MATLAB工具箱與Simulink.ppt

2019/11/19,1,第七章MATLAB工具箱與Simulink,MATLAB工具箱已經(jīng)成為一個(gè)系列產(chǎn)品，MATLAB主工具箱和各種工具箱（toolbox）。simulink是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)集成環(huán)境，把理論研究和工程實(shí)踐有機(jī)的結(jié)合在一起。,2019/11/19,2,一、工具箱簡(jiǎn)介,功能型工具箱通用型功能型工具箱主要用來擴(kuò)充MATLAB的數(shù)值計(jì)算、符號(hào)運(yùn)算功能、圖形建模仿真功能、文字處理功能以及與硬件實(shí)時(shí)交互功能，能夠用于多種學(xué)科。,2019/11/19,3,領(lǐng)域型工具箱專用型領(lǐng)域型工具箱是學(xué)科專用工具箱，其專業(yè)性很強(qiáng)，比如控制系統(tǒng)工具箱（ControlSystemToolbox）；信號(hào)處理工具箱（SignalProcessingToolbox）；財(cái)政金融工具箱（FinancialToolbox）等等。只適用于相關(guān)專業(yè)。,2019/11/19,4,MATLAB常用工具箱,MATLABMainToolboxMATLAB主工具箱ControlSystemToolbox控制系統(tǒng)工具箱CommunicationToolbox通訊工具箱FinancialToolbox財(cái)政金融工具箱SystemIdentificationToolbox系統(tǒng)辨識(shí)工具箱FuzzyLogicToolbox模糊邏輯工具箱Higher-OrderSpectralAnalysisToolbox高階譜分析工具箱,2019/11/19,5,ImageProcessingToolbox圖象處理工具箱LMIControlToolbox線性矩陣不等式工具箱ModelpredictiveControlToolbox模型預(yù)測(cè)控制工具箱-AnalysisandSynthesisToolbox分析工具箱NeuralNetworkToolbox神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱OptimizationToolbox優(yōu)化工具箱PartialDifferentialToolbox偏微分方程工具箱RobustControlToolbox魯棒控制工具箱,2019/11/19,6,SignalProcessingToolbox信號(hào)處理工具箱SplineToolbox樣條工具箱StatisticsToolbox統(tǒng)計(jì)工具箱SymbolicMathToolbox符號(hào)數(shù)學(xué)工具箱SimulinkToolbox動(dòng)態(tài)仿真工具箱WaveleToolbox小波工具箱等等,2019/11/19,7,例如：控制系統(tǒng)工具箱,連續(xù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和離散系統(tǒng)設(shè)計(jì)狀態(tài)空間和傳遞函數(shù)以及模型轉(zhuǎn)換時(shí)域響應(yīng)（脈沖響應(yīng)、階躍響應(yīng)、斜坡響應(yīng)）頻域響應(yīng)（Bode圖、Nyquist圖）根軌跡、極點(diǎn)配置,2019/11/19,8,優(yōu)化工具箱,線型規(guī)劃和二次規(guī)劃求函數(shù)的最大值和最小值多目標(biāo)優(yōu)化約束條件下的優(yōu)化非線型方程求解,2019/11/19,9,信號(hào)處理工具箱數(shù)字和模擬濾波器設(shè)計(jì)、應(yīng)用及仿真譜分析和估計(jì)FFT、DCT等變換參數(shù)化模型,2019/11/19,10,學(xué)科前沿最新的工具箱,模糊控制邏輯工具箱友好的交互設(shè)計(jì)界面，自適應(yīng)神經(jīng)-模糊學(xué)習(xí)、聚類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有集體運(yùn)算的能力和自適應(yīng)的學(xué)習(xí)能力。具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性和魯棒性，善于聯(lián)想、綜合和推廣。