计算机仿真视频辅导

计算机仿真计算机仿真视频辅导视频辅导主讲人：张主讲人：张 莉莉20142014年年5 5月月内容安排内容安排一、一、Matlab 的交互式计算的交互式计算 二、二、Matlab 的图形绘制的图形绘制三、三、Matlab 的编程基础的编程基础四、四、Matlab 的句柄操作的句柄操作五、五、Simulink 仿真环境仿真环境一、交互式计算一、交互式计算 -基本功能基本功能 支持计算器计算模式支持计算器计算模式 执行简短的指令序列执行简短的指令序列 调试函数或脚本部分指令序列调试函数或脚本部分指令序列 -与脚本和函数的关系与脚本和函数的关系 脚本脚本:重复执行的指令序列重复执行的指令序列 函数函数:重复调用的指令序列重复调用的指令序列一、交互式计算一、交互式计算(续续)v基本的变量基本的变量 -向量向量 一维的矩阵一维的矩阵 行表示行表示:元素用空格分隔元素用空格分隔 列表示列表示:元素用分号分隔元素用分号分隔 -矩阵矩阵 两维的数组两维的数组 行内元素用空格分隔行内元素用空格分隔 列间元素用分号分隔列间元素用分号分隔元素的访问元素的访问 x(2)向量向量 x 的的第二个元素第二个元素A(3,3)矩阵矩阵 A 第三个对角元素第三个对角元素变量赋值的交互方法变量赋值的交互方法 -基本格式基本格式 变量名变量名=表达式表达式 -表达式注解表达式注解 数值数值,变量变量和和函数函数通过操作符组合而成通过操作符组合而成 手工输入方式手工输入方式 函数返回方式函数返回方式(内嵌的或自己的内嵌的或自己的)外部加载方式外部加载方式(.mat数据文件数据文件)一、交互式计算一、交互式计算(续续)手工创建方式手工创建方式 323114A5792x A=3 2;3 1;1 4 A=3 2 3 1 1 4 x=5;7;9;2 x=5 7 9 2 一、交互式计算一、交互式计算(续续)交互创建的辅助工具交互创建的辅助工具 -矩阵转置矩阵转置 操作符操作符:-特殊矩阵特殊矩阵 全零矩阵全零矩阵:zeros(m,n)全一矩阵全一矩阵:ones(m,n)对角矩阵对角矩阵:diag(v)单位矩阵：单位矩阵：eye(n)随机矩阵：随机矩阵：rand(m,n)v=2 4 1 7;w=v w=2 4 1 7一、交互式计算一、交互式计算(续续)创建向量的有用函数创建向量的有用函数 -线性增量序列模式线性增量序列模式 基本格式基本格式 linspace(startValue,endValue)linspace(tartValue,endValue,nElements)注解注解:缺省缺省 nElements=100 u=linspace(0,0.25,5)u=0 0.0625 0.1250 0.1850 0.2500生成行向量生成行向量一、交互式计算一、交互式计算(续续)-指数增量序列模式指数增量序列模式 基本格式基本格式 logspace(startValue,endValue)logspace(tartValue,endValue,nElements)注解注解:从从 10startValue 到到 10endValue u=logspace(1,4,4)u=10 100 1000 10000 A=diag(u)A=?一、交互式计算一、交互式计算(续续)使用冒号创建向量使用冒号创建向量 -基本格式基本格式startValue:endValue startValue:increment:endValue 注解：缺省增量为单位值注解：缺省增量为单位值 s=1:4 s=1 2 3 4 t=0:0.1:0.4 t=0 0.1 0.2 0.3 0.4 一、交互式计算一、交互式计算(续续)Matlab绘图绘图:功能函数功能函数 -二维图形二维图形 -图形修饰与控制图形修饰与控制 -三维图形三维图形 二、图形绘制二、图形绘制二维图形二维图形 -plot 二维曲线绘图函数二维曲线绘图函数 基本形式基本形式 plot(x,y,s)x，y 是相同类型的等长向量是相同类型的等长向量 s 可选用于控制图形属性可选用于控制图形属性 原理原理:点点线线 输入输入:点坐标向量点坐标向量 输出输出:插值曲线插值曲线二、图形绘制（续）二、图形绘制（续）v函数函数 Plot 常用的使用格式常用的使用格式 -plot(x):缺省自变量缺省自变量 -plot(x,y):单条曲线单条曲线 -plot(x1,y1,x2,y2,):多条曲线多条曲线 -plot(x,y,s):带属性修饰的曲线带属性修饰的曲线 -s:属性开关描述自符串变量属性开关描述自符串变量二、图形绘制（续）二、图形绘制（续）v图形颜色、标记和线形参数表图形颜色、标记和线形参数表 线型基本点标记 颜色-实线:虚线-.