Matlab_Simulink动力学系统建模与仿真
《Matlab/Simulink动力学系统建模与仿真（第2版）》主要介绍了动力学系统中微分方程模型、传递函数模型和状态空间模型等建立的基础理论，并引入了Simulink仿真技术，为解决复杂动力学问题（特别是不易得到解析解的动力学问题）提供了方法。 《Matlab/Simulink动力学系统建模与仿真（第2版）》编排了较多的例题来说明各类动力学模型的仿真模型的建立方法，以及差分模型、相似模型、时域和频域等仿真模型，最后将控制动力学基础知识作为后继研究的扩展内容做了介绍。 《Matlab/Simulink动力学系统建模与仿真（第2版）》是一本多学科内容相交又的教材，同时涉及了力学、电学和动内容简介本书主要介绍了动力学系统中微分方程模型、传递函数模型和状态空间模型等建立的基础理论,并引入了 Simulink仿真技术,为解决复杂动力学问题(特别是不易得到解析解的动力学问题)提供了方法。书中编排了较多的例题来说明各类动力学模型的仿真模型的建立方法,以及差分模型、相似模型、时域和频域等仿真模型,最后将控制动力学基础知识作为后继硏究的扩展内容做了介绍。本书是一本多学科内容相交叉的教材,同时涉及了力学、电学和动力学控制等学科的交叉知识。本书适合具有一定数学和力学基础知识的理工科专业的本科高年级学生使用,可以作为机械工程、土木工程、车辆工程和仪器仪表、印刷机械等本科高年级学生和相关专业的研究生在学习有关动力学系统建模与仿真内容时的参考书,还可供相关工程技术人员参考。图书在版编目(CIP)数据Matlab/ Simulink动力学系统建模与仿真/黎明安,钱利编著.-2版.一北京:国防工业出版社,2015.7ISBN978-7-118-102055L.①M..Ⅱ.①黎.②钱..Ⅲ.①计算机辅助计算—应用—动力系统一系统建模②计算机辅助计算一应用—动力系统一系统仿真Ⅳ.①TP391.75②019中国版本图书馆CP数据核字(2015)第138118号※宫原社出版发行(北京市海淀区紫竹院南路23号邮政编码100048)天利华印刷装订有限公司印刷新华书店经售开本787×10921/16印张19字数456千字2015年7月第2版第1次印刷印数1—3000册定价49.00元(本书如有印装错误,我社负责调换)国防书店:(010)8854077发行邮购:(010)88540776发行传真:(010)88540755发行业务:(010)88540717前言本书是在为“工程力学”本科专业开设的“动态系统建模与计算机仿真”课程基础上多次改编而成的。本书一开始就采用了模型框图,使学生在学习过程中掌握和使用仿真框图的表示方法,为今后建立仿真模型奠定基础。本书结合了 Simulink仿真平台的基础知识,学生可以在各章的例题中学会 Matlab基本的编程能力和 Simulink基本模块的应用;将 Simulink的基础知识分散到各个章节中由浅入深地讲授,使学习者容易接受。本书第1版于2012年出版,此次在第1版的基础上修改了部分错误,个别习题也做了调整,使内容编排更趋于合理。全书分为10章,第1章~第3章介绍了建模与仿真的数学力学基础知识和以框图来表示模型的方法,主要以微分方程模型为主线介绍了简单仿真模型的建立。第4章介绍了系统的传递函数模型以及面对传递函数的仿真模型的建立。第5章介绍了状态空间模型。第6章介绍了基于采样的将连续系统离散化的方法。第7章介绍了机电相似模型。第8章介绍了动力学系统的时域瞬态响应分析方法。第9章介绍了频域分析方法。第10章介绍了控制动力学基础。全书贯穿了 Matlab/ Simulink仿真技术。本书中的仿真例题均在 Matlab(R2007a)下调试通过,希望读者在该版本下建立仿真模型本书由西安理工大学师俊平教授、王忠民教授审阅,两位教授对本书内容的编写提出了宝贵的修改意见,研究生雷霜、崔凯和朱晓雄等对初稿进行了认真的校对,在此表示衷心感谢。西北工业大学支希哲教授、朱西平教授,空军工程大学冯立富教授,陕西理学院张宝中教授,西安科技大学郭志勇教授,西安理工大学徐开亮博士等在编写过程中给予了大力帮助,在此表示深切感谢由于水平有限,本书还有很多需要改进的地方,敬请使用者提出宝贵意见。