自本書第1版出版以來,越來越多的高校和企業(yè)工程技術(shù)人員使用本書,社會反響越來越好。根據(jù)大家的反饋意見和出版社的建議,作者結(jié)合中原工學(xué)院機(jī)電學(xué)院系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)課程的教學(xué)實(shí)踐和對MATLAB的認(rèn)知與理解,在第1版的基礎(chǔ)上組織開展了修訂工作,更正了書中的一些錯(cuò)誤和不妥之處,同時(shí)調(diào)整和補(bǔ)充了一些新的內(nèi)容和章節(jié),進(jìn)一步聚焦和突顯機(jī)電動態(tài)系統(tǒng)仿真及其工程應(yīng)用的主題,盡力為我國機(jī)電工程科技人員、機(jī)電研究人員和大學(xué)教師提供一些作者們的認(rèn)知和辦法。第2版主要做了以下工作:
,站在機(jī)電工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)的角度,修改了圖表表達(dá)方式,規(guī)范了書中標(biāo)點(diǎn)符號的使用,更新和增添了程序?qū)嵗蚍抡婺Ｐ蛯?shí)例,尤其是三維仿真模型,強(qiáng)化了應(yīng)用性示范作用。
第二,增強(qiáng)了MATLAB程序設(shè)計(jì)、Simulink集成仿真環(huán)境的用戶自定義模塊和子系統(tǒng)等內(nèi)容,修訂了S函數(shù)的設(shè)計(jì)應(yīng)用、混合系統(tǒng)的建模仿真等內(nèi)容。
第三,修訂了電力系統(tǒng)、PID 控制器等部分章節(jié)內(nèi)容,刪除了連桿機(jī)構(gòu)、液壓執(zhí)行元件、PID控制器等中一些不合時(shí)宜的內(nèi)容,增加了MATLAB讀/寫外部數(shù)據(jù)的內(nèi)容。
第四,為各章節(jié)例題配備了相應(yīng)的MATLAB/Simulink仿真模型文件(.mdl文件),以供大家學(xué)習(xí)、練習(xí)和研究之用。
第2版由周高峰、李崢峰、張琦編著,陳永騫、岳永高、崔陸軍、尚會超也參與了本書的修訂工作。具體編寫分工如下:第1~4章由李崢峰編寫,第5~8、10章由周高峰編寫,第11~12章由張琦編寫,第9、13~14章由陳永騫編寫,第15章由岳永高和河南技師學(xué)院史祥斌編寫。崔陸軍、尚會超校審了全書。全書由周高峰統(tǒng)稿和修訂。
鄭州輕工業(yè)大學(xué)袁陪副教授審閱了全稿并提出了修改意見,在此深表謝意!
在本書定稿之際,特別要感謝中原工學(xué)院機(jī)電學(xué)院的領(lǐng)導(dǎo)們對第2版修訂工作的指導(dǎo)、幫助和支持;同時(shí),也特別感謝北京航空航天大學(xué)出版社為本書第2版的出版繼續(xù)所做的一切工作和努力。
由于機(jī)電動態(tài)系統(tǒng)和MATLAB發(fā)展迅速,新的機(jī)電動態(tài)系統(tǒng)仿真技術(shù)層出不窮,仿真分析方法也日新月異,作者深感視野、認(rèn)知和實(shí)踐水平有限,加之時(shí)間倉促,因此本書第2版的內(nèi)容仍然會有不當(dāng)之處,敬請廣大讀者提出寶貴的指導(dǎo)意見和建議,在此深表謝意!
