本书始终围绕机电动态系统的仿真及其工程应用这个主题而展开,主要讲解了有关机电动态系统中的连杆机构、齿轮机构、液压控制系统、液压执行元件、电子电路、电机、电力系统、测控系统、PID控制器、读/写外部数据等内容。本书在第1版的基础上对各章节内容进行了补充和完善,增加了读/写外部数据内容。全书共15章,第1、2章回顾和总结MATLAB工程基础;第3~5章说明在Simulink的集成仿真环境中如何仿真机电动态系统;第6~9章讲解机械机构、液压控制系统工程的建模与仿真;第10~12章讲解电子电路、电机和电力系统的建模与仿真;第13章讲解测控系统的建模与仿真;第14章说明PID 控制器的建模与仿真;第15章讲解MATLAB读/写外部数据。
本书可作为高等院校机械工程、仪器科学与技术、电气工程、自动化专业的研究生教材,也可作为机电工程领域中的高级工程技术人员、大学教师、科学研究人员和机电动态系统仿真爱好者的参考书。
本书为读者免费提供书中示例的程序源代码、Simulink仿真模型和部分课件,请关注微信公众号北航科技图书,回复3624,获得百度网盘的下载链接。
自本书第1版出版以来,越来越多的高校和企业工程技术人员使用本书,社会反响越来越好。根据大家的反馈意见和出版社的建议,作者结合中原工学院机电学院系统建模与仿真技术课程的教学实践和对MATLAB的认知与理解,在第1版的基础上组织开展了修订工作,更正了书中的一些错误和不妥之处,同时调整和补充了一些新的内容和章节,进一步聚焦和突显机电动态系统仿真及其工程应用的主题,尽力为我国机电工程科技人员、机电研究人员和大学教师提供一些作者们的认知和办法。第2版主要做了以下工作:
,站在机电工程技术人员学习的角度,修改了图表表达方式,规范了书中标点符号的使用,更新和增添了程序实例或仿真模型实例,尤其是三维仿真模型,强化了应用性示范作用。
第二,增强了MATLAB程序设计、Simulink集成仿真环境的用户自定义模块和子系统等内容,修订了S函数的设计应用、混合系统的建模仿真等内容。
第三,修订了电力系统、PID 控制器等部分章节内容,删除了连杆机构、液压执行元件、PID控制器等中一些不合时宜的内容,增加了MATLAB读/写外部数据的内容。
第四,为各章节例题配备了相应的MATLAB/Simulink仿真模型文件(.mdl文件),以供大家学习、练习和研究之用。
第2版由周高峰、李峥峰、张琦编著,陈永骞、岳永高、崔陆军、尚会超也参与了本书的修订工作。具体编写分工如下:第1~4章由李峥峰编写,第5~8、10章由周高峰编写,第11~12章由张琦编写,第9、13~14章由陈永骞编写,第15章由岳永高和河南技师学院史祥斌编写。崔陆军、尚会超校审了全书。全书由周高峰统稿和修订。
郑州轻工业大学袁陪副教授审阅了全稿并提出了修改意见,在此深表谢意!
在本书定稿之际,特别要感谢中原工学院机电学院的领导们对第2版修订工作的指导、帮助和支持;同时,也特别感谢北京航空航天大学出版社为本书第2版的出版继续所做的一切工作和努力。
由于机电动态系统和MATLAB发展迅速,新的机电动态系统仿真技术层出不穷,仿真分析方法也日新月异,作者深感视野、认知和实践水平有限,加之时间仓促,因此本书第2版的内容仍然会有不当之处,敬请广大读者提出宝贵的指导意见和建议,在此深表谢意!
