TLB仿真簡介分析

12011.05第1章主要內(nèi)容:MATLAB軟件及其自動控制原理仿真意義基于MATLAB的系統(tǒng)仿真方法基于MATLAB的語言編程基于MATLAB的Simulink模塊編程2011.0521.1

MATLAB軟件及其自動控制原理仿真意義2011.0531）MATLAB軟件“MATLAB”一詞源于MatrixLaboratory(矩陣實驗室),其含義是用矩陣方法處理問題。MATLAB軟件是一套面向科學計算和系統(tǒng)建模與仿真分析的可視化軟件。2）MATLAB特點2011.054集數(shù)學計算與可視化功能于一體,并提供了幾乎所有常用數(shù)學運算的函數(shù)命令和可用于不同領(lǐng)域的專業(yè)工具箱,以滿足不同專業(yè)的特殊要求,如控制系統(tǒng)工具箱(Controlsystem)、信號處理工具箱(Signalprocessing)、圖像處理工具箱(Imageprocessing)、通信工具箱(Communication)、金融(Financial)、統(tǒng)計(Statistics)和優(yōu)化設計(Optimization)等。MATLAB具有很高的內(nèi)聯(lián)性、可靠性和容錯能力；獨特的動態(tài)系統(tǒng)仿真功能(Simulink)提供了面向控制理論與控制系統(tǒng)方面的數(shù)學建模、系統(tǒng)仿真與分析設計等方面的功能,使用者置身于虛擬實驗環(huán)境中,易于對復雜的數(shù)學和系統(tǒng)模型進行直觀的仿真試驗和分析處理。3）

基于MATLAB自動控制原理仿真的意義2011.055自動控制理論與技術(shù)具有理論性強、過程抽象、數(shù)學運算復雜、實驗室建立與實踐成本高等特點。MATLAB能夠直觀、快速地建立系統(tǒng)模型,并且能夠靈活地改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù),便于系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能分析,達到對系統(tǒng)的優(yōu)化設計。為復雜理論運算及虛擬實驗提供了可能。目前,MATLAB已成為大學實踐教學的基本內(nèi)容,也成為在校碩士和博士研究生進行學術(shù)和應用研究以及在高端領(lǐng)域進行科學實踐的一種有效工具。學習掌握MATLAB不僅有利于教學過程的實踐,也具有利于自身專業(yè)技術(shù)的可持續(xù)性發(fā)展與提高。利用MATLAB對《自動控制原理》課程進行實踐教學,不僅可以加深學生對課程內(nèi)容的理解,同時有利于學生對問題的進一步探索和思考,進而提高學生的分析能力和創(chuàng)新能力,也為以后專業(yè)課程的學習和工程應用實踐起到積極地促進和幫助作用。2011.0561.2基于MATLAB的系統(tǒng)仿真方法2011.057MATLAB軟件編程方法主要包括兩種:1）MATLAB語言編程；2）Simulink模塊編程。MATLAB語言編程:基于MATLAB的語言編程方法。即在M文件（M-File）或命令窗口（Commandwindows）中，通過由函數(shù)命令格式組成的語句建立控制系統(tǒng)模型，并對控制系統(tǒng)進行相關(guān)的仿真實驗與分析。1.2基于MATLAB的系統(tǒng)仿真方法2011.058基于MATALB的Simulink模塊編程方法:即在MATLAB的Model文件或模型編輯窗口中，通過MATLAB控制系統(tǒng)工具箱（ControlSystemToolbox）提供的典型模塊，進行模塊選擇、模塊連接與模塊參數(shù)設置等編輯操作，最后得到含有輸入信號、系統(tǒng)模型和輸出顯示（或輸出轉(zhuǎn)存）的系統(tǒng)模型。1.2.1基于MATLAB的語言編程2011.059語言編程是MATLAB為用戶提供的可利用常用函數(shù)和專用函數(shù)命令格式進行書寫式的編程方法,是一種MATLAB最通用和最靈活的編程方式。語言編程可實現(xiàn)幾乎所有的數(shù)學運算和圖形繪制。MATLAB還提供了可用于自動控制系統(tǒng)研究所需的專用函數(shù)命令,從而使控制理論與控制系統(tǒng)的編程、仿真實驗與分析變得更加便捷和直觀。專用函數(shù)命令自身包含了數(shù)學運算、圖形繪制或參數(shù)返回功能。是進行控制理論與控制系統(tǒng)的仿真實驗、分析研究和靈活應用等內(nèi)容的重要方法之一。1.2.1.1

