第01讲 MATLAB简介及MATLAB的基本操作

计算机仿真技术与CAD

—基于MATLAB的控制系统北华大学电气信息工程学院张晓丹2013年6月1通过本课程的学习，使学生初步掌握演算式MATLAB语言的基本知识，结合所学课程《自动控制原理》、《现代控制理论》、《电力拖动自动控制系统》等，学会运用MATLAB语言进行控制系统仿真分析和辅助设计的基本技能，为今后从事科学研究打下较好的基础。课程任务2绪论计算机仿真与CAD概述第1章MATLAB语言基础及常用功能第2章控制系统的数学描述与建模第7章控制系统的分析方法第8章控制系统设计与校正第6章SIMULINK仿真基础教学内容3参考书《反馈控制系统设计与分析——MATLAB语言应用》薛定宇，清华大学出版社，2000年《控制系统MATLAB计算及仿真实训》黄忠霖，国防工业出版社，2006年《MATLAB在自动控制中的应用》吴晓燕，西安电子科技大学出版社，2006年

4课程安排总学时：24学时（课堂讲授24学时）考核方式：考查课，学生平时综合表现、作业占20%，计为平时成绩。期末参加随堂的笔试考试，占80%5绪论计算机仿真概述自动控制系统是由被控对象、测量变送装置、执行器和控制器所组成。当选定测量变送装置和执行器后，对自动控制系统进行设计和分析研究，也就是对被控对象的动态特性进行分析和研究，然后根据被控对象的动态特性进行控制器的设计，以求获得能满足性能指标要求的最优控制系统。6仿真：仿真的基本思想是利用物理的或数学的模型来类比模仿现实过程，以寻求对真实过程的认识。它所遵循的基本原则是相似性原理，即几何相似、环境相似和性能相似。计算机仿真：计算机仿真是基于所建立的系统仿真模型，利用计算机对系统进行分析与研究的方法。仿真和计算机仿真的概念7模型的定义模型是对现实系统有关结构信息和行为的某种形式的描述，是对系统的特征与变化规律的一种定量抽象，是人们认识事物的一种手段或工具。8模型的分类（1）物理模型指不以人的意志为转移的客观存在的实体，如：飞行器研制中的飞行模型；船舶制造中的船舶模型等。（2）数学模型是从一定的功能或结构上进行相似，用数学的方法来再现原型的功能或结构特征。（3）仿真模型指根据系统的数学模型，用仿真语言转化为计算机可以实施的模型。9仿真的分类一、按模型分类物理仿真：采用物理模型，有实物介入具有效果逼真，精度高等优点，但造价高或耗时长，大多在一些特殊场合下采用（如导弹、卫星一类飞行器的动态仿真，发电站综合调度仿真与培训系统等），具有实时性、在线的特点。数学仿真：采用数学模型在计算机上进行，具有非实时性、离线的特点，经济、快速、实用。10仿真的分类二、按计算机类型分类模拟仿真：采用数学模型，在模拟计算机上进行的实验研究。50年代描述连续物理系统的动态过程比较自然、逼真，具有仿真速度快、失真小、结果可靠的优点，但受元器件性能影响，仿真精度较低，对计算机控制系统的仿真较困难，自动化程度低。模拟计算机的核心是运算部分，它由我们熟知的“模拟运算放大器”为主要部件所构成。11数字仿真：采用数学模型，在数字计算机上借助于数值计算方法所进行的仿真实验。60年代计算与仿真的精度较高。理论上计算机的字长可以根据精度要求来“随意”设计，因此其仿真精度可以是无限，但是由于受到误差积累、仿真时间等因素影响，其精度也不易定得太高。对计算机控制系统的仿真比较方便。仿真实验的自动化程度较高，可方便地实现显示、打印等功能。计算速度比较低，在一定程度上影响到仿真结果的可信度。但随着计算机技术的发展，“速度问题”会在不同程度上有所改进与提高。数字仿真没有专用的仿真软件支持，需要设计人员用高级程序语言编写求解系统模型及结果输出的程序。12混合仿真：结合了模拟仿真与数字仿真。现代计算机仿真：采用先进的微型计算机，基于专用的仿真软件、仿真语言来实现，其数值计算功能强大，使用方便，易学。80年代以来。13仿真技术的主要用途优化系统设计再现系统故障验证系统设计的正确性对系统性能进行评价和分析14仿真技术在工程中的应用1、航空与航天工业飞行器设计中的三级仿真体系：纯数学模拟（软件）、半实物模拟、实物模拟或模拟飞行实验。飞行员及宇航员训练用飞行仿真模拟器。2、电力工业电力系统动态模型实验：电力系统负荷分配、瞬态稳定性以及最优潮流控制等。电站操作人员培训模拟系统。153、原子能工业模拟核反应堆核电站仿真器用来训练操作人员以及研究异常故障的排除处理。4、石油、化工及冶金工业5、非工程领域医学社会学宏观经济与商业策略的研究仿真技术在工程中的应用16应用仿真技术的意义1、经济大型、复杂系统直接实验是十分昂贵的，如：空间飞行器的一次飞行实验的成本约在1亿美元左右，而采用仿真实验仅需其成本的1/10~1/5，而且设备可以重复使用。2、安全某些系统（如载人飞行器、核电装置等），直接实验往往会有很大的危险，甚至是不允许的，而采用仿真实验可以有效降低危险程度，对系统的研究起到保障作用。173、快捷提高设计效率：比如电路设计，服装设计等等。4、具有优化设计和预测的特殊功能对一些真实系统进行结构和参数的优化设计是非常困难的，这时仿真可以发挥它特殊的优化设计功能。在非工程系统中（如社会、管理、经济等系统），由于其规模及复杂程度巨大，直接实验几乎不可能，这时通过仿真技术的应用可以获得对系统的某种超前认识。应用仿真技术的意义18计算机仿真的三要素三要素：系统：研究的对象模型：系统的抽象计算机：工具与手段三种基本活动：数学模型的建立仿真模型的建立仿真实验（运行）19计算机仿真的基本步骤三个基本的内容：建模仿真实验结果分析20基于MATLAB的控制系统仿真的现状1.是目前国际控制界最流行的仿真语言MATLAB语言由于使用极其方便、且提供了丰富的矩阵处理功能，所以很快引起了控制理论领域研究人员的高度重视，并在此基础上开发了控制理论与CAD和图形化模块化设计方法相结合的控制系统仿真工具箱，目前它已成为国际控制界最流行的仿真语言。212.设计控制系统MATLAB语言除可以进行传统的交互式编程来设计控制系统以外，可以调用它的控制系统工具箱来设计控制系统。许多控制界的使用者还结合自己的研究领域将擅长的CAD方法与MATLAB结合起来，制作了大量的控制系统工具箱，如:基于MATLAB的控制系统仿真的现状22控制系统工具箱系统辨识工具箱鲁棒控制工具箱多变量频域设计工具箱分析与校正工具箱神经网络工具箱最优化工具箱模糊控制工具箱等可以说伴随着控制理论的不断发展和完善，MATLAB的工具箱也在不断的增加和完善。23

