【文章內(nèi)容簡介】 的新墨西哥大學計算機系主任Moler 教授在講授線性代數(shù)課程時，發(fā)現(xiàn)了用其他高級語言編程極為不便，便構(gòu)思并開發(fā)了MATLAB(MATrix Laboratory，即矩陣實驗室)，這一軟件利用了當時數(shù)值線性代數(shù)領(lǐng)域最高水平的EISPACK和LINPACK兩大軟件包中可靠的子程序，用Fortran語言編寫了集命令翻譯、科學計算于一身的一套交互式軟件系統(tǒng)。所謂交互式語言，是指人們給出一條命令，立即就可以得出該命令的結(jié)果。該語言無需像C和Fortran語言那樣，首先要求使用者去編寫源程序，然后對之進行編譯、連接，最終形成可執(zhí)行文件。這無疑會給使用者帶來了極大的方便。早期的MATLAB是用Fortran語言編寫的，只能作矩陣運算；繪圖也只能用極其原始的方法，即用星號描點的形式畫圖；內(nèi)部函數(shù)也只提供了幾十個。但即使其當時的功能十分簡單，當它作為免費軟件出現(xiàn)以來，還是吸引了大批的使用者。CleveMoler和JohnLittle等人成立了一個名叫TheMathWorks的公司，CleveMoler一直任該公司的首席科學家。該公司于1984年推出了第一個 MATLAB 的商業(yè)版本。當時的MATLAB版本已經(jīng)用C語言作了完全的改寫，其后又增添了豐富多彩的圖形圖像處理、多媒體功能、符號運算和它與其他流行軟件的接口功能，使得MATLAB的功能越來越強大。The MathWorks 公司于1992年推出了具有劃時代意義的MATLAB ，并于1993年推出了其微機版,可以配合Microsoft Windows一起使用，使之應(yīng)用范圍越來越廣。. 版本的功能，尤其在圖形界面設(shè)計方面更提供了新的方法。，如單元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體、多維矩陣、對象與類等，使其成為一種更方便編程的語言。(Release 12)，在核心數(shù)值算法、界面設(shè)計、外部接口、應(yīng)用桌面等諸多方面有了極大的改進。新的版本集中了日常數(shù)學處理中的各種功能，包括高效的數(shù)值計算、矩陣運算、信號處理和圖形生成等功能。在MATLAB環(huán)境下，用戶可以集成地進行程序設(shè)計、數(shù)值計算、圖形繪制、輸入輸出、文件管理等各項工作。 MATLAB提供了一個人機交互的數(shù)學系統(tǒng)環(huán)境，該系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是矩陣，在生成矩陣對象時，不要求作明確的維數(shù)說明。與利用c語言或其它語言作數(shù)值計算的程序設(shè)計相比，利用MATLAB可以節(jié)省大量的編程時間。MTALAB系統(tǒng)由五個主要部分組成，下面分別加以介紹。 (1)MATLAB語言體系 MATLAB是高層次的矩陣/數(shù)組語言，具有條件控制、函數(shù)調(diào)用、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入輸出、面向?qū)ο蟮瘸绦蛘Z言特性。利用它既可以進行小規(guī)模編程，完成算法設(shè)計和算法實驗的基本任務(wù)，也可以進行大規(guī)模編程，開發(fā)復雜的應(yīng)用程序。 (2)MATLAB工作環(huán)境 這是對MATLAB提供給用戶使用的管理功能的總稱。包括管理工作空間中的變量據(jù)輸入輸出的方式和方法，以及開發(fā)、調(diào)試、管理M文件的各種工具。 (3)圖形對象系統(tǒng) 這是MATLAB圖形系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括完成2D和3D數(shù)據(jù)圖示、圖像處理、動畫生成、圖形顯示等功能的高層MATLAB命令，也包括用戶對圖形圖像等對象進行特性控制的低層MATLAB命令，以及開發(fā)GUI應(yīng)用程序的各種工具。 (4)MATLAB數(shù)學函數(shù)庫 這是對MATLAB使用的各種數(shù)學算法的總稱．包括各種初等函數(shù)的算法，也包括矩陣運算、矩陣分析等高層次數(shù)學算法。 (5)MATLAB應(yīng)用程序接口(API) 這是MATLAB為用戶提供的一個函數(shù)庫，使得用戶能夠在MATLAB環(huán)境中使用C程序或FORTRAN程序，包括從MATLAB中調(diào)用于程序(動態(tài)鏈接)，讀寫MAT文件的功能。 由此可以看出MATLAB是一個功能十分強大的系統(tǒng)，是集數(shù)值計算、圖形管理、程序開發(fā)為一體的環(huán)境。除此之外，MATLAB還具有很強的功能擴展能力，與它的主系統(tǒng)一起，可以配備各種各樣的工具箱，以完成一些特定的任務(wù)。用戶可以根據(jù)自己的工作任務(wù)，開發(fā)自己的工具箱。雖然MATLAB語言是計算數(shù)學專家倡導并開發(fā)的，但其普及和發(fā)展離不開自動控制領(lǐng)域?qū)W者的貢獻。甚至可以說，MATLAB語言是自動控制領(lǐng)域?qū)W者和工程技術(shù)人員捧紅的，因為在MATLAB語言的發(fā)展進程中，許多有代表性的成就和控制界的要求與貢獻是分不開的。迄今為止，大多數(shù)工具箱也都是控制方面的。MATLAB具有強大的數(shù)學運算能力、方便實用的繪圖功能及語言的高度集成性，它在其他科學與工程領(lǐng)域的應(yīng)用也是越來越廣，并且有著更廣闊的應(yīng)用前景和無窮無盡的潛能。子曰：“工欲善其事，必先利其器”。如果有一種十分有效的工具能解決在教學與研究中遇到的問題，那么MATLAB語言正是這樣的一種工具。它可以將使用者從繁瑣、無謂的底層編程中解放出來，把有限的寶貴時間更多地花在解決問題中，這樣無疑會提高工作效率。目前，MATLAB已經(jīng)成為國際上最流行的科學與工程計算的軟件工具，現(xiàn)在的MATLAB已經(jīng)不僅僅是一個“矩陣實驗室”了，它已經(jīng)成為了一種具有廣泛應(yīng)用前景的全新的計算機高級編程語言了，有人稱它為“第四代”計算機語言，它在國內(nèi)外高校和研究部門正扮演著重要的角色。MATLAB語言的功能也越來越強大，不斷適應(yīng)新的要求提出新的解決方法?？梢灶A見，在科學運算、自動控制與科學繪圖領(lǐng)域MATLAB語言將長期保持其獨一無二的地位。 MATLAB的特色在MATLAB產(chǎn)品家族中，MATLAB工具箱是整個體系的基座，它是一個語言編程型（M語言）開發(fā)平臺，提供了體系中其它工具所需要的集成環(huán)境（比如M語言的解釋器）。同時由于MATLAB對矩陣和線性代數(shù)的支持使得工具箱本身也具有強大的數(shù)學計算能力。 MATLAB (MATrix LABoratory)具有用法簡易、可靈活運用、程式結(jié)構(gòu)強又兼具延展性。以下為其幾個特色：＊ 功能強的數(shù)值運算 在MATLAB環(huán)境中，有超過500種數(shù)學、統(tǒng)計、科學及工程方面的函數(shù)可使用，函數(shù)的標示自然，使得問 題和解答像數(shù)學式子一般簡單明了，讓使用者可全力發(fā)揮在解題方面，而非浪費在電腦操作上。＊ 先進的資料視覺化功能 MATLAB的物件導向圖形架構(gòu)讓使用者可執(zhí)行視覺數(shù)據(jù)分，并制作高品質(zhì)的圖形，完成科學性或工程 性圖文并茂的文章。＊ 高階但簡單的程式環(huán)境 做為一種直譯式的程式語言，MATLAB容許使用者在短時間內(nèi)寫完程式，所花的時間約為用 FORTRAN 或 C 的幾分之一，而且不需要編譯(pile)及聯(lián)結(jié) (link) 即能執(zhí)行，同時包含了更多及更容易使用的內(nèi)建功能。＊ 開放及可延伸的架構(gòu) MATLAB容許使用者接觸它大多數(shù)的數(shù)學原使碼，檢視運算法，更改現(xiàn)存函數(shù)，甚至加入自己的函數(shù)使 MATLAB成為使用者所須要的環(huán)境。＊ 豐富的程式工具箱 MATLAB的程式工具箱融合了套裝前軟體的優(yōu)點，與一個靈活的開放但容易操作之環(huán)境，這些工具箱提 供了使用者在特別應(yīng)用領(lǐng)域所需之許多函數(shù)?，F(xiàn)有工具箱有：符號運算（利用Maple V的計算核心執(zhí)行）、影像處理、統(tǒng)計分析、訊號處理、神經(jīng)網(wǎng)路、模擬分析、控制系統(tǒng)、即時控制、系統(tǒng)確認、強建控 制、弧線分析、最佳化、模糊邏輯、mu分析及合成、化學計量分析。