【文章內(nèi)容簡介】 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，因此，利用 MATLAB 可以節(jié)省大量的編程時間。 2020 年 6 月 Mathworks 公司正式推出MATLAB Release 13，即 MATLAB ／ Simulink 這是目前應(yīng)用最廣的版本。 MATLAB 主要由 C 語言編寫而成，采用 LAPACK 為底層支持軟件包。 MATLAB 的編程非常簡單，它有著比其他任何計算機高級語言更高的編程效 率、 更好的代碼可讀性和移植性，以致被譽為“第四代”計算機語言，MATLAB 是所有 MathWorks 公司產(chǎn)品的數(shù)值分析和圖形基礎(chǔ)環(huán)境。此外MATLAB 還擁有強大的 2D 和 3D 甚至動態(tài)圖形的繪制功能，這樣用戶可以更直觀、更迅速的進行多種算法的比較，從中找出最好的方案。 從通信系統(tǒng)分析與設(shè)計、濾波器設(shè)計、信號處理、小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)到控制系統(tǒng)、模糊控制等方面來看， MATLAB 提供了大量的面向?qū)I(yè)領(lǐng)域的工具箱。通過工具箱，以往需要復(fù)雜編程的算法開發(fā)任務(wù)往往只需一個函數(shù)就能實現(xiàn)，而且工具箱是開放的可擴展集，用戶可以查 看或修改其中的算法，甚至開發(fā)自己的算法。 目前， MATLAB 已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工程設(shè)計的各個領(lǐng)域，如電子、通信等領(lǐng) 域；它已成為國際上最流行的計算機仿真軟件設(shè)計工具?，F(xiàn)在的 MATLAB不再僅僅是一個矩陣實驗室，而是一種實用的、功能強大的、不斷更新的高級計算機編程語言。 MATLAB 的主要特點 （ 1） 科學(xué)計算 MATLAB 是一種面向科學(xué)與工程計算的高級語言，允許采用數(shù)學(xué)形式的語言編寫程序。用 MATLAB 編寫程序猶如在演算紙上排列出公式與求解問題，因此 MATLAB 語言被稱為“演算紙式”科學(xué)計算語言。 MATLAB 擁有五百多種數(shù)學(xué)、統(tǒng)計及工程函數(shù)，可使用戶立刻實現(xiàn)所需強大的數(shù)學(xué)計算功能。 （ 2） 先進的可視化工具 MATLAB 提供功能強大的、交互式的二維繪圖和三維繪圖功能。可使用戶創(chuàng)建富有表現(xiàn)力的彩色圖形。 （ 3） 直觀靈活的語言 MATLAB 不僅僅是是一套打好包的函數(shù)庫，同時也是一種高級的、面向?qū)ο蟮木幊陶Z言。 （ 4） 開放性、可擴展性強 M 文件是可見的 MATLAB 程序，所以用戶可以查看源代碼。開放的系統(tǒng)設(shè)計使用戶能夠檢查算法的正確性，修改已存在的函數(shù)，或者加入自己的新部件。 （ 5） 特殊應(yīng)用工具箱 MATLAB 的工具箱加強了對工程及科學(xué)種 特殊應(yīng)用的支持。工具箱也和MATLAB 一樣是完全用戶化的，可擴展性強。將某個或某幾個工具箱與 MATLAB聯(lián)合使用，可以得到一個功能強大的計算組合包，滿足用戶的特殊要求。 （ 6） 使用方便 MATLAB 語言是一種解釋型語言，執(zhí)行之前不需要進行專門的編譯。一般情況下，在采用任何高級語言編寫和調(diào)試程序時需要經(jīng)歷 4 個階段，即編輯、編譯、鏈接以及執(zhí)行調(diào)試，并且這四個步驟之間是順次執(zhí)行的。 MATLAB 語言與其他語言相比，較好地解決了上述的問題。 （ 7） 強大的圖形處理功能 [10] MATLAB 的功能 MATLAB 之所以成 為世界頂級的科學(xué)計算與數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件 ,是因為它隨著版本的升級與不斷完善而具有愈來愈強大的功能。 （ 1） 數(shù)值計算功能。 MATLAB 出色的數(shù)值計算功能是使之優(yōu)于其他數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件的決定性因素之一。 （ 2） 符號計算功能。 MATLAB 符號運算的獨特之處 :無須事先對變量賦值 ,而所得的結(jié)果以標(biāo)準(zhǔn)的符號形式表達 ,符號計算的整個過程以字符進行。 （ 3） 數(shù)據(jù)分析功能。 MATLAB 可以給計算數(shù)據(jù)以二維、三維乃至四維的圖形表 現(xiàn)。這不僅使數(shù)據(jù)間的關(guān)系清晰明了 ,而且對于揭示其內(nèi)在本質(zhì)有著非常重要的作用。 （ 4） 動態(tài)仿真功能。 MATLAB 提供了一個模擬動 態(tài)系統(tǒng)的交互程序SIMULINK 用戶通過簡單的鼠標(biāo)操作 ,就可建立起直觀的系統(tǒng)模型 ,并進行仿真[14]。 （ 5） 圖形文字統(tǒng)一處理功能。 MATLAB Notebook 成功地將 Microsoft Word 與 MATLAB 集成為一個整體 ,為文字處理、科學(xué)計算、工程設(shè)計營造了一個完美統(tǒng)一的工作環(huán)境。它既擁有 Word 強大的文字處理功能 ,又能從 Word 訪問 MATLAB 的數(shù)據(jù)計算和可視化結(jié)果。 MATLAB 系統(tǒng)的組成 （ 1） 編程語言：它是以矩陣和數(shù)組為基本單位的編程語言。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(fù)雜的應(yīng)用程序。 （ 2） 工作環(huán)境： 包括了一系列的應(yīng)用工具，提供編寫和調(diào)試程序的環(huán)境。 （ 3） 圖形處理：這是 MATLAB 圖形系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括繪制二維和三維圖形，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） 數(shù)學(xué)函數(shù)庫：包括了大量的數(shù)學(xué)函數(shù)，也包括復(fù)雜的功能。這是對 MATLAB 使用的各種數(shù)學(xué)算法的總稱。 （ 5） 應(yīng)用程序接口 (API)：提供接口程序， 使 MATLAB 可以與用其他語言編寫的程序進行交互。 MATLAB 的仿真應(yīng)用及應(yīng)用領(lǐng)域 現(xiàn)在從電子通信、自動控制圖形分析處理到航天工業(yè)、汽車工業(yè)，甚至是財務(wù)工程。 MATLAB 都憑借其強大的功能獲得了極大的用武之地。廣大學(xué)生可以使用 MATLAB 來幫助進行信號處理、通信原理、線性系統(tǒng)、自動控制等課程的學(xué)習(xí)；科研工作者可以使用 MATLAB 進行理論研究和算法開發(fā)；工程師可以使用 MATLAB 進行系統(tǒng)級的設(shè)計與仿真。如今 MATLAB 在系統(tǒng)級設(shè)計和仿真方面的強大能力已經(jīng)獲得了包括 Texas Instruments 和 Motorola 這樣的世界著名公司的認(rèn)可， Texas Instruments 公司的工程師們使用 MATLAB 直接在可復(fù)用高層系統(tǒng)模型下面提煉實現(xiàn)細(xì)節(jié)，同時生成實時軟件原型；Motorola 公司的 IC 設(shè)計師甚至認(rèn)為 Simulink 的使用大大加快了產(chǎn)品設(shè)計的仿 真速度，使仿真時間由原來的幾小時、幾天縮短到了幾分鐘！ MATLAB 的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括： （ 1） 仿真和建模 （ 2） 實時仿真 （ 3） 自動控制 （ 4） 信號處理與通信 （ 5） 數(shù)據(jù)分析 /科學(xué)計算 （ 6） 算法開發(fā) （ 7） 圖形和可視化法 （ 8） 獨立應(yīng)用開發(fā) Simulink 簡介 Simulink 相關(guān)內(nèi)容 近幾年，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)領(lǐng)域， Simulink 已成為在動態(tài)系統(tǒng)領(lǐng)域建模和仿真方面分， Simulink 具有相對獨立的功能和使用方法。確切的說，它是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、應(yīng)用最廣泛的軟件包之一 。它的魅力在于強大的功能和簡便的操作。作為 MATLAB 的重要組成部仿真和分析的軟件包 [5]。它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，也支持具有多種采樣頻率的系統(tǒng)，而且系統(tǒng)可以是多進程的。