《MATLAB在自動控制中的應(yīng)用》課件第1章

第1章MATLAB簡介1.1概述

1.2桌面啟動

1.3通用操作界面簡介

1.4運行方式

1.5圖形窗口

1.6幫助系統(tǒng)

1.7工具箱

1.8安裝和內(nèi)容選擇1.1概

述

MATLAB是MATrixLABoratory（矩陣實驗室）的縮寫，是由美國TheMathWorks公司于1984年推出的一種科學(xué)與工程計算語言。20世紀(jì)80年代初，MATLAB的創(chuàng)始人CleveMoler博士在美國NewMexico大學(xué)講授線性代數(shù)課程時，構(gòu)思并開發(fā)了MATLAB。該軟件一經(jīng)推出，就備受青睞和矚目，其應(yīng)用范圍也越來越廣闊。后來，Moler博士等一批數(shù)學(xué)家與軟件專家組建了TheMathWorks軟件開發(fā)公司，專門擴(kuò)展并改進(jìn)MATLAB。這樣，MATLAB就于1984年推出了正式版本，到2005年，MATLAB已經(jīng)發(fā)展到了7.1版。與其他計算機語言相比較，

MATLAB具有其獨樹一幟的特點：

（1）

簡單易學(xué)。

（2）

代碼短小高效。

（3）

功能豐富，

可擴(kuò)展性強。

（4）

強大的圖形表達(dá)功能。

（5）

強有力的系統(tǒng)仿真功能。

圖

1.1MATLAB及其產(chǎn)品系列示意圖

1.2桌

面

啟

動

MATLAB7.1版含有大量的交互工作界面，包括通用操作界面、工具包專用界面、幫助界面及演示界面等。所有這些交互工作界面按一定的次序和關(guān)系被鏈接在稱為“MATLAB桌面（Desktop）”的一個高度集成的工作界面中。圖1.2為缺省的MATLAB7.1桌面。桌面的上層鋪放著三個最常用的界面（或窗口），即：命令窗口（CommandWindow）、命令歷史（CommandHistory）窗口及當(dāng)前目錄（CurrentDirectory）瀏覽器。缺省情況下，還有一個只能看到窗口名稱的工作空間（Workspace）瀏覽器，

它被鋪放在桌面下層。

圖

1.2缺省的MATLAB7.1桌面

通常，啟動MATLAB桌面主要采用以下兩種方法。方法一：在Windows桌面上，用鼠標(biāo)左鍵雙擊MATLAB的快捷方式圖標(biāo)，系統(tǒng)就會進(jìn)入MATLAB的工作環(huán)境，首先出現(xiàn)MATLAB的標(biāo)志圖形，接著打開MATLAB桌面，如圖1.2所示。采用這種方式打開的MATLAB桌面以matlab71＼work為當(dāng)前目錄。注意，在MATLAB成功安裝后，會在Windows桌面上自動生成MATLAB的快捷方式圖標(biāo)。而且，MATLAB桌面上窗口的多少與設(shè)置有關(guān)，圖1.2所示的桌面為缺省情況，前臺有三個窗口。

方法二：用鼠標(biāo)左鍵雙擊matlab71＼bin＼win32文件夾中的MATLAB.exe（其圖標(biāo)是），也會打開類似于圖1.2所示的MATLAB桌面。方法二與方法一的惟一區(qū)別是，采用這種方式打開的MATLAB桌面以matlab71文件夾為當(dāng)前目錄。建議讀者優(yōu)先采用“方法一”啟動MATLAB。

1.3通用操作界面簡介

1.命令窗口缺省情況下，命令窗口位于MATLAB桌面的右側(cè)（見圖1.2），是用戶與MATLAB進(jìn)行人機對話的最主要環(huán)境。在該窗口內(nèi)，可輸入各種由MATLAB運行的命令、函數(shù)、表達(dá)式，顯示除圖形外的所有運算結(jié)果。

2.命令歷史窗口缺省情況下，命令歷史窗口位于MATLAB桌面左下方的前臺（見圖1.2）。該窗口記錄并顯示每次開啟MATLAB的時間及所有MATLAB運行過的命令、函數(shù)及表達(dá)式等，允許用戶對它們進(jìn)行選擇復(fù)制、重運行及產(chǎn)生M文件。

3.當(dāng)前目錄瀏覽器缺省情況下，當(dāng)前目錄瀏覽器位于MATLAB桌面左上方的前臺（見圖1.2）。在該瀏覽器中，可以進(jìn)行當(dāng)前目錄的設(shè)置，展示相應(yīng)目錄上的.m及.mdl等文件，復(fù)制、編輯和運行M文件以及裝載MAT數(shù)據(jù)文件等。

