MATLAB und Simulink Schnellkurs für Ingenieure
- 2025
- Buch
- Verfasst von
- Eklas Hossain
- Verlag
- Springer Nature Switzerland
Über dieses Buch
MATLAB und Simulink Schnellkurs für Ingenieure ist ein benutzerfreundlicher Einführungsführer zu den Funktionen und Anwendungen von MATLAB und Simulink. Das Buch bietet Lesern praxisnahe Beispiele, Übungen und Anwendungen und zeigt hochillustrierte, schrittweise Demonstrationen von Techniken für die Modellierung und Simulation komplexer Systeme. Die MATLAB-Abdeckung umfasst Vektoren und Matrizen, Programme und Funktionen, komplexe Zahlen, Visualisierung, Lösung von Gleichungen, numerische Methoden, Optimierungsprobleme und grafische Benutzeroberflächen. Die Simulink-Abdeckung umfasst häufig verwendete Simulink-Blöcke, Simulation von Regelungssystemen, Analyse elektrischer Schaltungen, elektrische Energiesysteme, Leistungselektronik und erneuerbare Energietechnologien. Dieses leistungsstarke Tutorial ist eine ausgezeichnete Ressource für Studenten, Ingenieure und andere geschäftige technische Fachleute, die schnell ein solides Verständnis von MATLAB und Simulink erlangen müssen.
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Inhaltsverzeichnis
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Frontmatter
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Kapitel 1. Einführung in MATLAB
Eklas HossainDieses Kapitel führt in die Software MATLAB ein, die im Ingenieurswesen zur Lösung von Problemen, zum Entwerfen von Systemen und zur Simulation von Modellen verwendet wird. Es bietet einen Überblick über die Vielseitigkeit von MATLAB und dessen spezifische Anwendungen im Bereich der Elektrotechnik. Die Geschichte von MATLAB wird detailliert beleuchtet, von seinen Ursprüngen als Matrixrechner bis hin zu den modernen Versionen und Toolboxen, die verschiedene Anwendungsbereiche abdecken. Praktische Anleitungen zur Installation und den Systemanforderungen der Software werden ebenfalls bereitgestellt, um den Lesern den Einstieg zu erleichtern. Die MATLAB-Umgebung und ihre wichtigsten Eigenschaften werden beschrieben, einschließlich der High-Level-Programmierung, der eingebauten Grafiken und der interaktiven Benutzeroberfläche. Zudem werden grundlegende Konzepte wie Variablendefinition, Datentypen und Datenkonvertierung erläutert, um den Lesern eine solide Grundlage für die weiteren Kapitel zu bieten.KI-Generiert
Diese Zusammenfassung des Fachinhalts wurde mit Hilfe von KI generiert.
ZusammenfassungDieses Kapitel ist eine Einführung in die Möglichkeiten von MATLAB, die auch den Anfänger zu einer umfassenden Nutzung der Software befähigen soll. Es beginnt mit einem kurzen Überblick über die Software, gefolgt von einer Beschreibung der chronologischen Entwicklungsgeschichte, dem Zweck und der Bedeutung von MATLAB. Anschließend werden die drei verschiedenen Installationsverfahren Schritt für Schritt illustriert. Die nötigen Voraussetzungen für das Arbeiten mit MATLAB werden ebenfalls aufgelistet, damit die Leser diese für die Installation von MATLAB auf ihrem Computer kennen. Der Aufbau und die Funktionen von MATLAB werden vorgestellt, zusammen mit einigen anderen grundlegenden Konzepten (wie Variablendeklaration, Arten von Variablen, Datentypumwandlung, Unterdrückung und Ausgabe des Ausdrucks und Aufzeichnung einer MATLAB-Sitzung). Dieses Kapitel soll die Leser mit dem grundlegenden Wissen über die MATLAB-Plattform vertraut machen und als Vorbereitung für die späteren Kapitel dienen. -
Kapitel 2. Vektoren und Matrizen
Eklas HossainDas Kapitel führt in die Grundlagen der Vektoren und Matrizen in MATLAB ein und erklärt, wie diese Datentypen erstellt und manipuliert werden können. Es werden verschiedene Operationen wie Addition, Subtraktion, Multiplikation und Transponierung detailliert beschrieben. Besonders hervorgehoben werden die speziellen Arrays wie Nullen, Einsen und Zufallszahlen sowie die Nutzung des Punktoperators für elementweise Operationen. Das Kapitel schließt mit einer Einführung in Tabellenarrays, Zellenarrays und Strukturarrays, die für das Arbeiten im Ingenieurwesen von Bedeutung sind. Durch praktische Beispiele und MATLAB-Codes wird das Verständnis der Konzepte vertieft und die Anwendung in der Praxis erleichtert.KI-Generiert