作者
2021年6月于中原工学院
周高峰，工学博士，副教授，硕士研究生导师。从事机械电子工程专业的教学科研工作，现就职于中原工学院机电学院。主要讲授机械电子工程专业课程、机械工程基础课程及研究生课程，研究方向为传感器技术、机电检测技术、机电控制与自动化、机器人理论及其技术应用。同时担任多家国际学术期刊的学术稿件审稿人和编委，如JMMT、Sensor Review、IEEE Sensors Journal、Assembly Automation、Industrial Robot、IEEE Transaction on Mechatronics、Review of Scientific Instrument等。已发表学术论文40余篇，其中SCI/EI论文9篇，获授权发明专利4项，主持出版中、英文专业科技书籍4部。
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 2020的安装与使用 3
1.2.1 MATLAB 2020的安装 3
1.2.2 MATLAB视窗环境 8
1.3 MATLAB工程计算与图形绘制 12
1.3.1 MATLAB工程计算 12
1.3.2 图形绘制与输出 29
1.3.3 MATLAB解方程(组) 37
本章小结 42
思考练习题 42
第2章 MATLAB程序设计及仿真 43
2.1 M 文件 43
2.1.1 M 脚本文件 43
2.1.2 M 函数 44
2.1.3 M 函数程序 45
2.1.4 全局变量与局部变量 47
2.2 函 数 47
2.2.1 子函数和私有函数 47
2.2.2 串演算函数 48
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 50
2.4.1 流程控制 50
2.4.2 面向对象编程 53
2.5 M 文件调试与剖析 54
2.5.1 M 文件调试 54
2.5.2 M 文件性能剖析 57
2.6 良好的编程习惯 58
本章小结 59
思考练习题 59
第3章 Simulink集成仿真环境 60
3.1 Simulink的启动与运行 60
3.2 Simulink仿真模型的特点和数据类型 64
3.2.1 Simulink仿真模型的特点 64
3.2.2 Simulink仿真模型的数据类型 66
3.3 Simulink模块的构成和模块库介绍 68
3.3.1 Simulink模块的构成 68
3.3.2 公共模块库 69
3.3.3 专业模块库 87
3.4 Simulink基本操作 88
3.4.1 Simulink模块基本操作 89
3.4.2 Simulink信号线基本操作 93
3.4.3 Simulink系统模型基本操作 99
3.4.4 Simulink子系统基本操作 100
3.5 Simulink仿真设置 117
3.6 Simulink用户自定义模块及模块库的创建和使用 129
3.6.1 Simulink用户自定义模块 129
3.6.2 Simulink模块库的创建和使用 134
3.7 S函数的设计和应用 140
3.7.1 S函数的设计 141
3.7.2 S函数的应用 145
本章小结 149
思考练习题 150
第4章 Simulink建模与实例 151
4.1 Simulink建模的步骤和方法技巧 151
4.1.1 Simulink建模的步骤 151
4.1.2 Simulink建模的方法技巧 153
4.2 Simulink运行仿真与保存 154
4.2.1 启动与仿真 154
4.2.2 仿真模型调试 156
4.2.3 优化仿真过程 159
4.2.4 保存仿真模型 161
4.3 Simulink建模举例 161
本章小结 170
思考练习题 170
第5章 典型动态系统建模与仿真 171
5.1 动态系统建模 171
5.1.1 动态系统概述 171
5.1.2 动态系统建模示例 173
5.1.3 动态系统仿真过程 174
5.2 连续系统建模与仿真 174
5.2.1 连续系统的基本概念 174
5.2.2 连续系统的数学描述 175
5.2.3 连续系统的Simulink建模仿真与 M 文件仿真 175
5.3 离散系统建模与仿真 178
5.3.1 离散系统的基本概念 178
5.3.2 离散系统的数学描述 179
5.3.3 离散系统的Simulink建模仿真与 M 文件仿真 180
5.4 线性系统建模与仿真 183
5.4.1 线性连续系统的Simulink建模与仿真 183
5.4.2 线性离散系统的Simulink建模与仿真 190
5.5 混合系统建模与仿真 194
本章小结 195
思考练习题 195
第6章 连杆机构建模与仿真 196
6.1 连杆机构概述 196
6.1.1 连杆机构的基本问题 196
6.1.2 连杆机构自由度的计算 197
6.2 连杆机构的数学描述与 Multibody仿真工具介绍 198
6.2.1 连杆机构的数学描述 198
6.2.2 Multibody仿真工具介绍 199
6.2.3 Multibody机械建模示例 202
6.3 平面连杆机构建模与仿真 208
6.3.1 平面曲柄摇杆机构建模与仿真 208
6.3.2 平面曲柄滑块机构建模与仿真 214
6.4 空间连杆机构建模与仿真 221
6.4.1 空间连杆机构自由度的计算 222
6.4.2 空间连杆机构的数学描述 223
6.4.3 空间连杆机构仿真示例 225
6.5 连杆机构建模仿真的工程应用 227
本章小结 237
思考练习题 237
第7章 齿轮机构建模与仿真 238
7.1 齿轮机构概述 238
7.1.1 齿轮机构传动比 238
7.1.2 简单齿轮机构仿真举例 239
7.2 常规齿轮机构建模与仿真 242
7.2.1 可变传动比齿轮机构建模与仿真 242
7.2.2 恒定传动比串联齿轮机构建模与仿真 244
7.2.3 定传动比与可变传动比串联齿轮机构建模与仿真 245
7.2.4 含有约束的齿轮机构建模与仿真 246
7.2.5 齿轮五杆机构建模与仿真 252