MATLAB已不仅是一般的编程工具，而是作为一种控制系统的设计平台出现的。

今天，MATLAB的用户团体几乎遍及西方各主要大学，公司和政府研究部门，其应用也已遍及现代科学和技术的方方面面。24第1章仿真软件——MATLAB1.1MATLAB的功能特点25MATLAB发展及特点MATLAB是美国mathworks公司推出的一个高性能的数值计算和可视化软件，它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。MATLAB的推出得到了各个领域的广泛关注，其强大的扩展功能为各个领域的应用提供了基础。由各个领域的专家学者相继推出了MATLAB工具箱，借助MATLAB的这些工具箱，人们可直观、方便地进行分析、计算及设计工作，从而大大节省了时间，并能很快地设计出更多的解决方案来确保未来更多的技术需要。26MATLAB的发展历程和影响

MATLAB名字由MATrix和LABoratory两词的前三个字母组合而成（矩阵实验室）。二十世纪七十年代后期，美国新墨西哥大学计算机科学系主任的CleveMoler教授出于减轻学生编程负担的动机，为学生设计了用FORTRAN编写的萌芽状态的MATLAB。经几年的校际流传，在Little的推动下，由Little、Moler、SteveBangert合作，于1984年成立了MathWorks公司，并把MATLAB正式推向市场。27MATLAB以商品形式出现后的短短几年，就以其良好的开放性和运行的可靠性，使原先控制领域里的封闭式软件包纷纷淘汰，而改在MATLAB平台上重建。二十世纪九十年代，MATLAB已经成为国际控制界公认的标准计算软件。MATLAB的发展历程和影响

