MATLAB和數(shù)字仿真課件

MATLAB和數(shù)字仿真長春理工大學(xué)韓成計算科學(xué)技術(shù)學(xué)院Email：hancheng0626@辦公室電話：85583348MATLAB和數(shù)字仿真長春理工大學(xué)韓成計算科學(xué)技術(shù)學(xué)院Ema1課程任務(wù)通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生初步掌握當(dāng)前流行的演算式MATLAB語言的基本知識，理解數(shù)字仿真的思想，學(xué)會運用MATLAB語言進(jìn)行仿真設(shè)計的基本技能，為今后從事科學(xué)研究打下較好的基礎(chǔ)。課程任務(wù)通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生初步掌握當(dāng)前流行的演算式MA2課程內(nèi)容MATLAB和數(shù)字仿真概述MATLAB語言基礎(chǔ)MATLAB混合編程SIMULINK仿真基礎(chǔ)構(gòu)建基于MATLAB的數(shù)字仿真系統(tǒng)課程內(nèi)容MATLAB和數(shù)字仿真概述3考試形式筆試（開卷）成績組成平時成績占30%－40%期末考試占60%－70%考試形式筆試（開卷）成績組成平時成績占30%－40%4參考書目精通MATLAB6.5張志涌等編著——北京航空航天大學(xué)出版社參考書目精通MATLAB6.5張志涌等編著5第一章MATLAB和數(shù)字仿真概述1.1MATLAB簡介1.2仿真概述1.3仿真技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展1.4仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢1.5 計算機仿真軟件第一章MATLAB和數(shù)字仿真概述1.1MATLAB6

MATLAB產(chǎn)品家族是美國MathWorks公司開發(fā)的用于概念設(shè)計，算法開發(fā)，建模仿真，實時實現(xiàn)的理想的集成環(huán)境。由于其完整的專業(yè)體系和先進(jìn)的設(shè)計開發(fā)思路，使得MATLAB在多種領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用空間，特別是在MATLAB的主要應(yīng)用方向—科學(xué)計算、建模仿真以及信息工程系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)上已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)的首選設(shè)計工具，MATLAB用戶廣泛的分布在航空航天，金融財務(wù)，機械化工，電信，教育等各個行業(yè)。

1.1MATLAB簡介MATLAB產(chǎn)品家族是美國Mat7在MATLAB產(chǎn)品家族中，MATLAB工具箱是整個體系的基座，它是一個語言編程型（M語言）開發(fā)平臺，提供了體系中其他工具所需要的集成環(huán)境（比如M語言的解釋器）。在MATLAB產(chǎn)品家族中，MATLAB工具箱是整個體系的基座8同時由于MATLAB對矩陣和線性代數(shù)的支持使得工具箱本身也具有強大的數(shù)學(xué)計算能力。MATLAB產(chǎn)品體系的演化歷程中最重要的一個體系變更是引入了Simulink，用來對動態(tài)系統(tǒng)建模仿真。其框圖化的設(shè)計方式和良好的交互性，對工程人員本身計算機操作與編程的熟練程度的要求降到了最低，工程人員可以把更多的精力放到理論和技術(shù)的創(chuàng)新上去。同時由于MATLAB對矩陣和線性代數(shù)的支持使得工具箱本身也具9

在MATLAB/Simulink基本環(huán)境之上，MathWorks公司為用戶提供了豐富的擴展資源，這就是大量的Toolbox和Blockset。從1985年推出第一個版本以后的近二十年發(fā)展過程中，MATLAB已經(jīng)從單純的Fortran數(shù)學(xué)函數(shù)庫演變?yōu)槎鄬W(xué)科，多領(lǐng)域的函數(shù)包，模塊庫的提供者。用戶在這樣的平臺上進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)就相當(dāng)于已經(jīng)站在了巨人的肩膀上，眾多行業(yè)中的專家、精英們的智慧結(jié)晶可以信手拈來。

在MATLAB/Simulink基10同時，MATLAB開放的體系結(jié)構(gòu)允許用戶在平臺上進(jìn)行自由擴展，目前在全世界范圍內(nèi)已經(jīng)有大量的商業(yè)的或者免費的MATLAB二次開發(fā)產(chǎn)品發(fā)布。用戶購買一套MATLAB，獲得的是世界范圍的專家支持。而對于用戶自己開發(fā)的算法包，MATLAB也提供了包括Compiler應(yīng)用發(fā)布和Web網(wǎng)絡(luò)發(fā)布在內(nèi)的眾多方式的發(fā)布途徑，使得用戶一方面能夠充分地利用MATLAB的算法資源形成技術(shù)成果，同時又可以有效的保護(hù)自己的知識產(chǎn)權(quán)。同時，MATLAB開放的體系結(jié)構(gòu)允許用戶在平臺上進(jìn)行11

