1、1 MATLAB语言系统 2 MATLAB语言的数值运算 3 MATLAB语言的符号运算 4 MATLAB语言的绘图 5 控制系统仿真研究6 SIMULINK仿真环境,教学内容,通过本课程的学习，使学生初步掌握计算机辅助设计、仿真软件MATLAB的基本知识，结合所学专业课程机械工程控制基础，学会运用MATLAB语言进行控制系统仿真和辅助设计，为今后从事科学研究打下较好的基础。,课程任务,1 MATLAB语言系统 1.1 系统、模型与仿真,1.1.1 系统,系统定义 G.Golden- “系统这个术语已经在各个领域用得如此广泛，以至很难给它下一个定义。” 系统-最早见著 “世界大系统”德谟克利特
2、（公元前460公元前370年）,“任何事物都是在联系中显现出来的，都是在系统中存在的，系统联系规定每一事物，而每一联系又能反映系统的联系的总貌。”,按照某些规律结合起来，相互作用，相互关联，相互依存的所有实体的集合或总和。,G.Golden,系统的三要素 实体：系统内存在的确定的物体如通信系统的调制器、解调器等。 属性：系统内每一物体的有效特征如信息为正弦波、余弦波等。 活动：系统内部发生的任何变化过程如将频带外信号滤除等。,实体确定了系统的构成，也确定了系统边界； 属性也称为描述变量，描述每一实体的特征； 活动定义了系统内部实体之间的相互作用，从而确定了系统内部发生的变化过程。,系统状态在任
3、意给定的时间，对系统所有实体、属性和活动的情况，都用系统状态加以描述。,系统边界每个系统都置于一定的环境中。系统与环境之间的分界称为边界。边界确定了系统的范围，边界以外对系统的作用称为系统的输入，系统对边界以外环境的作用称为系统的输出。,确定型系统与随机系统 确定型活动若执行系统中某项活动的结果，其输出完全可以用输出加以描述，则为确定型活动。 随机活动若系统中的某项活动结果受随机变化的影响，系统输出可能得到各种各样的结果，则称为随机活动。,确定型系统具有确定型活动的系统。 随机系统具有随机型活动的系统。随机型活动通常用概率分布加以描述，如电路系统中的噪声、电话系统中通话时间的长短等，属于随机系
4、统。,1.1.2 模型模型实际系统本质的抽象与简化为了研究、分析、设计和实现一个系统，需要进行试验。试验的方法基本上可分为两大类：一种是直接在真实系统上进行；另一种是先构造系统模型，通过对模型的试验来代替或部分代替对真实系统的试验。,第二种方法已成为人们常常采用的方法。主要原因在于：（1）系统还处于设计阶段，真实的系统尚未建立，人们需要更准确地了解未来系统的性能，这只能通过对模型的试验来了解；（2）在真实系统上进行试验可能会引起系统破坏或发生故障，甚至会造成巨大经济损失；（3）需要进行多次试验时，并且每次试验的条件都不同，该方法就充分体现了优越性；（4）实验的耗时太长或费用昂贵。,1.1.3
5、仿真1961年，G.W.Morgenthater 首次对“仿真”进行了技术性定义，即“仿真意指在实际系统不存在的情况下对系统或活动本质的实现”。1978年，Korn 在他的“连续系统仿真”中将仿真定义为“用能代表所研究系统的模型作试验”。1984年，Oren 在给出了仿真的基本框架“建模实验分析”的基础上，提出了“仿真是一种基于模型的活动”的定义，被认为是现代仿真技术的一个重要概念。,系统、模型、仿真之间的关系 系统是研究的对象 模型是系统的抽象 仿真是通过对模型的实验以达到研究系统 的目的。,1.2 控制系统仿真的应用 1.2.1 在系统设计中的应用系统设计是一项复杂的任务，计算机辅助设计及
6、仿真技术为系统设计提供了强有力的工具。 1.2.2 在系统分析中的应用要对系统进行分析，就必须对系统进行试验，通过试验来了解系统的结构及其内部发生的活动，从而达到对系统的正确评价。,1.2.3 在产品开发研制中的应用“虚拟产品开发”越来越受到工程技术人员的青睐。“虚拟产品开发”是实际产品的设计过程与制造过程在计算机上的实现。1.2.4 在机电一体化系统中的应用以计算机集成制造系统CIMS(Computer Integrated Manufacturing System)为例。,1.3 计算机仿真和辅助设计概述,1.3.1 计算机仿真和辅助设计的基本概念1、计算机辅助设计的概念计算机辅助设计（C
7、AD）技术是利用计算机高速而精确的计算能力、大容量存储和处理数据的能力，结合设计者的综合分析、逻辑判断及创造性思维，用以加快设计进程、缩短设计周期、提高设计质量的技术。,2、计算机仿真的概念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。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。,1、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。 2、模型的分类（1）物理模型 是采用一定的比例按真实系统的”样子
8、“制作 如：飞行器研制中的飞行模型,1.3.2 计算机仿真模型,（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。,1.3.3计算机仿真的三要素及基本步骤 1、三要素系统 模型 计算机,2、基本步骤 包括三个基本的内容建模 仿真实验 结果分析,系统建模 确定模型的边界，模型进行形式化处理。 仿真建模 选择合适的算法，算法的稳定性、计算精度、计算速度。 程序设计将仿真模型用计算机能执行的程序来描述，,程序中要包括仿真实验的要求、仿真运行参数、控制参数、输出要求。 仿真模型验证程序调试，检
