第1章 仿真軟件——MATLAB

1.1 MATLAB的功能特點(diǎn)

1.MATLAB簡(jiǎn)介

在科學(xué)研究和工程應(yīng)用中，為了克服一般語(yǔ)言對(duì)大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算，尤其當(dāng)涉及矩陣運(yùn)算時(shí)，編程難、調(diào)試麻煩等困難，美國(guó)MathWorks公司于1967年構(gòu)思并開(kāi)發(fā)了“Matrix Laboratory”（縮寫(xiě)MATLAB，即矩陣實(shí)驗(yàn)室）軟件包；經(jīng)過(guò)不斷更新和擴(kuò)充，該公司于1984年推出了MATLAB的正式版；特別是1992年推出了具有劃時(shí)代意義的MATLAB4.0版，并于1993年推出了其微機(jī)版，以配合當(dāng)時(shí)日益流行的Microsoft Windows一起使用。到2011年為止先后推出了MATLAB4.x、MATLAB 5.x、MATLAB 6.x和MATLAB 7.x版，使之應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。從MATLAB 7.x版開(kāi)始，MathWorks公司每年發(fā)布兩個(gè)版本的MATLAB。

用MATLAB編程運(yùn)算與人進(jìn)行科學(xué)計(jì)算的思路和表達(dá)方式完全一致，所以使用MATLAB進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算就像在草稿紙上演算數(shù)學(xué)題一樣方便。因此，在某種意義上說(shuō)，MATLAB既像一種萬(wàn)能的、科學(xué)的數(shù)學(xué)運(yùn)算“演算紙”，又像一種萬(wàn)能的計(jì)算器一樣方便快捷。MATLAB大大降低了對(duì)使用者的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)語(yǔ)言知識(shí)的要求，即使用戶(hù)不懂C或FORTRAN這樣的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，也可使用MATLAB輕易地再現(xiàn)C或FORTRAN語(yǔ)言幾乎全部的功能，從而設(shè)計(jì)出功能強(qiáng)大、界面優(yōu)美、穩(wěn)定可靠的高質(zhì)量程序來(lái)，而且編程效率和計(jì)算效率極高。

盡管MATLAB開(kāi)始并不是為控制理論與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者們編寫(xiě)的，但以它“語(yǔ)言”化的數(shù)值計(jì)算、強(qiáng)大的矩陣處理及繪圖功能、靈活的可擴(kuò)充性和產(chǎn)業(yè)化的開(kāi)發(fā)思路很快就為自動(dòng)控制界研究人員所矚目。目前，在自動(dòng)控制、圖像處理、語(yǔ)言處理、信號(hào)分析、振動(dòng)理論、優(yōu)化設(shè)計(jì)、時(shí)序分析和系統(tǒng)建模等領(lǐng)域，由著名專(zhuān)家學(xué)者以MATLAB為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)的實(shí)用工具箱極大地豐富了MATLAB的內(nèi)容。

較為常見(jiàn)的MATLAB工具箱主要有：

（1）航空宇宙模塊集（Aerospace Blockset）；

（2）通信模塊集（Communications Blockset）；

（3）控制系統(tǒng)工具箱（Control System Toolbox）；

（4）數(shù)據(jù)獲得工具箱（Data Acquisition Toolbox）；

（5）模糊邏輯工具箱（Fuzzy Logic Toolbox）；

（6）濾波器設(shè)計(jì)工具箱（Filter Design Toolbox）；

（7）定點(diǎn)運(yùn)算模塊集（Fixed-Point Blockset）；

（8）遺傳算法與直接搜索工具箱（Genetic Algorithm and Direct Search Toolbox）；

（9）高階譜分析工具箱（High-Order Spectral Analysis Toolbox）；

（10）圖像處理工具箱（Image Processing Toolbox）；

（11）映射工具箱（Mapping Toolbox）；

（12）模型預(yù)測(cè)控制工具箱（Model Predictive Control Toolbox）；

（13）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱（Neural Network Toolbox）；

