MATLAB/Simulink機(jī)電動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真及工程應(yīng)用

第1章 MATLAB工程基礎(chǔ)回顧1

1.1 系統(tǒng)建模與仿真1

1.1.1 仿真的基本概念1

1.1.2 仿真的基本步驟1

1.1.3 仿真的發(fā)展階段2

1.1.4 仿真技術(shù)的工程應(yīng)用意義2

1.1.5 MATLAB的特點(diǎn)2

1.2 MATLAB的安裝與使用基礎(chǔ)2

1.2.1 MATLAB的安裝2

1.2.2 MATLAB視窗環(huán)境7

1.3 MATLAB工程計(jì)算與圖形繪制11

1.3.1 MATLAB工程計(jì)算11

1.3.2 圖形繪制與輸出28

1.3.3 MATLAB解方程（組）36

本章小結(jié)40

思考題40

練習(xí)題41

第2章 MATLAB程序設(shè)計(jì)及仿真42

2.1 M文件42

2.1.1 M腳本文件42

2.1.2 M函數(shù)44

2.1.3 M函數(shù)程序44

2.1.4 全局變量與局部變量46

2.2 函 數(shù)46

2.2.1 子函數(shù)和私有函數(shù)47

2.2.2 串演算函數(shù)47

2.3 MATLAB程序設(shè)計(jì)的基本原則49

2.4 流程控制與面向?qū)ο缶幊?9

2.4.1 流程控制49

2.4.2 面向?qū)ο缶幊?2

2.5 文件調(diào)試與剖析53

2.5.1 MATLAB程序調(diào)試53

2.5.2 M文件性能剖析55

本章小結(jié)56

思考題56

練習(xí)題56

第3章 Simulink集成仿真環(huán)境57

3.1 Simulink的啟動(dòng)與運(yùn)行57

3.2 Simulink模塊庫的介紹59

3.2.1 公共模塊庫59

3.2.2 專業(yè)模塊庫72

3.3 Simulink的模塊操作與信號(hào)組操作73

3.3.1 Simulink的模塊操作74

3.3.2 Simulink的信號(hào)操作77

3.4 Simulink仿真設(shè)置82

3.5 Simulink用戶自定義模塊93

本章小結(jié)93

思考題93

練習(xí)題94

第4章 Simulink建模與實(shí)例95

4.1 Simulink的建模步驟95

4.2 Simulink仿真模型的運(yùn)行與保存97

4.3 Simulink的建模舉例97

本章小結(jié)103

思考題103

練習(xí)題103

第5章 典型動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模與仿真104

5.1 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模104

5.1.1 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)概述與分類104

5.1.2 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模105

5.1.3 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真過程107

5.2 連續(xù)系統(tǒng)建模與仿真107

5.2.1 連續(xù)系統(tǒng)的基本概念107

5.2.2 連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述107 5.2.3 連續(xù)系統(tǒng)的Simulink仿真建模與M文件描述108

5.3 離散系統(tǒng)建模與仿真111

5.3.1 離散系統(tǒng)的基本概念111

5.3.2 離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述111

5.3.3 離散系統(tǒng)的Simulink建模仿真與M文件描述112

5.4 線性系統(tǒng)建模與仿真114

5.4.1 線性連續(xù)系統(tǒng)的Simulink建模仿真114

5.4.2 線性離散系統(tǒng)的Simulink建模仿真120

本章小結(jié)123

思考題123

練習(xí)題123

第6章 連桿機(jī)構(gòu)建模與仿真124

6.1 連桿機(jī)構(gòu)概述124

6.1.1 連桿機(jī)構(gòu)的基本問題124

6.1.2 連桿機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算125

6.2 連桿機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)描述與SimMechanics仿真工具介紹126