编著者Ⅲ目录绪论…………………………………………………………………………1第1章系统建模与仿真基础…………1.1系统仿真模型框图表示法·4441.1.1基本仿真元件………1.1.2简单仿真框图结构51.2拉普拉斯变换…1.2.1拉普拉斯变换的定义及其性质1.2.2拉普拉斯逆变换………………………………111.2.3拉普拉斯变换在求解线性常系数微分方程中的应用1.3z变换与Z逆变换…161.3.1Z变换的定义1.3.2Z变换的应用…171.4矩阵的特征值与特征矢量…181.4.1标准特征值问题…191.4.2广义特征值问题1.4.3相似变换及其特性…………………………………………21习题5第2章动力学系统的微分方程模型………………………………………282.1动力学建模基本理论…………………………………………………282.1.1动力学系统基本元件…282.1.2动力学建模基本定理…………………………292.2哈密顿动力学建模体系382.2.1拉格朗日方程2.2.2哈密顿原理2.3一维弹性体的有限元建模………422.3.1梁单元质量矩阵与刚度矩阵…422.3.2总体系统动力学微分方程………………………………442.4一维弹性体系统的假设模态法482.4.1模态函数……………………………………………482.4.2系统的动能和势能…………………492.4.3系统的动力学方程2.5 Simulink高级积分器的仿真模型建立…512.5.1高级积分器端口………522.5.2高级积分器在仿真中的应用…………………………52习题………………………………………………………………………………………54第3章动力学系统响应分析的数值方法……583.1数值积分法和数值微分法…583.1.1数值积分法………………………………………………………………583.1.2数值微分法……593.1.3多自由度振动系统的差商模型…………………………………633.2龙格一库塔法……653.2.1二阶龙格一库塔法………653.2.2四阶龙格一库塔法……………………………………………663.3四阶龙格一库塔法仿真程序设计673.3.1求解一阶微分方程四阶龙格一库塔法程序设计……………………673.3.2求解一阶微分方程组的四阶的龙格一库塔法程序设计693.3.3高阶微分方程的四阶龙格一库塔法程序设计703.4隐式逐步积分法…………………………………………………723.4.1线性加速度法723.4.2威尔逊θ法…3.5微分方程的边值问题的求解…………………763.5.1解线性方程边值问题的差分方法……………………………………763.5.2解线性方程边值问题的打靶法(试射法)…773.5.3关于三对角矩阵的追赶法程序设计……·,,,,,,,,,,,,.,,,,……793.6关于 Simulink环境中的求解器 Solver803.6.1常用求解器…………………………………………803.6.2求解器的选择813.7Malb中符号微积分……………823.7.1符号微分与符号积分……………………………………823.7.2利用符号运算求解微分方程习题……………………………………………………………………884第4章系统传递函数模型84.1传递函数及其特性…4.1.1传递函数定义……………884.1.2传递函数的特性…4.1.3传递函数的图示方法…894.2基本环节的传递函数……………………894.2.1比例环节……………………904.2.2一阶延迟环节4.2.3微分环节914.2.4积分环节…………914.2.5振荡环节………………914.3传递函数的其他形式934.3.1传递函数的零极点形式……………………………………………934.3.2传递函数的留数形式…………………………………………934.3.3传递函数的串联、并联与反馈连接形式944.3.4控制系统的开环传递函数……………………………………974.4多自由度振动系统的传递函数模型……………1014.4.1直接方法,..,.,,...,,,,,,.,·,,,,,,,,,..,·.