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ZusammenfassungDieses Kapitel macht den Leser mit Vektoren, Matrizen und Arrays in MATLAB vertraut. Zunächst werden die Methoden zur Erstellung von Vektoren und Matrizen beschrieben. Anschließend werden die verschiedenen Operationen, die an Vektoren und Matrizen durchgeführt werden können, anhand von Beispielen demonstriert. Ebenso wird die Methode zur Bestimmung der Dimension einer Matrix veranschaulicht. Die Addition, Subtraktion und Multiplikation von zwei Matrizen werden anhand von ausgearbeiteten MATLAB-Beispielen gezeigt. Die Methoden zur Erstellung der transponierten Matrix, Determinante, Einheitsmatrix und inversen Matrix werden ebenfalls anhand von MATLAB erläutert. Auch die horizontale und vertikale Verkettung von Matrizen wird vorgestellt. Danach liegt der Fokus auf der Manipulation von Arrays und dem Prozess der Erstellung von Arrays aus Nullen, Einsen und Zufallszahlen, gefolgt von der Diskussion über die Array-Funktionen für eindimensionale Arrays. Es folgen Beispiele für Mittelwert, Modus, Varianz und Standardabweichung sowie die Verwendung des Punktoperators. Schließlich endet das Kapitel mit einer Beschreibung und Demonstration von Tabellenarrays, Zellenarrays und strukturierten Arrays. Die Leser werden nach der Lektüre dieses Kapitels in der Lage sein, jeden Vektor, jede Matrix oder jedes Array in MATLAB zu deklarieren und jede Operation darauf auszuführen. -
Kapitel 3. Programme und Funktionen
Eklas HossainDas Kapitel bietet eine umfassende Einführung in die Programmierung mit MATLAB, einschließlich der Erstellung und Verwendung von Skripten und Live-Skripten. Es wird erläutert, wie bedingte Anweisungen und Schleifen implementiert werden können und wie benutzerdefinierte Funktionen zur Vermeidung redundanter Code erstellt werden. Die Prozesse des Speicherns, Ausführens und Veröffentlichens von Skripten werden detailliert beschrieben, wobei besonderes Augenmerk auf die Vorteile von Live-Skripten für die Präsentation und Dokumentation gelegt wird. Praktische Beispiele und Schritt-für-Schritt-Anleitungen machen den Beitrag besonders nützlich für Praktiker und Forscher, die MATLAB in ihren Projekten einsetzen.KI-Generiert
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ZusammenfassungDieses Kapitel zielt darauf ab, die Leser in die grundlegenden MATLAB-Programmierungen und -Funktionen einzuführen. Zunächst wird beschrieben, was Skripte und Live-Skripte sind und worin sie sich unterscheiden bzw. wie sie programmiert werden. Dann werden die Möglichkeiten, Skripte zu speichern, auszuführen und zu veröffentlichen, anhand von Beispielen dargestellt. Die Verwendung von bedingten Anweisungen (if und switch) und Loops (Schleifen) werden ebenfalls erklärt. Weiterhin stehen die Beschreibung und Demonstration von benutzerdefinierten Funktionen für Summierung, Subtraktion, Multiplikation und Division im Fokus. Dann wird die Methode zur Lösung quadratischer Gleichungen mit der quadratischen Formel in einer benutzerdefinierten Funktion erläutert. Dieses Kapitel gibt einen vollständigen Überblick darüber, wie Funktionen in MATLAB erstellt und verwendet werden können, um Programme einfacher zu codieren, zu bedienen und zu handhaben. Nach Abschluss dieses Kapitels werden die Leser in der Lage sein, ihre eigenen Funktionen in MATLAB zu programmieren und diese in ihrem Code wiederzuverwenden. -
Kapitel 4. Komplexe Zahlen
Eklas HossainDas Kapitel behandelt die grundlegende Bedeutung komplexer Zahlen in der Elektrotechnik und erläutert deren verschiedene Darstellungsformen, wie die rechteckige und polare Darstellung. Es führt in die Eulersche Reihe ein und zeigt, wie komplexe Zahlen in mathematischen Reihen und Anwendungen wie der Fourier-Reihe und der Diskreten Fourier-Transformation verwendet werden. Weiterhin werden praktische Beispiele aus der Technik vorgestellt, die die theoretischen Konzepte veranschaulichen. Das Kapitel schließt mit einer praktischen Anwendung der komplexen Zahlen in der Berechnung der Impedanz und der Energie in elektrischen Systemen, was die Relevanz der Theorie für reale Ingenieuraufgaben unterstreicht.KI-Generiert
