MATLAB/Simulink机电动态系统仿真及工程应用

第1章 MATLAB工程基础回顾1

1.1 系统建模与仿真1

1.1.1 仿真的基本概念1

1.1.2 仿真的基本步骤1

1.1.3 仿真的发展阶段2

1.1.4 仿真技术的工程应用意义2

1.1.5 MATLAB的特点2

1.2 MATLAB的安装与使用基础2

1.2.1 MATLAB的安装2

1.2.2 MATLAB视窗环境7

1.3 MATLAB工程计算与图形绘制11

1.3.1 MATLAB工程计算11

1.3.2 图形绘制与输出28

1.3.3 MATLAB解方程（组）36

本章小结40

思考题40

练习题41

第2章 MATLAB程序设计及仿真42

2.1 M文件42

2.1.1 M脚本文件42

2.1.2 M函数44

2.1.3 M函数程序44

2.1.4 全局变量与局部变量46

2.2 函 数46

2.2.1 子函数和私有函数47

2.2.2 串演算函数47

2.3 MATLAB程序设计的基本原则49

2.4 流程控制与面向对象编程49

2.4.1 流程控制49

2.4.2 面向对象编程52

2.5 文件调试与剖析53

2.5.1 MATLAB程序调试53

2.5.2 M文件性能剖析55

本章小结56

思考题56

练习题56

第3章 Simulink集成仿真环境57

3.1 Simulink的启动与运行57

3.2 Simulink模块库的介绍59

3.2.1 公共模块库59

3.2.2 专业模块库72

3.3 Simulink的模块操作与信号组操作73

3.3.1 Simulink的模块操作74

3.3.2 Simulink的信号操作77

3.4 Simulink仿真设置82

3.5 Simulink用户自定义模块93

本章小结93

思考题93

练习题94

第4章 Simulink建模与实例95

4.1 Simulink的建模步骤95

4.2 Simulink仿真模型的运行与保存97

4.3 Simulink的建模举例97

本章小结103

思考题103

练习题103

第5章 典型动态系统建模与仿真104

5.1 动态系统建模104

5.1.1 动态系统概述与分类104

5.1.2 动态系统建模105

5.1.3 动态系统仿真过程107

5.2 连续系统建模与仿真107

5.2.1 连续系统的基本概念107

5.2.2 连续系统的数学描述107 5.2.3 连续系统的Simulink仿真建模与M文件描述108

5.3 离散系统建模与仿真111

5.3.1 离散系统的基本概念111

5.3.2 离散系统的数学描述111

5.3.3 离散系统的Simulink建模仿真与M文件描述112

5.4 线性系统建模与仿真114

5.4.1 线性连续系统的Simulink建模仿真114

5.4.2 线性离散系统的Simulink建模仿真120

本章小结123

思考题123

练习题123

第6章 连杆机构建模与仿真124

6.1 连杆机构概述124

6.1.1 连杆机构的基本问题124

6.1.2 连杆机构自由度的计算125

6.2 连杆机构的数学描述与SimMechanics仿真工具介绍126

6.2.1 连杆机构的数学描述126

6.2.2 SimMechanics仿真工具介绍127

6.2.3 SimMechanics机械建模示例130

6.3 平面连杆机构建模与仿真136

6.3.1 平面曲柄摇杆机构建模与仿真136

6.3.2 平面曲柄滑块机构建模与仿真139

6.4 空间连杆机构建模与仿真141

6.4.1 空间连杆机构自由度的计算142

6.4.2 空间连杆机构的数学描述142

6.4.3 空间连杆机构的建模仿真145

本章小结146

思考题146

练习题146

第7章 齿轮机构建模与仿真147

7.1 齿轮机构概述147

7.1.1 齿轮机构仿真模块147

7.1.2 简单齿轮机构仿真举例148

7.2 齿轮机构的建模与仿真153

7.2.1 可变传动比的齿轮机构建模与仿真153

