第六講 matlab工具箱 深圳大學(xué) 科學(xué)與工程計算 數(shù)值分析 課件

1、第六講 matlab工具箱 matlab工具箱已經(jīng)成為一個系列產(chǎn)品，matlab主工具箱和各種工具箱（toolbox ）。一、工具箱簡介 功能型工具箱 通用型 功能型工具箱主要用來擴(kuò)充matlab的數(shù)值計算、符號運(yùn)算功能、圖形建模仿真功能、文字處理功能以及與硬件實(shí)時交互功能，能夠用于多種學(xué)科。 領(lǐng)域型工具箱 專用型 領(lǐng)域型工具箱是學(xué)科專用工具箱，其專業(yè)性很強(qiáng)，比如控制系統(tǒng)工具箱（ Control System Toolbox）；信號處理工具箱（Signal Processing Toolbox）；財政金融工具箱（ Financial Toolbox）等等。只適用于本專業(yè)。Matlab常用工具箱

2、 Matlab Main Toolboxmatlab主工具箱 Control System Toolbox控制系統(tǒng)工具箱 Communication Toolbox通訊工具箱 Financial Toolbox財政金融工具箱 System Identification Toolbox系統(tǒng)辨識工具箱 Fuzzy Logic Toolbox模糊邏輯工具箱 Higher-Order Spectral Analysis Toolbox高階譜分析工具箱 Image Processing Toolbox圖象處理工具箱 LMI Control Toolbox線性矩陣不等式工具箱 Model predicti

3、ve Control Toolbox模型預(yù)測控制工具箱 -Analysis and Synthesis Toolbox分析工具箱 Neural Network Toolbox神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱 Optimization Toolbox優(yōu)化工具箱 Partial Differential Toolbox偏微分方程工具箱 Robust Control Toolbox魯棒控制工具箱 Signal Processing Toolbox信號處理工具箱 Spline Toolbox樣條工具箱 Statistics Toolbox統(tǒng)計工具箱 Symbolic Math Toolbox符號數(shù)學(xué)工具箱 Simuli

4、nk Toolbox動態(tài)仿真工具箱 System Identification Toolbox系統(tǒng)辨識工具箱 Wavele Toolbox小波工具箱 等等例如：控制系統(tǒng)工具箱 連續(xù)系統(tǒng)設(shè)計和離散系統(tǒng)設(shè)計 狀態(tài)空間和傳遞函數(shù)以及模型轉(zhuǎn)換 時域響應(yīng)（脈沖響應(yīng)、階躍響應(yīng)、斜坡響應(yīng)） 頻域響應(yīng)（Bode圖、Nyquist圖） 根軌跡、極點(diǎn)配置優(yōu)化工具箱 線型規(guī)劃和二次規(guī)劃 求函數(shù)的最大值和最小值 多目標(biāo)優(yōu)化 約束條件下的優(yōu)化 非線型方程求解信號處理工具箱 數(shù)字和模擬濾波器設(shè)計、應(yīng)用及仿真 譜分析和估計 FFT、DCT等變換 參數(shù)化模型學(xué)科前沿最新的工具箱 模糊控制邏輯工具箱 友好的交互設(shè)計界面，自適應(yīng)

5、神經(jīng)-模糊學(xué)習(xí)、聚類以及Sugeno推理 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有集體運(yùn)算的能力和自適應(yīng)的學(xué)習(xí)能力。具有很強(qiáng)的容錯性和魯棒性，善于聯(lián)想、綜合和推廣。 matlab6功能擴(kuò)充的工具箱有： 控制系統(tǒng)工具箱、圖象處理工具箱、 神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)工具箱、信號處理工具箱、 simulink仿真工具箱Matlab6新增工具箱有： 虛擬現(xiàn)實(shí)工具箱 電力系統(tǒng)工具箱 儀器儀表控制工具箱 報告編輯工具箱 工具箱的擴(kuò)充功能： 用戶可以修改工具箱中的函數(shù)，更為重要的是用戶可以通過編制 m文件來任意地添加工具箱中原來沒有的工具函數(shù)。此功能充分體現(xiàn)了matlab語言的開發(fā)性。二、通用工具箱1. Matlab主工具箱前面課

6、程所介紹的數(shù)值計算、符號運(yùn)算、繪圖以及句柄繪圖都是matlab主工具箱的內(nèi)容，是matlab的基本部分，也是我們課程的重點(diǎn)。Matlab主工具箱位于： c:matlabtoolboxmatlab matlab主工具箱是任何版本的matlab都不可缺少的。除toolboxmatlab之外的工具箱，在比較完整的專業(yè)版matlab語言中有20多個工具箱。這些工具箱是需要單獨(dú)選擇購買的。matlab主工具箱共有21個函數(shù)庫datafun 數(shù)據(jù)分析函數(shù)庫sonnds 聲音處理函數(shù)庫dde 動態(tài)數(shù)據(jù)交換函數(shù)庫elfun 初等數(shù)學(xué)函數(shù)庫specmat 特殊矩陣函數(shù)庫elmat 初等矩陣和時間函數(shù)庫funfu

