TLB仿真简介分析

12011.05第1章主要内容:MATLAB软件及其自动控制原理仿真意义基于MATLAB的系统仿真方法基于MATLAB的语言编程基于MATLAB的Simulink模块编程2011.0521.1

MATLAB软件及其自动控制原理仿真意义2011.0531）MATLAB软件“MATLAB”一词源于MatrixLaboratory(矩阵实验室),其含义是用矩阵方法处理问题。MATLAB软件是一套面向科学计算和系统建模与仿真分析的可视化软件。2）MATLAB特点2011.054集数学计算与可视化功能于一体,并提供了几乎所有常用数学运算的函数命令和可用于不同领域的专业工具箱,以满足不同专业的特殊要求,如控制系统工具箱(Controlsystem)、信号处理工具箱(Signalprocessing)、图像处理工具箱(Imageprocessing)、通信工具箱(Communication)、金融(Financial)、统计(Statistics)和优化设计(Optimization)等。MATLAB具有很高的内联性、可靠性和容错能力；独特的动态系统仿真功能(Simulink)提供了面向控制理论与控制系统方面的数学建模、系统仿真与分析设计等方面的功能,使用者置身于虚拟实验环境中,易于对复杂的数学和系统模型进行直观的仿真试验和分析处理。3）

基于MATLAB自动控制原理仿真的意义2011.055自动控制理论与技术具有理论性强、过程抽象、数学运算复杂、实验室建立与实践成本高等特点。MATLAB能够直观、快速地建立系统模型,并且能够灵活地改变系统的结构和参数,便于系统的动态性能和稳态性能分析,达到对系统的优化设计。为复杂理论运算及虚拟实验提供了可能。目前,MATLAB已成为大学实践教学的基本内容,也成为在校硕士和博士研究生进行学术和应用研究以及在高端领域进行科学实践的一种有效工具。学习掌握MATLAB不仅有利于教学过程的实践,也具有利于自身专业技术的可持续性发展与提高。利用MATLAB对《自动控制原理》课程进行实践教学,不仅可以加深学生对课程内容的理解,同时有利于学生对问题的进一步探索和思考,进而提高学生的分析能力和创新能力,也为以后专业课程的学习和工程应用实践起到积极地促进和帮助作用。2011.0561.2基于MATLAB的系统仿真方法2011.057MATLAB软件编程方法主要包括两种:1）MATLAB语言编程；2）Simulink模块编程。MATLAB语言编程:基于MATLAB的语言编程方法。即在M文件（M-File）或命令窗口（Commandwindows）中，通过由函数命令格式组成的语句建立控制系统模型，并对控制系统进行相关的仿真实验与分析。1.2基于MATLAB的系统仿真方法2011.058基于MATALB的Simulink模块编程方法:即在MATLAB的Model文件或模型编辑窗口中，通过MATLAB控制系统工具箱（ControlSystemToolbox）提供的典型模块，进行模块选择、模块连接与模块参数设置等编辑操作，最后得到含有输入信号、系统模型和输出显示（或输出转存）的系统模型。1.2.1基于MATLAB的语言编程2011.059语言编程是MATLAB为用户提供的可利用常用函数和专用函数命令格式进行书写式的编程方法,是一种MATLAB最通用和最灵活的编程方式。语言编程可实现几乎所有的数学运算和图形绘制。MATLAB还提供了可用于自动控制系统研究所需的专用函数命令,从而使控制理论与控制系统的编程、仿真实验与分析变得更加便捷和直观。专用函数命令自身包含了数学运算、图形绘制或参数返回功能。是进行控制理论与控制系统的仿真实验、分析研究和灵活应用等内容的重要方法之一。1.2.1.1

