Интерфейс программы Matlab. Заметки про Matlab

А.К. ЕФРЕМОВ

ИНТЕГРИРОВАННАЯ

СИСТЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ

МАТЕМАТИЧЕСКИХ

И НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ

РАСЧЕТОВ И МОДЕЛИРОВАНИЯ

в качестве учебного пособия по дисциплинам

«Автономные мехатронные устройства управления»,

«Моделирование автономных мехатронных устройств управления»

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана

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 Ó 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 .

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» , включающую в себя ядро основной версии и три пакета прикладных программ (Symbolic Mathematics Toolbox, Control System Toolbox и Signal Processing Toolbox ), 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 , 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 .

C численными методами, реализуемыми при решении инженерных задач и служащими теоретической основой команд и программ MATLAB, можно ознакомиться, например, в . 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.

ИНТЕРФЕЙС системЫ MATLAB

После загрузки MATLAB появляется Рабочий стол MATLAB , содержащий визуальные инструменты для управления файлами, переменными и приложениями, связанными с системой MATLAB (рис. 4.1). Рабочий стол состоит из строки заголовка, строки главного меню, панели инструментов, области для размещения окон инструментальных средств и строки состояния с кнопкой Start. На Рабочем столе может быть представлено любое сочетание из представленных ниже инструментальных средств:

· окно запуска приложений (Launch Pad);

· окно команд (Command Window);

· окно истории команд (Command History);

· окно просмотра помощи (Help Browser);

· окно просмотра текущей директории (Current Directory Browser);

· окно просмотра Рабочей области (Workspace Browser);

· окно Редактора данных (Array Editor);

· Редактор m– файлов (Editor/ Debugger);

· Профайлер (Profiler), оценивающий быстродействие команд.

Рис. 4.1. Рабочий стол системы MATLAB.

Помимо указанных инструментальных средств в систему MATLAB входят не управляемые посредством Рабочего стола графические окна (Figures), предназначенные для визуализации результатов вычислений.

Для управления окнами инструментальных средств предназначены команды меню View . Например, команда Desktop Layout открывает меню, в котором размещаются команды, предназначенные для отображения на Рабочем столе системы различных комбинаций инструментальных средств. Наиболее используемым расположением окон инструментальных средств при работе с системой MATLAB является расположение, принятое по умолчанию. Это расположение при необходимости можно установить командой View→ Desktop Layout→Default .

Для осуществления операций на файловом уровне предназначены команды меню File . Так с помощью подменю New можно открыть приложение для создания нового m – файла (Editor/ Debugger ), динамической модели(SIMULINK ), графического интерфейса пользователя (GUIDE ), а также создать новое графическое окно. Команда Save Workspace as… позволяет сохранять данные, расположенные в рабочей области, на диске в виде двоичных файлов с расширением .mat . Для этих же целей служит и команда save . Например, вызов команды save fname X позволит записать значение переменной X в файл fname.mat . Следует отметить, что возможности сохранения всего текста сессии, формируемой в командном режиме, команда save не дает, для этого служит команда diary . Например, вызов команды diary filename приведет к записи на диск всех команд в строках ввода и полученных результатов в виде текстового файла с именем filename.m. Кроме того, в системе предусмотрена возможность приостановки записи в файл с помощью команды diary off и возобновления ранее прерванной записи с помощью команды diary on.

Для загрузки рабочей области ранее сохраненной сессии предназначена команда load . Например, для загрузки ранее сохраненного файла myf_1.mat следует вызвать команду load myf_1.mat . Если команда load используется в ходе проведения сессии, то произойдет замена текущих значений переменных теми значениями, которые были сохранены ранее в считываемом МАТ-файле. При этом для задания имен загружаемых файлов может использоваться знак *, означающий загрузку всех файлов с определенными признаками. Например, load lab*.mat означает загрузку всех файлов с началом имени lab , например lab_1 , lab_2 , lab_3 и т. д.

Для завершения работы с системой можно использовать команды exit , quit или комбинацию клавиш Ctrl+Q . Если необходимо сохранить значения всех переменных системы, то перед вводом команды exit следует дать команду save . В этом случае команда load после загрузки системы считает значения сохраненных переменных и позволит начать работу с системой с того момента, когда она была прервана.

