MATLAB工具箱與Simulink

1、2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink1 第七章 MATLAB工具箱與Simulink MATLAB工具箱已經成為一個系列產品，MATLAB主工具 箱和各種工具箱（toolbox ）。 simulink 是實現動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個集成環(huán) 境，把理論研究和工程實踐有機的結合在一起。 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink2 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充 MATLAB的數值計算、符號運算功能、 圖形建模仿真功能、文字處理功能以及 與硬件實時交互功能，能夠用于多種學 科。 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulin

2、k3 領域型工具箱 專用型 領域型工具箱是學科專用工具 箱，其專業(yè)性很強，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。只適用于相關專業(yè)。 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink4 MATLAB常用工具箱 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

3、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 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink5 Image Processing Toolbox圖象處理工具箱 LMI Control Toolbox線性矩陣不等式工具箱 Model predictive Control Toolbox模型預測控制 工具箱 -Analysis and Synthesis Toolbox分析工具箱 Neural Network

4、 Toolbox神經網絡工具箱 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 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink6 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符號數學工具箱 Simulink Toolbox動態(tài)仿真工具箱 Wavele Toolbox小波工具箱 等等 2021-6-24

5、MATLAB工具箱與Simulink7 例如：控制系統(tǒng)工具箱 連續(xù)系統(tǒng)設計和離散系統(tǒng)設計 狀態(tài)空間和傳遞函數以及模型轉換 時域響應（脈沖響應、階躍響應、斜坡響應） 頻域響應（Bode圖、Nyquist圖） 根軌跡、極點配置 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink8 優(yōu)化工具箱 線型規(guī)劃和二次規(guī)劃 求函數的最大值和最小值 多目標優(yōu)化 約束條件下的優(yōu)化 非線型方程求解 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink9 信號處理工具箱 數字和模擬濾波器設計、應用及仿真 譜分析和估計 FFT、DCT等變換 參數化模型 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink10

6、學科前沿最新的工具箱 模糊控制邏輯工具箱 友好的交互設計界面，自適應神經- 模糊學習、聚類 神經網絡工具箱 神經網絡系統(tǒng)具有集體運算的能力 和自適應的學習能力。具有很強的容錯 性和魯棒性，善于聯(lián)想、綜合和推廣。 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink11 MATLAB6功能擴充的工具箱有： 控制系統(tǒng)工具箱、圖象處理工具箱、 神經元網絡工具箱、信號處理工具箱、 simulink仿真工具箱 MATLAB6新增工具箱有： 虛擬現實工具箱 電力系統(tǒng)工具箱 儀器儀表控制工具箱 報告編輯工具箱 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink12 工具箱的擴充功能： 用戶可以修改工具

7、箱中的函數，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。此功能充分體現了MATLAB語言的 開發(fā)性。 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink13 二、通用工具箱 MATLAB主工具箱 前面課程所介紹的數值計算、符號運算、 繪圖以及句柄繪圖都是MATLAB主工具 箱的內容，是MATLAB的基本部分，也 是我們課程的重點。 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。 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink14 除toolboxMATLAB之

8、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選 擇購買的。 MATLAB主工具箱共有21個函數庫 datafun 數據分析函數庫 sounds 聲音處理函數庫 dde 動態(tài)數據交換函數庫 elfun 初等數學函數庫 specmat 特殊矩陣函數庫 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink15 elmat 初等矩陣和時間函數庫 funfun 函數功能和數學分析函數庫 general 通用命令函數庫 graphics 通用圖形函數庫 iofun 底層輸入輸出函數庫 lang 語言結構函數庫 matfun 矩陣線性代數函數庫 ops 運算符

9、和邏輯函數庫 plotxy 二維繪圖函數庫 plotxyz 三維繪圖函數庫 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink16 color 顏色和光照函數庫 polyfun 多項式函數庫 sparfun 稀疏矩陣函數庫 strfun 字符串函數庫 demos MATLAB演示函數庫 MATLAB6新增函數庫: uitools 圖形界面函數庫 datatypes 數據類型函數庫 graphics 句柄繪圖函數庫 graph3d 三維繪圖 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink17 各函數庫中的函數可用help 函數庫 名查詢，或type 函數名方法查詢 例：help pl

10、otxy Two 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. 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink18 Specialized X-Y graphs. polar - Polar coordinate plot. bar - Bar graph

11、. stem - Discrete 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. 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink19 Graph annotation. title