7、n 函數(shù)功能和數(shù)學(xué)分析函數(shù)庫general 通用命令函數(shù)庫graphics 通用圖形函數(shù)庫iofun 底層輸入輸出函數(shù)庫lang 語言結(jié)構(gòu)函數(shù)庫matfun 矩陣線性代數(shù)函數(shù)庫ops 運(yùn)算符和邏輯函數(shù)庫plotxy 二維繪圖函數(shù)庫plotxyz 三維繪圖函數(shù)庫color 顏色和光照函數(shù)庫polyfun 多項(xiàng)式函數(shù)庫sparfun 稀疏矩陣函數(shù)庫strfun 字符串函數(shù)庫demos matlab演示函數(shù)庫matlab6新增函數(shù)庫:uitools 圖形界面函數(shù)庫datatypes 數(shù)據(jù)類型函數(shù)庫graphics 句柄繪圖函數(shù)庫graph3d 三維繪圖 各函數(shù)庫中的函數(shù)可用help 函數(shù)庫名查詢，或

8、type 函數(shù)名方法查詢例：help plotxyTwo dimensional graphics.Elementary X-Y graphs. plot - Linear plot. loglog - Log-log scale plot. semilogx - Semi-log scale plot. semilogy - Semi-log scale plot. fill - Draw filled 2-D polygons.Specialized X-Y graphs. polar - Polar coordinate plot. bar - Bar graph. stem - Dis

9、crete sequence or stem plot. stairs - Stairstep plot. errorbar - Error bar plot. hist - Histogram plot. rose - Angle histogram plot. compass - Compass plot. feather - Feather plot. fplot - Plot function. comet - Comet-like trajectory. Graph annotation. title - Graph title. xlabel - X-axis label. yla

10、bel - Y-axis label. text - Text annotation. gtext - Mouse placement of text. grid - Grid lines. See also PLOTXYZ, GRAPHICS. help specmat compan - Companion matrix. gallery - Several small test matrices. hadamard - Hadamard matrix. hankel - Hankel matrix. hilb - Hilbert matrix. invhilb - Inverse Hilb

11、ert matrix. magic - Magic square. pascal - Pascal matrix. toeplitz - Toeplitz matrix. vander - Vandermonde matrix.2. 符號運(yùn)算工具箱 主要功能以符號為對象的數(shù)學(xué)。 在大學(xué)教學(xué)中，符號數(shù)學(xué)是各專業(yè)都能用到的。 符號運(yùn)算無須事先對獨(dú)立變量賦值，運(yùn)算結(jié)果以標(biāo)準(zhǔn)的符號形式表達(dá)。 特點(diǎn)： 運(yùn)算對象可以是沒賦值的符號變量 可以獲得任意精度的解符號運(yùn)算的功能 符號表達(dá)式、符號矩陣的創(chuàng)建 符號可變精度求解 符號線性代數(shù) 因式分解、展開和簡化 符號代數(shù)方程求解 符號微積分 符號微分方程例如：z =

12、a*t2+b*t+c;r =solve(z,t) 對缺省變量求解r =1/2/a*(-b+(b2-4*a*c)(1/2)1/2/a*(-b-(b2-4*a*c)(1/2)對任意變量求解r =solve(z,b)r =-(a*t2+c)/tr =solve(z,c)r =-a*t2-b*tr =solve(z,a)r =-(b*t+c)/t23. Simulink動態(tài)仿真工具箱simulink工具箱簡介 simulink 是實(shí)現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個集成環(huán)境，使得matlab的功能得到進(jìn)一步擴(kuò)展，它可以非常容易的實(shí)現(xiàn)可視化建模，把理論研究和工程實(shí)踐有機(jī)的結(jié)合在一起。 大部分專用工具箱只要

13、以matlab主包為基礎(chǔ)就能運(yùn)行，有少數(shù)工具箱（通訊工具箱、信號處理工具箱等）則要求有simulink工具箱的支持。 由于matlab和simulink是集成在一起的，因此用戶可以在兩種環(huán)境下對自己的模型進(jìn)行仿真、分析和修改。 不用命令行編程，由方框圖產(chǎn)生m文件（s函數(shù)） 當(dāng)創(chuàng)建好的框圖保存后，相應(yīng)的m文件就自動生成，這個.m文件包含了該框圖的所有圖形及數(shù)學(xué)關(guān)系信息。 框圖表示比較直觀，容易構(gòu)造，運(yùn)行速度較快。Simulink優(yōu)點(diǎn) 適應(yīng)面廣：包括線性、非線性系統(tǒng)；離散、連續(xù)系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)和流程清晰：以方塊圖形式呈現(xiàn)， 仿真精細(xì)、貼近實(shí)際simulink 的模型： simulink模型在視覺上表現(xiàn)為