Команды меню Edit позволяют отменять(Undo ) или возвращать (Redo ) отмененное действие, обмениваться информацией с буфером обмена (Cut– Вырезать , Copy – Копировать , Paste – Вставить , PasteSpecial – Специальная вставка ), полностью выделять содержимое текущего окна (Selectall ), а также очищать окно команд (ClearCommandWindow ), окно истории команд (ClearCommandHistory ) и содержимое рабочей области (ClearWorkspace ).

Команды меню Web позволяют перейти на страницу сайта фирмы разработчика системы MATLAB. Для переключения между окнами m– файлов, окнами библиотек блоков приложения SIMULINK, окнами моделей систем предназначены команды меню Windows . Доступ к справочной информации предоставляют команды меню Help .

Командное окно (Command Window) предназначено для ввода команд и вывода результатов их выполнения в текстовом режиме. Работа с командным окном происходит в диалоговом режиме. Пользователь вводит команду в командную строку после приглашения >> и нажимает Enter , после чего команда передается ядру системы MATLAB. Ядро проверяет команду на синтаксические ошибки и, в случае их отсутствия, выполняет команду и возвращает результат. В противном случае выводится сообщение об ошибке.

По умолчанию в командное окно результат выводится в числовом формате shortG . Изменить формат вывода числа можно с помощью диалогового окна Preferences , которое вызывается одноименной командой меню File . В данном окне после активизации инструментального средства Command Window из раскрывающегося списка поля Numeric format , расположенного внутри группы Text display , следует выбрать необходимый формат. Помимо этого сменить текущий формат можно также с помощью команды format . Список форматов вывода числовых данных представлен в таблице 4.1.

Таблица 4.1. Форматы вывода числовых данных.

Заметим, что задание формата сказывается только на форме вывода чисел и не влечет за собой изменения самого числа.

Переменные и определения новых функций в системе MATLAB хранятся в особой области памяти, именуемой рабочей областью (workspace ). Для быстрого просмотра атрибутов объектов, располагающихся в рабочей области, их редактирования, сохранения и удаления предназначено Окно просмотра рабочей области (Workspace Browser) (рис. 2). В этом окне можно увидеть имя переменной, ее размер, число байтов, занимаемых переменной в памяти, и ее класс.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Основы работы в среде MATLAB

Основы работы в среде MATLAB.. Цель работы.. uuml получить навыки работы с основными элементами интерфейса системы MATLAB..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

• Общая характеристика пользовательского интерфейса

  Как видно из материалов предыдущих уроков, в новой версии MATLAB в полной мере сохранен командный интерактивный режим работы. Это старый фасад дворца MATLAB. Командный режим остается одним из наиболее удобных и проверенных методов работы с системой.

• Упрощенный интерфейс

  Сделав решительный шаг в обновлении интерфейса, разработчики MATLAB 6.0, похоже, испугались недовольства старых пользователей, уже привыкших работать со скромным и отчасти даже ущербным интерфейсом прежних версий MATLAB.

• Работа с панелью инструментов. Средства панели инструментов.

• Вызов окна открытия нового файла

  Кнопка New M-file открывает окно редактора/отладчика m-файлов. Это окно показано на рис. 5.4. Работу с этим средством мы обсудим позже. | Рис. 5.4. Пустое окно редактора/отладчика m-файлов | По умолчанию файлу дается имя Untitled (безымянный), которое впоследствии (при записи файла) можно изменить на другое, отражающее тему задачи.

• Вызов окна загрузки имеющегося файла

  Кнопка Open file (Открыть файл) служит для загрузки в редактор/отладчик ранее созданных m-файлов, например входящих в пакет расширения (Toolbox) системы или разработанных пользователем. Она открывает окно, которое является типичным элементом интерфейса Windows-приложений и показано на рис.

• Операции с буфером обмена. Отмена результата предшествующей операции.

  Кнопки Cut (Вырезать), Copy (Копировать) и Paste (Вставить) реализуют наиболее характерные команды работы с буфером обмена (Clipboard). Первые две операции относятся к выделенным фрагментам сессии или текста m-файлов (если они выполняются в окне редактора/отладчика).

• Запуск приложения Simulink. Вызов справки MATLAB.

  Кнопка Simulink панели инструментов (или команда simulink из строки ввода) запускает одно из самых мощных приложений системы MATLAB - программу моделирования систем, построенных из типовых блоков. Эта система (пакет инструментов (toolbox) Simulink) в данной книге подробно не описывается (см.

• Средства контроля рабочей области и файловой системы. Браузер рабочей области.

