1、第1章 MATLAB入门,本章要点：MATLAB 软件介绍常用的系统建模与仿真分析方法,1.1 MATLAB简介,MATLAB是美国MathWorks公司推出一款数学计算软件，世界三大数学软件之一，在数值计算方面首屈一指。 MATLAB也称为“矩阵实验室”，将数值计算，矩阵计算以及非线性动态系统的建模和仿真集成在一个易于使用的视窗环境中。,1.1 MATLAB简介,一. MATLAB的发展历程20世纪70年代，美国新墨西哥大学计算机系主任Cleve Moler教授为减轻学生编写数值计算程序的负担，用FORTRAN语言编写了最早的MATLAB。1984年成立了MathWorks公司，用C语言重新
2、编写了程序内核，推出了MATLAB 1.0版本。,1.1 MATLAB简介,2000年，推出了MATLAB R12(V6.0)版本，可以安装在Windows、Linux、UNIX等操作系统之上；运行在PC机、工作站、服务器、大型机等硬件平台之上。2006年9月， MATLAB R2006b(V7.3)版本正式发布，从此MathWorks公司每年都会进行两次新产品发布，每个版本都注明a(专业版)或b(学生版)，标志着MATLAB软件已经臻于完善，走入了成熟稳定的发展阶段。,1.1 MATLAB简介,二. MATLAB的功能与特点 MATLAB自问世以来，以它强大的数值运算功能和方便的图形处理能力
3、，已经得到了越来越多人的认可。界面友好，易学易用MATLAB不仅语法结构简单、数据类型单一，而且其数学表达式、运算规则与数学、工程中的形式十分相似，再加上可视化的集成开发环境，可以说只要会操作Windows系统，就会操作MATLAB。科学计算功能强大MATLAB作为世界三大数学软件之一，在数值计算方面首屈一指。,1.1 MATLAB简介,二. MATLAB的功能与特点 绘图功能方便MATLAB具有方便灵活的二维、三维绘图功能，只需调用不同的绘图函数，就可以在图中标出图题、标注坐标轴、绘制栅格，选择不同的坐标系（线性坐标、对数坐标、极坐标等）。扩展功能完善MATLAB拥有功能强大、内容丰富的函数
4、库。另外，随着版本的提高，MATLAB的功能也随之扩展，推出了30多个具有专门功能的工具箱。,1.1 MATLAB简介,二. MATLAB的功能与特点 在线帮助系统,表1-1 MATLAB常用的帮助命令,1.1 MATLAB简介,二. MATLAB工具箱简介 MATLAB把解决一类问题的函数放在一起，就构成一个工具（ToolBox）。MATLAB提供了功能强大的工具箱，针对不同领域的科学问题都有对应的工具箱可供选择。,1.1 MATLAB简介,二. MATLAB工具箱简介 MathWorks公司每年都会增加一些新的工具箱，其中大部分是免费的，用户可以通过MathWorks公司的官方网站了解和下
5、载这些最新的信息。尽管运用MATLAB工具箱解决某一类专业问题，起到事半功倍的作用，但其需要较强的专业知识，需要了解被应用函数所采用的算法和函数意义，才会灵活使用工具箱，让工具箱为自己服务。用户可以在源文件的基础上进行修改，或加入自己编写的文件组成新的工具箱，即所谓的“二次开发”。广义上讲，任何一个用户都可以是工具箱的设计者，即可以将一组函数放入某一个目录中，构成一个新的工具箱，每个工具箱目录里都应该含有一个contents.m文件，用来描述工具箱中函数组的名称与功能。,1.2 系统建模与仿真基础,仿真是模拟实际系统行为的一类方法和应用手段的总称，是利用模型来研究实际系统中发生的本质过程，并通
6、过对模型的分析来研究实际存在的系统或设计中的系统，又称为模拟实验。,1.2 系统建模与仿真基础,一. 系统建模的方法对于某些系统，可以直接对实际的系统进行实验研究；而对于另一些系统，直接对实际的系统进行实验研究是相当困难的，或者是无法实现的。这就需要建立仿真模型，通过模型进行相关的研究工作。,1.2 系统建模与仿真基础,一. 系统建模的方法模型分为：（1）物理模型，是将实际系统按照一定的比例微缩制作出来便于分析的小规模系统，也就是实际系统的微缩版；（2）数学模型，将实际系统归结为一套反应其内部因素数量关系的数学公式、逻辑准则和具体算法，用以描述和研究客观现象的运动规律。,1.2 系统建模与仿真
