Matlab - Simulink-Stateflow

Transkript

1 Matlab - Simulink-Stateflow Grundlagen, Toolboxen, Beispiele von Anne Angermann, Michael Beuschel, Martin Rau, Ulrich Wohlfarth 3., überarbeitete Auflage Oldenbourg Verlag München Wien

2 1 Einführung 1 2 MATLAB Grundlagen Erste Schritte mit MATLAB Der MATLAB-Desktop Die MATLAB-Hilfe Variablen Mathematische Funktionen und Operatoren Arrays und Strukturen Vektoren und Matrizen Mathematische Funktionen und Operatoren für Vektoren und Matrizen Strukturen Cell Arrays Verwalten von Variablen Ablaufsteuerung Vergleichsoperatoren und logische Operatoren Verzweigungsbefehle if und switch Schleifenbefehle for und while Abbruchbefehle continue, break und return MATLAB-Skripts MATLAB-Funktionen Funktionen mit variabler Parameterzahl Lokale, globale und statische Variablen Hilfetext in Funktionen Function Handies Funktionen als Inline Object P-Code und clear functions Übungsaufgaben Rechengenauigkeit Fibonacci-Folge Funktion gerade Berechnungszeiten ermitteln 28

3 VIII 3 Eingabe und Ausgabe in MATLAB Steuerung der Bildschirmausgabe Benutzerdialoge Text in MATLAB (Strings) Eingabedialog Formatierte Ausgabe Import und Export von Daten Speichern in und laden aus Dateien Formatiertes Schreiben in Textdateien Betriebssystemaufruf und Dateiverwaltung Grafische Darstellung Die Figure - Grundlage einer MATLAB-Grafik Achsen und Beschriftung Plot-Befehle für zweidimensionale Grafiken (2D-Grafik) Plot-Befehle für dreidimensionale Grafiken (3D-Grafik) Perspektive Importieren, Exportieren und Drucken von Grafiken Grafische Benutzeroberfläche (GUI) GUI-Layout GUI-Funktionalität GUI ausführen und exportieren Aufbau des Application-M-File Übungsaufgaben Harmonisches Mittel Einschwingvorgang Gauß-Glocke Spirale und Doppelhelix Funktion geradevek 57 4 Differentialgleichungen in MATLAB Anfangswertprobleme (ODEs, DAEs und DDEs) Gewöhnliche Differentialgleichungen (ODEs) Differential-algebraische Gleichungen (DAEs) Differentialgleichungen mit Totzeiten (DDEs) Randwertprobleme für gewöhnliche Differentialgleichungen Partielle Differentialgleichungen (PDEs) Übungsaufgaben Feder-Masse-Schwinger Elektrischer Schwingkreis Springender Ball Kettenlinie 88

4 IX 5 Regelungstechnische Funktionen Control System Toolbox Modellierung linearer zeitinvarianter Systeme - LTI-Modelle Übertragungsfunktion - Transfer Function TF Nullstellen-Polstellen-Darstellung - Zero-Pole-Gain ZPK Zustandsdarstellung - State-Space SS Frequenzgang-Daten-Modelle - Frequency Response Data FRD Zeitdiskrete Darstellung von LTI-Modellen Zeitverzögerungen in LTI-Modellen Arbeiten mit LTI-Modellen Eigenschaften von LTI-Modellen Schnelle Datenabfrage Rangfolge der LTI-Modelle Vererbung von LTI-Modell-Eigenschaften Umwandlung in einen anderen LTI-Modell-Typ Arithmetische Operationen Auswählen, verändern und verknüpfen von LTI-Modellen Spezielle LTI-Modelle Umwandlung zwischen zeitkontinuierlichen und zeitdiskreten Systemen Analyse von LTI-Modellen Allgemeine Eigenschaften Modell-Dynamik Systemantwort im Zeitbereich Systemantwort im Frequenzbereich Interaktive Modellanalyse mit dem LTI-Viewer Ordnungsreduzierte Darstellung Zustandsbeschreibungsformen Reglerentwurf Reglerentwurf mittels Wurzelortskurve Interaktiver Reglerentwurf: Das SISO Design Tool Zustandsregelung und Zustandsbeobachtung Reglerentwurf mittels Polplatzierung Linear-quadratisch optimale Regelung Probleme der numerischen Darstellung Fehlerbegriff Kondition eines Problems Numerische Instabilität Bewertung der LTI-Modell-Typen nach numerischen Gesichtspunkten Übungsaufgaben Erstellen von LTI-Modellen Verzögerte Übertragungsglieder Verzögerte Übertragungsglieder zeitdiskretisiert Typumwandlung Stabilitätsanalyse Regelung der stabilen PT2-Übertragungsfunktion 178

