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Matlab, Simulink, Stateflow Grundlagen, Toolboxen, Beispiele
Matlab, Simulink, Stateflow
Grundlagen, Toolboxen, Beispiele




Anne Angermann, Michael Beuschel, Martin Rau

Oldenbourg Schulbuchverlag
EAN: 9783486276022 (ISBN: 3-486-27602-6)
433 Seiten, paperback, 17 x 24cm, 2004, mit CD-Rom

EUR 34,80
alle Angaben ohne Gewähr

Umschlagtext
In Technik und Wissenschaft gewinnen simulative Untersuchungen immer größere Bedeutung. Diese ermöglichen die numerische Lösung komplexer Aufgabenstellungen. Verfahren wie Rapid Control Prototyping und Hardware-in-the-Loop-Simulation reduzieren dabei Entwicklungszeit und -aufwand.



Die Autoren vermitteln in kompakter Form die Grundlagen der numerischen Programmiersprache MATLAB und ihrer graphischen Erweiterungen SIMULINK und STATEFLOW. Hierauf aufbauend werden Erweiterungspakete für Regelungstechnik, Signalverarbeitung und Optimierung behandelt: Control System, Signal Processing und Optimization Toolbox. Die Befehle werden anhand prägnanter Beispiele aus Mathematik, Physik, Elektrotechnik und Mechatronik erläutert; zahlreiche Übungsaufgaben ermöglichen die Vertiefung des Inhalts. Die Beispiele und die Übungsaufgaben mit Lösungen befinden sich sowohl auf der Internetseite www.matlabbuch.de als auch auf der beiliegenden CD-ROM. Durch die kompakte Darstellung und die Befehlsübersichten ist dieses Buch auch als Nachschlagewerk geeignet.



Die vorliegende 3. Auflage wurde im Hinblick auf die aktuelle MATLAB-Version 6.5.1 (Release 13.1) überarbeitet und mit etlichen Ergänzungen versehen. Die benutzerfreundlich gestaltete CD-ROM enthält zusätzlich eine Bibliothek nützlicher Extras für MATLAB und SIMULINK.



Dieses Lehrbuch richtet sich an Studenten und Ingenieure der Mechatronik, Regelungs- und Automatisierungstechnik sowie an alle Anwender, die die Stärken von MATLAB zur numerischen Berechnung, Datenauswertung und Visualisierung nutzen wollen.
Rezension
Matlab ist eine der Standardanwendungen für alle Ingenieurberufe mit der Berechnungen über Vektoren und Matrizen gelöst und visualisiert werden können. Das Buch richtet sich an Studenten und Ingenieure die sich in das umfangreiche Programmpaket einarbeiten wollen.

Es ist didaktisch gut aufgebaut. In jedem Kapitel wird zuerst das Thema erklärt, wobei immer ein durchgehendes Beispiel in der Programmiersprache abgedruckt ist und somit der Stoff sehr gut dargestellt wird. Den Abschluss eines jeden Kapitels bildet ein Block Übungsaufgaben die dem Leser vor ein Problem stellen, das er selbst lösen soll. Auf der beiliegenden CD sind zu diesen Aufgaben Musterlösungen.

Am Anfang geht es um die Grundlagen der Programmierung von Matlab. Es werden die wichtigsten Befehle, Typen von Variablen und Ablaufsteuerungen behandelt sowie Ein- und Ausgabe von Daten. Danach wird auf numerische Lösung von Differentialgleichungen mit Anfangs- und Randwertprobleme eingegangen.
Damit sind alle wichtigen Grundfunktion von Matlab bekannt und es wird auf speziellere Probleme eingegangen. Die Überschriften der Kapitel sagen schon alles: Regelungstechnische Funktionen, Signalverarbeitung, Optimierung. (siehe dazu auch das Inhaltsverzeichnis)
Gut die zweite Hälfte des Buches werden dann die grafischen Simulink und Stateflow behandelt.

Wer sich in Matlab einarbeiten will und keine bis wenige Vorkenntnisse mitbringt, für den kann man dieses Buch uneingeschränkt empfehlen. Die klaren Erklärungen und der strukturierte Aufbau sind vorbildlich. Aber auch für schon erfahrene Anwender stellt das Buch einen guten Überblick über die wichtigsten Funktionen dar.

Simon Sauter, lehrerbiliothek.de
Verlagsinfo
Die elementare Einführung in MATLAB, mit der auch der Neueinsteiger rasch mit allen nötigen Grundlagen vertraut wird.

Weitergehende Funktionen wie Interpolation, Regression, Lineare Gleichungssysteme und verschiedene graphische Darstellungen werden nach der Einführung ausführlich erläutert, das Programmieren unter MATLAB wird detailliert und leicht verständlich beschrieben.

Alle Themen sind mit zahlreicher Beispielen illustriert und werden durch wertvolle Tipps und Anregungen angereichert. Eine tabellarische Zusammenfassung aller wichtigen Befehle und Funktionen von MATLAB sowie ein ausführliches Register, machen das Buch zu einem bequemen und effizienten Nachschlagewerk.

Damit eignet sich das Buch hervorragend zum selbstständigen Erlernen von MATLAB, und ist gleichzeitig ein idealer Begleiter zu Vorlesungen.

