第1章 仿真软件——MATLAB

1.1 MATLAB的功能特点

1.MATLAB简介

在科学研究和工程应用中，为了克服一般语言对大量的数学运算，尤其当涉及矩阵运算时，编程难、调试麻烦等困难，美国MathWorks公司于1967年构思并开发了“Matrix Laboratory”（缩写MATLAB，即矩阵实验室）软件包；经过不断更新和扩充，该公司于1984年推出了MATLAB的正式版；特别是1992年推出了具有划时代意义的MATLAB4.0版，并于1993年推出了其微机版，以配合当时日益流行的Microsoft Windows一起使用。到2011年为止先后推出了MATLAB4.x、MATLAB 5.x、MATLAB 6.x和MATLAB 7.x版，使之应用范围越来越广。从MATLAB 7.x版开始，MathWorks公司每年发布两个版本的MATLAB。

用MATLAB编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致，所以使用MATLAB进行数学运算就像在草稿纸上演算数学题一样方便。因此，在某种意义上说，MATLAB既像一种万能的、科学的数学运算“演算纸”，又像一种万能的计算器一样方便快捷。MATLAB大大降低了对使用者的数学基础和计算机语言知识的要求，即使用户不懂C或FORTRAN这样的程序设计语言，也可使用MATLAB轻易地再现C或FORTRAN语言几乎全部的功能，从而设计出功能强大、界面优美、稳定可靠的高质量程序来，而且编程效率和计算效率极高。

尽管MATLAB开始并不是为控制理论与系统的设计者们编写的，但以它“语言”化的数值计算、强大的矩阵处理及绘图功能、灵活的可扩充性和产业化的开发思路很快就为自动控制界研究人员所瞩目。目前，在自动控制、图像处理、语言处理、信号分析、振动理论、优化设计、时序分析和系统建模等领域，由著名专家学者以MATLAB为基础开发的实用工具箱极大地丰富了MATLAB的内容。

较为常见的MATLAB工具箱主要有：

（1）航空宇宙模块集（Aerospace Blockset）；

（2）通信模块集（Communications Blockset）；

（3）控制系统工具箱（Control System Toolbox）；

（4）数据获得工具箱（Data Acquisition Toolbox）；

（5）模糊逻辑工具箱（Fuzzy Logic Toolbox）；

（6）滤波器设计工具箱（Filter Design Toolbox）；

（7）定点运算模块集（Fixed-Point Blockset）；

（8）遗传算法与直接搜索工具箱（Genetic Algorithm and Direct Search Toolbox）；

（9）高阶谱分析工具箱（High-Order Spectral Analysis Toolbox）；

（10）图像处理工具箱（Image Processing Toolbox）；

（11）映射工具箱（Mapping Toolbox）；

（12）模型预测控制工具箱（Model Predictive Control Toolbox）；

（13）神经网络工具箱（Neural Network Toolbox）；

（14）优化工具箱（Optimization Toolbox）；

（15）偏微分方程工具箱（Partial Differential Equation Toolbox）；

（16）鲁棒控制工具箱（Robust Control Toolbox）；

（17）信号处理工具箱（Signal Processing Toolbox）；

（18）统计学工具箱（Statistics Toolbox）；

（19）系统辨识工具箱（System Identification Toolbox）；

（20）样条工具箱（Spline Toolbox）；

（21）小波分析工具箱（Wavelet Toolbox）。

模型输入与仿真环境Simulink更使MATLAB为控制系统的仿真与CAD中的应用打开了崭新的局面，并使MATLAB成为目前国际上最流行的控制系统计算机辅助设计的软件工具。MATLAB不仅流行于控制界，在生物医学工程、语言处理、图像信号处理、雷达工程、信号分析、计算机技术等各行各业中都有极广泛的应用。

目前MATLAB的最新版本为MATLAB 7.13（R2011b），它包括MATLAB® 和Simulink®的新功能和新产品，以及其他产品的更新和缺陷修复程序。由于最新版的新增功能对于本书涉及的内容没有太大影响，再加上新版本安装程序大、启动和运行速度慢，故本书仍以目前最为流行的经典版本MATLAB 7.5（R2007b）为基础来进行叙述，但排除了过渡性很强的内容，使得本书的内容对更高版本的环境仍可完全适用，同时也兼顾了当前仍在较低配置计算机上使用MATLAB 6.5版本的用户。

注意，对于使用Windows XP系统的用户需要安装MATLAB 6.5及以上的版本，使用Win-dows 7系统的用户必须安装MATLAB 7.6（R2008a）及以上的版本，否则不能正常使用或安装MATLAB。

