MATLAB基础知识-第一章-绪论.ppt

1 MATLAB语言及工程应用 电信学院控制理论与科学系张皓 2 MATLAB课程介绍 定位 公共基础选修课 有自控原理基础 目标 了解MATLAB 能够熟练掌握数学 矩阵 运算 简单编程 简单的数据处理及基本图形绘制 3 熟悉MATLAB在建模仿真中的应用 掌握MATLAB软件的基本部分 熟悉MATLAB的基本功能和常用语句 如数值计算功能 符号运算功能 图形处理功能 了解MATLAB程序设计 具备常用算术逻辑处理的MATLAB程序设计的能力 如M文件的编辑与使用 了解MATLAB扩展部分 工具箱在专业领域内的应用 4 Matlab语言与自动控制的关系 普及和发展离不开自动控制领域学者的贡献许多代表性的成就和控制界的要求与贡献分不开迄今为止 大多数工具箱也是控制方面的 5 基本学习方法 注重基础 注意知识积累自学为主 讲授为辅实践为主 理论为辅不断发现问题和解决问题 http www matlab 一些高校的bbs清华大学 哈工大 上海交大 西安交大等 6 1 精通MATLAB6 5版张志涌等编著北京航空航天大学出版社20032 精通MATLAB6尹泽明丁春丽等编著清华大学出版社20023 MATLAB电子仿真与应用第2版韩利竹王华编著国防工业出版社20034 薛定宇 控制系统计算机辅助设计 MATLAB语言与应用 第二版 清华大学出版社 2006 3 7 教学内容 学时安排 考试形式 平时上课实验占总成绩40 期末考试成绩占总成绩60 8 第一章MATLAB语言基础初步了解matlab熟悉matlab界面 进行简单操作 9 第二章数值运算的功能 创建矩阵矩阵运算多项式运算线性方程组数值统计线性插值函数优化微分方程的数值解非线性方程与最优问题求解 10 第三章符号运算的功能 符号表达式 符号矩阵的创建符号线性代数因式分解 展开和简化符号代数方程求解符号微积分符号微分方程 11 第四章MATLAB绘图 基本绘图函数plot plot3 mesh surf要求掌握以上绘图函数的用法 简单图形标注 简单颜色设定 动画效果 图形用户界面设计 句柄绘图 12 第五章Matlab程序设计 本节主要介绍了matlab语言程序设计基础 matlab编程简单 容易掌握 通过学习 应能编写简单程序 13 第六章线性系统的计算机辅助分析 在进行控制系统的仿真之前 建立系统的模型表达式是关键的一步 对于控制系统 有不同的分类 在本课程中主要讨论的是线性定常连续系统 系统的描述有不同的方法 微分方程 传递函数 零极点增益模式 部分分式展开 状态空间模型等 系统的模型之间可以相互转换 要求熟练掌握各种模型之间转换的命令 模型之间可以进行连接 要求掌握常用的模型连接命令 串联 并联 反馈及闭环 14 控制系统的分析是进行控制系统设计的基础 同时也是工程实际当中解决问题的主要方法 因而对控制系统的分析在控制系统仿真中具有举足轻重的作用 通过求取系统的零极点增益模型直接获得系统的零极点 从而可以直接对控制系统的稳定性及是否为最小相位系统作出判断 控制系统的经典分析方法 时域 复域 频域分析 是目前控制系统界进行科学研究的主要方法 是进行控制系统设计的基础 要求熟练掌握单位阶跃响应 波特图等常用命令的使用 根轨迹分析是求解闭环特征方程根的简单的图解方法 要求熟练掌握根轨迹的绘制 15 第七章 SIMULINK基础 SIMULINK是MATLAB的一个扩展软件 它是基于模型化图型输入的仿真环境 模型化图型输入使得用户可以把更多的精力投入到模型的构建上来 要求熟悉各功能模块库中各子模块的功能 熟练掌握SIMULINK环境下模块的操作及线的处理 掌握自定义功能模块 掌握SIMULINK解法器的设置 使用SIMULINK进行仿真分析的关键是熟练地运用各功能子模块构建出需要的正确的系统模型并合理地设置解法器以使仿真得以正常运行 16 计算机应用正逐步将科技人员从繁重的计算工作中解脱出来 在科学研究和工程中往往需要进行大量的数学计算 程序的编制需要掌握高级语言的语法 还需要对各种算法有深刻的了解 为了满足用户对数学计算的要求 一些著名的软件公司分别推出了一批数学类计算应用软件 MATLAB Mathematica Maple MathCAD 第一章绪论 17 MATLAB是MatrixLaboratory的缩写 1980年美国CleveMoler博士研制 MathWorks公司出品 于1984年推出第一个MATLAB的商业版本 