MATLAB/Simulink动力学系统建模与仿真PDF电子书下载

绪论 1

第1章 系统建模与仿真基础 4

1.1系统仿真模型框图表示法 4

1.1.1基本仿真元件 4

1.1.2简单仿真框图结构 5

1.2拉普拉斯变换 8

1.2.1拉普拉斯变换的定义及其性质 8

1.2.2拉普拉斯逆变换 10

1.2.3拉普拉斯变换在求解线性常系数微分方程中的应用 13

1.3 Z变换与Z逆变换 16

1.3.1 Z变换的定义 16

1.3.2 Z变换的应用 17

1.4矩阵的特征值与特征向量 18

1.4.1标准特征值问题 18

1.4.2广义特征值问题 19

1.4.3相似变换及其特性 21

习题 25

第2章 动力学系统的微分方程模型 27

2.1动力学建模基本理论 27

2.1.1动力学系统基本元件 27

2.1.2动力学建模基本定理 28

2.2哈密顿动力学建模体系 36

2.2.1拉格朗日方程 37

2.2.2哈密顿原理 39

2.3一维弹性体的有限元建模 41

2.3.1梁单元质量矩阵与刚度矩阵 41

2.3.2总体系统动力学微分方程 42

2.4一维弹性体系统的假设模态法 47

2.4.1模态函数 47

2.4.2系统的动能和势能 47

2.4.3系统的动力学方程 47

2.5Simulink高级积分器的仿真模型建立 49

2.5.1高级积分器端口 50

2.5.2高级积分器在仿真中的应用 50

习题 52

第3章 动力学系统响应分析的数值方法 56

3.1数值积分法和数值微分法 56

3.1.1数值积分法 56

3.1.2数值微分法 57

3.1.3多自由度振动系统的差商模型 61

3.2龙格—库塔法 62

3.2.1二阶龙格—库塔法 62

3.2.2四阶龙格—库塔法 63

3.3四阶龙格—库塔法仿真程序设计 64

3.3.1求解一阶微分方程四阶龙格—库塔法程序设计 65

3.3.2求解一阶微分方程组的四阶的龙格—库塔法程序设计 67

3.3.3高阶微分方程的四阶龙格—库塔法程序设计 67

3.4隐式逐步积分法 69

3.4.1线性加速度法 69

3.4.2威尔逊θ法 72

3.5微分方程的边值问题的求解 73

3.5.1解线性方程边值问题的差分方法 74

3.5.2解线性方程边值问题的打靶法（试射法） 74

3.5.3关于三对角矩阵的追赶法程序设计 76

3.6关于Simulink环境中的求解器Solver 78

3.6.1常用求解器 78

3.6.2求解器的选择 79

3.7 Matlab中符号微积分 79

3.7.1符号微分与符号积分 79

3.7.2利用符号运算求解微分方程 80

习题 81

第4章 系统传递函数模型 85

4.1传递函数及其特性 85

4.1.1传递函数定义 85

4.1.2传递函数的特性 85

4.1.3传递函数的图示方法 86

4.2典型环节的传递函数 86

4.2.1比例环节 87

4.2.2一阶延迟环节 87

4.2.3微分环节 88

4.2.4积分环节 88

4.2.5振荡环节（或称二阶振荡环节） 88

4.3传递函数的其他形式 90

4.3.1传递函数的零极点形式 90

4.3.2传递函数的留数形式 90

4.3.3传递函数的并联、串联与反馈连接形式 91

4.3.4系统的开环传递函数与闭环传递函数 94

4.4多自由度振动系统的传递函数模型 98

4.4.1直接方法 98

4.4.2模态分析法 100

4.5传递函数模型的Smulink仿真模型建立 102

4.5.1与传递函数相关的Matlab运算指令 102

4.5.2传递函数模型的Smulink仿真模型建立 105

4.6弹性系统的传递函数仿真模型 107

4.6.1弹性系统的传递函数 107

4.6.2传递函数Simulink仿真模型 108

习题 109

第5章 动力学系统状态空间模型 113

5.1动力学系统的状态空间模型 113

5.1.1状态空间方程的一般形式 113

5.1.2化高阶微分方程为状态方程——不含输入导数情况 114

5.1.3线性多自由度振动系统的状态空间模型 117

5.2微分方程模型与状态空间的关系 119

5.2.1微分方程模型与状态空间模型特征对的关系 119

5.2.2系统含有输入导数的状态空间模型 119

5.3状态空间的相似变换 125

5.3.1一般情况 125

5.3.2特殊情况（可控标准型的情况） 126

5.4系统的状态空间模型与传递函数模型之间的转换 127

5.4.1从状态空间模型转换为传递函数模型 127

5.4.2模型转换Matlab函数 128