  Векторы и матрицы могут занимать большой объем памяти. Конечно, речь не идет о векторах или матрицах, содержащих несколько элементов или даже несколько десятков элементов. Хотя и в этом случае оценка их размеров полезна при разработке алгоритмов матричных вычислений и оценке их эффективности в части использования памяти.

• Команды просмотра рабочей области who и whos

  Следует отметить, что просмотр рабочей области возможен и в командном режиме, без обращения к браузеру Workspace Browser. Команда who выводит список определенных переменных, а команда whos - список переменных с указанием их размера и объема занимаемой памяти.

• Браузер файловой структуры

  Для просмотра файловой структуры MATLAB служит специальный браузер файловой системы (Path Browser), который запускается при обычной загрузке системы. Если был установлен упрощенный интерфейс, то для запуска браузера файловой системы используется окно Current Directory (Текущая папка). На рис.

• Работа с меню. Команды, операции и параметры. Меню системы.

  Открытая позиция строки меню содержит различные операции и команды. Выделенная команда или операция исполняется при нажатии клавиши Enter (Ввод). Выполнение команды можно также осуществить щелчком мыши или нажатием на клавиатуре клавиши, соответствующей выделенному символу в названии команды.

• Подменю File

  Подменю File содержит ряд операций и команд для работы с файлами. Оно показано на рис. 5.13. Число операций и команд значительно сокращено по сравнению с тем же меню у предшествующей версии системы MATLAB. | Теперь меню File содержит следующие операции: | New - открывает подменю с позициями:

• Открытие окон для подготовки новых файлов. Загрузка и сохранение файлов. Установка путей доступа файловой системы.

  Команда New, как отмечено, открывает окна для подготовки новых файлов. Для трех типов файлов (m-файлы, графические файлы и файлы Simulink-моделей) окна их редакторов уже описывались. | Новой является позиция GUI подменю File.

• Настройка элементов интерфейса

  Окно настройки элементов интерфейса представлено на рис. 5.16. | Рис. 5.16. Окно настройки элементов интерфейса | Интерфейс MATLAB 6.0 стал настолько удобным и даже изысканным, что мало вероятно, что кому-либо захочется менять его в мере, большей, чем это предусмотрено командами подменю View [Это может потребоваться даже для настройки под особенности операционной системы.

• Обеспечение печати - команды Print и Print Selection

  В MATLAB для печати используются стандартные средства Windows. Меню File содержит две команды печати. Первая из них - Print - служит для вывода окна печати, показанного на рис. 5.17 применительно к широко распространенному струйному принтеру Epson Stylus COLOR 600.

• Меню Edit - средства редактирования документов. Меню View и Window.

  Меню Edit (рис.5.19) содержит операции и команды редактирования, типичные для большинства приложений Windows: | Undo (Отменить) - отмена результата предшествующей операции; | Redo (Повторить) - отмена действия последней операции Undo;

• Основы редактирования и отладки m-файлов. Интерфейс редактора/отладчика m-файлов. Цветовые выделения и синтаксический контроль.

  Для подготовки, редактирования и отладки m-файлов служит специальный многооконный редактор. Он выполнен как типичное приложение Windows. Редактор можно вызвать командой edit из командной строки или командой New > M-file из меню File.

• Понятие о файлах-сценариях и файлах-функциях. Панель инструментов редактора и отладчика.

  Здесь полезно отметить, что m-файлы, создаваемые редактором/отладчиком, делятся на два класса: | файлы-сценарии, не имеющие входных параметров; | файлы-функции, имеющие входные параметры. | Видимый в окне редактора на рис. 5.21 файл является файлом-сценарием, или Script-файлом.

• Построение графического интерфейса в системе Matlab

  
  

  Введение

  Matlab – это система инженерных и научных вычислений. Она обеспечивает математические вычисления, визуализацию научной графики программирование и моделирование процессов с использованием интуитивно понятной среды окружения, когда задачи и их решения могут быть представлены в нотации, близкой к математической. Наиболее известные области применения системы Matlab:

  · математика и вычисления;

  · разработка алгоритмов;

  · вычислительный эксперимент, имитационное моделирование, макетирование;

  · анализ данных, исследование и визуализация результатов;

  · научная и инженерная графика;

  · разработка приложений, включая графический интерфейс пользователя.

  Основным объектом при программировании в среде Matlab является массив, для которого не требуется указывать размерность явно. Это позволяет решать многие вычислительные задачи, связанные с векторно-матричными формулировками.

