第1章 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)概述(MATLAB基礎(chǔ)-內(nèi)蒙古大學(xué),房建東)課件

1、控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真房建東房建東 二二0000四年二月四年二月通過(guò)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(yǔ)言的基本知識(shí)，結(jié)合所學(xué)課程數(shù)字信號(hào)處理、信號(hào)與系統(tǒng)自動(dòng)控制原理等，學(xué)會(huì)運(yùn)用MATLAB語(yǔ)言進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真和輔助設(shè)計(jì)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)第一章 計(jì)算機(jī)仿真和輔助設(shè)計(jì)概述第二章 MATLAB語(yǔ)言基礎(chǔ)第三章 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述與建模第四章 控制系統(tǒng)的分析方法第五章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與校正第六章 SIMULINK仿真基礎(chǔ)第七章 MATLAB在電子信息領(lǐng)域應(yīng)用簡(jiǎn)介 教學(xué)內(nèi)容考試形式及成績(jī)?cè)u(píng)定v考考 勤勤 ： 隨機(jī)點(diǎn)名隨機(jī)點(diǎn)名 2次次 10%v作作 業(yè)業(yè)

2、 ： 40%v期末考試：期末考試： 50%參考書目教 材：v控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD機(jī)械工業(yè)出版社，1999年，張曉華參考書：v反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 MATLAB語(yǔ)言應(yīng)用清華大學(xué)出版社，2000年，薛定宇v基于MATLAB的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，西安電子科技大學(xué)出版社，1999年，樓順天v精通MATLAB6. 5版，北京航空航天大學(xué)出版社，2003年，張志涌CH1、計(jì)算機(jī)仿真和輔助設(shè)計(jì)概述1.1 計(jì)算機(jī)應(yīng)用與工程問(wèn)題計(jì)算機(jī)應(yīng)用與工程問(wèn)題v自十九世紀(jì)以來(lái)工業(yè)革命至今，持續(xù)了二百年的科技進(jìn)自十九世紀(jì)以來(lái)工業(yè)革命至今，持續(xù)了二百年的科技進(jìn)展，使世人的生活水準(zhǔn)大為提高。在我們即將邁入二十展，使世人

3、的生活水準(zhǔn)大為提高。在我們即將邁入二十一世紀(jì)的此時(shí)，回顧近年來(lái)的重大工程成就，影響世界一世紀(jì)的此時(shí)，回顧近年來(lái)的重大工程成就，影響世界深遠(yuǎn)的為數(shù)不少，而依據(jù)美國(guó)國(guó)家工程學(xué)院在深遠(yuǎn)的為數(shù)不少，而依據(jù)美國(guó)國(guó)家工程學(xué)院在1989年，年，所選出的所選出的25年的十大重大工程成就有：年的十大重大工程成就有： v微處理機(jī)微處理機(jī) ；登陸月球；登陸月球 ；人造衛(wèi)星的應(yīng)用；人造衛(wèi)星的應(yīng)用 ；電腦輔助設(shè)；電腦輔助設(shè)計(jì)及制造；大型越洋客機(jī)；先進(jìn)復(fù)合材料計(jì)及制造；大型越洋客機(jī)；先進(jìn)復(fù)合材料 ；電腦斷層掃；電腦斷層掃描描 ；基因工程；基因工程 ；激光；激光 ；光纖；光纖 v由于我們所面對(duì)的工程問(wèn)題越來(lái)越復(fù)雜，過(guò)去所依

4、賴分析的技術(shù)已逐漸不敷使用。利用電腦來(lái)分析及解決工程問(wèn)題，已是當(dāng)今工程師的必要工具。如何善用電腦應(yīng)用軟件來(lái)幫助分析工程問(wèn)題，將是各位同學(xué)往后所要學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，也是這門課的目的。 1.2 工程問(wèn)題的解決方式工程問(wèn)題的解決方式解題五部曲 v簡(jiǎn)要的敘述問(wèn)題 v描述輸入/輸出的資訊 v利用簡(jiǎn)易數(shù)據(jù)將問(wèn)題以手或計(jì)算器先行演算 v撰寫MATLAB程序 v以多組數(shù)據(jù)測(cè)試MATLAB解計(jì)算機(jī)仿真與輔助設(shè)計(jì) 1.3 計(jì)算機(jī)仿真和輔助設(shè)計(jì)的基本概念計(jì)算機(jī)仿真和輔助設(shè)計(jì)的基本概念一、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真的概念1、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的概念v計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)高速而精確的計(jì)算能力、大容量存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)的