MATLAB语言编程环境2011.0510本章只简要介绍MATLAB语言编程环境下的常用函数的命令格式及编程方法，而MATLAB自动控制专用函数命令的仿真方法将在以后的章节中结合控制理论的相关概念进行讲解。1.MATLAB语言编程环境的创建要进行MATLAB语言编程，首先要进入MATLAB语言编程环境，即需要启动已安装在电脑中MATLAB软件，并进入程序编辑环境：1）MATLAB软件的启动：双击桌面上的MATLAB快捷图标，或者点击桌面左下角的“开始”图标进入路径“程序/MATLAB*.*/MATLAB*.*。如图1-1所示为启动MATLAB7.0后的主界面（其他版本的主界面也基本类同）。11图1-1

MATLAB7.0的主界面2011.05主界面组成:主菜单栏、图标工具栏、当前路径栏Current

Directory工作空间Workspace命令窗口Command

Window命令历史窗口CommandHistory

5）帮助引导窗口LaunchPad122011.052）进入MATLAB语言编程环境（即打开编辑窗口）:有两种编程方式:（1）在命令窗口中编程。在MATLAB主界面中的命令窗口CommandWindow中，将光标移至编程提示符“>>”后,键入语句命令,按回车键执行程序；（2）在语言编程器中编程。在主界面的主菜单栏中选择File→New→M-File,即在主菜单File的下拉菜单中选择New,在New中选择文件格式M-File（也称M文件,即保存时后缀为“.m”）,随后弹出一个未命名（Untitled.m）的语言程序编辑窗口(Editer-)；如图1-2所示；132011.05。图1-2

MATLAB语言程序编辑窗口2011.0514（3）在Word文档中编程。MATLAB兼容一些Office下的文档类型,如Word文档、Excel和记事本均可以作为数据文件的脚本；Word文档可作为程序文件的编辑平台,在命令窗口和Word文件之间可进行内容的拷贝和格式转存。2011.05151.2.1.2

MATLAB语言程序的运行与结果显示2011.05161）语言程序的运行:在上述编程方法中，直接在CommandWindow（命令窗口）中编程的内容可按回车键直接运行。对于在M文件中编辑的内容，如果是一个完整的程序，则可以由该M文件的窗口中的菜单选项Debug→Run运行（见图1-2中的Debug下拉菜单。实际上，M文件中程序的运行也是在CommandWindow中进行），或通过鼠标将欲运行的程序拷贝到CommandWindow中后，按回车键运行。对于Word文档中的程序，必须将其程序拷贝到CommandWindow中后，按回车键运行。说明:用户可在脱离MATLAB环境下，利用Word文档进行编辑和保存，但MATLAB只接受英文格式的标点符号。可以在命令窗口中直接进行临时的或小段程序的设计，注意及时使用命令‘clear’来清除工作空间中的变量内存，以免引起程序运行中变量之间的冲突而导致错误。在命令窗口中，直接回车是运行程序；Shift+Enter是编程段落的换行；在“…”后的Shift+Enter是命令语句的换行,即接着输入上一行未完成的命令语句。如:>>z=sqrt(abs(x1))+K*(sin(2*pi*t+y1)+cos(pi*t+...x1)-a)/M;即表示一个完整语句:z2=011s.0q5rt(abs(x1))+K*(sin(2*pi*t+y1)+cos(pi*t+x1)-1a7)/M2）结果的显示:程序中的赋值变量和运算式，会在MATLAB运行后显示在Workspace（工作窗口）中，通过鼠标双击Workspace中的变量符可查看到变量的内容。如果运算语句命令之后为无标点或逗号，则该运算语句执行的结果还将在CommandWindow中显示，如果之后为分号则运行结果不在CommandWindow中显示。2011.05181.2.1.3MATLAB语言程序运行结果保存语言程序运行结果包括CommandWindow中的程序和结果、Workspace中的变量和运算结果（数据），以及由绘图命令得到的图形结果。当一个程序通过在CommandWindow中反复调试完成后，需要进行保存。程序内容保存方式有两种:拷贝到称M文件中进行保存，或拷贝到Word文档中保存。对于Workspace中的数据，可通过主界面菜单File→SaveWorkspaceAs进行保存，即在Workspace中用鼠标进行选择和保存（MATLAB的数据文件以.mat或.dat为扩展名，分别称为二进制文件“.mat”和ASCⅡ文件“.dat”）。数据文件主要用于Workspace窗口中的数据导入和保存。2011.05191.2.1.4