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ZusammenfassungDieses Kapitel behandelt das Thema komplexe Zahlen sowie ihre verschiedenen Darstellungen und Anwendungen mit MATLAB. Zunächst wird die Geschichte der Entstehung komplexer Zahlen im sechzehnten Jahrhundert beleuchtet. Danach geht es um die Darstellung komplexer Zahlen in den rechteckigen und polaren Koordinatensystemen mit grafischen Illustrationen und ausgearbeiteten MATLAB-Beispielen. Begriffe wie Eulersche Reihe, Fourier-Reihe und Taylor-Reihe werden in einfach verständlicher Sprache erklärt, um dem Leser eine rasche Implementierung in MATLAB zu erleichtern. Auch die Multiplikation und Division komplexer Zahlen werden demonstriert, ebenso wie die diskrete Fourier-Transformation und ihre Umkehrung sowie die Beschreibung der Fourier-Reihe. Es folgen die Demonstration der Methode zur Bestimmung des Gleichgewichtspunkts von Differentialgleichungen und die Berechnung von Energie und Impedanz in elektrischen Systemen. Am Ende dieses Kapitels finden sich Beispiele für die Lösung von elektrotechnischen Problemen via MATLAB. Nach Abschluss des Kapitels werden die Leser in der Lage sein, MATLAB mühelos für Anwendungen mit komplexen Größen zu verwenden. -
Kapitel 5. Visualisierung
Eklas HossainDas Kapitel bietet eine umfassende Einführung in die Visualisierungstechniken von MATLAB, einschließlich der Erstellung von Linien-, Balken-, Flächen-, Oberflächen- und Kreisdiagrammen, Heatmaps und Radarplots. Es wird detailliert auf die Verwendung von MATLAB-Befehlen zur Anpassung von Diagrammen eingegangen, wie z.B. die Festlegung von Linienfarben, -stilen und -breiten. Besondere Aufmerksamkeit wird auch der dreidimensionalen Darstellung und der Exportierung von hochwertigen Figuren geschenkt. Praktische Beispiele und Schritt-für-Schritt-Anleitungen veranschaulichen die Anwendung dieser Techniken, um komplexe Daten visuell darzustellen und zu analysieren. Die detaillierten Erklärungen und Beispiele machen das Kapitel zu einer wertvollen Ressource für Fachleute, die ihre Visualisierungsfähigkeiten in MATLAB erweitern möchten.KI-Generiert
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ZusammenfassungIn diesem Kapitel werden die verschiedenen Methoden der Datenvisualisierung in MATLAB vorgestellt. Liniendiagramme, Unterdiagramme und Doppelachsen-Diagramme stehen dabei ebenso im Fokus wie deren spezifische Merkmale (Linienmarkierungen, Linienbreite, Linienstil, Linienfarbe, Achsenbeschriftungen usw.). Balkendiagramme und horizontale Balkendiagramme werden ebenso detailliert erläutert wie Flächen-, Oberflächen- und Kreisdiagramme, Wärme- und Netzkarten. Zusätzlich zu Schritt-für-Schritt-Anleitungen werden all diese Diagramme visuell mit ausgearbeiteten MATLAB-Beispielen veranschaulicht. Dreidimensionale Tortendiagramme finden sich am Ende des Kapitels. Nachdem die Diagramme mit MATLAB erstellt wurden, müssen sie in hoher Auflösung exportiert werden. Die Methode zum Exportieren von hochwertigen Bildern aus MATLAB wird ebenfalls erläutert. Nach Abschluss dieses Kapitels soll der Leser dazu in der Lage sein, Diagramme oder Plots mit MATLAB zu erstellen. -
Kapitel 6. Gleichungen lösen
Eklas HossainDas Kapitel behandelt die grundlegenden Konzepte der linearen Algebra und Techniken zur Lösung verschiedener Gleichungen in MATLAB. Es wird der Rang von Matrizen erklärt und gezeigt, wie Eigenwerte und Eigenvektoren bestimmt werden. Zudem werden Methoden zur Lösung von quadratischen, Differential- und Integralgleichungen mit praktischen Beispielen und MATLAB-Code vorgestellt. Dies ermöglicht es Ingenieuren und Wissenschaftlern, komplexe mathematische Probleme effizient zu lösen und ihre Fähigkeiten in der Anwendung von MATLAB zu erweitern.KI-Generiert
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ZusammenfassungIn diesem Kapitel geht es um lineare Algebra und die damit im Zusammenhang stehenden Begriffe wie Matrix, Rang, Dimension, Eigenwert und Eigenvektor. Danach wird das Lösen von Gleichungen behandelt - insbesondere von drei Gleichungsarten: quadratische Gleichung, Differentialgleichung und Integralgleichung. Für quadratische Gleichungen werden die Lösungsmethoden für einzelne und mehrere Variablen veranschaulicht. Bei der Lösung von Differentialgleichungen werden sowohl gewöhnliche als auch partielle Differentialgleichungen behandelt. Die Diskussion über gewöhnliche Differentialgleichungen in diesem Kapitel umfasst Differentialgleichungen 1., 2. und 3. Ordnung. Anschließend werden die Methoden zur Lösung von Integralgleichungen mit einer und mehreren Variablen anhand von ausgearbeiteten Beispielen vorgestellt. -
Kapitel 7. Numerische Methoden
