机电系统动态仿真——基于MATLAB/Simulink（第3版）

前 言

第 1 章 MATLAB 基础 …………… 1

11 概述 ………………………………… 1

111 MATLAB 的发展历程 …………1

112 MATLAB 的基本组成和特点 …2

12 MATLAB 操作界面………………3

13 指令窗口运行 ……………………… 5

131 数值、 变量和表达式 …………… 5

132 指令窗口操作 ………………… 7

14 历史指令窗口 ……………………… 9

15 当前目录窗口、 路径设置器和

文件管理 …………………………… 9

151 MATLAB 的搜索路径 ………9

152 当前目录浏览器………………… 9

16 工作空间窗口和数组编辑器 ………11

161 工作空间窗口 ………………… 11

162 数组编辑器 …………………… 11

17 M 文件编辑器和 M 脚本文件编写 12

171 M 文件编辑器简介 …………… 12

172 M 脚本文件的编写 …………… 12

18 使用 MATLAB 帮助 ……………14

习题 1 …………………………………… 15

第 2 章 数组及其运算 ………………… 17

21 简介 ……………………………… 17

22 数值数组的生成和寻访 ……………17

221 数值数组的生成 ……………… 17

222 数值数组的寻访 ……………… 21

23 数组运算和矩阵运算 …………… 23

231 执行数组运算的常用函数 …… 23

232 数组和矩阵运算 ……………… 24

24 “ 非数” 和 “ 空” 数组……… 25

241 非数…………………………… 25

242 “ 空” 数组 …………………… 26

25 数组的关系运算和逻辑运算 ………… 27

251 关系运算 ……………………… 27

252 逻辑运算 ……………………… 28

26 字符串数组 ………………………… 29

261 字符串数组的创建与操作 ……… 29

262 串操作函数 …………………… 30

263 串转换函数 …………………… 31

27 元胞数组…………………………… 33

271 元胞数组的创建和显示………… 33

272 元胞数组内容的调取 ………… 34

28 构架数组…………………………… 35

习题 2 …………………………………… 35

第 3 章 数据和函数的可视化 ………… 37

31 二维曲线绘图 ……………………… 37

311 plot 的基本调用格式 …………… 37

312 曲线的色彩、 线型和数据点型 … 39

313 图形控制 ……………………… 40

32 三维绘图…………………………… 50

321 plot3 的基本调用格式 ………… 50

322 三维网线图和曲面图 ………… 50

33 图形窗口功能简介 ………………… 58

331 图形窗口工具条 ……………… 58

332 图形编辑 ……………………… 59

34 试验数据的图形表达 ……………… 62

341 EXCEL 数据文件绘图 ………… 62

342 文本数据文件绘图 …………… 63

习题 3 …………………………………… 65

第 4 章 MATLAB 编程………………… 66

41 MATLAB 程序控制 ………………… 66

411 for 循环结构 …………………… 66

412 while 循环结构 ………………… 67

413 ifelseend 分支结构 …………… 67

414 switchcase 结构 ……………… 68

目 录

415 trycatch 结构 ………………… 69

416 控制程序流的其他常用指令 …… 70

42 M 脚本文件和 M 函数文件 ………… 70

421 M 脚本文件 …………………… 70

422 M 函数文件 …………………… 70

423 M 函数文件的一般结构………… 71

424 局部变量和全局变量 ………… 72

43 变量的检测传递和限权使用函数 …… 72

431 输入、 输出参量检测指令 ……… 72

432 子函数 ………………………… 73

433 私有函数 ……………………… 75

44 串演算函数 ………………………… 75

441 eval …………………………… 75

442 feval ………………………… 76

443 内联函数 ……………………… 76

45 函数句柄…………………………… 77

451 函数句柄的创建和观察………… 77

452 函数句柄的基本用法 ………… 77

46 符号计算…………………………… 78

461 符号对象和使用 ……………… 78

462 符号表达式的操作 …………… 80

463 符号微积分 …………………… 81

习题 4 …………………………………… 83

第 5 章 系统模型 ……………………… 85

51 系统仿真概述 ……………………… 85

511 系统仿真及其分类 …………… 85

512 仿真模型与仿真研究 ………… 86

52 系统数学模型 ……………………… 86

521 系统时域模型 ………………… 86

522 系统传递函数模型 …………… 87

523 系统零极点增益模型 ………… 88

524 状态空间模型 ………………… 88

525 系统模型的转换 ……………… 90

526 系统模型参数的获取 ………… 91

527 时间延迟系统建模 …………… 92

528 模型属性设置和获取 ………… 93

53 系统模型的连接 …………………… 94

531 模型串联 ……………………… 94

532 模型并联 ……………………… 95

