第一章MATLAB语言概述.ppt
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1、皖西学院数学系信息论教研室,第一章 概 述,1.1 MATLAB产品族简介 1.2 MATLAB的桌面环境 1.3 Command Windows和MATLAB指令 1.4 Command History 和历史记录 1.5 Current Directory和搜索路径 1.6 Launch Pad和Start菜单 1.7 使用帮助 1.8 本章小结,皖西学院数学系信息论教研室,1.1 MATLAB产品族简介,MATLAB的名称源自Matrix Laboratory,它的首创者是在数值线性代数领域颇有影响的Cleve Moler博士,他也是生产经营MATLAB产品的美国Mathworks公司的
2、创始人之一。MATLAB是一种科学计算软件,专门以矩阵的形式处理数据。MATLAB将高性能的数值计算和可视化集成在一起,并提供了大量的内置函数,从而使其被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作中,而且利用MATLAB产品的开放式结构,用户可以非常容易地对MATLAB的功能进行扩充,从而在不断深化对问题认识的同时,逐步完善MATLAB产品以提高产品自身的竞争能力。,皖西学院数学系信息论教研室,MATLAB产品族可以用来进行如下工作: * 数值分析; * 数值和符号计算; * 工程与科学绘图; * 控制系统的设计与仿真; * 数字图像处理; * 数字信号处理; * 通
3、讯系统设计与仿真; * 财务与金融工程。,皖西学院数学系信息论教研室,1.1.1 MATLAB的产品体系 MATLAB产品由若干个模块组成,不同的模块完成不同的功能,其中有 * MATLAB; * MATLAB Toolboxes; * MATLAB Compiler; * Simulink; * Simulink Blockset; * Real-Time Workshop (RTW); * Stateflow; * Stateflow Coder。,皖西学院数学系信息论教研室,图1-1 MATLAB的产品体系,皖西学院数学系信息论教研室,其中,MATLAB是MATLAB产品家族的基础,它提
4、供了基本的数学算法,例如矩阵运算、数值分析算法,MATLAB集成了2D和3D图形功能,以完成相应数值可视化的工作,并且提供了一种交互式的高级编程语言M语言,利用M语言可以通过编写脚本或者函数文件实现用户自己的算法。,皖西学院数学系信息论教研室,MATLAB Compiler是一种编译工具,它能够将那些利用MATLAB提供的编程语言M语言编写的函数文件编译生成标准的C/C+语言源文件,而生成的标准C/C+源代码可以被任何一种C/C+编译器编译生成函数库或者可执行文件,这样就可以扩展MATLAB功能,使MATLAB能够同其他高级编程语言(例如C/C+语言)进行混合应用,取长补短,以提高程序的运行效
5、率,丰富程序开发的手段。 MATLAB除了能够和C/C+语言集成开发以外,目前的MATLAB还提供了和Java语言接口的能力,并且它还支持COM标准,能够和任何一种支持COM标准的软件协同工作。另外,在Release 13中,包含了MATLAB Compiler的扩展产品MATLAB COM Builder和Excel Builder,分别用来将MATLAB的函数文件打包成COM组件或者Excel插件,将MATLAB应用程序算法集成到相应的开发工具或者应用软件中。,皖西学院数学系信息论教研室,利用M语言还开发了相应的MATLAB专业工具箱函数供用户直接使用,这些工具箱应用的算法是开放的、可扩展
6、的,用户不仅可以察看其中的算法,还可以针对一些算法进行修改,甚至允许开发自己的算法以便扩充工具箱的功能。目前MATLAB产品的工具箱有40多种,分别涵盖了数据获取、科学计算、控制系统设计与分析、数字信号处理、数字图像处理、金融财务分析以及生物遗传工程等专业领域。,皖西学院数学系信息论教研室,MATLAB主要的专业工具箱包括以下几种。 * 数学与数据分析: Optimization Statics Nerual Network Symbolic Math Partial Differential Equation Mapping Spline Curve Fitting Virtual Real
