsaufgaben82
3.8.1 Harmonisches Mittel82
3.8.2 Einschwingvorgang82
3.8.3 Gauß-Glocke82
3.8.4 Spirale und Doppelhelix83
3.8.5 Funktion geradevek84
4 Differentialgleichungen in MATLAB85
4.1 Anfangswertprobleme (ODEs, DAEs und DDEs)85
4.1.1 Gewöhnliche Differentialgleichungen (ODEs)85
4.1.2 Differential-algebraische Gleichungen (DAEs)98
4.1.3 Differentialgleichungen mit Totzeiten (DDEs)101
4.1.4 Implizite Differentialgleichungen104
4.2 Randwertprobleme für gewöhnliche Differentialgleichungen106
4.3 Partielle Differentialgleichungen (PDEs)112
4.4 Übungsaufgaben115
4.4.1 Feder-Masse-Schwinger115
4.4.2 Elektrischer Schwingkreis115
4.4.3 Springender Ball116
4.4.4 Kettenlinie117
5 Regelungstechnische Funktionen – Control System Toolbox119
5.1 Modellierung linearer zeitinvarianter Systeme als LTI-Modelle119
5.1.1 Übertragungsfunktion – Transfer Function TF120
5.1.2 Nullstellen-Polstellen-Darstellung – Zero-Pole-Gain ZPK122
5.1.3 Zustandsdarstellung – State-Space SS125
5.1.4 Frequenzgang-Daten-Modelle – Frequency Response Data FRD126
5.1.5 Zeitdiskrete Darstellung von LTI-Modellen128
5.1.6 Zeitverz¨ogerungen in LTI-Modellen130
5.2 Arbeiten mit LTI-Modellen133
5.2.1 Eigenschaften von LTI-Modellen133
5.2.2 Schnelle Datenabfrage136
5.2.3 Rangfolge der LTI-Modelle137
5.2.4 Vererbung von LTI-Modell-Eigenschaften138
5.2.5 Umwandlung in einen anderen LTI-Modell-Typ138
5.2.6 Arithmetische Operationen139
5.2.7 Auswählen, verändern und verknüpfen von LTI-Modellen141
5.2.8 Spezielle LTI-Modelle144
5.2.9 Umwandlung zwischen zeitkontinuierlichen und zeitdiskreten Systemen145
5.3 Analyse von LTI-Modellen149
5.3.1 Allgemeine Eigenschaften149
5.3.2 Modell-Dynamik151
5.3.3 Systemantwort im Zeitbereich159
5.3.4 Systemantwort im Frequenzbereich163
5.3.5 Interaktive Modellanalyse mit dem LTI-Viewer172
5.3.6 Ordnungsreduzierte Darstellung175
5.3.7 Zustandsbeschreibungsformen178
5.4 Reglerentwurf183
5.4.1 Reglerentwurf mittels Wurzelortskurve183
5.4.2 Reglerentwurf mit dem Control and Estimation Tools Manager und dem SISO Design Tool187
5.4.3 Zustandsregelung und Zustandsbeobachtung189
5.4.4 Reglerentwurf mittels Polplatzierung191
5.4.5 Linear-quadratisch optimale Regelung195
5.5 Probleme der numerischen Darstellung202
5.5.1 Fehlerbegriff202
5.5.2 Kondition eines Problems203
5.5.3 Numerische Instabilität204
5.5.4 Bewertung der LTI-Modell-Typen nach numerischen Gesichtspunkten205
5.6 Übungsaufgaben205
5.6.1 Erstellen von LTI-Modellen205
5.6.2 Verzögerte Übertragungsglieder207
5.6.3 Verzögerte Übertragungsglieder zeitdiskretisiert208
5.6.4 Typumwandlung209
5.6.5 Stabilitätsanalyse209
5.6.6 Regelung der stabilen PT2-Übertragungsfunktion211
5.6.7 Regelung der instabilen PT2-Übertragungsfunktion212
5.6.8 Kondition und numerische Instabilität215
6 Signalverarbeitung – Signal Processing Toolbox217
6.1 Aufbereitung der Daten im Zeitbereich217
6.1.1 Interpolation und Approximation217
6.1.2 Änderung der Abtastrate220
6.1.3 Weitere Werkzeuge222
6.2 Spektralanalyse223
6.2.1 Diskrete Fouriertransformation (DFT)223
6.2.2 Averaging225
6.2.3 Fensterung225
6.2.4 Leistungsspektren228
6.3 Korrelation230