MATLAB是以复数矩阵作为基本编程单元的一种程序设计语言 它提供了各种矩阵的运算操作 并具有较强的绘图功能 18 它将一个优秀软件的易用性与可靠性 通用性与专业性 一般目的的应用与高深的科学技术应用有机的相结合MATLAB是一种直译式的高级语言 比其它程序设计语言容易 matlab与其它高级语言的关系 高级语言与汇编语言的关系 比如求解矩阵特征值等等 不必探究算法的实现 MATLAB的指令表达式与数学 工程中常用习惯形式相似 语法规则更简单 表达更符合工程习惯 被称为 便笺式 科学工程计算语言 19 MATLAB已经不仅仅是一个 矩阵实验室 了 它集科学计算 图象处理 声音处理于一身 并提供了丰富的Windows图形界面设计方法MATLAB语言是功能强大的计算机高级语言 它以超群的风格与性能风靡全世界 成功地应用于各工程学科的研究领域 20 二 Matlab能在各领域做什麽工业研究与开发数学教学 特别是线性代数数值分析和科学计算方面的教学与研究电子学 控制理论和物理学等工程和科学经济学 化学和生物学等计算问题的所有其他领域中的教学与研究 21 例 用一个简单命令求解线性系统用Fortran和C等高级语言求解线性代数方程 1 写一个主程序 2 编写子程序读入各个矩阵的元素 3 再编写一个子程序求解相应的方程 如使用Gauss消去法 输出计算结果 3x1 x2 x3 3 6x1 2x2 4x3 2 1 x1 4x2 5x3 1 4A 31 1 124 145 b 3 6 2 1 1 4 x A bx 1 4818 0 46060 3848 对于线性系统有Ax b 22 例 用简短命令计算并绘制在0 x 6范围内的sin 2x sinx2 sin2x x linspace 0 6 y1 sin 2 x y2 sin x 2 y3 sin x 2 plot x y1 x y2 x y3 23 阶梯图 24 用四种方法描述cos x sin y 图形 25 A magic 3 A 816357492 26 e g 1 3 x e g 1 4 x 27 分形系统的仿真 1967年法国数学家Mandelbort提出了 英国海岸线有多长 这样的命题r 将原图线度缩小倍数 变换后图形由k个相似小图组成 d新图维数 满足关系 e g4 15 28 分形系统的仿真 Mandelbrot图 选择 examp1 5examp4 18 虎尾图 龟图 29 30 plot tout yout Examp3 mdl 观察效果 调节PI控制器中的参数观察 取0 17 1 10 31 异步电机系统仿真 对电机内部信号的仿真是很困难的事情 好在Simulink有很多实用的电力系统模块集 将很多的电机模型都构造成模块 用户可以直接对这些模块进行仿真分析 获得电机内部的信号 example4 32 演示系统 在帮助窗口中选择演示系统 Demos 选项卡 然后在其中选择相应的演示模块 或者在命令窗口输入Demos 或者选择主窗口Help菜单中的Demos子菜单 打开演示系统 33 MATLAB语言的特点 语言简洁紧凑 语法限制不严 程序设计自由度大 可移植性好运算符 库函数丰富图形功能强大界面友好 编程效率高扩展性强 34 Matlab语言规则与功能 Matlab区分大小写 它的命令和函数全是小写的 一行可以输入几个命令 用分号 或逗号 隔开 续行符 三个点 如果语句很长 可用续行符将一个语句写成多行 续行符的前最好留一个空格 注释符 其后面的内容为注释 对Matlab的计算不产生任何影响 35 1 矩阵运算功能 MATLAB提供了丰富的矩阵运算处理功能 是基于矩阵运算的处理工具 变量 矩阵 运算 矩阵的运算例如C A B A B C都是矩阵 是矩阵的加运算即使一个常数 Y 5 MATLAB也看做是一个1 1的矩阵 36 2 符号运算功能符号运算即用字符串进行数学分析允许变量不赋值而参与运算用于解代数方程 微积分 复合导数 积分 二重积分 有理函数 微分方程 泰勒级数展开 寻优等等 可求得解析符号解 37 3 丰富的绘图功能与计算结果的可视化 具有高层绘图功能 两维 三维绘图具有底层绘图功能 句柄绘图使用plot函数可随时将计算结果可视化 38 4 图形化程序编制功能 动态系统进行建模 仿真和分析的软件包用结构图编程 而不用程序编程只需拖几个方块 连几条线 即可实现编程功能 39 MATLAB系统组成 开发环境 一组实用工具 利用这些工具使用MATLAB函数和文件 