、,,,,,,,,,,,,··,1014.4.2模态分析法…1035传递函数模型的 Simulink仿真模型建立…………………1054.5.1与传递函数相关的 Matlab运算指令…1054.5.2传递函数模型的 Simulink仿真模型建立…1084.6弹性系统的传递函数仿真模型…1114.6.1弹性系统的传递函数1114.6.2传递函数 Simulink仿真模型………………………………………………112习题113第5章动力学系统状态空间模型1175.1动力学系统的状态空间模型………………1175.1.1状态空间方程的一般形式1175.1.2化高阶微分方程为状态方程——不含输入导数情况……………………1185.1.3线性多自由度振动系统的状态空间模型1215.2微分方程模型与状态空间的关系1235.2.1微分方程模型与状态空间模型特征对的关系……………………1235.2.2系统含有输入导数的状态空间模型1235.3状态空间的相似变换…………………………………………1295.3.1一般情况…1295.3.2特殊情况(可控标准型的情况)…………………1305.4系统的状态空间模型与传递函数模型之间的转换……1315.4.1从状态空间模型转换为传递函数模型……………………1315.4.2模型转换 Matlab函数1325.4.3传递函数模型转换为状态空间模型的直接方法∴……1345.5传递函数模型转换为状态空间模型的串并联法…1355.5.1并联模型法,.,,,,,,,,,,,,,,,1355.5.2串联模型法1385.6状态空间仿真模型建立………………………………………1415.6.1非线性时变系统1415.6.2非线性定常系统……………………………………1425.6.3线性时变系统∴…………1425.6.4线性定常系统……………425.7关于混合系统仿真……………………144习题…∴∴…145第6章连续系统的相似离散法1486.1线性连续系统相似离散法…1486.1.1连续系统状态方程的精确解…486.1.2零阶保持器下状态方程的离散化…1496.1.3一阶保持器下状态方程的离散….,.,,.,,,,.,,,,,·,,,,,,,,,1506.1.4离散系统仿真模块1516.2状态转移矩阵…1526.2.1状态转移矩阵的特性1526.2.2求转移矩阵的几种方法…1536.3离散化系统的传递函数模型…………………1546.3.1零阶保持器的传递函数1546.3.2一阶保持器的传递函数…1546.3.3离散系统的传递函数模型1566.4线性时变系统状态方程的离散化………………………1586.4.1线性时变状态方程的解……………………1586.4.2线性时变系统状态方程离散化…………………1596.4.3近似离散化1596.5离散系统仿真模型建立…………………………1636.5.1有关离散系统 Matlab函数的应用1636.5.2状态方程的离散——基于单位延迟的状态空间仿真模型1666.5.3利用离散传递函数模块的 Simulink仿真模型……∴1686.5.4使用离散状态空间模块 Simulink仿真模型168习题……………………………………………………………………………170第7章机电模拟系统………………………………………1737.1电学基本元件和基本定律1737.1.1电学基本元件……1737.1.2简单电路动态方程1747.1.3电气系统的数学模型建立…………………………………………1747.2无源滤波器……………1787.2.1滤波器基本类型1787.2.2无源RC滤波器……………………………………………………………………………1857.2.3无源RLC滤波器………………………………………………………1867.3机电相似系统1867.3.1力一电压相似……………………………………………………………………187Ⅶ7.3.2力一电流相似…1887.4机电耦合系统的数学建模∴…1897.5运算放大器系统的数学建模∴……………190习题………196第8章系统瞬态响应分析………2008.1典型状态和典型激励的瞬态响应…2008.1.1系统响应种类…2008.1.2常见的几种典型外激励……………2018.2一阶系统的瞬态响应分析·……………………………………………………2028.2.1系统在零输入响应……………………2028.2.2系统零状态响应…………………………………………………2028.2.3标准一阶系统的单位阶跃响应特性……………2048.3二阶系统瞬态响应分析…………………………2068.3.1标准二阶系统的单位脉冲响应………………2068.3.2欠阻尼标准二阶系统的阶跃响应2098.3.3欠阻尼标准二阶系统性能指标…2108.3.4非标准欠阻尼标准二阶系统性能指标…∴…2148.3.5欠阻尼二阶系统的单位斜坡响应………………………………2178.3.6过阻尼二阶系统的单位阶跃响应………………………2188.4 