作者
2021年6月于中原工學(xué)院
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 2020的安裝與使用 3
1.2.1 MATLAB 2020的安裝 3
1.2.2 MATLAB視窗環(huán)境 8
1.3 MATLAB工程計(jì)算與圖形繪制 12
1.3.1 MATLAB工程計(jì)算 12
1.3.2 圖形繪制與輸出 29
1.3.3 MATLAB解方程(組) 37
本章小結(jié) 42
思考練習(xí)題 42
第2章 MATLAB程序設(shè)計(jì)及仿真 43
2.1 M 文件 43
2.1.1 M 腳本文件 43
2.1.2 M 函數(shù) 44
2.1.3 M 函數(shù)程序 45
2.1.4 全局變量與局部變量 47
2.2 函 數(shù) 47
2.2.1 子函數(shù)和私有函數(shù) 47
2.2.2 串演算函數(shù) 48
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?50
2.4.1 流程控制 50
2.4.2 面向?qū)ο缶幊?53
2.5 M 文件調(diào)試與剖析 54
2.5.1 M 文件調(diào)試 54
2.5.2 M 文件性能剖析 57
2.6 良好的編程習(xí)慣 58
本章小結(jié) 59
思考練習(xí)題 59
第3章 Simulink集成仿真環(huán)境 60
3.1 Simulink的啟動與運(yùn)行 60
3.2 Simulink仿真模型的特點(diǎn)和數(shù)據(jù)類型 64
3.2.1 Simulink仿真模型的特點(diǎn) 64
3.2.2 Simulink仿真模型的數(shù)據(jù)類型 66
3.3 Simulink模塊的構(gòu)成和模塊庫介紹 68
3.3.1 Simulink模塊的構(gòu)成 68
3.3.2 公共模塊庫 69
3.3.3 專業(yè)模塊庫 87
3.4 Simulink基本操作 88
3.4.1 Simulink模塊基本操作 89
3.4.2 Simulink信號線基本操作 93
3.4.3 Simulink系統(tǒng)模型基本操作 99
3.4.4 Simulink子系統(tǒng)基本操作 100
3.5 Simulink仿真設(shè)置 117
3.6 Simulink用戶自定義模塊及模塊庫的創(chuàng)建和使用 129
3.6.1 Simulink用戶自定義模塊 129
3.6.2 Simulink模塊庫的創(chuàng)建和使用 134
3.7 S函數(shù)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用 140
3.7.1 S函數(shù)的設(shè)計(jì) 141
3.7.2 S函數(shù)的應(yīng)用 145
本章小結(jié) 149
思考練習(xí)題 150
第4章 Simulink建模與實(shí)例 151
4.1 Simulink建模的步驟和方法技巧 151
4.1.1 Simulink建模的步驟 151
4.1.2 Simulink建模的方法技巧 153
4.2 Simulink運(yùn)行仿真與保存 154
4.2.1 啟動與仿真 154
4.2.2 仿真模型調(diào)試 156
4.2.3 優(yōu)化仿真過程 159
4.2.4 保存仿真模型 161
4.3 Simulink建模舉例 161
本章小結(jié) 170
思考練習(xí)題 170
第5章 典型動態(tài)系統(tǒng)建模與仿真 171
5.1 動態(tài)系統(tǒng)建模 171
5.1.1 動態(tài)系統(tǒng)概述 171
5.1.2 動態(tài)系統(tǒng)建模示例 173
5.1.3 動態(tài)系統(tǒng)仿真過程 174
5.2 連續(xù)系統(tǒng)建模與仿真 174
5.2.1 連續(xù)系統(tǒng)的基本概念 174
5.2.2 連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述 175
5.2.3 連續(xù)系統(tǒng)的Simulink建模仿真與 M 文件仿真 175
5.3 離散系統(tǒng)建模與仿真 178
5.3.1 離散系統(tǒng)的基本概念 178
5.3.2 離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述 179
5.3.3 離散系統(tǒng)的Simulink建模仿真與 M 文件仿真 180
5.4 線性系統(tǒng)建模與仿真 183
5.4.1 線性連續(xù)系統(tǒng)的Simulink建模與仿真 183
5.4.2 線性離散系統(tǒng)的Simulink建模與仿真 190
5.5 混合系統(tǒng)建模與仿真 194
本章小結(jié) 195
思考練習(xí)題 195
第6章 連桿機(jī)構(gòu)建模與仿真 196
6.1 連桿機(jī)構(gòu)概述 196
