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MATLAB仿真技术,邓丽霞 河南工程学院 电气信息工程系,清华大学出版社,教材: Matlab 与 LabVIEW仿真技术及应用实例,聂春燕 张猛 张万里 编著,目录,第一篇 MATLAB基础知识 第1章 计算机仿真基础知识 第2章MATLAB基本操作命令 第3章 MATLAB基本绘图功能 第4章 M文件程序设计基础 第二篇 Simulink 动态系统仿真技术 第章 Simulink 仿真基础知识,第6章Simulink系统建模及仿真应用 第7章 Simulink子系统的创建及应用 第三篇 MATLAB 应用实例仿真及分析 第8章MATLAB/Simulink在电路中仿真及分析 第9章MATLAB/Simulink在信号与系统中仿真及分析 第10章MATLAB/Simulink在数字信号处理和通信工程中仿真及分析,第1篇 MATLAB基础知识,第1章 计算机仿真基础知识,MATLAB应用广泛:电子、通信等工程设计领域； 国际上最流行的计算机仿真软件设计工具。 不再仅仅是一个矩阵MATrix实验室LABoratory ，而是一种实用的、功能强大的、不断更新的高级计算机编程语言。,1.1 MATLAB语言特色,1.1.1 MATLAB语言发展史 产生:在20世纪70年代中后期，身为美国New Mexico大学计算机系主任Cleve Moler博士在给学生讲授线性代数时，发现学生们应用EISPACK和LINPACK库程序编写FORTRAN接口特别困难，于是他自己亲自动手，在业余时间开发出方便学生使用的接口程序，并且用MATrix和LABoratory两个单词的前三个字母组合成一个名字叫MATLAB。 在以后几年中，MATLAB作为教学辅助软件在多所大学里使用，并作为免费软件广为流传。,MATLAB语言特色,发展: 现在的MATLAB程序是MathWorks公司用C语言开发的。 20世纪90年代初期，在国际上众多数学类科技应用软件中，MATLAB在数学计算方面独占鳌头，而Mathematica和Maple则分居符号计算软件的前两名。Mathcad因其提供计算、图形、文字处理的统一环境而深受中学生欢迎。,MATLAB语言特色,1993年, 推出MATALB4.0版本； 1995年，推出MATLAB4.2C版（For Win3.x）。 4.x版在继承和发展其原有的数值计算和图形可视能力的同时，增加以下一些功能： 1推出Simulink；2开发出基于Word处理平台的Notebook，实现了MATLAB与Word的无缝连接，创造了融科学计算、图形可视、文字处理于一体的高水准编程环境；推出符号计算工具包； 3开发了与外部进行直接数据交换的组件，打通了MATLAB进行实时数据分析、处理和硬件开发的道路。,MATLAB语言特色,1997年，推出了MATLAB5.0； 2000年10月推出了MATLAB6.0； 直到现在的MATALB R2007, MATALB R2008 MATLAB已经被确认为准确、可靠的科学计算标准软件。在许多国际一流刊物上，都可以看到MATLAB的应用。在设计研究单位和工业部门，MATLAB被认作进行高效研究、开发的首选软件工具。,MATLAB语言特色,1.1.2 MATLAB安装 MATLAB7.0以上版本，功能越来越强大，涉及的领域也越广泛，同样，支持PC机和软件平台的要求也越来越高，对于使用最恰当的软硬件平台很重要，下面给出了支持的软件平台： Windows2000（Service Pack 3 or 4） WindowsNT4.0（Service Pack 5 or 6a） Windows XP,MATLAB语言特色,Linux ix86 2.4x, glibc2.2.5 Sun Solaris2.8 and 2.9 HPUX 11.0 and 11.i Mac OS X 10.3.2 对硬件要求，我们现代的PC机足够支持，MATLAB7.0支持其他硬件设备（如打印机、声卡、图形加速卡等）。 我们以Windows系统平台简要说明一下MATLAB7.0安装过程。在运行安装前，首要要具备以下几点工作：,MATLAB语言特色,许可安装密码（Personal License Password，PLP），这是MathWorks公司是否允许用户使用的基本要求； 推出已运行的MATLAB程序； 确认安装软硬件条件； 所有的条件具备，就可以安装，安装过程与安装其他软件一样，时间较长一些，按提示步骤安装即可。,MATLAB初步应用,MATLAB既是一种语言，又是一个编程环境。