MATLAB工具箱与Simulink

1、2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink1 第七章 MATLAB工具箱与Simulink MATLAB工具箱已经成为一个系列产品，MATLAB主工具 箱和各种工具箱（toolbox ）。 simulink 是实现动态系统建模、仿真和分析的一个集成环 境，把理论研究和工程实践有机的结合在一起。 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink2 一、工具箱简介 功能型工具箱 通用型 功能型工具箱主要用来扩充 MATLAB的数值计算、符号运算功能、 图形建模仿真功能、文字处理功能以及 与硬件实时交互功能，能够用于多种学 科。 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulin

2、k3 领域型工具箱 专用型 领域型工具箱是学科专用工具 箱，其专业性很强，比如控制系统工 具箱（ Control System Toolbox）；信 号处理工具箱（Signal Processing Toolbox）；财政金融工具箱（ Financial Toolbox）等等。只适用于相关专业。 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink4 MATLAB常用工具箱 MATLAB Main ToolboxMATLAB主工具箱 Control System Toolbox控制系统工具箱 Communication Toolbox通讯工具箱 Financial Toolbox财政金融工具

3、箱 System Identification Toolbox系统辨识工具 箱 Fuzzy Logic Toolbox模糊逻辑工具箱 Higher-Order Spectral Analysis Toolbox高阶 谱分析工具箱 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink5 Image Processing Toolbox图象处理工具箱 LMI Control Toolbox线性矩阵不等式工具箱 Model predictive Control Toolbox模型预测控制 工具箱 -Analysis and Synthesis Toolbox分析工具箱 Neural Network

4、 Toolbox神经网络工具箱 Optimization Toolbox优化工具箱 Partial Differential Toolbox偏微分方程工具箱 Robust Control Toolbox鲁棒控制工具箱 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink6 Signal Processing Toolbox信号处理工具箱 Spline Toolbox样条工具箱 Statistics Toolbox统计工具箱 Symbolic Math Toolbox符号数学工具箱 Simulink Toolbox动态仿真工具箱 Wavele Toolbox小波工具箱 等等 2021-6-24

5、MATLAB工具箱与Simulink7 例如：控制系统工具箱 连续系统设计和离散系统设计 状态空间和传递函数以及模型转换 时域响应（脉冲响应、阶跃响应、斜坡响应） 频域响应（Bode图、Nyquist图） 根轨迹、极点配置 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink8 优化工具箱 线型规划和二次规划 求函数的最大值和最小值 多目标优化 约束条件下的优化 非线型方程求解 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink9 信号处理工具箱 数字和模拟滤波器设计、应用及仿真 谱分析和估计 FFT、DCT等变换 参数化模型 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink10

6、学科前沿最新的工具箱 模糊控制逻辑工具箱 友好的交互设计界面，自适应神经- 模糊学习、聚类 神经网络工具箱 神经网络系统具有集体运算的能力 和自适应的学习能力。具有很强的容错 性和鲁棒性，善于联想、综合和推广。 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink11 MATLAB6功能扩充的工具箱有： 控制系统工具箱、图象处理工具箱、 神经元网络工具箱、信号处理工具箱、 simulink仿真工具箱 MATLAB6新增工具箱有： 虚拟现实工具箱 电力系统工具箱 仪器仪表控制工具箱 报告编辑工具箱 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink12 工具箱的扩充功能： 用户可以修改工具

7、箱中的函数，更 为重要的是用户可以通过编制 m文件来 任意地添加工具箱中原来没有的工具函 数。此功能充分体现了MATLAB语言的 开发性。 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink13 二、通用工具箱 MATLAB主工具箱 前面课程所介绍的数值计算、符号运算、 绘图以及句柄绘图都是MATLAB主工具 箱的内容，是MATLAB的基本部分，也 是我们课程的重点。 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工具箱与Simulink14 除toolboxMATLAB之

8、外的工具箱，在 比较完整的专业版MATLAB语言中有20 多个工具箱。这些工具箱是需要单独选 择购买的。 MATLAB主工具箱共有21个函数库 datafun 数据分析函数库 sounds 声音处理函数库 dde 动态数据交换函数库 elfun 初等数学函数库 specmat 特殊矩阵函数库 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink15 elmat 初等矩阵和时间函数库 funfun 函数功能和数学分析函数库 general 通用命令函数库 graphics 通用图形函数库 iofun 底层输入输出函数库 lang 语言结构函数库 matfun 矩阵线性代数函数库 ops 运算符

