Angermann A., Beuschel M., Rau M., Wohlfarth U. MatLAB - Simulink - Stateflow: Grundlagen, Toolboxen, Beispiele

7., aktualisierte Auflage. — München: Oldenbourg Wissenschaftsverlag GmbH., 2011. 527 p. — ISBN: 978-3-486-70585-0 — German.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.Inhalts
InhaltsverzeichnisEinf¨uhrungMatLAB Grundlagen
Erste Schritte mit MatLAB
Der MatLAB-Desktop
Die MatLAB-Hilfe
Zuweisungen
Mathematische Funktionen und Operatoren
Variablen
Datentypen in MatLAB
Vektoren und Matrizen
Mathematische Funktionen und Operatoren f¨ ur Vektoren und Matrizen
Strukturen
CellArrays
Verwalten vonVariablen
Ablaufsteuerung
Vergleichsoperatoren und logischeOperatoren
Verzweigungsbefehle if und switch
Schleifenbefehle for und while
Abbruchbefehle continue, break und return
Der MatLAB-Editor
MatLAB-Funktionen
Funktionenmit variabler Parameterzahl
Lokale, globale und statische Variablen
Hilfetext in Funktionen
Function Handles
Funktionen als InlineObject
P-Code und clear functions
Code-Optimierung in MatLAB
Der MatLAB-Profiler
Optimierung von Rechenzeit und Speicherbedarf
Tipps zur Fehlersuche
¨ Ubungsaufgaben
Rechengenauigkeit
Fibonacci-Folge
Funktion gerade
Berechnungszeiten ermittelnEingabe und Ausgabe in MatLAB
Steuerung derBildschirmausgabe
Benutzerdialoge
Text in MatLAB (Strings)
Eingabedialog
Formatierte Ausgabe
Import und Export von Daten
Standardformate
Formatierte Textdateien
Bin¨ ardateien
Betriebssystemaufruf und Dateiverwaltung
Grafische Darstellung
Die Figure – Grundlage einer MatLAB-Grafik
Achsen und Beschriftung
Plot-Befehle f¨ ur zweidimensionale Grafiken (2D-Grafik)
Plot-Befehle f¨ ur dreidimensionale Grafiken (3D-Grafik)
Perspektive
Importieren, Exportieren und Drucken von Grafiken
Grafische Benutzeroberfl¨ ache (GUI)
GUI-Layout
GUI-Funktionalit¨ at
GUI ausf¨ uhren und exportieren
Aufbau des Application-M-File
Tipps rund um die MatLAB-Figure
¨ Ubungsaufgaben
Harmonisches Mittel
Einschwingvorgang
Gauß-Glocke
Spirale und Doppelhelix
Funktion geradevekDifferentialgleichungen in MatLAB
Anfangswertprobleme (ODEs,DAEs undDDEs)
Gew¨ ohnliche Differentialgleichungen (ODEs)
Differential-algebraische Gleichungen (DAEs)
Differentialgleichungenmit Totzeiten (DDEs)
Implizite Differentialgleichungen
Randwertprobleme f¨ ur gew¨ ohnlicheDifferentialgleichungen
VelleDifferentialgleichungen (PDEs)
¨ Ubungsaufgaben
Feder-Masse-Schwinger
Elektrischer Schwingkreis
Springender Ball
KettenlinieRegelungstechnische Funktionen – Control System Toolbox
Modellierung linearer zeitinvarianter Systeme als LTI-Modelle
¨ Ubertragungsfunktion –TransferFunctionTF
Nullstellen-Polstellen-Darstellung – Zero-Pole-GainZPK
Zustandsdarstellung – State-Space SS
Frequenzgang-Daten-Modelle – Frequency Response Data FRD
ZeitdiskreteDarstellung von LTI-Modellen
Zeitverz¨ ogerungeninLTI-Modellen
Arbeitenmit LTI-Modellen
Eigenschaften vonLTI-Modellen
Schnelle Datenabfrage
Rangfolge der LTI-Modelle
Vererbung von LTI-Modell-Eigenschaften
Umwandlung in einen anderen LTI-Modell-Typ
Arithmetische Operationen
