MATLAB工具箱與Simulink.ppt

2019/11/19,1,第七章MATLAB工具箱與Simulink,MATLAB工具箱已經(jīng)成為一個系列產(chǎn)品，MATLAB主工具箱和各種工具箱（toolbox）。simulink是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個集成環(huán)境，把理論研究和工程實踐有機的結(jié)合在一起。,2019/11/19,2,一、工具箱簡介,功能型工具箱通用型功能型工具箱主要用來擴充MATLAB的數(shù)值計算、符號運算功能、圖形建模仿真功能、文字處理功能以及與硬件實時交互功能，能夠用于多種學科。,2019/11/19,3,領(lǐng)域型工具箱專用型領(lǐng)域型工具箱是學科專用工具箱，其專業(yè)性很強，比如控制系統(tǒng)工具箱（ControlSystemToolbox）；信號處理工具箱（SignalProcessingToolbox）；財政金融工具箱（FinancialToolbox）等等。只適用于相關(guān)專業(yè)。,2019/11/19,4,MATLAB常用工具箱,MATLABMainToolboxMATLAB主工具箱ControlSystemToolbox控制系統(tǒng)工具箱CommunicationToolbox通訊工具箱FinancialToolbox財政金融工具箱SystemIdentificationToolbox系統(tǒng)辨識工具箱FuzzyLogicToolbox模糊邏輯工具箱Higher-OrderSpectralAnalysisToolbox高階譜分析工具箱,2019/11/19,5,ImageProcessingToolbox圖象處理工具箱LMIControlToolbox線性矩陣不等式工具箱ModelpredictiveControlToolbox模型預(yù)測控制工具箱-AnalysisandSynthesisToolbox分析工具箱NeuralNetworkToolbox神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱OptimizationToolbox優(yōu)化工具箱PartialDifferentialToolbox偏微分方程工具箱RobustControlToolbox魯棒控制工具箱,2019/11/19,6,SignalProcessingToolbox信號處理工具箱SplineToolbox樣條工具箱StatisticsToolbox統(tǒng)計工具箱SymbolicMathToolbox符號數(shù)學工具箱SimulinkToolbox動態(tài)仿真工具箱WaveleToolbox小波工具箱等等,2019/11/19,7,例如：控制系統(tǒng)工具箱,連續(xù)系統(tǒng)設(shè)計和離散系統(tǒng)設(shè)計狀態(tài)空間和傳遞函數(shù)以及模型轉(zhuǎn)換時域響應(yīng)（脈沖響應(yīng)、階躍響應(yīng)、斜坡響應(yīng)）頻域響應(yīng)（Bode圖、Nyquist圖）根軌跡、極點配置,2019/11/19,8,優(yōu)化工具箱,線型規(guī)劃和二次規(guī)劃求函數(shù)的最大值和最小值多目標優(yōu)化約束條件下的優(yōu)化非線型方程求解,2019/11/19,9,信號處理工具箱數(shù)字和模擬濾波器設(shè)計、應(yīng)用及仿真譜分析和估計FFT、DCT等變換參數(shù)化模型,2019/11/19,10,學科前沿最新的工具箱,模糊控制邏輯工具箱友好的交互設(shè)計界面，自適應(yīng)神經(jīng)-模糊學習、聚類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有集體運算的能力和自適應(yīng)的學習能力。具有很強的容錯性和魯棒性，善于聯(lián)想、綜合和推廣。,2019/11/19,11,MATLAB6功能擴充的工具箱有：控制系統(tǒng)工具箱、圖象處理工具箱、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)工具箱、信號處理工具箱、simulink仿真工具箱MATLAB6新增工具箱有：虛擬現(xiàn)實工具箱電力系統(tǒng)工具箱儀器儀表控制工具箱報告編輯工具箱,2019/11/19,12,工具箱的擴充功能：,用戶可以修改工具箱中的函數(shù)，更為重要的是用戶可以通過編制m文件來任意地添加工具箱中原來沒有的工具函數(shù)。此功能充分體現(xiàn)了MATLAB語言的開發(fā)性。,2019/11/19,13,二、通用工具箱,MATLAB主工具箱前面課程所介紹的數(shù)值計算、符號運算、繪圖以及句柄繪圖都是MATLAB主工具箱的內(nèi)容，是MATLAB的基本部分，也是我們課程的重點。MATLAB主工具箱位于：c:MATLABtoolboxMATLABMATLAB主工具箱是任何版本的MATLAB都不可缺少的。