MATLAB - Simulink - Stateflow: Grundlagen, Toolboxen, Beispiele

✍ Scribed by Anne Angermann; Michael Beuschel; Martin Rau; Ulrich Wohlfarth

• Publisher: De Gruyter Oldenbourg
• Year: 2014
• Tongue: German
• Leaves: 546
• Edition: 8., aktualisierte Auflage
• Category: Library

✦ Synopsis

Die kompakte und aktuelle Einführung in MATLAB®, Simulink® und Stateflow® mit zahlreichen Beispielen, Übungsaufgaben und Lösungen

The 8^th 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.

Die kompakte und aktuelle Einführung in MATLAB®, Simulink® und Stateflow® mit zahlreichen Beispielen, Übungsaufgaben und Lösungen

✦ Table of Contents

1 Einführung
2 MATLAB Grundlagen
2.1 Erste Schritte mit Matlab
2.1.1 Der Matlab-Desktop
2.1.2 Die Matlab-Hilfe
2.1.3 Zuweisungen
2.1.4 Mathematische Funktionen und Operatoren
2.2 Variablen
2.2.1 Datentypen in Matlab
2.2.2 Vektoren und Matrizen
2.2.3 Mathematische Funktionen und Operatoren für Vektoren und Matrizen
2.2.4 Strukturen
2.2.5 Cell Arrays
2.2.6 Mehrdimensionale Arrays
2.2.7 Verwalten von Variablen
2.3 Ablaufsteuerung
2.3.1 Vergleichsoperatoren und logische Operatoren
2.3.2 Verzweigungsbefehle if und switch
2.3.3 Schleifenbefehle for und while
2.3.4 Abbruchbefehle continue, break und return
2.4 Der Matlab-Editor
2.5 Matlab-Funktionen
2.5.1 Funktionen mit variabler Parameterzahl
2.5.2 Lokale, globale und statische Variablen
2.5.3 Hilfetext in Funktionen
2.5.4 Function Handles
2.5.5 Anonymous Functions
2.5.6 P-Code und clear functions
2.6 Code-Optimierung in Matlab
2.6.1 Der Matlab-Profiler
2.6.2 Optimierung von Rechenzeit und Speicherbedarf
2.6.3 Tipps zur Fehlersuche und Fehlervermeidung
2.7 Übungsaufgaben
2.7.1 Rechengenauigkeit
2.7.2 Fibonacci-Folge
2.7.3 Funktion gerade
2.7.4 Berechnungszeiten ermitteln
3 Eingabe und Ausgabe in MATLAB
3.1 Steuerung der Bildschirmausgabe
3.2 Benutzerdialoge
3.2.1 Text in Matlab (Strings)
3.2.2 Eingabedialog
3.2.3 Formatierte Ausgabe
3.3 Import und Export von Daten
3.3.1 Standardformate
3.3.2 Formatierte Textdateien
3.3.3 Binärdateien
3.4 Betriebssystemaufruf und Dateiverwaltung
3.5 Grafische Darstellung
3.5.1 Die Figure – Grundlage einer Matlab-Grafik
3.5.2 Achsen und Beschriftung
3.5.3 Plot-Befehle für zweidimensionale Grafiken (2D-Grafik)
3.5.4 Plot-Befehle für dreidimensionale Grafiken (3D-Grafik)
3.5.5 Perspektive
3.5.6 Importieren, Exportieren und Drucken von Grafiken
3.6 Grafische Benutzeroberfläche (GUI)
3.6.1 GUI-Layout
3.6.2 GUI-Funktionalität
3.6.3 GUI ausführen und exportieren
3.6.4 Aufbau des Application-M-File
3.7 Tipps rund um die Matlab-Figure
3.8 Übungsaufgaben
3.8.1 Harmonisches Mittel
3.8.2 Einschwingvorgang
3.8.3 Gauß-Glocke
3.8.4 Spirale und Doppelhelix
3.8.5 Funktion geradevek
4 Differentialgleichungen in MATLAB
4.1 Anfangswertprobleme (ODEs, DAEs und DDEs)