本书集中介绍MATLAB7.0提供的编程环境。,MATLAB的缺点,1、程序运行时间长。（合成语言） 2、软件贵。一般用户支付不起它的高昂费用。,MATLAB初步应用,1.2.1启动和关闭MATLAB 在Windows平台启动MATLAB7.0，可以选择“开始程序MATLAB7.0 MATLAB7.0”命令或双击 在安装是自动在操作系统桌面创建的快捷方式，或在DOS指令窗中直接输入matlab。 推出MATLAB7.0时单击“关闭”按钮或在MATLAB7.0桌面（非操作系统桌面）选择退出Exit MATLAB(快捷方式Ctrl+Q或者Alt+F4),也可以在指令窗（Command Window）输入quit 或exit。,MATLAB初步应用,MATLAB启动后出现一个如图1-1所示的MATLAB7.0桌面。桌面上包含一些MATLAB的工具。 MATLAB是一种指令式的语言，用户可以通过界面、指令改变初始化的设置。表1-1列出了MATLAB桌面工具。,MATLAB桌面,命令窗口,工作空间浏览,命令历史窗口,命令窗口、编辑窗口、图形窗口,MATLAB 使用简介,MATLAB初步应用,1.2.2 MATLAB工具条与菜单 在MATLAB桌面里，有许多操作选项和工具供用户使用，其中有些是Windows平台上常见的，有些是MATLAB所专有的。,MATLAB初步应用,1、工具条,MATLAB初步应用,2菜单选项 MATLAB桌面上的菜单使用方法和标准的Windows界面菜单一样，可以对MATLAB桌面上的内容进行操作。但对MATLAB菜单会随着MATLAB桌面上分割窗体选择有效而发生变化，例如当指令窗（Command Window）处于活动状态（指MATLAB桌面当前操作的对象）和工作空间（Workspace）浏览器处于活动状态的菜单是不一样的。下面先针对指令窗处于活动状态的MATLAB桌面菜单进行说明，其他情况将在下文做出分析。,1）文件操作（File）菜单,New 新开编辑器、图形窗、MDL文件、变量窗、GUI等 Open 打开MATLAB所支持格式的文件 Close Command Window 关闭指令窗 Import Data 导入数据 Save Workspace As 将工作空间便令保存到文件中 Set Path 调用路径浏览器 Preferences 调用MATLAB指令窗环境设置界面 Page Setup 打印设置 Print 打印 Print Selection 打印选定的内容 Exit MATLAB 退出MATLAB,2）编辑操作（Edit）菜单,Undo 取消输入 Redo 重新输入 Cut 剪切 Copy 复制 Paste 粘贴 Paste Special 特殊粘贴（来自剪贴板选择或文件） Select All 全选 Deletes 删除 Find 寻找 Find Files 在指定的文件或路径中寻找 Clear Command Window 清除指令窗口中的显示 Clear Command History 清除指令历史 Clear Workspace 清除工作空间变量,3）调试操作(Debug)菜单,Step 单步执行 Step In 进入执行 Step Out 退出执行 Continue 继续 Clear Breakpoints in All Files 清除所有断点 Stop if Errors/Warning 错误或警告停止 Exit Debug Mode 退出调试,Undock Command Window 分离指令窗（显示内容与当前活动窗有关） Desktop Layout 桌面版面（标准、只有指令窗、用户定义等） Save Layout 保持当前正面的面板 Organize Layout 组织面板 Command Window 显示或隐藏指令窗 Command History 显示或隐藏指令历史窗 Current Directory 显示或隐藏当前路径 Workspace 显示或隐藏工作空间浏览器 Help 显示或隐藏帮助 Profiler 显示或隐藏性能分析器 Toolbar 显示或隐藏工具栏 Shortcut Toolbar 显示或隐藏快捷工具栏 Titles 显示或隐藏窗体标题,4）桌面操作(Desktop)菜单,5）窗体操作（Window）菜单,Close All Documents 关闭所有的文档（MATLAB支持的文件） 0 Command Window 1 Command History 与当前打开的工具有关，这是默认桌面选择 2 Current Directory 有效的工具（即让其处于活动状态） 3 Workspace,6)帮助操作（Help）菜单,Full Product Family Help 打开整个产品帮助 MATLAB Help 打开MATLAB帮助 Using The Desktop 打开桌面帮助 Using The Command Window 打开指令窗帮助 Web Recources 网上资源 Check for Updates 检测更新 Demos 打开演示窗 About MATLAB 显示MATLAB版本用户登记信息,MATLAB初步应用,1.2.3 MATLAB的指令窗 MATLAB指令窗是MATLAB十分重要的组成部分，是用户与MATLAB交互的工具。