,2019/11/19,14,除toolboxMATLAB之外的工具箱，在比較完整的專業(yè)版MATLAB語言中有20多個工具箱。這些工具箱是需要單獨選擇購買的。MATLAB主工具箱共有21個函數(shù)庫datafun數(shù)據(jù)分析函數(shù)庫sounds聲音處理函數(shù)庫dde動態(tài)數(shù)據(jù)交換函數(shù)庫elfun初等數(shù)學函數(shù)庫specmat特殊矩陣函數(shù)庫,2019/11/19,15,elmat初等矩陣和時間函數(shù)庫funfun函數(shù)功能和數(shù)學分析函數(shù)庫general通用命令函數(shù)庫graphics通用圖形函數(shù)庫iofun底層輸入輸出函數(shù)庫lang語言結(jié)構(gòu)函數(shù)庫matfun矩陣線性代數(shù)函數(shù)庫ops運算符和邏輯函數(shù)庫plotxy二維繪圖函數(shù)庫plotxyz三維繪圖函數(shù)庫,2019/11/19,16,color顏色和光照函數(shù)庫polyfun多項式函數(shù)庫sparfun稀疏矩陣函數(shù)庫strfun字符串函數(shù)庫demosMATLAB演示函數(shù)庫MATLAB6新增函數(shù)庫:uitools圖形界面函數(shù)庫datatypes數(shù)據(jù)類型函數(shù)庫graphics句柄繪圖函數(shù)庫graph3d三維繪圖,2019/11/19,17,各函數(shù)庫中的函數(shù)可用help函數(shù)庫名查詢，或type函數(shù)名方法查詢例：helpplotxyTwodimensionalgraphics.ElementaryX-Ygraphs.plot-Linearplot.loglog-Log-logscaleplot.semilogx-Semi-logscaleplot.semilogy-Semi-logscaleplot.fill-Drawfilled2-Dpolygons.,2019/11/19,18,SpecializedX-Ygraphs.polar-Polarcoordinateplot.bar-Bargraph.stem-Discretesequenceorstemplot.stairs-Stairstepplot.errorbar-Errorbarplot.hist-Histogramplot.rose-Apass-Compassplot.feather-Featherplot.fplot-Pet-Comet-liketrajectory.,2019/11/19,19,Graphannotation.title-Graphtitle.xlabel-X-axislabel.ylabel-Y-axislabel.text-Textannotation.gtext-Mouseplacementoftext.grid-Gridlines.SeealsoPLOTXYZ,GRAPHICS.,2019/11/19,20,helpspecmatcompan-Companionmatrix.gallery-Severalsmalltestmatrices.hadamard-Hadamardmatrix.hankel-Hankelmatrix.hilb-Hilbertmatrix.invhilb-InverseHilbertmatrix.magic-Magicsquare.pascal-Pascalmatrix.toeplitz-Toeplitzmatrix.vander-Vandermondematrix.,2019/11/19,21,2.符號運算工具箱,主要功能以符號為對象的數(shù)學。在大學教學中，符號數(shù)學是各專業(yè)都能用到的。符號運算無須事先對獨立變量賦值，運算結(jié)果以標準的符號形式表達。特點：運算對象可以是沒賦值的符號變量可以獲得任意精度的解,2019/11/19,22,符號運算的功能,符號表達式、符號矩陣的創(chuàng)建符號可變精度求解符號線性代數(shù)因式分解、展開和簡化符號代數(shù)方程求解符號微積分符號微分方程,2019/11/19,23,3.Simulink動態(tài)仿真工具箱,simulink工具箱簡介simulink是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個集成環(huán)境，使得MATLAB的功能得到進一步擴展，它可以非常容易的實現(xiàn)可視化建模，把理論研究和工程實踐有機的結(jié)合在一起。大部分專用工具箱只要以MATLAB主包為基礎(chǔ)就能運行，有少數(shù)工具箱（通訊工具箱、信號處理工具箱等）則要求有simulink工具箱的支持。,2019/11/19,24,由于MATLAB和simulink是集成在一起的，因此用戶可以在兩種環(huán)境下對自己的模型進行仿真、分析和修改。