4.1.1 Gewöhnliche Differentialgleichungen (ODEs)
4.1.2 Differential-algebraische Gleichungen (DAEs)
4.1.3 Differentialgleichungen mit Totzeiten (DDEs)
4.1.4 Implizite Differentialgleichungen
4.2 Randwertprobleme für gewöhnliche Differentialgleichungen
4.3 Partielle Differentialgleichungen (PDEs)
4.4 Übungsaufgaben
4.4.1 Feder-Masse-Schwinger
4.4.2 Elektrischer Schwingkreis
4.4.3 Springender Ball
4.4.4 Kettenlinie
5 Regelungstechnische Funktionen – Control System Toolbox
5.1 Modellierung linearer zeitinvarianter Systeme als LTI-Modelle
5.1.1 Übertragungsfunktion – Transfer Function TF
5.1.2 Nullstellen-Polstellen-Darstellung – Zero-Pole-Gain ZPK
5.1.3 Zustandsdarstellung – State-Space SS
5.1.4 Frequenzgang-Daten-Modelle – Frequency Response Data FRD
5.1.5 Zeitdiskrete Darstellung von LTI-Modellen
5.1.6 Zeitverz¨ogerungen in LTI-Modellen
5.2 Arbeiten mit LTI-Modellen
5.2.1 Eigenschaften von LTI-Modellen
5.2.2 Schnelle Datenabfrage
5.2.3 Rangfolge der LTI-Modelle
5.2.4 Vererbung von LTI-Modell-Eigenschaften
5.2.5 Umwandlung in einen anderen LTI-Modell-Typ
5.2.6 Arithmetische Operationen
5.2.7 Auswählen, verändern und verknüpfen von LTI-Modellen
5.2.8 Spezielle LTI-Modelle
5.2.9 Umwandlung zwischen zeitkontinuierlichen und zeitdiskreten Systemen
5.3 Analyse von LTI-Modellen
5.3.1 Allgemeine Eigenschaften
5.3.2 Modell-Dynamik
5.3.3 Systemantwort im Zeitbereich
5.3.4 Systemantwort im Frequenzbereich
5.3.5 Interaktive Modellanalyse mit dem LTI-Viewer
5.3.6 Ordnungsreduzierte Darstellung
5.3.7 Zustandsbeschreibungsformen
5.4 Reglerentwurf
5.4.1 Reglerentwurf mittels Wurzelortskurve
5.4.2 Reglerentwurf mit dem Control and Estimation Tools Manager und dem SISO Design Tool
5.4.3 Zustandsregelung und Zustandsbeobachtung
5.4.4 Reglerentwurf mittels Polplatzierung
5.4.5 Linear-quadratisch optimale Regelung
5.5 Probleme der numerischen Darstellung
5.5.1 Fehlerbegriff
5.5.2 Kondition eines Problems
5.5.3 Numerische Instabilität
5.5.4 Bewertung der LTI-Modell-Typen nach numerischen Gesichtspunkten
5.6 Übungsaufgaben
5.6.1 Erstellen von LTI-Modellen
5.6.2 Verzögerte Übertragungsglieder
5.6.3 Verzögerte Übertragungsglieder zeitdiskretisiert
5.6.4 Typumwandlung
5.6.5 Stabilitätsanalyse
5.6.6 Regelung der stabilen PT2-Übertragungsfunktion
5.6.7 Regelung der instabilen PT2-Übertragungsfunktion
5.6.8 Kondition und numerische Instabilität
6 Signalverarbeitung – Signal Processing Toolbox
6.1 Aufbereitung der Daten im Zeitbereich
6.1.1 Interpolation und Approximation
6.1.2 Änderung der Abtastrate
6.1.3 Weitere Werkzeuge
6.2 Spektralanalyse
6.2.1 Diskrete Fouriertransformation (DFT)
6.2.2 Averaging
6.2.3 Fensterung
6.2.4 Leistungsspektren
6.3 Korrelation
6.4 Analoge und Digitale Filter
6.4.1 Analoge Filter
6.4.2 Digitale FIR-Filter
6.4.3 Digitale IIR-Filter
6.4.4 Filterentwurf mit Prototyp-Tiefpässen