4.工作空間瀏覽器

缺省情況下，工作空間瀏覽器位于MATLAB桌面左上方的后臺（見圖1.2）。該窗口列出了MATLAB工作空間中所有數(shù)據(jù)的變量信息，包括變量名、大小、字節(jié)數(shù)等。在該窗口中，可以對變量進(jìn)行觀察、編輯、提取及保存。

5.數(shù)組編輯器（ArrayEditor）缺省情況下，數(shù)組編輯器不隨操作界面的出現(xiàn)而啟動，只有在工作空間瀏覽器中對變量進(jìn)行操作時才啟動。

6.開始（Start）按鈕啟動MATLAB后，在MATLAB桌面的左下角可以看到一個圖標(biāo)（見圖1.2），這是在MATLAB6.5及以后版本中新增加的開始按鈕。用鼠標(biāo)左鍵單擊該按鈕之后會出現(xiàn)MATLAB的現(xiàn)場菜單，見圖1.3。該菜單的菜單子項列出了已安裝的各類MATLAB組件和桌面工具。

圖

1.3單擊Start按鈕后的MATLAB桌面

7.M文件編輯/調(diào)試器（Editor／Debugger）

缺省情況下，該編輯/調(diào)試器不隨操作界面的出現(xiàn)而啟動,只有當(dāng)進(jìn)行“打開文件”等操作時，該編輯/調(diào)試器才啟動。詳細(xì)介紹見2.2節(jié)。

8.幫助導(dǎo)航/瀏覽器（HelpNavigator/Browser）

缺省情況下，該瀏覽器并不隨操作桌面的出現(xiàn)而啟動,只有在特意選擇或設(shè)置的情況下，才以獨立交互界面的形式出現(xiàn)。

該瀏覽器詳盡展示了由超文本寫成的在線幫助。

1.4運

行

方

式

1.命令行運行方式可以通過在MATLAB命令窗口中輸入命令行來實現(xiàn)計算或繪圖功能。

【例1.1】已知矩陣

完成矩陣求和運算A+B。

【解】在MATLAB命令窗口輸入下述內(nèi)容:>>A=［56;78］;>>B=［12;34］;>>C=A+B按下“回車”鍵后，在MATLAB命令窗口顯示運行結(jié)果如下:C=68112說明：本例中每個命令行行首的符號“>>”是命令輸入提示符，它不需要用戶輸入，而由MATLAB自動生成。

2.M文件運行方式命令行運行方式實際上也是MATLAB語言的一種程序編制方式,即在MATLAB命令窗口中逐行輸入命令（也稱為程序），計算機每次對一行命令做出反應(yīng)。但這種方式只能編寫簡單的程序，作為入門學(xué)習(xí)可以采用。若程序較為復(fù)雜，就應(yīng)該把程序?qū)懗梢粋€由多行命令組成的程序文件，即程序擴(kuò)展名為.m的M文件，讓MATLAB語言執(zhí)行這個文件。而編寫和修改這種文件程序就要用到M文件編輯/調(diào)試器。

在MATLAB命令窗口中選擇菜單“File｜New｜MFile”，即可打開一個缺省名為Untitled.m的M文件編輯/調(diào)試器窗口（即M文件輸入運行界面），亦稱M文件窗口或文本編輯器，如圖1.4所示。在該窗口輸入程序（即命令行的集合)，可以進(jìn)行調(diào)試或運行。例如，可將例1.1矩陣求和的MATLAB命令全部輸入到M文件編輯調(diào)試器窗口中（見圖1.4），然后選擇該窗口菜單“Debug｜Run”（初次建立M文件為“Debug｜SaveandRun”），同樣會在MATLAB命令窗口輸出C=A+B的值。

圖

1.4M文件編輯調(diào)試器窗口

1.5圖

形

窗

口

在MATLAB命令窗口中選擇菜單“File｜New｜Figure”，或在命令窗口中輸入“figure”或其他繪圖命令，即可打開MATLAB的圖形窗口，如圖1.5所示。MATLAB的繪圖都在這樣一個圖形窗口中進(jìn)行。如果想再創(chuàng)建一個圖形窗口，則可再輸入“figure”，MATLAB就會新建一個圖形窗口，并自動給它依次排序。

圖

1.5MATLAB的圖形窗口

1.6幫

助

系

統(tǒng)

1.命令行幫助命令行幫助是一種“純文本”幫助方式。MATLAB的所有命令、函數(shù)的M文件都有一個注釋區(qū)。在該區(qū)中，用純文本形式簡要地敘述了該函數(shù)的調(diào)用格式和輸入、輸出變量的含義。該幫助內(nèi)容最原始，但也最真切可靠。每當(dāng)MATLAB不同版本中的函數(shù)文件發(fā)生變化時，該純文本幫助也跟著同步變化。所以，純文本幫助具有獨特的作用。利用“help”命令，

