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
- 2020-12-04下载
- 积分：1
卡尔曼滤波
提供了kf，ekf，ukf的详细推导过程，从标量推导开始，进而转入矢量推导，非常详细卡尔曼滤波器简介(阎泓著第一步、时间更新29第二步、测量更新“““““““+““44““““42924特殊情况.30第一种情况、先验误差极小...-.----130第二种情况、先验误差极大.30第三种情况、测量噪声极大.…31第三章、标量EKF画,通通画4“““““+44=“++“““++4“4“+“4“““-“++323.1非线性状态模型.323.2模型线性化33.2.1过程噪声项的线性化.333.2.2测量噪声项的线性化...11-343.2.3过程和测量噪声项同时线性化…35324过程的线性化…0353.25测量的线性化…363.3EKF滤波器…1373.31应用卡尔曼滤波器.3733,2计算先验均方差373.33计算后验均方差373.3.4计算k值4a“44444“;4444454a44“44444=424444441“如44444;44444“44.45“#4444444a444444443833.5k值为最优时的后验均方差3834算法39第一步、时间更新………9第二步、测量更新393.5EKF的缺陷44“==++++4=++44日+“44=“““+440第四章、矢量EKF4141非线性矢量状态模型4142矢量模型线性化单“““·***“““***“““““***“““***4““-***4““*“→“““*→*-““““““*“““*+4““→*“·““·““““*4242.1矢量泛函的泰勒展开42.2过程噪声项的线性化424.2.3测量噪声项的线性化.→“““#+4+“44“““-4+44→“““4“4+-““+43424过程和测量噪声项同时线性化4442.5过程的线性化4“““4““*“4““*→““*+“4“““““““*4“““4“““++4““44“““4“44““““七426测量的线性化“““““·+““““*““““+“““““““+4“““““““+4“““→·“““+“4543矢量EKF滤波器面面面面46画面和面面,43.1应用矢量卡尔曼滤波器44““++“44“““*44“““++444““4+444“+“44““““+444643.2计算先验均方差4643.3计算后验均方差4““+44““““44““““+→4““““+4““““4“44““““.47434计算k值47435k值为最优时的后验均方差4845算法“““+““““*“““““+…““““*“+44““48第一步、时间更新.…49第3页(共77页)卡尔曼滤波器简介(阎泓著第二步、测量更新““4--““44-4494.4特殊情况.““““4444“画画新通画通49第一种情况、先验误差极小.画画,画画画园画画,画画画面请通.50第二种情况、先验误差极大….----50第三种情况、测量噪声极大44“““+44““=++“44“““+444““4+“44““44+50第五章、标量无迹变换UT5251无迹变换的任务5252真值“““““++“++4“4“““+4“++4“““““+““+“““““525.3无迹测试点1101453.1标量的无迹测试点………154532无迹权重系数翻国口道55533统计性质公式…5554测试点的无迹变换.565.4.1从测试点得到后验期待值.画画通通画画山通画画新56542从测试点得到后验方差“““+4“++“4“++““平““上“““4““平中“+““““平“4+“=575.5讨论品aB444a日日+44日4日日“4日a4日+a日本“日日日和本上日和4日““458第六章矢量无迹变换UT4“““4“44“““4++44“““4+““4+2+“++“4“++4=“++“““2++““““++““4+““““++5961矢量微分回顾5961.1计算真值会用到的恒等式1962矢量无迹变换的任务中本““丰二“中““6063真值6163无迹测试点63.1矢量的无迹测试点画面通自品面画画面自自通国画日画面国通画日通山国国画山山面通画山山丽右日日画画画画画山63632无迹权重系数64633UT变换下的对称性64测试点的无迹变换6564.1几个恒等式…65642从测试点得到后验期待值.…---1----66642从测试点得到后验协方差.6765讨论68第七章、无迹滤波器UKF11116971高维非线性问题.069711标量特例画画画画画画新画画画画画画““*#“““““44“…4“““““4““+““→““““44““47072无迹滤波器面,面面面面面面面“面画70721无迹测试点““*4“““““44““+44““““*44“““++444“““4““+“44“““““722无迹权重系数通画画通画画通通画画通山请画画画画画画出画请画画副。