6.5 Übungsaufgaben
6.5.1 Interpolation
6.5.2 Spektralanalyse
6.5.3 Signaltransformation im Frequenzbereich
6.5.4 Lecksuche mittels Korrelation
6.5.5 Signalanalyse und digitale Filterung
6.5.6 Analoger Bandpass
6.5.7 Digitaler IIR-Bandpass
7 Optimierung – Optimization Toolbox
7.1 Anonymous Functions
7.2 Algorithmensteuerung
7.3 Nullstellenbestimmung
7.3.1 Skalare Funktionen
7.3.2 Vektorwertige Funktionen / Gleichungssysteme
7.4 Minimierung nichtlinearer Funktionen
7.5 Minimierung unter Nebenbedingungen
7.5.1 Nichtlineare Minimierung unter Nebenbedingungen
7.5.2 Quadratische Programmierung
7.5.3 Lineare Programmierung
7.6 Methode der kleinsten Quadrate (Least Squares)
7.7 Optimierung eines Simulink-Modells
7.8 ÜUbungsaufgaben
7.8.1 Nullstellenbestimmung
7.8.2 Lösen von Gleichungssystemen
7.8.3 Minimierung ohne Nebenbedingungen
7.8.4 Minimierung unter Nebenbedingungen
7.8.5 Ausgleichspolynom
7.8.6 Curve Fitting
7.8.7 Lineare Programmierung
8 Simulink Grundlagen
8.1 Starten von Simulink
8.2 Erstellen und Editieren eines Signalflussplans
8.3 Simulations- und Parametersteuerung
8.3.1 Interaktive Steuerung
8.3.2 Programmatische Steuerung
8.4 Signale und Datenobjekte
8.4.1 Arbeiten mit Signalen
8.4.2 Arbeiten mit Datenobjekten
8.4.3 Der Model Explorer
8.5 Signalerzeugung und -ausgabe
8.5.1 Bibliothek: Sources – Signalerzeugung
8.5.2 Bibliothek: Sinks, Signal Logging und der Simulation Data Inspector
8.5.3 Der Signal & Scope Manager
8.6 Mathematische Verknüpfungen und Operatoren
8.6.1 Bibliothek: Math Operations
8.6.2 Bibliothek: Logic and Bit Operations
8.7 Simulationsparameter
8.7.1 Die Model Configuration Parameters Dialogbox
8.7.2 Numerische Integration von Differentialgleichungen
8.7.3 Fehlerbehandlung und Simulink Debugger
8.8 Verwaltung und Organisation eines Simulink-Modells
8.8.1 Arbeiten mit Callbacks
8.8.2 Der Model Browser
8.8.3 Bibliotheken: Signal Routing und Signal Attributes – Signalführung und -eigenschaften
8.8.4 Drucken und Exportieren eines Simulink-Modells
8.9 Subsysteme und Model Referencing
8.9.1 Erstellen von Subsystemen / Bibliothek: Ports & Subsystems
8.9.2 Maskierung von Subsystemen
8.9.3 Erstellen einer eigenen Blockbibliothek
8.9.4 Model Referencing
8.10 Übungsaufgaben
8.10.1 Nichtlineare Differentialgleichungen
8.10.2 Gravitationspendel
9 Lineare und nichtlineare Systeme in Simulink
9.1 Bibliothek: Continuous – Zeitkontinuierliche Systeme
9.2 Analyse von Simulationsergebnissen
9.2.1 Linearisierung mit der linmod-Befehlsfamilie
9.2.2 Bestimmung eines Gleichgewichtspunkts
9.2.3 Linearisierung mit dem Simulink Control Design
9.3 Bibliothek: Discontinuities – Nichtlineare Systeme
9.4 Bibliothek: Lookup Tables – Nachschlagetabellen
9.5 Bibliothek: User-Defined Functions – Benutzer-definierbare Funktionen
