МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. Н.Э. БАУМАНА

А.К. Ефремов интегрированная

СИСТЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ

МАТЕМАТИЧЕСКИХ

И НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ

РАСЧЕТОВ И МОДЕЛИРОВАНИЯ

ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

MATLAB 5.x

Рекомендовано редсоветом мгту им. Н.Э. Баумана

в качестве учебного пособия по дисциплинам

«Автономные мехатронные устройства управления»,

«Моделирование автономных мехатронных устройств управления»

Москва

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана

2003

УДК 681.322

ББК 32.81

Е92

Рецензенты: Н.П. Родионов, Ю.С. Саратов

Ефремов А.К.

Е92 Интегрированная система автоматизации математических и научно-тех­ни­че­ских расчетов и моделирования динамических систем MATLAB 5.x: Учеб. пособие по дис­циплинам «Автономные мехатронные устройства управления», «Моделирование автономных мехатронных устройств управления». – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. – 80 с.: ил.

ISBN 5-7038-2301-3

Рассмотрены возможности современной компьютерной системы MATLAB как одного из мощных средств исследования и проектирования объектов на основе использования их математических моделей. Проанализирован интерфейс системы, охарактеризованы базовые объекты и изложены принципы работы в режимах прямых и символьных вычислений, а также с использованием программирования и графических средств. Большое внимание уделено пакету Simulink. Даны упражнения.

Для студентов IV-V курсов, обучающихся по специальности «Автономные информационные и управляющие системы»

Табл. 4. Ил. 13. Библиогр. 15 назв.

УДК 681.322

ББК 32.81

Isbn 5-7038-2301-3  мгту им. Н.Э. Баумана, 2003

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в структуре университетской системы подготовки специалистов все большее значение приобретают математические методы исследования и проектирования объектов, про­­­блемы адекватности математических моделей, анализа их свойств и правиль­ной интерпретации получаемых результатов вычислений. Современные формы организации учебного процесса ориентированы на использование мощных компьютерных математических па­кетов [1] .

Система MATLAB (от MATrix LABoratory – «мат­ричная ла­бо­ратория») – одна из наиболее популярных и всесторонне ап­ро­би­ро­ван­ных компьютерных систем, пред­назначенных для выполнения инженерных и научных расчетов в среде Windows. Помимо полной (профессиональной) система MATLAB 5.х имеет «студен­че­скую» версию «The Student Edition of MATLAB» [2], включающую в себя ядро основной версии и три пакета прикладных программ (Symbolic Mathematics Toolbox, Control System Toolbox [3] и Signal Processing Toolbox [4]), позволяющих соответственно про­водить вычисления в символьной форме, моделировать системы управления и организовывать обработку сигналов с высококачественной визуализацией результатов.

Систему MATLAB образуют следующие пять основных частей: командно-алгоритмический язык высокого уровня; рабочая среда; графическая система; библиотека математических функций; интерфейс прикладных программ (API).

MATLAB – мощная интерактивная программа, отличающаяся высокой сте­­пе­нью интегрированности. Благодаря воз­можностям собственного языка програм­ми­ро­вания система обладает свойст­вом адаптации к конкретным задачам пользователя, обеспечива­ет высокую ско­рость вычислений и представление ре­зуль­та­тов в естественной и удобной числовой, таб­лич­ной или гра­фи­ческой формах.

Встроенный пакет Notebook дает возможность создавать с помощью редактора Word так называемые М-книги [2, 5–9], вклю­чающие текст, команды системы MATLAB и результаты их выполнения.

Базовый набор встроенных средств системы весьма широк: специальные симво­лы; арифметические, алгебраические, тригонометрические и специальные функции; функ­ции спектрального анализа и фильтрации; векторные и матричные функции; средства для работы с комплексными числами; операторы пост­ро­ения графиков и прост­­ранственных поверхностей и фигур (возможен многоокон­­­ный графический режим) и т.д. При написании про­­грамм можно использовать встро­ен­ный редактор MATLAB.

MATLAB 5.x включает в себя также Simulink – мощный пакет, предназначенный для моделирования динамических систем различного типа (линейных и нелинейных, аналоговых и дискретных) и для визуализации результатов моделирования [5, 6, 9–13].

C численными методами, реализуемыми при решении инженерных задач и служащими теоретической основой команд и программ MATLAB, можно ознакомиться, например, в [13–15]. Для понимания принципов организации вычислений, в которых участвуют матрицы и векторы, достаточно знаний, полученных при изучении курса высшей математики.

Приведенный ниже материал отражает содержание разработанного автором электронного учебного пособия, которое используется на кафедре «Автономные информационные и управляющие системы» при изучении дисциплин «Автономные мехатронные устройства управления» и «Моделирование автономных мехатронных устройств управления», а также (в упрощенном варианте) в рамках учебно-техно­логи­че­ского практикума (УТП) для студентов 1 курса.

Электронное учебное пособие (ЭУП) представляет собой файл matlab.pdf в формате PDF (portable document format), созданный с помощью текстового редактора Word и системы Adobe Acrobat. В подобных файлах сохраняются все параметры форматирования, атрибуты шрифтов и графика исходных документов. PDF-файлы поддерживаются броузерами Интернет и совместимы с операционными системами Windows и Macintosh.

ЭУП может быть установлено на сервере локальной компьютерной сети или индивидуально на отдельных компьютерах. На Рабочем столе Windows создается папка (например, «Lab_MATLAB»), в которую помещают ярлыки для запуска системы MATLAB и вызова ЭУП, а также ярлык пользовательской папки. Работа органи­зу­ется в двух­оконном режиме: в одно из окон загружается файл ЭУП, а во втором (окне) (системы MATLAB) набираются команды упражнений и программ.

Рабочее окно системы Acrobat Reader 4.0 разделено на две большие части. Первая из них – панель навигации – используется для организации перемещения по разделам документа с помощью закладок (гипертекстовых ссылок). Вторая – панель документа – используется для просмотра последнего. Кроме того, имеются стандартные для Windows элементы окна: заголовок и панель главного меню, а также командная панель инструментов.

Порядок работы с ЭУП:

1. Открыть папку Lab_MATLAB.

2. Вызвать файл ЭУП и открыть рабочее окно MATLAB 5.x.

3. Организовать двухоконную рабочую среду.

4. Последовательно изучить материалы разделов ЭУП, обращаясь к ним с помощью панели навигации, которая в случае необходимости может быть временно удалена.

В тех случаях, когда предусматривается создание m-файлов, последние сохранять только в пользовательской папке (сохранение файлов в папках программы MATLAB и в системных папках запрещается!).

Результаты работы сохранять на панели документа для просмотра преподавателем.