点划线-间断线.点o 小圆圈x 叉子符+加号*星号s 方格d 菱形y 黄色 m 棕色 c 青色r 红色g 绿色b 蓝色w 白色k 黑色二、图形绘制（续）二、图形绘制（续）图形的修饰与控制函数图形的修饰与控制函数 title 给图形加标题给图形加标题 xlable 给给x轴加标注轴加标注 ylable 给给y轴加标注轴加标注 text 在图形指定的任意位置加标注在图形指定的任意位置加标注 gtext 利用鼠标将标注加到图形任意位置利用鼠标将标注加到图形任意位置 grid on/off 打开打开/关闭坐标网格线关闭坐标网格线 legend 添加图例添加图例 axis 控制坐标轴刻度控制坐标轴刻度二、图形绘制（续）二、图形绘制（续）v图形保持函数图形保持函数 hold 功能功能:实现异步绘图的迭加对比实现异步绘图的迭加对比 clear t=0:pi/10:2*pi;y1=sin(t);y2=cos(t);y3=sin(t)-cos(t);plot(t,y1);hold on;%后续图形叠加显示后续图形叠加显示plot(t,y2);plot(t,y3);二、图形绘制（续）二、图形绘制（续）v图形分割函数图形分割函数 subplot 功能功能:实现多个图形窗口实现多个图形窗口 clear t=0:pi/10:2*pi;y1=sin(t);y2=cos(t);y3=cos(t+pi/2);y4=cos(t+pi);%将图形窗口分割成两将图形窗口分割成两 行两列，图形画在行两列，图形画在 第第1行第行第1列的窗口列的窗口subplot(2,2,1);plot(t,y1);%图形画在第图形画在第1行第行第2列列subplot(2,2,2);plot(t,y2);二、图形绘制（续）二、图形绘制（续）v3D曲线绘图函数曲线绘图函数 plot3 功能功能:实现三维曲线绘图实现三维曲线绘图 使用的一般格式使用的一般格式 plot3(x1,y1,z1,s1,x2,y2,z2,s2)clear t=0:pi/50:10*pi;plot3(t,sin(t),cos(t),r:)grid on二、图形绘制（续）二、图形绘制（续）v其它绘图方式其它绘图方式 -命令格式命令格式 plot:2D曲线绘图曲线绘图 plot3:3D曲线绘图曲线绘图 loglog：对数坐标绘图：对数坐标绘图 semilogx:横对数坐标图横对数坐标图 semilogy:纵对数坐标图纵对数坐标图 plotyy:双纵坐标图双纵坐标图二、图形绘制（续）二、图形绘制（续）程序设计概述程序设计概述 -基本概念基本概念 程序程序:数据结构数据结构+算法算法 注解注解:数据结构定义操作对象数据结构定义操作对象 算法定义求解过程算法定义求解过程 -必要性必要性 问题求解需要复杂算法问题求解需要复杂算法 交互计算方式难以满足交互计算方式难以满足 三、编程功能三、编程功能 M-文件概述文件概述 m-编辑器编辑器:创建以创建以m为结尾标志的为结尾标志的asccii文件文件 分类：脚本文件分类：脚本文件/函数文件函数文件 -脚本文件脚本文件(script)执行批处理行命令执行批处理行命令 文件名：默认的宏命令文件名：默认的宏命令 全局性：全局性：与工作空间共享变量名与工作空间共享变量名 适用性：实现小规模简单的问题求解适用性：实现小规模简单的问题求解三、编程功能（续）三、编程功能（续）-函数文件函数文件 创建用户自己功能函数的方式创建用户自己功能函数的方式 允许参数传递机制定制求解允许参数传递机制定制求解 允许局部变量，与工作空间隔离允许局部变量，与工作空间隔离 允许函数嵌套，子函数方式允许函数嵌套，子函数方式 主函数：主函数：第一行定义的函数第一行定义的函数 子函数：被同一文件其他函数调用的函数子函数：被同一文件其他函数调用的函数 三、编程功能（续）三、编程功能（续）-m-文件的结构文件的结构 脚本文件脚本文件 文件体：行命令序列的集合文件体：行命令序列的集合 再提醒：文件名即为批处理命令名再提醒：文件名即为批处理命令名 没有输入和输出没有输入和输出 所有变量均保留在工作空间所有变量均保留在工作空间 函数文件函数文件 函数定义行：申明和定义函数名函数定义行：申明和定义函数名/输入输出变量输入输出变量 全局变量申明和定义全局变量申明和定义 程序体：程序指令集合（包括函数调用）程序体：程序指令集合（包括函数调用）再提醒：函数名与文件名一致再提醒：函数名与文件名一致三、编程功能（续）三、编程功能（续）-创建一个脚本文件创建一个脚本文件%An M-file script