MATLAB, Simulink, Stateflow · Grundlagen, Toolboxen, Beispiele · 8.Auflage by Anne Angermann -- Read -- Imperial Library of Trantor

Index

Weitere empfehlenswerte Titel Titel Impressum Vorwort zur achten Auflage Vorwort zur ersten Auflage Inhaltsverzeichnis 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 fürVektoren 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 inMATLAB

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 3.5.4 Plot-Befehle für dreidimensionale Grafiken 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 ResponseData FRD 5.1.5 Zeitdiskrete Darstellung von LTI-Modellen 5.1.6 Zeitverzögerungen 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 vonLTI-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 Regler entwurf

5.4.1 Reglerentwurf mittels Wurzelortskurve 5.4.2 Reglerentwurf mit dem Control and EstimationTools 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 numerischenGesichtspunkten

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 Anderung 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

Beispiel zur Autokorrelation Beispiel zur Kreuzkorrelation

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 Übungsaufgaben

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

Simulink-Bausteinbibliothek und Simulink Library Browser Simulink Online-Hilfe und Simulink Examples Eigenschaften der Funktionsbausteine Der Simulink-Editor

8.2 Erstellen und Editieren eines Signalflussplans 8.3 Simulations- und Parametersteuerung

8.3.1 Interaktive Steuerung 8.3.2 Programmatische Steuerung

Steuerung mit dem sim-Befehl Steuerung mit dem set param-Befehl

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

Constant From File From Workspace Ramp Random Number, Uniform Random Number und Band-Limited White Noise Repeating Sequence, Repeating Sequence Interpolated und Repeating Sequence Stair Signal Builder Signal Generator und Pulse Generator Sine Wave Step

8.5.2 Bibliothek: Sinks, Signal Logging und der SimulationData Inspector

Scope, Floating Scope, Scope Signal Viewer To File To Workspace XY Graph und XY Graph Signal Viewer Beispiel

8.5.3 Der Signal & Scope Manager

8.6 Mathematische Verknüpfungen und Operatoren

8.6.1 Bibliothek: Math Operations

Math Function und Trigonometric Function Product, Divide und Dot Product Gain und Slider Gain Sum und Add Beispiel

8.6.2 Bibliothek: Logic and Bit Operations

Bitwise Operator Logical Operator Relational Operator

8.7 Simulationsparameter

8.7.1 Die Model Configuration Parameters Dialogbox

Register Solver Register Data Import/Export Register Optimization Register Diagnostics Register Hardware Implementation Register Model Referencing

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

Model Callbacks Beispiel Block Callbacks

8.8.2 Der Model Browser 8.8.3 Bibliotheken: Signal Routing und Signal Attributes – Signalführung und -eigenschaften

Signal Routing – Signalführung

Bus Creator, Bus Selector Data Store Memory, Data Store Read, Data Store Write Goto und From Mux und Demux Selector Switch, Manual Switch und Multiport Switch

Signal Attributes – Signaleigenschaften

Probe Rate Transition Signal Conversion

8.8.4 Drucken und Exportieren eines Simulink-Modells

8.9 Subsysteme und Model Referencing

8.9.1 Erstellen von Subsystemen / Bibliothek: Ports & Subsystems

Ports & Subsystems – Ports und Subsysteme

If und If Action Subsystem Inport und Outport Enabled Subsystem Model, Model Variants Subsystem und Atomic Subsystem Triggered Subsystem und Function-Call Subsystem

8.9.2 Maskierung von Subsystemen

Beispiel

8.9.3 Erstellen einer eigenen Blockbibliothek 8.9.4 Model Referencing

Beispiel

8.10 Übungsaufgaben

8.10.1 Nichtlineare Differentialgleichungen 8.10.2 Gravitationspendel

9 Lineare und nichtlineare Systeme in Simulink

9.1 Simulink-Bibliothek: Continuous – Zeitkontinuierliche Systeme 9.2 Analyse von Simulationsergebnissen

9.2.1 Linearisierung mit der linmod-Befehlsfamilie

Beispiel

9.2.2 Bestimmung eines Gleichgewichtspunkts

Beispiel

9.2.3 Linearisierung mit dem Simulink Control Design

9.3 Simulink-Bibliothek: Discontinuities – Nichtlineare Systeme

Backlash Coulomb & Viscous Friction Dead Zone und Dead Zone Dynamic Hit Crossing Quantizer Rate Limiter und Rate Limiter Dynamic Relay Saturation und Saturation Dynamic

9.4 Bibliothek: Lookup Tables –Nachschlagetabellen

1-D Lookup Table , 2-D Lookup Table und n-D Lookup Table

9.5 Bibliothek: User-Defined Functions – Benutzer-definierbare Funktionen

Function Beispiel: Der Ausdruck Interpreted MATLAB Function MATLAB Function MATLAB System Beispiel S-Function, S-Function Builder und Level-2 MATLAB S-Function 9.5.1 Bibliotheken: Model Verification und Model-Wide Utilities – Prüfblöcke und Modell-Ergänzungen

Model Verification – Prüfblöcke

Assertion Check Static Gap und Check Dynamic Gap Check Static Lower Bound und Check Dynamic Lower Bound

Model-Wide Utilities – Modell-Ergänzungen

DocBlock Time-Based Linearization und Trigger-Based Linearization

9.6 Algebraische Schleifen

Algebraic Constraint

9.7 S-Funktionen

Beispiel: PT1

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

Abtastzeit Grafische Darstellung Farbliche Markierung / Sample Time Legend

10.2 Simulink-Bibliothek: Discrete – Zeitdiskrete Systeme

Discrete Filter und Discrete FIR Filter Discrete PID Controller Discrete State-Space Discrete Transfer Function Discrete Zero-Pole Discrete-Time Integrator Memory Unit Delay Zero-Order Hold

10.3 Simulationsparameter

10.3.1 Rein zeitdiskrete Systeme

Zeitdiskrete Blöcke haben gleiche Abtastzeiten Zeitdiskrete Blöcke haben gemischte Abtastzeiten

10.3.2 Hybride Systeme (gemischt zeitdiskret und zeitkontinuierlich)

zeitdiskrete Blöcke haben gleiche Abtastzeiten zeitdiskrete Blöcke haben gemischte Abtastzeiten Beispiel

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 mitMATLAB und der Control System Toolbox 11.2.3 Interaktive Untersuchung eines Modells mitSimulink 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 EntwurfeinesKalman-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 Unäre 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

Randzeichen Text- und Schrifthervorhebungen Allgemeine Vereinbarungen Symbole

Literaturverzeichnis Index

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