,2019/11/19,11,MATLAB6功能擴(kuò)充的工具箱有：控制系統(tǒng)工具箱、圖象處理工具箱、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)工具箱、信號(hào)處理工具箱、simulink仿真工具箱MATLAB6新增工具箱有：虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱電力系統(tǒng)工具箱儀器儀表控制工具箱報(bào)告編輯工具箱,2019/11/19,12,工具箱的擴(kuò)充功能：,用戶可以修改工具箱中的函數(shù)，更為重要的是用戶可以通過編制m文件來任意地添加工具箱中原來沒有的工具函數(shù)。此功能充分體現(xiàn)了MATLAB語(yǔ)言的開發(fā)性。,2019/11/19,13,二、通用工具箱,MATLAB主工具箱前面課程所介紹的數(shù)值計(jì)算、符號(hào)運(yùn)算、繪圖以及句柄繪圖都是MATLAB主工具箱的內(nèi)容，是MATLAB的基本部分，也是我們課程的重點(diǎn)。MATLAB主工具箱位于：c:MATLABtoolboxMATLABMATLAB主工具箱是任何版本的MATLAB都不可缺少的。,2019/11/19,14,除toolboxMATLAB之外的工具箱，在比較完整的專業(yè)版MATLAB語(yǔ)言中有20多個(gè)工具箱。這些工具箱是需要單獨(dú)選擇購(gòu)買的。MATLAB主工具箱共有21個(gè)函數(shù)庫(kù)datafun數(shù)據(jù)分析函數(shù)庫(kù)sounds聲音處理函數(shù)庫(kù)dde動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換函數(shù)庫(kù)elfun初等數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)specmat特殊矩陣函數(shù)庫(kù),2019/11/19,15,elmat初等矩陣和時(shí)間函數(shù)庫(kù)funfun函數(shù)功能和數(shù)學(xué)分析函數(shù)庫(kù)general通用命令函數(shù)庫(kù)graphics通用圖形函數(shù)庫(kù)iofun底層輸入輸出函數(shù)庫(kù)lang語(yǔ)言結(jié)構(gòu)函數(shù)庫(kù)matfun矩陣線性代數(shù)函數(shù)庫(kù)ops運(yùn)算符和邏輯函數(shù)庫(kù)plotxy二維繪圖函數(shù)庫(kù)plotxyz三維繪圖函數(shù)庫(kù),2019/11/19,16,color顏色和光照函數(shù)庫(kù)polyfun多項(xiàng)式函數(shù)庫(kù)sparfun稀疏矩陣函數(shù)庫(kù)strfun字符串函數(shù)庫(kù)demosMATLAB演示函數(shù)庫(kù)MATLAB6新增函數(shù)庫(kù):uitools圖形界面函數(shù)庫(kù)datatypes數(shù)據(jù)類型函數(shù)庫(kù)graphics句柄繪圖函數(shù)庫(kù)graph3d三維繪圖,2019/11/19,17,各函數(shù)庫(kù)中的函數(shù)可用help函數(shù)庫(kù)名查詢，或type函數(shù)名方法查詢例：helpplotxyTwodimensionalgraphics.ElementaryX-Ygraphs.plot-Linearplot.loglog-Log-logscaleplot.semilogx-Semi-logscaleplot.semilogy-Semi-logscaleplot.fill-Drawfilled2-Dpolygons.,2019/11/19,18,SpecializedX-Ygraphs.polar-Polarcoordinateplot.bar-Bargraph.stem-Discretesequenceorstemplot.stairs-Stairstepplot.errorbar-Errorbarplot.hist-Histogramplot.rose-Apass-Compassplot.feather-Featherplot.fplot-Pet-Comet-liketrajectory.,2019/11/19,19,Graphannotation.title-Graphtitle.xlabel-X-axislabel.ylabel-Y-axislabel.text-Textannotation.gtext-Mouseplacementoftext.grid-Gridlines.SeealsoPLOTXYZ,GRAPHICS.,2019/11/19,20,helpspecmatcompan-Companionmatrix.gallery-Severalsmalltestmatrices.hadamard-Hadamardmatrix.hankel-Hankelmatrix.hilb-Hilbertmatrix.invhilb-InverseHilbertmatrix.magic-Magicsquare.pascal-Pascalmatrix.toeplitz-Toeplitzmatrix.vander-Vandermondematrix.,2019/11/19,21,2.符號(hào)運(yùn)算工具箱,主要功能以符號(hào)為對(duì)象的數(shù)學(xué)。在大學(xué)教學(xué)中，符號(hào)數(shù)學(xué)是各專業(yè)都能用到的。符號(hào)運(yùn)算無(wú)須事先對(duì)獨(dú)立變量賦值，運(yùn)算結(jié)果以標(biāo)準(zhǔn)的符號(hào)形式表達(dá)。特點(diǎn)：運(yùn)算對(duì)象可以是沒賦值的符號(hào)變量可以獲得任意精度的解,2019/11/19,22,符號(hào)運(yùn)算的功能,符號(hào)表達(dá)式、符號(hào)矩陣的創(chuàng)建符號(hào)可變精度求解符號(hào)線性代數(shù)因式分解、展開和簡(jiǎn)化符號(hào)代數(shù)方程求解符號(hào)微積分符號(hào)微分方程,2019/11/19,23,3.Simulink動(dòng)態(tài)仿真工具箱,simulink工具箱簡(jiǎn)介simulink是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)集成環(huán)境，使得MATLAB的功能得到進(jìn)一步擴(kuò)展，它可以非常容易的實(shí)現(xiàn)可視化建模，把理論研究和工程實(shí)踐有機(jī)的結(jié)合在一起。大部分專用工具箱只要以MATLAB主包為基礎(chǔ)就能運(yùn)行，有少數(shù)工具箱（通訊工具箱、信號(hào)處理工具箱等）則要求有simulink工具箱的支持。,2019/11/19,24,由于MATLAB和simulink是集成在一起的，因此用戶可以在兩種環(huán)境下對(duì)自己的模型進(jìn)行仿真、分析和修改。不用命令行編程，由方框圖產(chǎn)生m文件（s函數(shù)）當(dāng)創(chuàng)建好的框圖保存后，相應(yīng)的m文件就自動(dòng)生成，這個(gè).m文件包含了該框圖的所有圖形及數(shù)學(xué)關(guān)系信息?？驁D表示比較直觀，容易構(gòu)造，運(yùn)行速度較快。,2019/11/19,25,Simulink優(yōu)點(diǎn)適應(yīng)面廣：包括線性、非線性系統(tǒng)；離散、連續(xù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和流程清晰：以方塊圖形式呈現(xiàn)，仿真精細(xì)、貼近實(shí)際,2019/11/19,26,simulink的模型：simulink模型在視覺上表現(xiàn)為方框圖，在文件上則是擴(kuò)展名為m的ASCII代碼（MATLAB6是擴(kuò)展名為mdl的ASCII代碼）；在數(shù)學(xué)上體現(xiàn)為一組微分方程或差分方程；在行為上模擬了物理器件構(gòu)成的實(shí)際系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。simulink的一般結(jié)構(gòu)：,輸入,系統(tǒng),輸出,2019/11/19,27,仿真原理當(dāng)在框圖視窗中進(jìn)行仿真的同時(shí)，MATLAB實(shí)際上是運(yùn)行保存于simulink內(nèi)存中s函數(shù)的映象文件，而不是解釋運(yùn)行該m文件。s函數(shù)并不是標(biāo)準(zhǔn)m文件，它m文件的一種特殊形式。結(jié)構(gòu)圖創(chuàng)建方法一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的創(chuàng)建過程，就是一個(gè)方框圖的繪制過程,2019/11/19,28,三、工具箱和工具箱函數(shù)的查詢辦法,MATLAB的目錄結(jié)構(gòu)目錄樹c:MATLABbinc:MATLABexternc:MATLABsimulinkc:MATLABtoolboxcommc:MATLABtoolboxcontrolc:MATLABtoolboxsymbolic,.,2019/11/19,29,MATLABbin該目錄包含MATLAB系統(tǒng)運(yùn)行文件，MATLAB幫助文件及一些必需的二進(jìn)制文件。