7.3 轮系机构建模与仿真 257
7.3.1 轮系概述 257
7.3.2 定轴轮系建模与仿真 258
7.3.3 行星轮系建模与仿真 260
7.4 机械系统建模与仿真 262
7.4.1 齿轮齿条机构建模与仿真 262
7.4.2 机械系统仿真示例 266
本章小结 272
思考练习题 272
第8章 液压控制系统建模与仿真 273
8.1 液压控制系统概述及数学描述 273
8.1.1 液压控制系统概述 273
8.1.2 液压控制系统的建模过程 275
8.1.3 液压控制系统的数学描述 275
8.2 液压控制系统的仿真工具介绍 276
8.3 液压位置控制系统建模与仿真 279
8.3.1 液压位置控制系统的组成与工作原理 279
8.3.2 液压位置控制系统框图与传递函数 280
8.3.3 液压位置控制系统仿真示例 282
8.4 液压速度控制系统建模与仿真 286
8.4.1 液压速度控制系统的构成与控制方式 287
8.4.2 液压速度控制系统仿真示例 289
8.5 液压方向控制系统建模与仿真 295
8.6 液压压力控制系统建模与仿真 298
本章小结 301
思考练习题 301
第9章 液压执行元件建模与仿真 302
9.1 液压元件概述及数学描述 302
9.1.1 液压元件概述 302
9.1.2 液压元件的基本数学描述 303
9.2 四通阀控液压缸的建模与仿真 306
9.2.1 液压缸的基本方程 306
9.2.2 四通阀控液压缸动力机构方程与传递函数的推导 306
9.2.3 四通阀控液压缸传递函数仿真 310
9.2.4 四通阀控液压缸动力机构传递函数的简化与仿真 312
9.3 四通阀控液压马达元件的建模与仿真 315
9.3.1 四通阀控液压马达传递函数 315
9.3.2 四通阀控液压马达传递函数仿真 316
本章小结 318
思考练习题 319
第10章 电子电路建模与仿真 320
10.1 电子电路概述及数学描述 320
10.1.1 电子电路概述 320
10.1.2 电子电路的数学描述 321
10.2 常用电路的分析方法 326
10.2.1 直流电路分析方法 326
10.2.2 交流电路分析方法 327
10.3 电路仿真模块介绍与仿真步骤 328
10.3.1 电路仿真模块介绍 328
10.3.2 电路仿真步骤 330
10.4 常用电路的建模与仿真 331
10.4.1 直流电路的建模与仿真 331
10.4.2 交流电路的建模与仿真 334
10.4.3 含半导体器件电路的建模与仿真 338
10.4.4 常用数字电路的建模与仿真 343
本章小结 352
思考练习题 352
第11章 电机建模与仿真 353
11.1 电机概述与仿真步骤 353
11.1.1 电机概述 353
11.1.2 电机仿真步骤 354
11.2 直流电机的建模与仿真 355
11.2.1 直流电机启动 355
11.2.2 直流电机调速 364
11.2.3 直流电机制动 367
11.3 交流电机的建模与仿真 372
11.4 步进电机的建模与仿真 382
11.5 变压器的建模与仿真 386
11.5.1 变压器空载运行 387
11.5.2 变压器负载运行 391
本章小结 395
思考练习题 395
第12章 电力系统建模与仿真 396
12.1 电力系统概述 396
12.1.1 电力系统概念和特点 396
12.1.2 电力系统仿真思想 397
12.2 电力系统的数学描述 397
12.2.1 同步发电机模型 397
12.2.2 电力变压器模型 402
12.2.3 输电线路模型 406
12.2.4 电力系统负荷模型 410
12.3 高压直流输电系统仿真与分析 413
12.4 高压交流输电系统暂态仿真与分析 420
12.5 交流电力系统机电暂态仿真与分析 425
12.5.1 基于SVC的电力系统机电暂态仿真与分析 426
12.5.2 基于 UPFC的电力系统综合仿真与分析 435
本章小结 452
思考练习题 452
第13章 测控系统建模与仿真 453
13.1 测控系统概述 453
13.2 测控系统的数学描述 454
13.2.1 测控系统的时域数学描述 454
13.2.2 测控系统的复域数学描述 457
13.3 测控系统常用分析方法 460
13.3.1 测控系统的时域分析法 461
13.3.2 测控系统的频域分析法 464
本章小结 467
思考练习题 468
第14章 PID控制器建模与仿真 469
14.1 PID控制器概述 469
14.2 PID控制器的数学描述与仿真模块介绍 470
14.2.1 PID控制器的基本思想 470
14.2.2 PID控制器原理的数学描述 471
14.2.3 Simulink中PID控制器仿真模块介绍 472
14.3 模拟PID控制器的建模与仿真 474
14.3.1 模拟PID控制器的构建 475
14.3.2 模拟PID控制器仿真示例 476
14.4 数字PID控制器的 M 文件仿真 479
14.4.1 连续系统数字PID控制器的 M 文件仿真 480
14.4.2 离散系统数字PID控制器的 M 文件仿真 481
14.4.3 增量式数字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
本章小结 487
思考练习题 487
第15章 读/写外部数据 488
15.1 管理文件夹 488
15.2 读/写数据文件 492
15.2.1 读取数据文件 492
15.2.2 导出数据文件 497
15.3 读/写音频文件与图像文件 499
15.3.1 读/写、录制和播放音频文件 499
15.3.2 读取、显示和写入图像文件 503
15.4 读/写视频与摄像头数据 508
15.4.1 读取和写入视频文件 509
15.4.2 读取摄像头数据 511
本章小结 515
思考练习题 515
参考文献 516
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