MATLAB, das Standard-Softwaretool in den Ingenieur- und Naturwissenschaften, bietet Lösungsmöglichkeiten für vielfältige theoretische und praktische mathematische Probleme und deren Visualisierung. Das vorliegende Buch bietet den idealen Einstieg in das Tool.
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 Variablen
2.1.4 Mathematische Funktionen und Operatoren
2.2 Arrays und Strukturen
2.2.1 Vektoren und Matrizen
2.2.2 Mathematische Funktionen und Operatoren für Vektoren und Matrizen.
2.2.3 Strukturen
2.2.4 Cell Arrays
2.3 Verwalten von Variablen
2.4 Ablaufsteuerung
2.4.1 Vergleichsoperatoren und logische Operatoren
2.4.2 Verzweigungsbefehle if und switch
2.4.3 Schleifenbefehle f or und while
2.4.4 Abbruchbefehle continue, break und return
2.5 MATLAB-Skripts
2.6 MATLAB-Funktionen
2.6.1 Funktionen mit variabler Parameterzahl
2.6.2 Lokale, globale und statische Variablen
2.6.3 Hilfetext in Funktionen
2.6.4 Function Handies
2.6.5 Funktionen als Inline Object
2.6.6 P-Code und clear functions
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 Speichern in und laden aus Dateien
3.3.2 Formatiertes Schreiben in Textdateien
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 Übungsaufgaben
3.7.1 Harmonisches Mittel
3.7.2 Einschwingvorgang
3.7.3 Gauß-Glocke
3.7.4 Spirale und Doppelhelix
3.7.5 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)
4.2 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 - 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 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 Interaktiver Reglerentwurf: Das 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 Interpolation
6.2 Diskrete Fouriertransformation (DFT)
6.2.1 Averaging
6.2.2 Fensterung des Datensatzes
6.3 Korrelationsfunktionen
6.3.1 Beispiel zur Autokorrelation
6.3.2 Beispiel zur Kreuzkorrelation
6.4 Digitale Filter
6.4.1 FIR-Filter
6.4.2 IIR-Filter
6.5 Analoge Filter
6.6 Übungsaufgaben
6.6.1 Signaltransformation im Frequenzbereich
6.6.2 Signalanalyse und digitale Filterung
6.6.3 Analoger Bandpass

7 Optimierung - Optimization Toolbox

7.1 Inline Objects
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 Signale und Datentypen
8.3.1 Arbeiten mit Signalen
8.3.2 Arbeiten mit Datentypen
8.4 Bibliotheken: Sources und Sinks - Signalerzeugung und Ausgabe
8.4.1 Bibliothek: Sources
8.4.2 Bibliothek: Sinks
8.5 Bibliothek: Math Operations - Mathematische Verknüpfungen
8.6 Simulationsparameter
8.6.1 Die Simulation Parameters Dialogbox
8.6.2 Starten und Anhalten einer Simulation
8.6.3 Fehlerbehandlung und Fehlersuche
8.7 Verwaltung und Organisation eines Simulink-Modells
8.7.1 Zusammenfassung von Blockparametern in einem MATLAB-Skript
8.7.2 Der Model browser
8.7.3 Bibliotheken: Signal Routing und Signal Attributes - Signalführung und -eigenschaften
8.7.4 Drucken eines Simulink-Modells
8.8 Hierarchiebildung
8.8.1 Erstellen von Subsystemen / Bibliothek: Ports & Subsystems
8.8.2 Maskierung von Subsystemen
8.9 Übungsaufgaben
8.9.1 Nichtlineare Differentialgleichungen
8.9.2 Gravitationspendel

9 Lineare und nichtlineare Systeme in Simulink

9.1 Bibliothek: Continuous - Zeitkontinuierliche Systeme
9.2 Analyse eines Simulink-Modells
9.2.1 Linearisierung
9.2.2 Bestimmung eines Gleichgewichtspunkts
9.2.3 Der Simulink LTI-Viewer
9.3 Bibliothek: Discontinuities - Nichtlineare Systeme
9.4 Bibliothek: Look-Up 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 Simulationsparameter
10.3 Bibliothek: Discrete - Zeitdiskrete Systeme
10.4 Gemischte Abtastzeiten und hybride Systeme
10.4.1 Gemischte Abtastzeiten
10.4.2 Hybride Systeme
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 LTI-Viewer
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 Zustandsbeobachter
11.6.5 Zustandsregelung mit Zustandsbeobachter
11.7 Übungsaufgaben
11.7.1 Zustandsdarstellung GNM
11.7.2 Systemanalyse
11.7.3 Entwurf eines Kaiman-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 Boxes
12.2.3 Subcharts
12.2.4 Grafische Funktionen
12.2.5 Truth 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 Aufruf von MATLAB-Funktionen und Zugriff auf den Workspace
12.3.5 Variablen und Events in Action Language
12.3.6 Temporäre Logikoperatoren
12.4 Anwendungsbeispiel: Getränkeautomat
12.5 Anwendungsbeispiel: Steuerung eines Heizgebläses
12.6 Übungsaufgaben
12.6.1 Mikrowellenherd
12.6.2 Zweipunkt-Regelung

MATLAB Online-Hilfe

Symbolverzeichnis

Literaturverzeichnis

Index