Zweck dieser Schrift ist die Einführung in die elementaren Eigenschaften von SIMULINK. Sie ersetzt nicht das ausführliche Studium von MATLAB-Help. Was ist SIMULINK? - SIMULINK dient der Simulation von technischen Systemen. Aber auch ökologische Systeme oder Gesellschaftssysteme, soweit sie mathematisch beschreibbar
sind, können simuliert werden.
- In der Regel ist in derartigen Systemen die Zeit die unabhängige Variable. Man spricht daher auch von dynamischen Systemen.
- Die Systeme werden mit linearen und nichtlinearen algebraischen Gleichungen und Differential- und Differenzengleichungen beschrieben.
- Notwendig ist die Darstellung der Systeme durch Signalflußbilder.
- SIMULINK ist eine, auf MATLAB basierende, blockorientierte Programmiermethode.
Es können Signalflußbilder direkt in ein Programm umgesetzt werden. [...]
Inhaltsverzeichnis
1. Einführung
1.1 Was ist Simulink?
1.2 Realisierung
1.3 Was nicht behandelt wird.
2. Modelle
2.1 Bereitstellen eines Modellfensters
2.2 Bereitstellung der Simulink-Blöcke
2.3 Bearbeitung von Blöcken
2.4 Aufbau des Modells
2.5 Signale
2.6 Speichern der Bilder von Modellen
3. Subsysteme
3.1 Einführung
3.2 Erklärung eines Subsystems
3.3 Subsystem maskieren und benennen
3.4 Speichern der Bilder von Simulink-Subsystemen
4. S-Funktionen
4.1 Einführung
4.2 S-Funktionen für zeitkontinuierliche Blöcke
4.3 S-Funktionen für zeitdiskrete Blöcke
4.4 Betrieb einer S-Funktion
4.5 S-Funktion-Blöcke
5. Parameterversorgung von Modellen
5.1 Einführung
5.2 Direkte Methode
5.3 Versorgung über den Basis-Workspace
5.4 Zum Basis-Workspace
6. Ablauf von Modellen
6.1 Klassifizierung von Systemen
6.2 Simulation von Systemen
6.3 Simulationsvorbereitung
6.4 Simulationsablauf
7. Erfassung und Darstellung von Signalverläufen
7.1 Einführung
7.2 Erfassung der Daten
7.3 Darstellung der Signalverläufe
7.4 Speichern der Figures
8. Assistenzprogramm
9. Mathematische Grundlagen
9.1 Integration
9.2 Lineare Differentialgleichungen 1.Ordnung
9.3 Lineare Differentialgleichungen 2.Ordnung
9.4 Zustandsdarstellung von linearen Differentialgleichungssystemen
9.5 Zahlenfolgen, zeitdiskrete Signale
9.6 Signalverzögerung
9.7 Lineare Differenzengleichung
9.8 Zeitdiskrete Integrationsformeln
9.9 Zustandsdarstellung von linearen Differenzengleichungssystemen
9.10 Algebraische Schleife
10. Differentialgleichungen
10.1 Pendel
10.1.1 Ideales Pendel
10.1.2 Pendel mit parametrischer Anregung
10.2 Van der Pol’sche Differentialgleichung
11. Differenzengleichungen
11.1 Sinus-, Cosinusgenerator
11.2 Amplitudenmodulator
11.3 Generator für nahezu beliebige Signale
12. Zustandsdarstellung zeitkontinuierlicher Systeme
13. Simulation eines Regelkreises
13.1 Einführung in die Regelungsaufgabe
13.2 Modellbildung des zeitkontinuierlichen Regelkreises
13.3 Modellbildung des digitalen Regelkreises
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit bietet eine Einführung in die elementaren Eigenschaften von Simulink zur Simulation technischer und mathematisch beschreibbarer dynamischer Systeme. Das primäre Ziel ist es, dem Anwender die praktische Umsetzung von Signalflussbildern in Simulationsmodelle unter MATLAB zu vermitteln, wobei der Fokus auf dem Aufbau von Modellen, der Verwendung von S-Funktionen, der mathematischen Grundlagen und der gezielten Demonstration an Beispielsystemen liegt.
- Grundlagen der Modellentwicklung und Subsystem-Verwaltung in Simulink
- Implementierung von S-Funktionen für kontinuierliche und diskrete Systeme
- Methoden zur Parameterversorgung und zur Durchführung von Simulationen
- Erfassung, Darstellung und Speicherung von Signalverläufen und Figures
- Anwendung auf Differential- und Differenzengleichungen sowie Regelkreise
Auszug aus dem Buch
1.1 Was ist Simulink?
→ SIMULINK dient der Simulation von technischen Systemen. Aber auch ökologische Systeme oder Gesellschaftssysteme,, soweit sie mathematisch beschreibbar sind, können simuliert werden.
→ In der Regel ist in derartigen Systemen die Zeit die unabhängige Variable. Man spricht daher auch von dynamischen Systemen.
→ Die Systeme werden mit linearen und nichtlinearen algebraischen Gleichungen und Differential- und Differenzengleichungen beschrieben.
→ Notwendig ist die Darstellung der Systeme durch Signalflußbilder.
→ SIMULINK ist eine, auf MATLAB basierende, blockorientierte Programmiermethode. Es können Signalflußbilder direkt in ein Programm umgesetzt werden.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einführung: Dieses Kapitel erläutert den Zweck der Schrift als Ergänzung zum MATLAB-Help und definiert die grundlegenden Einsatzgebiete sowie die Arbeitsweise von Simulink.