6.2.1 連桿機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)描述126

6.2.2 SimMechanics仿真工具介紹127

6.2.3 SimMechanics機(jī)械建模示例130

6.3 平面連桿機(jī)構(gòu)建模與仿真136

6.3.1 平面曲柄搖桿機(jī)構(gòu)建模與仿真136

6.3.2 平面曲柄滑塊機(jī)構(gòu)建模與仿真139

6.4 空間連桿機(jī)構(gòu)建模與仿真141

6.4.1 空間連桿機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算142

6.4.2 空間連桿機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)描述142

6.4.3 空間連桿機(jī)構(gòu)的建模仿真145

本章小結(jié)146

思考題146

練習(xí)題146

第7章 齒輪機(jī)構(gòu)建模與仿真147

7.1 齒輪機(jī)構(gòu)概述147

7.1.1 齒輪機(jī)構(gòu)仿真模塊147

7.1.2 簡(jiǎn)單齒輪機(jī)構(gòu)仿真舉例148

7.2 齒輪機(jī)構(gòu)的建模與仿真153

7.2.1 可變傳動(dòng)比的齒輪機(jī)構(gòu)建模與仿真153

7.2.2 恒定傳動(dòng)比的串聯(lián)齒輪機(jī)構(gòu)的建模與仿真154

7.2.3 定傳動(dòng)比與可變傳動(dòng)比的串聯(lián)齒輪機(jī)構(gòu)的建模與仿真156

7.2.4 含有約束的齒輪機(jī)構(gòu)的建模與仿真158

7.2.5 齒輪五桿機(jī)構(gòu)的建模與仿真163

7.3 輪系機(jī)構(gòu)的建模與仿真166

7.3.1 輪系概述166

7.3.2 定軸輪系的建模與仿真168

7.3.3 行星輪系的建模與仿真169

7.4 簡(jiǎn)單機(jī)械系統(tǒng)的建模與仿真171

7.4.1 齒輪齒條機(jī)構(gòu)的建模與仿真171

7.4.2 簡(jiǎn)單的機(jī)械系統(tǒng)建模與仿真174

本章小結(jié)178

思考題178

練習(xí)題178

第8章 液壓控制系統(tǒng)建模與仿真179

8.1 液壓控制系統(tǒng)概述及其數(shù)學(xué)描述179

8.1.1 液壓控制系統(tǒng)概述179

8.1.2 液壓控制系統(tǒng)的建模過程180

8.1.3 液壓控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述181

8.2 液壓控制系統(tǒng)的仿真工具介紹182

8.3 液壓位置控制系統(tǒng)建模與仿真185

8.3.1 液壓位置控制系統(tǒng)的組成與工作原理185

8.3.2 液壓位置控制系統(tǒng)框圖與傳遞函數(shù)185

8.3.3 液壓位置控制系統(tǒng)建模與仿真187

8.4 液壓速度控制系統(tǒng)建模與仿真191

8.4.1 液壓速度控制系統(tǒng)的構(gòu)成與控制方式191

8.4.2 液壓速度控制系統(tǒng)的建模與仿真193

8.5 液壓方向控制系統(tǒng)建模與仿真198

8.6 液壓壓力控制系統(tǒng)建模與仿真201

本章小結(jié)204

思考題204

練習(xí)題204

第9章 液壓執(zhí)行元件建模與仿真205

9.1 液壓元件概述及其數(shù)學(xué)描述205

9.1.1 液壓元件概述205

9.1.2 液壓元件的基本數(shù)學(xué)描述206

9.2 四通閥控液壓缸的建模與仿真209

9.2.1 液壓缸的基本方程209

9.2.1 四通閥控液壓缸動(dòng)力機(jī)構(gòu)方程與傳遞函數(shù)的推導(dǎo)209

9.2.2 四通閥控液壓缸動(dòng)力機(jī)構(gòu)傳遞函數(shù)的簡(jiǎn)化213

9.2.3 四通閥控液壓缸動(dòng)力機(jī)構(gòu)傳遞函數(shù)的簡(jiǎn)化與仿真214

9.3 四通閥控液壓馬達(dá)元件的建模與仿真216

9.3.1 四通閥控液壓馬達(dá)傳遞函數(shù)216

9.3.2 四通閥控液壓缸動(dòng)力機(jī)構(gòu)傳遞函數(shù)的簡(jiǎn)化與仿真218

本章小結(jié)219

思考題219

練習(xí)題219

第10章 電子電路建模與仿真220

10.1 電子電路概述與數(shù)學(xué)描述220

10.1.1 電子電路概述220

10.1.2 電子電路的數(shù)學(xué)描述221

10.2 常用電路的分析方法225

10.2.1 直流電路分析方法225

10.2.2 交流電路分析方法226

10.3 電路仿真模塊介紹與仿真步驟227

10.3.1 電路仿真模塊介紹227

10.3.2 電路仿真步驟228

10.4 常用電路的建模與仿真229

10.4.1 直流電路的建模與仿真229

