MATLAB, Simulink, Stateflow · 10.Auflage by Angermann, Anne -- Read -- Imperial Library of Trantor

Index

Cover Titelseite Impressum Vorwort zur zehnten 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 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

2.4.1 Der Live Editor 2.4.2 Das Comparison Tool

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 Text in MATLAB (Strings)

3.2.1 Datentypen für Strings 3.2.2 Verarbeitung von Strings

3.3 Benutzerdialoge

3.3.1 Eingabedialog 3.3.2 Formatierte Ausgabe

3.4 Import und Export von Daten

3.4.1 Standardformate 3.4.2 Formatierte Textdateien und Tabellen 3.4.3 Binärdateien

3.5 Betriebssystemaufruf und Dateiverwaltung 3.6 Grafische Darstellung

3.6.1 Die Figure – Grundlage einer MATLAB-Grafik 3.6.2 Achsen und Beschriftung 3.6.3 Plot-Befehle für zweidimensionale Grafiken (2D-Grafik) 3.6.4 Plot-Befehle für dreidimensionale Grafiken (3D-Grafik) 3.6.5 Perspektive. 3.6.6 Importieren, Exportieren und Drucken von Grafiken 3.6.7 Tipps rund um die MATLAB-Figure

3.7 Grafische Benutzeroberflächen

3.7.1 Der App Designer – Layout 3.7.2 Der App Designer – Funktionalität

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 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 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: Linear System Analyzer 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 System Designer 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 LTIModellen 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. 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 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 Sinks – Signalausgabe. 8.5.3 Signal Logging 8.5.4 Der Simulation Data Inspector 8.5.5 Der Viewers & Generators 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 Configuration Parameters Dialogbox. 8.7.2 Numerische Integration von Differentialgleichungen. 8.7.3 Diagnostic Viewer 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 und Blöcken 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 dem 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 Drehzahlregelung11.6.4 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 Simulink States in Stateflow 12.2.8 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 Literaturverzeichnis Index

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