在這樣一個產(chǎn)品體系中，我們可以看到，由于MATLAB及其豐富的Toolbox資源的支持，使得用戶可以方便的進(jìn)行具有開創(chuàng)性的建模與算法開發(fā)工作，并通過MATLAB強大的圖形和可視化能力反映算法的性能和指標(biāo)。所得到的算法則可以在Simulink環(huán)境中以模塊化的方式實現(xiàn)，通過全系統(tǒng)建模，進(jìn)行全系統(tǒng)的動態(tài)仿真以得到算法在系統(tǒng)中的動態(tài)驗證。在這樣一個產(chǎn)品體系中，我們可以看到，由12

但是這樣一個開發(fā)流程總是欠缺和工程實現(xiàn)的有效連接，系統(tǒng)級的設(shè)計產(chǎn)物無法和硬件產(chǎn)品直接掛鉤。工程師無法直接應(yīng)用MATLAB/Simulink的寶貴資源。為了改善設(shè)計流程中的這一缺陷，MATLAB產(chǎn)品體系中加入了連接工程實現(xiàn)的橋梁—實時代碼生成工具Real-TimeWorkshop（RTW）。RTW使用戶可以直接將Simulink框圖模型轉(zhuǎn)化為實時標(biāo)準(zhǔn)C代碼，進(jìn)而為快速原型系統(tǒng)、半物理仿真系統(tǒng)或者產(chǎn)品提供設(shè)計輸入。

但是這樣一個開發(fā)流程總是欠缺和工程實現(xiàn)13RTW的主要特點有：

開放的，可擴充的結(jié)構(gòu)，可以完全定制代碼生成過程，滿足不同用戶對實時目標(biāo)的不同要求支持連續(xù)/離散/混合系統(tǒng)及異步系統(tǒng)仿真支持定點和浮點目標(biāo)機，代碼具有很強的工程實用性支持在線監(jiān)控和調(diào)參高度優(yōu)化的代碼效率RTW的主要特點有：14有了RTW的支持，就可以應(yīng)用MATLAB平臺以全新的開發(fā)思路解決我們的問題：

真正自頂向下的設(shè)計流程統(tǒng)一的開發(fā)平臺減小系統(tǒng)開發(fā)的人為錯誤因素壓縮產(chǎn)品研發(fā)周期，加快產(chǎn)品面市時間有了RTW的支持，就可以應(yīng)用MATLAB平臺15

另外隨著MATLAB在行業(yè)內(nèi)影響力的快速擴大，與MathWorks公司形成戰(zhàn)略聯(lián)合的公司和尋求與MATLAB進(jìn)行接口的軟硬件產(chǎn)品的也日益增多。目前MATLAB所支持的第三方產(chǎn)品已經(jīng)有三百余種，分布在科學(xué)計算、機械動力學(xué)設(shè)計、化工、信息工程，汽車、金融財務(wù)等各個學(xué)科領(lǐng)域，接口方式包括聯(lián)合建模、數(shù)據(jù)共享、開發(fā)流程拼接等等。從MATLAB的產(chǎn)品體系可以看到，應(yīng)用MATLAB作為統(tǒng)一的集成開發(fā)平臺結(jié)合第三方軟硬件工具，可以實現(xiàn)從算法開發(fā)到系統(tǒng)仿真優(yōu)化再到硬件實現(xiàn)的完整過程。