它是直接运行函数或脚本的窗体，这里只介绍一些最简单、直接的输入法。通过学习本节的内容，读者可以对MATLAB的使用方法有一个良好的初始感受。学习MATLAB最好的方法就是例程，通过例程归纳一些MATLAB最基本的规则和语法结构。,MATLAB初步应用,从MATLAB桌面分离指令窗， 分离的方法:单击指令窗右上角箭头 ，组合指令窗可以单击右上角箭头 ，当然也可以通过菜单实现。分离后的指令窗会带上MATLAB桌面的菜单项。,MATLAB初步应用,图1-3 从MATLAB桌面分离出的指令窗,在输入等待符前都有“”来表示输入指令行，通过键盘可以输入指令来运行MATLAB程序。,【例1-1】求,的算术运算结果, (5*(7-4)+6)/32,ans = 2.3333 % 用键盘在MATLAB指令窗输入以上内容，按 Enter 键，该指令行即被执行 % 该指令行的结果会显示在指令窗中，如上,程序说明： 在指令行前都有一个“”提示符。本书后面输入的程序或函数将不再使用该提示符，请读者注意。在计算结果中显示的ans是英文answer的缩写，其含义是“运算答案”。它是MATLAB运算结果默认变量。如果在指令行后加上“；”符号，将不会在指令行窗中显示运行结果。百分号“%”表示后面是不为执行的注释段，恰当的注释可以保证程序的可读性。,【例1-2】矩阵输入方法。, T=1 2 3;4 5 6 ;7 8 9 T = 1 2 3 4 5 6 7 8 9,程序说明： 直接输入矩阵时，矩阵元素用空格或逗号“，”分割，矩阵行用分号“；”隔离，整个矩阵放在方括号“ ”里。在MATLAB中对矩阵的维数不需要作任何说明，系统会自动配置。变量T 会保存到MATLAB工作空间（Workspace），以备后用。对工作空间的理解可参考1.3.4节。MATLAB对变量大小写是敏感的，变量T和t是两个不同的变量，请注意区别。 T=1 2 3 4 5 6 7 8 9;,程序说明： 这里是矩阵的分行输入，用Enter符来分割矩阵中的行。如果一行太长MATLAB可以用3个或3个以上连续的墨点表示“续行”，即下一行是上一行的继续。但是MATLAB还具有智能的一面，如果下面的例子没有3个黑点，MATLAB也会处于等待状态，等待用户输入下一行继续的内容。 T=1 2 3 ; 4 5 6 ;. 7 8 9 T = 1 2 3 4 5 6 7 8 9,1指令窗的控制键 在MATLAB的指令窗中，可用Ctrl+C组合键来终止正在运行的程序。但是当运行内部函数和MEX文件时，按Ctrl+C组合键后，需要等到运行完后才终止。在MATLAB中还有大量十分有用的控制键，使用“”“”键可以调用以前输入的指令行，这两个控制键是根据指令历史窗（Command History）所保存的指令进行回调上下一行指令，如果指令历史窗中保存的指令被清除后将无法调用。例如输入ab后按“”键，则会调出最后一次使用的以ab开头的指令行脚本或函数。表1-2介绍MATLAB的控制键及其作用。注意这里所讲的控制键只是相对指令窗中指令输入而言，在MATLAB中其他方面的快捷键太多，不能一一介绍。,表1-2指令窗快捷键,【例1-3】相似指令的快捷输入,计算y=,的值，在MATLAB指令窗口中输入如下：,y1=sqrt(10)*sin(0.6*pi)/(2+sqrt(7) 按Enter键后，指令计算结果为： y1 = 0.6474,上面的操作和计算结果会保存在指令历史和工作空间。因此，假如用户调用前面输入的指令重新运行，或希望加以修改后再运行，只要按“”，从指令历史中调出这个指令到当前输入行，以供重新运行或修改运行。新的结果不会影响以前生成（非同名）变量的计算结果。,利用指令回调计算,用“”调回上面输入的指令，把y1改y2；把,sin改成cos即可。如下： y2= sqrt(10)*cos(0.6*pi)/(2+sqrt(7) y2 = -0.2103,2指令窗的控制指令 前面讲了一些通过菜单和快捷键的方式对MATLAB指令窗进行控制，MATLAB还提供了许多通过键盘输入的控制指令，常用的一些指令表如1-3所示。