MATLAB工具箱與Simulink

1、2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink1 第七章 MATLAB工具箱與Simulink MATLAB工具箱已經(jīng)成為一個(gè)系列產(chǎn)品，MATLAB主工具 箱和各種工具箱（toolbox ）。 simulink 是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)集成環(huán) 境，把理論研究和工程實(shí)踐有機(jī)的結(jié)合在一起。 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink2 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(kuò)充 MATLAB的數(shù)值計(jì)算、符號(hào)運(yùn)算功能、 圖形建模仿真功能、文字處理功能以及 與硬件實(shí)時(shí)交互功能，能夠用于多種學(xué) 科。 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulin

2、k3 領(lǐng)域型工具箱 專用型 領(lǐng)域型工具箱是學(xué)科專用工具 箱，其專業(yè)性很強(qiáng)，比如控制系統(tǒng)工 具箱（ Control System Toolbox）；信 號(hào)處理工具箱（Signal Processing Toolbox）；財(cái)政金融工具箱（ Financial Toolbox）等等。只適用于相關(guān)專業(yè)。 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink4 MATLAB常用工具箱 MATLAB Main ToolboxMATLAB主工具箱 Control System Toolbox控制系統(tǒng)工具箱 Communication Toolbox通訊工具箱 Financial Toolbox財(cái)政金融工具

3、箱 System Identification Toolbox系統(tǒng)辨識(shí)工具 箱 Fuzzy Logic Toolbox模糊邏輯工具箱 Higher-Order Spectral Analysis Toolbox高階 譜分析工具箱 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink5 Image Processing Toolbox圖象處理工具箱 LMI Control Toolbox線性矩陣不等式工具箱 Model predictive Control Toolbox模型預(yù)測控制 工具箱 -Analysis and Synthesis Toolbox分析工具箱 Neural Network

4、 Toolbox神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱 Optimization Toolbox優(yōu)化工具箱 Partial Differential Toolbox偏微分方程工具箱 Robust Control Toolbox魯棒控制工具箱 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink6 Signal Processing Toolbox信號(hào)處理工具箱 Spline Toolbox樣條工具箱 Statistics Toolbox統(tǒng)計(jì)工具箱 Symbolic Math Toolbox符號(hào)數(shù)學(xué)工具箱 Simulink Toolbox動(dòng)態(tài)仿真工具箱 Wavele Toolbox小波工具箱 等等 2021-6-24

5、MATLAB工具箱與Simulink7 例如：控制系統(tǒng)工具箱 連續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和離散系統(tǒng)設(shè)計(jì) 狀態(tài)空間和傳遞函數(shù)以及模型轉(zhuǎn)換 時(shí)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(diǎn)配置 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink8 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(biāo)優(yōu)化 約束條件下的優(yōu)化 非線型方程求解 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink9 信號(hào)處理工具箱 數(shù)字和模擬濾波器設(shè)計(jì)、應(yīng)用及仿真 譜分析和估計(jì) FFT、DCT等變換 參數(shù)化模型 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink10

6、學(xué)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(jì)界面，自適應(yīng)神經(jīng)- 模糊學(xué)習(xí)、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(yùn)算的能力 和自適應(yīng)的學(xué)習(xí)能力。具有很強(qiáng)的容錯(cuò) 性和魯棒性，善于聯(lián)想、綜合和推廣。 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink11 MATLAB6功能擴(kuò)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(hào)處理工具箱、 simulink仿真工具箱 MATLAB6新增工具箱有： 虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱 電力系統(tǒng)工具箱 儀器儀表控制工具箱 報(bào)告編輯工具箱 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink12 工具箱的擴(kuò)充功能： 用戶可以修改工具

7、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。 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink13 二、通用工具箱 MATLAB主工具箱 前面課程所介紹的數(shù)值計(jì)算、符號(hào)運(yùn)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(diǎn)。 MATLAB主工具箱位于： c:MATLABtoolboxMATLAB MATLAB主工具箱是任何版本的 MATLAB都不可缺少的。 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink14 除toolboxMATLAB之

8、外的工具箱，在 比較完整的專業(yè)版MATLAB語言中有20 多個(gè)工具箱。這些工具箱是需要單獨(dú)選 擇購買的。 MATLAB主工具箱共有21個(gè)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(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換函數(shù)庫 elfun 初等數(shù)學(xué)函數(shù)庫 specmat 特殊矩陣函數(shù)庫 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink15 elmat 初等矩陣和時(shí)間函數(shù)庫 funfun 函數(shù)功能和數(shù)學(xué)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(yùn)算符