to produce%Comment lines%flower petal plots theta=-pi:0.01:pi;%Computations rho(1,:)=2*sin(5*theta).2;rh(1,:)=2sin(5t)2;rho(2,:)=cos(10*theta).3;rh(2,:)=cos(10t)3;rho(3,:)=sin(theta).2;rh(3,:)=sin(t)2 ;rho(4,:)=5*cos(3.5*theta).3;rh(4,:)=5cos(3.5t)3;for k=1:4 polar(theta,rho(k,:)%Graphics output title(rh(k,:);pause end三、编程功能（续）三、编程功能（续）-创建一个简单的创建一个简单的m-函数文件函数文件 1：function f=fact(n)2：%Compute a factorial value.3：%FACT(N)returns the factorial of N 4：%usually denoted by N!5：6：%Put simply,FACT(N)is PROD(1:N).7：f=prod(1:n);第第1行：函数定义行行：函数定义行函数名函数名/输入输入/输出输出 第第2行：帮助提要行：帮助提要-help目录目录/lookfor回应回应 第第3/4行：帮助详细信息行：帮助详细信息-help函数回应函数回应 第第6行：程序注释行行：程序注释行 第第7行：程序体行：程序体 三、编程功能（续）三、编程功能（续）句柄图形概述句柄图形概述 句柄图形句柄图形（Handle Graphics）是一种面象对象的绘图系统是一种面象对象的绘图系统 直接创建线、文字、网线、面直接创建线、文字、网线、面 也可以用于生成图形用户界面也可以用于生成图形用户界面 已讲解的绘图函数已讲解的绘图函数(plot/mesh)(high-level)通过调用各种句柄图形指令通过调用各种句柄图形指令(low-level)实现各种绘图功能实现各种绘图功能四、句柄操作四、句柄操作句柄图形功能和关系句柄图形功能和关系 Matlab图形图形=图形对象以递阶结构组成图形对象以递阶结构组成UI Controls(UI 控制元件控制元件)Images（图像（图像)Lines(线段线段)Patches(贴片贴片)Surfaces(曲面曲面)Texts(文字文字)Lighting(光照光照)Axes(图轴图轴)UI menus(UI 菜单菜单)Figures(图形视窗图形视窗)Root(桌面桌面)四、句柄操作（续）四、句柄操作（续）Matlab图形的构成图形的构成 必须的成分必须的成分 -根对象根对象(根屏幕根屏幕)-图形窗图形窗(Figure Windows)根对象根对象(屏幕屏幕)的句柄总是数字的句柄总是数字 0 图形窗的句柄总是图形窗的句柄总是正正整数整数 其余对象的句柄则是双精度浮点数其余对象的句柄则是双精度浮点数 四、句柄操作（续）四、句柄操作（续）对象的属性对象的属性(Properties)-定义和刻画对象的外貌和性状定义和刻画对象的外貌和性状-由两部分组成：属性名和属性值二元对由两部分组成：属性名和属性值二元对 (Property-Name,Property-Value)属性名和属性值总是成对出现的属性名和属性值总是成对出现的 属性名是描述的英文词组字符串属性名是描述的英文词组字符串 第一个字母大写第一个字母大写/单词间没有空格单词间没有空格 例如例如 LineStyle，ColorMap 等等 通过编辑修改属性值可以改变图形通过编辑修改属性值可以改变图形四、句柄操作（续）四、句柄操作（续）-对象句柄的获取对象句柄的获取 1.图形创建方式图形创建方式 H_GC=GraphicCommand()%GraphicCommand 图形创建函数图形创建函数%H_GC 所创建图形句柄所创建图形句柄 例如例如:h=figure;%返回图形窗口句柄返回图形窗口句柄 x,y,z=peaks;c,h=contour(x,y,z);c 轮廓线数据矩轮廓线数据矩阵阵四、句柄操作（续）四、句柄操作（续）-对象属性的获取与设定对象属性的获取与设定 get/set方式方式 get(H)获取获取H句柄对象所有属性值句柄对象所有属性值 get(H,PN)获取获取H句柄对象的句柄对象的PN属性属性 set(H)显示显示 H句柄对象的所有可设句柄对象的所有可设 置属性名和全部供选属性值置属性名和全部供选属性值 set(H,PN)显示显示H句柄对象句柄对象PN指定指定 