5、能力，結(jié)合設(shè)計(jì)者的綜合分析、邏輯判斷及創(chuàng)造性思維，用以加快設(shè)計(jì)進(jìn)程、縮短設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的技術(shù)。v說(shuō)明：計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)從廣義上來(lái)講它包含了計(jì)算機(jī)仿真的內(nèi)容，從狹義上說(shuō)它的主要工作是利用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力來(lái)處理設(shè)計(jì)者手工處理所遇到的不便與繁瑣。2、計(jì)算機(jī)仿真的概念仿真的定義v仿真的基本思想是利用物理的或數(shù)學(xué)的模型來(lái)類比模仿現(xiàn)實(shí)過(guò)程，以尋求對(duì)真實(shí)過(guò)程的認(rèn)識(shí)。它所遵循的基本原則是相似性原理。計(jì)算機(jī)仿真的定義v計(jì)算機(jī)仿真是基于所建立的系統(tǒng)仿真模型，利用計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析與研究的方法。1、模型的定義v模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)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(duì)系統(tǒng)的特征與變化規(guī)律的一種定量抽象，是人們

6、認(rèn)識(shí)事物的一種手段或工具。2、模型的分類（1）物理模型v指不以人的意志為轉(zhuǎn)移的客觀存在的實(shí)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v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(lái)再現(xiàn)原型的功能或結(jié)構(gòu)特征。三、計(jì)算機(jī)仿真模型（3）仿真模型v指根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用仿真語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以實(shí)施的模型。四、計(jì)算機(jī)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(duì)象（2）模型：系統(tǒng)的抽象（3）計(jì)算機(jī)：工具與手段2、基本步驟v建模仿真實(shí)驗(yàn) 結(jié)果分析仿仿 真真 的的 一一 般般 步步 驟：驟：建模與形式化：建模與形式化：確定模型的邊界，模型進(jìn)行形式化處理確定模型的邊

7、界，模型進(jìn)行形式化處理仿真建模：仿真建模：選擇合適的算法（選擇合適的算法（穩(wěn)定性、計(jì)算精度、速度）穩(wěn)定性、計(jì)算精度、速度）程序設(shè)計(jì)：程序設(shè)計(jì)：將仿真模型用計(jì)算機(jī)能執(zhí)行的程序來(lái)描述（包將仿真模型用計(jì)算機(jī)能執(zhí)行的程序來(lái)描述（包括仿真實(shí)驗(yàn)的要求、括仿真實(shí)驗(yàn)的要求、運(yùn)行參數(shù)、控制參數(shù)、輸出要求）運(yùn)行參數(shù)、控制參數(shù)、輸出要求）模型校驗(yàn)?zāi)Ｐ托ｒ?yàn)：程序調(diào)試，檢驗(yàn)所選仿真算法的合理：程序調(diào)試，檢驗(yàn)所選仿真算法的合理檢驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算的正確性檢驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算的正確性 仿真運(yùn)行仿真運(yùn)行：對(duì)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：對(duì)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 仿真結(jié)果分析仿真結(jié)果分析：對(duì)系統(tǒng)性能作出評(píng)價(jià)，模型可信性檢驗(yàn)：對(duì)系統(tǒng)性能作出評(píng)價(jià)，模型可信性檢驗(yàn) 只有可信