MATLAB語言編程環(huán)境2011.0510本章只簡要介紹MATLAB語言編程環(huán)境下的常用函數(shù)的命令格式及編程方法，而MATLAB自動控制專用函數(shù)命令的仿真方法將在以后的章節(jié)中結(jié)合控制理論的相關(guān)概念進行講解。1.MATLAB語言編程環(huán)境的創(chuàng)建要進行MATLAB語言編程，首先要進入MATLAB語言編程環(huán)境，即需要啟動已安裝在電腦中MATLAB軟件，并進入程序編輯環(huán)境：1）MATLAB軟件的啟動：雙擊桌面上的MATLAB快捷圖標，或者點擊桌面左下角的“開始”圖標進入路徑“程序/MATLAB*.*/MATLAB*.*。如圖1-1所示為啟動MATLAB7.0后的主界面（其他版本的主界面也基本類同）。11圖1-1

MATLAB7.0的主界面2011.05主界面組成:主菜單欄、圖標工具欄、當前路徑欄Current

Directory工作空間Workspace命令窗口Command

Window命令歷史窗口CommandHistory

5）幫助引導窗口LaunchPad122011.052）進入MATLAB語言編程環(huán)境（即打開編輯窗口）:有兩種編程方式:（1）在命令窗口中編程。在MATLAB主界面中的命令窗口CommandWindow中，將光標移至編程提示符“>>”后,鍵入語句命令,按回車鍵執(zhí)行程序；（2）在語言編程器中編程。在主界面的主菜單欄中選擇File→New→M-File,即在主菜單File的下拉菜單中選擇New,在New中選擇文件格式M-File（也稱M文件,即保存時后綴為“.m”）,隨后彈出一個未命名（Untitled.m）的語言程序編輯窗口(Editer-)；如圖1-2所示；132011.05。圖1-2

MATLAB語言程序編輯窗口2011.0514（3）在Word文檔中編程。MATLAB兼容一些Office下的文檔類型,如Word文檔、Excel和記事本均可以作為數(shù)據(jù)文件的腳本；Word文檔可作為程序文件的編輯平臺,在命令窗口和Word文件之間可進行內(nèi)容的拷貝和格式轉(zhuǎn)存。2011.05151.2.1.2

