23.Система программирования Matlab: общая характеристика. Пакеты расширения и специализированные приложения: назначения и возможности. Подсистема Simulink.

MATLAB - матричная лаборатория - наиболее развитая система программирования для научно-технических расчетов, дополненная к настоящему времени несколькими десятками более частных приложений, относящихся к вычислительной математике, обработке информации, конструированию электронных приборов, экономике и ряду других разделов прикладной науки. Изучение MATLAB по фирменной документации, которая теперь прилагается на инсталляционном компакт-диске, занимает у начинающих пользователей слишком много времени не только из-за необходимости читать ее на английском языке со специфическим слэнгом, но, главным образом, ввиду неизбежного для таких руководств последовательного и достаточно формального изложения большого объема информации, а имеющиеся на русском языке пособия в основном следуют этому стереотипу. Даже для опытного специалиста по расчетам на компьютере такое изучение сопряжено с неоправданно большими затратами труда.

MATLAB предназначен, прежде всего для программирования численных алгоритмов. Он разрабатывается уже более 15 лет и возник на основе более ранних прикладных пакетов LINPACK и EIGPACK, созданных в 1970-е гг. в США, и в свою очередь повлиял на появление таких систем, как MathCad, MAPLE и Mathematica. Совершенствование системы MATLAB происходило как в связи с достижениями в вычислительной математике, так и в связи с изменениями в архитектуре персональных компьютеров и развитием общесистемных средств. Со временем MATLAB был дополнен целым рядом приложений (toolboxes), далеко раздвинувших границы его применимости. Далее речь пойдет лишь о ядре MATLAB, которое мы будем называть системой.

MATLAB - система программирования высокого уровня, работающая как интерпретатор и включающая большой набор инструкций (команд) для выполнения самых разнообразных вычислений, задания структур данных и графического представления информации. Команды эти разбиты на тематические группы, расположенные в различных директориях системы. Теперь в системе около 800 команд, и примерно половина из них вполне доступна начинающему пользователю. Команды с большим возможным объемом вычислений написаны на С, поэтому система оказывается почти открытой для пользователя. Имеются большие возможности для вывода двумерной и трехмерной графики и средства управления ею. Пользователь может без особых затруднений добавлять свои команды и писать программы в терминах уже существующих команд; несколько сложнее делать это в рамках Фортрана и С. Можно обмениваться данными с программами на этих языках, а из них обращаться к системе. Краткость и наглядность программирования, и исключительные возможности визуализации результатов делают систему очень эффективной при поисках и апробации новых алгоритмов, при проведении разовых расчетов и в учебном процессе, поскольку ее можно осваивать без предварительного знакомства с основами программирования и выполнять такие сложные примеры, которые невозможно делать с использованием других систем.

Общие сведения

Меню командного окна

Запуск MATLAB приводит к появлению на экране стартовой заставки .

Затем открывается окно приложения - MATLAB Command Window (командное окно MATLAB). Оно представляет собой стандартное основное окно Windows-приложения и содержит все основные компоненты такого окна.

строку заголовка с кнопками управления окном;

 строку меню (основное меню приложения);

 панель инструментов;

 рабочее поле;

 строку состояния;

 вертикальную и горизонтальную полосы прокрутки.

Инструментальная панель

Инструментальная панель командного окна системы MATLAB позволяет обеспечить простой доступ к операциям над М-файлами .

Эти операции обеспечивают быстрый доступ к наиболее часто используемым командам меню и включают:

 создание нового М-файла (New File);

 открытие существующего М-файла (Open File);

 удаление фрагмента (Cut);

 копирование фрагмента (Copy);

 вставка фрагмента (Paste);

 восстановление только выполненной операции (Undo);

 просмотр рабочей области (Workspace Browser);

 просмотр путей доступа (Path Browser);

 Simulink Library Browser (просмотр библиотеки SIMULINK);

 текущая помощь (Help).

Каждая кнопка снабжена всплывающей подсказкой, появляющейся на экране, когда указатель мыши находится на кнопке.

Из перечисленных выше меню наибольший интерес представляет меню File

Окно содержит следующие опции:

Опция	Подопции	Назначение
New	M-file Figure	Открыть в новый файл
Open		Открыть в указанный файл
Open Selection		Открыть в выделенный файл
Run Script		Вызов окна для запуска Script-файла
Load Workspace		Вызов окна загрузки МАТ-файла
Save Workspace As		Вызов окна сохранения МАТ-файла
Show Workspace		Вызов средства просмотра рабочей области
Show Graphic P.E		Показать графический редактор свойств
Show GUI L.Tool		Показать инструмент компоновки интерфейса
Set Path		Вызов средства просмотра путей доступа
Preferences		Выбор характеристик
Print Setup		Установка опций принтера
Print		Установка опций вывода на печать
Print Selection		Печать выделенного фрагмента
Cписок файлов, открывавшихся в текущем сеансе работы с MATLAB
Exit MATLAB		Команда выхода из MATLAB

Основная часть окна - рабочее поле. Оно является основным средством взаимодействия пользователя с системой и обеспечивает ведение диалога посредством командного языка MATLAB. Это означает, что любая информация, вводимая пользователем в активной строке (начинающейся символом «приглашение» >> и мерцающим курсором в форме вертикальной черты), воспринимается как команда, подлежащая исполнению.