2. Modelle: Hier wird der Prozess der Modellerstellung im Modellfenster, von der Bereitstellung der Blöcke bis hin zur Signalverdrahtung und Speicherung, detailliert beschrieben.
3. Subsysteme: Dieses Kapitel zeigt auf, wie komplexe Modelle durch Gruppierung von Blöcken in Subsysteme übersichtlich gestaltet und durch Maskierung benutzerfreundlich benannt werden können.
4. S-Funktionen: Es wird erklärt, wie durch S-Funktionen (M-Files) neue, benutzerdefinierte Blöcke für zeitkontinuierliche und zeitdiskrete Zustandsdarstellungen erstellt und in das Modell integriert werden.
5. Parameterversorgung von Modellen: Hier werden die Techniken beschrieben, um Modellparameter entweder direkt im Block oder über den Basis-Workspace zu verwalten und zu ändern.
6. Ablauf von Modellen: Dieses Kapitel widmet sich der Klassifizierung von Systemen und der korrekten Konfiguration der Simulationsparameter zur Durchführung von Standard-Simulationen.
7. Erfassung und Darstellung von Signalverläufen: Es wird beschrieben, wie Signale während der Simulation erfasst, im Basis-Workspace gespeichert und mittels spezieller Programme grafisch aufbereitet werden.
8. Assistenzprogramm: Dieses Kapitel stellt ein Assistenzprogramm vor, das den Anwender bei der Erstellung, Sicherung und Demonstration von Modellen unterstützt.
9. Mathematische Grundlagen: Hier werden die theoretischen Hintergründe zu Integration, Differential- und Differenzengleichungen sowie deren Umsetzung in Simulink-Modelle erläutert.
10. Differentialgleichungen: Dieses Kapitel präsentiert die Anwendung von Simulink anhand praktischer Beispiele wie dem Pendel und der Van der Pol’schen Differentialgleichung.
11. Differenzengleichungen: Es wird der Entwurf von diskreten Signalgeneratoren, wie Sinus/Cosinus-Generatoren oder Amplitudenmodulatoren, auf Basis von Differenzengleichungen demonstriert.
12. Zustandsdarstellung zeitkontinuierlicher Systeme: Hier wird die Herleitung und Implementierung der Zustandsdarstellung an einem elektrischen RC-Netzwerk als praktisches Beispiel gezeigt.
13. Simulation eines Regelkreises: Das abschließende Kapitel behandelt den Aufbau und die Simulation von einschleifigen Regelkreisen sowohl im zeitkontinuierlichen als auch im digitalen Kontext.
Schlüsselwörter
Simulink, MATLAB, Simulation, Modellbildung, S-Funktion, Signalverlauf, Differentialgleichungen, Differenzengleichungen, Zustandsdarstellung, Regelkreis, Subsystem, Basis-Workspace, Amplitudenmodulation, Zeitdiskrete Systeme, Integrationsformeln
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit bietet eine praktische Einführung in die Handhabung von Simulink zur Modellierung und Simulation dynamischer Systeme unter Verwendung der MATLAB-Umgebung.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Felder sind der Aufbau von Modellen in Simulink, die Programmierung von S-Funktionen, die Umsetzung mathematischer Gleichungen in Simulationen und die Visualisierung von Simulationsdaten.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist es, dem Anwender die methodische Vorgehensweise zu vermitteln, um technische Systeme durch Blockschaltbilder abzubilden und deren Verhalten mittels Simulation zu analysieren.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Die Arbeit stützt sich auf die Systemtheorie, insbesondere die Zustandsraumdarstellung sowie die numerische Lösung von Differential- und Differenzengleichungen mittels verschiedener Integrationsverfahren.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil behandelt den kompletten Workflow: vom Erstellen der Modellfenster über die Einbindung von Subsystemen und S-Funktionen bis hin zur Parametrierung, der eigentlichen Simulation und der grafischen Auswertung.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Simulink, MATLAB, Modellbildung, S-Funktion, Zustandsdarstellung, Differenzengleichungen und Regelungstechnik.
Wie werden S-Funktionen in Simulink konfiguriert?
S-Funktionen werden als M-Files erstellt und über spezielle Blöcke in das Modell gezogen; sie benötigen eine Initialisierungsfunktion, um Zustände, Ein- und Ausgänge sowie Tastzeiten festzulegen.
Wie kann eine algebraische Schleife in Simulink behoben werden?
Da Simulink zeitdiskrete Berechnungen durchführt, kann eine algebraische Schleife durch den expliziten Einbau einer Signalverzögerung (z.B. mittels eines Delay-Blocks) aufgelöst werden.
Welche Rolle spielt der Basis-Workspace für die Simulation?
Der Basis-Workspace dient zur zentralen Verwaltung von Modellvariablen, was eine flexible Änderung von Parametern ermöglicht, ohne die internen Blockmasken bei jedem Testlauf neu editieren zu müssen.
Was ist der Zweck des Assistenzprogramms?
Das Assistenzprogramm automatisiert repetitive Schritte bei der Modellentwicklung, wie die Erstellung von Modellfenstern, die Konfiguration des Workspace und die Sicherung von Simulationsergebnissen.
- Quote paper
- Professor Helmut Roderer (Author), 2012, SIMULINK - Entwicklung von Modellen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/191551