属性名的全部供选属性值属性名的全部供选属性值四、句柄操作（续）四、句柄操作（续）Simulink 概述概述Simulation+Link -Simulink是一种仿真工具和环境是一种仿真工具和环境 寄生在寄生在Matlab环境环境(共享工作空间共享工作空间)完成对系统的完成对系统的建模建模,仿真仿真和和分析分析 采用基于时间模块化框图采用基于时间模块化框图 (Time-based Block Diagram)支持拖放支持拖放(drag&place)的交互设计的交互设计 有内嵌建模模块库有内嵌建模模块库(block library)五、五、Simulink工具工具-Simulink 建模模式建模模式模块框图描述方式模块框图描述方式 模块单元模块单元:内部状态的描述内部状态的描述 输入输出信号引角输入输出信号引角 模块的几何属性模块的几何属性 模块连接模块连接:一个模块输出作为另一模块输入一个模块输出作为另一模块输入 模块框图模块框图:由若干模块通过由若干模块通过信号线信号线连接形成连接形成 框图模型框图模型:定义了系统信号、状态的关联定义了系统信号、状态的关联 框图运算框图运算:指定起始时间到终止时间指定起始时间到终止时间 五、五、Simulink工具（续）工具（续）-Simulink 建模模块建模模块 模块的定义模块的定义 几何属性几何属性(外观修饰外观修饰)定义定义 模型结构定义模型结构定义 模型参数定义模型参数定义 五、五、Simulink工具（续）工具（续）-模块的结构定义模块的结构定义 -模块的参数定义模块的参数定义 设定端口设定端口数据类型数据类型设增益值设增益值五、五、Simulink工具（续）工具（续）-Simulink 交互式图形界面交互式图形界面(续续)编辑模块框图编辑模块框图 复制复制/删除删除/粘贴模块粘贴模块/信号线信号线 设置设置/修改模块修改模块-信号线结构属性信号线结构属性 设置设置/修改模块的模型参数修改模块的模型参数 模块框图文件模块框图文件 Fileopen/new/save/save as/确省后缀名确省后缀名:*.mdl 启动交互式界面启动交互式界面 激活激活 Matlab 工具拦图标工具拦图标五、五、Simulink工具（续）工具（续）模块库模块库浏览器浏览器五、五、Simulink工具（续）工具（续）模块框图编辑器模块框图编辑器五、五、Simulink工具（续）工具（续）-Simulink模块化框图建模实例模块化框图建模实例 静态模型建模静态模型建模 任务任务:正余旋模拟双通道信号观测仪正余旋模拟双通道信号观测仪 模块框图模块框图:正旋信号发生器：信源模块库正旋信号发生器：信源模块库 Source 多通道信号合成器：信号路由库多通道信号合成器：信号路由库 Signal Routing 多通道示波器多通道示波器:信宿模块库信宿模块库 Sink 生成余旋的积分运算生成余旋的积分运算:数学函数库数学函数库 Math信号发生器信号发生器积分积分双通双通道合道合成器成器示波器示波器五、五、Simulink工具（续）工具（续）-Simulink模块化框图建模实例模块化框图建模实例(续续)从信源模块库中选取摸板(拖)创建正旋信号发生器(放)五、五、Simulink工具（续）工具（续）-Simulink模块化框图建模实例模块化框图建模实例(续续)依次创建所需的模块单元依次创建所需的模块单元:五、五、Simulink工具（续）工具（续）依次创建信号连接线依次创建信号连接线五、五、Simulink工具（续）工具（续）正旋信号发生器模块参数设定正旋信号发生器模块参数设定Sine Wave Block Parameters Amplitude =1 Frequency(rad/sec)=0.25*2*pi Phase(rad)=0 Sample Time =0 五、五、Simulink工具（续）工具（续）积分器模块参数设定积分器模块参数设定 Integrator Block Parameters External Reset =None Initial Conditions =0 Limit output =Not Checked Show saturation point =Not Checked Show state port =Not Checked Absolute tolerance =auto五、五、Simulink工具（续）工具（续）SIMULINK工具箱工具箱(续续)仿真参数设定仿真参数设定 激活工具栏运行按钮激活工具栏运行按钮 双击示波器图标双击示波器图标 显示获取的信号显示获取的信号图形与匹配窗口 预祝预祝大家考试顺利！大家考试顺利！