9、验所选仿真算法的合理，检验模型计算的正确性（VerificationVerification）。 仿真运行并输出结果 对模型进行实验 仿真结果分析 对系统性能作出评价,1.3.4 仿真的分类,1.3.4.1 按模型分类 1、物理仿真：采用物理模型 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。 2、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。,1.3.4.2 按计算机类型分类,1、模拟仿真：采用数学模型，在模拟计算机上进行的实验研究。 仿
10、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。,2、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。 计算与仿真的精度较高。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。,3、混合仿真：结合了模拟仿真与数字仿真 1.3.4.3 根据仿真时钟与实际时钟的比例关系分类实
11、时仿真：即仿真时钟与实际时钟完全一致 亚实时仿真：即仿真时钟慢于实际时钟 超实时仿真：即仿真时钟快于实际时钟,1.3.4.4 根据系统模型的特性分类 连续时间系统仿真连续系统是指系统状态随时间连续变化的系统。 离散事件系统仿真离散事件系统是指在某些随机时间点上统状态发生离散变化的系统。,1.4 仿真技术的应用与发展,1.4.1 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。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。,3、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
12、以及研究异常故障的排除处理。4、石油、化工及冶金工业 1.4.2 非工程领域 医学 社会学 宏观经济与商业策略的研究,1.4.3 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，而采用仿真实验仅需其成本的1/101/5，而且设备可以重复使用。 2、安全 某些系统，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。,3、快捷 提高设计效率 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，由于其规模及复杂程度巨大，直接实验几乎不可能
13、，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。,1.4.4 仿真技术的发展趋势,1、硬件方面：基于多CPU并行处理技术的全数字仿真将有效提高仿真系统的速度，大大增强数字仿真的实时性。 2、应用软件方面：直接面向用户的数字仿真软件不断推陈出新，各种专家系统与智能化技术将更深入地应用于仿真软件开发之中。,3、分布式数字仿真：充分利用网络技术，协调合作，投资少，效果好。 4、虚拟现实技术：综合了计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、显示技术以及仿真技术等多学科。虚拟战场、虚拟样机、虚拟制造等都是虚拟现实技术的典型应用,1.5 仿真软件的发展 1、程序编程阶段 所有问题都是用高级算法语言编写
14、。 2、程序软件包阶段 出现了“应用子程序库”。 3、交互式语言阶段（仿真语言） 仿真语言可用一条指令实现某种功能。 4、模型化图形组态阶段 符合设计人员对基于模型图形化的描述。,1.6 MATLAB语言 1.6.1 MATLAB概述,MATLAB 是由美国的Math Works 公司推出的一个科技应用软件，它的名字是由MATRIX(矩阵）和LABORATORY（实验室）的前三个字母组合而成 。 1980年由 Cleve Moler 博士用 FORTRAN 语言开发的矩阵分析软件。80 年代初，由 Cleve Moler 和 John Little采用 C 语言改写了 MATLAB 的内核，于
15、1984 年将 MATLAB 正式推向市场。 1992 年初推出了应用于 Windows 操作系统的 MATLAB 4.x 版本。,MATLAB是一种高性能的、用于工程计算的编程软件，它把科学计算、结果的可视化和编程都集中在一个使用方便的环境中优势在于能很容易求解复数 数值问题，速度快且容易扩展创建新的命令和函数.主要组成部分： （1）编程语言：以矩阵和数组为基本单位的编程语言 （2）工作环境：包括一系列的应用工具，提供编程和调试程序的环境,2000 年推出了更为简便易学的 MATLAB 6.0 版本。 2005年推出了MATLAB 7.0 版本。 2010年推出MATLAB 7.5，Simu