（14）優(yōu)化工具箱（Optimization Toolbox）；

（15）偏微分方程工具箱（Partial Differential Equation Toolbox）；

（16）魯棒控制工具箱（Robust Control Toolbox）；

（17）信號(hào)處理工具箱（Signal Processing Toolbox）；

（18）統(tǒng)計(jì)學(xué)工具箱（Statistics Toolbox）；

（19）系統(tǒng)辨識(shí)工具箱（System Identification Toolbox）；

（20）樣條工具箱（Spline Toolbox）；

（21）小波分析工具箱（Wavelet Toolbox）。

模型輸入與仿真環(huán)境Simulink更使MATLAB為控制系統(tǒng)的仿真與CAD中的應(yīng)用打開(kāi)了嶄新的局面，并使MATLAB成為目前國(guó)際上最流行的控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的軟件工具。MATLAB不僅流行于控制界，在生物醫(yī)學(xué)工程、語(yǔ)言處理、圖像信號(hào)處理、雷達(dá)工程、信號(hào)分析、計(jì)算機(jī)技術(shù)等各行各業(yè)中都有極廣泛的應(yīng)用。

目前MATLAB的最新版本為MATLAB 7.13（R2011b），它包括MATLAB? 和Simulink?的新功能和新產(chǎn)品，以及其他產(chǎn)品的更新和缺陷修復(fù)程序。由于最新版的新增功能對(duì)于本書(shū)涉及的內(nèi)容沒(méi)有太大影響，再加上新版本安裝程序大、啟動(dòng)和運(yùn)行速度慢，故本書(shū)仍以目前最為流行的經(jīng)典版本MATLAB 7.5（R2007b）為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行敘述，但排除了過(guò)渡性很強(qiáng)的內(nèi)容，使得本書(shū)的內(nèi)容對(duì)更高版本的環(huán)境仍可完全適用，同時(shí)也兼顧了當(dāng)前仍在較低配置計(jì)算機(jī)上使用MATLAB 6.5版本的用戶(hù)。

注意，對(duì)于使用Windows XP系統(tǒng)的用戶(hù)需要安裝MATLAB 6.5及以上的版本，使用Win-dows 7系統(tǒng)的用戶(hù)必須安裝MATLAB 7.6（R2008a）及以上的版本，否則不能正常使用或安裝MATLAB。

2.MATLAB操作界面

MATLAB啟動(dòng)后將出現(xiàn)如圖1-1所示的操作界面。

由圖1-1可知，MATLAB的操作界面由工作窗口、開(kāi)始按鈕功能菜單和工具欄等組成。

（1）MATLAB的工作窗口

在默認(rèn)狀態(tài)下，MATLAB的工作窗口由以下一些窗口組成。

①命令窗口（Command Window）

MATLAB的命令窗口位于MATLAB操作界面的右方，它是MATLAB的主要操作窗口，MATLAB的大部分命令和結(jié)果都需要在此窗口中進(jìn)行操作和顯示。

MATLAB命令窗口中的“＞＞”標(biāo)志為MATLAB的命令提示符，“|”標(biāo)志為輸入字符提示符。命令窗口中最上面的提示行是顯示有關(guān)MATLAB的信息介紹和幫助等命令的。如果用戶(hù)是第一次使用MATLAB，則建議首先在命令提示符后鍵入demo命令，它將啟動(dòng)MATLAB的演示程序，用戶(hù)可以在這些演示程序中領(lǐng)略到MATLAB所提供的強(qiáng)大的運(yùn)算和繪圖功能。

②歷史命令（Command History）窗口

在默認(rèn)狀態(tài)下，該命令窗口出現(xiàn)在MATLAB操作界面的左下方。這個(gè)窗口記錄用戶(hù)已經(jīng)操作過(guò)的各種命令，用戶(hù)可以對(duì)這些歷史信息進(jìn)行編輯、復(fù)制和剪切等操作。

③當(dāng)前工作目錄（Current Directory）窗口

在默認(rèn)狀態(tài)下，該窗口出現(xiàn)在MATLAB操作界面的左上方的前臺(tái)。在這個(gè)窗口中，用戶(hù)可以設(shè)置MATLAB的當(dāng)前工作目錄，并展示目錄中的M文件等。同時(shí)，用戶(hù)可以對(duì)這些M文件進(jìn)行編輯等操作。

④工作空間（Workspace）瀏覽器窗口

在默認(rèn)狀態(tài)下，該窗口出現(xiàn)在MATLAB操作界面的左上方的后臺(tái)。在這個(gè)窗口中，用戶(hù)可以查看工作空間中所有變量的類(lèi)別、名稱(chēng)和大小。用戶(hù)可以在這個(gè)窗口中觀(guān)察、編輯和提取這些變量。