12、 - Graph title. xlabel - X-axis label. ylabel - Y-axis label. text - Text annotation. gtext - Mouse placement of text. grid - Grid lines. See also PLOTXYZ, GRAPHICS. 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink20 help specmat compan - Companion matrix. gallery - Several small test matrices. hadamard - Hadamard matri

13、x. hankel - Hankel matrix. hilb - Hilbert matrix. invhilb - Inverse Hilbert matrix. magic - Magic square. pascal - Pascal matrix. toeplitz - Toeplitz matrix. vander - Vandermonde matrix. 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink21 2. 符號運算工具箱 主要功能以符號為對象的數學。 在大學教學中，符號數學是各專業(yè)都能 用到的。 符號運算無須事先對獨立變量賦值，運 算結果以標準的符號形式表達。 特

14、點： 運算對象可以是沒賦值的符號變量 可以獲得任意精度的解 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink22 符號運算的功能 符號表達式、符號矩陣的創(chuàng)建 符號可變精度求解 符號線性代數 因式分解、展開和簡化 符號代數方程求解 符號微積分 符號微分方程 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink23 3. Simulink動態(tài)仿真工具箱 simulink工具箱簡介 simulink 是實現動態(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 得到進一步擴展，它可以非常容易的實現 可視化建模，把理論研究和工程實踐有機 的結合在一起。 大部分專用工具箱只要以MATL

15、AB主包為 基礎就能運行，有少數工具箱（通訊工具 箱、信號處理工具箱等）則要求有 simulink工具箱的支持。 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink24 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 型進行仿真、分析和修改。 不用命令行編程，由方框圖產生m文件 （s函數） 當創(chuàng)建好的框圖保存后，相應的m文件就 自動生成，這個.m文件包含了該框圖的 所有圖形及數學關系信息。 框圖表示比較直觀，容易構造，運行速 度較快。 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink25 Simulink優(yōu)點 適應面廣：包括線性、非線性系 統(tǒng)；

16、離散、連續(xù)系統(tǒng) 結構和流程清晰：以方塊圖形式 呈現， 仿真精細、貼近實際 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink26 simulink 的模型： simulink模型在視覺上表現為方框圖，在文 件上則是擴展名為m的ASCII代碼 （MATLAB6是擴展名為mdl的ASCII代碼）； 在數學上體現為一組微分方程或差分方程； 在行為上模擬了物理器件構成的實際系統(tǒng)的 動態(tài)特性。 simulink 的一般結構： 輸入系統(tǒng)輸出 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink27 仿真原理 當在框圖視窗中進行仿真的同時， MATLAB 實際上是運行保存于simulink內 存中s函

17、數的映象文件，而不是解釋運行 該m文件。 s函數并不是標準m文件，它m文件的一種 特殊形式。 結構圖創(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 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink28 三、工具箱和工具箱函數的查詢辦法 MATLAB的目錄結構 目錄樹 c:MATLABbin c:MATLABextern c:MATLABsimulink c:MATLABtoolboxcomm c:MATLABtoolboxcontrol c:MATLABtoolboxsymbolic . . . 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink29 MATLABbin

18、 該目錄包含MATLAB系統(tǒng)運 行文件，MATLAB幫助文件及一些必需的二進 制文件。 MATLABextern 包含MATLAB與 C, FORTRAN 語言的交互所需的函數定義和連接 庫。 MATLABsimulink 包含建立simulink MEX-文件所必需的函數定義及接口軟件。 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目錄下的子目錄數量是隨安裝情 況而變的。 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink30 2. 工具箱 MATLAB toolbox工具箱在windows下由目 錄檢索得到。

19、 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 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink31 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 pd

20、e esmutools stats 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink32 3. 工具箱函數清單的獲得 所有工具箱中都有函數清單文件contents.m, 可用各種方法得到工具箱函數清單 執(zhí)行在線幫助命令 help 工具箱名稱 列出該工具箱中contents.m的內容，顯示該工 具箱中所有函數清單 例如： help symbolic help optim 函數的查詢：help 函數名 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink33 使用type命令得到工具箱函數的清單 type signalcontents type optimcontents 如果在當前工具箱

21、目錄下可用 help contents type contents 得到該工具箱的函數清單 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 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink34 4. MATLAB函數的查閱與定位 which 函數名 給函數定位 例如: which laplace d:MATLAB42toolboxsymboliclaplace.m which fft2 d:MATLAB42toolboxMATLABdatafunfft2.m which poly d:MATLAB42toolboxMATL

