計(jì)算機(jī)仿真(第6章-MATLAB及其仿真應(yīng)用)課件

第6章MATLAB及其仿真應(yīng)用

MATLAB是當(dāng)今國際上公認(rèn)的在科技領(lǐng)域方面最為優(yōu)秀的應(yīng)用軟件和開發(fā)環(huán)境。在歐美各高等院校，MATLAB已經(jīng)成為應(yīng)用線性代數(shù)、自動(dòng)控制理論、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真、圖形處理等高級(jí)課程的基本數(shù)學(xué)工具，是碩士生、博士生必須掌握的基本技能。在設(shè)計(jì)研究單位和工業(yè)部門，MATLAB已經(jīng)超出實(shí)驗(yàn)室，廣泛用于研究和解決具體的工程問題。本資料由-校園大學(xué)生創(chuàng)業(yè)網(wǎng)-提供/在線代理/提供部分資料減肥藥排行榜/提供部分資料6.1MATLAB基礎(chǔ)MATLAB是全球工程師共同的語言，使用MATLAB，工作效率可能有成百上千倍的提高，使得研究工作真正是在做研究，而不是在編程。由于MATLAB的廣泛應(yīng)用，很多理論的創(chuàng)始人在MATLAB上開發(fā)了相關(guān)的工具箱?，F(xiàn)在MATLAB附帶的各方面工具箱有：控制系統(tǒng)、通訊、符號(hào)運(yùn)算、小波計(jì)算、偏微分方程、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、圖像、金融、數(shù)字信號(hào)處理、模糊控制、模型預(yù)估控制、頻域辨識(shí)、高階譜分析、統(tǒng)計(jì)學(xué)、非線性控制系統(tǒng)、圖像處理、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、信號(hào)處理、插值、優(yōu)化、魯棒控制、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)辨識(shí)等等，并且MATLAB提供了圖形化的時(shí)域仿真程序----SIMULINK，在高校中還開發(fā)了：振動(dòng)理論、化學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)、語音處理等等方面的工具箱。1．MATLAB發(fā)展史MATLAB（MatrixLaboratory）：“矩陣實(shí)驗(yàn)室”，是20世紀(jì)七十年代美國新墨西哥大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任CleveMoler給學(xué)生開線性代數(shù)課程時(shí)編寫的LINPACK和EISPACK（矩陣軟件工具包庫程序）的接口程序，用FORTRAN編寫。1984年由Little、Moler、SteveBangert合作成立MathWorks公司，并把MATLAB正式推向市場(chǎng)。從這時(shí)起，MATLAB的內(nèi)核采用C語言編寫，除原有的數(shù)值計(jì)算能力外，還增加了可視功能。2．MATLAB主要特點(diǎn)（1）基本單位為矩陣，具有豐富的數(shù)學(xué)功能最基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是矩陣，可進(jìn)行方便靈活的矩陣運(yùn)算。演算紙式的數(shù)學(xué)運(yùn)算，如輸入2＋2，回車，即可得出：ans＝4具有豐富的矩陣運(yùn)算函數(shù)，使之在求解諸如信號(hào)處理、系統(tǒng)識(shí)別、自動(dòng)控制、非線性系統(tǒng)、模糊控制、優(yōu)化技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析等領(lǐng)域的問題時(shí)，顯得簡(jiǎn)捷、高效、方便。MATLAB的數(shù)值計(jì)算功能包括：矩陣運(yùn)算、多項(xiàng)式和有理分式運(yùn)算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)值積分、優(yōu)化處理等。符號(hào)計(jì)算將得到問題的解析解。2．MATLAB主要特點(diǎn)（2）強(qiáng)大的作圖和數(shù)據(jù)可視化功能可以輕易地繪制二維、三維曲線，三維曲面，并可進(jìn)行圖形和坐標(biāo)的標(biāo)識(shí)、坐標(biāo)控制、圖形的迭繪、視角和光照設(shè)計(jì)、色彩精細(xì)控制及動(dòng)畫的繪制等。圖形用戶界面GUI制作工具，可以制作用戶菜單和控件。有一系列繪圖函數(shù)（命令），例如線性坐標(biāo)、對(duì)數(shù)坐標(biāo)，半對(duì)數(shù)坐標(biāo)及極坐標(biāo)，均只需調(diào)用不同的繪圖函數(shù)（命令），在圖上標(biāo)出題標(biāo)、XY軸標(biāo)注，格（柵）繪制也只需調(diào)用相應(yīng)的命令，簡(jiǎn)單易行。2．MATLAB主要特點(diǎn)（3）可以直接處理聲言和圖形文件聲言文件。如：WAV文件（例：wavread，sound等）。圖形文件。如：bmp、gif、pcx、tif、jpeg等文件。2．MATLAB主要特點(diǎn)（4）功能強(qiáng)大的應(yīng)用工具箱如：SIMULINK、DSP、SIGNAL等十幾種工具箱。分為基本工具箱、通用工具箱、專業(yè)工具箱?；竟ぞ呦洌河袛?shù)百個(gè)內(nèi)部函數(shù)，是最核心的部分。沒有它就沒有MATLAB環(huán)境。通用工具箱：主要用來擴(kuò)充其符號(hào)計(jì)算功能、可視建模仿真功能及文字處理功能等。