,表1-3 指令窗的通用指令,这些控制指令只是MATLAB庞大的指令集中很小的一部分，而这部分却是用户使用户MATLAB频率最高的一些指令。在指令窗直接输入指令clc可以清除指令窗内所有显示的信息，而指令help后跟上MATLAB的某个函数或指令窗中显示该函数或指令的帮助信息，所以灵活使用这些指令对于高效操作MATLAB特别重要。,3指令窗的显示控制,在MATLAB中，数据的储存和运算都是以双精度进行的，而在屏幕上可以用不同的格式显式运行的结果。控制数据显示格式的方法有两个，一种是打开File菜单，选择Preferences菜单项，出现一个Preferences窗口，选择Command Window，右边出现指令窗设置参数界面，如图1-4所示。,Numeric format 对应指令窗数据显示格式的设置；Numeric display对应结果显示前是否有空行，其中loose表示有空行，compact表示没有空行。 另外一种方法就是使用数据显示格式指令format，具体格式类型和运算方法如下表1-4所示。,图1-4指令窗参数设置,表1-4 指令窗显示格式,4指令窗的标点符号 在前面的讲解中，读者对标点符号的作用应该有所体会，MATLAB标点符号很重要。注意，为了确保指令正确执行，符号一定要在“英文”状态下输入，因为MATLAB不能识别中文标点。表1-5列出了一些指令窗的标点符号。,表1-5 指令窗的标点符号,注: 所有的标点都必须在英文状态下输入，MATLAB无法辨识中文的标点符号。,MATLAB初步应用,1.2.4 MATLAB的工作空间 在MATLAB中，工作空间(Workspace）指运行MATLAB的函数或指令（即指令与程序）所生成的所有变量和MATLAB提供的常量构成的空间，这是一个比较虚拟（或抽象）的概念。,MATLAB一打开会自动创建一个工作空间，直到关闭MATLAB后自动消失。 刚运行的MATLAB工作空间中只有几个MATLAB预定义好的几个变量，如pi（即是）、虚数i和j等）。 在运行MATLAB程序过程中，程序的变量会被加入到工作空间中，只有使用特殊的指令clear删除变量，否则变量会一直存在到关闭MATLAB。,因此，在MATLAB工作间中变量不仅可以被所创建程序使用,也可以被其他程序使用，和其他编程工具有着很大的区别。 用MATLAB时可以随时查看工作空间中变量名和变量值，也可以保存这些变量以备下次使用。,指令窗是一个实体，它是用户输入函数和程序的一个窗体，大多数变量都是通过这个窗体产生的; 工作空间是一个抽象的概念，保存了指令窗运行的所有变量，在MATLAB中有一个工作间浏览器( Workspace Browser) 可以查看或编辑这些变量。,工作空间与指令窗的区别,在指令窗中输入who和whos可以查看当前工作空间的变量。Who指令只给出变量名，而whos给出有关变量的详细信息，如大小、类型等。 Clear可以清除工作间变量。但是MATLAB系统预定义的一些变量不会被显示或清除。,【例1-4】用who和whos检查MATLAB内存变量。,who %who查询结果 Your variables are: T y1 y2 whos % who查询结果 Name Size Bytes Class T 3x3 72 double array y1 1x1 8 double array y2 1x1 8 double array Grand total is 11 elements using 88 bytes,【例1-5】用clear清除MATLAB内存变量。,clear T %清除变量x，如果指令clear T*，则清除所有以T为首字符的变量 who Your variables are: y1 y2 clear %清除所有的变量,在MATLAB中有一个专门用于工作间变量显示、编辑等操作的图形用户界面，即工作间浏览器（Workspace Browser），如图1-5所示。调用此浏览器的用途主要有：,选择桌面菜单DesktopWorkspace命令。 在指令窗中运行workspace指令。,工作间浏览器主要用于变量的管理，它的作用有：,方法：选择菜单FileNew(Ctrl+N)命令、或单击工具栏中的 。,显示内存中所有变量的属性。,添加新变量。,变量编辑，编辑变量元素。方法：选中一个变量，在菜单Edit或右击选择Edit Value命令，则在工作间浏览中出现变量编辑框，若右击选择Open Selection、双击变量项或单击工具栏中的,删除变量。