В начале каждого сеанса работы с MATLAB в рабочем поле выводится сообщение:

To get started, type one of these commands: helpwin, helpdesk or demo.

(Чтобы начать работу наберите одну из следующих команд: helpwin, helpdesk, или demo.)

Первая из указанных команд (helpwin) обеспечивает вызов справочника по функциям MATLAB, вторая (helpdesk) - открывает файл помощи в формате HTML, а команда demo предназначена для демонстрации возможностей пакета MATLAB.

Кроме перечисленных в сообщении команд, можно использовать:

 арифметические выражения ( например, 16-9; x/3);

 имена библиотечных функций MATLAB (то есть имена M-файлов) с соответствующими аргументами ( например, sin(3));

 имена Mdl-файлов, расположенных в текущей папке;

 некоторые инструкции языка программирования MATLAB;

 имена наборов данных (констант, скалярных переменных, матриц).

Если введенное выражение не является допустимой командой или содержит синтаксическую ошибку, система выдает соответствующее диагностическое сообщение.

Если команда не заканчивается символом точки с запятой (;), то она выполняется сразу же после нажатия клавиши Enter.

Использование разделителя в виде точки с запятой позволяет вводить в рабочем поле последовательность команд, которая будет выполнена только в том случае, если после очередной команды не стоит этот символ.

Если выполнение команды приводит к вычислению некоторого значения (скалярного или матрицы), то оно запоминается в рабочей области MATLAB в переменную ans (от английского слова answer - ответ). Значение, занесенное в переменную ans, выводится на экран сразу после вычисления в форме ans=.

Переменная ans может быть использована при выполнении последующих команд. Например, выражение ans+4 будет воспринято системой как команда, требующая увеличить значение переменной ans на 4. При необходимости результат операции может быть сохранен пользователем в рабочей области под любым именем с помощью оператора присваивания. Например, выполнение команды res=ans+4 приводит к записи в рабочую область результата сложения под именем res. Аналогично может быть создан любой набор данных. В частности, команда vector=[2 4 6 8] позволяет создать и поместить в рабочую область массив из четырех элементов.

Для вывода на экран данных, хранящихся в рабочей области, достаточно ввести имя соответствующей переменной и нажать Enter.

Вывод информации в рабочее поле производится в режиме прокрутки, то есть при выводе на экран очередного сообщения предыдущее сообщение сдвигается вверх.

Вся информация, введенная пользователем или выведенная в рабочее поле системой, сохраняется в течении всего сеанса работы. При необходимости её можно смотреть, используя полосы прокрутки. Если выведенная информация более не нужна, рабочее поле можно очистить с помощью команды Clear Session (очистить данные сеанса) меню Edit (правка).

Команды, вводимые пользователем в течении сеанса работы, сохраняются в буфере команд. Выполнявшуюся ранеекоманду можно выполнить без повторного набора, вызвав её на экран с помощью клавиш управления курсором.

Настройка системы

Команды настройки системы находятся в меню File (файл). К ним относятся:

 Show GUI Layout Tool (показать инструмент компоновки интерфейса) - вызов средств разработки графического интерфейса пользователя (GUI - Graphics User Interface);

 Set Path (задать путь) - выбор рабочей папки;

 Preferences (предпочтения) - установка параметров предпочтений системы.

Рассмотрим использование названных средств в порядке их усложнения.

Команда Set Path

Команда Set Path (задать путь) обеспечивает выбор активной папки, а так же указание пути к библиотечным функциям MATLAB .

Средство визуального просмотра путей доступа Path Browser, позволяет просматривать, модифицировать пути доступа и видеть списки всех файлов системы MATLAB. Для того чтобы открыть средство просмотра Path Browser следует использовать либо опцию Set Path из меню File, либо кнопку инструментальной панели Path Browser.