專業(yè)工具箱：專業(yè)性比較強(qiáng)，如控制系統(tǒng)工具箱、信號(hào)處理工具箱、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱、最優(yōu)化工具箱、金融工具箱等，用戶可以直接利用這些工具箱進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)研究。2．MATLAB主要特點(diǎn)（5）使用方便，具有很好的擴(kuò)充性MATLAB語言以解釋方式工作，使用MATLAB語言編寫的程序可以直接運(yùn)行，無需編譯。M文件（MATLAB文件）可以轉(zhuǎn)變?yōu)楠?dú)立于平臺(tái)的EXE可執(zhí)行文件。MATLAB的應(yīng)用接口程序API是MATLAB提供的十分重要的組件，由一系列接口指令組成。用戶可在FORTRAN或C中，把MATLAB當(dāng)作計(jì)算引擎使用。2．MATLAB主要特點(diǎn)（6）友好的人機(jī)界面，很好的幫助功能提供十分詳細(xì)的幫助文件（PDF、HTML、demo文件）。聯(lián)機(jī)查詢指令：help指令（例：helpelfun，helpexp，helpsimulink），lookfor關(guān)鍵詞（例：lookforfourier）。MATLAB最大優(yōu)越之處1、工具箱2、SIMULINK3、圖形處理4、矩陣3．Matlab能做什么基本的數(shù)據(jù)處理優(yōu)化和解方程動(dòng)態(tài)過程仿真：實(shí)時(shí)的和非實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)來源：Excel、數(shù)據(jù)庫、A/D等等嵌入式的控制：Pc/104和DSP神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、小波分析、GA等等虛擬現(xiàn)實(shí)仿真4．MATLAB基本組成三大部分組成：MATLAB主程序SIMULINK動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真MATLAB工具箱（Toolbox）主程序：包括MATLAB語言、工作環(huán)境、句柄圖形、數(shù)學(xué)函數(shù)庫和應(yīng)用程序接口五部分。5．MATLAB集成環(huán)境集成化工作空間，為用戶提供管理變量、輸入輸出數(shù)據(jù)功能及管理調(diào)試M文件的工具，包括命令窗口、M文件編輯調(diào)試器、MATLAB工作空間、在線文檔等。6．MATLAB命令窗口在提示符>>后可直接鍵入有效的MATLAB指令如：demo進(jìn)入演示程序，展示MATLAB強(qiáng)大的計(jì)算、圖形圖像處理及仿真功能。help得到help主題一覽表Help主題可得到該主題的使用信息SIMULINK可進(jìn)入SIMULINK界面7．MATLAB窗口歷史指令窗口工作空間瀏覽器MATLAB工作窗當(dāng)前目錄瀏覽器（后臺(tái)）開始按鈕切換按鈕當(dāng)前工作目錄設(shè)定sumlink快捷按鈕標(biāo)題欄菜單欄常用工具欄Matlab幫助系統(tǒng)demo命令基本矩陣演示窗口MATLAB演示窗口MATLAB的圖形界面8．MATLAB學(xué)習(xí)方法（1）必須做大量的練習(xí)，熟悉其中的函數(shù)（2）找出與自己課題的關(guān)聯(lián)，深刻地體會(huì)（3）多看幫助文件（4）會(huì)提問題，尋求大家的幫助（5）提示：MATLAB可以做很多事情6.2SIMULINK動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真SIMULINK是MATLAB軟件的擴(kuò)展，它是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個(gè)軟件包，它支持線性和非線性系統(tǒng)，連續(xù)和離散時(shí)間模型等。它與MATLAB語言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入，其結(jié)果是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語言的編程上。SIMULINK提供了一些按功能分類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實(shí)現(xiàn)的，通過對(duì)這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型（以.mdl文件進(jìn)行存?。?，進(jìn)而進(jìn)行仿真與分析。SIMULINKSIMULINK提供一個(gè)圖形化的用戶界面，可以用鼠標(biāo)點(diǎn)擊和拖拉模塊進(jìn)行圖標(biāo)建模。通過圖形界面，可以像用鉛筆在紙上畫圖一樣畫模型圖。SIMULINK包括一個(gè)復(fù)雜的由接受器、信號(hào)源、線性和非線性組件及連接件組成的模塊庫。每個(gè)組件是包含若干模塊的模塊集。SIMULINK仿真SIMULINK可以對(duì)模型進(jìn)行仿真，使用顯示模塊可以在運(yùn)行仿真時(shí)觀察到仿真的結(jié)果。還可以改變參數(shù)并且立即就可以看到它的變化。仿真結(jié)果放在工作空間中以待進(jìn)一步的處理或可視化。SIMULINK使用不同窗口分別顯示模塊庫、模型和仿真圖形的輸出。SIMULINK模型SIMULINK簡(jiǎn)單模型的建立（1）建立模型窗口（2）將功能模塊由模塊庫窗口復(fù)制到模型窗口（3）對(duì)模塊進(jìn)行連接，從而構(gòu)成需要的系統(tǒng)模型SIMULINK界面Simulink提供一個(gè)圖形化的用戶界面。點(diǎn)擊MATLAB命令空間的快捷鍵或在命令空間中寫入：simulink