另外隨著MATLAB在行業(yè)內(nèi)影響力的快速擴16MATLAB語言的顯著特點1、具有強大的矩陣運算能力：MatrixLaboratory（矩陣實驗室），使得矩陣運算非常簡單。2、是一種演算式語言MATLAB的基本數(shù)據(jù)單元是既不需要指定維數(shù)，也不需要說明數(shù)據(jù)類型的矩陣（向量和標(biāo)量為矩陣的特例），而且數(shù)學(xué)表達(dá)式和運算規(guī)則與通常的習(xí)慣相同。因此MATLAB語言編程簡單，使用方便。MATLAB語言的顯著特點171.2仿真概述仿真仿真的基本思想是利用物理的或數(shù)學(xué)的模型來類比模仿現(xiàn)實過程，以尋求對真實過程的認(rèn)識。它所遵循的基本原則是相似性原理。計算機仿真計算機仿真是基于所建立的系統(tǒng)仿真模型，利用計算機對系統(tǒng)進(jìn)行分析與研究的方法。1.2仿真概述仿真18計算機仿真模型1、模型的定義模型是對現(xiàn)實系統(tǒng)有關(guān)結(jié)構(gòu)信息和行為的某種形式的描述，是對系統(tǒng)的特征與變化規(guī)律的一種定量抽象，是人們認(rèn)識事物的一種手段或工具。2、模型的分類（1）物理模型指不以人的意志為轉(zhuǎn)移的客觀存在的實體，如：飛行器研制中的飛行模型；船舶制造中的船舶模型等。（2）數(shù)學(xué)模型是從一定的功能或結(jié)構(gòu)上進(jìn)行相似，用數(shù)學(xué)的方法來再現(xiàn)原型的功能或結(jié)構(gòu)特征。計算機仿真模型1、模型的定義19（3）仿真模型

指根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用仿真語言轉(zhuǎn)化為計算機可以實施的模型。

計算機仿真的三要素及基本步驟（內(nèi)容）

1、三要素

（1）系統(tǒng)：研究的對象（2）模型：系統(tǒng)的抽象（3）計算機：工具與手段（3）仿真模型

指根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用仿真語言轉(zhuǎn)化為計算機20基本步驟

包括三個基本的內(nèi)容：建模

仿真實驗結(jié)果分析基本步驟

包括三個基本的內(nèi)容：建模 仿真實驗結(jié)果分析21仿真的分類一、根據(jù)仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)手段分類1、物理仿真根據(jù)仿真系統(tǒng)的物理性質(zhì)構(gòu)造系統(tǒng)的物理模型，并在物理模型上進(jìn)行試驗的過程稱為物理仿真。優(yōu)點：直觀形象缺點：模型改變困難，試驗限制多，投資較大。2、數(shù)學(xué)仿真對實際系統(tǒng)進(jìn)行抽象，并將其特性用數(shù)學(xué)關(guān)系加以描述而得到系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行試驗的過程。優(yōu)點：方便，靈活，經(jīng)濟(jì)。缺點：受限于系統(tǒng)建模技術(shù)，即系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型不易建立。仿真的分類223、半實物仿真——物理－數(shù)學(xué)仿真準(zhǔn)確稱謂是硬件（實物）在回路（HardwareintheLoop）仿真，這種仿真方法是將數(shù)學(xué)模型與物理模型甚至實物聯(lián)合起來進(jìn)行試驗。特點：（1）可將不易建模的部分以實物代之參與仿真試驗，可以避免建模的困難。（2）利用半實物仿真可以進(jìn)一步檢驗系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的正確性和數(shù)學(xué)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。（3）利用半實物仿真可以檢查構(gòu)成真實系統(tǒng)的某些實物部件乃至整個系統(tǒng)的性能指標(biāo)及可靠性，準(zhǔn)確調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)和控制規(guī)律。3、半實物仿真——物理－數(shù)學(xué)仿真234、人在回路仿真－必須實時運行5、軟件在回路仿真－大部分情況下要求實時運行4、人在回路仿真－必須實時運行24二、按計算機類型分類1、模擬仿真：采用數(shù)學(xué)模型，在模擬計算機上進(jìn)行的實驗研究。50年代描述連續(xù)物理系統(tǒng)的動態(tài)過程比較自然、逼真，具有仿真速度快、失真小、結(jié)果可靠的優(yōu)點，但受元器件性能影響，仿真精度較低，對計算機控制系統(tǒng)的仿真較困難，自動化程度低。模擬計算機的核心是運算部分，它由我們熟知的“模擬運算放大器”為主要部件所構(gòu)成。2、數(shù)字仿真：采用數(shù)學(xué)模型，在數(shù)字計算機上借助于數(shù)值計算方法所進(jìn)行的仿真實驗。60年代二、按計算機類型分類1、模擬仿真：采用數(shù)學(xué)模型，在模擬計算機25

計算與仿真的精度較高。理論上計算機的字長可以根據(jù)精度要求來“隨意”設(shè)計，因此其仿真精度可以是無限，但是由于受到誤差積累、仿真時間等因素影響，其精度也不易定得太高。對計算機控制系統(tǒng)的仿真比較方便。仿真實驗的自動化程度較高，可方便地實現(xiàn)顯示、打印等功能。計算速度比較低，在一定程度上影響到仿真結(jié)果的可信度。但隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，“速度問題”會在不同程度上有所改進(jìn)與提高。數(shù)字仿真沒有專用的仿真軟件支持，需要設(shè)計人員用高級程序語言編寫求解系統(tǒng)模型及結(jié)果輸出的程序。