即在MATLAB命令窗口中運行“help”，

就可以獲得命令行幫助。

【例1.2】命令行幫助實例。

【解】（1）運行“help”（直接在MATLAB命令窗口中輸入“help”），則顯示的幫助信息將列出所有函數(shù)類別及工具箱的名稱和功能。在MATLAB命令窗口中輸入：

>>help

運行結(jié)果為:

HELPtopicsmatlab＼generalGeneralpurposecommands.matlab＼opsOperatorsandspecialcharacters.matlab＼langProgramminglanguageconstructs.matlab＼elmatElementarymatricesandmatrixmanipulation.matlab＼elfun

Elementarymathfunctions.…

（3）若在help命令后面添加工具箱名，則可以獲得該工具箱中各種類別函數(shù)的名稱和功能說明。例如，運行helpcontrol，將獲得控制系統(tǒng)工具箱中各種類別函數(shù)的名稱和功能說明。在MATLAB命令窗口中輸入:

>>helpcontrol運行結(jié)果為:ControlSystemToolboxVersion6.2.1(R14SP3)26Jul2005General.ctrlpref-SetControlSystemToolboxpreferences.ltimodels-DetailedhelponthevarioustypesofLTImodels.ltiprops-DetailedhelponavailableLTImodelproperties.…

（4）若在help命令后面添加函數(shù)名，則可以獲得該函數(shù)的具體使用方法。如運行“helprank”，即可以獲得矩陣求秩函數(shù)的具體用法。在MATLAB命令窗口中輸入:

>>helprank

運行結(jié)果為:RANKMatrixrank.RANK(A)providesanestimateofthenumberoflinearlyindependentrowsorcolumnsofamatrixA.RANK(A,tol)isthenumberofsingularvaluesofAthatarelargerthantol.RANK(A)usesthedefaulttol=max(size(A))*eps(norm(A)).…

2．聯(lián)機幫助（幫助導(dǎo)航/瀏覽器）聯(lián)機幫助由MATLAB的幫助導(dǎo)航/瀏覽器完成。該瀏覽器是MATLAB專門設(shè)計的一個獨立幫助子系統(tǒng)，由幫助導(dǎo)航器（HelpNavigator）和幫助瀏覽器（HelpBrowser）兩部分組成，見圖1.6。構(gòu)成這個子系統(tǒng)的文件全部存放在matlab71＼help目錄下，與M文件完全無關(guān)。該幫助子系統(tǒng)對MATLAB功能的敘述系統(tǒng)、豐富、詳盡，而且界面十分友好、方便，隨版本的更新速度也快，

是尋求幫助的主要資源之一。

圖

1.6幫助導(dǎo)航/瀏覽器界面

打開圖1.6的幫助導(dǎo)航/瀏覽器的方法有以下幾種：

(1）在MATLAB命令窗口中運行命令“helpbrowser”或“helpdesk”。

(2）在MATLAB桌面上，用鼠標(biāo)左鍵單擊工具欄圖標(biāo)，或選擇菜單“Help｜MATLABHelp”。

(3）

在MATLAB各獨立出現(xiàn)的交互窗口中，

選擇菜單“Help｜MATLABHelp”。

3.演示幫助

MATLAB及其工具箱都有很好的演示程序，即Demos，其交互界面如圖1.7所示。這組演示程序由交互界面引導(dǎo)，操作非常方便。通過運行這組程序，對照屏幕上的顯示，仔細(xì)研究實現(xiàn)演示的M文件，無論是對MATLAB的初學(xué)者還是對老用戶來說，都是十分有益的。該演示程序的示范作用獨特，是包括MATLAB用戶指南在內(nèi)的有關(guān)書籍所不能替代的。對于想學(xué)習(xí)和掌握MATLAB的人來說，不可不看這組演示程序。但對初學(xué)者來說，則不必急于求成去讀那些太復(fù)雜的程序。

圖

1.7演示幫助（Demos）界面

運行演示程序主要有以下兩種方法:(1）在MATLAB命令窗口中運行命令“demos”。(2）

在MATLAB命令窗口中選擇菜單“Help｜Demos”。

4.Web幫助

MATLAB具有非常豐富的網(wǎng)絡(luò)資源，其Internet網(wǎng)址為：

這是TheMathWorks公司的官方網(wǎng)站。從該網(wǎng)站不僅可以了解MATLAB的最新動態(tài)，也可以找到相關(guān)MATLAB的書籍介紹、MATLAB的使用建議、常見問題解答及其他MATLAB用戶提供的應(yīng)用程序等。由此可見，豐富的幫助資源以及獲取幫助的方法使得學(xué)習(xí)和使用MATLAB變得更加容易。