7.2.2 恒定传动比的串联齿轮机构的建模与仿真154

7.2.3 定传动比与可变传动比的串联齿轮机构的建模与仿真156

7.2.4 含有约束的齿轮机构的建模与仿真158

7.2.5 齿轮五杆机构的建模与仿真163

7.3 轮系机构的建模与仿真166

7.3.1 轮系概述166

7.3.2 定轴轮系的建模与仿真168

7.3.3 行星轮系的建模与仿真169

7.4 简单机械系统的建模与仿真171

7.4.1 齿轮齿条机构的建模与仿真171

7.4.2 简单的机械系统建模与仿真174

本章小结178

思考题178

练习题178

第8章 液压控制系统建模与仿真179

8.1 液压控制系统概述及其数学描述179

8.1.1 液压控制系统概述179

8.1.2 液压控制系统的建模过程180

8.1.3 液压控制系统的数学描述181

8.2 液压控制系统的仿真工具介绍182

8.3 液压位置控制系统建模与仿真185

8.3.1 液压位置控制系统的组成与工作原理185

8.3.2 液压位置控制系统框图与传递函数185

8.3.3 液压位置控制系统建模与仿真187

8.4 液压速度控制系统建模与仿真191

8.4.1 液压速度控制系统的构成与控制方式191

8.4.2 液压速度控制系统的建模与仿真193

8.5 液压方向控制系统建模与仿真198

8.6 液压压力控制系统建模与仿真201

本章小结204

思考题204

练习题204

第9章 液压执行元件建模与仿真205

9.1 液压元件概述及其数学描述205

9.1.1 液压元件概述205

9.1.2 液压元件的基本数学描述206

9.2 四通阀控液压缸的建模与仿真209

9.2.1 液压缸的基本方程209

9.2.1 四通阀控液压缸动力机构方程与传递函数的推导209

9.2.2 四通阀控液压缸动力机构传递函数的简化213

9.2.3 四通阀控液压缸动力机构传递函数的简化与仿真214

9.3 四通阀控液压马达元件的建模与仿真216

9.3.1 四通阀控液压马达传递函数216

9.3.2 四通阀控液压缸动力机构传递函数的简化与仿真218

本章小结219

思考题219

练习题219

第10章 电子电路建模与仿真220

10.1 电子电路概述与数学描述220

10.1.1 电子电路概述220

10.1.2 电子电路的数学描述221

10.2 常用电路的分析方法225

10.2.1 直流电路分析方法225

10.2.2 交流电路分析方法226

10.3 电路仿真模块介绍与仿真步骤227

10.3.1 电路仿真模块介绍227

10.3.2 电路仿真步骤228

10.4 常用电路的建模与仿真229

10.4.1 直流电路的建模与仿真229

10.4.2 交流电路的建模与仿真231

10.4.3 含半导体器件电路的建模与仿真235

本章小结240

思考题240

练习题240

第11章 电机建模与仿真241

11.1 电机概述与仿真步骤241

11.1.1 电机概述241

11.1.2 Simulink电机仿真模块介绍及仿真步骤242

11.2 直流电机的建模与仿真243

11.2.1 直流电机启动243

11.2.2 直流电机调速250

11.2.3 直流电机制动253

11.3 交流电机的建模与仿真257

11.4 步进电机的建模与仿真267

本章小结269

思考题269

练习题269

第12章 电力系统建模与仿真270

12.1 电力系统270

12.1.1 电力系统概述270

12.1.2 电力系统仿真思想270

12.2 电力系统的数学描述271

12.2.1 同步发电机模型271

12.2.2 电力变压器模型275

12.2.3 输电线路模型278

12.2.4 电力系统负荷模型281

12.3 高压直流输电系统仿真与分析283

12.4 高压交流输电系统暂态仿真与分析290

12.5 交流电力系统机电暂态仿真与分析295

12.5.1 基于SVC的电力系统机电暂态仿真与分析296

12.5.2 基于综合潮流控制器的电力系统综合仿真与分析306