6.1.1 連桿機(jī)構(gòu)的基本問題 196
6.1.2 連桿機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算 197
6.2 連桿機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)描述與 Multibody仿真工具介紹 198
6.2.1 連桿機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)描述 198
6.2.2 Multibody仿真工具介紹 199
6.2.3 Multibody機(jī)械建模示例 202
6.3 平面連桿機(jī)構(gòu)建模與仿真 208
6.3.1 平面曲柄搖桿機(jī)構(gòu)建模與仿真 208
6.3.2 平面曲柄滑塊機(jī)構(gòu)建模與仿真 214
6.4 空間連桿機(jī)構(gòu)建模與仿真 221
6.4.1 空間連桿機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算 222
6.4.2 空間連桿機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)描述 223
6.4.3 空間連桿機(jī)構(gòu)仿真示例 225
6.5 連桿機(jī)構(gòu)建模仿真的工程應(yīng)用 227
本章小結(jié) 237
思考練習(xí)題 237
第7章 齒輪機(jī)構(gòu)建模與仿真 238
7.1 齒輪機(jī)構(gòu)概述 238
7.1.1 齒輪機(jī)構(gòu)傳動比 238
7.1.2 簡單齒輪機(jī)構(gòu)仿真舉例 239
7.2 常規(guī)齒輪機(jī)構(gòu)建模與仿真 242
7.2.1 可變傳動比齒輪機(jī)構(gòu)建模與仿真 242
7.2.2 恒定傳動比串聯(lián)齒輪機(jī)構(gòu)建模與仿真 244
7.2.3 定傳動比與可變傳動比串聯(lián)齒輪機(jī)構(gòu)建模與仿真 245
7.2.4 含有約束的齒輪機(jī)構(gòu)建模與仿真 246
7.2.5 齒輪五桿機(jī)構(gòu)建模與仿真 252
7.3 輪系機(jī)構(gòu)建模與仿真 257
7.3.1 輪系概述 257
7.3.2 定軸輪系建模與仿真 258
7.3.3 行星輪系建模與仿真 260
7.4 機(jī)械系統(tǒng)建模與仿真 262
7.4.1 齒輪齒條機(jī)構(gòu)建模與仿真 262
7.4.2 機(jī)械系統(tǒng)仿真示例 266
本章小結(jié) 272
思考練習(xí)題 272
第8章 液壓控制系統(tǒng)建模與仿真 273
8.1 液壓控制系統(tǒng)概述及數(shù)學(xué)描述 273
8.1.1 液壓控制系統(tǒng)概述 273
8.1.2 液壓控制系統(tǒng)的建模過程 275
8.1.3 液壓控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述 275
8.2 液壓控制系統(tǒng)的仿真工具介紹 276
8.3 液壓位置控制系統(tǒng)建模與仿真 279
8.3.1 液壓位置控制系統(tǒng)的組成與工作原理 279
8.3.2 液壓位置控制系統(tǒng)框圖與傳遞函數(shù) 280
8.3.3 液壓位置控制系統(tǒng)仿真示例 282
8.4 液壓速度控制系統(tǒng)建模與仿真 286
8.4.1 液壓速度控制系統(tǒng)的構(gòu)成與控制方式 287
8.4.2 液壓速度控制系統(tǒng)仿真示例 289
8.5 液壓方向控制系統(tǒng)建模與仿真 295
8.6 液壓壓力控制系統(tǒng)建模與仿真 298
本章小結(jié) 301
思考練習(xí)題 301
第9章 液壓執(zhí)行元件建模與仿真 302
9.1 液壓元件概述及數(shù)學(xué)描述 302
9.1.1 液壓元件概述 302
9.1.2 液壓元件的基本數(shù)學(xué)描述 303
9.2 四通閥控液壓缸的建模與仿真 306
9.2.1 液壓缸的基本方程 306
9.2.2 四通閥控液壓缸動力機(jī)構(gòu)方程與傳遞函數(shù)的推導(dǎo) 306
9.2.3 四通閥控液壓缸傳遞函數(shù)仿真 310
9.2.4 四通閥控液壓缸動力機(jī)構(gòu)傳遞函數(shù)的簡化與仿真 312
9.3 四通閥控液壓馬達(dá)元件的建模與仿真 315
9.3.1 四通閥控液壓馬達(dá)傳遞函數(shù) 315
9.3.2 四通閥控液壓馬達(dá)傳遞函數(shù)仿真 316
本章小結(jié) 318
思考練習(xí)題 319
第10章 電子電路建模與仿真 320
10.1 電子電路概述及數(shù)學(xué)描述 320
10.1.1 電子電路概述 320
10.1.2 電子電路的數(shù)學(xué)描述 321
10.2 常用電路的分析方法 326
10.2.1 直流電路分析方法 326
10.2.2 交流電路分析方法 327