9、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 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink16 color 顏色和光照函數(shù)庫 polyfun 多項(xiàng)式函數(shù)庫 sparfun 稀疏矩陣函數(shù)庫 strfun 字符串函數(shù)庫 demos MATLAB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 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink17 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：help pl

10、otxy Two dimensional graphics. Elementary X-Y graphs. plot - Linear plot. loglog - Log-log scale plot. semilogx - Semi-log scale plot. semilogy - Semi-log scale plot. fill - Draw filled 2-D polygons. 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink18 Specialized X-Y graphs. polar - Polar coordinate plot. bar - Bar graph

11、. stem - Discrete sequence or stem plot. stairs - Stairstep plot. errorbar - Error bar plot. hist - Histogram plot. rose - Angle histogram plot. compass - Compass plot. feather - Feather plot. fplot - Plot function. comet - Comet-like trajectory. 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink19 Graph annotation. title

12、 - Graph title. xlabel - X-axis label. ylabel - Y-axis label. text - Text annotation. gtext - Mouse placement of text. grid - Grid lines. See also PLOTXYZ, GRAPHICS. 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink20 help specmat compan - Companion matrix. gallery - Several small test matrices. hadamard - Hadamard matri

13、x. hankel - Hankel matrix. hilb - Hilbert matrix. invhilb - Inverse Hilbert matrix. magic - Magic square. pascal - Pascal matrix. toeplitz - Toeplitz matrix. vander - Vandermonde matrix. 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink21 2. 符號(hào)運(yùn)算工具箱 主要功能以符號(hào)為對(duì)象的數(shù)學(xué)。 在大學(xué)教學(xué)中，符號(hào)數(shù)學(xué)是各專業(yè)都能 用到的。 符號(hào)運(yùn)算無須事先對(duì)獨(dú)立變量賦值，運(yùn) 算結(jié)果以標(biāo)準(zhǔn)的符號(hào)形式表達(dá)。 特

14、點(diǎn)： 運(yùn)算對(duì)象可以是沒賦值的符號(hào)變量 可以獲得任意精度的解 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink22 符號(hào)運(yùn)算的功能 符號(hào)表達(dá)式、符號(hào)矩陣的創(chuàng)建 符號(hào)可變精度求解 符號(hào)線性代數(shù) 因式分解、展開和簡化 符號(hào)代數(shù)方程求解 符號(hào)微積分 符號(hào)微分方程 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink23 3. Simulink動(dòng)態(tài)仿真工具箱 simulink工具箱簡介 simulink 是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分 析的一個(gè)集成環(huán)境，使得MATLAB的功能 得到進(jìn)一步擴(kuò)展，它可以非常容易的實(shí)現(xiàn) 可視化建模，把理論研究和工程實(shí)踐有機(jī) 的結(jié)合在一起。 大部分專用工具箱只要以MATL

15、AB主包為 基礎(chǔ)就能運(yùn)行，有少數(shù)工具箱（通訊工具 箱、信號(hào)處理工具箱等）則要求有 simulink工具箱的支持。 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink24 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(duì)自己的模 型進(jìn)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(dāng)創(chuàng)建好的框圖保存后，相應(yīng)的m文件就 自動(dòng)生成，這個(gè).m文件包含了該框圖的 所有圖形及數(shù)學(xué)關(guān)系信息。 框圖表示比較直觀，容易構(gòu)造，運(yùn)行速 度較快。 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink25 Simulink優(yōu)點(diǎn) 適應(yīng)面廣：包括線性、非線性系 統(tǒng)；

16、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(xì)、貼近實(shí)際 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink26 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(kuò)展名為m的ASCII代碼 （MATLAB6是擴(kuò)展名為mdl的ASCII代碼）； 在數(shù)學(xué)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(shí)際系統(tǒng)的 動(dòng)態(tài)特性。 simulink 的一般結(jié)構(gòu)： 輸入系統(tǒng)輸出 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink27 仿真原理 當(dāng)在框圖視窗中進(jìn)行仿真的同時(shí)， MATLAB 實(shí)際上是運(yùn)行保存于simulink內(nèi) 存中s函

17、數(shù)的映象文件，而不是解釋運(yùn)行 該m文件。 s函數(shù)并不是標(biāo)準(zhǔn)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(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的創(chuàng)建過程，就是一個(gè)方框 圖的繪制過程 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink28 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:MATLABbin c:MATLABextern c:MATLABsimulink c:MATLABtoolboxcomm c:MATLABtoolboxcontrol c:MATLABtoolboxsymbolic . . . 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink29 MATLABbin