8、的模型才能作為仿真的基礎(chǔ)只有可信的模型才能作為仿真的基礎(chǔ)實(shí)際系統(tǒng)實(shí)際系統(tǒng)建模與形式化建模與形式化形式模型形式模型仿真建模仿真建模程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)仿真模型校驗(yàn)仿真模型校驗(yàn)正確否？正確否？否仿真運(yùn)行仿真運(yùn)行仿真結(jié)果分析仿真結(jié)果分析是正確否正確否？否是結(jié)束結(jié)束 仿仿 真真 的的 一一 般般 步步 驟驟可信否？可信否？否是 1.4仿真的分類仿真的分類一、按模型分類1、物理仿真：采用物理模型，有實(shí)物介入！v具有效果逼真，精度高等優(yōu)點(diǎn)，但造價(jià)高或耗時(shí)長(zhǎng)，大多在一些特殊場(chǎng)合下采用（如導(dǎo)彈、衛(wèi)星一類飛行器的動(dòng)態(tài)仿真，發(fā)電站綜合調(diào)度仿真與培訓(xùn)系統(tǒng)等），具有實(shí)時(shí)性、在線的特點(diǎn)。2、數(shù)學(xué)仿真：采用數(shù)學(xué)模型v在計(jì)算機(jī)

9、上進(jìn)行，具有非實(shí)時(shí)性、離線的特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)、快速、實(shí)用。二、按計(jì)算機(jī)類型分類1、模擬仿真：采用數(shù)學(xué)模型，在模擬計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究。50年代v描述連續(xù)物理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)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(diǎn)，但受元器件性能影響，仿真精度較低，對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的仿真較困難，自動(dòng)化程度低。v模擬計(jì)算機(jī)的核心是運(yùn)算部分，它由我們熟知的“模擬運(yùn)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(jì)算機(jī)上借助于數(shù)值計(jì)算方法所進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)。60年代v數(shù)字仿真的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算與仿真的精度較高。理論上計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)可以根據(jù)精度要求來(lái)“隨意”設(shè)計(jì)，因此其仿真精度可以是無(wú)限，但是由于受到誤差積

10、累、仿真時(shí)間等因素影響，其精度也不易定得太高。v數(shù)字仿真對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的仿真較方便。仿真實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)化程度較高，可方便地實(shí)現(xiàn)顯示、打印等功能。v計(jì)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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，“速度問(wèn)題”會(huì)在不同程度上有所改進(jìn)與提高。v數(shù)字仿真沒有專用的仿真軟件支持，需要設(shè)計(jì)人員用高級(jí)程序語(yǔ)言編寫求解系統(tǒng)模型及結(jié)果輸出的程序。3、混合仿真：結(jié)合了模擬仿真與數(shù)字仿真。4、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真：采用先進(jìn)的微型計(jì)算機(jī)，基于專用的仿真軟件、仿真語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，其數(shù)值計(jì)算功能強(qiáng)大，使用方便，易學(xué)。80年代以來(lái)1.5 1.5 仿真技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展仿真技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展一、仿真技術(shù)在工程中的

11、應(yīng)用1、航空與航天工業(yè)v飛行器設(shè)計(jì)中的三級(jí)仿真體系：純數(shù)學(xué)模擬（軟件）、半實(shí)物模擬、實(shí)物模擬或模擬飛行實(shí)驗(yàn)。v飛行員及宇航員訓(xùn)練用飛行仿真模擬器。2、電力工業(yè)v電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型實(shí)驗(yàn)：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。v電站操作人員培訓(xùn)模擬系統(tǒng)。3、原子能工業(yè)v模擬核反應(yīng)堆v核電站仿真器用來(lái)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v醫(yī)學(xué)v社會(huì)學(xué)v宏觀經(jīng)濟(jì)與商業(yè)策略的研究二、應(yīng)用仿真技術(shù)的意義1、經(jīng)濟(jì)v大型、復(fù)雜系統(tǒng)直接實(shí)驗(yàn)是十分昂貴的，如：空間飛行器的一次飛行實(shí)驗(yàn)的成本約在1億美元左右，而采用仿真實(shí)驗(yàn)僅需其成本的1/101/5，而且設(shè)備可以重復(fù)