5.PDF幫助

MATLAB還以便攜式文檔格式（PortableDocumentationFormat，PDF）的形式提供了詳細(xì)的MATLAB使用文檔，用戶可從TheMathWorks公司的官方網(wǎng)站下載。

1.7工

具

箱

1.7.1控制系統(tǒng)工具箱控制系統(tǒng)工具箱是MATLAB專門針對控制系統(tǒng)工程設(shè)計的函數(shù)和工具的集合。該工具箱主要采用M文件形式，提供了豐富的算法程序，所涉及的問題基本涵蓋了經(jīng)典控制理論的全部內(nèi)容和一部分現(xiàn)代控制理論的內(nèi)容，主要用于反饋控制系統(tǒng)的建模、

分析與設(shè)計。

控制系統(tǒng)工具箱的主要作用如下：首先，應(yīng)用控制系統(tǒng)工具箱可以創(chuàng)建控制系統(tǒng)的各種數(shù)學(xué)模型，如傳遞函數(shù)模型、零／極點增益模型以及狀態(tài)空間模型等，既適用于連續(xù)時間系統(tǒng)，也適用于離散時間系統(tǒng)，并且還可以實現(xiàn)不同數(shù)學(xué)模型之間的相互轉(zhuǎn)換。其次，應(yīng)用控制系統(tǒng)工具箱能夠輕松地繪制控制系統(tǒng)的時間響應(yīng)曲線、頻率特性曲線以及根軌跡圖。不僅如此，應(yīng)用控制系統(tǒng)工具箱中的控制系統(tǒng)設(shè)計函數(shù)，還能夠快速完成系統(tǒng)的極點配置、二次型最優(yōu)控制器的設(shè)計等。尤其是MATLAB自身提供的開放式環(huán)境，還可以讓用戶通過編寫M文件，建立自己的控制模型和控制算法。

1.7.2Simulink

Simulink是用來進(jìn)行建模、分析和仿真各種動態(tài)系統(tǒng)的一種交互環(huán)境，它提供了采用鼠標(biāo)拖放的方法建立系統(tǒng)框圖模型的圖形交互平臺。通過Simulink模塊庫提供的各類模塊，可以快速地創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)的模型。同時，Simulink還集成了狀態(tài)流（Stateflow），用來進(jìn)行復(fù)雜事件驅(qū)動系統(tǒng)邏輯行為的建模與仿真。另外，Simulink也是實時代碼生成工具（RealTimeWorkshop，RTW）的支撐平臺。

Simulink的主要功能如下。

1.交互建模

Simulink模塊庫提供了大量的、功能各異的模塊，可以方便用戶快速地建立動態(tài)系統(tǒng)模型。建模時只需使用鼠標(biāo)拖放Simulink模塊庫中的模塊，并將它們連接起來即可。

2.交互仿真

Simulink提供了交互性很強的仿真環(huán)境，可以通過下拉菜單執(zhí)行仿真，或使用命令進(jìn)行批處理。仿真結(jié)果可以在運行的同時通過示波器（一種輸出顯示/觀測裝置）或圖形窗口查看。

3.擴(kuò)充和定制

Simulink的開放式結(jié)構(gòu)允許用戶擴(kuò)展仿真環(huán)境的功能,即可以用MATLAB、Fortran或C語言代碼等生成自定義模塊庫，并擁有自己的圖標(biāo)和界面,還可以將原有的Fortran或C語言代碼連接起來。

4.與MATLAB和工具箱集成由于Simulink可以直接利用MATLAB的數(shù)學(xué)、圖形和編程功能，因此用戶可以直接在Simulink下完成諸如數(shù)據(jù)分析、過程自動化、優(yōu)化參數(shù)等工作。MATLAB工具箱提供的高級設(shè)計和分析能力可以通過Simulink的屏蔽手段在仿真過程中執(zhí)行。

1.7.3其他解決控制領(lǐng)域問題的工具箱

1.系統(tǒng)辨識工具箱（SystemIdentificationToolbox）系統(tǒng)辨識工具箱基于預(yù)先測試得到的輸入、輸出數(shù)據(jù)來建立動態(tài)系統(tǒng)的線性模型，可以使用時域或頻域技術(shù)對單通道數(shù)據(jù)或多通道數(shù)據(jù)進(jìn)行模型辨識。利用該工具箱可以對一些不容