5 X Regelung der instabilen PT2-Übertragungsfunktion Kondition und numerische Instabilität Signalverarbeitung Signal Processing Toolbox Interpolation Diskrete Fouriertransformation (DFT) Averaging Fensterung des Datensatzes Korrelationsfunktionen Beispiel zur Autokorrelation Beispiel zur Kreuzkorrelation Digitale Filter FIR-Filter IIR-Filter Analoge Filter Übungsaufgaben Signaltransformation im Frequenzbereich Signalanalyse und digitale Filterung Analoger Bandpass Optimierung Optimization Toolbox Inline Objects Algorithmensteuerung Nullstellenbestimmung Skalare Funktionen Vektorwertige Funktionen / Gleichungssysteme Minimierung nichtlinearer Funktionen Minimierung unter Nebenbedingungen Nichtlineare Minimierung unter Nebenbedingungen Quadratische Programmierung Lineare Programmierung Methode der kleinsten Quadrate (Least Squares) Optimierung eines Simulink-Modells Übungsaufgaben Nullstellenbestimmung Lösen von Gleichungssystemen Minimierung ohne Nebenbedingungen Minimierung unter Nebenbedingungen Ausgleichspolynom Curve Fitting 240

6 XI Lineare Programmierung Simulink Grundlagen Starten von Simulink Erstellen und Editieren eines Signalflussplans Signale und Datentypen Arbeiten mit Signalen Arbeiten mit Datentypen Bibliotheken: Sources und Sinks - Signalerzeugung und Ausgabe Bibliothek: Sources Bibliothek: Sinks Bibliothek: Math Operations - Mathematische Verknüpfungen Simulationsparameter Die Simulation Parameters Dialogbox Starten und Anhalten einer Simulation Fehlerbehandlung und Fehlersuche Verwaltung und Organisation eines Simulink-Modells Zusammenfassung von Blockparametern in einem MATLAB-Skript Der Model browser Bibliotheken: Signal Routing und Signal Attributes - Signalführung und -eigenschaften Drucken eines Simulink-Modells Hierarchiebildung Erstellen von Subsystemen / Bibliothek: Ports & Subsystems Maskierung von Subsystemen Übungsaufgaben Nichtlineare Differentialgleichungen Gravitationspendel Lineare und nichtlineare Systeme in Simulink Bibliothek: Continuous - Zeitkontinuierliche Systeme Analyse eines Simulink-Modells Linearisierung Bestimmung eines Gleichgewichtspunkts Der Simulink LTI-Viewer Bibliothek: Discontinuities - Nichtlineare Systeme Bibliothek: Look-Up Tables - Nachschlagetabellen Bibliothek: User-Defined Functions - Benutzer-definierbare Funktionen Bibliotheken: Model Verification und Model-Wide Utilities- Prüfblöcke und Modell-Eigenschaften 310

7 XII 9.6 Algebraische Schleifen S-Funktionen Übungsaufgaben Modellierung einer Gleichstrom-Nebenschluss-Maschine (GNM) Modellierung einer Pulsweitenmodulation (PWM) Aufnahme von Bode-Diagrammen Abtastsysteme in Simulink Allgemeines Simulationsparameter Bibliothek: Discrete - Zeitdiskrete Systeme Gemischte Abtastzeiten und hybride Systeme Gemischte Abtastzeiten Hybride Systeme Übungsaufgaben Zeitdiskreter Stromregler für GNM Zeitdiskreter Anti-Windup-Drehzahlregler für GNM Regelkreise in Simulink Die Gleichstrom-Nebenschluss-Maschine GNM Initialisierung der Maschinendaten Simulink-Modell Untersuchung der Systemeigenschaften Untersuchung mit Simulink Untersuchung des linearisierten Modells mit MATLAB und der Control System Toolbox Interaktive Untersuchung eines Modells mit dem Simulink LTI-Viewer Kaskadenregelung Stromregelung Drehzahlregehmg Zustandsbeobachter Luenberger-Beobachter Störgrößen-Beobachter Zustandsregelung mit Zustandsbeobachter Initialisierungsdateien Gleichstrom-Nebenschluss-Maschine Stromregelung Drehzahlregelung Zustandsbeobachter Zustandsregelung mit Zustandsbeobachter 358

8 XIII 11.7 Übungsaufgaben Zustandsdarstellung GNM Systemanalyse Entwurf eines Kaiman-Filters Entwurf eines LQ-optimierten Zustandsreglers Stateflow Elemente von Stateflow Grafische Elemente eines Charts Chart-Eigenschaften und Trigger-Methoden Nichtgrafische Elemente eines Charts Strukturierung und Hierarchiebildung Superstates Boxes Subcharts Grafische Funktionen Truth Tables Action Language Numerische Operatoren Logische Operatoren Unäre Operatoren und Zuweisungsaktionen Aufruf von MATLAB-Funktionen und Zugriff auf den Workspace Variablen und Events in Action Language Temporäre Logikoperatoren Anwendungsbeispiel: Getränkeautomat Anwendungsbeispiel: Steuerung eines Heizgebläses Übungsaufgaben Mikrowellenherd Zweipunkt-Regelung 408 MATLAB Online-Hilfe 409 Symbolverzeichnis 411 Literaturverzeichnis 415 Index 419