MATLAB语言程序的调用2011.0520程序调用:对于MATLAB的程序M文件，打开该文件后可以在其窗口中选择菜单Debug→Run运行，或拷贝到CommandWindow中运行，也可以将Word文档中的程序拷贝到命令窗口中运行。数据调用:对于MATLAB的数据M文件，可通过主菜单选择File→ImportData，在随后打开的数据文件列表中选择要打开的文件名，确认后该数据文件中的数据会导入到Workspace中。同样也可以将Word文档、Excel和记事本中的为数据导入到Workspace中。1.2.1.5

MATLAB语言编程的基本符号与函数命令1）常用标点操作符2011.0521在MATLAB中，标点符号有着严格的规定，并具有特定的含义和功能，在操作和程序设计中起着非常重要的作用，应当熟悉记牢。常用标点符号的功能与说明见表1-1。注意:由于MATLAB只接受英文格式的标点符号，所以在编程中要注意标点符号的切换和正确使用。如，MATLAB接受单引号格式"*"，而不接受其他形式的引号。2）命令窗口的基本操作命令2011.0522用户除了可以利用菜单功能对MATLAB主界面进行操作外，还可以在命令窗口中输入命令语句进行相关操作。表1-2给出常用的基本命令及其功能说明。这些命令语句可在编程时使用。举例:路径的改变方法在命令窗口中运行程序时，所要运行的程序文件必须在主菜单的当前路径上，即在CurrentDirection中显示的路径。如果不在，则要将相关文件的路径变为当前路径。具体有两种操作方法:1）通过图标工具栏中的当前路径栏（CurrentDirection）进行变更；2）通过命令窗口执行由命令cd(‘*’)所构成的语句来实现。比如，当前的默认（开机）路径为“C:\work”，而需要执行的程序文件在“D:\080707”路径上。此时改变路径的具体操作:先点击当前路径的栏右端下拉目录按钮，从中查找，如果存在“D:\080707”，则点击后即变为当前路径。如果栏中不存在，则在命令窗口中的提示符“>>”后键入语句:cd(‘D:\080707’)并回车执行，则当前路径即变为“D:\080707”。也可以通过主菜单的File→Setpath弹出的对话框进行设置。2011.05233）算术、逻辑和比较运算符2011.0524MATLAB的算术运算分为矩阵运算和数组运算,还有四种基本的逻辑运算和六种比较判断运算。矩阵运算是指按矩阵理论的运算规则进行定义的运算方式。当矩阵为一个元素(即1×1矩阵)时则是通常所指的数的运算。数组运算是指矩阵或向量之间对应元素的算术运算,也称点运算。参与点运算的变量必须是同阶的。当变量是两个同阶矩阵时,称矩阵点运算。在加减运算时,矩阵运算和矩阵点运算一样,都是点运算。常用的运算符及其功能说明如表1-3所示。4）常用默认变量2011.0525MATLAB默认和自定义了一些变量（或常量）,但这些默认变量也可由用户作为任意变量自行定义和使用,且用户拥有对默认变量的优先定义和使用权。使用后的默认变量可由清除命令形式“clear变量”来恢复为默认变量。如i和j是MATLAB默认的复数的虚部常量,但用户可作为任何变量来自由使用,使用后若想将其恢复为MATLAB默认常量,可用“cleari”或“i=sqrt(-1)”来恢复其为默认常量。通常情况,建议尽量避开对默认常量的使用。常用的默认常量如表1-4所示。5）常用数组和矩阵的生成函数命令2011.0526MATLAB提供了一些常用数组和矩阵的生成函数命令,如表1-5所示。在表1-5中，eye(n)和magic(n)只能生成n阶二维（1页）方阵；格式A=函数(size(B))可以生成与B同阶的函数矩阵A，如A=cell(size(B))、C=eye(size(B))生成与B同阶的空单元数组A.单位矩阵C。6）常用矩阵变换函数命令格式2011.0527矩阵或向量或元素的组合或变换是指如对它们的转置、旋转或排列等操作。常用的函数命令及说明见表1-6。7）常用函数2011.0528用MATLAB表示的函数可以是符号型函数(运算之前必须对常量、自变量,或函数进行符号型定义),也可以是数值型函数(运算之前对变量进行赋值操作)。常用函数的命令格式及功能说明如表1-7所示。8）基本绘图函数命令格式2011.0529MATLAB不仅具有强大的计算功能,还具有非常好的数据可视化的绘图功能,几乎可以满足一般科学计算中所需的图形绘制与交互功能。如二维平面曲线、三维空间曲线和曲面等静态和动态显示等。也可以实现不同坐标系之间的转换和图形绘制。基本绘图函数命令格式及说明见表1-8。表1-9给出了绘制图形的颜色、线的类型和取值点函数标记的字符表示及类型。MATLAB主界面的功能1）工作空间Workspace的作用快2捷011图.05标按钮:30工作空间Workspace特点与操作2011.0531特点:启动时，Workspace为空；退出后，Workspace被清空。Workspace中变量的操作:鼠标移至该窗口中，左键或Shift键组 合对内容单选或多选，鼠标右键的下拉菜单●操作内容:OpenSelection打开选中变量的数据内容SelectAll选择Workspace中的所有变量列表ImportData…将当前路径下的数据文件（以.dat或.mat为扩展名）输入到WorkspaceSaveSelectedAs…保存选中的变量数据（以.dat或.mat为扩展名）SaveWorkspaceAs…保存Workspace中的所有变量DeleteSelection删除选中的变量及内容ClearWorkspace清除Workspace中的所有数据2）命令窗口Command

