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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时域有限差分法 (高本庆)
时域有限差分学习书籍，有研究FDTD方法的可以学习学习国防科技图书出版基金第二届评审委员会组成人员名誉主任委员怀国模主任委员黄宁副主任娄员殷鹤龄高景德陈芳允曾铎员尤子平朱森无朵英贤按姓氏笔划为序)刘仁何庆芝何因伟何新贵宋家树张汝果范学虹胡万忱柯有安侯迁候正明莫梧生崔尔东秘书长刘琯德时域有限差分法(Fnte- Differerce Time-Domain Method简称FDTD Method)是求解电磁问题的种数值技术,它是在1966年由K.S.Yee第一次提出的。fDTD法直接将有限差分式代替麦克斯韦时域场旋度方程中的微分式,得到关子场分量的有限差分式,用具有相同电参量的空间网格去模拟被研究体,选取合适的场初始值和计算室间的边界条件,可以得到包括时间变量的麦克斯韦方程的四维数值解。通过傅里叶变换可求得三维空间的频域解20多年来FDTD法历经了一个蓬勃发展的过程。最初是用它来求解金属体上的散射问题,用的是笛卡尔坐标系,使空间单元网格呈直角六面体。鉴于当时的计算机容量水平,特别是FDTD技术本身尚有若重要问题未很好解决,使得早期的数值精度不够高,应用范围也不很广,这种局面大约延续到70年代末期。随着FDTD技术的发展,首先需要解决的是有限计算空间的无反射截断问题,早期采用的一种方法是加大边界与散射体间距离,以在边界上构成外向行波,这种方法精度不高、计算空问亦大。直到将波方程的二阶近似用以处理边界上的场值,得到了较好近似的吸收边界条件,才将这个间题的解决向前推进了一大步在直角坐标系中用FDTD技术进行模拟时,光滑曲线形媒质表面将呈锯齿形状这可能产生沿面的表面波,加大了数值色散误差,解决这个问题的有效方法是“共形”技术的提出,这包括:或是使用曲线坐标系使媒质表面与坐标曲线共形,或是在直角坐标系中改变媒质介面上的网格形状,使二者共形,利用共形网格明显提高了计算精度。在类电磁问题中,当媒质结构尺寸比网格尺寸小时(如细线、窄槽或薄介质层等),将使FDTD模拟变得很困难。近来相继出现以麦克斯韦方程的国路积分形式建立相应FDTD算法式,FDTD与其他方法(如积分方程法或矩量法)的混合技术,以及媒质参数竹网格平均技术等,均提供了解决这类特殊问题的途径。FDTD法的特点是很易得到被研究体的近场,但不易一次直接得到远场值。80年代初期提出的利用等效原理将频城近场变换为远场是解决这个问题的好方法,近几年又将此技术发展到时域这二种路径给求解散射间题和天线问题提供了强有力的工具。值得提出的是,早期fTD方法中没有计及媒质的色散特性,即假定被研究媒质的电参数是与频率无关的。实际上自然界中有很多媒质的电参数具有很强的色散特性,近几年已开始注意研究色散媒质中的FDTD算法,为解决这电磁领域内难题铺平了道路。上述几方面问题的进展有力推动了FDTD技术的发展和应用,使它在解决复杂形体结构和多种媒质并存的一类呵题中占有重要的一席之地。今天,它不仅在电磁散射、电磁兼容预测、生物电磁学中得到卓有成效的应用,而且在天线做波技术、光电子学等的应用中意益受到重视。本书内容包括三部分:第一部分论述了FDTD法基本知识和各种FDTD算法,包括各种坐标系和特殊结构媒质的算法,以及FDTD与其他方法相结合的混合法等;第二部分介绍了FDTD法在电磁学各领域中的应用情况,内容涉及电磁散射微波传输线、天线、电磁榘容预測及生物电磁学范畴;第三部分讨论近期发展的色散媒质的FDTD算祛原理及其应用情况。本书在给出各种应用实例时,多将FDID法数据与理论值或实验数据或其他数值解数据(如矩量法等)进行比较。除早期发表的少数例子误差稍大外,大多数均与相比较的数据吻合很好。从目前水平看,在分析…般散射问题中,数值误差约在L%~3%附近(RCS的误差略大些),而在求谐振器本征值问题中,FDTD数值解与理论值误差低于百分之,某些情况能小于千分之一,这个精度是很喜人的。可以无夸张地说,FDTD法与其他数值解从精度上讲是可以媲美的,有的则有胜过。加之FDTD法得到的是时域解,通过傅氏变换可得到频域解。即它具有次时域计算代替频域上逐点计算的潜力。这些均L表示FDTD法具有较明显的优势。本书是作者尝试将已发表在不同场合不同时间的有关资料经整理推演、加工编写成专著。内容取材上亦包括作者及同事们近几年在这方面开展的工作结果。编写本书的目的是希望能起到抛砖引玉的效果。希给初学者提供…个入门途径,给从事这方面工作的同行们提供较系统的参考资料,以便更好地促进FDTD技术的发展和更进一步拓宽它的应用。由于作者才疏学浅,加上时间关系,错误和不足在所难免,上述目的恣难如愿敬请各位专家学者和读者多提供宝贵意见。在本书确立大纲的过程中,得到北京理工大学张德齐教授和楼仁海教授、西安交通大学汪文秉教授的帮助,汪文秉教授对内容安排提出了贵意见。