12、使用。2、安全v某些系統(tǒng)（如載人飛行器、核電裝置等），直接實(shí)驗(yàn)往往會(huì)有很大的危險(xiǎn)，甚至是不允許的，而采用仿真實(shí)驗(yàn)可以有效降低危險(xiǎn)程度，對(duì)系統(tǒng)的研究起到保障作用。3、快捷v提高設(shè)計(jì)效率：比如電路設(shè)計(jì)，服裝設(shè)計(jì)等等。4、具有優(yōu)化設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)的特殊功能v對(duì)一些真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)和參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是非常困難的，這時(shí)仿真可以發(fā)揮它特殊的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能。v在非工程系統(tǒng)中（如社會(huì)、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(shí)驗(yàn)幾乎不可能，這時(shí)通過(guò)仿真技術(shù)的應(yīng)用可以獲得對(duì)系統(tǒng)的某種超前認(rèn)識(shí)。三、仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)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(qiáng)數(shù)字仿真的實(shí)時(shí)

13、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(jī)界面、結(jié)果輸出、綜合評(píng)判等方面達(dá)到更理想的境界。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，效果好。4、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：綜合了計(jì)算機(jī)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(shí)環(huán)境之中。1.6 計(jì)算機(jī)仿真軟件計(jì)算機(jī)仿真軟件一、仿真軟件的發(fā)展1、程序編程階段v所有問(wèn)題（如：微分方程求解、矩陣運(yùn)算、繪圖等）都是用高級(jí)算法語(yǔ)言（如C、FORTRAN等）來(lái)編寫。2、程序軟件包階段v出現(xiàn)了“應(yīng)用子程序庫(kù)”。3、交互式語(yǔ)言階段（仿真語(yǔ)

14、言）v仿真語(yǔ)言可用一條指令實(shí)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(shí)現(xiàn)等問(wèn)題。4、模型化圖形組態(tài)階段v符合設(shè)計(jì)人員對(duì)基于模型圖形化的描述。二、幾種仿真軟件1、PROTEL、PSPICE、EWB（MULTISIM）：通用的電子電路仿真軟件，適合于元件級(jí)仿真。2、SYSTEM VIEW：系統(tǒng)級(jí)的電路動(dòng)態(tài)仿真軟件3、MATLAB：具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力，包含各種工具箱，其程序不能脫離MATLAB環(huán)境而運(yùn)行，所以嚴(yán)格講，MATLAB不是一種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，而是一種高級(jí)的科學(xué)分析與計(jì)算軟件。4、SIMULINK：是MATLAB附帶的基于模型化圖形組態(tài)的動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境。三、MAT

15、LAB簡(jiǎn)介vMATLAB是美國(guó)math works公司推出的一個(gè)高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化軟件，它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個(gè)方便的、界面友好的用戶環(huán)境。 MATLAB的推出得到了各個(gè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，其強(qiáng)大的擴(kuò)展功能為各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。由各個(gè)領(lǐng)域的專家學(xué)者相繼推出了MATLAB工具箱，其中主要有信號(hào)處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像處理等。借助MATLAB的這些工具箱，人們可直觀、方便地進(jìn)行分析、計(jì)算及設(shè)計(jì)工作，從而大大節(jié)省了時(shí)間，并能很快地設(shè)計(jì)出更多的解決方案來(lái)確保未來(lái)更多的技術(shù)需要。1.MATLAB的發(fā)展歷程和影響 vMATLAB名字由MATrix和 LAB

16、oratory 兩詞的前三個(gè)字母組合而成。那是20世紀(jì)七十年代后期的事：時(shí)任美國(guó)新墨西哥大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任的Cleve Moler教授出于減輕學(xué)生編程負(fù)擔(dān)的動(dòng)機(jī)，為學(xué)生設(shè)計(jì)了一組調(diào)用LINPACK和EISPACK庫(kù)程序的“通俗易用”的接口，此即用FORTRAN編寫的萌芽狀態(tài)的MATLAB。v經(jīng)幾年的校際流傳，在Little的推動(dòng)下，由Little、Moler、Steve Bangert合作，于1984年成立了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(yǔ)言編寫，而且除原有的數(shù)值計(jì)算能力外，還新增了數(shù)據(jù)圖視功能。vMATLAB以商品形式出現(xiàn)后的短短幾