MATLAB語言程序的運行與結(jié)果顯示2011.05161）語言程序的運行:在上述編程方法中，直接在CommandWindow（命令窗口）中編程的內(nèi)容可按回車鍵直接運行。對于在M文件中編輯的內(nèi)容，如果是一個完整的程序，則可以由該M文件的窗口中的菜單選項Debug→Run運行（見圖1-2中的Debug下拉菜單。實際上，M文件中程序的運行也是在CommandWindow中進行），或通過鼠標將欲運行的程序拷貝到CommandWindow中后，按回車鍵運行。對于Word文檔中的程序，必須將其程序拷貝到CommandWindow中后，按回車鍵運行。說明:用戶可在脫離MATLAB環(huán)境下，利用Word文檔進行編輯和保存，但MATLAB只接受英文格式的標點符號?？梢栽诿畲翱谥兄苯舆M行臨時的或小段程序的設計，注意及時使用命令‘clear’來清除工作空間中的變量內(nèi)存，以免引起程序運行中變量之間的沖突而導致錯誤。在命令窗口中，直接回車是運行程序；Shift+Enter是編程段落的換行；在“…”后的Shift+Enter是命令語句的換行,即接著輸入上一行未完成的命令語句。如:>>z=sqrt(abs(x1))+K*(sin(2*pi*t+y1)+cos(pi*t+...x1)-a)/M;即表示一個完整語句:z2=011s.0q5rt(abs(x1))+K*(sin(2*pi*t+y1)+cos(pi*t+x1)-1a7)/M2）結(jié)果的顯示:程序中的賦值變量和運算式，會在MATLAB運行后顯示在Workspace（工作窗口）中，通過鼠標雙擊Workspace中的變量符可查看到變量的內(nèi)容。如果運算語句命令之后為無標點或逗號，則該運算語句執(zhí)行的結(jié)果還將在CommandWindow中顯示，如果之后為分號則運行結(jié)果不在CommandWindow中顯示。2011.05181.2.1.3MATLAB語言程序運行結(jié)果保存語言程序運行結(jié)果包括CommandWindow中的程序和結(jié)果、Workspace中的變量和運算結(jié)果（數(shù)據(jù)），以及由繪圖命令得到的圖形結(jié)果。當一個程序通過在CommandWindow中反復調(diào)試完成后，需要進行保存。程序內(nèi)容保存方式有兩種:拷貝到稱M文件中進行保存，或拷貝到Word文檔中保存。對于Workspace中的數(shù)據(jù)，可通過主界面菜單File→SaveWorkspaceAs進行保存，即在Workspace中用鼠標進行選擇和保存（MATLAB的數(shù)據(jù)文件以.mat或.dat為擴展名，分別稱為二進制文件“.mat”和ASCⅡ文件“.dat”）。數(shù)據(jù)文件主要用于Workspace窗口中的數(shù)據(jù)導入和保存。2011.05191.2.1.4

MATLAB語言程序的調(diào)用2011.0520程序調(diào)用:對于MATLAB的程序M文件，打開該文件后可以在其窗口中選擇菜單Debug→Run運行，或拷貝到CommandWindow中運行，也可以將Word文檔中的程序拷貝到命令窗口中運行。數(shù)據(jù)調(diào)用:對于MATLAB的數(shù)據(jù)M文件，可通過主菜單選擇File→ImportData，在隨后打開的數(shù)據(jù)文件列表中選擇要打開的文件名，確認后該數(shù)據(jù)文件中的數(shù)據(jù)會導入到Workspace中。同樣也可以將Word文檔、Excel和記事本中的為數(shù)據(jù)導入到Workspace中。1.2.1.5