要特别提到的是,在本书编写过程中得到中国科学技术大学旅美陈金元博士的大力支持和帮助陈博士及时寄来最新研究资料(见§7.6以充实本书内容。书稿完稿后,张德齐教授通阅了全稿,并提出宝贵意见国防工业出版社在本书出版过程中给予很多帮助,作者在此对他们表示衷心的感谢作者t993年8月于北京内容简介本书重点介绍」时域有限差分(FDTD)法的基本知识及其在电磁学各个领域内的应用。全书包括二部分(共八章),第一部分论述了FDTD法的基本知识(第…章)和各种FDTD算法,包括各种坐标和特殊结构媒质中FDTD算法及混合算法等(第二章);第二部分介绍FDTD法的爷种应用,内容涉及电磁散射(第三章〉微波传输线和谐振腔(第四章)、天线(第五章)、电磁兼容预测第六章)生物电磁学(第七章)等领域;第三部分介绍近期发展的色散媒质屮FDTD算法原及其应用情祝等(第八章〕。木书可供从事时域计算电磁学理论和应用妍究的人员参考,亦可供有关专业教师、研究生及商年级大学生作选修和参考用书目·录第一章时域有根差分法基本知识1.1支克斯韦方程1)].2FTD基本方程■h吾早4中■暑h音h鲁↓ψ中4山■■骨日◆p4白(生)1.3解的稳定性“……““〔l1)1.4边界条件…(13)1.5激励派的类型和设置……………………………(22)816误差分析………*………(29)§1.7近场一远场变换山中■冒↓d4白■■■e40)氵1.8FDTD数值解步骤…………(45〕参考文献■··■跏■·幽自嚞ψ■■·自·■甲血幽b中■●鲁歌●■甲晉『甲●■目■■46第二章FDTD算法变异48)82.1一般曲线坐标系的FDTD算法4甲●鲁ψψ■“ψ晕P山血曾■■■省口_P■口(48)§2.2正交曲线坐标系的PDTD算法(58}2.3非均匀网格尺寸的FDTD算法…(69)2.4细薄结构媒质的FTD算法……………*………(80)2.5FDTD瞬态积分方程的混合算法:(95§2.6FDTD矩量法时混合算法…………………*………(101)参考文献…………………………………………(105)第三章在电磁散射问题中的应用聊司自■电■■悬■■··ψb■■t最聊10883.1二维散射体■■画■·■唱口■■』烟·■口甲■唱■■即■■■口·吾■昌■■■■即■■■晶』h画p■■■昌〔108§3.2三维敢射体……………(114)3.3RCS计算……〔121)§3.4散射体的时域综合……………………**……(134)参考文献(143)第阿章在徽波传输线和谐振腔中的应用…………………(141徵带和共面传输线咖自b·山山山啬■■山■■ψ·;跏·■■“■士鲁■b■口■■■动●咖【41§4.2徼带不均匀性和徼带元件●日日鲁■日聊聊昏目申聊■与;自语↓ψ■ψ口一·↓c自ψb53)氵4.3波导传贛线元件……………………………………(63)8.4谐振腔的本征值……4…(j72)4.5谐振腔的e值(I名1参考文献…………………………………………(185第五章在天线问题中的应用·……(!8?)§5.1圆柱形单极天线………4■·↓■自·h■■■■■■■■甲4■■■▲187)5.2波导口和喇明线………………………………………(196)§5.3徽带贻片天线200)§5.4天线互朝的计算…ra……(210)参考文献1■幽昏p■■◆(215第六章在电磁兼容预测中的应用…(218§6·]瞬变电驚环境下飞机表面效应………“(216)§6.2EMP对连接有尾气焰导弹体的效应…(22)s63EM场透入导弹导引头的预浏■■■非十(230)6.4飞行体上微带贴片天线的EMP效应……a(233)6.5TEM传导胞腔中不均匀性影响的预测…-4…*4(239参考文献昏■■·聊■●■■■·ψ■山幽■如卓■■ψ卩■■中斷鲁晋■■口自■■导画晋■b山1〔241第七章在生物电磁学中的应用……246§7.1生物组织的电磁特性及人体电磁模型……………"……(246)72平面波照射下人体内的电磁效应号昌◆+卓b4即u(z56)7.3工业加热器对人体的作用…………………………(263)7.4动力电的人体效应…sa…(2687.5高压EMP的生物效.…·…(273)N7.6虾篾电话的人体效应…■■■■■↓鲁号↓個山山……(280)参考文………………………………………(2865第八章色教媒质的FDTD算法日■■d十■T■一一會■■『■■■血288)N8.1离散时域卷积建立FDTD方程……〔288N8.2由德拜方程和频域场到吋域的直接变换建立FDTD方程"sr…:…(295)氵8.3由z变换建立FDTD方程日ψ号■自卓自甲ψ吾■■■日■■■道语晶画『4b即44■(298)4色散媒质的吸收边界条件…………………"………(303)8.5(FD)TD法应用举例……(3058.6表面阻抗概念在fDTD法中的应用……(314)s8.了表面阻抗FDT法应用举例………■·■■b■324)参考文献(召30
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