Архитектураlab1

Лабораторная работа № 1

Ознакомление со средой MATLAB. Работа в командном окне. Создание и сопровождение М-файлов.

Цель работы:

изучить интерактивную среду MATLAB и получить навыки работы в командном окне.

Основныесведения

MATLAB - это интерактивная система, основным объектом которой является массив, для которого не требуется указывать размерность явно. Это позволяет решать многие вычислительные задачи, связанные с векторно-матричными формулировками, существенно сокращая время, которое понадобилось бы для программирования на скалярных языках типаC, Pascal, Fortran.

MATLAB содержитинструментыдля:

-сбораданных,

-анализа и обработки данных ,

-визуализации и цифровой обработки сигналов иизображений ,

-созданияалгоритмов и проектирования,

-моделирования и имитации ,

-программирования и разработки приложений .

MATLAB выполняет множество компьютерных задач для поддержки научных и инженерных работ, начиная от сбора и анализа данных доразработки приложений.

Среда MATLAB объединяет математические вычисления, визуализацию и мощный технический язык. Встроенные интерфейсы позволяют получить быстрый доступ и извлекать данные из внешних устройств, файлов, внешних баз данных и программ. Кроме того, MATLAB позволяет интегрировать внешние процедуры, написанные наязыках С, С++, Fortran, иJava свашими MATLAB приложениями.

Основные возможности

-Быстрые и точные численные алгоритмы .

-Графика для анализа и отображения данных.

-Интерактивный язык и среда программирования;

-Инструменты для настройки пользовательских интерфейсов;

-Интерфейсы с внешними языками, такими как С, С++, Fortran, Java;

-Поддержка импорта данных из файлов и внешних устройств плюс доступ к базам данных и вспомогательному оборудованию при помощи приложений;

-Преобразование MATLAB - приложений в С и С++ при помощи набора

Compiler Suite.

Математические функции и численные расчеты

С более чем 1000 математическими, статистическими и инженерными функциями MATLAB дает вам немедленный доступ к высокопроизводительным численным расчетам. Численные алгоритмы быстрые, точные и надежные. Эти алгоритмы, разработанныеэкспертами вматематике, являютсяфундаментомязыкаMATLAB.

Математика оптимизирована для матричных и векторных операций, так что вы можете использовать ее вместо языков более низкого уровня, подобных С и С++, при этом вы получите ту же скорость вычислений при значительной экономии времени на программирование. Благодаря обширному набору оптимизированных математических алгоритмов, встроенных в МАТЛАБ разработчику могут сконцентрироваться на принципиальных аспектах проекта, не теряя времени на поиск, разработку и отладку известных алгоритмов.

MATLAB содержит много функций для осуществления математических вычислений и анализа данных включая:

-линейную алгебру и арифметику матриц, линейные уравнения, собственные значения, сингулярные значения и матричные разложения;

-полиномы и интерполяцию - стандартные полиномиальные операции, такие как вычисление корней полиномов, дифференцирование, аппроксимация кривыми и разложение функций;

-обработку сигналов - цифровые фильтры, быстрое Фурье преобразование

(FFTs), и свертка;

-анализ данных и статистику - описательная статистика, предварительная

обработка данных, регрессия, аппроксимация кривыми, фильтрация данных;

-МАТЛАБ - функции, работающие не с массивами данных, а с математическими функциями, включая функции построения графиков, оптимизации, нахождения нулей и численного интегрирования;

-дифференциальные уравнения - решение дифференциальных уравнений, включая задачи с начальными значениями для обыкновенных дифференциальных уравнений и дифференциально-алгебраические уравнения, а также задачи с граничными условиями и смешанного типа для систем эллиптических и параболических уравнений.

Дополнительные пакеты расширений(toolboxes - пакеты) MATLAB

Дополнительные пакеты - специализированные наборы функций MATLAB и Simulink, включающие наборы MATLAB - функций и интерфейсов, позволяющие использовать повышенные математические и вычислительные мощности при решении ваших задач. Распространяемые пакеты включают приложения для цифровой обработки сигналов, оптимизации, статистики, символьной математики, решения уравнений в частных производных, аппроксимации данных и многие другие, созданные для работы сMATLAB (см. список пакетов (Toolboxes Listing)).

Список пакетов MATLAB

1.Communications - связь;

2.Control System - системы управления;

3.Database - базы данных;

4.Data Acquisition - сбор данных;

5.Excel Link - связь спакетом MS Excel;

6.Financial Toolbox - финансовые задачи;

7.Financial Derivatives Toolbox - анализ производных прибыли и финансовоепрогнозирование;

8.Frequency Domain System Identification - анализ частотных характери-

стик и диагностики систем;

9.Fuzzy Logic (задачи нечеткой логики);

10.GARCH (анализ изменчивость на финансовых рынках сиспользованием одномерных GARCHмоделей;

11.Higher-Order Spectral Analysis - гармонический анализ;

12.Image Processing - обработка изображений;

13.Instrument Control - взаимодействие с измерительными приборами из

MATLAB;

14.LMI Control - задачи линейного программирования и устойчивости для систем управления;

15.Mapping - картография;

16.Matlab Runtime Server - вычислительный сервер реального времени;

17.Matlab C/C++ Graphics Library - компилятор графических программ

MATLAB;

18.Model Predictive Control - инструментарий разраб. систем управления с моделью в контуре;

19.µ-Analysis and Synthesis - проектирование оптимальных устойчивых систем управления;

20.NAG - 240 функций: оптимизация, решение дифференциальных уравнений обыкновенных и в частных производных, статистика, интегрирование;

21.Neural Network - задачи нанейронных сетях;