263、混合仿真：結(jié)合了模擬仿真與數(shù)字仿真。4、現(xiàn)代計算機仿真：采用先進(jìn)的微型計算機，基于專用的仿真軟件、仿真語言來實現(xiàn)，其數(shù)值計算功能強大，使用方便，易學(xué)。80年代以來3、混合仿真：結(jié)合了模擬仿真與數(shù)字仿真。27三、根據(jù)仿真時鐘與實際時鐘的比例關(guān)系1、實時仿真：即仿真時鐘與實際時鐘完全一致，也就是模型仿真的速度與實際系統(tǒng)運行的速度相同。在線仿真。2、亞實時仿真：即仿真時鐘慢于實際時鐘，也就是模型仿真的速度小于實際系統(tǒng)運行的速度。也稱離線仿真。3、超實時仿真：即仿真時鐘快于實際時鐘，也就是模型仿真的速度大于實際系統(tǒng)運行的速度。如大氣環(huán)流的仿真，交通系統(tǒng)的仿真、生物進(jìn)化（宇宙起源）的仿真等。三、根據(jù)仿真時鐘與實際時鐘的比例關(guān)系1、實時仿真：即仿真時鐘28四、根據(jù)系統(tǒng)模型的特性分類1、連續(xù)系統(tǒng)仿真：系統(tǒng)狀態(tài)隨時間連續(xù)變化的系統(tǒng)2、離散事件系統(tǒng)仿真：系統(tǒng)狀態(tài)在某些隨機時間點上發(fā)生離散變化的系統(tǒng)四、根據(jù)系統(tǒng)模型的特性分類1、連續(xù)系統(tǒng)仿真：291.3仿真技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展一、仿真技術(shù)在工程中的應(yīng)用1、航空與航天工業(yè)飛行器設(shè)計中的三級仿真體系：純數(shù)學(xué)模擬（軟件）、半實物模擬、實物模擬或模擬飛行實驗。飛行員及宇航員訓(xùn)練用飛行仿真模擬器。2、電力工業(yè)電力系統(tǒng)動態(tài)模型實驗：電力系統(tǒng)負(fù)荷分配、瞬態(tài)穩(wěn)定性以及最優(yōu)潮流控制等。電站操作人員培訓(xùn)模擬系統(tǒng)。1.3仿真技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展一、仿真技術(shù)在工程中的應(yīng)用303、原子能工業(yè)模擬核反應(yīng)堆核電站仿真器用來訓(xùn)練操作人員以及研究異常故障的排除處理。4、石油、化工及冶金工業(yè)5、非工程領(lǐng)域醫(yī)學(xué)社會學(xué)宏觀經(jīng)濟(jì)與商業(yè)策略的研究3、原子能工業(yè)31二、應(yīng)用仿真技術(shù)的意義1、經(jīng)濟(jì)大型、復(fù)雜系統(tǒng)直接實驗是十分昂貴的，如：空間飛行器的一次飛行實驗的成本約在1億美元左右，而采用仿真實驗僅需其成本的1/10~1/5，而且設(shè)備可以重復(fù)使用。2、安全某些系統(tǒng)（如載人飛行器、核電裝置等），直接實驗往往會有很大的危險，甚至是不允許的，而采用仿真實驗可以有效降低危險程度，對系統(tǒng)的研究起到保障作用。二、應(yīng)用仿真技術(shù)的意義1、經(jīng)濟(jì)323、快捷提高設(shè)計效率：比如電路設(shè)計，服裝設(shè)計等等。4、具有優(yōu)化設(shè)計和預(yù)測的特殊功能對一些真實系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)和參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計是非常困難的，這時仿真可以發(fā)揮它特殊的優(yōu)化設(shè)計功能。在非工程系統(tǒng)中（如社會、管理、經(jīng)濟(jì)等系統(tǒng)），由于其規(guī)模及復(fù)雜程度巨大，直接實驗幾乎不可能，這時通過仿真技術(shù)的應(yīng)用可以獲得對系統(tǒng)的某種超前認(rèn)識。3、快捷331.4仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢1、硬件方面：基于多CPU并行處理技術(shù)的全數(shù)字仿真將有效提高仿真系統(tǒng)的速度，大大增強數(shù)字仿真的實時性。2、應(yīng)用軟件方面：直接面向用戶的數(shù)字仿真軟件不斷推陳出新，各種專家系統(tǒng)與智能化技術(shù)將更深入地應(yīng)用于仿真軟件開發(fā)之中，使得在人機界面、結(jié)果輸出、綜合評判等方面達(dá)到更理想的境界。1.4仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢1、硬件方面：基于多CPU并行處理343、分布式數(shù)字仿真：充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，協(xié)調(diào)合作，投資少，效果好。4、虛擬現(xiàn)實技術(shù)：綜合了計算機圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、顯示技術(shù)以及仿真技術(shù)等多學(xué)科，使人置身于真實環(huán)境之中。

