华中科技大学现代控制理论1.3 Matlab软件概述

1、.,Ch.1 绪 论,.,目录(1/1),目 录 1.1 控制理论发展概述 1.2 现代控制理论的主要内容 1.3 Matlab软件概述 1.4 本书的主要内容 参考教材 参考期刊,.,Matlab软件概述(1/2),1.3 Matlab软件概述 Matlab程序设计语言是美国Mathworks公司20世纪80年代中期推出的高性能数值计算软件。 经过20 余年的开发、扩充与不断完善,Matlab已经发展成为功能强大、适合多学科应用的大型系统软件,成为数值计算、控制系统仿真与设计、信号处理等领域的最重要的软件。 Matlab已经成为线性代数、控制理论、数理统计、数字信号处理、动态系统仿真等课程的

2、基本仿真计算与设计的工具,成为大学学习的必修内容。,.,Matlab软件概述(2/2),下面就简述： Matlab的发展历史 Matlab的主要功能与特点 控制系统Matlab计算及仿真的优秀性能,.,Matlab的发展历史(1/4),1.3.1 Matlab的发展历史 在科学研究与工程技术应用中常常要进行大量的数学运算,通常是借助Fortran和C语言等高级计算机语言编制计算程序,输入计算机做近似计算(数值计算)。 但是,这需要熟练地掌握所用语言的语法规则与编制程序的相关规定及技巧,编制程序绝非易事。,.,Matlab的发展历史(2/4),Matlab的产生和数学计算是紧密相联的. 1967

3、年,在美国国家基金会的资助下,C. Moler博士等人于采用Fortran语言编写了特征值求解子程序库Linpack和线性方程求解子程序库Eispack。 这两个程序库代表了当时矩阵数值计算软件的最高水平。 到了20世纪70年代后期,C. Moler博士编写了使用Linpack和Eispack的接口程序,并将之命名为Matlab(即MATrix和LABoratory的前3个字母组合,意为“矩阵实验室”)。 这个程序受到了广泛欢迎,作为教学辅助免费软件广为流传。 20世纪80年代中期,C. Moler和J. Little合作开发了Matlab第2代专业版,大大提高了它的运算效率。,.,Matla

4、b的发展历史(3/4),随着功能逐渐完善, Matlab应用范围也越来越广,且简单高效、易学易用。 于是,1984年,Moler博士等组建了Mathworks公司,专门研究、扩展并改进Matlab,并将其正式推向商业市场。 1990年,Mathworks公司推出了以框图为基础的控制系统仿真工具Simulink,它方便了系统的研究与开发,使控制工程师可以直接构造系统框图进行仿真,并提供了控制系统中常用的各种环节的模块库。 1993年,Mathworks公司推出的Matlab 4.0版在原来的基础上又作了较大改进,并推出了Windows版,使命令执行和图形绘制可以在不同窗口进行。 Mathwork

5、s公司已推出到了Matlab 7.0版。,.,Matlab的发展历史(4/4),早期的Matlab数学处理的内核是针对数值计算编写的,对处理大批量数据效率很高,而另一些数学软件. 例如Mathematica、Maple等则以符号计算见长,能给出解析解和任意精度解。 Mathworks公司顺应多功能需求的潮流,在其数值计算和图示能力的基础上,又率先开发了符号计算、文字处理、可视化建模和实时控制功能模块。 Matlab已成为国际公认的优秀数学应用软件。,.,Matlab的主要功能与特点 (1/2),1.3.2 Matlab的主要功能与特点 Matlab由主包和功能各异的工具箱组成,其最基本的数据结

6、构是矩阵,也就是说它的操作对象是以矩阵为单位的。 而随着Matlab的不断发展和各种工具箱的不断开发,它已经成为一种功能强大的实时工程计算软件,广泛应用于各种领域。 Matlab的核心是一个基于矩阵运算的快速解释程序。 它以交互式接受用户输入的各项指令,输出计算结果。 它提供了一个开放式的集成环境,用户可以运行系统提供的大量命令,包括数值计算、图形绘制等。,.,Matlab的主要功能与特点 (2/2),下面分别介绍Matlab的 主要功能和 主要特点,.,Matlab的主要功能 (1/8),1. 主要功能 Matlab的主要功能有： 数值计算功能 符号计算功能 优化工具 数据分析和可视化功能