Matlab/ Simulink仿真…………………………………………………………2208.5高阶系统的响应2218.5.1高阶系统的传递函数……………………………………2218.5.2高阶系统的瞬态响应222习题……………………………………………………………………………222第9章动力学系统频域分析方法………………………………………………2269.1概述……………………………………………2269.2频率响应函数…2269.2.1谐和激励下系统的响应函数…………………………………………2269.2.2系统的传递函数与系统的频率响应函数………………………2279.2.3系统频率响应特性曲线(频响曲线)……………………2309.3单位脉冲函数与频率响应函数.·······:··:.·.·········;···;··:.:··2329.3.1单位脉冲响应函数(权函数)…………………2329.3.2单位脉冲函数与频率响应函数…………………………………2339.3.3标准二阶系统的频率响应特性……·.···········2359.4频率响应分析法仿真……23794.1连续系统频率响应特性:,···:,,2379.4.2线性多自由度系统的频域分析2459.4.3快速傅里叶变换与仿真……………………………246Ⅷ9.5频率响应特性在振动系统参数识别中的应用……2489.5.1幅频、相频曲线识别法…………2499.5.2实频、虚频曲线识别法2509.5.3导纳圆的参数识别法…………………252习题………………254第10章动力学系统控制基础…25610.1动力学控制的基本概念…25610.2PID控制系统…………………25710.2.1PID工作简介…25710.2.2PID的数学模型…………25810.2.3PID控制系统的响应分析…25910.3状态反馈控制系统··..···.···:········.···········:······…………27010.4最优控制………………………27410.4.1固定端点的问题最优控制…………………………………27510.4.2始端时刻固定、末值状态自由情况下的最优控制27610.5线性系统的二次型最优设计…………279习题………………………………………………………………………285附录………………………………………………………288附录1 Simulink仿真系统常用模块库288附录2典型函数的拉普拉斯变换和Z变换…………………………………………290附录3 Matlab/ Simulink部分功能设置…………29参考文献…292Ⅸ
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地理信息系统二次开发实例教程-c#+ArcGis
地理信息系统二次开发实例教程-c#+ArcGis面,包括需求分析、数据管理设计、用户界面设计、设计模式在软件开发中的应用。在开发过程中应用软件工程技术,可以提高软件开发效率和质量。第章“需求分析”介纽了“北京市地理信息公众查询系统”的需求分析,包括需求概述、功能需求以及功能需求详细描述。第章“系统总体设计”介绍了系统平台选择、系统总体框架、系统数据组织及系统开发进度安排等。第章“系统详细设计”根据系统的总体设计结构分别从北京市地理信息公众查询系统的数据库设计和一些相关类的设计两方面米详细阐述系统的设计。第章“系统主界面的实现”首先简单介绍的功能、特点、结构及其数据源,然后介绍如何设计系统的主界面及主要实现代码。第章“选择与査询功能的实现”主要介绍如何通过查询与数据集有关的衣从数据中获取信息,以及如何通过空间和逻辑的查询方法从数据中获取信息。第章“系统其他辅助功能”介绍了系统中其他一些辅助功能的实现,例如当鼠标移动到某地物上并稍做停留后,岀现一个小标签,显示该地物的名称,以及距离量算、面积量算的实现,等等。