MATLAB產(chǎn)品體系的演化過程經(jīng)過了很多的改進,但其最重要的一個體系變更是引入了Simulink，用來對動態(tài)系統(tǒng)建模仿真。其框圖化的設(shè)計方式和良好的交互性，對工程人員本身計算機操作與編程的熟練程度的要求降到了最低，工程人員可以把更多的精力放到理論和技術(shù)的創(chuàng)新上去。針對控制邏輯的開發(fā)，協(xié)議棧的仿真等要求，MathWorks公司在Simulink平臺上還提供了用于描述復雜事件驅(qū)動系統(tǒng)的邏輯行為的建模仿真工具— Stateflow，通過Stateflow，用戶可以用圖形化的方式描述事件驅(qū)動系統(tǒng)的邏輯行為，并無縫的結(jié)合到Simulink的動態(tài)系統(tǒng)仿真中。在MATLAB/Simulink基本環(huán)境之上，MathWorks公司為用戶提供了豐富的擴展資源，這就是大量的Toolbox和Blockset。從1985年推出第一個版本以后的近二十年發(fā)展過程中，MATLAB已經(jīng)從單純的Fortran數(shù)學函數(shù)庫演變?yōu)槎鄬W科、多領(lǐng)域的函數(shù)包，模塊庫的提供者。用戶在這樣的平臺上進行系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)就相當于已經(jīng)站在了巨人的肩膀上，眾多行業(yè)中的專家、精英們的智慧結(jié)晶可以信手拈來。同時，MATLAB開放的體系結(jié)構(gòu)允許用戶在平臺上進行自由擴展，目前在全世界范圍內(nèi)已經(jīng)有大量的商業(yè)的或者免費的MATLAB二次開發(fā)產(chǎn)品發(fā)布（比如FEMLAB和PSS）。換句話說，用戶購買一套MATLAB，獲得的是世界范圍的專家支持。而對于用戶自己開發(fā)的算法包，MATLAB也提供了包括Compiler應(yīng)用發(fā)布和Web網(wǎng)絡(luò)發(fā)布在內(nèi)的眾多方式的發(fā)布途徑，使得用戶一方面能夠充分地利用MATLAB的算法資源形成技術(shù)成果，同時又可以有效的保護自己的知識產(chǎn)權(quán)。在這樣一個產(chǎn)品體系中，我們可以看到，由于MATLAB具有極其豐富的Toolbox資源的支持，使得用戶可以方便的進行具有開創(chuàng)性的建模與算法開發(fā)工作，并通過MATLAB強大的圖形和可視化能力反映算法的性能和指標。所得到的算法則可以在Simulink環(huán)境中以模塊化的方式實現(xiàn)，通過全系統(tǒng)建模，進行全系統(tǒng)的動態(tài)仿真以得到算法在系統(tǒng)中的動態(tài)驗證。隨著MATLAB在行業(yè)內(nèi)影響力的快速擴大，與MathWorks公司形成戰(zhàn)略聯(lián)合的公司和尋求與MATLAB進行接口的軟硬件產(chǎn)品的也日益增多。目前MATLAB所支持的第三方產(chǎn)品已經(jīng)有三百余種，分布在科學計算、機械動力學設(shè)計、化工、信息工程，汽車、金融財務(wù)等各個學科領(lǐng)域，接口方式包括聯(lián)合建模、數(shù)據(jù)共享、開發(fā)流程拼接等等?？傊?，MathWorks致力于為工程師，科研工作者提供最好的語言，最好的工具和環(huán)境，擴大工程師的視野，提高生產(chǎn)率，增進學習能力，進行開創(chuàng)性的研究工作。今天， MATLAB 已經(jīng)成為廣大科研人員的最值得信賴的助手和朋友！ M函數(shù)的編寫MATLAB支持變量和常量，其中pi為圓周率p,更重要的，MATLAB支持IEEE標準的運算符號，如Inf表示無窮大，NaN (Not a Number)為0/0, 0*Inf 或 Inf/Inf 等運算結(jié)果。MATLAB變量名應(yīng)該由字母引導，后面可以跟數(shù)字、字母或下劃線等符號。MATLAB是區(qū)分變量名字母大小寫的。MATLAB語言的賦值語句有兩種：☆ 變量名 = 運算表達式☆ [返回變量列表] = 函數(shù)名(輸入變量列表)所謂MATLAB程序，大致分為以下的兩類：M腳本文件(MScript)和M函數(shù)(Mfunction),它們均是普通的ASCII碼構(gòu)成的文件。