MATLAB工具箱简介.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第,9,章,MATLAB,工具箱简介,9.1,符号数学工具箱简介,顾名思义，符号数学是以符号,(,如,a,，,b,，,c,，,x,，,y,，,z),为对象的数学，区别于以数字为对象的,MATLAB,基本部分。在大学教育中，符号数学是每门课都用到的，因此，专门以不到,100,美元提供给大学生的版本,(Student Edition of MATLAB),中就包括了这个工具箱。,国外用,MATLAB,介绍科学计算的教科书中，大概有,15%20%,的例题和习题会用到这个工具箱。,考虑到在大学教学中，推理还是一项基本功。而且在大多数大学课程中，也没有太复杂的推理。一般说，把数值计算交给计算机做，绝大多数老师还是能接受的，如果把推理也交给计算机，对教学是否有利，可能会有较大争议。,9.1.1,Symbolic,工具箱的主要功能,(1),用符号定义各种函数,(,syms,，,symop,),等；,(2),对这些函数式进行代数和三角运算，包括因式分解,(factor),、变量置换,(subs),等；,(3),微分和积分运算,(diff,，,int,),等；,(4),函数的整理和化简,(simplify,，,simple),等；,(5),可变精度的运算；,(6),解非线性方程,(solve),、微分方程,(,dsolve,等；,(7),线性代数和矩阵运算,(,linsolve,),等；,(8),拉普拉斯变换,(,laplace,),、傅里叶变换等,9.1.2,符号数学式的表示方法,1,Symbolic,工具箱要能分析字符串的含义。首先要对符号变量作出定义，用语句“,x=,sym(x,),；”就定义了,x,是一个字符串变量，此后键入的算式,f=3*x2+5*x+2,，或,y=,sin(x,),就具有了符号函数的意义，,f,和,y,也自然成为字符串变量。,如果一个数学符号表示式中有多个符号，如,z=a*t2+b*,t+c,可以用多个符号变量定义语句放在此式前面。,syms,a b c t,9.1.2,符号数学式的表示方法,2,为了节省篇幅，表中尽量选了一些简单的推导式，实际上可以推导很繁的式子。一般说来，在公式推导意义下使用,MATLAB,是很方便的。只是不给自变量赋以数值，而代之以符号，其语句为。,syms,自变量,1,自变量,2,自变量,3 ,以后的编程和普通,MATLAB,程序完全相同。其执行的结果自然是表达式而不是数值解。如果要做进一步的工作，例如化简、代换、代入数值、解联立方程等等，那就需要对这个工具箱有较完整的了解。,9.2,系统仿真,(,Simulink,),工具箱,Simulink,是面向框图的仿真软件，有以下功能：,(1),用方框图的绘制代替程序的编写。构成系统框图有三个步骤，即选定典型环节、相互联接和给定环节参数。都可以用鼠标和键盘来完成。,(2),仿真的建立和运行是智能化的。首先，画好了框图并存起来，它就自动建立起了仿真的方程；其次，在运行时用户可以不给步长，只给出要求的仿真精度，软件会自动选择步长，使得仿真具有最快的速度。,(3),输入输出信号来源形式的多样化。这就扩大了仿真系统与各种外部软件和硬件的接口能力。,9.2.2,环节库及框图的建立,1,环节库及框图的建立,2,1,环节库及其输入,在,Simulink,中，设有几十种典型环节，分列在信号源（,Sources,）、输出信号漏（,Sinks,）、线性（,Linear,）、非线性（,Nonlinear,）、离散（,Discret,）、联接（,Connections,）等几大类图标子菜单中。要开始建立框图，可在,MATLAB,的命令窗中，键入,simulink,，屏幕上会出现两个视窗。一个是上述的几类库图标，另一个是供绘制框图用的空白视窗，如图,9.1,。,双击,Sources,图标，屏幕上将弹出信号源中包含的所有子图标，如图,9.1,左下方所示。包括常数信号、信号发生器、阶跃信号、斜坡信号、重复序列、时钟信号、随机序列、从文件输入、从工作空间输入等十多种。,环节库及框图的建立,3,双击,Sinks,图标，屏幕上弹出的子图标如图,9.1,右下方所示。其中包括示波器、,X-Y,记录仪（,X,坐标是状态变量）、数字显示、输出到文件、输出到工作空间等等。,Linear,图标下的库，包含放大环节、纯积分环节、纯微分环节、传递函数模型、零极增益模型、状态空间模型、相加器等等。读者可自行打开其他库来查看其内容，此处从略。,为了建立所需的框图，可以用鼠标器拖曳的方法，将所要的环节移到那个空白的文件中，排列在需要的位置上。,环节库及框图的建立,4,2,环节的联接,把各环节的端口按框图联接起来，联接的方法是把鼠标指在线段的始端，按下左键不放，移动鼠标，一直引到线段的终点端口再释放。此时在终点上将出现箭头。一般环节都只有一个输入端，有些环节如乘法器、逻辑运算等具有双输入端，相加器则可能有更多的输入端，需要先定义输入端的数目。