为了让读者更加全面地掌握的廾发,第章介绍了“北京市地理信息公众査询系统”开发过稈中没有涉及到的一些对象,包括投影对象、地址匹配对象、动态跟踪层(对象与地理事件()对象。科海网站提供了本书涉及的所有源代码,以及实现书中内容所需的所有组件。读者可以从中下载这些资料。由于时间仓促,书中难免有一些错误、遺漏,恳请读者谅解,并提出批评和指正编者2004年5月日录第章地理信息系统软件工程软件工程简介基本概念软件系统开发过程开发过程模型需求分析需求获取需求规约数据管理设计全部采用文件管理文件结合关系数据库管理全部采用关系数据库合理采用面向对象数据库管理用户界面设计界面设计原则界面设计中的要素界面样式应用模式与开发方式应用模式开发方式“北京市地理信息公众查询系统”介绍第章需求分析需求概述功能性需求系统体系结构用户描述具体功能需求非功能性需求功能需求详细描述第章系统总体设计系统平台选择便件平台目录系统操作平台数据库平台系统川发模式与组件选择开发工具系统总体框架系统功能框架系统数据库系统的川发结构系统界面组织系统数据组织系统数据的逻辑组织系统的主要数据类型进度规划第章系统详细设计数据库详细设计地名分类编码元数据表结构电子地图数据系统相关类的详细设计辅助类的详细设计类的详细设计类的详细设计类的详细设计类的详细设计第章系统主界面的实现简介的功能的特点的结构的数据源建立项目加入地图控件加入其他引用创建位图资源主窗体的实现界面设汁基本编码类的初步实现目录辅助类的实现类的成员变量读取元数据创建主窗口中的工作区创建I作区创建“地图”选项卡创建“查询”选项卡创建“帮助”选项卡图层的加入与控制在地图中加入图层依据比例尺控制图层显小通过“地图”选项卡控制地图显示控制显示的地物类型控制地图显示区域地图的放大、缩小、全图显示和漫游其他辅助功能的实现鹰眼功能的实现显示经纬度第章选择与查询功能的实现选择地物查询地物信息地名查询查找最近地物公交查询公交站点与线路查询乘车路线询地名索引查洎绀果的定位与更详细信息最短路径查询第章系统其他辅助功能地名的快速显示距离量算与面积量算其他工具栏按钮功能的实现地图输出子系统的实现在线帮助子系统的实现第章的其他对象动态跟踪层对象与对象目录对象的属性对象的方法对象的属性对象的方法实例应用投影对象坐标系地图投影地理编码用于地址匹配的专用文件绘制街道文件地理编码对象地址定位对象地址标准化对象交耳式地址兀配批地址匹配第章地理信息系统软件⊥程在地理信息系统(开发过程中应用软件工程技术,可以提高软件开发效率和质量。本章首先介绍了软件工程的基本概念、软件系统开发过程和开发过程模型。然后讲述了软件工程技术在系统廾发中的应用:需求分析、数据管理设计、用户界面设计、设计模式在软件开发中的应用。这些方面涉及了开发过程中的不同阶段及不同层次,有些方法之间是互斥的,如和方法,但是软件工程技术最重要的特点是实用,开发者可以根据只体情况选用不同的技术。软件工程简介基本概念计算机软件工程是一类求解工程。它应用计算机科学、数学、工程科学及管理科学等原理,借鉴传统工程的原则、方法创建软件,以达到提高软件质量、降低开发成本的目的。其中,讣算杋科学、数学用于构造模型与算法,工程科学用于制定规范、设计范型、评估成本及确定权衡,管理科学用于管理计划、资源、质量、成本等。从学科角度来看,软件⊥程是·门指导计算机软件开发和维护的上程学科。软件工程的提出是为了解决世纪年代出现的软件危机,当时在大型软件开发项日中存在着成本髙、开发进程不易控制、开发工作量难于估算、软件质量低、项目失败率高等诸多闩题,给软件行业带来了巨大的沖击。软件工程提出了一系列理论、原则、方法及工具,试图解决这种软件危机。和其他工程一样,软件工程有自己的目标、活动和原则,其框架可以概括为图所示的内容。分多//算持开发范型需现设计方法支持过程求管理过程图软什工稈框架第章地理信息系统软件工程软件工程的目标可以概括为“生产具有正确性、可用性及开销合宜的宀品”,其活动包括需求、改计、实现、确认及支持等。围绕工程设计、支持及管理,软件工程有以下条基本原则:)选取适宜的廾发模型。选取适宜的廾发模型可以利」认识需求易变性并加以控制以保证软件产品满足用户的需求〔)采用合适的设计方法。通常要考虑实现软件的模块化、抽象与信息隐藏、本地化致性及适应性等特征。()提供高质量的工程支持。