7、“活”笔记本功能 工具箱 非线性动态系统建模和仿真功能,.,Matlab的主要功能 (2/8)-数值计算功能,A. 数值计算功能 Matlab可用于线性代数里的 向量、矩阵和高维数组运算, 复数运算, 代数方程求根, 插值与逼近拟合, 数值微积分运算, 常微分方程的数值解, 最优化方法等, 即几乎所有科学研究与工程技术应用需要的计算,均可用Matlab来解决。,.,Matlab的主要功能 (3/8)-符号计算功能,B. 符号计算功能 科学计算有数值计算与符号计算两种。 在数学、应用科学和工程计算领域,常常会遇到符号计算问题,仅有优异的数值计算功能并不能满足计算的全部需要。 Matlab环境下的

8、符号计算功能主要有: 符号表达式的基本运算, 向量与矩阵的符号表达式运算, 代数方程的符号表达式求根, 符号微积分运算, 常微分方程的符号表达式求解等。,.,Matlab的主要功能 (4/8)-优化工具,C. 优化工具 Matlab不仅提供了功能强大的优化函数,如 非线性优化、 线性规划、 二次规划、 0-1整数规划、 极小极大优化、 多目标规划、 最小二乘法等, 还设计了许多新型智能优化方法,如神经网络优化、遗传算法优化、模糊逻辑等。,.,Matlab的主要功能 (5/8)-数据分析和可视化功能,D. 数据分析和可视化功能 在科学计算中,研究人员经常会面对大量的原始数据而无从下手。 如果能将

9、这些数据以图形的形式显示出来,使数据间的关系清晰明了,便于分析、揭示数据间本质的内在关系。 正是基于这种考虑,Matlab提供了强大的数据分析和可视化功能。,.,Matlab的主要功能 (6/8)- “活”笔记本功能,E. “活”笔记本功能 Matlab的Notebook把Word与Matlab集成为一个整体,为文字处理、科学计算、工程设计构造了一个统一的工作环境,是一个能够解决各种计算问题的文字处理软件。 只要在命令窗口中执行Notebook或者在Word环境中建立M-book模板,就可以进入一个新环境。 在编辑科技文稿的同时可进行科学演算,还可以作图。 这些演算的结果可以即时显示于操作命令

10、之后。 在这个环境中输入的一切命令能够被随时激活、修改、重新运算并更新原有结果。Notebook称为Matlab的“活”笔记本,是撰写科技论文、演算理工学科习题的理想工具。,.,Matlab的主要功能 (7/8)- 工具箱,F. 工具箱 Matlab软件包括基本部分和专业扩展两个部分。 基本部分主要是一些基本的数学运算及数学函数。 扩展部分称为工具箱,是用Matlab的基本语句和函数编制的各种子程序集,用于解决某一方面的专门问题,或实现某一类的新算法。 Matlab通过不断推出的应用于各个工程计算与应用领域的计算、仿真、分析与系统设计的工具箱,深入到应用数学、控制工程、信号分析与处理、图像处理

11、、通信、数据库等领域。,.,Matlab的主要功能 (8/8)-非线性动态系统建模和仿真功能,G. 非线性动态系统建模和仿真功能 Matlab提供了模拟动态系统的交互式程序Simulink, 用鼠标驱动方式,允许用户通过绘制框图来模拟一个系统,并动态地控制该系统。 Simulink能处理线性、非线性、连续、离散等多种系统。,.,Matlab的主要特点 (1/4),2. 主要特点 Matlab及其工具箱构成的计算与应用平台系统规模大、功能强,但其应用却非常便捷、使用效率高。 Matlab在使用上具有以下主要特点。 编程效率高 界面友好、用户使用方便 方便的图形功能 扩充能力强(开放性) 语句简单