3、分布式數(shù)字仿真：充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，協(xié)調(diào)合作，投資少，效果351.5 計算機仿真軟件一、仿真軟件的發(fā)展1、程序編程階段所有問題（如：微分方程求解、矩陣運算、繪圖等）都是用高級算法語言（如C、FORTRAN等）來編寫。2、程序軟件包階段出現(xiàn)了“應(yīng)用子程序庫”。3、交互式語言階段（仿真語言）仿真語言可用一條指令實現(xiàn)某種功能，如“系統(tǒng)特征值的求解”，使用人員不必考慮什么算法，以及如何實現(xiàn)等低級問題。4、模型化圖形組態(tài)階段符合設(shè)計人員對基于模型圖形化的描述。1.5 計算機仿真軟件一、仿真軟件的發(fā)展36二、幾種仿真軟件1、PSPICE、ORCAD：通用的電子電路仿真軟件，適合于元件級仿真。2、SYSTEMVIEW：系統(tǒng)級的電路動態(tài)仿真軟件3、MATLAB：具有強大的數(shù)值計算能力，包含各種工具箱，其程序不能脫離MATLAB環(huán)境而運行，所以嚴(yán)格講，MATLAB不是一種計算機語言，而是一種高級的科學(xué)分析與計算軟件。4、SIMULINK：是MATLAB附帶的基于模型化圖形組態(tài)的動態(tài)仿真環(huán)境。二、幾種仿真軟件37MATLAB和數(shù)字仿真長春理工大學(xué)韓成計算科學(xué)技術(shù)學(xué)院Email：hancheng0626@辦公室電話：85583348MATLAB和數(shù)字仿真長春理工大學(xué)韓成計算科學(xué)技術(shù)學(xué)院Ema38課程任務(wù)通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生初步掌握當(dāng)前流行的演算式MATLAB語言的基本知識，理解數(shù)字仿真的思想，學(xué)會運用MATLAB語言進(jìn)行仿真設(shè)計的基本技能，為今后從事科學(xué)研究打下較好的基礎(chǔ)。課程任務(wù)通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生初步掌握當(dāng)前流行的演算式MA39課程內(nèi)容MATLAB和數(shù)字仿真概述MATLAB語言基礎(chǔ)MATLAB混合編程SIMULINK仿真基礎(chǔ)構(gòu)建基于MATLAB的數(shù)字仿真系統(tǒng)課程內(nèi)容MATLAB和數(shù)字仿真概述40考試形式筆試（開卷）成績組成平時成績占30%－40%期末考試占60%－70%考試形式筆試（開卷）成績組成平時成績占30%－40%41參考書目精通MATLAB6.5張志涌等編著——北京航空航天大學(xué)出版社參考書目精通MATLAB6.5張志涌等編著42第一章MATLAB和數(shù)字仿真概述1.1MATLAB簡介1.2仿真概述1.3仿真技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展1.4仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢1.5 計算機仿真軟件第一章MATLAB和數(shù)字仿真概述1.1MATLAB43

MATLAB產(chǎn)品家族是美國MathWorks公司開發(fā)的用于概念設(shè)計，算法開發(fā)，建模仿真，實時實現(xiàn)的理想的集成環(huán)境。由于其完整的專業(yè)體系和先進(jìn)的設(shè)計開發(fā)思路，使得MATLAB在多種領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用空間，特別是在MATLAB的主要應(yīng)用方向—科學(xué)計算、建模仿真以及信息工程系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)上已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)的首選設(shè)計工具，MATLAB用戶廣泛的分布在航空航天，金融財務(wù)，機械化工，電信，教育等各個行業(yè)。