7、基础,二. 仿真的基本概念仿真的英文名称是Simulation，是指利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来研究实际存在的或设计中的系统，又称模拟。这里所指的系统很广泛，不仅包括电气、机械、化工、水力、热力等系统，也包括社会、经济、生态、管理等系统。当所研究的系统造价昂贵、实验的危险性大或需要很长的时间才能了解系统参数变化所引起的后果时，仿真是一种特别有效的研究手段。仿真的重要工具是计算机及相关仿真软件，仿真与数值计算、求解方法的区别在于它是一种实验技术。,1.2 系统建模与仿真基础,三. 建模与仿真的基本步骤,建模与仿真分析所涉及的领域非常广泛，不存在一个通用的方法。但
8、可以根据各种仿真分析的方法，总结出一个一般步骤,1.2 系统建模与仿真基础,三. 建模与仿真的基本步骤1）实际系统分析：不论系统是已有的，还是待建的，在分析研究之前都需要对系统加以实地考察，对系统的运行有一个直观和明确的了解，清楚系统是如何工作的。2）建立数学模型：分析总结实际系统的运行规律，抓住其本质因素，忽略次要因素，建立一套反映其内部各因素数量关系的数学公式和逻辑准则，以便利用数学的概念、方法和理论进行深入的分析和研究，从而从定性或定量的角度来刻画实际问题，并为解决现实问题提供精确的数据或可靠的指导。另外在建立数学模型时，还需要确定系统的输入参数、输出参数和反应系统当前状态的状态变量。,
9、1.2 系统建模与仿真基础,三. 建模与仿真的基本步骤3）建立计算机仿真模型：将已经建立好的数学模型转换成适合计算机处理的仿真模型，如用计算机语言编写源代码、用Simulink建立系统框图等。4）验证模型：根据已有的实验数据、经验和常识性知识，判断仿真的结果是否正确，进而判断仿真模型和数学模型是否正确。5）仿真模型的应用，根据所要研究的问题，修改模型的输入参数和状态变量，研究模型在不同参数下的输出，确定一个最佳方案。通过实验可观察系统模型各变量的变化过程，为了寻求系统的最优结构和参数，常常要在仿真模型上进行多次实验。在系统的设计阶段，人们大多利用计算机进行数学仿真实验，因为修改、变换模型比较方
10、便和经济。,1.2 系统建模与仿真基础,四. 建模与仿真的发展阶段仿真技术作为信息时代的一门新型科研方法，其技术已经广泛应用于许多领域，主要应用于各领域产品的研究、设计、开发、测试、生产、培训、使用、维护等各个环节。随着计算机和仿真技术的发展，仿真技术大体上经历了三个发展阶段：第一阶段，20世纪50年代末到60年代，为诞生期。根据有关文献资料显示，由于当时计算机的应用还为普及，仿真是一个投资大的工程，而且需要较强的专业人士，一般只有在大型企业（主要是钢铁和航空行业）进行大量投资时才会被采用，当时主要利用FORTRAN等计算机程序设计语言建立较大的仿真模型，通过计算机进行仿真模拟。,1.2 系统
11、建模与仿真基础,四. 建模与仿真的发展阶段第二阶段，20世纪70年代到80年代，为成长期。随着计算机的运行速度越来越快以及成本的降低，仿真技术开始逐渐走入许多其他行业中。当时企业还没有足够认识到仿真的重要性，一般只有出现了重大问题时，才会考虑使用仿真寻找问题的所在，而不是在投入项目之前使用仿真技术分析预期的疑问。然而，仿真在这一阶段还没有真正的普及，很多小企业几乎很少使用。第三阶段，20世纪90年代初至今，为成熟期。随着计算机的普及化、程序语言的多元化、仿真软件的简洁化，许多小型企业有了使用仿真技术的能力，促使了仿真技术逐渐步入成熟。如今，以MATLAB为代表的计算机仿真软件不仅为用户提供了十分友好的图形界面，而且还专门根据相应行业的具体环境设计开发了建模所需的组件和模块，使设计分析人员能够较容易地建立仿真模型。,
