MATLAB/Simulink机电动态系统仿真及工程应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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周高峰，赵则祥 著

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• MATLAB
• Simulink
• 机电系统
• 动态系统
• 仿真
• 工程应用
• 控制系统
• 电机
• 电力系统
• 建模仿真

出版社： 北京航空航天大学出版社

ISBN：9787512415447

版次：1

商品编码：11487172

包装：平装

开本：16开

出版时间：2014-06-01

用纸：胶版纸

页数：388

编辑推荐

? 结构紧凑连贯，讲学练结合，利于模仿和研究；
? 实例丰富，重点突出，步骤清晰，容易掌握；
? 内容新颖，逻辑性强，具有启发性；
? 始终围绕机电动态系统仿真与工程应用展开讲解。

内容简介

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。

作者简介

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。

目录

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

前言/序言

《现代控制理论在航空航天领域的最新进展与实践》 内容概述 本书深入探讨了现代控制理论在航空航天工程这一高度复杂和动态变化领域中的最新理论进展、关键技术以及前沿工程应用。航空航天系统，无论是高超音速飞行器、无人机编队、空间站姿态控制，还是行星探测器导航，都对控制系统的性能提出了极其严苛的要求，包括高精度、高鲁棒性、高实时性以及智能化。本书旨在系统梳理这些挑战，并提供解决这些挑战的先进控制策略和方法。 本书内容组织上，力求理论与实践相结合，既有严谨的数学推导和理论论证，又包含大量贴近实际工程问题的案例分析和仿真实例。全书分为四大核心部分： 第一部分：先进控制理论基础回顾与拓展 本部分首先对经典控制理论，如PID控制、状态空间方法、李雅普诺夫稳定性理论等进行系统回顾，为后续的深入探讨奠定坚实基础。在此基础上，本书重点引入并详细阐述了现代控制理论中的前沿分支，包括但不限于： 最优控制理论： 详细讲解了庞特里亚金最小值原理、动态规划等核心概念，并重点探讨了其在轨道机动、燃油优化等航空航天任务中的具体应用。例如，如何设计最优的发动机推力剖面以最小化燃料消耗，或如何在复杂的引力场环境下规划最优的变轨路径。 鲁棒控制理论： 深入研究了H∞控制、μ-综合等方法，分析了模型不确定性、外部扰动等对航空航天系统稳定性和性能的影响，并提出了相应的鲁棒控制设计技术。书中将展示如何设计控制器，使其在面对模型参数误差、传感器噪声、阵风等不确定因素时，仍能保持系统的稳定性和期望的性能指标。 自适应控制理论： 探讨了模型参考自适应控制（MRAC）、逆系统自适应控制（IAC）等方法，分析了航空航天系统在不同飞行阶段、不同工作条件下参数变化带来的挑战，并介绍了如何设计能够实时调整控制器参数以适应系统动态变化的自适应控制器。例如，在飞行器穿越不同大气密度和马赫数区域时，其空气动力学特性会发生显著变化，自适应控制能有效应对这种变化。 非线性控制理论： 涵盖了反馈线性化、滑模控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等方法。这些方法对于处理航空航天系统固有的非线性特性至关重要，如气动非线性、发动机动态非线性、以及复杂耦合效应。书中将分析这些方法的数学原理，并展示其在飞行器姿态稳定、着陆过程控制、以及先进飞行模式下的应用。 第二部分：特定航空航天系统控制问题与解决方案 本部分将理论知识落地，聚焦于航空航天工程中具有代表性的关键控制问题，并提出创新的解决方案。 飞行器姿态与轨道控制： 详细分析了卫星、空间站、导弹等飞行器姿态控制的挑战，如惯性耦合、外部干扰（太阳光压、地球磁场）、以及有限的执行器资源。本书将介绍先进的姿态稳定算法，如基于模型预测控制（MPC）的姿态控制，以及针对高精度指向任务的控制策略。同时，对于轨道控制，将深入探讨如何利用推进系统实现精确的轨道维持、转移和对接，并考虑轨道摄动的影响。 高超音速飞行器控制： 这是一个极具挑战性的研究领域，其飞行速度导致了显著的空气动力学非线性、热效应以及模型不确定性。本书将深入探讨高超音速飞行器的建模方法，并介绍适用于此类系统的先进控制技术，如基于全局最优的自适应控制、以及能够处理高动态响应的鲁棒控制。 