MATLAB基础_1

1MATLAB基础及控制系统辅助设计武汉大学动机学院2007.42第一部分MATLAB基础及其基本应用第二部分模糊控制系统设计—模糊逻辑工具箱应用模糊逻辑控制系统特点模糊逻辑控制系统基本结构原理使用GUI工具建立FIS系统与Simulink一起工作MATLAB基础MATLAB的程序设计MATLAB控制系统工具箱及其应用SIMULINK与水轮机调节系统的仿真本部分讨论MATLAB的基本知识及用于控制系统仿真和简单辅助分析的基本方法。选取的实例主要为水轮机调节系统。本部分主要讨论MATLAB模糊逻辑工具箱在模糊控制系统设计中的应用。3第三部分神经网络与应用—神经网络工具箱应用本部分主要讨论MATLAB神经网络工具箱及其GUI工具的应用。感知器(Perceptron)线性神经网络(Linearnetwork)BP网络(BackPropagationnetwork)径向基函数网络(RadialBaseFunctionnetwork,RBF)神经网络图形用户界面应用神经网络Simulink模型设计4第一部分MATLAB基础及其基本应用第一章MATLAB基础参考教材：《MATLAB控制系统辅助设计…工程师工具软件应用系列》欧阳黎明编著，国防工业出版社。《Matlab神经网络与应用》，董长虹编著，国防工业出版社。《Matlab模糊逻辑工具箱的分析与应用》，闻新等编著，科学出版社。其它相关教材51．1MATLAB与控制系统仿真1．1．1控制系统与系统仿真一般来说，控制系统仿真过程可以分为五个步骤：（1）系统建模：根据要分析的控制系统，建立相应的数学模型。（2）仿真算法：找到合适的仿真算法。MATLAB已经被确认为准确、可靠的科学计算标准软件。（3）仿真语言：应用仿真语言编写计算程序。MTLAB语言有非常突出的优点，是控制系统仿真首选的仿真语言。（4）仿真计算：根据初步的仿真结果对该数学模型进行验证。（5）系统仿真：进行系统仿真，并认真地分析仿真的结果。仿真算法、仿真语言和仿真程序构成了数字仿真软件。确认数学模型的正确性、仿真算法的可行性、仿真程序的准确性和可靠性，最后编制成一个成熟的仿真软件。6控制系统仿真在教学实践中应用越来越普遍。•对于改进教学效果、给学生提供形象化的信息、激发学生的学习兴趣、提高学生的自学能力、加强学生对授课内容的理解等无疑是十分有益的。有利于对学生分析问题的能力和解决问题的能力的培养。•学生掌握了系统仿真的方法以后，不但使他加强了对所学课程的理解，同时还便于钻研一些他本人感兴趣的问题，有利于部分学有余力的学生进一步自学的要求。•在美国和欧洲大学中，九十年代将MATLAB正式列入了电气工程专业研究生和本科生的教学计划，MATLAB是必须掌握的基本工具。•在设计研究单位和工业界，MATLAB也成为工程师们应该掌握的一种工具，是被认作进行高效研究、开发的首选软件工具。71.1.2MATLAB及其课程学习MATLAB具有计算机语言的属性，因此可以看作是一种使用方便、语句效率很高、更接近于人们思维和表达习惯的一种计算机语言。MATLAB更可以被认为是一种进行科学研究的强有力工具。理由是具有由各领域顶尖科学家参与开发的、功能丰富的工具箱。在这些工具箱的支持下，人们在各个研究领域几乎都可以找到它的应用。与学习其它课程有所不同，MATLAB牵扯面极广，几乎涉及现代科学的所有领域，因此，学习MATLAB必须与个人所从事的学科相结合。与学习计算机语言类似，必须勤于实践。挖掘其功能为科学研究服务，主要要靠自己努力。本课程主要侧重于怎样做，仅在必要时简要说明为什么。81．1．3MATLAB的发展史MATLAB名字由MATrix和LABoratory两词的前三个字母组合而成。那是20世纪七十年代，时任美国新墨西哥大学计算机科学系主任的CleveMoler出于减轻学生编程负担的动机，为学生设计了一组调用LINPACK和EISPACK矩阵软件工具包库程序的的“通俗易用”的接口，此即用FORTRAN编写的萌芽状态的MATLAB。1984年由Little、Moler、SteveBangert合作成立MathWorks公司，并把MATLAB正式推向市场。从这时起，MATLAB的内核采用C语言编写，而且除原有的数值计算能力外，还新增了数据图视功能。1997年仲春，MATLAB5.0版问世，紧接着是5.1、5.2，以及和1999年春的5.3版。当前的最新版为7.x。现今的MATLAB拥有更丰富的数据类型和结构、更友善的面向对象、更加快速精良的图形可视、更广博的数学和数据分析资源、更多的应用开发工具。91．1．4MATLAB语言的主要特点（1）具有丰富的数学功能包括矩阵各种运算。如：正交变换、三角分解、特征值、常见的特殊矩阵等。包括各种特殊函数。如：贝塞尔函数、勒让德函数、伽码函数、贝塔函数、椭圆函数等。包括各种数学运算功能。如：数值微分、数值积分、插值、求极值、方程求根、FFT、常微分方程的数值解等。（2）具有很好的图视系统可方便地画出两维和三维图形。图形用户界面GUI制作工具，可以制作用户菜单和控件。使用者可以根据自己的需求编写出满意的图形界面。高级图形处理。如：色彩控制、句柄图形、动画等。101．1．3MATLAB语言的主要特点（续）（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。声言文件。如：WAV文件（例：wavread，sound等）。图形文件。如：bmp、gif、pcx、tif、jpeg等文件。对于控制系统的应用如：SIMULINK、Control、NeuralNetwork、FuzzyLogic等多种工具箱。可以把M文件转变为独立于平台的EXE可执行文件。使用MATLAB语言编写的程序可以直接运行，无需编译。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。