9、和逻辑函数库 plotxy 二维绘图函数库 plotxyz 三维绘图函数库 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink16 color 颜色和光照函数库 polyfun 多项式函数库 sparfun 稀疏矩阵函数库 strfun 字符串函数库 demos MATLAB演示函数库 MATLAB6新增函数库: uitools 图形界面函数库 datatypes 数据类型函数库 graphics 句柄绘图函数库 graph3d 三维绘图 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink17 各函数库中的函数可用help 函数库 名查询，或type 函数名方法查询 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工具箱与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工具箱与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工具箱与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工具箱与Simulink21 2. 符号运算工具箱 主要功能以符号为对象的数学。 在大学教学中，符号数学是各专业都能 用到的。 符号运算无须事先对独立变量赋值，运 算结果以标准的符号形式表达。 特

14、点： 运算对象可以是没赋值的符号变量 可以获得任意精度的解 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink22 符号运算的功能 符号表达式、符号矩阵的创建 符号可变精度求解 符号线性代数 因式分解、展开和简化 符号代数方程求解 符号微积分 符号微分方程 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink23 3. Simulink动态仿真工具箱 simulink工具箱简介 simulink 是实现动态系统建模、仿真和分 析的一个集成环境，使得MATLAB的功能 得到进一步扩展，它可以非常容易的实现 可视化建模，把理论研究和工程实践有机 的结合在一起。 大部分专用工具箱只要以MATL

15、AB主包为 基础就能运行，有少数工具箱（通讯工具 箱、信号处理工具箱等）则要求有 simulink工具箱的支持。 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink24 由于MATLAB和simulink是集成在一起的， 因此用户可以在两种环境下对自己的模 型进行仿真、分析和修改。 不用命令行编程，由方框图产生m文件 （s函数） 当创建好的框图保存后，相应的m文件就 自动生成，这个.m文件包含了该框图的 所有图形及数学关系信息。 框图表示比较直观，容易构造，运行速 度较快。 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink25 Simulink优点 适应面广：包括线性、非线性系 统；

16、离散、连续系统 结构和流程清晰：以方块图形式 呈现， 仿真精细、贴近实际 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink26 simulink 的模型： simulink模型在视觉上表现为方框图，在文 件上则是扩展名为m的ASCII代码 （MATLAB6是扩展名为mdl的ASCII代码）； 在数学上体现为一组微分方程或差分方程； 在行为上模拟了物理器件构成的实际系统的 动态特性。 simulink 的一般结构： 输入系统输出 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink27 仿真原理 当在框图视窗中进行仿真的同时， MATLAB 实际上是运行保存于simulink内 存中s函

17、数的映象文件，而不是解释运行 该m文件。 s函数并不是标准m文件，它m文件的一种 特殊形式。 结构图创建方法 一个动态系统的创建过程，就是一个方框 图的绘制过程 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink28 三、工具箱和工具箱函数的查询办法 MATLAB的目录结构 目录树 c:MATLABbin c:MATLABextern c:MATLABsimulink c:MATLABtoolboxcomm c:MATLABtoolboxcontrol c:MATLABtoolboxsymbolic . . . 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink29 MATLABbin

18、 该目录包含MATLAB系统运 行文件，MATLAB帮助文件及一些必需的二进 制文件。 MATLABextern 包含MATLAB与 C, FORTRAN 语言的交互所需的函数定义和连接 库。 MATLABsimulink 包含建立simulink MEX-文件所必需的函数定义及接口软件。 MATLABtoolbox 各种工具箱，Math Works公司提供的商品化MATLAB工具箱有30 多种。toolbox目录下的子目录数量是随安装情 况而变的。 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink30 2. 工具箱 MATLAB toolbox工具箱在windows下由目 录检索得到。

19、 也可以在MATLAB下得到，启动MATLAB后 cd_ . MATLAB缺省目录是bin，回到 MATLAB目录下 cd_toolbox 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink31 dir 工具箱清单 . 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工具箱与Simulink32 3. 工具箱函数清单的获得 所有工具箱中都有函数清单文件contents.m, 可用各种方法得到工具箱函数清单 执行在线帮助命令 help 工具箱名称 列出该工具箱中contents.m的内容，显示该工 具箱中所有函数清单 例如： help symbolic help optim 函数的查询：help 函数名 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink33 使用type命令得到工具箱函数的清单 type signalcontents type optimcontents 如果在当前工具箱

