2.1 Программная среда matlab
Как известно, сложные электрические цепи постоянного тока легко описываются системами линейных уравнений, составленными на основе законов Кирхгофа, - например, методами узловых потенциалов и контурных токов. Для цепей переменного тока необходимо составлять такие уравнения с комплексными элементами. А для моделирования динамических систем и устройств необходимо составлять и решать системы ДУ, чаще всего нелинейных. Матричная система MATLAB – идеальное средство для реализации такого моделирования.
Среда MATLAB, являясь мощной матричной системой, открывает обширные возможности в выполнении численного моделирования как линейных, так и нелинейных систем и устройств, описываемых большими системами уравнений. Такое моделирование предполагает решение системы уравнений состояния достаточно апробированными и хорошо известными численными методами – в том числе на основе рекуррентных и итерационных алгоритмов. Уравнения состояния реальных систем и устройств часто содержат множество нулевых коэффициентов, что порождает разреженные матрицы и массивы. Их аппарат прекрасно представлен в базовой системе MATLAB.
В настоящее время известно множество программных средств моделирования частного характера. Например, для моделирования электронных схем применяются программы схемотехнического моделирования MicroCAP, MicroLOGIC, Pspice, DesignCenter, ElectronicsWorkBench и др. Они обычно содержат обширные библиотеки полупроводниковых и схемных компонентов и представляют результаты в привычном для пользователя виде – например в виде осциллограмм их виртуальных осциллографов или показаний виртуальных вольтметров или амперметров. Однако применение таких систем носит частный и потому довольно ограниченный характер, хотя в своей области многие такие программы являются подлинным шедевром изобретательности их создателей.
Разработчики системы MATLAB+Simulink отказались от конкуренции с разработчиками подобных программ узкого назначения. Они сосредоточили свое внимание на решении куда более важной и сложной задачи – моделирования блочных динамических систем и устройств произвольного назначения. Для этого пришлось с одной стороны существенно расширить библиотеки компонентов таких систем и устройств, а с другой стороны, применить укрупненные модели ряда компонентов, благодаря чему стало возможным моделирование сложных систем и устройств.
Интерфейс среды matlab
Среда MATLAB является интерактивной системой для выполнения инженерных и научных расчетов, ориентированной на работу с массивами данных. Система использует математический сопроцессор и допускает возможность обращения к программам, написанным на языках Fortran, C и C++.
Среда MATLAB имеет собственный язык программирования, напоминающий BASIC, а также располагает большими возможностями для работы с сигналами, для расчета и проектирования систем связи, цифровых и аналоговых фильтров, различных вычислительных систем. Имеются в наличии и средства для спектрального анализа и синтеза, быстрого преобразования Фурье (БПФ), обработки изображений, Wavelet-анализа. Кроме этого, пользователь может ввести в систему любую новую встроенную команду, оператор или функцию.
При помощи командного окна (рис. 7.1) можно осуществлять все вычисления в режиме калькулятора. При этом можно осуществлять присвоения различным переменным значений и далее пользоваться ими в командном окне. Рабочее пространство среды является удобным средством для просмотра числовых массивов в процессе формирования и отладки вычислительных процедур (программ).
Программирование в среде MATLAB осуществляется путем создания М‑файлов с расширением .m (рис. 7.2). Недостатком является отсутствие оператора безусловного перехода GO TO, однако это можно полностью возместить путем структурного программирования с обращением к различным функциям и процедурам. Кроме этого, с помощью встроенных инструментальных средств имеется возможность формировать графический пользовательский интерфейс, значительно облегчающий работу с программами, созданными в среде MATLAB, а также их отладку.
Пакет визуального моделирования Simulink является пакетом расширения среды MATLAB и позволяет осуществлять моделирование поведения динамических линейных и нелинейных систем. Пользователь осуществляет графическую сборку любой системы из отдельных блоков, хранящихся в библиотеках Simulink. В результате такой сборки образуется модель исследуемой системы (S-модель), которая хранится в файле с расширением .mdl.