方法：选中一个（或多个 ）变量选择菜单EditDelete命令右击选择Delete命令直接用Delete键或单击工具栏中的,按钮即可删除（会出现确认框 ）。,导入变量。方法：选择菜单FileImport Data命令，或单击工具栏中的,按钮可以打开数据文件选择框，成功后会把文 件变量倒入到内存中。,导出变量。方法：选择菜单FileSave Workspace As（Ctrl+S）命令或单击工具栏中的,按钮。,变量绘图，变量可视化显示。方法：选中一个变量，选择菜单Graphics中绘图函数（如 plot 、bar等）、右击选择绘图函数或单击工具栏中的,按钮（有小箭头可选择绘图函数 ），可以打开一个绘图图形窗。如果选择More Plots则出现一个绘图目录窗（Plot Catalog，具体参考help）。,MATLAB内存变量编辑器的主要作用： 直接查看变量中元素的值。 比较变量。打开多个变量编辑器，选择右上角工具栏,或者菜单Window下对应项，可以按照自己的意愿排列窗口，便于比较。 修改变量中元素的值。方法：单击待修改元素，在元素窗出现光标即可修改。,在MATLAB指令窗口中用函数openvar可以打开指定变量的内存变量编辑器。格式为 openvar(name),例如对变量x打开内存变量编辑器用openvar(x)。,1.2.5 MATLAB的路径浏览器 路径浏览器能够修改MATLAB的搜索路径并查看任一路径下的所有文件。 选择FileSet Path命令，即打开路径浏览器。,MATLAB初步应用,用户可以用Move的方式（Move Up、Move Down等按钮）移动目录来改变MATLAB的搜索顺序。用户只有将自己的目录加入到搜索范围内，在MATLAB的指令窗中输入的指令（文件名）才能有效被执行。一旦做了改动，单击Save按钮进行保存。加目录的方法有： Add Folder和Add with Subfolders按钮选择要加入目录； 指令addpath可以在指令窗中直接添加到搜索路径中，指令rmpath删除目录，而指令savepath则把MATLAB当前搜索路径保存到pathdef.m文件中。 当前路径浏览器是MATLAB系统文件保存、操作的默认路径管理器。选择DesktopCurrent Directory命令即可打开当前路径浏览器（系统默认组合在MATLAB桌面上）。图1-8所示为当前路径浏览器分离界面。,MATLAB初步应用,图1-8 MATLAB当前路径浏览器,MATLAB初步应用,在当前路径浏览器中用户可以查看、重命名或删除当前路径文件或文件夹，也可以改变路径以改变文件默认保存路径，甚至可以对文件进行打开、执行等一系列操作。,MATLAB初步应用,指令历史浏览器是管理指令历史的工具。 选择菜单DesktopCommand History命令即可打开指令历史浏览器（系统默认组合在MATLAB桌面上）或在指令窗中执行指令command history。,1.2.6 MATLAB的指令历史浏览器,指令窗中运行的指令将保存在双击在历史中，指令历史的指令可以在指令窗中用“”、“”键，再次调用出来执行，或直接双击在历史浏览器中选择的需要再次执行的指令，也可以用复制粘贴来实现指令窗导入历史指令。使用指令历史浏览器用户可以了解以前所做过的工作。,MATLAB初步应用,MATLAB的制造商提供的演示程序可以让用户直观方便的观察MATLAB的各种强大的功能，为初学者入门提供在线引导和在线帮助，为基础较好的用户深入使用MATLAB时提供范例程序。,1系统引导 对于初学者，如果希望通过MATLAB系统演示来学习MATLAB最基本的使用方法，可以通过在MATLAB的命令窗口中输入命令：intro，打开一个帮助图形界面，用户可以学习MATLAB的很多入门操作知识。,1.2.7 MATLAB的演示和帮助,Mathworks公司精心设计了一组旨在介绍MATLAB功能的演示程序。运行这组演示程序，对照屏幕上的显示仔细研究实现演示的有关M文件，无论是对MATLAB新用户来说，还是对老用户来说，都十分有益的。 该演示程序的示范作用是独特的，既有演示作用的效果图，也有相应的M文件进行说明，这些包括MATLAB用户指南在内的有关书籍所不能代替的。 在MATLAB命令窗口中，运行命令：demo，将打开演示窗口MATLAB Demo Window如图1-10所示。,2在线演示,图1-10进行系统演示,MATLAB初步应用,在图1-10所示的窗口中，用户可以根据需要，在演示窗口左边方框中选定演示内容的类别，比如选择Simulink系统仿真演示，接着选择Features选项；然后，在右下方框中选定演示的子类，如Friggere