Window2011.0532命令窗口CommandWindow特点及操作特点:开/关机或掉电后，CommandWindow中的内容随即清零操作:鼠标右键下拉菜单:Evaluated Selection 激活所选程序段并运行一次Open Selection 打开选中的程序文件Help on Selection 打开选项的帮助信息2011.0533CopyCut

对窗口中所选（按下鼠标左键并拖动鼠标）内容进行剪切（删除）对窗口中所选内容进行拷贝Paste

将剪切或拷贝的内容进行粘贴3）命令历史记录窗口Command

History2011.0534命令历史记录窗口Command

History特点与操作2011.0535特点:自动保存用户启动时间和在命令窗口CommandWindow中输入的所有内容记录，防止系统死机、掉电或不慎操作造成的程序丢失，以备开机后进行查询和使用。操作:鼠标右键下拉菜单选项及操作:EvaluateSelection激活所选程序段并导入CommandWindow进行一次运行CreateM-File 创建选项的M文件DeleteSelection 删除选项DeletetoSelection 删除选项之前的内容DeleteEntireHistory 清除整个CommandHistory中的内容4）菜单及工具栏的功能2011.0536（1）File下拉菜单New建立新文件。有4种文件类型的可选格式:M-File M文件格式，用于程序或函数文件的创立Figure 图形文件格式，用于图形的创建Model 模型文件格式，用于仿真系统建模GUI 图形用户界面格式，用于人机操作程序的创建Open 打开当前路径下已有的文件CloseCommandWindow 关闭当前命令窗口ImportData 将当前路径下的数据文件导入工作空间SaveWorkspaceAs 保存当前工作空间的内容Setpath 将文件路径添加到MATLAB工作路径管理器…ExitMATLAB 退出(关闭)MATLAB（主界面）(2)Edit菜单2011.0537Undo停止当前程序的运行或删除程序,返回到最近一次的执行结果Redo 恢复到Undo之前的状态…ClearCommandWindow 清除命令窗口的内容ClearCommandHistory 清除历史窗口的内容ClearWorkspace 清除工作空间的内容Desktop