533 反馈连接 ……………………… 95

54 机电系统建模举例 ………………… 96

541 半定系统建模 ………………… 96

542 机械加速度计建模 …………… 98

543 磁悬浮系统建模 ……………… 99

544 液压动力元件建模 …………… 100

习题 5 ………………………………… 101

第 6 章 系统时间响应及其仿真 ……… 103

61 仿真算法 ………………………… 103

611 数值积分的基本原理 ………… 103

612 数值积分方法的选择 ………… 108

613 基于离散相似法的系统

仿真方法 …………………… 108

62 系统仿真的 MATLAB 函数 ………… 109

621 数值积分方法的 MATLAB

函数 ………………………… 109

622 时间响应仿真的 MATLAB

函数 ………………………… 113

63 采样控制系统仿真 ………………… 117

631 采样控制系统的基本组成 …… 117

632 采样控制系统仿真特点 ……… 118

633 采样控制系统仿真方法 ……… 118

习题 6 ………………………………… 120

第 7 章 系统频率响应及其仿真 ……… 123

71 频率特性的一般概念 ……………… 123

711 频率响应与频率特性 ………… 123

712 Nyquist 图与 Bode 图 ………… 124

713 稳定裕度 …………………… 124

72 连续系统频率特性的 MATLAB

函数 ……………………………… 125

721 频率响应的计算 ……………… 125

722 频率特性图示法 ……………… 127

73 离散系统频域仿真 ………………… 131

74 系统分析图形用户界面 …………… 133

习题 7 ………………………………… 137

第 8 章 控制系统的综合与校正 ……… 139

81 系统性能指标的计算 ……………… 139

Ⅴ

机电系统动态仿真———基于 MATLAB /Simulink 第 3 版

811 时域指标 …………………… 139

812 频域指标 …………………… 142

82 系统校正的 MATLAB 编程 ………… 143

821 相位滞后校正 ………………… 143

822 PID 校正……………………… 146

83 控制系统设计举例 ………………… 150

831 汽车悬架系统控制 …………… 150

832 阀控液压马达速度控制系统 …… 152

习题 8 ………………………………… 155

第 9 章 Simulink 动态仿真 …………… 158

91 Simulink 基本操作 ………………… 158

911 启动 Simulink ………………… 158

912 打开空白模型窗口 …………… 160

913 建立 Simulink 仿真模型 ……… 161

914 系统仿真运行 ………………… 163

915 仿真结果的输出和保存 ……… 164

92 模块库和系统仿真 ………………… 164

921 Simulink 模块库 ……………… 164

922 Simulink 环境下的仿真运行 …… 174

93 子系统的创建与封装 ……………… 179

931 子系统的创建 ………………… 179

932 子系统的封装 ………………… 181

933 条件子系统…………………… 185

94 Simulink 仿真举例 ………………… 190

941 曲柄滑块机构的运动学仿真 … 190

942 悬吊式起重机动力学仿真 …… 194

943 阀控液压缸的动刚度分析 …… 196

95 S函数简介 ……………………… 199

951 S函数的概念 ………………… 199

952 编写 M 文件 S函数…………… 202

习题 9 ………………………………… 208

参考文献 ………………………………… 211

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和近机类专业，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。

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。

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。

前言

第1章 MATLAB基础

1.1 概述

1.2 MATLAB操作界面

1.3 Command Window运行

1.4 Command History窗

1.5 Current Directory、路径设置器和文件管理

1.6 Workspace Browser和Array Editor

1.7 M文件编辑器和脚本编写

1.8 使用MATLAB帮助

习题1

第2章 数组及其运算

2.1 简介

2.2 数值数组的生成和寻访

2.3 数组运算和矩阵运算

2.4 非数和“空”数组

2.5 数组的关系运算和逻辑运算

2.6 字符串数组

2.7 元胞数组

2.8 构架数组

习题2

第3章 数据和函数的可视化

3.1 二维曲线绘图

3.2 三维绘图

3.3 图形窗功能简介

习题3

第4章 MATLAB编程

4.1 MATLAB程序控制

4.2 M脚本文件和M函数文件

4.3 变量的检测传递和限权使用涵数

4.4 串演算函数

4.5 函数句柄

4.6 符号计算

习题4

第5章 系统模型

……

第6章 系统时间响应及其仿真

第7章 系统频率响应及其仿真

第8章 控制系统的综合与校正

第9章 Simulink动态仿真2100433B