12、、内涵丰富 智能化程度高,.,Matlab的主要特点 (2/4)-编程效率高,A. 编程效率高 Matlab程序设计语言提供了丰富的库函数(称为M文件,即预先编制好的子程序),既有常用的基本库函数,又有种类齐全、功能丰富多样的专用库函数(工具箱函数)。 编制程序时,这些库函数都可以直接调用,大大提高了编程效率。 Matlab的基本数据编程单元是不需要指定维数、也不需要说明数据类型的复数矩阵,所以在Matlab环境下,数组(向量或矩阵)的操作如同数的操作一样简单方便,不必事先定义数组及其维数的大小,编制相应的基本数组运算子程序再进行有关操作。 由于Matlab语言以矩阵为基本操作单元且具有丰富的

13、库函数,采用它进行程序设计的编程效率要高几倍。,.,Matlab的主要特点 (3/4)-界面友好、用户使用方便,B. 界面友好、用户使用方便 首先,Matlab具有友好的用户界面和易学易用的帮助系统。 Matlab的函数命令繁多,功能各异。 用户在命令窗里通过help命令可以查询某个函数的功能及用法,还可以查询某个函数的路径以及查询某个子目录中的函数集合。 这样,面对Matlab的强大功能与各种先进技术,即便是初学者,也不会望而生畏。 因为Matlab已为用户提供了学习它的方便之路。,.,Matlab的主要特点 (4/4),其次,Matlab程序设计语言把编辑、编译、连接、执行、调试等多个步骤

14、融为一体,并且具有良好的交互功能。 如果直接在命令行输入命令语句,包括调用M文件的语句,每输入一条语句,Matlab软件就可立即完成编译、连接和运行的全过程。 如果将Matlab源程序编辑为M文件,编辑后的源文件就可像库函数一样直接运行,而不再需要编译和连接。 在Matlab里,既可执行程序(M文件),又可通过人机对话调用不同的库函数,方便快速地达到用户目的。,.,Matlab的主要特点 (5/4),第三,Matlab语言可设置中断点,存储多个中间结果,还可进行跟踪调试。 运行M文件时,如果有错,计算机屏幕上还会给出详细的出错信息提示,让用户修改,直到正确为止。 Matlab语言灵活方便,调试

15、手段丰富,调试速度快。 Matlab是演算纸式(便签式)的科学工程计算语言。 使用Matlab编程运算与人进行科学计算的思路和笔算时表达方式完全一样,Matlab的语法更贴近人的思维方式。 因此,Matlab语言易写易读,易于在科技人员之间交流。 用Matlab编写程序,犹如在一张演算纸上排列书写公式,运算、求解问题十分方便。,.,Matlab的主要特点 (6/4)-方便的图形功能,C. 方便的图形功能 Matlab提供了许多“高级”图形函数,可以绘制出各种图形。例如, 绘制2维、3维曲线以及3维曲面; 平面或空间多边形填充; 曲面的透明或消隐; 图形缩放; 调整观察角与方位角考察空间曲面的不

16、同侧面; 对曲面进行光照效果明暗处理以增强其立体感; 为渲染曲面的空间特性而在网线间填色等。,.,Matlab的主要特点 (7/4),Matlab还开发了一些面向图形对象的“低级”图形函数,可以访问硬件系统建立各种“低级”图形对象,它们以图形句柄为界面。 用户使用图形句柄可以操作图形的局部元素。 Matlab有一系列绘图函数,适用于不同的坐标系,如线性坐标、极坐标及对数与半对数坐标。 只需调用不同的函数,还可在图上标出图形的标题、标注坐标、绘制格栅等。 另外,通过设定不同参数可绘出不同线形、颜色和视角的各种函数图形,使得图形清晰、美观,大大提高分析与设计计算结果的可视性。,.,Matlab的主