1.1MATLAB簡介MATLAB產(chǎn)品家族是美國Mat44在MATLAB產(chǎn)品家族中，MATLAB工具箱是整個體系的基座，它是一個語言編程型（M語言）開發(fā)平臺，提供了體系中其他工具所需要的集成環(huán)境（比如M語言的解釋器）。在MATLAB產(chǎn)品家族中，MATLAB工具箱是整個體系的基座45同時由于MATLAB對矩陣和線性代數(shù)的支持使得工具箱本身也具有強大的數(shù)學(xué)計算能力。MATLAB產(chǎn)品體系的演化歷程中最重要的一個體系變更是引入了Simulink，用來對動態(tài)系統(tǒng)建模仿真。其框圖化的設(shè)計方式和良好的交互性，對工程人員本身計算機操作與編程的熟練程度的要求降到了最低，工程人員可以把更多的精力放到理論和技術(shù)的創(chuàng)新上去。同時由于MATLAB對矩陣和線性代數(shù)的支持使得工具箱本身也具46

在MATLAB/Simulink基本環(huán)境之上，MathWorks公司為用戶提供了豐富的擴展資源，這就是大量的Toolbox和Blockset。從1985年推出第一個版本以后的近二十年發(fā)展過程中，MATLAB已經(jīng)從單純的Fortran數(shù)學(xué)函數(shù)庫演變?yōu)槎鄬W(xué)科，多領(lǐng)域的函數(shù)包，模塊庫的提供者。用戶在這樣的平臺上進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)就相當(dāng)于已經(jīng)站在了巨人的肩膀上，眾多行業(yè)中的專家、精英們的智慧結(jié)晶可以信手拈來。

在MATLAB/Simulink基47同時，MATLAB開放的體系結(jié)構(gòu)允許用戶在平臺上進(jìn)行自由擴展，目前在全世界范圍內(nèi)已經(jīng)有大量的商業(yè)的或者免費的MATLAB二次開發(fā)產(chǎn)品發(fā)布。用戶購買一套MATLAB，獲得的是世界范圍的專家支持。而對于用戶自己開發(fā)的算法包，MATLAB也提供了包括Compiler應(yīng)用發(fā)布和Web網(wǎng)絡(luò)發(fā)布在內(nèi)的眾多方式的發(fā)布途徑，使得用戶一方面能夠充分地利用MATLAB的算法資源形成技術(shù)成果，同時又可以有效的保護(hù)自己的知識產(chǎn)權(quán)。同時，MATLAB開放的體系結(jié)構(gòu)允許用戶在平臺上進(jìn)行48

在這樣一個產(chǎn)品體系中，我們可以看到，由于MATLAB及其豐富的Toolbox資源的支持，使得用戶可以方便的進(jìn)行具有開創(chuàng)性的建模與算法開發(fā)工作，并通過MATLAB強大的圖形和可視化能力反映算法的性能和指標(biāo)。所得到的算法則可以在Simulink環(huán)境中以模塊化的方式實現(xiàn)，通過全系統(tǒng)建模，進(jìn)行全系統(tǒng)的動態(tài)仿真以得到算法在系統(tǒng)中的動態(tài)驗證。在這樣一個產(chǎn)品體系中，我們可以看到，由49

但是這樣一個開發(fā)流程總是欠缺和工程實現(xiàn)的有效連接，系統(tǒng)級的設(shè)計產(chǎn)物無法和硬件產(chǎn)品直接掛鉤。工程師無法直接應(yīng)用MATLAB/Simulink的寶貴資源。為了改善設(shè)計流程中的這一缺陷，MATLAB產(chǎn)品體系中加入了連接工程實現(xiàn)的橋梁—實時代碼生成工具Real-TimeWorkshop（RTW）。RTW使用戶可以直接將Simulink框圖模型轉(zhuǎn)化為實時標(biāo)準(zhǔn)C代碼，進(jìn)而為快速原型系統(tǒng)、半物理仿真系統(tǒng)或者產(chǎn)品提供設(shè)計輸入。

但是這樣一個開發(fā)流程總是欠缺和工程實現(xiàn)50RTW的主要特點有：

開放的，可擴充的結(jié)構(gòu)，可以完全定制代碼生成過程，滿足不同用戶對實時目標(biāo)的不同要求支持連續(xù)/離散/混合系統(tǒng)及異步系統(tǒng)仿真支持定點和浮點目標(biāo)機，代碼具有很強的工程實用性支持在線監(jiān)控和調(diào)參高度優(yōu)化的代碼效率RTW的主要特點有：51有了RTW的支持，就可以應(yīng)用MATLAB平臺以全新的開發(fā)思路解決我們的問題：