7、ity Bioinforamtics,皖西学院数学系信息论教研室,* 数据获取与采集: Data Acquisition Image Acquisition Instrument Control Database Excel,皖西学院数学系信息论教研室,* 信号处理与图像处理: Signal Processing Image Processing Communication System Identification Wavelet Filter Design MATLAB Link for Code Composer Studio,皖西学院数学系信息论教研室,* 控制系统设计与分析: Con
8、trol system Fuzzy Logic Robust Control16 Mu-Analysis and Synthesis18 LMI Control18 Model Predictive Control18 Model-Based Calibration,皖西学院数学系信息论教研室,* 财经与金融: Financial Financial Time Series GARCH Datafeed Financial Derivatives Fixed Income,皖西学院数学系信息论教研室,1.1.2 Simulink简介 Simulink是基于MATLAB的框图设计环境,可以用来对
9、各种动态系统进行建模、分析和仿真,它的建模范围广泛,可以针对任何能够用数学来描述的系统进行建模,例如航空航天动力学系统、卫星控制制导系统、通讯系统、船舶及汽车等,其中包括连续、离散,条件执行、事件驱动、单速率、多速率和混杂系统等。Simulink提供了利用鼠标拖放的方法建立系统框图模型的图形界面,而且Simulink还提供了丰富的功能块以及不同的专业模块集合,利用Simulink几乎可以做到不书写一行代码就能完成整个动态系统的建模工作。 此外,在Simulink基础上还提供了Stateflow,用来进行事件驱动过程的仿真。,皖西学院数学系信息论教研室,Simulink的特点: * 交互式建模:
10、Simulink本身就提供了大量的功能块方便用户快速建立动态系统的模型,如图1-2所示,建模的时候只需要利用鼠标拖放功能块并将其连接起来即可。 * 交互式仿真:Simulink的框图提供可交互的仿真环境,可以将仿真结果动态显示出来,并且在各种仿真的过程中调节系统的参数。 * 任意扩充和定制功能:Simulink的开放式结构允许用户扩充仿真环境的功能,可以将用户利用C、C+、Fortran语言编写的算法集成到Simulink框图中。,皖西学院数学系信息论教研室,图1-2 Simulink的库浏览器,皖西学院数学系信息论教研室,* 与MATLAB工具集成:Simulink的基础是MATLAB,在S
11、imulink框图中可以直接利用MATLAB的数学、图形和编辑功能,完成诸如数据分析、过程自动化分析、优化参数等工作。 * 专业模型库:为了扩展Simulink的功能,Mathworks公司针对不同的专业领域和行业开发了各种专业模型库,将这些模型库同Simulink的基本模块库结合起来,可以完成不同专业领域动态系统的建模工作。Simulink的相关产品以及专业模块如表1-1所示。,皖西学院数学系信息论教研室,表1-1 MATLAB中的Simulink相关模块,皖西学院数学系信息论教研室,表1-1 MATLAB中的Simulink相关模块,皖西学院数学系信息论教研室,图1-3 用Simalink
12、进行视频系统仿真的例子,皖西学院数学系信息论教研室,图1-3 用Simalink进行视频系统仿真的例子,皖西学院数学系信息论教研室,1.1.3 Stateflow 简介 Stateflow是一个交互式的设计工具,它基于有限状态机的理论,可以用来对复杂的事件驱动系统进行建模和仿真。Stateflow与Simulink和MATLAB紧密集成,可以将Stateflow创建的复杂控制逻辑有效地结合到Simulink的模型中。 有限状态机是具有有限个状态的系统的理论表述。它以某些缺省的状态为起点,根据所定义的事件和转移进行操作,转移表示状态机如何对事件进行响应(控制流程)。,皖西学院数学系信息论教研室,