本章小结326

思考题326

练习题326

第13章 测控系统建模与仿真327

13.1 测控系统概述327

13.2 测控系统的数学描述328

13.2.1 测控系统的时域数学描述328

13.2.2 测控系统的复域数学描述331

13.3 测控系统常用分析方法334

13.3.1 测控系统的时域分析法334

13.3.2 测控系统的频域分析法337

本章小结342

思考题343

练习题343

第14章 PID控制器建模与仿真344

14.1 PID控制器概述344

14.2 PID控制器的数学描述与仿真模块介绍345

14.2.1 PID控制器的基本思想345

14.2.2 PID控制器原理的数学描述346

14.2.3 Simulink中PID控制器仿真模块的介绍347

14.3 模拟PID控制器的建模与仿真349

14.3.1 模拟PID控制器的构建350

14.3.2 模拟PID控制器的建模与仿真351

14.4 数字PID控制器的建模与MATLAB程序仿真354

14.4.1 连续系统的数字PID控制与MATLAB程序仿真354

14.4.2 离散系统的数字PID控制与MATLAB程序仿真356

14.4.3 增量式数字PID控制与MATLAB程序仿真357

14.4.4 位置PID控制与MATLAB程序仿真359

14.5 模糊PID控制器简介361

本章小结361

思考题362

练习题362

附录A 本书所用函数索引363

附录B MATLAB常用函数命令367

附录C Simulink机电模块库介绍369

参考文献375

周高峰，陕西华县人，于2012年9月在中原工学院开始从事教学科研工作，面向本校机电学院的研究生、本科生和大专生主要讲授计算仿真技术、Visual C 程序设计、光电检测技术、塑料模具设计与制造、光学工程基础、现代控制工程、机电综合课程设计等课程，指导本科毕业生3名；从事科研工作以来，发表学术论文15篇，其中SCI期刊论文1篇，EI论文6篇，中文核心7篇，获国家授权发明专利2项，参与完成科研项目6项，其中参与国家863项目3项，工程研发项目5项。首次出版书籍著作。2100433B

本书着眼于机电动态系统的仿真及工程应用，对机电系统中的机械机构、液压控制系统、电机、电子电路、电力系统、测控系统、PID控制等内容进行了建模与仿真。全书共14章。主要内容包括MATLAB工程基础回顾和总结；在Simulink的集成仿真环境中如何仿真机电动态系统；机械机构、液压系统工程的建模与仿真；电子电路、电机和电力系统的建模与仿真；机电测控系统的建模与仿真；PID控制器的建模与仿真。

本书可作为高等院校机械工程、仪器仪表与科学等专业的研究生教材，也可作为机电领域高级工程技术人员、科学研究人员和机电动态系统仿真爱好者的参考书。

本书重点介绍何利用MATLAB进行机电系统动态仿真。系统介绍了MATLAB6.X及Simulink软件包中与机电系统仿真有关的必要知识，以及机电液系统建模、动态特性分析、控制系统设计、计算机仿真技术等相关理论、方法及MATLAB应用，书中的例子、习题涉及到控制原理，机构学、机械振动、液压传动、伺服系统等诸多机类专业的课程，希望能为读者应用MATLAB进行机电系统分析提供借鉴。

本书可作为理工科院校机类专业本科生学习计算机仿真的教材或参考书，也可供相关专业的研究生或科研人员使用。

本书重点介绍如何利用MATLAB/Simulink进行机电液动态系统的建模、性能分析以及综合设计。其第1~4章系统介绍了动态仿真所应当掌握的MATLAB基本知识和操作，第5~8章介绍了机电液系统建模、时间相应、频率响应、控制系统综合校正等相关专业知识、算法以及进行仿真所对应的MATLAB函数，第9章重点介绍了Simulink的特点及利用Simulink进行机电液系统动态仿真的方法。

本书可作为理工科院校机械类(含机电类)有关专业，如机械设计与制造、机械电子工程、车辆工程、仪器与仪表等专业学生学习计算机动态仿真技术的教材或参考书，也可供相关专业的研究生或科研人员使用。

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