M腳本文件中包含有一族由MATLAB語言所支持的語句，它類似于DOS下的批處理文件，它的執(zhí)行方式很簡單，用戶只需在MATLAB的提示符下鍵入該M文件的文件名，這樣MATLAB就會自動執(zhí)行該M文件中的各條語句，并將結(jié)果直接返回到MATLAB的工作空間。M 函數(shù)格式是 MATLAB 程序設(shè)計的主流，一般情況下，不采用使用M腳本文件格式編程。MATLAB的 M 函數(shù)是由 function 語句引導的，其基本格式如下：function [返回變量列表] = 函數(shù)名 (輸入變量列表)注釋說明語句段，由%引導輸入、返回變量格式的檢測函數(shù)體語句這里輸入和返回變量的實際個數(shù)分別由nargin和nargout兩個MATLAB保留變量來給出，只要進入該函數(shù)，MATLAB就將自動生成這兩個變量，不論您是否直接使用這兩個變量。返回變量如果多于1個，則應(yīng)該用方括號將它們括起來，否則可以省去方括號。輸入變量和返回變量之間用逗號來分割。注釋語句段的每行語句都應(yīng)該由百分號%引導，百分號后面的內(nèi)容不執(zhí)行，只起注釋作用。用戶采用help命令則可以顯示出來注釋語句段的內(nèi)容。此外，正規(guī)的變量個數(shù)檢測也是必要的。如果輸入或返回變量格式不正確，則應(yīng)該給出相應(yīng)的提示。在設(shè)計過程中我們就用到了M函數(shù)編程的方法。 Simulink仿真因我們在設(shè)計過程中也用到了Simulink，因而下面我們對Simulink加以介紹。前面已經(jīng)說過:Simulink是MATLAB軟件的擴展，它是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模和仿真的一個軟件包，它與MATLAB語言的主要區(qū)別在于，其與用戶交互接口是基于Windows的模型化圖形輸入，其結(jié)果是使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非語言的編程上。下面就Simulink簡單介紹一下，讓大家有更好的了解。在對控制系統(tǒng)進行仿真時，一般必須加入時鐘信號，以給出仿真時間和便于使用變步長仿真。為了將仿真結(jié)果返回工作空間，還應(yīng)該加上To Workspace 模塊，將輸出和時間變量都返回。注意在選擇To Workspace 模塊參數(shù)時，輸出向量的最大保存行數(shù)一定要與時間變量的最大保存行數(shù)保持一致，否則，就不能用plot( )函數(shù)在命令空間中畫曲線。 Simulink基礎(chǔ)常識MATLAB產(chǎn)品體系的演化歷程中最重要的一個體系變更就是引入了著名的Simulink，用來對動態(tài)系統(tǒng)建模仿真。其框圖化的設(shè)計方式和良好的交互性，對工程人員本身計算機操作與編程的熟練程度的要求降到了最低，工程人員可以把更多的精力放到理論和技術(shù)的創(chuàng)新上去。在Matlab中，Simulink是一個比較特別的工具箱，它是一個進行動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包。它的出現(xiàn)可以使仿真工作以結(jié)構(gòu)圖的形式加以進行，且采用分層結(jié)構(gòu)。從建模角度講，這既適合于Top－down的設(shè)計流程，又適合于Bottum－up逆程設(shè)計。從仿真角度講，Simulink模型不僅能讓用戶知道具體環(huán)節(jié)的動態(tài)細節(jié)，而且能夠讓用戶清晰地了解各種器件、各子系統(tǒng)、各系統(tǒng)間的信息交換，掌握各部分之間的交互影響，同時可以借助模擬示波器將仿真動態(tài)結(jié)果加以顯示，因而仿真結(jié)果過程十分直觀。更為可貴的是Matlab/simulink的開放性，用戶可以根據(jù)自己的需要開發(fā)自己的模型，并通過封裝擴充現(xiàn)有的模型庫。Simulink的模型化圖形輸入是指Simulink提供了一些按功能分類的基本的系統(tǒng)模塊，用戶只需要知道這些模塊的輸入輸出及模塊的功能，而不必考察模塊內(nèi)部是如何實現(xiàn)的，通過對這些基本模塊的調(diào)用，再將它們連接起來就可以構(gòu)成所需要的系統(tǒng)模型（），進而進行仿真與分析。Simulink的啟動時，在MATLAB命令窗口中輸入simulink，結(jié)果是在桌