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1、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
2、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:/ 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MATLAB 6.5版 张志涌 等编著 北京航空航天大学出版社 2003 2. 精通MATLAB6 尹泽明 丁春丽 等编著 清华大学出版社 2002 3. 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 2003 4.薛定宇,控制系统计
3、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
4、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
5、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-
6、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
7、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Matrix Laboratory的缩写，1980年美国Cleve Moler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
8、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
9、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 = 3.6 x1+2x2+4x3 = 2.1 -x1+4x2+5x3 = -1.4 A=3 1 -1;1 2 4;-1 4 5; b=3.6;2.1;-1.4; x=Ab x = 1.4818 -0.4606
10、0.3848,对于线性系统有Ax=b,22,例、用简短命令计算并绘制在0x6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 = 8 1 6 3 5 7 4 9 2,26,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
11、图形由k个相似小图组成，d新图维数，满足关系,e.g 4_15,28,分形系统的仿真Mandelbrot图,选择,examp1_5 examp4_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，
12、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,MAT
13、LAB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11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、
14、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
15、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
16、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）save filename variables 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）l