18、 該目錄包含MATLAB系統(tǒng)運(yùn) 行文件，MATLAB幫助文件及一些必需的二進(jìn) 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simulink MEX-文件所必需的函數(shù)定義及接口軟件。 MATLABtoolbox 各種工具箱，Math Works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。 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink30 2. 工具箱 MATLAB toolbox工具箱在windows下由目 錄檢索得到。

19、 也可以在MATLAB下得到，啟動(dòng)MATLAB后 cd_ . MATLAB缺省目錄是bin，回到 MATLAB目錄下 cd_toolbox 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink31 dir 工具箱清單 . compiler fixpoint lmi nag qft . control fuzzy local ncd robust ada symbolic dspblks hosa MATLAB nnet signal uitools codegen fdident ident mpc optim simulink wavelet comm finance splines pd

20、e esmutools stats 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink32 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： help symbolic help optim 函數(shù)的查詢：help 函數(shù)名 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink33 使用type命令得到工具箱函數(shù)的清單 type signalcontents type optimcontents 如果在當(dāng)前工具箱

21、目錄下可用 help contents type contents 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 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink34 4. MATLAB函數(shù)的查閱與定位 which 函數(shù)名 給函數(shù)定位 例如: which laplace d:MATLAB42toolboxsymboliclaplace.m which fft2 d:MATLAB42toolboxMATLABdatafunfft2.m which poly d:MATLAB42toolboxMATL

22、ABpolyfunpoly.m 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink35 which constr d:MATLAB42toolboxoptimconstr.m which plot plot is a built-in function. which 命令只能定位MATLAB的外部命令， 而對(duì)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 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink36 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

23、 1992年公司將該軟件改名為SIMULINK Simulink可以搭建： （1）通信系統(tǒng)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層； （2）動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)； （3）控制系統(tǒng)； （4）數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)； （5）電力系統(tǒng)； （6）生物系統(tǒng)； （7）金融系統(tǒng)等。 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink37 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。 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink38 Simulink的使用 1.

24、 Simulink的啟動(dòng) (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(xiàng)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 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink39 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink40 SIMULINK的模塊庫介紹 SIMILINK模塊庫按功能進(jìn)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(tái)模塊）

25、Math（數(shù)學(xué)模塊） Nonlinear（非線性模塊） Signals&Systems（信號(hào)和系統(tǒng)模塊） Sinks（接收器模塊） Sources（輸入源模塊） 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink41 建模與仿真 建模仿真的一般過程是： 打開一個(gè)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(gè)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(jìn)行仿真分析， 在仿真的同時(shí)，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(duì)參數(shù)進(jìn)行 修正； 1. 如果對(duì)結(jié)果滿意，可以將模型保存。 2021-6-24MATLA

26、B工具箱與Simulink42 例1 設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的模型，其功能是將一 正弦信號(hào)輸出到示波器中 解題步驟： (1) 新建一個(gè)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(jìn)行系統(tǒng)仿真： (5) 觀察仿真結(jié)果： 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink43 例1 演示 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink44 Simulink的基本模塊 Simulink（系統(tǒng)仿真模塊庫） Communications Blockset（通信模塊庫） DSP Blockset（數(shù)字信號(hào)處理模塊庫） Control System To

27、olbox（控制系統(tǒng)模塊庫） 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink45 Simulink模塊庫包含的子模塊庫 （1）Commonly Used Blocks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）Logic and Bit Operations模塊庫，提供邏輯運(yùn)算和位運(yùn)算的元件； （6）Lookup Tables模塊庫，線形插值查表模塊庫； （7）Math Operations模塊庫，提供數(shù)學(xué)運(yùn)算功能元件； （8）M

28、odel Verification模塊庫，模型驗(yàn)證庫； （9）Model-Wide Utilities模塊庫； （10）Ports and Subsystems模塊庫，端口和子系統(tǒng)； （11）Signals Attributes模塊庫，信號(hào)屬性模塊； （12）Signals Routing模塊庫，提供用于輸入、輸出和控制的相關(guān)信號(hào)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(hào)源； （15）User-defined Functions模塊庫，用戶自定義函數(shù)元件； （16）Additional Math &Discrete模塊庫。 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink46 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 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink47 設(shè)置仿真參數(shù) 仿真參數(shù)對(duì)話框 設(shè)置如下仿真參數(shù)： Solver（算法） Data Import/Export（數(shù)據(jù)輸入輸出） Diagnostics（診斷） Optimization（優(yōu)化） Hardware Implemen