В этом окне имеются:

 поле Current Directory с кнопкой Browse, предназначенное для изменения текущего каталога;

 поле Path содержит список путей доступа к разделам функций MATLAB, входящих в рабочую конфигурацию;

 поле Files in <имя каталога>, выделенного в поле Path содержит список файлов и внутренних каталогов типа private, @;

 кнопки:

Add to Path	Добавить каталог в начало пути
Remove from Path	Удалить каталог из пути
Undo	Отменить предыдущую операцию
Refresh	Обновить, используя текущие установки
Save Settings	Сохранить установки в файле pathdef.m
Restore Defaults	Восстановить установки, принятые по умолчанию
Close	Закрыть Path Browser

Для перемещения каталога в другую позицию в Path следует захватить его левой кнопкой мыши и переместить в нужную позицию.

Если изменение списка путей доступа выполняется в командном окне, то для отражения этих изменений в средстве просмотра Path Browser необходимо использовать кнопку Refresh.

Все изменения, которые вносятся в список путей доступа, действуют только в течение сеанса работы; для того чтобы внести их в файл pathdef.m для постоянного использования необходимо воспользоваться кнопкой Save Settings.

Опция Preferences

Опция Preferences (свойства) меню File (файл) обеспечивает выбор форматов представления числовой и текстовой информации в командном окне, формата копирования данных в буфер обмена и настройку ряда других параметров системы.

Preference включает в себя три окна. В первую очередь, рассмотрим окно General (общее) (

Формат данных	Назначение
Numeric Format	Выбор формата представления чисел
Loose, Compact	Формат рабочего поля командного окна.
Editor Preference	Выбор текстового редактора. По умолчанию, встроенный редактор
Help Directory	Каталог справки Help
Echo on	Показывать на экране команды исполняемого Script-файла сценария
Show Toolbar	Показывать на экране инструментальную панель/Не показывать
Enable Graph.Deb.	Поддерживать отладку графики/Не поддерживать

Выбор формата представления чисел:

• Short (короткий) - вывод в формате с фиксированной точкой, выводится 5 значащих цифр (используется по умолчанию);

• Long (длинный) - вывод в формате с фиксированной точкой, выводится 15 значащих цифр;

• Hex (шестнадцатеричный) - шестнадцатеричный формат;

• Bank (денежный) - формат для вывода денежных сумм с использованием знака доллара $;

• Plus (знак) - вывод положительных и отрицательных чисел со знаком (мнимая часть числа игнорируется);

• Short E (короткий с экспонентой) - вывод дробных чисел в формате с плавающей точкой в экспоненциальной форме, мантисса содержит 5 значащих цифр;

• Long E (длинный с экспонентой) - вывод дробных чисел в формате с плавающей точкой в экспоненциальной форме, в дробной части мантиссы выводится 15 значащих цифр; для вывода порядка числа в двух последних используется три знакоместа;

• Short G (улучшенный короткий) - «улучшенный» короткий формат, в дроб­ной части числа выводится одна дополнительная значащая цифра;

• Long G (улучшенный длинный) - «улучшенный» длинный формат, в дробной части числа также выводится одна дополнительная значащая цифра;

• Rational (рациональный) - формат, при использовании которого дробные числа представляются в виде простых дробей (числитель/знаменатель); если числитель больше знаменателя, дробная часть не выводится.

С помощью переключателей Loose (default) (свободный (по умолчанию)) и Compact (компактный) может быть выбран формат рабочего поля командного окна. При использовании формата Loose выводимые системой сообщения (ответы) разде­ляются одной пустой строкой. Формат Compact обеспечивает вывод сообщений в каждой строке рабочего поля.

Вкладка Command Window Font обеспечивает выбор цвета, стиля и размера шрифта сообщений в командном окне MATLAB, а также цвета фона рабочего поля. Выбор производится так же, как и в других Windows-приложениях - с помощью обычных и раскрывающихся списков. В нижней части окна находится флажок Display Fixed Pitch Fonts Only (отображать шрифты только с дискретным изменением размера символов), при установке которого в списке типов шрифтов окна параметров MATLAB остаются только шрифты с дискретным изменением размера символов.

Вкладка Copying Options позволяет установить параметры для операций копирова­ния Clipboard Format - Формат копирования в буфер обмена: Windows Metafile (метафайл Windows) -WMF-формат, используемый для хранения векторных рисунков; Windows Bitmap (растр Windows) - BMP-формат, используемый для хранения растровых изображений;

Honor figure size properties - Маркер воспроизведения размеров рисунка. Выбор этой опции позволяет копировать рисунок с учетом свойства "Paper Position" (для формата Windows Bitmap не действует);

White Background - Маркер белого/черного фона (для формата Windows Bitmap не действует)

SIMULINK - средство визуального программирования

Разработка моделей средствами SIMULINK (в дальнейшем S-моделей) основана на технологии drag-and-drop («перетащи и оставь»). В качестве «кирпичиков» для построения S-модели используются модули (или блоки), хранящиеся в библиотеке SIMULINK.