17、要特点 (8/4),此外,Matlab还开发了图形用户界面(GUI)技术,方便用户自行开发基于图形界面的交互式平台。 基于所开发的交互式平台,使用者可以在图形界面上实现计算、仿真、分析与设计的全部工作。,.,Matlab的主要特点 (9/4)-扩充能力强(开放性),D. 扩充能力强(开放性) 开放性是Matlab最重要和最受欢迎的特点之一。 除内部函数外,所有Matlab基本函数和各工具箱库函数都是可直接调用、可读可改的源文件。 用户可以对这些库函数源文件根据需要进行修改,或自行建立新的库函数。 这些被修改和新增的函数可以和Matlab提供的库函数一样保存、使用, 构成新的专用工具箱。 这种对

18、源程序和系统的充分开放,可以提高Matlab使用效率,并丰富、扩充它的功能。,.,Matlab的主要特点 (10/4),另外,为了充分利用Basic、Fortran和C语言等语言资源,包括用户运用这些语言编写好的程序,通过建立Mex文件的形式,进行混合编程,能够方便地调用这些语言的子程序,更进一步丰富及扩充了Matlab程序设计语言的功能。,.,Matlab的主要特点 (11/4)-语句简单、内涵丰富,E. 语句简单、内涵丰富 Matlab最基本的语句结构是赋值语句,语句的一般形式为 变量名列表表达式 其中,等号左边的变量名列表为Matlab的语句返回值； 等号右边是表达式的定义,可以是Mat

19、lab允许的矩阵运算,也可以是Matlab的函数调用。,.,Matlab的主要特点 (12/4),Matlab程序设计语言最重要的成分是函数。函数调用的一般形式为 a,b,c,fun(d,e,f,) 即一个函数由函数名、输入变量d,e,f,和输出变量a,b,c,组成。 同一函数名,不同数目的输入变量及不同数目的输出变量,代表着不同的含义,即使用了函数重载编程技术。 Matlab大量使用函数重载设计方法不仅使Matlab的库函数功能更加丰富,而且大大减少了库函数的数量,使得Matlab编写的M文件简单、精练而高效。,.,Matlab的主要特点 (13/4)-智能化程度高,F. 智能化程度高 Ma

20、tlab可以在绘图时自动选择最佳坐标, 在进行数值积分时自动按精度选择步长, 程序调试时能自动检测错误并提示程序错误, 智能化程度高,大大方便了用户,提高了效率。 Matlab语言易学易用,不要求使用者有高深的数学与程序语言的知识,不需要使用者深刻了解算法与编程技巧。 在诸多领域里,无论是作为科学研究与工程运算的工具,还是作为计算机辅助的教学工具, Matlab都是不可多得的工具软件。,.,控制系统Matlab计算及仿真的优秀性能 (1/5),1.3.2 控制系统Matlab计算及仿真的优秀性能 Matlab及其工具箱的开发,使得它在科学计算与工程应用上愈来愈普遍。 由于Matlab的强大功能

21、与便捷应用,加之丰富的控制领域的工具箱,所以它特别适合用来对控制系统进行计算与仿真。 在控制领域,Matlab成为主要仿真分析与设计计算的软件的原因如下。 A. Matlab运算功能强大,它提供的大量的基于矩阵的数值计算方法可以解决控制理论及控制系统分析、设计里经常遇到的计算问题。 就这一点上,Matlab已与自动控制密切联系在一起。,.,控制系统Matlab计算及仿真的优秀性能 (2/5),B. Mathworks公司先后与世界上许多知名自动控制专家在他们擅长的领域上合作,编写了具有特殊功能的工具箱,使得Matlab从一个数值运算工具变成自动控制计算与仿真的工具。 Matlab的控制工具箱里,软件内容丰富,系统门类齐全,已覆盖了控制系统的各个领域,每一个工具箱都是当今世界上该控制领域里的最权威、最先进的计算与仿真程序软件。 目前,Matlab软件包含的与控制领域直接相关的工具箱有如下几类。 基本控制方法: 控制系统工具箱、系统辨识工具箱、仪表控制工具箱、最优化控制工具箱。,.,控制系统Matlab计算及仿真的优秀性能 (3/5),专用控制方法: 鲁棒控制工具箱、 分析综合工具箱、 LMI(线性不等式)控制工具箱、多变量频域设计工具箱、预测控制工具箱