Eklas HossainDieser Fachbeitrag führt in die Welt der numerischen Methoden ein, die zur Lösung mathematischer Probleme mit kontinuierlichen Variablen verwendet werden. Besondere Aufmerksamkeit wird der Gauß-Seidel-Methode, der Newton-Raphson-Methode und der Runge-Kutta-Methode geschenkt. Jede Methode wird theoretisch erklärt und praktisch in MATLAB implementiert. Die Gauß-Seidel-Methode ist eine iterative Methode zur Lösung von Gleichungssystemen, die durch die Verwendung aktualisierter Werte in jeder Iteration effizienter wird. Die Newton-Raphson-Methode ist eine effektive Methode zur Annäherung der Wurzel einer differenzierbaren, nichtlinearen Funktion. Die Runge-Kutta-Methode, insbesondere die vierte Ordnung, wird zur Lösung gewöhnlicher Differentialgleichungen verwendet. Durch die Kombination von theoretischen Erklärungen und praktischen Beispielen in MATLAB bietet dieser Beitrag ein umfassendes Verständnis der Anwendung numerischer Methoden in technischen und wissenschaftlichen Kontexten.KI-Generiert
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ZusammenfassungDie numerische Analyse als wichtige Strategie zum Lösen technischer Probleme ist komplex. In diesem Kapitel werden daher nur die drei wichtigsten und am häufigsten eingesetzten Anwendungsmethoden vorgestellt. Dazu zählen die Gauß-Seidel-Methode, die Newton-Raphson-Methode und die Runge-Kutta-Methode. Jede dieser drei Methoden wird zunächst theoretisch mit mathematischen Gleichungen erklärt und dann anhand von MATLAB-Beispielen praktisch vertieft. Nach Abschluss soll der Leser in der Lage sein, Gleichungen mit numerischen Methoden wie den o. g. zu lösen. -
Kapitel 8. Elektrische Schaltkreisanalyse
Eklas HossainDer Fachbeitrag 'Elektrische Schaltkreisanalyse' behandelt die Analyse von Gleich- und Wechselstrom-Schaltungen mittels MATLAB. Es werden grundlegende Gesetze wie das Ohmsche Gesetz und das Kirchhoffsche Strom- und Spannungsgesetz erläutert. Die Berechnung des äquivalenten Widerstands in verschiedenen Schaltungskonfigurationen, einschließlich der Delta-Wye-Umwandlung, wird detailliert beschrieben. Praktische Beispiele und MATLAB-Codes veranschaulichen die Anwendung dieser Theorien. Weiterhin werden die Spannungsteiler- und Stromteiler-Regeln sowie das Theveninsche Theorem und das Leistungstransfertheorem behandelt. Der Beitrag schließt mit einer Einführung in die Wechselstrom-Schaltungsanalyse und der Erklärung relevanter Begriffe wie Spitzenwert, Effektivwert und Impedanz.KI-Generiert
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ZusammenfassungDieses Kapitel setzt sich aus den vier Themen Gleichstromkreisanalyse, Wechselstromkreisanalyse, Operationsverstärker und Transistorschaltungen zusammen. Im Abschnitt zur Gleichstromkreisanalyse stehen das Ohmsche Gesetz, die Gesetze des äquivalenten Widerstands, die Delta-Wye-Umwandlung und mögliche Probleme, Kirchhoffsche Gesetze, Spannungs- und Stromteiler-Gesetze, das Thevenins Theorem und das Theorem der maximalen Leistungsübertragung im Fokus. Im Abschnitt Wechselstromkreisanalyse wird der Leser mit den dazugehörigen Terminologien vertraut gemacht. Die Konzepte der Impedanz und des Leistungsdreiecks werden vertieft. Im Themenkreis Dreiphasen-Wechselstromkreis werden verschiedene Schaltungsanordnungen genauer betrachtet und durch schrittweise Anweisungen, beschriftete Illustrationen und ausgearbeitete MATLAB-Beispiele veranschaulicht. Im Abschnitt zum Operationsverstärker und seinen verschiedenen Varianten (invertiert vs. nichtinvertiert) werden Follower-, die Differenzier- und die Integratorschaltung mit relevanten Beispielen genauer vorgestellt. Der letzte Abschnitt ist den Transistorschaltungen gewidmet. -
Kapitel 9. Steuerungssystem und MATLAB
Eklas HossainDas Kapitel behandelt die Steuerung von physischen Systemen im Ingenieurwesen, wobei das Hauptaugenmerk auf der mathematischen Darstellung und der Umwandlung in Zustandsraumdarstellungen liegt. Es wird erklärt, wie Steuerungssysteme im Frequenz- und Zeitbereich dargestellt werden und wie MATLAB zur Analyse und Simulation dieser Systeme eingesetzt wird. Besonderes Augenmerk wird auf die Kontrollierbarkeit, Beobachtbarkeit und Stabilitätsanalyse von Systemen gelegt. Praktische Beispiele und MATLAB-Implementierungen verdeutlichen die theoretischen Konzepte und ermöglichen eine umfassende Verständnis der Steuerungssysteme. Das Kapitel schließt mit einer detaillierten Diskussion über die Stabilitätsanalyse und verschiedene Methoden zur Bestimmung der Systemstabilität, wie das Routh-Kriterium, die Wurzelortskurve, das Bode-Diagramm und das Nyquist-Diagramm.KI-Generiert