MATLAB語言編程的基本符號與函數(shù)命令1）常用標點操作符2011.0521在MATLAB中，標點符號有著嚴格的規(guī)定，并具有特定的含義和功能，在操作和程序設計中起著非常重要的作用，應當熟悉記牢。常用標點符號的功能與說明見表1-1。注意:由于MATLAB只接受英文格式的標點符號，所以在編程中要注意標點符號的切換和正確使用。如，MATLAB接受單引號格式"*"，而不接受其他形式的引號。2）命令窗口的基本操作命令2011.0522用戶除了可以利用菜單功能對MATLAB主界面進行操作外，還可以在命令窗口中輸入命令語句進行相關(guān)操作。表1-2給出常用的基本命令及其功能說明。這些命令語句可在編程時使用。舉例:路徑的改變方法在命令窗口中運行程序時，所要運行的程序文件必須在主菜單的當前路徑上，即在CurrentDirection中顯示的路徑。如果不在，則要將相關(guān)文件的路徑變?yōu)楫斍奥窂?。具體有兩種操作方法:1）通過圖標工具欄中的當前路徑欄（CurrentDirection）進行變更；2）通過命令窗口執(zhí)行由命令cd(‘*’)所構(gòu)成的語句來實現(xiàn)。比如，當前的默認（開機）路徑為“C:\work”，而需要執(zhí)行的程序文件在“D:\080707”路徑上。此時改變路徑的具體操作:先點擊當前路徑的欄右端下拉目錄按鈕，從中查找，如果存在“D:\080707”，則點擊后即變?yōu)楫斍奥窂?。如果欄中不存在，則在命令窗口中的提示符“>>”后鍵入語句:cd(‘D:\080707’)并回車執(zhí)行，則當前路徑即變?yōu)椤癉:\080707”。也可以通過主菜單的File→Setpath彈出的對話框進行設置。2011.05233）算術(shù)、邏輯和比較運算符2011.0524MATLAB的算術(shù)運算分為矩陣運算和數(shù)組運算,還有四種基本的邏輯運算和六種比較判斷運算。矩陣運算是指按矩陣理論的運算規(guī)則進行定義的運算方式。當矩陣為一個元素(即1×1矩陣)時則是通常所指的數(shù)的運算。數(shù)組運算是指矩陣或向量之間對應元素的算術(shù)運算,也稱點運算。參與點運算的變量必須是同階的。當變量是兩個同階矩陣時,稱矩陣點運算。在加減運算時,矩陣運算和矩陣點運算一樣,都是點運算。常用的運算符及其功能說明如表1-3所示。4）常用默認變量2011.0525MATLAB默認和自定義了一些變量（或常量）,但這些默認變量也可由用戶作為任意變量自行定義和使用,且用戶擁有對默認變量的優(yōu)先定義和使用權(quán)。使用后的默認變量可由清除命令形式“clear變量”來恢復為默認變量。如i和j是MATLAB默認的復數(shù)的虛部常量,但用戶可作為任何變量來自由使用,使用后若想將其恢復為MATLAB默認常量,可用“cleari”或“i=sqrt(-1)”來恢復其為默認常量。通常情況,建議盡量避開對默認常量的使用。常用的默認常量如表1-4所示。5）常用數(shù)組和矩陣的生成函數(shù)命令2011.0526MATLAB提供了一些常用數(shù)組和矩陣的生成函數(shù)命令,如表1-5所示。在表1-5中，eye(n)和magic(n)只能生成n階二維（1頁）方陣；格式A=函數(shù)(size(B))可以生成與B同階的函數(shù)矩陣A，如A=cell(size(B))、C=eye(size(B))生成與B同階的空單元數(shù)組A.單位矩陣C。6）常用矩陣變換函數(shù)命令格式2011.0527矩陣或向量或元素的組合或變換是指如對它們的轉(zhuǎn)置、旋轉(zhuǎn)或排列等操作。常用的函數(shù)命令及說明見表1-6。7）常用函數(shù)2011.0528用MATLAB表示的函數(shù)可以是符號型函數(shù)(運算之前必須對常量、自變量,或函數(shù)進行符號型定義),也可以是數(shù)值型函數(shù)(運算之前對變量進行賦值操作)。常用函數(shù)的命令格式及功能說明如表1-7所示。8）基本繪圖函數(shù)命令格式2011.0529MATLAB不僅具有強大的計算功能,還具有非常好的數(shù)據(jù)可視化的繪圖功能,幾乎可以滿足一般科學計算中所需的圖形繪制與交互功能。如二維平面曲線、三維空間曲線和曲面等靜態(tài)和動態(tài)顯示等。也可以實現(xiàn)不同坐標系之間的轉(zhuǎn)換和圖形繪制?；纠L圖函數(shù)命令格式及說明見表1-8。表1-9給出了繪制圖形的顏色、線的類型和取值點函數(shù)標記的字符表示及類型。MATLAB主界面的功能1）工作空間Workspace的作用快2捷011圖.05標按鈕:30工作空間Workspace特點與操作2011.0531特點:啟動時，Workspace為空；退出后，Workspace被清空。Workspace中變量的操作:鼠標移至該窗口中，左鍵或Shift鍵組 合對內(nèi)容單選或多選，鼠標右鍵的下拉菜單●操作內(nèi)容:OpenSelection打開選中變量的數(shù)據(jù)內(nèi)容SelectAll選擇Workspace中的所有變量列表ImportData…將當前路徑下的數(shù)據(jù)文件（以.dat或.mat為擴展名）輸入到WorkspaceSaveSelectedAs…保存選中的變量數(shù)據(jù)（以.dat或.mat為擴展名）SaveWorkspaceAs…保存Workspace中的所有變量DeleteSelection刪除選中的變量及內(nèi)容ClearWorkspace清除Workspace中的所有數(shù)據(jù)2）命令窗口Command