13、图1-4 有限状态机的一个例子,皖西学院数学系信息论教研室,图1-4就是有限状态机的一个例子。其中,A、B、C、D、E分别表示系统的不同状态,而a、b表示响应的事件,具有方向的线表示状态与状态之间的逻辑流,逻辑流依赖事件驱动,所以这是一个典型的事件驱动模型,可利用有限状态机理论进行表述。 假设用一个状态机表示空调的制冷工作,一般空调工作的时候具有两种状态,即运行(On)和停止(Off)。当电源接通之后,空调机一般默认为运行状态,若室内的温度高于设定的温度,则空调机处于运行状态,若室内的温度低于设定的温度,则空调机停止运行,这样系统就从一个状态转换到另一个状态。利用Stateflow可以对该系统
14、进行建模,如图1-5所示。,皖西学院数学系信息论教研室,图1-5 利用Stateflow建模,皖西学院数学系信息论教研室,Stateflow主要可以用于各种动态逻辑、控制流程系统的建模与仿真,例如在飞行器的导航制导与控制系统中,经常需要根据当前的飞行状态切换不同的系统控制参数,利用Stateflow就可以完成此类系统的建模与仿真。再比如说,在通讯系统中,为了仿真网络通讯中的物理层(MAC Layer)协议,也可以使用Stateflow进行建模与仿真,图1-6展示了用于仿真以太网物理层协议的Stateflow模型。,皖西学院数学系信息论教研室,图1-6 利用Stateflow完成以太网物理层协议
15、仿真,皖西学院数学系信息论教研室,1.1.4 自动化代码生成工具 在MATLAB产品族中,自动化的代码生成工具主要有Real-Time Workshop(RTW)和Stateflow Coder,这两种代码生成工具可以直接将Simulink的模型框图和Stateflow的状态图转换成高效、优化的程序代码。利用RTW生成的代码简洁、可靠、易读。目前RTW支持生成标准的C语言代码,并且具备了生成其他语言代码的能力。整个代码的生成、编译以及相应的目标下载过程都是自动完成的,用户需要做的仅仅是使用鼠标点击几个按钮即可。Mathworks公司针对不同的实时或非实时操作系统平台开发了相应的目标选项,以配合
16、不同的软、硬件系统完成快速控制原型(Rapid Control Prototype)开发、硬件在回路的实时仿真(Hardware-in-Loop)、产品代码生成等工作。,皖西学院数学系信息论教研室,图1-7 Real-Time Workshop的体系结构,皖西学院数学系信息论教研室,目前MATLAB/Simulink的RTW支持的目标主要包括: * S-function Target; * Rapid Simulation Target; * General Real-Time Target; * DOS(4GW)Real-Time Target; * Real-Time Windows Ta
17、rget; * LE/O Real-Time Target; * Tornado(VxWorks)Real-Time Target; * Embedded Target for Motorola MPC555; * Embedded Target for TI TMS320 C6000 DSP; * Embedded Target for Infineon C166; * Embedded Target for Motorola HC12; * Embedded Target for OSEK/VDX; * xPC Target; * 第三方硬件平台。,皖西学院数学系信息论教研室,在这些目标体
18、系中,常用于控制系统原型仿真的目标平台主要包括Real-Time Windows Target、xPC Target以及dSPACE等第三方硬件平台。 Real-Time Windows Target可以将一台运行Windows操作系统的PC机转变成为独立的自主目标机,目标机交互地实时运行Simulink模型。Real-Time Windows Target支持直接的I/O访问,允许用户和模型之间实时交互,是一个易用的、廉价的低端快速原型开发和硬件在回路仿真的目标环境。,皖西学院数学系信息论教研室,利用xPC Target,用户可以将Simulink提供的支持xPC Target的I/O模块添