MATLAB数学函数库MATLAB语言 高级的矩阵 数组编程语言 带有流程控制语句 函数 数据结构 输入 输出和面向对象编程的特点 MATLAB图形处理系统 MATLAB应用程序接口 API 用户编写与MATLAB接口的C和Fortran程序的函数库 它包括从MATLAB 动态链接 中调用指令和读写M文件的程序 40 MATLAB简介 Matlab软件的基本使用方法 命令窗口 工作空间 历史命令 当前路径 41 MATLAB简介 1 命令窗口Matlab的命令窗口可以执行任何Matlab命令和函数 主要功能操作M文件 打开 新建 运行 保存 操作MDL文件运行Matlab程序运行外部应用程序 2 程序编辑 调试器Matlab内置了一个程序的编辑 调试器 42 主要功能建立 编辑 存储M文件可以运行程序调试 断点 单步 跟踪 查看 程序 设置断点 取消断点 单步运行 进入函数 跳出函数 退出调试 继续运行 43 3 变量查看器在MATLAB中 工作空间 Workspace 是一个重要的 比较抽象的概念 工作空间指运行MATLAB的程序或命令所生成的所有变量和MATLAB提供的常量构成的空间 工作空间的特点工作空间在MATLAB运行期间一直存在关闭MATLAB后工作空间自动消失 44 查看变量 删除变量 45 MATLAB的工作空间包含了一组可以在命令窗口中调整 调用 的参数who 显示当前工作空间中所有变量的一个简单列表whos 列出变量的大小 数据格式等详细信息clear 清除工作空间中所有的变量clear变量名 清除指定的变量保存和载入workspace 1 savefilenamevariables将变量列表variables所列出的变量保存到磁盘文件filename中 46 Variables所表示的变量列表中 不能用逗号 各个不同的变量之间只能用空格来分隔 未列出variables时 表示将当前工作空间中所有变量都保持到磁盘文件中 缺省的磁盘文件扩展名为 mat 可以使用 定义不同的存储格式 ASCII V4等 2 loadfilenamevariables将以前用save命令保存的变量variables从磁盘文件中调入MATLAB工作空间 用load命令调入的变量 其名称为用save命令保存时的名称 取值也一样 47 退出工作空间quit或exit 4 图形窗口在图形窗口上可以进行绘制曲线 显示文本 填充颜色等操作 用figure命令建立新的图形窗口 48 Matlab用户文件格式 程序文件 M文件 扩展名为 m 包括主程序和函数文件 M文件通过M文件编辑 调试器生成 数据文件 MAT文件 扩展名为 mat 用来保存工作空间的数据变量 可执行文件 MEX文件 扩展名为 mex 由Matlab的编译器对M文件进行编译后产生 图形文件 fig 由Matlab绘图命令产生 模型文件 mdl 由Simulink工具箱建模生成 另外还有 s文件仿真文件 49 5 文件管理文件管理的命令 包括列文件名 显示或删除文件 显示或改变当前目录等 what 显示当前目录下所有与matlab相关的文件及它们的路径 dir 显示当前目录下所有的文件which 显示某个文件的路径cdpath 由当前目录进入path目录cd 显示当前目录typefilename 在命令窗口中显示文件filenamedeletefilename 删除文件filename 50 6 帮助系统help命令 在命令窗口中显示MATLBA的所有函数都是以逻辑群组方式进行组织的 而MATLAB的目录结构就是以这些群组方式来编排的 help函数名 文件名 显示相关函数 文件的帮助体helpmatfun 矩阵函数 数值线性代数helpgeneral 通用命令helpgraphics 通用图形函数helpelfun 基本的数学函数helpelmat 基本矩阵和矩阵操作helpdatafun 数据分析和傅立叶变换函数helpops 操作符和特殊字符 51 helppolyfun 多项式和内插函数helplang 语言结构和调试helpstrfun 字符串函数helpcontrol 控制系统工具箱函数helpwin 帮助窗口helpdesk 帮助桌面 浏览器模式lookfor函数名 文件名 显示相关函数 文件的H1行 不要求精确匹配 demo 打开示例窗口MATLAB6 0以上的版本提供了一种类似模糊查询的命令查询方法 用户只需要输入命令的前几个字母 然后按Tab键 