5.4.3传递函数模型转换为状态空间模型的直接方法 130

5.5传递函数模型转换为状态空间模型 131

5.5.1并联模型法 131

5.5.2串联模型法 133

5.6状态空间仿真模型建立 137

5.6.1非线性时变系统 137

5.6.2非线性定常系统 137

5.6.3线性时变系统 137

5.6.4线性定常系统 137

5.7关于混合系统仿真 139

习题 141

第6章 连续系统的相似离散法 143

6.1线性连续系统相似离散法 143

6.1.1连续系统状态方程的精确解 143

6.1.2零阶保持器下状态方程的离散化 144

6.1.3一阶保持器下状态方程的离散 145

6.1.4离散系统仿真模块 146

6.2状态转移矩阵 147

6.2.1状态转移矩阵的特性 147

6.2.2求转移矩阵的几种方法 148

6.3离散化系统的传递函数模型 148

6.3.1零阶保持器的传递函数 148

6.3.2一阶保持器的传递函数 149

6.3.3离散系统的传递函数模型 150

6.4线性时变系统状态方程的离散化 153

6.4.1线性时变状态方程的解 153

6.4.2线性时变系统状态方程离散化 153

6.4.3近似离散化 154

6.5离散系统仿真模型建立 157

6.5.1有关离散系统Matlab函数的应用 157

6.5.2状态方程的离散——基于单位延迟的状态空间仿真模型 160

6.5.3利用离散传递函数模块的Simulink仿真模型 162

6.5.4使用离散状态空间模块Simulink仿真模型 162

习题 164

第7章 机电模拟系统 166

7.1电学基本元件和基本定律 166

7.1.1电学基本元件 166

7.1.2简单电路动态方程 167

7.1.3电气系统的数学模型建立 167

7.2无源滤波器 171

7.2.1滤波器基本类型 171

7.2.2无源RC滤波器 171

7.2.3无源RLC滤波器 178

7.3机电相似系统 179

7.3.1力—电压相似 179

7.3.2力—电流相似 180

7.4机电耦合系统的数学建模 182

7.5运算放大器系统的数学建模 183

习题 189

第8章 系统瞬态响应分析 192

8.1典型状态和典型激励的瞬态响应 192

8.1.1系统响应种类 192

8.1.2常见的几种典型外激励 193

8.2一阶系统的瞬态响应分析 193

8.2.1系统在零输入响应 194

8.2.2系统零状态响应 194

8.2.3标准一阶系统的单位阶跃响应特性 196

8.3二阶系统瞬态响应分析 198

8.3.1标准二阶系统的单位脉冲响应 198

8.3.2欠阻尼标准二阶系统的阶跃响应 200

8.3.3欠阻尼标准二阶系统性能指标 201

8.3.4非标准欠阻尼标准二阶系统性能指标 205

8.3.5欠阻尼二阶系统的单位斜坡响应 208

8.3.6过阻尼二阶系统的单位阶跃响应 209

8.4 Matlab/Simulink仿真 210

8.5高阶系统的响应 212

8.5.1高阶系统的传递函数 212

8.5.2高阶系统的瞬态响应 213

习题 213

第9章 动力学系统频域分析方法 217

9.1概述 217

9.2频率响应函数 217

9.2.1谐和激励下系统的响应函数 217

9.2.2系统的传递函数与系统的频率响应函数 218

9.2.3系统频率响应特性曲线（频响曲线） 220

9.3单位脉冲函数与频率响应函数 222

9.3.1单位脉冲响应函数（权函数） 223

9.3.2单位脉冲函数与频率响应函数 224

9.3.3标准二阶系统的频率响应特性 225

9.4频率响应分析的Matlab仿真实例 227

9.4.1连续系统频率响应特性 227

9.4.2线性多自由度系统的频域分析 234

9.4.3快速傅里叶变换与仿真 236

9.5频率响应特性在单自由度振动系统参数识别中的应用 238

9.5.1幅频、相频曲线识别法 239

9.5.2实频、虚频曲线识别法 240

9.5.3导纳圆的参数识别法 241

习题 243

第10章 动力学系统控制基础 245

10.1动力学控制的基本概念 245

10.2 PID控制系统 246

10.2.1 PID工作简介 246

10.2.2 PID的数学模型 247

10.2.3 PID控制系统的响应分析 248

10.3状态反馈控制系统 258

10.4最优控制 263

10.4.1固定端点的问题最优控制 263

10.4.2始端时刻固定、末值状态自由情况下的最优控制 264

10.5线性系统的二次型最优设计 266

习题 272

附录 275

参考文献 278