2.MATLAB操作界面

MATLAB启动后将出现如图1-1所示的操作界面。

由图1-1可知，MATLAB的操作界面由工作窗口、开始按钮功能菜单和工具栏等组成。

（1）MATLAB的工作窗口

在默认状态下，MATLAB的工作窗口由以下一些窗口组成。

①命令窗口（Command Window）

MATLAB的命令窗口位于MATLAB操作界面的右方，它是MATLAB的主要操作窗口，MATLAB的大部分命令和结果都需要在此窗口中进行操作和显示。

MATLAB命令窗口中的“＞＞”标志为MATLAB的命令提示符，“|”标志为输入字符提示符。命令窗口中最上面的提示行是显示有关MATLAB的信息介绍和帮助等命令的。如果用户是第一次使用MATLAB，则建议首先在命令提示符后键入demo命令，它将启动MATLAB的演示程序，用户可以在这些演示程序中领略到MATLAB所提供的强大的运算和绘图功能。

②历史命令（Command History）窗口

在默认状态下，该命令窗口出现在MATLAB操作界面的左下方。这个窗口记录用户已经操作过的各种命令，用户可以对这些历史信息进行编辑、复制和剪切等操作。

③当前工作目录（Current Directory）窗口

在默认状态下，该窗口出现在MATLAB操作界面的左上方的前台。在这个窗口中，用户可以设置MATLAB的当前工作目录，并展示目录中的M文件等。同时，用户可以对这些M文件进行编辑等操作。

④工作空间（Workspace）浏览器窗口

在默认状态下，该窗口出现在MATLAB操作界面的左上方的后台。在这个窗口中，用户可以查看工作空间中所有变量的类别、名称和大小。用户可以在这个窗口中观察、编辑和提取这些变量。

（2）开始按钮

开始按钮（Start）位于MATLAB操作界面的左下角，单击这个按钮后，会出现MATLAB的操作菜单。这个菜单上半部分的选项包含MATLAB的各种交互操作界面，下半部分的选项的主要功能是窗口设置、访问MATLAB公司的网页和查看帮助文件等。

（3）功能菜单

为了更好地利用MATLAB，在其操作界面中设置了以下多个功能菜单。

● File——文件操作菜单

New 新建M文件、图形、模型和图形用户界面

Open 打开.m，.fig，.mat，.mdl，.cdr等文件

Close Command Window 关闭命令窗口

Import Data 从其他文件导入数据

Save Workspace As 保存工作空间数据到相应的路径文件窗口中

Set Path 设置工作路径

Preferences 设置命令窗口的属性

Page Setup 页面设置

Print 设置 打印机属性

Print Selection 选择打印

Exit MATLAB 退出MATLAB操作界面

● Edit——编辑菜单

Undo 撤销上一步操作

Redo 重新执行上一步操作

Cut 剪切

Copy 复制

Paste 粘贴

Paste to Workspace… 粘贴到工作空间

Select All 全部选定

Delete 删除所选对象

Find 查找所需对象

Find Files 查找所需文件

Clear Command Window 清除命令窗口的内容

Clear Command History 清除历史窗口的内容

Clear Workspace 清除工作区的内容

● Debug——调试菜单

Open M-Files when Debugging 调试时打开M文件

Step 单步调试

Step In单步调试进入子函数

Step Out 单步调试跳出子函数

Continue 连续执行到下一断点

Clear Breakpoints in All Files 清除所有文件中的断点

Stop if Errors/Warnings 出错或报警时停止运行

Exit Debug Mode 退出调试模式

● Desktop——桌面菜单

Unlock Command Window 命令窗口设为当前全屏活动窗口

Desktop Layout 桌面设计

Save Layout 保存桌面设计

Organize Layouts 组织桌面设计

Command Window 显示命令窗口

Command History 显示历史窗口

Current Directory 显示当前工作目录

Workspace 显示工作空间

Help 帮助窗口

Profiler 轮廓图窗口

Editor 编辑器

Figures 图形编辑器

Web Brower Web 浏览器

Array Editor 矩阵编辑器

File Comparisons 文件比较

Toolbar 显示/隐藏工具栏

Shortcuts Toolbar 显示/隐藏快捷工具栏

Titles 显示/隐藏标题

● Window——窗口菜单

Close All Documents 关闭所有文档

Command Window 选定命令窗口为当前活动窗口

Command History 选定历史窗口为当前活动窗口

Current Directory 选定当前工作目录为当前活动窗口

Workspace 选定工作空间为当前活动窗口

（4）工具栏

MATLAB操作界面工具栏中的按钮“”分别用来快捷建立M文件编辑窗口和打开编辑文件窗口；按钮“”对应的功能与Windows操作系统类似；按钮“”分别用来快捷启动Simulink库浏览窗口、GUIDE模板窗口和轮廓图窗口；按钮“”分别用来快捷设置当前目录和返回到当前目录的父目录。