Предисловие

Практические занятия по курсу “Теория автоматического управления” ориентированы на широкое использование системы инженерных и научных расчетов MATLAB 5.2. Поскольку данная система еще не использовалась в учебном процессе нашей специальности, перед ее применением для решения задач теории автоматического управления необходимо получить общие сведения о самой системе MATLAB. Поэтому практические занятия состоят из двух частей. Первая посвящена краткому знакомству с упомянутой системой, а вторая – ее применению для решения задач управления, точнее, для знакомства с основными понятиями, моделями и методами теории автоматического управления.

Описанию системы автоматизации математических и научно-технических расчетов 5.0/5.3 уже сейчас посвящено достаточно большое число работ, ориентированных на пользователей с минимальной степенью подготовки в области использования программных продуктов. Для практической работы в системе MATLAB, однако, ни один из известных нам литературных источников не может считаться исчерпывающим. Все равно пользователю придется обращаться к справочной документации в процессе практической работы.

Система MATLAB поставляется с настолько обширной документацией и развитой справочной системой, что опытный пользователь (современных программных продуктов) может и без литературных источников освоить работу в данной системе. Определенным неудобством является только то, что документация и справочная система существует пока только на английском языке.

При описании системы MATLAB мы исходим из предположения, что это не первая система, с которой сталкивается читатель. Поэтому в руководстве нет описания пользовательского интерфейса системы MATLAB. Оно также почти не содержит справочных данных. Вместо этого рассматриваются вопросы доступа к документации и использования справочной системы.

Введение

Система MATLAB – это и операционная среда и язык программирования, на котором могут быть написаны программы для многократного использования. На этом языке уже сейчас написано множество программ для решения самых разнообразных задач во многих областях науки и техники. Коллекции родственных программ, предназначенных для решения задач (или проблем) из той или иной области науки (или техники) объединяются в специальную папку, которую называют пакетом прикладных программ (ППП). Уже сейчас существует большое число ППП, которое непрерывно пополняется. Непрерывно расширяется и содержание каждого отдельного ППП. Для курса теории автоматического управления, как показывает название, наибольший интерес представляет ППП Control System Toolbox.

Семейство MATLAB 5 в настоящее время насчитывается 35 ППП (MATLAB Application Toolboxes), которые можно разбить на группы:

1. математика,

2. анализ и синтез систем управления,

3. идентификация систем управления,

4. моделирование с использованием SIMULINK,

5. обработка сигналов и изображений,

6. разное.

Мы не будем приводить названия пакетов, входящих в каждую из групп, полный перечень их имеется практически во всех литературных источниках по системе MATLAB 5. Отметим только, что большая часть всех пакетов имеет самое непосредственное отношение к теории автоматического управления. Вряд ли это произошло сознательно, но это так.

Действительно, теория и практика систем автоматического управления базируется на методах обработки сигналов, наряду с анализом и синтезом она включает в себя идентификацию, оптимизацию и моделирование систем. И если обработка изображений, по причинам исторического характера, не принимала участие в становлении теории автоматического управления, то, вне всякого сомнения, для понимания методов обработки изображений необходимо глубокое понимание классических методов обработки сигналов.

Более того, среди систем управления именно системы автоматического управления наиболее строго и последовательно используют математические методы. К ним относятся и статистические методы, и методы оптимизации. В связи с этим упомянем названия двух пакетов из первой группы: Statistics Toolbox и Optimization Toolbox. Следующие два пакета из этой группы: Fuzzy Logic Toolbox (Размытые множества) и Neural Network Toolbox (Нейронные сети), только на первый взгляд лежат в стороне от теории автоматического управления. Среди специалистов с некоторой долей удивления отмечается, что, не смотря на то, что размытые (нечеткие) множества создавались для решения сложнейших проблем и задач, наибольшее практическое применение они нашли при проектировании нечетких контроллеров, т.е. своего рода систем автоматического регулирования. На наш взгляд, это не так уж и удивительно, если вспомнить, что Л. Заде – автор теории нечетких множеств – занимался проблемами теории автоматического управления и именно недостатки существующих математических методов послужили причиной создания теории нечетких множеств. Аналогично, теория нейронных сетей привела не только к концепции нейрокомпьютеров, но и к созданию хорошо зарекомендовавших себя на практике нейроконтроллеров. И если они еще не заняли ведущего места среди систем автоматического регулирования, то, на наш взгляд, это может случиться в самое ближайшее время.