系统就会列出所有以这几个字母开头的命令 52 由于各菜单项的选择 执行方法与Windows风格完全相同 就不一一说明了 53 上次课的内容 Matlab的功能Matlab的基本组成Matlab的语言语言规则Matlab的用户文件格式课程规划 本次课的内容 Matlab的工具箱简介Matlab的数值计算 基本语句结构 数据类型 54 Matlab工具箱 matlab工具箱已经成为一个系列产品 matlab主工具箱和各种工具箱 toolbox 55 一 工具箱简介 功能型工具箱 通用型功能型工具箱主要用来扩充matlab的数值计算 符号运算功能 图形建模仿真功能 文字处理功能以及与硬件实时交互功能 能够用于多种学科 领域型工具箱 专用型领域型工具箱是学科专用工具箱 其专业性很强 比如控制系统工具箱 ControlSystemToolbox 信号处理工具箱 SignalProcessingToolbox 财政金融工具箱 FinancialToolbox 等等 只适用于本专业 56 Matlab常用工具箱 MatlabMainToolbox matlab主工具箱ControlSystemToolbox 控制系统工具箱CommunicationToolbox 通讯工具箱FinancialToolbox 财政金融工具箱SystemIdentificationToolbox 系统辨识工具箱FuzzyLogicToolbox 模糊逻辑工具箱Higher OrderSpectralAnalysisToolbox 高阶谱分析工具箱 57 ImageProcessingToolbox 图象处理工具箱LMIControlToolbox 线性矩阵不等式工具箱ModelpredictiveControlToolbox 模型预测控制工具箱 AnalysisandSynthesisToolbox 分析工具箱NeuralNetworkToolbox 神经网络工具箱OptimizationToolbox 优化工具箱PartialDifferentialToolbox 偏微分方程工具箱RobustControlToolbox 鲁棒控制工具箱 58 SignalProcessingToolbox 信号处理工具箱SplineToolbox 样条工具箱StatisticsToolbox 统计工具箱SymbolicMathToolbox 符号数学工具箱SimulinkToolbox 动态仿真工具箱SystemIdentificationToolbox 系统辨识工具箱WaveleToolbox 小波工具箱等等 59 例如 控制系统工具箱 连续系统设计和离散系统设计状态空间和传递函数以及模型转换时域响应 脉冲响应 阶跃响应 斜坡响应 频域响应 Bode图 Nyquist图 根轨迹 极点配置 60 优化工具箱 线型规划和二次规划求函数的最大值和最小值多目标优化约束条件下的优化非线性方程求解 61 学科前沿最新的工具箱 模糊控制逻辑工具箱友好的交互设计界面 自适应神经 模糊学习 聚类以及Sugeno推理神经网络工具箱神经网络系统具有集体运算的能力和自适应的学习能力 具有很强的容错性和鲁棒性 善于联想 综合和推广 62 Matlab6功能扩充的工具箱有 控制系统工具箱 图象处理工具箱 神经元网络工具箱 信号处理工具箱 simulink仿真工具箱Matlab6新增工具箱有 虚拟现实工具箱电力系统工具箱仪器仪表控制工具箱报告编辑工具箱 63 工具箱的扩充功能 用户可以修改工具箱中的函数 更为重要的是用户可以通过编制m文件来任意地添加工具箱中原来没有的工具函数 此功能充分体现了matlab语言的开发性 例如 自编自动控制原理标准反馈模型的图形绘制工具箱ctrllab 64 二 通用工具箱 Matlab主工具箱数值计算 符号运算 绘图以及句柄绘图都是matlab主工具箱的内容 是matlab的基本部分 也是我们课程的重点 Matlab主工具箱位于 c matlab toolbox matlabmatlab主工具箱是任何版本的matlab都不可缺少的 65 符号运算工具箱 主要功能以符号为对象的数学 在大学教学中 符号数学是各专业都能用到的 符号运算无须事先对独立变量赋值 运算结果以标准的符号形式表达 特点 运算对象可以是没赋值的符号变量 可以获得任意精度的解 66 Simulink动态仿真工具箱 Simulink工具箱简介simulink是实现动态系统建模 仿真和分析的一个集成环