在 Simulink 環(huán)境中，利用鼠標(biāo)就可以在模型窗口中直觀地 畫 出系統(tǒng)模型，然后直接進行仿真。它為用戶提供了方框 圖進行建模的圖形接口，采用這種結(jié)構(gòu)畫模型就像你用手和紙來畫一樣容易。它與傳統(tǒng)的仿真軟件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點。 Simulink 包含有 SINKS（輸出方式）、 SOURCE（輸入源）、 LINEAR（線性環(huán)節(jié)）、 NONLINEAR（非線性環(huán)節(jié)）、 CONNECTIONS（連接與接口）和 EXTRA（其他環(huán)節(jié)）子模型庫，而且每個子模型庫中包含有相應(yīng)的功能模，用戶也可以定制和創(chuàng)建用戶自己的模塊 [5]。用 Simulink 創(chuàng)建的模型可以具有遞階結(jié)構(gòu)，因此用戶可以采用從上到下或從下到上的結(jié) 構(gòu)創(chuàng)建模型。用戶可以從最高級開始觀看模型，然后用鼠標(biāo)雙擊其中的子系統(tǒng)模塊，來查看其下一級的內(nèi)容，以此類推，從而可以看到整個模型的細(xì)節(jié)，幫助用戶理解模型的結(jié)構(gòu)和各模塊之間的相互關(guān)系。在定義完一個模型后，用戶可以通過 Simulink 的菜單或 MATLAB的命令窗口鍵入命令來對它進行仿真。菜單方式對于交互工作非常方便，而命令行方式對于運行一大類仿真非常有用。采用 SCOPE 模塊和其他的畫圖模塊，在仿真進行的同時，就可觀看到仿真結(jié)果。除此之外，用戶還可以在改變參數(shù)后來迅速觀看系統(tǒng)中發(fā)生的變化情況。仿真的結(jié)果還可以存放到 MATLAB 的工作空間里做事后處理。 模型分析工具包括線性化和平衡點分析工具、 MATLAB 的許多工具及MATLAB 的應(yīng)用工具箱。由于 MATLAB 和 SIMULINK 的集成在一起的，因此用戶可以在這兩種環(huán)境下對自己的模型進行仿真、分析和修改。 Smulink 仿真原理 Simulink 通過利用模塊組合的方法可以方便用戶快速、準(zhǔn)確地創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)的計算機模型。它可以用來模擬線性與非線性系統(tǒng)，連續(xù)與非連續(xù)系統(tǒng)，或者這些混合的系統(tǒng)，是強大的系統(tǒng)仿真工具 [27]。 1. 典型的模型結(jié)構(gòu) Simulink 的每一個模塊實 際上都是一個系統(tǒng)、一個典型的 Simulink 模塊包括輸入、狀態(tài)和輸出三個部分： （ 1） 輸入模塊：即信號源模塊，包括常數(shù)信號源、函數(shù)信號發(fā)生器和用戶自定義信號； （ 2） 狀態(tài)模塊：即被模擬的系統(tǒng)模塊，它是 Simulink 的中心模塊，是系統(tǒng)建模的核心和主要部分； 輸出模塊：即信號顯示模塊，它能夠以圖形方式、文件格式進行顯示， 也可以在 MATLAB 的工作空間顯示，輸出模塊主要集中在 Sinks 庫。在 Simulink中，模塊都是用矢量來表示這三個部分的，如圖 1 所示 2. Simulink 仿真過程 Simulink 仿真 分為兩個階段：初始化和模型執(zhí)行。 （ 1） 初始化階段 初始化階段需要完成的主要工作及其步驟如下： ? 對模型的參數(shù)進行估計，得到它們實際計算的值。 ? 展開模型的各個層次。 ? 按照更新的次序?qū)δK進行排序。 ? 確定那些非顯示化的信號屬性，并檢查每個模塊是否能夠接受連接到它們輸入端的信號。 ? 確定所有非顯示化的信號采樣時間模塊的采樣時間。 ? 分配和初始化存儲空間，以便存儲每個模塊的狀態(tài)和當(dāng)前值的輸出。 （ 2） 模型執(zhí)行階段 u (input) x (states) y (output) 對于一般的仿真模型是通過采用數(shù)值積分來來進行仿真的，計算數(shù)積分可以采用以下兩步來進行： ?按照秩序計算每個模塊的積分。 ?根據(jù)當(dāng)前輸入和狀態(tài)來決定狀態(tài)的微分，得到微分矢量，然后把它返回給解法器，以計算下一個采樣點的狀態(tài)矢量。 Gui 簡介 定義： 用戶界面（或接口）是指：人與機器（或程序）之間交互作用的工具和方法。如鍵盤、鼠標(biāo)、跟蹤球、話筒都可成為與計算機交換信息的接口。 圖形用戶界面（ Graphica