6.4 Analoge und Digitale Filter235
6.4.1 Analoge Filter235
6.4.2 Digitale FIR-Filter237
6.4.3 Digitale IIR-Filter239
6.4.4 Filterentwurf mit Prototyp-Tiefpässen242
6.5 Übungsaufgaben245
6.5.1 Interpolation245
6.5.2 Spektralanalyse245
6.5.3 Signaltransformation im Frequenzbereich246
6.5.4 Lecksuche mittels Korrelation246
6.5.5 Signalanalyse und digitale Filterung247
6.5.6 Analoger Bandpass247
6.5.7 Digitaler IIR-Bandpass247
7 Optimierung – Optimization Toolbox249
7.1 Anonymous Functions250
7.2 Algorithmensteuerung251
7.3 Nullstellenbestimmung254
7.3.1 Skalare Funktionen254
7.3.2 Vektorwertige Funktionen / Gleichungssysteme258
7.4 Minimierung nichtlinearer Funktionen263
7.5 Minimierung unter Nebenbedingungen269
7.5.1 Nichtlineare Minimierung unter Nebenbedingungen270
7.5.2 Quadratische Programmierung276
7.5.3 Lineare Programmierung278
7.6 Methode der kleinsten Quadrate (Least Squares)282
7.7 Optimierung eines Simulink-Modells289
7.8 ÜUbungsaufgaben292
7.8.1 Nullstellenbestimmung292
7.8.2 Lösen von Gleichungssystemen292
7.8.3 Minimierung ohne Nebenbedingungen292
7.8.4 Minimierung unter Nebenbedingungen292
7.8.5 Ausgleichspolynom293
7.8.6 Curve Fitting293
7.8.7 Lineare Programmierung293
8 Simulink Grundlagen295
8.1 Starten von Simulink296
8.2 Erstellen und Editieren eines Signalflussplans300
8.3 Simulations- und Parametersteuerung302
8.3.1 Interaktive Steuerung302
8.3.2 Programmatische Steuerung302
8.4 Signale und Datenobjekte305
8.4.1 Arbeiten mit Signalen305
8.4.2 Arbeiten mit Datenobjekten307
8.4.3 Der Model Explorer309
8.5 Signalerzeugung und -ausgabe310
8.5.1 Bibliothek: Sources – Signalerzeugung310
8.5.2 Bibliothek: Sinks, Signal Logging und der Simulation Data Inspector316
8.5.3 Der Signal & Scope Manager327
8.6 Mathematische Verknüpfungen und Operatoren329
8.6.1 Bibliothek: Math Operations329
8.6.2 Bibliothek: Logic and Bit Operations332
8.7 Simulationsparameter332
8.7.1 Die Model Configuration Parameters Dialogbox333
8.7.2 Numerische Integration von Differentialgleichungen345
8.7.3 Fehlerbehandlung und Simulink Debugger348
8.8 Verwaltung und Organisation eines Simulink-Modells349
8.8.1 Arbeiten mit Callbacks350
8.8.2 Der Model Browser353
8.8.3 Bibliotheken: Signal Routing und Signal Attributes – Signalführung und -eigenschaften353
8.8.4 Drucken und Exportieren eines Simulink-Modells358
8.9 Subsysteme und Model Referencing359
8.9.1 Erstellen von Subsystemen / Bibliothek: Ports & Subsystems359
8.9.2 Maskierung von Subsystemen364
8.9.3 Erstellen einer eigenen Blockbibliothek367
8.9.4 Model Referencing369
8.10 Übungsaufgaben372
8.10.1 Nichtlineare Differentialgleichungen372
8.10.2 Gravitationspendel373
9 Lineare und nichtlineare Systeme in Simulink377
9.1 Bibliothek: Continuous – Zeitkontinuierliche Systeme377
9.2 Analyse von Simulationsergebnissen383
9.2.1 Linearisierung mit der linmod-Befehlsfamilie383
9.2.2 Bestimmung eines Gleichgewichtspunkts388
9.2.3 Linearisierung mit dem Simulink Control Design389
9.3 Bibliothek: Discontinuities – Nichtlineare Systeme392
9.4 Bibliothek: Lookup Tables – Nachschlagetabellen396
9.5 Bibliothek: User-Defined Functions – Benutzer-definierbare Funktionen398