MATLABextern包含MATLAB與C,FORTRAN語(yǔ)言的交互所需的函數(shù)定義和連接庫(kù)。MATLABsimulink包含建立simulinkMEX-文件所必需的函數(shù)定義及接口軟件。MATLABtoolbox各種工具箱，MathWorks公司提供的商品化MATLAB工具箱有30多種。toolbox目錄下的子目錄數(shù)量是隨安裝情況而變的。,2019/11/19,30,2.工具箱MATLABtoolbox工具箱在windows下由目錄檢索得到。也可以在MATLAB下得到，啟動(dòng)MATLAB后cd_.MATLAB缺省目錄是bin，回到MATLAB目錄下cd_toolbox,2019/11/19,31,dir工具箱清單.compilerfixpointlminagqft.controlfuzzylocalncdrobustadasymbolicdspblkshosaMATLABnnetsignaluitoolscodegenfdidentidentmpcoptimsimulinkwaveletcommfinancesplinespdeesmutoolsstats,2019/11/19,32,3.工具箱函數(shù)清單的獲得所有工具箱中都有函數(shù)清單文件contents.m,可用各種方法得到工具箱函數(shù)清單執(zhí)行在線幫助命令help工具箱名稱列出該工具箱中contents.m的內(nèi)容，顯示該工具箱中所有函數(shù)清單例如：helpsymbolichelpoptim函數(shù)的查詢：help函數(shù)名,2019/11/19,33,使用type命令得到工具箱函數(shù)的清單typesignalcontentstypeoptimcontents如果在當(dāng)前工具箱目錄下可用helpcontentstypecontents得到該工具箱的函數(shù)清單由于contents.m為文本文件，可以通過任何文本編輯器打開閱讀如：edit、word、寫字板、記事本,2019/11/19,34,4.MATLAB函數(shù)的查閱與定位,which函數(shù)名給函數(shù)定位例如:whichlaplaced:MATLAB42toolboxsymboliclaplace.mwhichfft2d:MATLAB42toolboxMATLABdatafunfft2.mwhichpolyd:MATLAB42toolboxMATLABpolyfunpoly.m,2019/11/19,35,whichconstrd:MATLAB42toolboxoptimconstr.mwhichplotplotisabuilt-infunction.which命令只能定位MATLAB的外部命令，而對(duì)內(nèi)部命令是無(wú)效的。MATLAB內(nèi)部函數(shù)只能通過contents.m工具箱清單文件來查詢,2019/11/19,36,Simulink與系統(tǒng)仿真,Simulink的產(chǎn)生1990年MathWorks公司為MATLAB增加了用于建立系統(tǒng)框圖和仿真的環(huán)境1992年公司將該軟件改名為SIMULINKSimulink可以搭建：（1）通信系統(tǒng)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層；（2）動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)；（3）控制系統(tǒng)；（4）數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)；（5）電力系統(tǒng)；（6）生物系統(tǒng)；（7）金融系統(tǒng)等。,2019/11/19,37,較為流行的版本有,與MATLAB5.2配用的Simulink2.2與MATLAB5.3配用的Simulink3.0與MATLAB6.0配用的Simulink4.0與MATLAB7.0配用的Simulink6.0。,2019/11/19,38,Simulink的使用,1.Simulink的啟動(dòng)(1)在MATLAB的命令窗口直接鍵入simulink。