不用命令行編程，由方框圖產(chǎn)生m文件（s函數(shù)）當創(chuàng)建好的框圖保存后，相應(yīng)的m文件就自動生成，這個.m文件包含了該框圖的所有圖形及數(shù)學關(guān)系信息?？驁D表示比較直觀，容易構(gòu)造，運行速度較快。,2019/11/19,25,Simulink優(yōu)點適應(yīng)面廣：包括線性、非線性系統(tǒng)；離散、連續(xù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和流程清晰：以方塊圖形式呈現(xiàn)，仿真精細、貼近實際,2019/11/19,26,simulink的模型：simulink模型在視覺上表現(xiàn)為方框圖，在文件上則是擴展名為m的ASCII代碼（MATLAB6是擴展名為mdl的ASCII代碼）；在數(shù)學上體現(xiàn)為一組微分方程或差分方程；在行為上模擬了物理器件構(gòu)成的實際系統(tǒng)的動態(tài)特性。simulink的一般結(jié)構(gòu)：,輸入,系統(tǒng),輸出,2019/11/19,27,仿真原理當在框圖視窗中進行仿真的同時，MATLAB實際上是運行保存于simulink內(nèi)存中s函數(shù)的映象文件，而不是解釋運行該m文件。s函數(shù)并不是標準m文件，它m文件的一種特殊形式。結(jié)構(gòu)圖創(chuàng)建方法一個動態(tài)系統(tǒng)的創(chuàng)建過程，就是一個方框圖的繪制過程,2019/11/19,28,三、工具箱和工具箱函數(shù)的查詢辦法,MATLAB的目錄結(jié)構(gòu)目錄樹c:MATLABbinc:MATLABexternc:MATLABsimulinkc:MATLABtoolboxcommc:MATLABtoolboxcontrolc:MATLABtoolboxsymbolic,.,2019/11/19,29,MATLABbin該目錄包含MATLAB系統(tǒng)運行文件，MATLAB幫助文件及一些必需的二進制文件。MATLABextern包含MATLAB與C,FORTRAN語言的交互所需的函數(shù)定義和連接庫。MATLABsimulink包含建立simulinkMEX-文件所必需的函數(shù)定義及接口軟件。MATLABtoolbox各種工具箱，MathWorks公司提供的商品化MATLAB工具箱有30多種。toolbox目錄下的子目錄數(shù)量是隨安裝情況而變的。,2019/11/19,30,2.工具箱MATLABtoolbox工具箱在windows下由目錄檢索得到。也可以在MATLAB下得到，啟動MATLAB后cd_.MATLAB缺省目錄是bin，回到MATLAB目錄下cd_toolbox,2019/11/19,31,dir工具箱清單.compilerfixpointlminagqft.controlfuzzylocalncdrobustadasymbolicdspblkshosaMATLABnnetsignaluitoolscodegenfdidentidentmpcoptimsimulinkwaveletcommfinancesplinespdeesmutoolsstats,2019/11/19,32,3.工具箱函數(shù)清單的獲得所有工具箱中都有函數(shù)清單文件contents.m,可用各種方法得到工具箱函數(shù)清單執(zhí)行在線幫助命令help工具箱名稱列出該工具箱中contents.m的內(nèi)容，顯示該工具箱中所有函數(shù)清單例如：helpsymbolichelpoptim函數(shù)的查詢：help函數(shù)名,2019/11/19,33,使用type命令得到工具箱函數(shù)的清單typesignalcontentstypeoptimcontents如果在當前工具箱目錄下可用helpcontentstypecontents得到該工具箱的函數(shù)清單由于contents.m為文本文件，可以通過任何文本編輯器打開閱讀如：edit、word、寫字板、記事本,2019/11/19,34,4.MATLAB函數(shù)的查閱與定位,which函數(shù)名給函數(shù)定位例如:whichlaplaced:MATLAB42toolboxsymboliclaplace.mwhichfft2d:MATLAB42toolboxMATLABdatafunfft2.mwhichpolyd:MATLAB42toolboxMATLABpolyfunpoly.m,2019/11/19,35,whichconstrd:MATLAB42toolboxoptimconstr.mwhichplotplotisabuilt-infunction.which命令只能定位MATLAB的外部命令，而對內(nèi)部命令是無效的。