Ausw¨ ahlen, ver¨ andern und verkn¨ upfen von LTI-Modellen
Spezielle LTI-Modelle
Umwandlung zwischen zeitkontinuierlichen und zeitdiskreten Systemen
Analyse vonLTI-Modellen
Allgemeine Eigenschaften
Modell-Dynamik
Systemantwort im Zeitbereich
Systemantwort im Frequenzbereich
Interaktive Modellanalysemit dem LTI-Viewer
Ordnungsreduzierte Darstellung
Zustandsbeschreibungsformen
Reglerentwurf
Reglerentwurfmittels Wurzelortskurve
Reglerentwurf mit dem Control and Estimation Tools Manager und dem SISO DesignTool
Zustandsregelung und Zustandsbeobachtung
Reglerentwurfmittels Polplatzierung
Linear-quadratischoptimale Regelung
Probleme der numerischen Darstellung
Fehlerbegriff
Kondition eines Problems
Bewertung der LTI-Modell-Typen nach numerischen Gesichtspunkten
¨ Ubungsaufgaben
Erstellen vonLTI-Modellen
Verz¨ ogerte ¨ Ubertragungsglieder
Verz¨ ogerte ¨ Ubertragungsglieder zeitdiskretisiert
Typumwandlung
Stabilit¨ atsanalyse
Regelung der stabilen PT2-¨ Ubertragungsfunktion
Regelung der instabilen PT2-¨ Ubertragungsfunktion
Kondition und numerische Instabilit¨ at
Signalverarbeitung – Signal Processing ToolboxAufbereitung der Daten im Zeitbereich
Interpolation und Approximation
¨ Anderung der Abtastrate
Weitere Werkzeuge
Spektralanalyse
Diskrete Fouriertransformation (DFT)
Averaging
Fensterung
Leistungsspektren
Korrelation
Analoge und Digitale Filter
Analoge Filter
Digitale FIR-Filter
Digitale IIR-Filter
Filterentwurf mit Prototyp-Tiefp¨ assen
¨ Ubungsaufgaben
Signaltransformationim Frequenzbereich
Signalanalyse und digitale Filterung
Analoger Bandpass
Digitaler IIR-BandpassOptimierung – Optimization Toolbox
Inline Objects
Algorithmensteuerung
Nullstellenbestimmung
SkalareFunktionen
VektorwertigeFunktionen /Gleichungssysteme
Minimierung nichtlineare rFunktionen
Minimierung unter Nebenbedingungen
Numerische Instabilit¨ at
Nichtlineare Minimierung unter Nebenbedingungen
Quadratische Programmierung
Lineare Programmierung
Methode der kleinsten Quadrate (Least Squares)
Optimierung eines Simulink-Modells
¨ Ubungsaufgaben
Nullstellenbestimmung
L¨ osen von Gleichungssystemen
Minimierung ohne Nebenbedingungen
Minimierung unter Nebenbedingungen
Ausgleichspolynom
CurveFitting
LineareProgrammierungSimulink Grundlagen
Starten von Simulink
Erstellen und Editieren eines Signalflussplans
Simulations- und Parametersteuerung
Signale und Datenobjekte
Arbeitenmit Signalen
Arbeitenmit Datenobjekten
Der Model Explorer
Signalerzeugung und -ausgabe
Bibliothek: Sources – Signalerzeugung
Bibliothek: Sinks, Signal Logging und der Simulation Data Inspector
Der Signal & Scope Manager
Mathematische Verkn¨ upfungen und Operatoren
Bibliothek: Math Operations
Bibliothek: Logic and Bit Operations
Simulationsparameter
Die Configuration Parameters Dialogbox
Fehlerbehandlung und Simulink Debugger
Verwaltung und Organisationeines Simulink-Modells
Arbeitenmit Callback Funktionen
Der Model Browser
Bibliotheken: Signal Routing und Signal Attributes – Signalf¨ uhrung und -eigenschaften
Drucken und Exportieren eines Simulink-Modells