22、ABpolyfunpoly.m 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink35 which constr d:MATLAB42toolboxoptimconstr.m which plot plot is a built-in function. which 命令只能定位MATLAB的外部命令， 而對內部命令是無效的。 MATLAB內部函數只能通過contents.m工 具箱清單文件來查詢 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink36 Simulink與系統(tǒng)仿真 Simulink的產生 1990年MathWorks公司為MATLAB增加了用于建立系統(tǒng) 框圖和仿真的環(huán)境

23、 1992年公司將該軟件改名為SIMULINK Simulink可以搭建： （1）通信系統(tǒng)物理層和數據鏈路層； （2）動力學系統(tǒng)； （3）控制系統(tǒng)； （4）數字信號處理系統(tǒng)； （5）電力系統(tǒng)； （6）生物系統(tǒng)； （7）金融系統(tǒng)等。 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink37 較為流行的版本有 與MATLAB5.2配用的Simulink2.2 與MATLAB5.3配用的Simulink3.0 與MATLAB6.0配用的Simulink4.0 與MATLAB7.0配用的Simulink6.0。 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink38 Simulink的使用 1.

24、 Simulink的啟動 (1)在MATLAB的命令窗口直接鍵入simulink。 (2) 工具欄上的Simulink模塊庫瀏覽器命令按鈕 (3) File菜單中選擇New菜單項下的Model命令 2. Simulink的退出 關閉所有模型窗口和Simulink模塊庫窗口即可 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink39 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink40 SIMULINK的模塊庫介紹 SIMILINK模塊庫按功能進行分類，包括以下8類子庫： Continuous（連續(xù)模塊） Discrete（離散模塊） Function&Tables（函數和平臺模塊）

25、Math（數學模塊） Nonlinear（非線性模塊） Signals&Systems（信號和系統(tǒng)模塊） Sinks（接收器模塊） Sources（輸入源模塊） 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink41 建模與仿真 建模仿真的一般過程是： 打開一個空白的編輯窗口； 將模塊庫中模塊復制到編輯窗口里，并依照給 定的框圖修改編輯窗口中模塊的參數； 將各個模塊按給定的框圖連接起來； 用菜單選擇或命令窗口鍵入命令進行仿真分析， 在仿真的同時，可以觀察仿真結果，如果發(fā)現 有不正確的地方，可以停止仿真，對參數進行 修正； 1. 如果對結果滿意，可以將模型保存。 2021-6-24MATLA

26、B工具箱與Simulink42 例1 設計一個簡單的模型，其功能是將一 正弦信號輸出到示波器中 解題步驟： (1) 新建一個模型窗口： (2) 為模型添加所需模塊： (3) 連接相關模塊，構成所需要的系統(tǒng)模型： (4) 進行系統(tǒng)仿真： (5) 觀察仿真結果： 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink43 例1 演示 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink44 Simulink的基本模塊 Simulink（系統(tǒng)仿真模塊庫） Communications Blockset（通信模塊庫） DSP Blockset（數字信號處理模塊庫） Control System To

27、olbox（控制系統(tǒng)模塊庫） 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink45 Simulink模塊庫包含的子模塊庫 （1）Commonly Used Blocks模塊庫，為仿真提供常用元件； （2）Continuous模塊庫，為仿真提供連續(xù)系統(tǒng)； （3）Discontinuous模塊庫，非連續(xù)系統(tǒng)元件； （4）Discrete模塊庫，為仿真提供離散元件； （5）Logic and Bit Operations模塊庫，提供邏輯運算和位運算的元件； （6）Lookup Tables模塊庫，線形插值查表模塊庫； （7）Math Operations模塊庫，提供數學運算功能元件； （8）M

28、odel Verification模塊庫，模型驗證庫； （9）Model-Wide Utilities模塊庫； （10）Ports and Subsystems模塊庫，端口和子系統(tǒng)； （11）Signals Attributes模塊庫，信號屬性模塊； （12）Signals Routing模塊庫，提供用于輸入、輸出和控制的相關信號及相關處理； （13）Sinks模塊庫，為仿真提供輸出設備元件； （14）Sources模塊庫，為仿真提供各種信號源； （15）User-defined Functions模塊庫，用戶自定義函數元件； （16）Additional Math &Discrete模塊庫。 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink46 功能模塊的處理 基本操作包括： 1. 選取模塊 2. 復制與刪除模塊 3. 模塊的參數和屬性設置 4. 模塊外形的調整 5. 模塊名的處理 6. 模塊的連接 7. 在連線上反映信息 2021-6-24MATLAB工具箱與Simulink47 設置仿真參數 仿真參數對話框 設置如下仿真參數： Solver（算法） Data Import/Export（數據輸入輸出） Diagnostics（診斷） Optimization（優(yōu)化） Hardware Implemen