MATLAB內(nèi)部函數(shù)只能通過contents.m工具箱清單文件來查詢,2019/11/19,36,Simulink與系統(tǒng)仿真,Simulink的產(chǎn)生1990年MathWorks公司為MATLAB增加了用于建立系統(tǒng)框圖和仿真的環(huán)境1992年公司將該軟件改名為SIMULINKSimulink可以搭建：（1）通信系統(tǒng)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層；（2）動力學系統(tǒng)；（3）控制系統(tǒng)；（4）數(shù)字信號處理系統(tǒng)；（5）電力系統(tǒng)；（6）生物系統(tǒng)；（7）金融系統(tǒng)等。,2019/11/19,37,較為流行的版本有,與MATLAB5.2配用的Simulink2.2與MATLAB5.3配用的Simulink3.0與MATLAB6.0配用的Simulink4.0與MATLAB7.0配用的Simulink6.0。,2019/11/19,38,Simulink的使用,1.Simulink的啟動(1)在MATLAB的命令窗口直接鍵入simulink。(2)工具欄上的Simulink模塊庫瀏覽器命令按鈕(3)File菜單中選擇New菜單項下的Model命令2.Simulink的退出關(guān)閉所有模型窗口和Simulink模塊庫窗口即可,2019/11/19,39,2019/11/19,40,SIMULINK的模塊庫介紹,SIMILINK模塊庫按功能進行分類，包括以下8類子庫：Continuous（連續(xù)模塊）Discrete（離散模塊）Function&Tables（函數(shù)和平臺模塊）Math（數(shù)學模塊）Nonlinear（非線性模塊）Signals&Systems（信號和系統(tǒng)模塊）Sinks（接收器模塊）Sources（輸入源模塊）,2019/11/19,41,建模與仿真,建模仿真的一般過程是：打開一個空白的編輯窗口；將模塊庫中模塊復(fù)制到編輯窗口里，并依照給定的框圖修改編輯窗口中模塊的參數(shù)；將各個模塊按給定的框圖連接起來；用菜單選擇或命令窗口鍵入命令進行仿真分析，在仿真的同時，可以觀察仿真結(jié)果，如果發(fā)現(xiàn)有不正確的地方，可以停止仿真，對參數(shù)進行修正；如果對結(jié)果滿意，可以將模型保存。,2019/11/19,42,例1設(shè)計一個簡單的模型，其功能是將一正弦信號輸出到示波器中,解題步驟：(1)新建一個模型窗口：(2)為模型添加所需模塊：(3)連接相關(guān)模塊，構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型：(4)進行系統(tǒng)仿真：(5)觀察仿真結(jié)果：,2019/11/19,43,例1演示,2019/11/19,44,Simulink的基本模塊,Simulink（系統(tǒng)仿真模塊庫）CommunicationsBlockset（通信模塊庫）DSPBlockset（數(shù)字信號處理模塊庫）ControlSystemToolbox（控制系統(tǒng)模塊庫）,2019/11/19,45,Simulink模塊庫包含的子模塊庫,（1）CommonlyUsedBlocks模塊庫，為仿真提供常用元件；（2）Continuous模塊庫，為仿真提供連續(xù)系統(tǒng)；（3）Discontinuous模塊庫，非連續(xù)系統(tǒng)元件；（4）Discrete模塊庫，為仿真提供離散元件；（5）LogicandBitOperations模塊庫，提供邏輯運算和位運算的元件；（6）LookupTables模塊庫，線形插值查表模塊庫；（7）MathOperations模塊庫，提供數(shù)學運算功能元件；（8）ModelVerification模塊庫，模型驗證庫；（9）Model-WideUtilities模塊庫；（10）PortsandSubsystems模塊庫，端口和子系統(tǒng)；（11）SignalsAttributes模塊庫，信號屬性模塊；（12）SignalsRouting模塊庫，提供用于輸入、輸出和控制的相關(guān)信號及相關(guān)處理；（13）Sinks模塊庫，為仿真提供輸出設(shè)備元件；（14）Sources模塊庫，為仿真提供各種信號源；（15）User-definedFunctions模塊庫，用戶自定義函數(shù)元件；（16）AdditionalMath&Discrete模塊庫。,2019/11/19,46,功能模塊的處理,基本操作包括：1.選取模塊2.復(fù)制與刪除模塊3.模塊的參數(shù)和屬性設(shè)置4.模塊外形的調(diào)整5.模塊名的處理6.模塊的連接7.在連線上反映信息,2019/11/19,47,設(shè)置仿真參數(shù),仿真參數(shù)對話框設(shè)置如下仿真參數(shù)：Solver（算法）DataImport/Export（數(shù)據(jù)輸入輸出）Diagnostics（診斷）Optimization（優(yōu)化）HardwareImplementation（硬件