Основные элементы пакета matlab
1.1. Общие сведения
Matlab – это высокопроизводительная инструментальная система для математической поддержки научно-технической деятельности. Система обеспечивает выполнение вычислений и визуализацию их результатов с использованием программирования в удобной интегрированной среде в форме, которая близка к математической.
Характерными направлениями применения системы являются:
математические вычисления;
алгоритмизация обработки информации;
компьютерное и имитационное моделирование;
анализ данных, их исследование и визуализация;
научная и инженерная графика;
формирование пользовательского интерфейса;
разработка приложений для современных операционных сред.
Система Matlab является интерактивной средой, в которой основной математической формой представления данных служит матрица. Отсюда и название системы матричная лаборатория (matrix laboratory). Подобная ориентация системы делает ее особо значимой для решения прикладных задач с использованием матричных методов. При этом эффективность программирования существенно возрастает по сравнению с универсальными языками высокого уровня типа Си, Паскаля или Фортрана.
Первые разработки системы относятся к концу 70-х годов и связаны с университетами Нью Мехико и Стенфорда, где они были использованы для преподавания курсов линейной алгебры, теории матриц и численного анализа. Целью создания Matlab было упрощение взаимодействия с известными пакетами прикладных программ по линейной алгебре Linpack и Eispack, написанными на языке Фортран. Авторы разработки системы Matlab поставили перед собой задачу об использовании этих пакетов без написания программ на Фортране.
Поставленная задача была успешно решена и система начала успешно развиваться как в базовом, так и в прикладном аспекте, и адаптироваться к самым современным операционным средам.
В настоящее время Matlab широко используется на Западе. В университетах он представляет собой инструмент для исследовательской работы и преподавания в различных областях математики, техники и других наук. В промышленности эта система используется как инструмент для высокопродуктивных исследований, анализа, разработок и моделирования.
В Matlab важная роль отводится специализированным пакетам прикладных программ (ППП), называемых toolboxes. Они носят проблемно ориентированный характер и применяются для высокоэффективного решения частных задач с использованием специализированных вычислительных методов.
Система Matlab состоит из восьми основных элементов:
1. Интегрированная среда. Это набор интерфейсных инструментов, находящихся на рабочем столе системы, с которыми работает пользователь при выполнении отдельных команд или при разработке приложений с написанием программного кода. Среда включает в себя средства управления переменными в рабочем пространстве Matlab, вводом и выводом данных, а также средства формирования, редактирования контроля и отладки программных текстов и сохранения их в виде файлов.
2. Язык Matlab. Это язык высокого уровня, позволяющий оперировать с векторами и матрицами, как с единым целым. Он позволяет управлять ходом вычислений, использовать функции и структуры данных, осуществлять ввод и вывод данных. Существенная роль отводится средствам объектной технологии. Это дает возможность программировать как в локальных масштабах для быстрого создания черновых программ, так и в рамках глобальных проектов для создания больших и сложных приложений.
3. Управляемая графика. Это графическая подсистема системы Matlab, которая включает в себя команды высокого уровня для визуализации двух- и трехмерных данных, обработки изображений, выполнения анимации и формирования иллюстрированной графики. Графическая подсистема также включает в себя команды низкого уровня, позволяющие полностью контролировать внешний вид графических объектов. С ее помощью осуществляется разработка графического интерфейса (GUI) пользователя для управления функционирования создаваемых приложений.
4. Библиотека математических функций. Это обширная коллекция вычислительных алгоритмов, охватывающих практически все разделы современных численных методов. Библиотека позволяет работать с элементарными и специальными функциями, комплексными числами, полиномами и матрицами. В ее состав включены все наиболее эффективные алгоритмы решения нелинейных и дифференциальных уравнений, поиска экстремума функций многих переменных, алгоритмы аппроксимации, быстрого преобразования Фурье и многие другие.
5. Программный интерфейс. Представляет собой специальную библиотеку, позволяющую писать программы на языках высокого уровня Си и Фортран, которые взаимодействуют с системой Matlab. Она включает в себя средства для запуска подпрограмм из Matlab (динамическая связь), вызывая эту систему как вычислительный процессор. В библиотеку также включены средства чтения и записи файлов для хранения данных в специальном формате Matlab.
6. Пакеты прикладных программ. Совокупность ППП по существу неограниченно расширяет возможности системы Matlab за счет проблемной специализации вычислительных методов для решения прикладных задач в различных научно-технических областях. В настоящее время версия 6.5 системы включает в себя около 40 ППП. Особую значимость для специалистов по управлению представляют пакеты, предназначенные для анализа и синтеза, идентификации, оптимизации, цифровой обработки сигналов, моделирования нейронных сетей, работы с нечеткими множествами и т.д.
7. Подсистема Simulink моделирования динамических объектов. Это интерактивное инструментальное средство, непосредственно взаимодействующее с Matlab, которое позволяет формировать компьютерные модели нелинейных динамических систем и выполнять имитационное моделирование протекающих в них процессов. Компьютерные модели формируются в визуальном режиме с использованием компонентного подхода. На базе компьютерной модели осуществляется автоматическая генерация кода для вычисления правых частей дифференциальных уравнений, представляющих динамику системы. Существо имитационного моделирования состоит в численном интегрировании этих уравнений с помощью выбранного пользователем численного метода. Результаты моделирования могут быть переданы в Matlab для анализа или синтеза.
Требования по установке на ПК с платформой Intel + MS Windows . Система может быть установлена на любом компьютере с процессорами Pentium или AMD.
В качестве операционной среды может быть принята одна из следующих: Microsoft Windows 98 (оригинальная или второе издание), Windows ME, Windows NT 4.0 (c Service Pack 5,6,6а), Windows XP или Windows 2000 (c Service Pack 1 или 2).
На компьютере должен быть установлен CD привод.
Минимальный объем оперативной памяти для установки – 128 Мб, однако рекомендуется 256 Мб.
Для установки только самой системы Matlab (без ППП) требуется 90 Мб дискового пространства. Полная установка системы потребует примерно 1.5 Гб на диске.
Управление работой системы осуществляется с использованием интегрированной рабочей среды пользователя, в состав которой входит ряд инструментальных средств.
После запуска системы, в главном окне интегрированной среды всегда видны два ее основных инструмента: главное меню (Main menu) с кнопками быстрого доступа и рабочий стол (Desktop).
Рис. 1.1. Главное окно интегрированной среды в стандартном варианте
Кроме двух основных, в состав интегрированной среды входят следующие рабочие инструменты:
командное окно (Command Window);
окно поданных команд (Command History);
окно быстрого запуска (Launch Pad);
окно справочной системы (Help Browser);
окно текущего директория (Current Directory Browser);
окно рабочего пространства (Workspace Browser);
редактор массивов (Array Editor);
редактор программного кода с отладчиком (Editor/Debugger);
профилировщик программ (Profiler).
Основным инструментом среды служит командное окно. В командной строке пользователь управляет работой системы, подавая необходимые команды и вызывая соответствующие функции среды для выполнения соответствующих операций. При этом система работает в режиме интерпретатора. Результаты выполнения операций выводятся в командное окно. Блокировать их вывод можно поставив символ «;» после подаваемой команды.