《MATLAB Simulink与控制系统仿真（第3版）》的课件第2章MATLAB计算基础

1、l2.1 引言l2.2 MATLAB概述l2.3 MATLAB桌面操作环境l2.4 MATLAB数值计算l2.5 关系运算和逻辑运算l2.6 符号运算l2.7 复数和复变函数运算l2.8 MATLAB常用绘图命令l2.9 MATLAB程序设计l本章介绍MATLAB的产生与发展过程，对MATLAB的常用工具箱及特点进行介绍，然后对MATLAB计算及仿真的基础知识、控制系统中常用的符号运算和积分变换运算的基本命令进行比较详细的描述。l通过本章，读者对MATLAB能有一个比较全面的了解，并能熟练使用MATLAB计算与仿真的基本功能。2.2 MATLAB概述概述lMATLAB已发展成为一种具有广泛应用

2、前景、全新的计算机高级编程语言，可以说它是“第四代”计算机语言。l每年的3月份和9月份推出当年的a和b版本，目前的最新版本是MATLAB 2011b。lMATLAB系统由MATLAB开发环境、MATLAB数学函数库、MATLAB语言、MATLAB图形处理系统和MATLAB应用程序接口（API）五大部分构成l工具箱是MATLAB的关键部分，它是MATLAB强大功能得以实现的载体和手段,它是对MATLAB基本功能的重要扩充。MATLAB每年都会增加一些新的工具箱，所以，在一般情况下，工具箱的列表不是固定不变的，有关MATLAB工具箱的最新信息可以在http:/www. MATLAB桌面操作环境2.

3、3.2 MATLAB主菜单及功能主菜单及功能打开MATLAB主窗口后，即弹出其主菜单栏，主菜单栏各菜单项及其下拉菜单的功能如下所述。1File主菜单项2Edit主菜单项3Debug主菜单项4Desktop主菜单项5Window主菜单项6Help主菜单项2.3.3 MATLAB命令窗口命令窗口2.3.4 MATLAB工作空间工作空间2.3.5 MATLAB文件管理文件管理2.3.6 MATLAB帮助使用2.4 MATLAB数值计算数值计算l控制系统仿真是系统仿真的一个重要分支，它是一门涉及自动控制理论、计算数学、计算机技术、系统辨识、控制工程以及系统科学的综合性新型学科。它为控制系统的分析、计算

4、、研究、综合设计以及控制系统的计算机辅助教学等提供了快速、经济、科学及有效的手段。l控制系统仿真就是以控制系统模型为基础，采用数学模型替代实际控制系统，以计算机为工具，对控制系统进行实验、分析、评估及预测研究的一种技术与方法。l控制系统仿真通过控制系统的数学模型和计算方法，编写程序运算语句，使之能自动求解各环节变量的动态变化情况，从而得到关于系统输出和所需要的中间各变量的有关数据、曲线等，以实现对控制系统性能指标的分析与设计。2.4.1 MATLAB数值类型lMATLAB包括4种基本数据类型，即双精度数组、字符串数组、元胞数组、构架数组。l变量是数值计算的基本单元。与C语言等其他高级语言不同，

5、MATLAB语言中的变量无须事先定义，一个变量以其名称在语句命令中第一次合法出现而定义，运算表达式变量中不允许有未定义的变量，也不需要预先定义变量的类型，MATLAB会自动生成变量，并根据变量的操作确定其类型。l字符是MATLAB中符号运算的基本元素，也是文字等表达方式的基本元素，在MATLAB中，字符串作为字符数组用单引号（）引用到程序中，还可以通过字符串运算组成复杂的字符串。l元胞是元胞数组（Cell Array）的基本组成部分。元胞数组与数字数组相似，以下标来区分，单元胞数组由元胞和元胞内容两部分组成。用花括号 表示元胞数组的内容，用圆括号( )表示元胞元素。2.4.2 矩阵运算矩阵运算

6、lMATLAB软件的最大特色是强大的矩阵计算功能，在MATLAB软件中，所有的计算都是以矩阵为单元进行的。2.4.2 矩阵运算矩阵运算（续）（续）2.5 关系运算和逻辑运算关系运算和逻辑运算l作为所有关系表达式和逻辑表达式的输入，MATLAB把任何非0数值当做真，把0当做假。所有关系表达式和逻辑表达式的输出，对于真输出为1，对于假输出为0。2.6 符号运算符号运算MATLAB提供了符号数学工具箱（Symbolic Math Toolbox），大大增强了MATLAB的功能。符号数学工具箱的特点为：l（1）符号数学工具箱适用于广泛的用途，而不是针对一些特殊专业或专业分支。l（2）符号数学工具箱使用

7、字符串来进行符号分析，而不是基于数组的数值分析。l符号数学工具箱是操作和解决符号表达式的符号数学工具箱（函数）集合，有复合、简化、微分、积分以及求解代数方程和微分方程的工具。l控制系统中常用的符号运算有微积分、拉普拉斯变换和Z变换等积分变换2.7 复数和复变函数运算复数和复变函数运算l在MATLAB中，可以采用符号运算工具箱进行拉氏变换（拉普拉斯变换的简称）和拉氏反变换，采用的函数是laplace和ilaplace，使用前，用syms函数设置有关的符号变量。在MATLAB的符号工具箱中，有拉氏变换和拉氏反变换的运算函数。llaplace变换函数的格式为：lL=laplace(F)lilapla

8、ce拉氏反变换函数的常用格式为：lF=ilaplace(L)lMATLAB提供了符号运算工具箱（Symbolic Math Toolbox），可方便地进行Z变换和Z反变换，进行Z变换的函数是ztrans，进行Z反变换的函数是iztrans。2.8 MATLAB常用绘图命令常用绘图命令lMATLAB提供了强大的图形用户界面，在许多应用中，常常要用绘图功能来实现数据的显示和分析，包括二维图形和三维图形。在控制系统仿真中，也常常用到绘图，如绘制系统的响应曲线、根轨迹或频率响应曲线等。l在命令窗口中输入“help graph2d”可得到所有画二维图形的命令；输入“help graph3d”可得到所有画

9、三维图形的命令。l1基本的绘图命令l2图形窗口处理命令l3坐标轴相关的命令l4文字标示命令l5在图形上添加或删除栅格命令l6图形保持或覆盖命令l7应用型绘图命令2.9 MATLAB程序设计程序设计lMATLAB程序类型包括三种：一种是在命令窗口下执行的脚本M文件；另外一种是可以存取的M文件，即程序文件；最后一种是函数（function）文件。脚本M文件和程序文件中的变量都将保存在工作区中，这一点与函数文件是截然不同的。lMATLAB程序有顺序、分支、循环等程序结构以及子程序结构l在MATLAB中，通过if-else-end结构、while结构、switch-case-otherwise结构来实

10、现。l常用的循环有while和for循环。while循环和for循环的区别在于：while循环结构的循环体被执行的次数不是确定的，而for结构中循环体的执行次数是确定的。2.9.3 MATLAB程序基本设计原则l（1）%后面的内容是程序的注解，要善于运用注解使程序更具可读性。l（2）养成在主程序开头用clear指令清除变量的习惯，以消除工作空间中其他变量对程序运行的影响，但注意在子程序中不要用clear。l（3）参数值要集中放在程序的开始部分，以便维护。要充分利用MATLAB工具箱提供的指令来执行所要进行的运算，在语句行之后输入分号使其及中间结果不在屏幕上显示，以提高执行速度。l（4）input指令可以用来输入一些临时的数据；对于大量参数，则通过建立一个存储参数的子程序，在主程序中通过子