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ZusammenfassungDieses Kapitel bietet einen Überblick über Steuerungssysteme, speziell den Frequenz- und Zeitbereich. Bei der Frequenzganganalyse werden lineare zeitinvariante Systeme, Übertragungsfunktion, Laplace- und inverse Laplace-Transformation, Partialbrüche, DC-Verstärkung, Anfangs- und Endwerttheoreme und das Konzept von Polen und Nullstellen mit vielen praktischen Beispielen erklärt. Bei der Zeitantwortanalyse werden zunächst Systeme 1. und 2. Ordnung beschrieben, gefolgt von einem detaillierten Abschnitt über das Dämpfungsverhältnis und Beispiele von Systemen unter verschiedenen Dämpfungsstufen – überdämpftes System, kritisch gedämpftes System, unterdämpftes System, ungedämpftes System und negativ gedämpftes System. Der stationäre Fehler und die Zustandsraumdarstellung eines RLC-Kreises aus seiner Übertragungsfunktion werden ebenfalls beschrieben wie die Stabilitätsanalyse. Routh-Kriterium, Wurzelorte, Bode- und Nyquist-Diagramm werden mit ausgearbeiteten Beispielen erklärt. -
Kapitel 10. Optimierungsfunktion
Eklas HossainDas Kapitel behandelt die zentrale Bedeutung der Optimierung in der Technik und erläutert, wie durch mathematische Modelle das bestmögliche Ergebnis unter verschiedenen Bedingungen ermittelt werden kann. Es werden die drei Hauptkategorien der Optimierungsprobleme – lineare, quadratische und nichtlineare Programmierung – detailliert beschrieben. Besonderes Augenmerk liegt auf der eindimensionalen und mehrdimensionalen Optimierung sowie auf der linearen und quadratischen Programmierung. Ein praktisches Beispiel aus dem Bereich der Lithium-Ionen-Batterien veranschaulicht die Anwendung der Optimierungsverfahren in der Praxis. Durch die Kombination von theoretischen Erklärungen und praktischen Anwendungen bietet das Kapitel einen umfassenden Überblick über die Optimierungstechniken und deren Anwendung in der Technik.KI-Generiert
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ZusammenfassungIn diesem Kapitel wird der Leser mit Optimierungsproblemen und deren Lösung in MATLAB vertraut gemacht. Nach einem ersten Überblick über mögliche Hürden in der Optimierung, Zielfunktionen und Randbedingungen wird auf ein- und mehrdimensionale Optimierungsprobleme mit zugehörigen MATLAB-Beispielen eingegangen. Unterschieden werden dabei die lineare, quadratische und nichtlineare Programmoptimierung. Am Ende des Kapitels wird ein Ingenieurproblem aus der Praxis im Zusammenhang mit Lithium-Ionen-Batterien vorgestellt, bei dem es um die Optimierung der Anzahl der Batteriemodule in einem Batteriepack geht. -
Kapitel 11. App-Designer-Plattform und grafische Benutzeroberfläche
Eklas HossainDas Kapitel führt in die App-Designer-Plattform von MATLAB ein, eine interaktive Umgebung zur Erstellung professioneller Apps. Es wird die neue Version der Plattform vorgestellt, die die vorherige GUIDE ersetzt, und detailliert beschrieben, wie Apps mit der App-Designer-Plattform entwickelt werden. Die Plattform ermöglicht es Benutzern, das Verhalten der Apps zu definieren und bietet eine ausgefeilte Komponentenbibliothek. Praktische Beispiele, wie das Entwickeln eines Taschenrechners und einer Risikowarn-App, veranschaulichen den gesamten Prozess der App-Entwicklung, von der Gestaltung bis zur Programmierung. Fehlererkennung und -korrektur sind ebenfalls wichtige Themen, die behandelt werden. Der Fachtext bietet eine umfassende Anleitung für Entwickler, die ihre Fähigkeiten in der App-Entwicklung mit MATLAB erweitern möchten.KI-Generiert
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ZusammenfassungDas Ziel dieses Kapitels ist es, den Leser in die App-Designer-Plattform einzuführen. Nach einer Einführung werden das Grundlayout und die Komponenten der Plattform beschrieben. Anschließend wird der Prozess der Fehlererkennung und -korrektur in den Apps erläutert. Die Methode zur Erstellung von Apps wird anhand von drei Beispielen beschrieben. Eine vergleichende Bewertung zwischen App-Designer und GUIDE sowie der Switch zwischen beiden wird ebenfalls vorgestellt. Nach Abschluss des Kapitels wird der Leser in der Lage sein, eine App mit App-Designer zu erstellen und ein grundlegendes Verständnis für Apps haben, die mit GUIDE erstellt wurden. -