10.4.2 交流電路的建模與仿真231

10.4.3 含半導(dǎo)體器件電路的建模與仿真235

本章小結(jié)240

思考題240

練習(xí)題240

第11章 電機(jī)建模與仿真241

11.1 電機(jī)概述與仿真步驟241

11.1.1 電機(jī)概述241

11.1.2 Simulink電機(jī)仿真模塊介紹及仿真步驟242

11.2 直流電機(jī)的建模與仿真243

11.2.1 直流電機(jī)啟動(dòng)243

11.2.2 直流電機(jī)調(diào)速250

11.2.3 直流電機(jī)制動(dòng)253

11.3 交流電機(jī)的建模與仿真257

11.4 步進(jìn)電機(jī)的建模與仿真267

本章小結(jié)269

思考題269

練習(xí)題269

第12章 電力系統(tǒng)建模與仿真270

12.1 電力系統(tǒng)270

12.1.1 電力系統(tǒng)概述270

12.1.2 電力系統(tǒng)仿真思想270

12.2 電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述271

12.2.1 同步發(fā)電機(jī)模型271

12.2.2 電力變壓器模型275

12.2.3 輸電線路模型278

12.2.4 電力系統(tǒng)負(fù)荷模型281

12.3 高壓直流輸電系統(tǒng)仿真與分析283

12.4 高壓交流輸電系統(tǒng)暫態(tài)仿真與分析290

12.5 交流電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真與分析295

12.5.1 基于SVC的電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真與分析296

12.5.2 基于綜合潮流控制器的電力系統(tǒng)綜合仿真與分析306

本章小結(jié)326

思考題326

練習(xí)題326

第13章 測(cè)控系統(tǒng)建模與仿真327

13.1 測(cè)控系統(tǒng)概述327

13.2 測(cè)控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述328

13.2.1 測(cè)控系統(tǒng)的時(shí)域數(shù)學(xué)描述328

13.2.2 測(cè)控系統(tǒng)的復(fù)域數(shù)學(xué)描述331

13.3 測(cè)控系統(tǒng)常用分析方法334

13.3.1 測(cè)控系統(tǒng)的時(shí)域分析法334

13.3.2 測(cè)控系統(tǒng)的頻域分析法337

本章小結(jié)342

思考題343

練習(xí)題343

第14章 PID控制器建模與仿真344

14.1 PID控制器概述344

14.2 PID控制器的數(shù)學(xué)描述與仿真模塊介紹345

14.2.1 PID控制器的基本思想345

14.2.2 PID控制器原理的數(shù)學(xué)描述346

14.2.3 Simulink中PID控制器仿真模塊的介紹347

14.3 模擬PID控制器的建模與仿真349

14.3.1 模擬PID控制器的構(gòu)建350

14.3.2 模擬PID控制器的建模與仿真351

14.4 數(shù)字PID控制器的建模與MATLAB程序仿真354

14.4.1 連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)字PID控制與MATLAB程序仿真354

14.4.2 離散系統(tǒng)的數(shù)字PID控制與MATLAB程序仿真356

14.4.3 增量式數(shù)字PID控制與MATLAB程序仿真357

14.4.4 位置PID控制與MATLAB程序仿真359

14.5 模糊PID控制器簡(jiǎn)介361

本章小結(jié)361

思考題362

練習(xí)題362

附錄A 本書所用函數(shù)索引363

附錄B MATLAB常用函數(shù)命令367

附錄C Simulink機(jī)電模塊庫介紹369

參考文獻(xiàn)375

周高峰，陜西華縣人，于2012年9月在中原工學(xué)院開始從事教學(xué)科研工作，面向本校機(jī)電學(xué)院的研究生、本科生和大專生主要講授計(jì)算仿真技術(shù)、Visual C 程序設(shè)計(jì)、光電檢測(cè)技術(shù)、塑料模具設(shè)計(jì)與制造、光學(xué)工程基礎(chǔ)、現(xiàn)代控制工程、機(jī)電綜合課程設(shè)計(jì)等課程，指導(dǎo)本科畢業(yè)生3名；從事科研工作以來，發(fā)表學(xué)術(shù)論文15篇，其中SCI期刊論文1篇，EI論文6篇，中文核心7篇，獲國家授權(quán)發(fā)明專利2項(xiàng)，參與完成科研項(xiàng)目6項(xiàng)，其中參與國家863項(xiàng)目3項(xiàng)，工程研發(fā)項(xiàng)目5項(xiàng)。首次出版書籍著作。2100433B