无人系统集群协同控制： 随着无人机和无人驾驶航空器（UAV）的广泛应用，集群协同控制成为研究热点。本书将探讨如何实现多无人机之间的路径规划、避障、编队飞行以及任务协同。重点将放在分布式控制、博弈论在协同控制中的应用，以及如何处理通信延迟和节点失效等问题。 行星探测器导航与制导： 涉及复杂的轨道动力学、深空通信延迟、以及对导航精度的极高要求。本书将介绍基于星敏感器、惯性测量单元（IMU）的组合导航技术，以及先进的轨道确定和制导律设计方法，以确保探测器能够安全高效地完成预定任务。 航空发动机先进控制： 探讨了如何通过先进的控制技术提高航空发动机的性能、燃油效率和排放水平。内容将涵盖燃烧稳定性控制、进气压力恢复控制、以及全权限数字发动机控制（FADEC）系统中的先进算法。 第三部分：仿真与验证技术 理论的先进性最终需要通过仿真和实验来验证。本部分将重点介绍在航空航天领域广泛应用的仿真平台和技术，以及如何有效地利用它们来设计、测试和优化控制系统。 建模与仿真方法： 介绍用于航空航天系统建模的常用方法，包括基于物理原理的建模、数据驱动建模等。重点将放在如何构建高保真度的仿真模型，能够准确反映系统的动力学特性、环境因素以及传感器和执行器的特性。 仿真平台的应用： 详细介绍主流的航空航天仿真软件，如MathWorks的Simulink®及其航空航天工具箱（如Aerospace Blockset™、Control System Toolbox™、System Composer™等）的应用。本书将通过具体案例演示如何利用这些平台进行模型搭建、控制器设计、仿真运行以及性能分析。例如，如何使用Simulink®搭建一个完整的飞行器控制回路，进行闭环仿真，并进行参数整定。 硬件在环（Hardware-in-the-Loop, HIL）仿真： 阐述HIL仿真技术在航空航天控制系统开发中的重要作用。通过将真实的控制器硬件连接到仿真环境中，可以更真实地评估控制系统的实时性和鲁棒性，减少实地试验的风险和成本。 模型验证与确认（V&V）： 讨论模型验证与确认的流程和方法，确保仿真模型能够准确地代表实际系统，以及仿真结果能够可靠地预测实际系统的行为。 第四部分：面向未来的挑战与展望 本部分将聚焦于航空航天控制领域未来的发展趋势和尚未解决的重大挑战。 人工智能与机器学习在控制中的融合： 探讨如何利用深度学习、强化学习等人工智能技术来设计更智能、更自主的控制系统，例如用于故障诊断与容错、复杂环境下的自主导航、以及人机协同控制等。 分布式智能与网络化控制： 随着系统复杂性的增加，分布式智能控制和网络化控制将扮演越来越重要的角色，尤其是在大型星座、无人机群协同等场景下。 高安全性与高可靠性控制： 航空航天系统对安全性和可靠性的要求是其他领域无法比拟的。本书将讨论如何设计满足严苛安全标准的控制系统，以及如何利用容错控制和冗余设计来提高系统的可靠性。 量子计算对控制理论的影响： 展望量子计算在未来可能对复杂动力学系统建模、优化以及控制算法设计带来的颠覆性影响。 本书特色 前沿性强： 紧密跟踪航空航天控制领域的最新研究成果和技术进展。 系统性好： 从理论基础到工程应用，再到未来展望，构建了一个完整的知识体系。 实践导向： 大量结合实际工程问题，提供可操作的解决方案和仿真实例。 可读性高： 语言严谨且易于理解，适合高等院校师生、科研人员及工程技术人员阅读。 本书旨在为读者提供一个全面、深入的现代控制理论在航空航天领域应用的知识框架，激发创新思维，并为解决下一代航空航天系统中的关键控制难题提供有力的技术支撑。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，我是在寻找能够帮助我理解一些工业自动化设备工作原理的书籍时偶然发现《MATLAB/Simulink机电动态系统仿真及工程应用》的。起初，我以为它会是一本非常技术性的、枯燥的参考书，但读下来后，我发现它比我想象的要生动和实用得多。书中对各种典型的机电一体化系统，如机器人、自动化生产线等，进行了详细的建模和仿真分析。让我印象深刻的是，作者并没有仅仅停留在理论层面，而是通过大量的实例，展示了如何将这些复杂的系统分解，然后一步步在Simulink中构建模型。而且，书中还涉及了如何对仿真结果进行解读和分析，以及如何根据仿真结果来优化系统设计。这对于我这样需要在实际工作中解决设备故障、优化生产流程的工程师来说，非常有价值。我尝试着书中介绍的一些方法，对我们车间里的一台怠速控制系统进行了仿真分析，并且根据仿真结果调整了一些参数，效果非常显著。这本书让我看到了仿真技术在解决实际工程问题中的巨大潜力，也让我对如何更高效地进行系统设计和优化有了更深的认识。