17、年，就以其良好的開放性和運(yùn)行的可靠性，使原先控制領(lǐng)域里的封閉式軟件包紛紛淘汰，而改在MATLAB平臺(tái)上重建。在時(shí)間進(jìn)入20世紀(jì)九十年代的時(shí)候，MATLAB已經(jīng)成為國(guó)際控制界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算軟件。到九十年代初期，在國(guó)際上30幾個(gè)數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中，MATLAB在數(shù)值計(jì)算方面獨(dú)占鰲頭，而Mathematica和Maple則分居符號(hào)計(jì)算軟件的前兩名。Mathcad因其提供計(jì)算、圖形、文字處理的統(tǒng)一環(huán)境而深受中學(xué)生歡迎。vMathWorks公司于1993年推出了基于Windows平臺(tái)的MATLAB4.0。4.x版在繼承和發(fā)展其原有的數(shù)值計(jì)算和圖形可視能力的同時(shí)，出現(xiàn)了以下幾個(gè)重要變化：v（1）推出了S

18、IMULINK，一個(gè)交互式操作的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析集成環(huán)境。v（2）推出了符號(hào)計(jì)算工具包。符號(hào)表達(dá)式是代表數(shù)字、函數(shù)、算子和變量的MATLAB字符串，或字符串?dāng)?shù)組。不要求變量有預(yù)先確定的值，符號(hào)方程式是含有等號(hào)的符號(hào)表達(dá)式。符號(hào)算術(shù)是使用已知的規(guī)則和給定符號(hào)恒等式求解這些符號(hào)方程的實(shí)踐，它與代數(shù)和微積分所學(xué)到的求解方法完全一樣。符號(hào)矩陣是數(shù)組，其元素是符號(hào)表達(dá)式。符號(hào)計(jì)算工具包的主要功能有以下8項(xiàng)：(1)用符號(hào)定義各種數(shù)學(xué)運(yùn)算和函數(shù)(syms，symop)等：(2)對(duì)這些函數(shù)式進(jìn)行代數(shù)和三角運(yùn)算，包括因式分解(factor)、展開(expand)、變量置換(subs)、復(fù)合函數(shù)(comp

19、ose)等；(3)微分和積分運(yùn)算(diff,int)等：(4)函數(shù)的整理和化簡(jiǎn)(combine，simplify，simple)等；(5)可變精度的運(yùn)算，如可以設(shè)置任意多個(gè)有效計(jì)算位數(shù)進(jìn)行計(jì)算(vpa、digits)等；(6)解方程，包括單變量的代數(shù)方程、多變量非線性的聯(lián)立代數(shù)方程(solve)、單變量微分方程、多變量聯(lián)立微分方程(dsolve)等；(7)線性代數(shù)和矩陣運(yùn)算(determ，linsolve)等；(8)變換，包括拉普拉斯變換(laplace)、傅立葉變換(fourier)和z變換(ztrans)等。 MATLAB在內(nèi)部把符號(hào)表達(dá)式表示成字符串，以與數(shù)字變量或運(yùn)算相區(qū)別；右表列有幾

20、則符號(hào)表達(dá)式例子以及MATLAB等效表達(dá)式。12xn12yxcos()sin()xx22Mabcdxxdxab31 1/(2*xn) y= 1/sqrt(2*x) cos(x2)-sin(2*x) M=sym( a，b；c，d )符號(hào)表達(dá)式MATLAB表達(dá)式f=int( x3/sqrt(1-x) ， a ， b )v（3）構(gòu)作了Notebook 。MathWorks公司瞄準(zhǔn)應(yīng)用范圍最廣的Word ，運(yùn)用DDE和OLE，實(shí)現(xiàn)了MATLAB與Word的無(wú)縫連接，從而為專業(yè)科技工作者創(chuàng)造了融科學(xué)計(jì)算、圖形可視、文字處理于一體的高水準(zhǔn)環(huán)境。從1997年春的5.0版起，后歷經(jīng)5.1、5.2、5.3、6.