（2）開(kāi)始按鈕

開(kāi)始按鈕（Start）位于MATLAB操作界面的左下角，單擊這個(gè)按鈕后，會(huì)出現(xiàn)MATLAB的操作菜單。這個(gè)菜單上半部分的選項(xiàng)包含MATLAB的各種交互操作界面，下半部分的選項(xiàng)的主要功能是窗口設(shè)置、訪(fǎng)問(wèn)MATLAB公司的網(wǎng)頁(yè)和查看幫助文件等。

（3）功能菜單

為了更好地利用MATLAB，在其操作界面中設(shè)置了以下多個(gè)功能菜單。

● File——文件操作菜單

New 新建M文件、圖形、模型和圖形用戶(hù)界面

Open 打開(kāi).m，.fig，.mat，.mdl，.cdr等文件

Close Command Window 關(guān)閉命令窗口

Import Data 從其他文件導(dǎo)入數(shù)據(jù)

Save Workspace As 保存工作空間數(shù)據(jù)到相應(yīng)的路徑文件窗口中

Set Path 設(shè)置工作路徑

Preferences 設(shè)置命令窗口的屬性

Page Setup 頁(yè)面設(shè)置

Print 設(shè)置 打印機(jī)屬性

Print Selection 選擇打印

Exit MATLAB 退出MATLAB操作界面

● Edit——編輯菜單

Undo 撤銷(xiāo)上一步操作

Redo 重新執(zhí)行上一步操作

Cut 剪切

Copy 復(fù)制

Paste 粘貼

Paste to Workspace… 粘貼到工作空間

Select All 全部選定

Delete 刪除所選對(duì)象

Find 查找所需對(duì)象

Find Files 查找所需文件

Clear Command Window 清除命令窗口的內(nèi)容

Clear Command History 清除歷史窗口的內(nèi)容

Clear Workspace 清除工作區(qū)的內(nèi)容

● Debug——調(diào)試菜單

Open M-Files when Debugging 調(diào)試時(shí)打開(kāi)M文件

Step 單步調(diào)試

Step In單步調(diào)試進(jìn)入子函數(shù)

Step Out 單步調(diào)試跳出子函數(shù)

Continue 連續(xù)執(zhí)行到下一斷點(diǎn)

Clear Breakpoints in All Files 清除所有文件中的斷點(diǎn)

Stop if Errors/Warnings 出錯(cuò)或報(bào)警時(shí)停止運(yùn)行

Exit Debug Mode 退出調(diào)試模式

● Desktop——桌面菜單

Unlock Command Window 命令窗口設(shè)為當(dāng)前全屏活動(dòng)窗口

Desktop Layout 桌面設(shè)計(jì)

Save Layout 保存桌面設(shè)計(jì)

Organize Layouts 組織桌面設(shè)計(jì)

Command Window 顯示命令窗口

Command History 顯示歷史窗口

Current Directory 顯示當(dāng)前工作目錄

Workspace 顯示工作空間

Help 幫助窗口

Profiler 輪廓圖窗口

Editor 編輯器

Figures 圖形編輯器

Web Brower Web 瀏覽器

Array Editor 矩陣編輯器

File Comparisons 文件比較

Toolbar 顯示/隱藏工具欄

Shortcuts Toolbar 顯示/隱藏快捷工具欄

Titles 顯示/隱藏標(biāo)題

● Window——窗口菜單

Close All Documents 關(guān)閉所有文檔

Command Window 選定命令窗口為當(dāng)前活動(dòng)窗口

Command History 選定歷史窗口為當(dāng)前活動(dòng)窗口

Current Directory 選定當(dāng)前工作目錄為當(dāng)前活動(dòng)窗口

Workspace 選定工作空間為當(dāng)前活動(dòng)窗口

（4）工具欄

MATLAB操作界面工具欄中的按鈕“”分別用來(lái)快捷建立M文件編輯窗口和打開(kāi)編輯文件窗口；按鈕“”對(duì)應(yīng)的功能與Windows操作系統(tǒng)類(lèi)似；按鈕“”分別用來(lái)快捷啟動(dòng)Simulink庫(kù)瀏覽窗口、GUIDE模板窗口和輪廓圖窗口；按鈕“”分別用來(lái)快捷設(shè)置當(dāng)前目錄和返回到當(dāng)前目錄的父目錄。