Window2011.0532命令窗口CommandWindow特點及操作特點:開/關(guān)機或掉電后，CommandWindow中的內(nèi)容隨即清零操作:鼠標右鍵下拉菜單:Evaluated Selection 激活所選程序段并運行一次Open Selection 打開選中的程序文件Help on Selection 打開選項的幫助信息2011.0533CopyCut

對窗口中所選（按下鼠標左鍵并拖動鼠標）內(nèi)容進行剪切（刪除）對窗口中所選內(nèi)容進行拷貝Paste

將剪切或拷貝的內(nèi)容進行粘貼3）命令歷史記錄窗口Command

History2011.0534命令歷史記錄窗口Command

History特點與操作2011.0535特點:自動保存用戶啟動時間和在命令窗口CommandWindow中輸入的所有內(nèi)容記錄，防止系統(tǒng)死機、掉電或不慎操作造成的程序丟失，以備開機后進行查詢和使用。操作:鼠標右鍵下拉菜單選項及操作:EvaluateSelection激活所選程序段并導入CommandWindow進行一次運行CreateM-File 創(chuàng)建選項的M文件DeleteSelection 刪除選項DeletetoSelection 刪除選項之前的內(nèi)容DeleteEntireHistory 清除整個CommandHistory中的內(nèi)容4）菜單及工具欄的功能2011.0536（1）File下拉菜單New建立新文件。有4種文件類型的可選格式:M-File M文件格式，用于程序或函數(shù)文件的創(chuàng)立Figure 圖形文件格式，用于圖形的創(chuàng)建Model 模型文件格式，用于仿真系統(tǒng)建模GUI 圖形用戶界面格式，用于人機操作程序的創(chuàng)建Open 打開當前路徑下已有的文件CloseCommandWindow 關(guān)閉當前命令窗口ImportData 將當前路徑下的數(shù)據(jù)文件導入工作空間SaveWorkspaceAs 保存當前工作空間的內(nèi)容Setpath 將文件路徑添加到MATLAB工作路徑管理器…ExitMATLAB 退出(關(guān)閉)MATLAB（主界面）(2)Edit菜單2011.0537Undo停止當前程序的運行或刪除程序,返回到最近一次的執(zhí)行結(jié)果Redo 恢復到Undo之前的狀態(tài)…ClearCommandWindow 清除命令窗口的內(nèi)容ClearCommandHistory 清除歷史窗口的內(nèi)容ClearWorkspace 清除工作空間的內(nèi)容Desktop

Layout2011.0538MATLAB主界面窗口的顯示格選項(通常為缺省選項Default)Undock

Command

Window

命令窗口與界面的嵌入切換…Current

Directory打開當前路徑下的目錄窗口（與歷史窗口切換）Launch

Pad

顯示MATLAB幫助目錄（與工作窗口切換）Help

進入MATLAB幫助窗口(3)

View

菜單(6)

Help菜單:2011.0539FullProductFamilyHelp所有產(chǎn)品幫助MATLABHelp 針對MATLAB的幫助(打開幫助窗口)UsingtheDesktop 界面的使用幫助UsingtheLaunchPad MATLAB幫助引導窗的使用幫助Demos MATLAB提供的程序范例演示索引,給出編程操作和程序運行的動態(tài)過程。AboutMATLAB 顯示MATLAB版本等相關(guān)信息幫助功能的操作1）由主菜單得到幫助界面:選擇Help/MATLAB