9.5.1 Bibliotheken: Model Verification und Model-Wide Utilities – Prüfblöcke und Modell-Eigenschaften
9.6 Algebraische Schleifen
9.7 S-Funktionen
9.8 Übungsaufgaben
9.8.1 Modellierung einer Gleichstrom-Nebenschluss-Maschine (GNM)
9.8.2 Modellierung einer Pulsweitenmodulation (PWM)
9.8.3 Aufnahme von Bode-Diagrammen
10 Abtastsysteme in Simulink
10.1 Allgemeines
10.2 Bibliothek: Discrete – Zeitdiskrete Systeme
10.3 Simulationsparameter
10.3.1 Rein zeitdiskrete Systeme
10.3.2 Hybride Systeme (gemischt zeitdiskret und zeitkontinuierlich)
10.4 Der Model Discretizer
10.5 Übungsaufgaben
10.5.1 Zeitdiskreter Stromregler für GNM
10.5.2 Zeitdiskreter Anti-Windup-Drehzahlregler für GNM
11 Regelkreise in Simulink
11.1 Die Gleichstrom-Nebenschluss-Maschine GNM
11.1.1 Initialisierung der Maschinendaten
11.1.2 Simulink-Modell
11.2 Untersuchung der Systemeigenschaften
11.2.1 Untersuchung mit Simulink
11.2.2 Untersuchung des linearisierten Modells mit Matlab und der Control System Toolbox
11.2.3 Interaktive Untersuchung eines Modells mit Simulink Linear Analysis Tool
11.3 Kaskadenregelung
11.3.1 Stromregelung
11.3.2 Drehzahlregelung
11.4 Zustandsbeobachter
11.4.1 Luenberger-Beobachter
11.4.2 Störgrößen-Beobachter
11.5 Zustandsregelung mit Zustandsbeobachter
11.6 Initialisierungsdateien
11.6.1 Gleichstrom-Nebenschluss-Maschine
11.6.2 Stromregelung
11.6.3 Drehzahlregelung
11.6.4 Grundeinstellung Zustandsbeobachter
11.6.5 Zustandsbeobachtung mit Luenberger-Beobachter
11.6.6 Zustandsbeobachtung mit Störgrößen-Beobachter
11.6.7 Zustandsregelung mit Zustandsbeobachter
11.6.8 Zustandsregelung mit Luenberger-Beobachter
11.6.9 Zustandsregelung mit Störgrößen-Beobachter
11.7 Übungsaufgaben
11.7.1 Zustandsdarstellung GNM
11.7.2 Systemanalyse
11.7.3 Entwurf eines Kalman-Filters
11.7.4 Entwurf eines LQ-optimierten Zustandsreglers
12 Stateflow
12.1 Elemente von Stateflow
12.1.1 Grafische Elemente eines Charts
12.1.2 Chart-Eigenschaften und Trigger-Methoden
12.1.3 Nichtgrafische Elemente eines Charts
12.2 Strukturierung und Hierarchiebildung
12.2.1 Superstates
12.2.2 Subcharts
12.2.3 Grafische Funktionen
12.2.4 Truth Tables
12.2.5 Matlab Functions in Stateflow Charts
12.2.6 Simulink Functions in Stateflow
12.2.7 State Transition Tables
12.3 Action Language
12.3.1 Numerische Operatoren
12.3.2 Logische Operatoren
12.3.3 Un¨are Operatoren und Zuweisungsaktionen
12.3.4 Detektion von Wertänderungen
12.3.5 Datentyp-Umwandlungen
12.3.6 Aufruf von Matlab-Funktionen und Zugriff auf den Workspace
12.3.7 Variablen und Events in Action Language
12.3.8 Temporallogik-Operatoren
12.4 Anwendungsbeispiel: Getränkeautomat
12.5 Anwendungsbeispiel: Steuerung eines Heizgebläses
12.6 Anwendungsbeispiel: Springender Ball
12.7 Übungsaufgaben
12.7.1 Mikrowellenherd
12.7.2 Zweipunkt-Regelung
Symbolverzeichnis
Literaturverzeichnis
Index