21、0、6.1等多個(gè)版本的不斷改進(jìn)，MATLAB“面向?qū)ο蟆钡奶攸c(diǎn)愈加突出，數(shù)據(jù)類型愈加豐富，操作界面愈加友善。2002年初夏所推6.5版的最大特點(diǎn)是：該版本采用了JIT加速器，從而使MATLAB朝運(yùn)算速度與C程序相比肩的方向前進(jìn)了一大步。2.MATLAB語(yǔ)言主要優(yōu)點(diǎn)：功能強(qiáng)的數(shù)值運(yùn)算在MATLAB環(huán)境中，有超過(guò)500種數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)、科學(xué)及工程方面的函數(shù)可使用，函數(shù)的標(biāo)示自然，使得問(wèn) 題和解答像數(shù)學(xué)式子一般簡(jiǎn)單明了，讓使用者可全力發(fā)揮在解題方面，而非浪費(fèi)在電腦操作上。 語(yǔ)言簡(jiǎn)單MATLAB語(yǔ)言允許用戶以數(shù)學(xué)形式的語(yǔ)言編寫程序，比BASIC、FORTRAN語(yǔ)言和C語(yǔ)言等更接近于書寫計(jì)算公式的思維方式。

22、由于它是用C語(yǔ)言開發(fā)的，它的不多的幾個(gè)程序流控語(yǔ)句同C語(yǔ)言差別甚微，易于初學(xué)者掌握。v先進(jìn)的資料視覺化功能MATLAB的物件導(dǎo)向圖形架構(gòu)讓使用者可執(zhí)行視覺數(shù)據(jù)分析，并制作高品質(zhì)的圖形，完成科學(xué)性或工程性圖文并茂的文章。 v開放及可延伸的架構(gòu)MATLAB容許使用者接觸它大多數(shù)的數(shù)學(xué)原使碼，檢視運(yùn)算法，更改現(xiàn)存函數(shù)，甚至加入自己的函數(shù)使 MATLAB成為使用者所須要的環(huán)境。 v豐富的程式工具箱 MATLAB的程式工具箱融合了套裝前軟體的優(yōu)點(diǎn)，與一個(gè)靈活的開放但容易操作之環(huán)境，這些工具箱提 供了使用者在特別應(yīng)用領(lǐng)域所需之許多函數(shù)。現(xiàn)有工具箱有：符號(hào)運(yùn)算（利用Maple V的計(jì)算核心執(zhí)行 ）、影像處理

23、、統(tǒng)計(jì)分析、訊號(hào)處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模擬分析、控制系統(tǒng)、即時(shí)控制、系統(tǒng)確認(rèn)、弧線分析、最佳化、模糊邏輯、化學(xué)計(jì)量分析等。v移植性和開放性好 MATLAB是用C語(yǔ)言編寫的，而C語(yǔ)言的可移植性很好。于是MATLAB可以很方便地移植到能運(yùn)行C語(yǔ)言的操作平臺(tái)上。MATLAB適合的工作平臺(tái)有；Windows系列、Unix、Linux。除了內(nèi)部函數(shù)外，MATLAB所有的核心文件和工具箱文件都是公開的，都是可讀可寫的源文件，用戶可以通過(guò)對(duì)源文件的修改和自己編程構(gòu)成新的工具箱。v語(yǔ)句簡(jiǎn)單，內(nèi)涵豐富 MATLAB語(yǔ)言中最基本最重要的成分是函數(shù)，其一般形式為a，b，c=fun（d，e，f），即一個(gè)函數(shù)由函數(shù)名，輸入變

24、量d，e，f和輸出變量a，b，c組成，同一函數(shù)名F，不同數(shù)目的輸入變量(包括無(wú)輸入變量)及不同數(shù)目的輸出變量，代表著不同的含義。這不僅使MATLAB的庫(kù)函數(shù)功能更豐富，而且大大減少了需要的磁盤空間，使得MATLAB編寫的M文件簡(jiǎn)單、短小而高效。v高效方便的矩陣和數(shù)組運(yùn)算MATLAB語(yǔ)言像FORTRAN和C語(yǔ)言一樣規(guī)定了矩陣的算術(shù)運(yùn)算符、關(guān)系運(yùn)算符、邏輯運(yùn)算符、條件運(yùn)算符及賦值運(yùn)算符，而且這些運(yùn)算符大部分可以毫無(wú)改變地照搬到數(shù)組間的運(yùn)算。另外，它不需定義數(shù)組的維數(shù)，并結(jié)出矩陣函數(shù)、特殊矩陣專門的庫(kù)函數(shù)，使之在求解諸如信號(hào)處理、建模、系統(tǒng)識(shí)別、控制、優(yōu)化等領(lǐng)域的問(wèn)題時(shí)，顯得大為簡(jiǎn)捷，這是 其 他