  Система Matlab – это одновременно и операционная среда и язык программирования. Пользователь может написать специализированные функции и программы, которые оформляются в виде М-файлов. По мере увеличения количества созданных программ возникают проблемы их классификации и тогда можно попытаться собрать родственные функции в специальные папки. Это приводит к концепции пакетов прикладных программ, которые представляют собой коллекции М-файлов для решения определенной задачи или проблемы.

  
  

  Cреда системы Matlab

  Среда системы Matlab это совокупность интерфейсов, через которые пользователь поддерживают связь этой системой. Это: диалог посредством командной строки или графического интерфейса, просмотр рабочей области, редактор и отладчик М-файлов, работа с файлами и оболочкой DOS, экспорт и импорт данных, интерактивный доступ к справочной информации, динамическое взаимодействие с внешними системами Microsoft Word, Microsoft Excel и др. Реализуются эти интерфейсы через командное окно, инструментальную панель, системы просмотра рабочей области и путей доступа, редактор / отладчик М-файлов, специальные меню.

  Пользовательский интерфейс носит дружественный характер и построен с учетом устоявшихся принципов программного обеспечения, разрабатываемого для операционной системы Windows.

  В системе Matlab существует два вида м-файлов:

  Скрипты – представляют последовательности команд (представляют собой процедуры);

  Function – представляют собой функции с входными аргументами и выходными параметрами (значениями функции).

  Но далее возникает необходимость многократного запуска файла программы при других, изменённых параметрах решаемой задачи. Возникает неудобство: в постоянном редактировании исходного текста программы и повторном или очередном её запуске. При этом важен механизм управления переменными, который бы обеспечивал удобный интерфейс между программой и пользователем. При решении других задач могут возникнуть трудности с визуализацией какого-либо процесса, то есть некоторая переменная изменяться динамически в процессе решения поставленной задачи.

  Все эти и другие трудности, возможно, решить при использовании графического интерфейса пользователя. (GUI – Graphical User Interface)

  Основные принципы построения графического интерфейса

  Использование графического интерфейса позволяет пользователю сделать программу более универсальной.

  Как и любой процесс проектирования, процесс построения графического интерфейса пользователя можно разбить на следующие этапы:

  1. Постановка задачи,

  2. Создание формы интерфейса и создание на неё элементов управления.

  3. Написание кода программы и кода обработки событий.

  Этапы построения графического интерфейса пользователя

  1. На первом этапе проводиться анализ поставленной задачи и определяется количество и состав элементов управления необходимых для решения задачи.

  2. На втором этапе создаётся форма графического интерфейса и на ней создаются и размещаются элементы управления. Здесь же описываются их свойства.

  Задавать расположение и выравнивать элементы на форме описывать их свойства можно "вручную", но для удобства и быстроты используют редактор выравнивания объектов (The Alignment Tool) и редактора свойств (The Property Editor).

  Существует два способа создания формы и элементов управления, а так же задания или изменения их свойств:

  Использование команды WORKSPACE (то есть использование команды операционной среды MATLAB).

  Использование средств панели инструментов – совокупности средств для быстрого создания GUI (The Control Panel).

  При построении элементов управления первым способом удобно использовать скрипт-файл, в котором последовательно с помощью команд WARKSPACE описывается создание элементов управления и устанавливаются их свойства.

  Эти команды можно использовать как для написания кода, создающего графический интерфейс пользователя, так и использовать для управления свойствами элементов управления из тела m-файлов. Благодаря чему мы можем получить визуализацию нашего процесса вычисления.

  На практике всё более склоняются ко второму способу создания графического интерфейса с элементами управления. Это объясняется тем, что при использовании панели управления с её редакторами свойств, событий, выравнивания очень удобно работать, и создавать GUI значительно быстрее, чем в первом случае.

  
  

  Работа с демонстрационными примерами с командной строки Вызов списка демонстрационных примеров Одним из самых эффективных методов знакомства со сложными математическими системами является ознакомление со встроенными примерами их применения. Система MATLAB содержит многие сотни таких примеров – по примеру практически на каждый оператор или функцию. Наиболее поучительные примеры можно найти...

  

  Точку с запятой; для обозначения окончания каждой строки окружать весь список элементов квадратными скобками, . Чтобы ввести матрицу Дюрера просто напишите: А = MATLAB отобразит матрицу, которую мы ввели, A = 16 3 2 13 5 10 11 8 9 6 7 12 4 15 14 1 Если мы ввели матрицу, то она автоматически запоминается средой MATLAB. И мы можем к ней легко...