,3,环节参数的设定,用“双击左键”的方法，逐个打开各个环节的参数设定窗口以修改其中的参数，这些参数可以用,MATLAB,中任何合法的方式表示。,9.2.3,仿真方法和参数的设定,1,仿真方法和参数的设定,2,在仿真框图菜单项,【Simulation】,的下拉菜单中选择,【Parameter】,项，此时将出现如图,9.2,所示的仿真参数菜单。其中右边的下拉菜单可选项包括数值积分的,6,种方法（,ode45,、,ode23,、,ode113,、,ode15s,、,ode23s,和全离散），左边的下拉菜单可选项有定步长或变步长，选变步长时必须规定数值积分的相对精度（默认值为,0.001,）和绝对精度（默认值为,10-6,）。必要时还可限定最大和初始积分步长。特别要注意设定仿真的起始和终止时间。如果不对仿真方法和参数进行设定，系统将按其默认值进行仿真。,9.2.4,仿真的运行,1,仿真的运行,2,在仿真框图菜单项,【Simulation】,的下拉菜单中选择,【Start】,项，系统就开始仿真。在输出的仪表上可以看到输出曲线。同时,Start,项就变为,Stop,，在任何时候单击它，仿真就会停止。,为了全面观察和处理系统运行的结果，可以在多个观察点上设置示波器模块，也可以在一个观察点上同时接上示波器和工作空间模块；这时既可看到曲线的大体形状，又可用,MATLAB,程序对送来的数据直接进行处理。也可以将结果送给一个文件保存起来，以便事后处理。要把两个或多个过程显示在一个坐标系内，可以让它们通过一个多路器（,connections,中的,Mux,环节）接到示波器上去。,9.2.5,子系统屏蔽功能,它有如下的一些特点：,(1),把子系统中的多个对话框集中成为一个。因此，改变系统参数时就不必逐个去打开子系统中的各个环节，这种功能称为屏蔽。经过屏蔽的子系统就成为一个黑盒子，可以从外部改变其参数而不涉及其内部结构。,(2),允许用户为该子系统创建自己喜欢的参数修改对话框。,(3),允许用户为该子系统创建自己定义的图标，建立相应的帮助文本。,(4),避免由于偶然因素而破坏或改动子系统的参数，同时也有知识产权保密作用。,9.2.6,内部工作过程简介,用,Simulink,进行仿真主要经过两个阶段，第一阶段是用图形方式来画结构图，并进行编辑；第二阶段是进行运算仿真。前一阶段所采用的数据结构要便于以图形表示动力学系统，它并不适合于仿真运算，因此，进行仿真时第一件事就是要产生最适于仿真的数据结构。,当用户建立了一个,Simulink,模型后，在,MATLAB,中也同时建立了一个,S,函数，这个,S,函数定义了系统的动力学，并且在求积分、线性化等过程中都要用到它。,S,函数是一个从框图图形界面转为仿真数据结构的中间桥梁，,Simulink,靠它获得了既有优良人机交互，又有较高的仿真速度的特点。,9.2.7,应用范围的扩展,许多领域都针对本身的特点，开发了各种仿真环节或模块作为工具箱，加入到,Simulink,中去。,在打开,Simulink,时出现的大类图标菜单中，左下角有一个,Block and Toolboxes,方框。它列出了各领域开发的仿真环节库。例如有通信,(,Comm,),、控制系统,(Control),、数字信号处理,(DSP,Blockset,),、定点处理,(Fix-Point,Blockset,),、非线性控制,(NCD,Blockset,),、电力系统,(,Powersys,Blockset,),、状态流,(,StateFlow,),、系统辨识,(System ID Blocks),、其他,(,Simulink,Extras),等等。有了这些库，就很容易用,Simulink,来解决它们的问题，而且只画框图，无需编程。,9.3,以,matlab,为基础的工具箱,在,MATLABtoolbox,子目录下，除去已经介绍过的,matlab,、,Symbolic,和,Simulink,3,个通用工具箱外，还有以下一些专用工具箱，其中大部分只要以,matlab,工具箱为基础就能运行，少数则还要求有,Simulink,通用工具箱的支持。在大学本科教学中，可能用到的是信号处理和控制系统，本书第,7,章、第,8,章已对这两个工具箱作了详细的介绍。这一节将列出一部分以,matlab,工具箱为基础的其他工具箱的名称和内容，那些还要用到,Simulink,的模块工具箱将在,9.4,节中对其模块组成作进一步说明。读者在需要时，可以查阅,MATLAB,的说明书。国内近年来也出版了不少这方面的书籍可供参阅。,9.4,以,Simulink,为基础的模块工具箱,这种工具箱发展很快，现已有近,30,个。本书只简要地介绍以下四个模块工具箱，,9.4.1,电力系统（,Powersys,）模块工具箱,9.4.2,数字信号处理（,DSP Blocks,）模块工具箱,9.4.3,定点处理（,Fix-Point Blocks,）模块工具箱,9.4.4,通信系统（,Comm,）模块工具箱,9.4.4,通信系统模块工具箱简介,课件结束，谢谢各位！,西安电子科技大学,陈怀琛,