Итак, не только ППП Control System Toolbox представляют интерес для проектирования систем управления, но и другие пакеты. Вместе с тем, ни один пакет не может охватить все многообразие проблем, возникающих при проектировании систем управления. Необходимо владение базовыми программными средствами системы MATLAB как для решения конкретных задач, так и для понимания программ, входящих в ППП. Вместе с тем некоторые ППП оказались настолько интегрированными с системой MATLAB, что стали составной ее частью. Это относится к ППП Notebook (интеграция с текстовым процессором Word) и Simulink (моделирование динамических систем).

Важным достоинством системы MATLAB является ее открытость и расширяемость. Большинство команд и функций данной системы оформлены в виде текстовых файлов (М-файлов) и файлов на языке С (С++). Пользователь может их модифицировать и создавать новые.

Первые версии системы MATLAB использовали командный режим работы. И в современных версиях (под Windows) этот режим работы остался главенствующим. Хотя средства интерфейса Windows присутствуют, после загрузки системы пользователь оказывается в командном режиме управления и сразу же может воспользоваться системой MATLAB как суперкалькулятором. Работа в этом режиме не является программированием, но написание программ (М-файлов-сценариев и функций) во многом напоминает работу в командном режиме. Первоначально язык программирования системы MATLAB был исключительно языком интерпретирующего типа. И в современных версиях этот тип остался главенствующим, хотя имеются возможности компилирования, проблемно-ориентированного и даже визуального программирования. Использование этих возможностей требует достаточно полного знакомства с системой MATLAB.

Важно отметить, что даже после первоначального, самого скромного знакомства с системой MATLAB можно получать практически важные и интересные результаты. Можно выполнить достаточно сложные математические расчеты, включающие решение систем уравнений, алгебраических и дифференциальных, вывести результаты в графической форме с использованием двумерной и трехмерной графики. Они выводятся в отдельных окнах, но если использовать ППП Notebook, то графики могут располагаться вместе с текстом, формулами, программами и результатами вычислений, что позволяет достичь очень высокой степени визуализации при оформлении отчетов.

Система MATLAB поставляется с обширной документацией на английском языке. Имеется также чрезвычайно развитая справочная система, как в интерактивном командном режиме, так и в форме Web-страниц (в формате HTML). Эти средства помощи рассчитаны на пользователя, уже знакомого с системой и желающего получить справку по конкретному вопросу. Для общего знакомства с системой имеется справочная документация, которая поставляется в формате PDF, объемом около 200 Мбайт. Наиболее важными для первого знакомства с системой MATLAB являются следующие документы:

1. Getting Started with MATLAB.

2. Using MATLAB.

3. Using MATLAB Graphics.

4. MATLAB Notebook User Guide.

Все эти документы, конечно, приведены на английском языке. Только с 1998 года появились публикации на русском языке, список которых (на момент написания данного руководства) приводится ниже.

1. Потемкин В.Г. MATLAB 5 для студентов. М.: ДИАЛОГ-МИФИ. – 1998. – 314 с.

2. Потемкин В.Г. Система инженерных и научных расчетов MATLAB 5.х. В 2-х т. М.: ДИАЛОГ-МИФИ. – 1999. – 366 с. (т. 1). – 304 с. (т. 2).

3. Медведев В.С., Потемкин В.Г. Control System Toolbox. MATLAB 5 для студентов/ Под общ. ред. к.т.н. В.Г. Потемкина. - М.: ДИАЛОГ-МИФИ. – 1999. – 287 с. – (Пакеты прикладных программ).

4. Дьяконов В.П., Абраменкова И.В. MATLAB 5.0/5.3. Система символьной математики. – М.: Нолидж. – 1999. – 640 с.

5. Гультяев А.К. Имитационное программирование в среде Windows: Практическое пособие. – СПб.: КОРОНА принт. – 1999. – 288 с.

Для первого знакомства с системой MATLAB 5, на наш взгляд, больше всего подходят первые главы книги [4].