19、加到Simulink的模型中,然后通过RTW的xPC Target选项,将模型下载到另一台运行在xPC Target实时内核的x86体系计算机上,这时模型在xPC实时内核上实时地运行。xPC支持的板卡和I/O数量种类丰富,是理想的快速原型实现和硬件在回路仿真的测试工具。,皖西学院数学系信息论教研室,在第三方硬件支持中,目前最流行的也是性能较高的就是德国dSPACE公司开发的dSPACE系统。dSPACE系统是一套基于MATLAB/Simulink的控制系统开发及测试平台,实现了与MATLAB/Simulink的无缝连接。在MATLAB/Simulink和dSPACE系统的支持下,可以完善地解决
20、控制系统的快速原型开发和硬件在回路仿真中遇到的各种问题,使工程师可以将自己的精力集中在控制系统算法的开发中,而不是耗费在大量繁琐的代码编写中。,皖西学院数学系信息论教研室,dSPACE系统的主要特点如下: * 组合性强:dSPACE系统设计了各种标准的组件系统,可以对系统进行任意的组合和配置,可以选择不同的处理器板卡,也可以针对具体的应用选择性能不同的I/O板卡。 * 易于掌握:由于dSPACE系统和MATLAB/Simulink产品之间的无缝连接,使掌握了MATLAB的广大工程技术人员可以轻松掌握dSPACE系统。,皖西学院数学系信息论教研室,* 快速性好:由于dSPACE系统和MATLAB
21、/Simulink产品之间的无缝连接,整个生成代码、编译、下载过程由计算机自动完成,而修改参数再次生成代码、编译、下载只需要几分钟,从而可以在短时间内对原型进行反复的更改和试验,减少了以往大量的编码修改、编写的时间,极大地提高了工作效率。 此外,dSPACE系统还具有较高的实时性、可靠性,而且通过不同的板卡配置提供了灵活多变的应用,从而适应用户的各方面要求。,皖西学院数学系信息论教研室,关于dSPACE系统的详细信息, 请浏览该公司的网站:http:/, 也可以浏览该产品在中国的惟一代理商北京九州恒润科技有限公司的网站:http:/。 像各种单片机一样,HC12、C166等主要用于控制系统中嵌
22、入式控制器的处理器在回路中的仿真开发,特别是Embedded Target for TI C6000 DSP能够将Simulink框图化的模型转变成直接在C6000系列DSP开发板或者EVM板上运行的可执行程序,从而直接通过硬件设备来验证系统的算法。 另外,MATLAB开放性的可扩充体系允许用户开发自定义的系统目标,利用Real-Time Workshop Embedded Coder能够直接将Simulink的模型转变成效率优化的产品级代码,代码不仅可以是浮点的,还可以是定点的。,皖西学院数学系信息论教研室,1.2 MATLAB的桌面环境,在运行MATLAB之前首先要在自己的操作系统中安装M
23、ATLAB,目前MATLAB可以在Windows、Red-hat Linux、Sun Solaris、MAC OS等操作系统中安装使用。如果读者使用Windows操作系统,则建议使用Windows 2000 或者Windows XP Professional版本作为MATLAB的运行平台。运行MATLAB时,可以双击MATLAB的图标,或者在命令行提示符(控制台方式)下键入指令:matlab,这时将启动MATLAB的图形桌面工具环境。,皖西学院数学系信息论教研室,MATLAB的桌面环境可以包含多个窗口,这些窗口分别为历史命令窗口(Command History)、命令行窗口(Command W
24、indow)、当前目录浏览器(Current Directory Browser)、工作空间浏览器(Workspace Browser)、目录分类窗口(Launch Pad)、数组编辑器(Array Editor)、M文件编辑器/调试器(Editor/Debugger)、超文本帮助浏览器(Help Navigator/Browser),这些窗口都可以内嵌在MATLAB主窗体中,组成MATLAB的用户界面。其中当MATLAB安装完毕并首次运行时,展示在用户面前的界面为MATLAB运行时的缺省界面窗口,如图1-8所示。,皖西学院数学系信息论教研室,图1-8 MATLAB默认的用户界面,皖西学院数学
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