723先验估计画画·画‘画4““+44““““44““““+→4““““+““““+“444““““+472724应用卡尔曼滤波器737.2.5计算后验均方差…737.2.6计算k值…444““+44“““*447473算法75第4页(共77页)卡尔曼滤波器简介(阎泓著第零步、初始化..-75第一步、时间更新175第二步、测量更新画画,画画画园画画,画画画面请通176第5页(共77页)卡尔曼滤波器简介(阎泓著第一章、标量线性系统实际工作中的线性系统很少有标量的,但是标量的卡尔曼滤波器的理论推导比较直观、易于理解,因此作为学习的切入点比较合适首先必须清楚地陈述卡尔曼滤波器要解决的问题。1.1卡尔曼问题在离散时间中,一个标量线性系统的状态演化常常可以表述为下面的随机差分方程式:x=ax,+bu其中t为时间。x,是一个标量随机变量,代表t时刻系统的内禀状态。a和b为常标量。u,为t-1时刻的输入,也是一个标量。111信号流程图上面的(1)式也可以用下面的信号流程图表示u-1)X()Ibax(t-1)直线表示信号的传送,箭头代表传送的方向。流程图中的图标有三种,第一种方框图标代表时间延迟,见下图x(t)TX(t-1)第二种方框图标代表乘法(增益),见下图第6页(共77页)卡尔曼滤波器简介(阎泓著aax第三种圆形图标代表加法(混合),见下图a-b+CbG这些图标可以按照有意义的方式组合起来,描述一个差分方程。必须指出,这些图标并不局限于标量情形,而且适用于矢量情形,譬如x为一个矢量,而a和b可以为矩阵。112加入白噪声假设在这个线性过程中有一个噪声项v鬟x2=ax21+bu-1+W1-1则此方程式可以用下面的信号流程图表示w(t=1)u(-1)中+baX(-1)假定这个噪声ν是一个高斯白噪声,它满足3N(9),(Q20)〈ww)=0(≠)3在本文采用物理学中常用的记号,(x)=E(x)表示x的期待值第7页(共77页)卡尔曼滤波器简介(阎泓著此外假定w与u.没有关联,也即113加入可测量假设系统的状态量x是不可以直接测量的。可以测量的是另外一个量z,称为可测量。可测量z依赖于系统的状态量x和一个激励倍数h,见下式。hx. +v(5)在实际工作中h可能会随着时间而变化,但在这里假定为常数,为常标量。此时流程图如下。wt-1)u(t-1)+b±2(ax(t-1)测量过程本身带有一个噪声ν,影响了测量的准确度。同样我们假定ν是一个白噪声(,R)(R≥0)(")≥=0(s≠)此外假定ν与w和u都没有关联,也即()=v)=0(s1)114卡尔曼问题陈述现在要考虑的是如何从可观测量z;的观测数据中得出x的最优估计值,把噪声w和v尽最大可能过滤出去,把它们的影响减到最小。这就是卡尔曼滤波器要解决的问题。1.2标量卡尔曼滤波器卡尔曼对这个问题的解答就是卡尔曼滤波器。下面的流程图可以分成上下两个部分:上半部分就是问题本身,下半部分就是卡尔曼滤波器。第8页(共77页)卡尔曼滤波器简介(阎泓著u(-1)X()bh+(aX(t-1)bb(()2()+ak文-b)+Residual在图中,z1代表实际测量值,x代表过程的真值。此外在卡尔曼滤波器的流程图中出现了几种新的符号,分别是x代表先验估计( A priori estimate),和E代表后验估计(A posteriori estimate)4.对一个随机变量当前值的先验估计是根据前一个时刻以及更早的历史观测信息所作出的估计:后验估计是根据当前时刻以及更早的历史观测信息所作出的估计。x1的先验估计是由上一个时间点的后验估计值和输入信息给出的,x,=ax+ bur-p卡尔曼使用x的先验估计给出可测量E的(先验估计)预测5,而z,的实际测得值与预测值之间的差称为滤波过程的革新( nnovation)或者残余( Residua,即Residual=(10)本文采取通用的符号,以表示对某变量y在t时刻的后验估计,而表示对y的先验估计。在某些文献中y又记作y(|t-1),又记作y(t|t)5对于z,而言后验估计没有意义。z,是可观测量,在后验时刻已经有实际观测值了。第9页(共77页)卡尔曼滤波器简介(阎泓著残余反映了预测值和实际值之间的差别。残余为零的话,估计值和实际值完全吻合。如果残余很小,表明估计值很好,反之就不好。卡尔曼滤波器可以利用残余的这一信息改善对x,的估计,给出后验估计。也就是x=x:+k(Residual)=*+k(z,-hR-其中的k称作卡尔曼增益或卡尔曼混合系数( Blending factor)现在剩下的问题就是如何找到k的值,使得估计为最优。为此需要定义先验均方差和后验均方差。121最优的k值先验误差和后验误差分别定义为(12)它们的方差就是先验均方差和后验均方差P≡varP, =vale(13)最优的k值是使后验均方差为最小的值,就是下式成立时的k值(14)ak122计算先验均方差先验均方差为≡war(15)因为(2)式及(8)试式x,=ax_+ bu+we=ax+bu可得e:=x-x=ax+bu +w_)-(ax +bur=a(xx_1)+W因此第10页(共77页)
- 2020-12-03下载
- 积分：1