真正自頂向下的設(shè)計流程統(tǒng)一的開發(fā)平臺減小系統(tǒng)開發(fā)的人為錯誤因素壓縮產(chǎn)品研發(fā)周期，加快產(chǎn)品面市時間有了RTW的支持，就可以應(yīng)用MATLAB平臺52

另外隨著MATLAB在行業(yè)內(nèi)影響力的快速擴大，與MathWorks公司形成戰(zhàn)略聯(lián)合的公司和尋求與MATLAB進(jìn)行接口的軟硬件產(chǎn)品的也日益增多。目前MATLAB所支持的第三方產(chǎn)品已經(jīng)有三百余種，分布在科學(xué)計算、機械動力學(xué)設(shè)計、化工、信息工程，汽車、金融財務(wù)等各個學(xué)科領(lǐng)域，接口方式包括聯(lián)合建模、數(shù)據(jù)共享、開發(fā)流程拼接等等。從MATLAB的產(chǎn)品體系可以看到，應(yīng)用MATLAB作為統(tǒng)一的集成開發(fā)平臺結(jié)合第三方軟硬件工具，可以實現(xiàn)從算法開發(fā)到系統(tǒng)仿真優(yōu)化再到硬件實現(xiàn)的完整過程。

另外隨著MATLAB在行業(yè)內(nèi)影響力的快速擴53MATLAB語言的顯著特點1、具有強大的矩陣運算能力：MatrixLaboratory（矩陣實驗室），使得矩陣運算非常簡單。2、是一種演算式語言MATLAB的基本數(shù)據(jù)單元是既不需要指定維數(shù)，也不需要說明數(shù)據(jù)類型的矩陣（向量和標(biāo)量為矩陣的特例），而且數(shù)學(xué)表達(dá)式和運算規(guī)則與通常的習(xí)慣相同。因此MATLAB語言編程簡單，使用方便。MATLAB語言的顯著特點541.2仿真概述仿真仿真的基本思想是利用物理的或數(shù)學(xué)的模型來類比模仿現(xiàn)實過程，以尋求對真實過程的認(rèn)識。它所遵循的基本原則是相似性原理。計算機仿真計算機仿真是基于所建立的系統(tǒng)仿真模型，利用計算機對系統(tǒng)進(jìn)行分析與研究的方法。1.2仿真概述仿真55計算機仿真模型1、模型的定義模型是對現(xiàn)實系統(tǒng)有關(guān)結(jié)構(gòu)信息和行為的某種形式的描述，是對系統(tǒng)的特征與變化規(guī)律的一種定量抽象，是人們認(rèn)識事物的一種手段或工具。2、模型的分類（1）物理模型指不以人的意志為轉(zhuǎn)移的客觀存在的實體，如：飛行器研制中的飛行模型；船舶制造中的船舶模型等。（2）數(shù)學(xué)模型是從一定的功能或結(jié)構(gòu)上進(jìn)行相似，用數(shù)學(xué)的方法來再現(xiàn)原型的功能或結(jié)構(gòu)特征。計算機仿真模型1、模型的定義56（3）仿真模型

指根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用仿真語言轉(zhuǎn)化為計算機可以實施的模型。