25、高 級(jí) 語(yǔ) 言 所 不 能 比 擬 的 。 高 版 本 的MATLAB已逐步擴(kuò)展到科學(xué)及工程計(jì)算的其他領(lǐng)域。因此，不久的將來(lái)，MATLAB一定能名副其實(shí)地成為“萬(wàn)能演算紙”式的科學(xué)算法語(yǔ)言。v方便的繪圖功能 MATLAB的繪圖是十分方便的，它有一系列繪圖函數(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)用不同的繪圖畫數(shù)(命令)，在圖上標(biāo)出圖題、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。另外，在調(diào)用繪圖函數(shù)時(shí)調(diào)整自變量可繪出不變顏色的點(diǎn)、線、復(fù)線或多重線。這種為科學(xué)研究著想的設(shè)計(jì)是通用的編程語(yǔ)言所不能及的。vMATLAB長(zhǎng)于數(shù)值計(jì)算，能處理大量的數(shù)據(jù)，而且效率比較高

26、。 MathWorks公司在此基礎(chǔ)上開拓了符號(hào)計(jì)算、文字處理、可視化建模和實(shí)時(shí)控制能力，增強(qiáng)了MATLAB的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，使MATLAB成為市場(chǎng)主流的數(shù)值計(jì)算軟件。vMathWorks公司的系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決方案為基于模型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了從概念到應(yīng)用的一套完整設(shè)計(jì)工具M(jìn)ATLAB產(chǎn)品組。 MATLAB產(chǎn)品組是支持從概念設(shè)計(jì)、算法開發(fā)、建模仿真和實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)的理想的集成環(huán)境。無(wú)論是進(jìn)行科學(xué)研究還是產(chǎn)品開發(fā)， MATLAB產(chǎn)品組都是必不可少的工具。3.MATLAB產(chǎn)品組MATLAB產(chǎn)品組主要應(yīng)用v數(shù)據(jù)分析v數(shù)值和符號(hào)計(jì)算v工程與科學(xué)繪圖v控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)v數(shù)字圖象信號(hào)處理v財(cái)務(wù)工程v建模、仿真、原型開發(fā)v圖形用戶

27、界面設(shè)計(jì)等vMATLAB產(chǎn)品組被廣泛地應(yīng)用于包括信號(hào)與圖像處理、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、通信、系統(tǒng)仿真等諸多領(lǐng)域。開放式的結(jié)構(gòu)使MATLAB產(chǎn)品組很容易針對(duì)特定的需求進(jìn)行擴(kuò)充，從而在不斷深化對(duì)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)的同時(shí)，提高自身的競(jìng)爭(zhēng)力。v MATLAB產(chǎn)品組的一大特性是有眾多的面向具體應(yīng)用的工具箱和仿真塊，包含了完整的函數(shù)集用來(lái)對(duì)信號(hào)圖像處理、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等特殊應(yīng)用進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。其他的產(chǎn)品延伸了MATLAB的能力，包括數(shù)據(jù)采集、報(bào)告生成和依靠MATLAB語(yǔ)言編程產(chǎn)生獨(dú)立的CC+代碼等等。MATLAB的主要產(chǎn)品構(gòu)成是：v（1）MATLAB 所有MathWorks公司產(chǎn)品的數(shù)值分析和圖形基礎(chǔ)環(huán)境。MAT