9.5.1 Bibliotheken: Model Verification und Model-Wide Utilities – Prüfblöcke und Modell-Eigenschaften405
9.6 Algebraische Schleifen406
9.7 S-Funktionen407
9.8 Übungsaufgaben415
9.8.1 Modellierung einer Gleichstrom-Nebenschluss-Maschine (GNM)415
9.8.2 Modellierung einer Pulsweitenmodulation (PWM)416
9.8.3 Aufnahme von Bode-Diagrammen417
10 Abtastsysteme in Simulink419
10.1 Allgemeines419
10.2 Bibliothek: Discrete – Zeitdiskrete Systeme420
10.3 Simulationsparameter423
10.3.1 Rein zeitdiskrete Systeme423
10.3.2 Hybride Systeme (gemischt zeitdiskret und zeitkontinuierlich)425
10.4 Der Model Discretizer428
10.5 Übungsaufgaben430
10.5.1 Zeitdiskreter Stromregler für GNM430
10.5.2 Zeitdiskreter Anti-Windup-Drehzahlregler für GNM431
11 Regelkreise in Simulink433
11.1 Die Gleichstrom-Nebenschluss-Maschine GNM433
11.1.1 Initialisierung der Maschinendaten434
11.1.2 Simulink-Modell435
11.2 Untersuchung der Systemeigenschaften437
11.2.1 Untersuchung mit Simulink437
11.2.2 Untersuchung des linearisierten Modells mit Matlab und der Control System Toolbox438
11.2.3 Interaktive Untersuchung eines Modells mit Simulink Linear Analysis Tool440
11.3 Kaskadenregelung443
11.3.1 Stromregelung443
11.3.2 Drehzahlregelung445
11.4 Zustandsbeobachter448
11.4.1 Luenberger-Beobachter450
11.4.2 Störgrößen-Beobachter451
11.5 Zustandsregelung mit Zustandsbeobachter453
11.6 Initialisierungsdateien457
11.6.1 Gleichstrom-Nebenschluss-Maschine457
11.6.2 Stromregelung457
11.6.3 Drehzahlregelung458
11.6.4 Grundeinstellung Zustandsbeobachter458
11.6.5 Zustandsbeobachtung mit Luenberger-Beobachter459
11.6.6 Zustandsbeobachtung mit Störgrößen-Beobachter459
11.6.7 Zustandsregelung mit Zustandsbeobachter460
11.6.8 Zustandsregelung mit Luenberger-Beobachter460
11.6.9 Zustandsregelung mit Störgrößen-Beobachter461
11.7 Übungsaufgaben462
11.7.1 Zustandsdarstellung GNM462
11.7.2 Systemanalyse462
11.7.3 Entwurf eines Kalman-Filters463
11.7.4 Entwurf eines LQ-optimierten Zustandsreglers463
12 Stateflow465
12.1 Elemente von Stateflow466
12.1.1 Grafische Elemente eines Charts468
12.1.2 Chart-Eigenschaften und Trigger-Methoden478
12.1.3 Nichtgrafische Elemente eines Charts480
12.2 Strukturierung und Hierarchiebildung485
12.2.1 Superstates485
12.2.2 Subcharts490
12.2.3 Grafische Funktionen492
12.2.4 Truth Tables494
12.2.5 Matlab Functions in Stateflow Charts498
12.2.6 Simulink Functions in Stateflow499
12.2.7 State Transition Tables500
12.3 Action Language501
12.3.1 Numerische Operatoren502
12.3.2 Logische Operatoren503
12.3.3 Un¨are Operatoren und Zuweisungsaktionen503
12.3.4 Detektion von Wertänderungen504
12.3.5 Datentyp-Umwandlungen504
12.3.6 Aufruf von Matlab-Funktionen und Zugriff auf den Workspace505
12.3.7 Variablen und Events in Action Language506
12.3.8 Temporallogik-Operatoren508
12.4 Anwendungsbeispiel: Getränkeautomat510
12.5 Anwendungsbeispiel: Steuerung eines Heizgebläses512
12.6 Anwendungsbeispiel: Springender Ball514
12.7 Übungsaufgaben516
12.7.1 Mikrowellenherd516
12.7.2 Zweipunkt-Regelung517
Symbolverzeichnis519
Literaturverzeichnis523
Index527

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