計算機仿真的三要素及基本步驟（內(nèi)容）

1、三要素

（1）系統(tǒng)：研究的對象（2）模型：系統(tǒng)的抽象（3）計算機：工具與手段（3）仿真模型

指根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用仿真語言轉(zhuǎn)化為計算機57基本步驟

包括三個基本的內(nèi)容：建模

仿真實驗結(jié)果分析基本步驟

包括三個基本的內(nèi)容：建模 仿真實驗結(jié)果分析58仿真的分類一、根據(jù)仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)手段分類1、物理仿真根據(jù)仿真系統(tǒng)的物理性質(zhì)構(gòu)造系統(tǒng)的物理模型，并在物理模型上進(jìn)行試驗的過程稱為物理仿真。優(yōu)點：直觀形象缺點：模型改變困難，試驗限制多，投資較大。2、數(shù)學(xué)仿真對實際系統(tǒng)進(jìn)行抽象，并將其特性用數(shù)學(xué)關(guān)系加以描述而得到系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行試驗的過程。優(yōu)點：方便，靈活，經(jīng)濟(jì)。缺點：受限于系統(tǒng)建模技術(shù)，即系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型不易建立。仿真的分類593、半實物仿真——物理－數(shù)學(xué)仿真準(zhǔn)確稱謂是硬件（實物）在回路（HardwareintheLoop）仿真，這種仿真方法是將數(shù)學(xué)模型與物理模型甚至實物聯(lián)合起來進(jìn)行試驗。特點：（1）可將不易建模的部分以實物代之參與仿真試驗，可以避免建模的困難。（2）利用半實物仿真可以進(jìn)一步檢驗系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的正確性和數(shù)學(xué)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。（3）利用半實物仿真可以檢查構(gòu)成真實系統(tǒng)的某些實物部件乃至整個系統(tǒng)的性能指標(biāo)及可靠性，準(zhǔn)確調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)和控制規(guī)律。3、半實物仿真——物理－數(shù)學(xué)仿真604、人在回路仿真－必須實時運行5、軟件在回路仿真－大部分情況下要求實時運行4、人在回路仿真－必須實時運行61二、按計算機類型分類1、模擬仿真：采用數(shù)學(xué)模型，在模擬計算機上進(jìn)行的實驗研究。50年代描述連續(xù)物理系統(tǒng)的動態(tài)過程比較自然、逼真，具有仿真速度快、失真小、結(jié)果可靠的優(yōu)點，但受元器件性能影響，仿真精度較低，對計算機控制系統(tǒng)的仿真較困難，自動化程度低。模擬計算機的核心是運算部分，它由我們熟知的“模擬運算放大器”為主要部件所構(gòu)成。2、數(shù)字仿真：采用數(shù)學(xué)模型，在數(shù)字計算機上借助于數(shù)值計算方法所進(jìn)行的仿真實驗。60年代二、按計算機類型分類1、模擬仿真：采用數(shù)學(xué)模型，在模擬計算機62

計算與仿真的精度較高。理論上計算機的字長可以根據(jù)精度要求來“隨意”設(shè)計，因此其仿真精度可以是無限，但是由于受到誤差積累、仿真時間等因素影響，其精度也不易定得太高。對計算機控制系統(tǒng)的仿真比較方便。仿真實驗的自動化程度較高，可方便地實現(xiàn)顯示、打印等功能。計算速度比較低，在一定程度上影響到仿真結(jié)果的可信度。但隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，“速度問題”會在不同程度上有所改進(jìn)與提高。數(shù)字仿真沒有專用的仿真軟件支持，需要設(shè)計人員用高級程序語言編寫求解系統(tǒng)模型及結(jié)果輸出的程序。

633、混合仿真：結(jié)合了模擬仿真與數(shù)字仿真。4、現(xiàn)代計算機仿真：采用先進(jìn)的微型計算機，基于專用的仿真軟件、仿真語言來實現(xiàn)，其數(shù)值計算功能強大，使用方便，易學(xué)。80年代以來3、混合仿真：結(jié)合了模擬仿真與數(shù)字仿真。64三、根據(jù)仿真時鐘與實際時鐘的比例關(guān)系1、實時仿真：即仿真時鐘與實際時鐘完全一致，也就是模型仿真的速度與實際系統(tǒng)運行的速度相同。在線仿真。2、亞實時仿真：即仿真時鐘慢于實際時鐘，也就是模型仿真的速度小于實際系統(tǒng)運行的速度。也稱離線仿真。3、超實時仿真：即仿真時鐘快于實際時鐘，也就是模型仿真的速度大于實際系統(tǒng)運行的速度。如大氣環(huán)流的仿真，交通系統(tǒng)的仿真、生物進(jìn)化（宇宙起源）的仿真等。三、根據(jù)仿真時鐘與實際時鐘的比例關(guān)系1、實時仿真：即仿真時鐘65四、根據(jù)系統(tǒng)模型的特性分類1、連續(xù)系統(tǒng)仿真：系統(tǒng)狀態(tài)隨時間連續(xù)變化的系統(tǒng)2、離散事件系統(tǒng)仿真：系統(tǒng)狀態(tài)在某些隨機時間點上發(fā)生離散變化的系統(tǒng)四、根據(jù)系統(tǒng)模型的特性分類1、連續(xù)系統(tǒng)仿真：661.3仿真技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展一、仿真技術(shù)在工程中的應(yīng)用1、航空與航天工業(yè)飛行器設(shè)計中的三級仿真體系：純數(shù)學(xué)模擬（軟件）、半實物模擬、實物模擬或模擬飛行實驗。飛行員及宇航員訓(xùn)練用飛行仿真模擬器。2、電力工業(yè)電力系統(tǒng)動態(tài)模型實驗：電力系統(tǒng)負(fù)荷分配、瞬態(tài)穩(wěn)定性以及最優(yōu)潮流控制等。電