21、目录下可用 help contents type contents 得到该工具箱的函数清单 由于contents .m为文本文件，可以通过任 何文本编辑器打开阅读 如：edit、 word、写字板、记事本 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink34 4. MATLAB函数的查阅与定位 which 函数名 给函数定位 例如: which laplace d:MATLAB42toolboxsymboliclaplace.m which fft2 d:MATLAB42toolboxMATLABdatafunfft2.m which poly d:MATLAB42toolboxMATL

22、ABpolyfunpoly.m 2021-6-24MATLAB工具箱与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， 而对内部命令是无效的。 MATLAB内部函数只能通过contents.m工 具箱清单文件来查询 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink36 Simulink与系统仿真 Simulink的产生 1990年MathWorks公司为MATLAB增加了用于建立系统 框图和仿真的环境

23、 1992年公司将该软件改名为SIMULINK Simulink可以搭建： （1）通信系统物理层和数据链路层； （2）动力学系统； （3）控制系统； （4）数字信号处理系统； （5）电力系统； （6）生物系统； （7）金融系统等。 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink37 较为流行的版本有 与MATLAB5.2配用的Simulink2.2 与MATLAB5.3配用的Simulink3.0 与MATLAB6.0配用的Simulink4.0 与MATLAB7.0配用的Simulink6.0。 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink38 Simulink的使用 1.

24、 Simulink的启动 (1)在MATLAB的命令窗口直接键入simulink。 (2) 工具栏上的Simulink模块库浏览器命令按钮 (3) File菜单中选择New菜单项下的Model命令 2. Simulink的退出 关闭所有模型窗口和Simulink模块库窗口即可 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink39 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink40 SIMULINK的模块库介绍 SIMILINK模块库按功能进行分类，包括以下8类子库： Continuous（连续模块） Discrete（离散模块） Function&Tables（函数和平台模块）

25、Math（数学模块） Nonlinear（非线性模块） Signals&Systems（信号和系统模块） Sinks（接收器模块） Sources（输入源模块） 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink41 建模与仿真 建模仿真的一般过程是： 打开一个空白的编辑窗口； 将模块库中模块复制到编辑窗口里，并依照给 定的框图修改编辑窗口中模块的参数； 将各个模块按给定的框图连接起来； 用菜单选择或命令窗口键入命令进行仿真分析， 在仿真的同时，可以观察仿真结果，如果发现 有不正确的地方，可以停止仿真，对参数进行 修正； 1. 如果对结果满意，可以将模型保存。 2021-6-24MATLA

26、B工具箱与Simulink42 例1 设计一个简单的模型，其功能是将一 正弦信号输出到示波器中 解题步骤： (1) 新建一个模型窗口： (2) 为模型添加所需模块： (3) 连接相关模块，构成所需要的系统模型： (4) 进行系统仿真： (5) 观察仿真结果： 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink43 例1 演示 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink44 Simulink的基本模块 Simulink（系统仿真模块库） Communications Blockset（通信模块库） DSP Blockset（数字信号处理模块库） Control System To

27、olbox（控制系统模块库） 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink45 Simulink模块库包含的子模块库 （1）Commonly Used Blocks模块库，为仿真提供常用元件； （2）Continuous模块库，为仿真提供连续系统； （3）Discontinuous模块库，非连续系统元件； （4）Discrete模块库，为仿真提供离散元件； （5）Logic and Bit Operations模块库，提供逻辑运算和位运算的元件； （6）Lookup Tables模块库，线形插值查表模块库； （7）Math Operations模块库，提供数学运算功能元件； （8）M

28、odel Verification模块库，模型验证库； （9）Model-Wide Utilities模块库； （10）Ports and Subsystems模块库，端口和子系统； （11）Signals Attributes模块库，信号属性模块； （12）Signals Routing模块库，提供用于输入、输出和控制的相关信号及相关处理； （13）Sinks模块库，为仿真提供输出设备元件； （14）Sources模块库，为仿真提供各种信号源； （15）User-defined Functions模块库，用户自定义函数元件； （16）Additional Math &Discrete模块库。 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink46 功能模块的处理 基本操作包括： 1. 选取模块 2. 复制与删除模块 3. 模块的参数和属性设置 4. 模块外形的调整 5. 模块名的处理 6. 模块的连接 7. 在连线上反映信息 2021-6-24MATLAB工具箱与Simulink47 设置仿真参数 仿真参数对话框 设置如下仿真参数： Solver（算法） Data Import/Export（数据输入输出） Diagnostics（诊断） Optimization（优化） Hardware Implemen