28、LAB將2D和3D圖形、MATLAB語(yǔ)言能力集成到一個(gè)單一的、易學(xué)易用的環(huán)境之中。v（2）MATLAB Toolbox 一系列專用的MATLAB函數(shù)庫(kù)，解決特定領(lǐng)域的問(wèn)題。工具箱是開放的可擴(kuò)展的，可以查看其中的算法，或開發(fā)自己的算法。v（3）MATLAB Compiler 將MATLAB語(yǔ)言編寫的m文件自動(dòng)轉(zhuǎn)換成C或C+文件，支持用戶進(jìn)行獨(dú)立應(yīng)用開發(fā)。結(jié)合MathWorks提供的CC+數(shù)學(xué)庫(kù)和圖形庫(kù)，用戶可以利用MATLAB快速地開發(fā)出功能強(qiáng)大的獨(dú)立應(yīng)用。v（4）Simulink 結(jié)合了框圖界面和交互仿真能力的非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具。它以MATLAB的核心數(shù)學(xué)、圖形和語(yǔ)言為基礎(chǔ)。v（5）Sta

29、teflow 與Simulink框圖模型相結(jié)合，描述復(fù)雜事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的邏輯行為，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在不同的模式之間進(jìn)行切換。v（6）Real-Time Workshop 直接從Simulink框圖自動(dòng)生成C或Ada代碼，用于快速原型和硬件在回路仿真，整個(gè)代碼生成可以根據(jù)需要完全定制。v（7）Simulink Blockset 專門為特定領(lǐng)域設(shè)計(jì)的Simulink功能塊的集合，用 戶 也 可 以 利 用 已 有 的 塊 或 自 編 寫 的 C 和MATLAB程序建立自己的塊。vMathWorks公司的系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決方案為基于模型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了從概念到應(yīng)用的一套完整設(shè)計(jì)工具。MATLAB、Simulink、

30、 Stateflow、Real-Time Workshop間的緊密集成可以使用戶自由穿梭于建模、分析、仿真、代碼生成、控制原型與實(shí)施之間。用戶可以在每個(gè)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行不同的測(cè)試并且針對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用快速選取優(yōu)化方案。 vReal-Time Workshop Embedded Coder 是 Real-Time Workshop的擴(kuò)展，為受內(nèi)存限制的離散時(shí)間系統(tǒng)生成C代碼。Real-Time Workshop Embedded Coder是受RAM、ROM、CPU 所限制系統(tǒng)的理想工具。生成的代碼靈活、可靠、高效、易于管理并符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。四、simulink簡(jiǎn)介vSimulink是MATLAB的一個(gè)附加

31、組件，用來(lái)提供一個(gè)系統(tǒng)的建模與動(dòng)態(tài)仿真平臺(tái)，是一個(gè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包。它用模塊組合的方法來(lái)使用戶能夠快速、準(zhǔn)確地創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型，可以處理的系統(tǒng)包括：線性、非線性系統(tǒng)；離散、連續(xù)及混合系統(tǒng)；單任務(wù)、多任務(wù)離散事件系統(tǒng)，特別對(duì)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，它的效果更明顯。vSimulink模型可以用來(lái)模擬線性或非線性、連續(xù)或離散或者兩者的混合系統(tǒng)，也就是它可以用來(lái)模擬幾乎所有可能遇到的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。它還支持系統(tǒng)是多采樣率的，即系統(tǒng)的不同部分擁有不同的采樣率。另外， Simulink還提供一套圖形動(dòng)畫的處理方法，使用戶可以方便地觀察到仿真的整個(gè)過(guò)程。v對(duì)于建模，在SIMULINK 提供的圖形用戶界面上，只要進(jìn)行鼠標(biāo)的簡(jiǎn)單拖拉操作就可構(gòu)造出復(fù)雜的仿真模型。它外表以方塊圖形式呈現(xiàn)，且采用分層結(jié)構(gòu)。定義完一個(gè)模型后，可通過(guò)Simulink的菜單或在MATLAB的命令窗輸入命令對(duì)它進(jìn)行仿真，然后可以借助模擬示波器或其它的顯示模塊，在運(yùn)行仿真時(shí)觀察到仿真的結(jié)果。另外，還可以在仿真時(shí)改變參數(shù)并且立即就可看到有什么變化。v從分析研究角度講，這種SIMULINK模型不僅能讓用戶知道具體環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)細(xì)節(jié)，而且能讓用戶清晰地了