在软件工程中,软件工具与环境对软件过程的支持颇为重要。()重视开发过稈的管理。开发过程的管理直接影响可用资溟的有效利用、最终的软件产品的满意度,软件组织的生产能力等问题。只有对开发过程实施有效管理,才能实现有效的软件工程软件工程把软件工程的思想和方法应用于软件的开发过程。如前所述,软件工程活动包括需求、设计、实现、确认及支持等,它们对应」软件廾发过程的不同阶段。般来说,软件开发都要经历从分析设计到实现确认的过程。每个阶段按照相应的规范进行工作,并得到该阶段的成果,是保证整个开发过程戊功的关键。软件系统开发过程前面讲过,软件工程活动包括需求、设计、实现、确认及支持,它们对应于整个软件开发过程的不同阶段。需求分析需求分析阶段处于软件开发过程的前期,其基本活动是准确定义未来系统的目标,确定为满足用户的需求必须做什么。需求分析又划分为两个阶段,即需求获取和需求规约前者用自然语言清楚地描述用广的需求,而后者的目的是消除获取需求的二义性和不致性。在软件项目的生命周期中,一个错误发现得越晩,修复错误的代价也越髙,所以,高质量的需求工程是软件项目得以正确、高效完成的前提。对于系统分析人员,建立需求面临着以下个方面的困难:·问题空间的理解系统开发人员通常是计算机专业人员,难以深入理解各种业务系统所憂解决的问题空间。人与人之间的通信对于系统分析人员而言,通信主要包括同用户的通信以及同事之间的通信,由于自然语言的二义性,会给准确刻田需求造成障碍。·需求的不断变化造成需求变化的原因很多,包括技术、用户方、市场等等。作为分析人员,必须采用些策咯以适应变化。面向对象的分析方法被认为是解决上述闲难的较好技术,但是完整、准确地刻划问题空间始终是分析人员所面临的挑战第章地理信息系统软件工程系统设计一般来说,需求分析阶段的主要任务是确定系统“做什么”,而系统设计阶段则要解决“怎么倣”的问题。系统设计的任务是将系统分析阶段提出的逻辑模型转化为相应的物理模型,其设计的内容随系统的目标、数据的性质和系统的不同而有很大的差异。一般前言,首先应根据系统的目标,确定系统必须具备的空间操作功能,称为功能设计;其次是系统的建模和产品的输出,称为应用设计。系统设计是系统整个开发工作的核心,不但要完成熤辑模型所规定的任务,而且要使所改计的系统达到优化。所谓优化,就是选择最优方案,使系统具有运行效率高、控制性能好和可变性强等特点。要提高系统的运行效率,般要尽量避免中问文件的建立,减少文件扫摧的遍薮,并尽量采用优化的数据处理算法为增强系统的搾制能丿,要拟定对数字和字符岀错时的校验方法;在使用数据文件时,要设置口令,防止数据泄密和被非法修改,保证只能通过特定的通道存取数据。为了提高系统的可变性,最有效的方法是釆用模块化的方法,即先将氅个系统看成一个模块,然后按功能分解为若干个子模块。一个模只执行一种功能,一种功能只用一个模垗实现,这样设计出来的系统才能做到可变性好并具有生命力。功能设计又称为系统的总体设计,它的主要仟务是根据系统的目标来规划系统的规模,确定系统的各个组成部分,并说明它们在整个系统中的作用与相互关系,以及确定系统的硬件軋置,规定系统采用的合适技术规范,以保证系统总体目标的实现。图给出了通用的总体设计结构图。因此,系统的总体设计大致包括数据库设计硬件配置与选购软件设计等应用设计又称详细设计。详细设计包括详细的算法、数据表示和数据结构、实施的功能和使用数据之间的关系。详细改计过程中采用了一些工只,以便对数据、算法等进行描述,包括流程图、,问题分析图)、盒图(图)、伪码实现阶段软件实现阶段将设计的结果变换成程序设计语言编写的程序。一般情况下在实现阶段,首先要确定程序改计语言,其影响因素包括:开发人员对语言的熟悉程度、语言的可移植性、编译程序的效率、编译工具的支持等等。目前,语言是被普遍采用的构造系统软件的编程语言,而则更多地应用于编写网络应用程序。无论采用哪一种编程语言,都要求编写高质量的源稈序代码,稈序质量通常包含正确性、可读性、可移植性、程序效率等指标。考虑到系统的维护和演化,提髙源程序的可读性是实觋阶段的一个重要目标,其途径包括添加注释、规范书写格式、确定标认符命名原则、采用结构化的程序设计方法(不用或减少使用语句)等。
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