Subsysteme und Model Referencing
Erstellen von Subsystemen / Bibliothek: Ports & Subsystems
Maskierung von Subsystemen
Erstellen einer eigenen Blockbibliothek
Model Referencing
¨ Ubungsaufgaben
Nichtlineare Differentialgleichungen
GravitationspendelLineare und nichtlineare Systeme in Simulink
Bibliothek: Continuous – Zeitkontinuierliche Systeme
Analyse von Simulationsergebnissen
Linearisierung mit der linmod-Befehlsfamilie
Bestimmung eines Gleichgewichtspunkts
Linearisierungmit dem SimulinkControl Design
Bibliothek: Discontinuities –Nichtlineare Systeme
Bibliothek: Lookup Tables –Nachschlagetabellen
Bibliothek: User-Defined Functions – Benutzer-definierbare Funktionen
Bibliotheken: Model Verification und Model-Wide Utilities –Prufbl¨ocke und Modell-Eigenschaften
Algebraische Schleifen
S-Funktionen
¨ Ubungsaufgaben
Modellierung einer Gleichstrom-Nebenschluss-Maschine (GNM)
Modellierung einer Pulsweitenmodulation (PWM)
Aufnahme vonBode-DiagrammenAbtastsysteme in Simulink
Allgemeines
Bibliothek: Discrete – Zeitdiskrete Systeme
Simulationsparameter
Rein zeitdiskrete Systeme
Hybride Systeme (gemischt zeitdiskret und zeitkontinuierlich)
Der Model Discretizer
¨ Ubungsaufgaben
Zeitdiskreter Stromregler f¨ urGNM
Zeitdiskreter Anti-Windup-Drehzahlregler f¨ urGNMRegelkreise in Simulink
DieGleichstrom-Nebenschluss-MaschineGNM
Initialisierung der Maschinendaten
Simulink-Modell
Untersuchung der Systemeigenschaften
Untersuchungmit Simulink
Untersuchung des linearisierten Modells mit MatLAB und der Control SystemToolbox
Interaktive Untersuchung eines Modells mit Simulink Control Design
Kaskadenregelung
Stromregelung
Drehzahlregelung
Zustandsbeobachter
Luenberger-Beobachter
St¨ orgr¨ oßen-Beobachter
Zustandsregelungmit Zustandsbeobachter
Initialisierungsdateien
Gleichstrom-Nebenschluss-Maschine
Stromregelung
Drehzahlregelung
Grundeinstellung Zustandsbeobachter
Zustandsbeobachtungmit Luenberger-Beobachter
Zustandsbeobachtung mit St¨ orgr¨ oßen-Beobachter
Zustandsregelungmit Zustandsbeobachter
Zustandsregelungmit Luenberger-Beobachter
Zustandsregelung mit St¨ orgr¨ oßen-Beobachter
¨ Ubungsaufgaben
Zustandsdarstellung GNM
Systemanalyse
Entwurf eines Kalman-Filters
Entwurf eines LQ-optimierten ZustandsreglersStateflow
Elemente von Stateflow
Grafische Elemente eines Charts
Chart-Eigenschaften und Trigger-Methoden
Nichtgrafische Elemente eines Charts
Strukturierung und Hierarchiebildung
Superstates
Subcharts
GrafischeFunktionen
TruthTables
MatLAB Functions in StateflowCharts
Simulink Functions in Stateflow
Action Language
Numerische Operatoren
Logische Operatoren
Un¨ areOperatoren und Zuweisungsaktionen
Detektion von Wert¨ anderungen
Datentyp-Umwandlungen
Aufruf von MatLAB-Funktionen und Zugriff auf den Workspace
Variablen und Events in Action Language
Temporallogik-Operatoren
Anwendungsbeispiel: Getr¨ ankeautomat
Anwendungsbeispiel: Steuerung eines Heizgebl¨ ases
Anwendungsbeispiel: Springender Ball
¨ Ubungsaufgaben
Mikrowellenherd
Zweipunkt-Regelung
Symbolverzeichnis
Literaturverzeichnis