Help2011.05402）由命令窗口得到幫助信息:2011.0541在命令窗口中鍵入幫助查詢命令可得到相關(guān)的幫助信息，格式及功能如下:help

fntype

fn在命令窗口中顯示命令函數(shù)fn的M文件的功能說明在命令窗口中顯示命令函數(shù)fn的M文件全部內(nèi)容helpwin

fn在Help窗口中顯示命令函數(shù)fn的M文件幫助信息例如，查詢命令名為cd的使用方法，其步驟:在命令窗口中鍵入helpwincd，回車后則自動彈出Help窗口，并顯示關(guān)于cd的基本信息；在Help窗口上方點擊“Gotoonlinedocforcd”，則會一步顯示cd的詳細使用說明和實例。如下圖:2011.05423)由命令窗口得到幫助信息:2011.0543(7)圖標工具欄快捷圖標按鈕:圖標功能:新建一個Ｍ文件（NewM-File）打開已有文件（OpenFile）對選項進行剪切（Cut）拷貝（Copy）粘貼（Paste）返回前一步（Undo）返回后一步（Redo）系統(tǒng)仿真（Simulink）幫助（Help）當前路徑欄（CurrentDirection）、打開已添加到MATLAB路徑下的所有目錄、瀏覽可添加的路徑目錄。2011.05441.2.2基于MATLAB的Simulink模塊編程MATLAB包含一個控制系統(tǒng)工具箱（ControlSystemToolbox）,該工具箱提供了豐富的模塊函數(shù)形式（函數(shù)方框圖）,如各種類型（連續(xù)、離散、線性、非線性等）的系統(tǒng)單元模塊,以及典型輸入信號模塊（如信號發(fā)生器）和輸出顯示模塊（如示波器）。用戶通過模塊選擇、模塊連接與模塊參數(shù)設置等編輯操作,得到一個含有輸入信號、系統(tǒng)模型和輸出顯示的模擬系統(tǒng)。其過程更接近于實驗室環(huán)境,即虛擬實驗室。2011.0545Simulink仿真具有專業(yè)性強、建模與編輯方便、參數(shù)調(diào)整過程直觀、處理快捷、實時性好等優(yōu)點,更適合專業(yè)情景的仿真實驗與研究。Simulink仿真輸出不但具有圖形或數(shù)據(jù)顯示,還具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存功能,后者可為語言編程中的數(shù)據(jù)分析和圖形繪制等處理提供數(shù)據(jù)源。2011.05461.2.2.1

Simulink模塊編程環(huán)境2011.0547Simulink庫瀏覽器窗口的打開:有兩種打開Simulink窗口的方式:在MATLAB命令窗口中鍵入”simulink”后回車。在MATLAB圖標工具欄中點擊圖標。上述操作后會彈出一個Simulink庫瀏覽器（SimulinkLibraryBrowser）窗口,如圖1-3所示。2011.0548Simulink庫瀏覽器窗口包含了用于Simulink塊編程所需的分類模塊（或稱主模塊）。Simulink庫瀏覽器包括兩部分:瀏覽器的左欄是Simulink庫的主目錄和其下的各級子目錄，右欄是主目錄名下所對應的所有的分類模塊（主模塊）圖標。在1-3圖中，左欄顯示的是主目錄Simulink及打開的子目錄，右欄顯示的是主目錄Simulink所包含的分類模塊，用于編程時選用。點擊子目錄列表選項或雙擊主模塊中的圖標，會隨即彈出對應的子目錄下的所有子模塊或主模塊中的子模塊窗口。2011.0549圖1-4所示的是點擊子目錄中的連續(xù)系統(tǒng)主模