Layout2011.0538MATLAB主界面窗口的显示格选项(通常为缺省选项Default)Undock

Command

Window

命令窗口与界面的嵌入切换…Current

Directory打开当前路径下的目录窗口（与历史窗口切换）Launch

Pad

显示MATLAB帮助目录（与工作窗口切换）Help

进入MATLAB帮助窗口(3)

View

菜单(6)

Help菜单:2011.0539FullProductFamilyHelp所有产品帮助MATLABHelp 针对MATLAB的帮助(打开帮助窗口)UsingtheDesktop 界面的使用帮助UsingtheLaunchPad MATLAB帮助引导窗的使用帮助Demos MATLAB提供的程序范例演示索引,给出编程操作和程序运行的动态过程。AboutMATLAB 显示MATLAB版本等相关信息帮助功能的操作1）由主菜单得到帮助界面:选择Help/MATLAB

Help2011.05402）由命令窗口得到帮助信息:2011.0541在命令窗口中键入帮助查询命令可得到相关的帮助信息，格式及功能如下:help

fntype

fn在命令窗口中显示命令函数fn的M文件的功能说明在命令窗口中显示命令函数fn的M文件全部内容helpwin

fn在Help窗口中显示命令函数fn的M文件帮助信息例如，查询命令名为cd的使用方法，其步骤:在命令窗口中键入helpwincd，回车后则自动弹出Help窗口，并显示关于cd的基本信息；在Help窗口上方点击“Gotoonlinedocforcd”，则会一步显示cd的详细使用说明和实例。如下图:2011.05423)由命令窗口得到帮助信息:2011.0543(7)图标工具栏快捷图标按钮:图标功能:新建一个Ｍ文件（NewM-File）打开已有文件（OpenFile）对选项进行剪切（Cut）拷贝（Copy）粘贴（Paste）返回前一步（Undo）返回后一步（Redo）系统仿真（Simulink）帮助（Help）当前路径栏（CurrentDirection）、打开已添加到MATLAB路径下的所有目录、浏览可添加的路径目录。2011.05441.2.2基于MATLAB的Simulink模块编程MATLAB包含一个控制系统工具箱（ControlSystemToolbox）,该工具箱提供了丰富的模块函数形式（函数方框图）,如各种类型（连续、离散、线性、非线性等）的系统单元模块,以及典型输入信号模块（如信号发生器）和输出显示模块（如示波器）。用户通过模块选择、模块连接与模块参数设置等编辑操作,得到一个含有输入信号、系统模型和输出显示的模拟系统。其过程更接近于实验室环境,即虚拟实验室。2011.0545Simulink仿真具有专业性强、建模与编辑方便、参数调整过程直观、处理快捷、实时性好等优点,更适合专业情景的仿真实验与研究。Simulink仿真输出不但具有图形或数据显示,还具有数据转存功能,后者可为语言编程中的数据分析和图形绘制等处理提供数据源。2011.05461.2.2.1

Simulink模块编程环境2011.0547Simulink库浏览器窗口的打开:有两种打开Simulink窗口的方式:在MATLAB命令窗口中键入”simulink”后回车。在MATLAB图标工具栏中点击图标。上述操作后会弹出一个Simulink库浏览器（SimulinkLibraryBrowser）窗口,如图1-3所示。2011.0548Simulink库浏览器窗口包含了用于Simulink块编程所需的分类模块（或称主模块）。Simulink库浏览器包括两部分:浏览器的左栏是Simulink库的主目录和其下的各级子目录，右栏是主目录名下所对应的所有的分类模块（主模块）图标。在1-3图中，左栏显示的是主目录Simulink及打开的子目录，右栏显示的是主目录Simulink所包含的分类模块，用于编程时选用。点击子目录列表选项或双击主模块中的图标，会随即弹出对应的子目录下的所有子模块或主模块中的子模块窗口。2011.0549图1-4所示的是点击子目录中的连续系统主模