Kapitel 12. Einführung in Simulink
Eklas HossainDas Kapitel 'Einführung in Simulink' führt in die Plattform Simulink ein, die zur Modellierung, zum Design und zur Simulation dynamischer physischer und eingebetteter Systeme dient. Simulink bietet grafisch programmierbare Blöcke, die nach den Vorlieben der Benutzer angepasst werden können. Die Plattform ermöglicht die gleichzeitige Änderung und Simulation von Modellen durch die Integration mit MATLAB. Der Simulink Library Browser enthält verschiedene Blöcke, die auf zahlreichen Anwendungen basieren. Benutzer können zusätzliche anpassbare Blöcke erstellen, die über MATLAB-Programmierung definiert sind. Die Verbindung zwischen Simulink und MATLAB ermöglicht den Datenfluss in beide Richtungen. Ein getestetes Simulink-Modell kann in jedem eingebetteten System für den praktischen Gebrauch eingesetzt werden. Das Kapitel beschreibt auch die Schritte zum Starten von Simulink, die grundlegenden Elemente des Designs und die Funktionen zur Anpassung des Modells. Weitere Themen umfassen die Erstellung und Simulation eines Sinuswellengenerators sowie die Anpassung von Simulationsparametern und die Verwendung von benutzerdefinierten Blöcken. Besonderheiten des Kapitels sind die detaillierten Anleitungen zur Modellierung und Simulation sowie die Integration von MATLAB, was es zu einem wertvollen Leitfaden für Ingenieure und Forscher macht.KI-Generiert
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ZusammenfassungSimulink ist ein Produkt von MathWorks zur Modellierung simulationsbasierter Entwürfe, das in diesem Kapitel vorgestellt werden soll. Zunächst erhält der Leser einen kurzen Überblick über Simulink, gefolgt von schrittweisen Anleitungen zum Starten und zum Umgang mit den grundlegenden Elementen der Plattform. Der umfangreiche Bibliotheksbrowser von Simulink wird ebenfalls demonstriert, indem gezeigt wird, wie die Benutzer diesen Bibliotheksbrowser zur Gestaltung eines bestimmten Modells nutzen können. Anhand von Beispielen wird die Auswahl verschiedener Simulink-Blöcke, das Entwerfen und schließlich die Simulation des Modells gezeigt. Das Simulink-Design kann zudem mit MATLAB interagieren und vice versa, was ebenfalls in diesem Kapitel demonstriert wird. -
Kapitel 13. Häufig verwendete Simulink-Blöcke
Eklas HossainDer Fachbeitrag behandelt die häufig verwendeten Simulink-Blöcke, die in der Modellierung und Simulation von Systemen unerlässlich sind. Dabei werden verschiedene Formen von Senken, wie der Display-Block und der Scope-Block, detailliert erklärt. Der Display-Block dient zur Beobachtung von Signalen, während der Scope-Block zur Visualisierung von Ausgangssignalen in Form von Diagrammen verwendet wird. Besondere Aufmerksamkeit wird auf die Konfiguration und Anpassung dieser Blöcke gelegt, um eine präzise Signalanalyse zu ermöglichen. Zudem werden verschiedene Quellenblöcke wie der Puls- und Sinusgenerator vorgestellt, die für die Erzeugung von Signalen in Simulink-Modellen essenziell sind. Der Beitrag hebt sich durch seine praxisnahe Herangehensweise und die detaillierte Beschreibung der Blockparameter und -funktionen hervor, was ihn besonders wertvoll für Ingenieure und Systementwickler macht, die Simulink in ihrer täglichen Arbeit einsetzen.KI-Generiert
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ZusammenfassungIn Simulink spielen Blöcke als Hauptbauteil eines jeden entworfenen Modells eine wichtige Rolle. Je nach Anwendung und Funktion unterscheiden sich diese. In diesem Kapitel werden einige der im Ingenieurswesen am häufigsten verwendeten Blöcke mit relevanten Implementierungen anhand von Beispielen erklärt. Kategorien sind dabei Senke, Quelle, mathematische Operatoren, Port, Subsystem und logischer Operator, Programme und Lookup-Tabellen. In den folgenden Kapiteln wird die praktische Umsetzung vertieft. Daher sind die Inhalte dieses Kapitels als Grundlage für die späteren Inhalte zu verstehen. -
Kapitel 14. Steuerungssystem in Simulink