用户就可在FORTRAN或C中，把MATLAB当作计算引擎使用。111．1．3MATLAB语言的主要特点（续）（6）具有很好的帮助功能提供十分详细的帮助文件（PDF、HTML、demo文件）。联机查询指令：help指令（例：helpelfun，helpexp，helpsimulink），lookfor关键词（例：lookforfourier）。121．2MATLAB简介1.2.1MATLAB的基本结构及环境就其使用效果而言，MATLAB可以被认为是一种解释性编程语言。其优点在于语法简单，程序易于调试，交互性，且单一语句的效率很高。正因为如此，它被称为第四代编程语言。在图1－2－1中的语言内核及编译控制程序运行部分提供了该语言的运行环境。图1－2－1从外部表现来说，在Windows98/2000/XP系统环境下安装好MATLAB后，双击MATLAB图标或从“开始”菜单打开MATLAB，即可进入MATLAB集成环境，也就是MATLAB命令窗（MATLABCommandWindow)。在后台，与该命令窗对应的是其工作空间(Workspace)。MATLAB的所有变量，运算结果均存贮在这个空间中，并由该空间管理我们所有输入的命令和函数调用。命令窗外形如图1－2－2所示。131.2.2MATLAB的主要功能MATLAB发展至今，已不仅仅是单纯矩阵运算的数学处理软件，其开放式的结构吸引了许多优秀人才编写M函数和工具箱，目前已经渗透到了工程计算和设计的各个领域。其中与控制系统设计与仿真相关的功能大致有以下各项：一．数值计算及分析(1)向量、矩阵的运算分析。(2)复数运算及分析(3)微分方程的求解(4)稀疏矩阵的运算(5)特殊函数的计算机分析(6)快速傅里叶变换及信号处理矩阵计算(7)数据分析及统计计算二．程序语言及算法实现(1)程序流程控制语句(2)C语言产生器14(3)文件管理三．MATLAB绘图功能(1)二维图形绘制(2)特殊坐标图形绘制及修改(3)三维坐标图形绘制四．MATLAB与高级语言接口(1)MATLAB与C语言接口及库函数(2)MATLAB与C++语言接口及库函数(3)MATLAB编译器五．Simulink建模与仿真六．功能强大的工具箱(1)控制系统工具箱(ControlSystemToolbox)(2)鲁棒控制工具箱(RobustControlToolbox)(3)模型预测控制工具箱(ModelPredictiveControlToolbox)(4)mu分析与校正工具箱(muAnalysisandSysthesisToolbox)(5)多变量系统频域设计工具箱(Multi－VariableFrequencyDesignToolbox)15(6)定量反馈控制工具箱(QuantitativeFeedbackTheoryToolbox)(7)频域系统辨识工具箱(FrequencyDomainSystemIdentifica-tionToolbox)(8)系统辨识工具箱(SystemIdentificationToolbox)(9)神经网工具箱(NeuralNetworkToolbox)(10)小波分析工具箱(WaveletToolbox)(11)最优化工具箱(OptimizationToolbox)(12)偏微分方程工具箱(PartialDifferentialEquationToolbox)(13)信号处理工具箱(SignalProcessingToolbox)(14)图像处理工具箱(1mageProcessingToolbox)(15)扩展符号数学工具箱(ExtendedSymbolicMathToolbox)1.2.3MATLAB的主要管理命令help命令:helpexp，helpsimulink等；lookfor命令:lookfor关键词，例：lookforfourier；demo:运行演示程序；16who命令：列出当前工作空间的变量；whos命令:列出当前工作空间的变量(长表)；clear命令：清除工作空间的所有变量；save和load命令:在MATLAB的CommandWindow中可以方便地将数据存成文件，也可以随时调用数据文件。这可通过选择CommandWindow的菜单项File\SaveWorkspaceAs…来实现。注意，所有MATLAB的数据文件后缀名必须为mat,即：XXX.mat。数据的存储和调用，除了菜单操作之外，还可以直接在工作空间中输入命令。键入命令save，则将工作空间中所有变量存入到磁盘上的MATLAB.mat文件中，当MATLAB再被运行时，键入命令1oad，则将这些变量从MATLAB.mat文件中调出并重新装入到MATLAB的工作空间中去。17save和1oad命令的后边也可以跟文件名和指定的变量名，若仅是直接使用save和load命令，则只能将所有变量存入到MATLAB.mat文件中和从MATLAB.mat文件中将所有变量重新装人工作空间，而加上文件名和指定的变量名后可实现好几种功能，如：Savesy将所有变量存入到sy.mat文件中；1oadsy将变量从sy.mat文件中调出来，放入当前的工作空间中；若欲存入指定的变量到某个文件中，可使用savesyxy；loadsyxy将存入的指定变量x,y从sy.mat文件中重新调出到当前工作空间中。此外，SIMULINK也可产生.mat文件，其调用方法与上述方法相同。1.2.4MATLAB的基本使用方法有三种方法使用MATLAB：（1）演草纸式的数学运算18用MATLAB进行数学运算，就像在计算器上算算术一样简单方便。因此，MATLAB被誉为“演草纸式的科学计算语言”。例如，在MATLAB的CommandWindow下可以极为方便地进行下列算术运算：4+6+2↙ans=12注意，输入who↙命令可检查在工作空间中所建立的变量名。当前工作空间中的变量ans为默认变量，这意味着如果我们没有指定变量的话