28从1997年春的5.0版起，后历经5.1、5.2、5.3、6.0、6.1等多个版本的不断改进，MATLAB“面向对象”的特点愈加突出，数据类型愈加丰富，操作界面愈加友善。2002年初夏所推6.5版的最大特点是：该版本采用了JIT加速器，从而使MATLAB运算速度前进了一大步。目前功能更加强大的7.10版也已上市。MATLAB的发展历程和影响

29MATLAB的五大功能数值计算功能符号计算功能图形和可视化功能记事本功能可视化建模和仿真功能30

MATLAB语言主要优点功能强大的数值运算——在MATLAB环境中，有超过500种数学、统计、科学及工程方面的函数可使用，函数的标示自然，使得问题和解答像数学式子一般简单明了，让使用者可全力发挥在解题方面，而非浪费在电脑操作上。语言简洁紧凑——MATLAB语言允许用户以数学形式的语言编写程序，比BASIC、FORTRAN语言和C语言等更接近于书写计算公式的思维方式。由于它是用C语言开发的，它的不多的几个程序流程控制语句同C语言差别甚微，易于初学者掌握。31先进的资料视觉化功能——动画片、图像处理。MATLAB的物件导向图形架构让使用者可执行视觉数据分析，并制作高品质的图形，完成科学性或工程性图文并茂的文章。开放及可延伸的架构——MATLAB容许使用者接触它大多数的MATLAB原文件，检视运算法，更改现存函数，甚至加入自己的函数使MATLAB成为使用者所需要的环境。

MATLAB语言主要优点32

丰富的程式工具箱——MATLAB的程式工具箱是一个灵活开放容易操作的环境，这些工具箱提供了使用者在特别应用领域所需的许多函数。现有工具箱有：符号运算（利用MapleV的计算核心执行）、影像处理、统计分析、讯号处理、神经网络、模拟分析、控制系统、即时控制、系统确认、弧线分析、最佳化、模糊逻辑、化学计量分析等。目前有60多个。

MATLAB语言主要优点33移植性和开放性好MATLAB是用C语言编写的，而C语言的可移植性很好。于是MATLAB可以很方便地移植到能运行C语言的操作平台上。除了内部函数外，MATLAB所有的核心文件和工具箱文件都是公开的，都是可读可写的源文件，用户可以通过对源文件的修改和自己编程构成新的工具箱。

MATLAB语言主要优点34语句简单，内涵丰富MATLAB语言中最基本最重要的成分是函数，其一般形式为[a，b，c…]=fun（d，e，f…），即一个函数由函数名，输入变量d，e，f…和输出变量a，b，c…组成，同一函数名，不同数目的输入变量(包括无输入变量)及不同数目的输出变量，代表着不同的含义。这不仅使MATLAB的库函数功能更丰富，而且大大减少了需要的磁盘空间，使得MATLAB编写的M文件简单、短小而高效。

MATLAB语言主要优点35高效方便的矩阵和数组运算——MATLAB语言像FORTRAN和C语言一样规定了矩阵的算术运算符、关系运算符、逻辑运算符、条件运算符及赋值运算符，而且这些运算符大部分可以毫无改变地照搬到数组间的运算。另外，它不需定义数组的维数，并给出矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数，使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控制、优化等领域的问题时，显得大为简捷，这是其他高级语言所不能比拟的。

MATLAB语言主要优点36方便的绘图功能——MATLAB的绘图是十分方便的，它有一系列绘图函数(命令)，例如线性坐标、对数坐标、半对数坐标及极坐标，均只需调用不同的绘图函数(命令)，在图上标出图题、XY轴标注，栅格绘制也只需调用相应的命令，简单易行。另外，在调用绘图函数时调整输入变量可绘出不变颜色的点、线、复线或多重线。

MATLAB语言主要优点37simulink简介Simulink是MATLAB的一个附加组件，用来提供一个系统的建模与动态仿真平台，是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。它用模块组合的方法来使用户能够快速、准确地创建动态系统的计算机模型，可以