(2)工具欄上的Simulink模塊庫(kù)瀏覽器命令按鈕(3)File菜單中選擇New菜單項(xiàng)下的Model命令2.Simulink的退出關(guān)閉所有模型窗口和Simulink模塊庫(kù)窗口即可,2019/11/19,39,2019/11/19,40,SIMULINK的模塊庫(kù)介紹,SIMILINK模塊庫(kù)按功能進(jìn)行分類，包括以下8類子庫(kù)：Continuous（連續(xù)模塊）Discrete（離散模塊）Function&Tables（函數(shù)和平臺(tái)模塊）Math（數(shù)學(xué)模塊）Nonlinear（非線性模塊）Signals&Systems（信號(hào)和系統(tǒng)模塊）Sinks（接收器模塊）Sources（輸入源模塊）,2019/11/19,41,建模與仿真,建模仿真的一般過程是：打開一個(gè)空白的編輯窗口；將模塊庫(kù)中模塊復(fù)制到編輯窗口里，并依照給定的框圖修改編輯窗口中模塊的參數(shù)；將各個(gè)模塊按給定的框圖連接起來；用菜單選擇或命令窗口鍵入命令進(jìn)行仿真分析，在仿真的同時(shí)，可以觀察仿真結(jié)果，如果發(fā)現(xiàn)有不正確的地方，可以停止仿真，對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正；如果對(duì)結(jié)果滿意，可以將模型保存。,2019/11/19,42,例1設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的模型，其功能是將一正弦信號(hào)輸出到示波器中,解題步驟：(1)新建一個(gè)模型窗口：(2)為模型添加所需模塊：(3)連接相關(guān)模塊，構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型：(4)進(jìn)行系統(tǒng)仿真：(5)觀察仿真結(jié)果：,2019/11/19,43,例1演示,2019/11/19,44,Simulink的基本模塊,Simulink（系統(tǒng)仿真模塊庫(kù)）CommunicationsBlockset（通信模塊庫(kù)）DSPBlockset（數(shù)字信號(hào)處理模塊庫(kù)）ControlSystemToolbox（控制系統(tǒng)模塊庫(kù)）,2019/11/19,45,Simulink模塊庫(kù)包含的子模塊庫(kù),（1）CommonlyUsedBlocks模塊庫(kù)，為仿真提供常用元件；（2）Continuous模塊庫(kù)，為仿真提供連續(xù)系統(tǒng)；（3）Discontinuous模塊庫(kù)，非連續(xù)系統(tǒng)元件；（4）Discrete模塊庫(kù)，為仿真提供離散元件；（5）LogicandBitOperations模塊庫(kù)，提供邏輯運(yùn)算和位運(yùn)算的元件；（6）LookupTables模塊庫(kù)，線形插值查表模塊庫(kù)；（7）MathOperations模塊庫(kù)，提供數(shù)學(xué)運(yùn)算功能元件；（8）ModelVerification模塊庫(kù)，模型驗(yàn)證庫(kù)；（9）Model-WideUtilities模塊庫(kù)；（10）PortsandSubsystems模塊庫(kù)，端口和子系統(tǒng)；（11）SignalsAttributes模塊庫(kù)，信號(hào)屬性模塊；（12）SignalsRouting模塊庫(kù)，提供用于輸入、輸出和控制的相關(guān)信號(hào)及相關(guān)處理；（13）Sinks模塊庫(kù)，為仿真提供輸出設(shè)備元件；（14）Sources模塊庫(kù)，為仿真提供各種信號(hào)源；（15）User-definedFunctions模塊庫(kù)，用戶自定義函數(shù)元件；（16）AdditionalMath&Discrete模塊庫(kù)。,2019/11/19,46,功能模塊的處理,基本操作包括：1.選取模塊2.復(fù)制與刪除模塊3.模塊的參數(shù)和屬性設(shè)置4.模塊外形的調(diào)整5.模塊名的處理6.模塊的連接7.在連線上反映信息,2019/11/19,47,設(shè)置仿真參數(shù),仿真參數(shù)對(duì)話框設(shè)置如下仿真參數(shù)：Solver（算法）DataImport/Export（數(shù)據(jù)輸入輸出）Diagnostics（診斷）Optimization（優(yōu)化）HardwareImplementation（硬件