评分☆☆☆☆☆

我是一名电气工程专业的学生，在学习电力电子和控制理论时，常常感到理论与实际应用之间存在一定的脱节。《MATLAB/Simulink机电动态系统仿真及工程应用》这本书恰好填补了这一空白。它不仅仅是一本关于MATLAB和Simulink的教程，更是一本将先进的机电系统理论与工程实践紧密结合的书籍。书中对各种复杂机电系统的建模思路和仿真技巧的讲解，让我受益匪浅。例如，在讨论电机控制时，它不仅讲解了FOC（磁场定向控制）的基本原理，还详细展示了如何在Simulink中构建FOC的仿真模型，并对仿真结果进行分析。这使得我能够更深入地理解控制算法是如何在实际系统中工作的。此外，书中还涉及了许多实际工程中会遇到的问题，如参数不确定性、噪声干扰等，并提供了相应的仿真策略来处理这些问题。这本书的语言清晰流畅，案例丰富，非常适合我们这类希望将理论知识应用于实际工程的读者。它不仅提升了我对机电系统的理解深度，也极大地增强了我运用仿真工具解决工程问题的能力。

评分☆☆☆☆☆

我最近在研究一个项目，需要对一个复杂的液压伺服系统进行性能评估。过去，我只能依靠大量的实验数据进行分析，这不仅耗时耗力，而且很难对系统参数进行优化。当我拿到《MATLAB/Simulink机电动态系统仿真及工程应用》这本书后，我感觉自己像是找到了救星。书中对于非线性系统的建模和仿真部分，简直就是为我量身定做的。它详细介绍了如何将液压缸的非线性特性，例如阀门流量特性、泄漏效应等，在Simulink中进行建模。作者并没有回避这些复杂性，反而通过层层递进的方式，引导读者理解这些模型背后的物理意义。最让我惊喜的是，书中还探讨了如何进行参数辨识和模型验证，这对于我建立一个准确的仿真模型至关重要。通过书中的方法，我成功地搭建了一个能够精确反映我实际液压伺服系统的Simulink模型，并且能够快速地进行不同工况和参数下的仿真测试。这极大地缩短了我的研发周期，也让我对系统的性能有了更深入的洞察。这本书不仅是理论知识的堆砌，更是一本实操指南，它教会了我如何利用Simulink这个强大的工具，去理解和解决复杂的工程问题。

评分☆☆☆☆☆

这本书真的带我进入了一个全新的领域！我一直对机械和电子的结合体（也就是书里说的机电系统）很感兴趣，但总觉得它们之间的相互作用太复杂，很难把握。直到我翻开这本《MATLAB/Simulink机电动态系统仿真及工程应用》，我才真正体会到可视化仿真的强大。书中从最基础的物理原理讲起，然后一步步地引入Simulink的强大建模能力。我特别喜欢它对各种经典机电系统的案例分析，比如机器人手臂的运动控制、电动汽车的动力学分析，甚至还有航空航航天领域的应用。作者并没有止步于理论的讲解，而是深入浅出地展示了如何将这些理论转化为Simulink模型，并通过仿真来验证设计思路。我印象最深刻的是关于PID控制器整定那一章节，书中不仅给出了详细的调参步骤，还通过仿真对比了不同参数下的系统响应，让我对“如何让系统跑得更稳、更快、更准”有了直观的认识。而且，书中对于一些复杂系统的建模，也给出了非常清晰的思路和技巧，让我觉得自己也可以尝试去搭建更复杂的模型，解决实际问题。这本书的语言风格也很亲切，像是有一位经验丰富的老师在旁边指导，而不是冷冰冰的教材。对于想系统学习机电系统仿真，或者想将Simulink应用到实际工程问题中的读者来说，这绝对是一本不可多得的宝藏。

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这本《MATLAB/Simulink机电动态系统仿真及工程应用》让我对“动态系统”这个概念有了全新的理解。之前，我一直将它理解成一些抽象的数学公式，但这本书通过将Simulink这个强大的仿真平台引入，让我看到了一种将理论转化为实际运动和交互的可能性。它不只是讲解理论，更是一种“如何做”的教学。我尤其喜欢它在案例分析中对不同建模方法的比较，比如连续时间模型和离散时间模型的选择，以及如何根据实际需求选择合适的仿真步长。作者通过图文并茂的方式，详细展示了模型构建的每一步，并且对每一个模块的功能都进行了清晰的解释。我尝试跟着书中的例子，在Simulink里搭建了一个简单的电机驱动模型，当我看到仿真结果中电机转速、电流等参数的变化曲线时，那种成就感是无法言喻的。这本书的价值在于，它能够帮助读者跨越从理论到实践的鸿沟，让抽象的数学模型变得生动起来。对于初学者来说，它提供了一个非常友好的入门路径，能够让他们快速掌握Simulink的基本操作和建模思想。

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学习MATLAB，实操，很多举例子的说明，不错！

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非常好的书。需要对Matlab有一定的使用经验和理解，通过该书的讲解能够对面向对象的思想理解深入。