16、link6.6版本,（3）图形处理：包括绘制二维、三维图形和创建图形用户界面（GUI）等 （4）数学库函数：包含大量数学函数，也包括复杂功能 （5）应用程序接口：提供接口程序，可使MATLAB与其他语言程序进行交互,典型特点： （1）语言简洁紧凑，运算符十分丰富，使用方便灵活 （2）既具有结构化的控制语言，又能面向对象编程 （3）语法限制不严格，程序设计自由度大，可移植性好 （4）具有强大的图形功能,（5）包含功能强劲的工具箱 （6）最重要、最受欢迎的特点是它的开放性 （7）典型应用有两方面：数值计算和符号计算建模和动态仿真,目前，MATLAB 已经成为国际上最流行的科学与工程计算的软件工具，
17、现在的 MATLAB 已经不仅仅是一个“矩阵实验室”了，它已经成为了一种具有广泛应用前景的全新的计算机高级编程语言了，有人称,它为“第四代”计算机语言，它在国内外高校和研究部门正扮演着重要的角色。MATLAB 语言的功能也越来越强大，不断适应新的要求提出新的解决方法。,下面介绍MATLAB的界面:,菜单栏和工具栏,命令窗口,工作台,工具箱,工作空间,历史命令窗口,当前工作目录,1、具有丰富的数学功能,包括矩阵各种运算。,包括各种特殊函数。,包括各种数学运算功能。,2、具有很好的图视系统,可方便地画出二维和三维图形。,图形用户界面GUI制作工具，可以制作用户菜单和控件。,1.6.2 MATLAB
18、语言的主要特点,3、可以直接处理声言和图形文件。,4、具有若干功能强大的应用工具箱。,5、使用方便，具有很好的扩张功能。,6、具有很好的帮助功能,可以M文件转变为独立于平台的EXE可执行文件。,提供十分详细的帮助文件。,联机查询指令：help指令。,MATLAB的应用接口程序API是MATLAB提供的十分重要的组件 ，由 一系列接口指令组成 。,1.6.3 MATLAB语言的功能 强大的数值（矩阵）运算功能 广泛的符号运算功能 高级与低级兼备的图形功能 可靠的容错功能 应用灵活的兼容与接口功能 信息量丰富的联机检索功能,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
19、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11的矩阵,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、泰乐级数展开、寻优等等，可求得解析符号解。,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,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 只需拖几个方块、连几条线，即可实
20、现编程功能,5.丰富的MATLAB工具箱,MATLAB主工具箱 符号数学工具箱 SIMULINK仿真工具箱 控制系统工具箱 信号处理工具箱,图象处理工具箱 通讯工具箱 系统辨识工具箱 神经元网络工具箱 金融工具箱,1、 使用的变量与基本运算,变量命名规则： （1）变量有字母及数字组成； （2）第一个符号必须是字母； （3）字母间不可留空格； （4）最多只能有31个字母或数字； （5）变量使用前不需要定义。,1.6.4 matlab数据与变量,MATLAB的永久常数I或j 基本虚数单位 esp 容差变量，系统floating-point 精度 inf 表示正无大,定义为1/0 nan NaN 非
21、数值（not a number)它产生于0 ，0/0，/ 等运算 pi 圆周率 realmax 系统所能表达的最大数 realmin 系统所能表达的最小数 nargin 函数输入变量的个数 nargout 函数输出变量的个数,2、 M文件,若要执行大量的MATLAB语句，可将这些语句存放到一个扩展名为m的文件中，并在MATLAB命令提示符下输入此文件的主文件名即可。这种包含MATLAB语句的文件都以m为扩展名，因此通称M文件（M-file)。,1.6.5 Matlab工作环境界面,1. MATLAB 的启动桌面快捷方式启动开始菜单方式启动 2. MATLAB的退出Matlab菜单命令/关闭按钮
22、在Matlab命令窗口输入exit或quit,3、MATLAB 菜单项 File（ 文件）菜单 Edit（ 编辑）菜单 View（ 视图）菜单 Window（ 窗口）菜单 Web（ 连网信息） Help（ 帮助）菜单,4、MATLAB工具栏,用 MATLAB 的 M 文件编辑器新建一个 M 文件； 用 MATLAB 编辑器打开一个文件； 将选中的内容剪切到剪贴板； 将选中的内容复制到剪贴板； 将剪贴板中的内容粘贴到光标指定的位置； 撤消最近一次的操作； 打开 Simulink 浏览器； 打开 MATLAB 帮助窗口。,1.6.6 Matlab帮助系统,1、Matlab联机帮助#工具条中的Hel
23、p按钮；#help菜单栏中前2项中的任何一项；#在命令窗口中执行helpdesk或doc。,2、Matlab的网上资源web菜单栏,3、help 命令 直接输入 help，MATLAB 将列出所有的帮助主题，每个帮助主题对应于 MATLAB搜索路径中的一个目录； help 后加帮助主题，可获得指定帮助主题的帮助信息； help 后加函数名； help 后加命令名，将得到指定命令的用法。,小结,仿真是对系统进行研究的一种实验方法，它的基本原则是相似性原理。 仿真是在模型上进行的，建立系统的模型是仿真的关键内容。 数字仿真具有经济、安全、快捷的特点。 系统、模型、计算机是数字仿真的三个基本要素，建模、仿真实验及结果分析是三项基本内容。 MATLAB与SIMULINK是广泛使用的控制系统数字仿真软件。,