Eklas HossainDer Beitrag behandelt die grundlegenden Konzepte und Unterschiede zwischen offenen und geschlossenen Regelkreissystemen im Ingenieurwesen. Offene Regelkreissysteme werden durch die Eingabe gesteuert, ohne Feedback, während geschlossene Regelkreissysteme Feedback nutzen, um die Ausgabe präziser zu steuern. Die Implementierung dieser Systeme in Simulink wird detailliert beschrieben, einschließlich der Anpassung von Übertragungsfunktionen und Verstärkungsfaktoren. Praktische Beispiele und Simulationen veranschaulichen die Stabilitätsanalyse und die Optimierung der Systemparameter. Besonderes Augenmerk wird auf die Verwendung von PID-Controllern und die Erstellung von Pole-Zero-Plots gelegt, um die Stabilität der Systeme zu gewährleisten. Der Beitrag bietet umfassende Einblicke in die praktische Anwendung von Simulink zur Entwicklung und Analyse von Steuerungssystemen.KI-Generiert
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ZusammenfassungIn diesem Kapitel werden einige häufig verwendete Blöcke im Steuerungssystembereich mit Beispielen illustriert. Dabei geht es vor allem um offene und geschlossene Regelkreise. Zunächst werden die Regelkreisvarianten (offen/geschlossen) erklärt. Beispiele der Erstellung solcher Systeme in Simulink helfen dabei, die Eigenschaften des Systems und die theoretischen Konzepte anhand von Simulationsergebnissen zu verstehen. Bei der Erklärung des geschlossenen Regelkreises geht es vor allem um das PID-Steuerungssystem. Dadurch wird deutlich, warum die Werte verschiedener Parameter das Ausgangssignal eines Steuerungssystems beeinflussen. Es wird gezeigt, wie sich ein Steuerungssystem durch die Variation der Parameterwerte verändert. Eine Darstellung der Stabilitätsanalyse eines Steuerungssystems in Form von Pole-Zero-, Bode- und Nyquist-Diagramm dient am Ende dieses Kapitels der Veranschaulichung der Thematik. -
Kapitel 15. Elektrische Schaltkreisanalyse in Simulink
Eklas HossainDieser Fachtext behandelt die Analyse elektrischer Schaltkreise in Simulink, wobei die Messung von Spannung, Strom und Leistung in Gleich- und Wechselstromschaltkreisen im Mittelpunkt steht. Für die Gleichstromkreisanalyse werden spezialisierte Blöcke aus Simscape verwendet, um die Spannung, den Strom und die Leistung über Widerständen zu messen. Bei der Wechselstromkreisanalyse wird die Messung von Spannung und Strom sowie die Berechnung von Wirk- und Blindleistung detailliert erläutert. Zudem wird die RLC-Schaltkreisanalyse sowohl für Wechsel- als auch für Gleichstromschaltkreise behandelt, wobei die Unterschiede in der Simulation hervorgehoben werden. Der Beitrag bietet praktische Anleitungen und theoretische Hintergründe, um die Simulation und Analyse elektrischer Schaltkreise in Simulink zu verstehen und anzuwenden.KI-Generiert
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ZusammenfassungSimulink ist eine weltweit verbreitete Simulationsplattform für die Analyse elektrischer Schaltungen. Sie verfügt über zahlreiche elektrische Blöcke zur Gestaltung elektrischer Schaltungen auf Basis des aktuellen Forschungsstands. In diesem Kapitel geht es vor allem um die Demonstration, wie elektrische Schaltungen entworfen und verschiedene Parameter über die Simulation gemessen werden, um jede Schaltung analysieren zu können. Das Kapitel beginnt mit den Grundlagen der Messung wichtiger Parameter einer elektrischen Schaltung (wie Spannung, Strom und Leistung), gefolgt von den Messungen von Gleich- und Wechselstromschaltungen. Danach wird eine RLC-Schaltungssimulation erläutert, wobei sowohl Gleich- als auch Wechselstromquellen berücksichtigt werden. Die Inhalte dieses Kapitels sind vor allem für die Leser relevant, die praktische Einblicke in die Analyse elektrischer Schaltungen erhalten wollen. -
Kapitel 16. Simulink bei Energiesystemen
Eklas HossainDas Kapitel beschäftigt sich mit der Modellierung von Stromquellen in Simulink, einem fortschrittlichen Simulationswerkzeug. Es wird detailliert erklärt, wie einphasige und dreiphasige Wechselstromquellen modelliert und simuliert werden können. Besondere Aufmerksamkeit wird der Berechnung des Leistungsfaktors und der Analyse verschiedener Stromsystemkonfigurationen geschenkt. Zudem werden Gleichstrommaschinen und asynchrone Maschinen vorgestellt, um die Anwendung von Simulink in der Energietechnik zu verdeutlichen. Durch die präzise Darstellung und die umfassenden Simulationsbeispiele bietet der Text tiefgehende Einblicke in die Praxis der Energiesystemmodellierung.KI-Generiert