14、方框圖，在文件上則是擴(kuò)展名為m的ASCII代碼（matlab6是擴(kuò)展名為mdl的ASCII代碼）；在數(shù)學(xué)上體現(xiàn)為一組微分方程或差分方程；在行為上模擬了物理器件構(gòu)成的實(shí)際系統(tǒng)的動態(tài)特性。simulink 的一般結(jié)構(gòu)：輸入系統(tǒng)輸出 仿真原理 當(dāng)在框圖視窗中進(jìn)行仿真的同時，matlab 實(shí)際上是運(yùn)行保存于simulink內(nèi)存中s函數(shù)的映象文件，而不是解釋運(yùn)行該m文件。 s函數(shù)并不是標(biāo)準(zhǔn)m文件，它m文件的一種特殊形式。 結(jié)構(gòu)圖創(chuàng)建方法 一個動態(tài)系統(tǒng)的創(chuàng)建過程，就是一個方框圖的繪制過程 具體步驟： 在matlab命令窗口鍵入simulink信號源庫離散模塊庫非線性模塊庫其它模塊庫仿真連接模塊庫線性模塊庫

15、輸出模塊庫 選則Fine菜單New選項(xiàng)，出現(xiàn)一個新窗口，即可繪制結(jié)構(gòu)圖。例：模擬一個微分方程 x = -2x + uu xx-2x. 方框圖繪制完畢，一個動態(tài)系統(tǒng)模型也就創(chuàng)建好了。 選擇File菜單Save保存圖形，就自動生成一個可在matlab命令窗口運(yùn)行的m文件。 然后就可用simulation菜單中start開始仿真了。仿真結(jié)果 ：t,x,y=sim(sim5,20);plot(t,y)plot(t,yout)三、工具箱和工具箱函數(shù)的查詢辦法1. matlab的目錄結(jié)構(gòu)目錄樹c:matlabbinc:matlabexternc:matlabsimulinkc:matlabtoolboxc

16、ommc:matlabtoolboxcontrolc:matlabtoolboxsymbolic. matlabbin 該目錄包含matlab系統(tǒng)運(yùn)行文件，matlab幫助文件及一些必需的二進(jìn)制文件。 matlabextern 包含MATLAB與 C, FORTRAN 語言的交互所需的函數(shù)定義和連接庫。 matlabsimulink 包含建立simulink MEX-文件所必需的函數(shù)定義及接口軟件。 matlabtoolbox 各種工具箱，Math Works公司提供的商品化matlab工具箱有30多種。toolbox目錄下的子目錄數(shù)量是隨安裝情況而變的。2. 工具箱matlab toolbo

17、x工具箱在windows下由目錄檢索得到。也可以在matlab下得到，啟動matlab后 cd_ . matlab缺省目錄是bin，回到 matlab目錄下 cd_toolbox dir 工具箱清單. compiler fixpoint lmi nag qft . control fuzzy local ncd robust ada symbolic dspblks hosa matlab nnet signal uitools codegen fdident ident mpc optim simulink wavelet comm finance splines pde esmutools

18、 stats 3. 工具箱函數(shù)清單的獲得 所有工具箱中都有函數(shù)清單文件contents.m,可用各種方法得到工具箱函數(shù)清單 執(zhí)行在線幫助命令 help 工具箱名稱 列出該工具箱中contents.m的內(nèi)容，顯示該工具箱中所有函數(shù)清單 例如： help symbolic help optim 函數(shù)的查詢：help 函數(shù)名 使用type命令得到工具箱函數(shù)的清單 type signalcontents type optimcontents 如果在當(dāng)前工具箱目錄下可用 help contents type contents 得到該工具箱的函數(shù)清單 由于contents .m為文本文件，可以通過任何文本編輯器打開閱讀 如：edit、 word、寫字板、記事本4. matlab函數(shù)的查閱與定位 which 函數(shù)名 給函數(shù)定位例如: which laplaced:matlab42toolboxsymboliclaplace.mwhich fft2d:matlab42toolboxmatlabdatafunfft2.mwhich polyd:matlab42toolboxmatlabpolyfunpoly.mwhich constrd:matlab42toolboxoptimconstr.mwhich p