本書著眼于機(jī)電動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真及工程應(yīng)用，對(duì)機(jī)電系統(tǒng)中的機(jī)械機(jī)構(gòu)、液壓控制系統(tǒng)、電機(jī)、電子電路、電力系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、PID控制等內(nèi)容進(jìn)行了建模與仿真。全書共14章。主要內(nèi)容包括MATLAB工程基礎(chǔ)回顧和總結(jié)；在Simulink的集成仿真環(huán)境中如何仿真機(jī)電動(dòng)態(tài)系統(tǒng)；機(jī)械機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)工程的建模與仿真；電子電路、電機(jī)和電力系統(tǒng)的建模與仿真；機(jī)電測(cè)控系統(tǒng)的建模與仿真；PID控制器的建模與仿真。

本書可作為高等院校機(jī)械工程、儀器儀表與科學(xué)等專業(yè)的研究生教材，也可作為機(jī)電領(lǐng)域高級(jí)工程技術(shù)人員、科學(xué)研究人員和機(jī)電動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真愛好者的參考書。

本書重點(diǎn)介紹何利用MATLAB進(jìn)行機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真。系統(tǒng)介紹了MATLAB6.X及Simulink軟件包中與機(jī)電系統(tǒng)仿真有關(guān)的必要知識(shí)，以及機(jī)電液系統(tǒng)建模、動(dòng)態(tài)特性分析、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)等相關(guān)理論、方法及MATLAB應(yīng)用，書中的例子、習(xí)題涉及到控制原理，機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械振動(dòng)、液壓傳動(dòng)、伺服系統(tǒng)等諸多機(jī)類專業(yè)的課程，希望能為讀者應(yīng)用MATLAB進(jìn)行機(jī)電系統(tǒng)分析提供借鑒。

本書可作為理工科院校機(jī)類專業(yè)本科生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)仿真的教材或參考書，也可供相關(guān)專業(yè)的研究生或科研人員使用。

本書重點(diǎn)介紹如何利用MATLAB/Simulink進(jìn)行機(jī)電液動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模、性能分析以及綜合設(shè)計(jì)。其第1~4章系統(tǒng)介紹了動(dòng)態(tài)仿真所應(yīng)當(dāng)掌握的MATLAB基本知識(shí)和操作，第5~8章介紹了機(jī)電液系統(tǒng)建模、時(shí)間相應(yīng)、頻率響應(yīng)、控制系統(tǒng)綜合校正等相關(guān)專業(yè)知識(shí)、算法以及進(jìn)行仿真所對(duì)應(yīng)的MATLAB函數(shù)，第9章重點(diǎn)介紹了Simulink的特點(diǎn)及利用Simulink進(jìn)行機(jī)電液系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真的方法。

本書可作為理工科院校機(jī)械類(含機(jī)電類)有關(guān)專業(yè)，如機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、機(jī)械電子工程、車輛工程、儀器與儀表等專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)的教材或參考書，也可供相關(guān)專業(yè)的研究生或科研人員使用。

本書重點(diǎn)介紹如何利用MATLAB/Simulink進(jìn)行機(jī)電液動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模、性能分析以及綜合設(shè)計(jì)。其第1~4章系統(tǒng)介紹了動(dòng)態(tài)仿真所應(yīng)當(dāng)掌握的MATLAB基本知識(shí)和操作，第5~8章介紹了機(jī)電液系統(tǒng)建模、時(shí)間相應(yīng)、頻率響應(yīng)、控制系統(tǒng)綜合校正等相關(guān)專業(yè)知識(shí)、算法以及進(jìn)行仿真所對(duì)應(yīng)的MATLAB函數(shù)，第9章重點(diǎn)介紹了Simulink的特點(diǎn)及利用Simulink進(jìn)行機(jī)電液系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真的方法。本書可作為理工科院校機(jī)械類和近機(jī)類專業(yè)，如機(jī)械設(shè)計(jì)與制造、機(jī)械電子工程、車輛工程、儀器與儀表等專業(yè)學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)的教材或參考書，也可供相關(guān)專業(yè)的研究生或科研人員使用。