10.3 電路仿真模塊介紹與仿真步驟 328
10.3.1 電路仿真模塊介紹 328
10.3.2 電路仿真步驟 330
10.4 常用電路的建模與仿真 331
10.4.1 直流電路的建模與仿真 331
10.4.2 交流電路的建模與仿真 334
10.4.3 含半導(dǎo)體器件電路的建模與仿真 338
10.4.4 常用數(shù)字電路的建模與仿真 343
本章小結(jié) 352
思考練習(xí)題 352
第11章 電機(jī)建模與仿真 353
11.1 電機(jī)概述與仿真步驟 353
11.1.1 電機(jī)概述 353
11.1.2 電機(jī)仿真步驟 354
11.2 直流電機(jī)的建模與仿真 355
11.2.1 直流電機(jī)啟動 355
11.2.2 直流電機(jī)調(diào)速 364
11.2.3 直流電機(jī)制動 367
11.3 交流電機(jī)的建模與仿真 372
11.4 步進(jìn)電機(jī)的建模與仿真 382
11.5 變壓器的建模與仿真 386
11.5.1 變壓器空載運(yùn)行 387
11.5.2 變壓器負(fù)載運(yùn)行 391
本章小結(jié) 395
思考練習(xí)題 395
第12章 電力系統(tǒng)建模與仿真 396
12.1 電力系統(tǒng)概述 396
12.1.1 電力系統(tǒng)概念和特點(diǎn) 396
12.1.2 電力系統(tǒng)仿真思想 397
12.2 電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述 397
12.2.1 同步發(fā)電機(jī)模型 397
12.2.2 電力變壓器模型 402
12.2.3 輸電線路模型 406
12.2.4 電力系統(tǒng)負(fù)荷模型 410
12.3 高壓直流輸電系統(tǒng)仿真與分析 413
12.4 高壓交流輸電系統(tǒng)暫態(tài)仿真與分析 420
12.5 交流電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真與分析 425
12.5.1 基于SVC的電力系統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)仿真與分析 426
12.5.2 基于 UPFC的電力系統(tǒng)綜合仿真與分析 435
本章小結(jié) 452
思考練習(xí)題 452
第13章 測控系統(tǒng)建模與仿真 453
13.1 測控系統(tǒng)概述 453
13.2 測控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述 454
13.2.1 測控系統(tǒng)的時(shí)域數(shù)學(xué)描述 454
13.2.2 測控系統(tǒng)的復(fù)域數(shù)學(xué)描述 457
13.3 測控系統(tǒng)常用分析方法 460
13.3.1 測控系統(tǒng)的時(shí)域分析法 461
13.3.2 測控系統(tǒng)的頻域分析法 464
本章小結(jié) 467
思考練習(xí)題 468
第14章 PID控制器建模與仿真 469
14.1 PID控制器概述 469
14.2 PID控制器的數(shù)學(xué)描述與仿真模塊介紹 470
14.2.1 PID控制器的基本思想 470
14.2.2 PID控制器原理的數(shù)學(xué)描述 471
14.2.3 Simulink中PID控制器仿真模塊介紹 472
14.3 模擬PID控制器的建模與仿真 474
14.3.1 模擬PID控制器的構(gòu)建 475
14.3.2 模擬PID控制器仿真示例 476
14.4 數(shù)字PID控制器的 M 文件仿真 479
14.4.1 連續(xù)系統(tǒng)數(shù)字PID控制器的 M 文件仿真 480
14.4.2 離散系統(tǒng)數(shù)字PID控制器的 M 文件仿真 481
14.4.3 增量式數(shù)字PID控制器的 M 文件仿真 483
14.4.4 位置PID控制器的 M 文件仿真 484
14.5 其他PID控制器概述 486
本章小結(jié) 487
思考練習(xí)題 487
第15章 讀/寫外部數(shù)據(jù) 488
15.1 管理文件夾 488
15.2 讀/寫數(shù)據(jù)文件 492
15.2.1 讀取數(shù)據(jù)文件 492
15.2.2 導(dǎo)出數(shù)據(jù)文件 497
15.3 讀/寫音頻文件與圖像文件 499
15.3.1 讀/寫、錄制和播放音頻文件 499
15.3.2 讀取、顯示和寫入圖像文件 503
15.4 讀/寫視頻與攝像頭數(shù)據(jù) 508
15.4.1 讀取和寫入視頻文件 509
15.4.2 讀取攝像頭數(shù)據(jù) 511
本章小結(jié) 515
思考練習(xí)題 515
參考文獻(xiàn) 516
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