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ZusammenfassungIn diesem Kapitel stehen verschiedene Modellierungen von Stromsystemen im Fokus. Zunächst wird eine einphasige Stromquelle, gefolgt von verschiedenen Konfigurationen von dreiphasigen Wechselstromquellen vorgestellt. Dabei stehen vor allem die Konfiguration sowohl der Quelle als auch der Last im Vordergrund. Das Kapitel schließt mit einer kurzen Übersicht über elektrische Maschinen, um die Anwendungen verschiedener Stromquellen zum Betrieb solcher Maschinen zu verstehen. Um nicht zu sehr ins Detail zu gehen, werden in diesem Kapitel nur die Gleichstrom- und Asynchronmaschine mit Beispielen behandelt. -
Kapitel 17. Simulink in der Leistungselektronik
Eklas HossainDas Kapitel beschäftigt sich mit der Nutzung von Simulink in der Leistungselektronik, einem Bereich, der sich mit elektronischen Geräten hoher Leistung beschäftigt. Es wird die Funktionsweise von Dioden erläutert, die als Schalter mit einer bestimmten Vorwärtsspannung arbeiten und nur in einer Richtung Strom fließen lassen. Die wichtigsten Anwendungen von Dioden sind das Schalten, die Isolation von Signalen und die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom. Das Kapitel zeigt, wie Simulink zur Modellierung und Simulation von Schaltungen verwendet werden kann, um die Eigenschaften von Dioden zu untersuchen. Es werden verschiedene Gleichrichterschaltungen, wie der einphasige Halbwellengleichrichter und der Vollwellengleichrichter, detailliert beschrieben und simuliert. Besonders interessant sind die praktischen Beispiele und die detaillierten Schritt-für-Schritt-Anleitungen zur Erstellung von Simulink-Modellen. Diese Ansätze ermöglichen es Ingenieuren und Forschern, komplexe elektronische Schaltungen zu verstehen und zu optimieren.KI-Generiert
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ZusammenfassungSimulink ist eines der wenigen Softwareprogramme zur Simulation von Leistungselektronikgeräten, das von Ingenieuren und Forschern auf der ganzen Welt verwendet wird. In der Simulink-Simscape-Bibliothek sind viele Leistungselektronikgeräte mit Bauelementen verfügbar, die ohne oder nur geringer Modifikation verwendet werden können. Zweipolige ungesteuerte Geräte (wie Dioden) werden ebenso behandelt wie dreipolig gesteuerte Geräte (z. B. Transistoren und Operationsverstärker). Flexible Wechselstromübertragungssysteme (FACTS) und zugehörige Simulink-Blöcke werden ebenfalls kurz beleuchtet. Ferner wird die Modellierung von AC- und DC-Wandlern demonstriert - eine häufig verwendete Funktion bei der Arbeit mit AC- und DC-Systemen. -
Kapitel 18. Simulink und erneuerbare Energietechnologien
Eklas HossainDas Kapitel befasst sich mit der Modellierung und Anwendung von Simulink zur Simulation erneuerbarer Energietechnologien. Es beginnt mit einer detaillierten Erklärung der Solarphotovoltaik, einschließlich der mathematischen Modellierung einer PV-Zelle und der Erstellung von PV- und VI-Kennlinien. Weiterhin wird die Modellierung von PV-Panels und die Integration in größere Stromsysteme beschrieben. Es folgen Fallstudien zur Modellierung von Windturbinen und Wasserturbinen, die ebenfalls in Simulink umgesetzt werden. Abschließend wird die Modellierung von Batterien und Batteriepacks behandelt, wobei verschiedene Batterietypen und deren Anwendung in Simulink demonstriert werden. Das Kapitel zeigt, wie Simulink als leistungsfähiges Werkzeug zur Analyse und Optimierung erneuerbarer Energiesysteme eingesetzt werden kann.KI-Generiert
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ZusammenfassungIn diesem Kapitel wird die Simulink-Plattform genutzt, um einige wichtige Anwendungen im Bereich der erneuerbaren Energien zu demonstrieren, die aufgrund der Auswirkungen des Treibhauseffekts immer mehr an Bedeutung gewinnen. Viele der Technologien auf Basis erneuerbarer Energien befinden sich bereits in der Anwendungsphase, andere noch in der Forschungsphase. In diesem Kapitel wird durch erneuerbare Energien im Bereich der Stromsysteme – Sonnen-, Wind- und Wasserkraft – Strom mit verschiedenen Simulink-Blöcken erzeugt. Die Anwendungen von Solarmodulen, Windturbinen und Wasserturbinen werden durch verschiedene Fallstudien veranschaulicht. Am Ende wird die Implementierung von Batterien demonstriert. Das Batteriesystem dient sowohl als temporäre als auch als dauerhafte Energiequelle. -
Backmatter
- Titel
- MATLAB und Simulink Schnellkurs für Ingenieure
- Verfasst von
-
Eklas Hossain
- Copyright-Jahr
- 2025
- Verlag
- Springer Nature Switzerland
- Electronic ISBN
- 978-3-031-59997-2
- Print ISBN
- 978-3-031-59996-5
- DOI
- https://doi.org/10.1007/978-3-031-59997-2
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