22.Optimization - оптимизациялинейнаяинелинейная;

23.Partial Differntial Equation - нестационарные дифференциальные уравнения 2-гопорядка вчастных производных;

24.QFT Control Design - проектирование грубых регуляторов с обратной

связью;

25.Report Generator - генератор отчетов в разных форматах, включая

HTML, RTF, XML иSGML;

26.Real-Time Windows Target - программа выполнения С - кода, информационное взаимодействие с аппаратурой в реальном времени;

27.Real Time Workshop - генерация оптимизированного кода для Simulink -

моделей;

28.Robust Control - проектирование надежных многопараметрических систем управления;

29.Real-Time Workshop Embedded Coder - позволяет генерировать, модели-

ровать, тестировать и внедрять высокоэффективный C - код для использования во встроенныхсистемахреальноговремени;

30.Signal Processing - обработка сигналов и анализ временных рядов;

31.Simulink performance tools - увеличение продуктивности проектирования

Simulink - моделей;

32.SNAE - решение нелинейных систем уравнений 2-го порядка;

33.Stateflow - графическое моделирование и имитация сложных реактивных

систем;

34.Splines - подпрограммы для создания и использования кусочных полиномиальных функций;

35.Statistics - широкий набор средств для статистических вычислений, в т.ч. дескриптивная статистика, распределение вероятностей, оценка параметров и аппроксимация, проверкагипотези т.д.;

36.Symbolic/Extended Symbolic Math - символьная математика и вычисления

сплавающейточкой;

37.System Identification - создания математических моделей динамических систем на основе наблюдаемых входных/выходных данных;

38.Wavelet - набор программ для исследования многомерных нестационарных явлений;

39.Webserver - разработка приложений для работы в Интернет, использующихстандартныесредстваMATLAB.

SIMULINK

Simulink - интерактивный инструмент для моделирования, имитации ианализа динамических систем. Он дает возможность строить графические блок-диаграммы, имитировать динамические системы, исследовать работоспособность систем и совершенствовать проекты. Simulink полностью интегрирован с MATLAB, обеспечивая немедленным доступом к широкому спектру инструментов анализа и проектирования. Simulink также интегрируется с Stateflow для моделирования поведения, вызванного событиями. Эти преимущества делают Simulink наиболее популярным инструментом для проектирования систем управления и коммуникации, цифровой обработкии других приложениймоделирования.

Графика МАТЛАБА

Графика помогает проиллюстрировать и лучше понять результаты численных расчетов.

MATLAB содержит специализированные графики, используемые в науке и технике, помогающие понять сложные системы, начиная от линий на плоскости и контурных графиков и кончая интерактивными графическими пользовательскими интерфейсами. С помощью MATLAB можно настроить фактически любой аспект вашего графика и создать высококачественную графику для публикуемой живой презентации.

MATLAB обеспечивает немедленный доступ к специализированным графическимфункциям, включая:

-двух- и трехмерные графики, такие как линейные, логарифмические, гистограммы, графики поверхностей различного типа (проволочный каркас, гладкие, кусочно-гладкие и др.),

-поддержка триангулированных и решетчатых данных,

-объемная визуализация для наблюдения скалярных и векторных данных,

-вывод изображений на экран и в файл,

-интерактивное редактирование и аннотирование графиков,

-аппаратная и программная поддержка OpenGL,

-различного вида диаграммы: рассеяния, столбчатые, секторные и др.,

-анимация (мультипликация) и звук,

-различные источники освещения для цветных поверхностей,

-наблюдение при помощи камер и управление перспективой,

-интерактивное и программируемое управление индивидуальными атрибутами графиков, такими как линии, оси, легенды и параметры страницы,

-освещение прямым источником, по методу Гуро и Фонга,

-инструменты построения при помощи мыши графического пользовательского интерфейса и поддержка АИ,

-импортирование графических файлов известных форматов, таких как

EPS, TIFF, JPEG, PNG, BMP, HDF, AVI, и PCX,

-печать и экспорт графики в другие приложения, такие как Word и PowerPoint, в различных популярных форматах,

-расширенная поддержка цифровой обработки изображений и приложения географического картографирования.

Визуализация физических явлений

Визуальный анализ предназначен для наглядного выявления существенных особенностей ваших данных.

MATLAB содержит полный набор инструментов для визуализации трехмерных скалярных и векторных данных, включая функции создания изоповерхностей и линий тока. Эти функции предназначены, чтобы помочь ученым и инженерам наблюдать и понимать большие, часто сложные многомерные данные.

Дополнительные приложения, такие как Image Processing Toolbox и Mapping Toolbox, расширяют визуализационные возможности MATLAB в приложениях, включающих цифровую обработку данных игеографическую картографию.

РАБОЧЕЕ ПРОСТРАНСТВО МАТЛАБ 6.5

Рабочее пространство MATLAB включает пять окон Рабочего стола и три других окна (см. табл. 1).

Таблица 1. Окна и их назначение

Рис. 1. Конфигурация Рабочего стола «по умолчанию», появляющегося при вызове MATLAB.

Рабочий стол имеет 6 конфигураций, выбираемых командой View -> Desktop Layout -> Конфигурация. В конфигурации Рабочего стола «по умолчанию» возможно переключение между парами окон (рис.1): Launch Pad и Workspace Browser, Command History и Current Directory Browser. На рис. 1 в окне

Launch Pad показаны объекты техдокументации для пакета "Прием данных".

Рис. 2. Окно справки

Вид окна - на рис. 2. Важной особенностью окна является возможность создания пользователем подборки выбранных справочных материалов в Избранное (Favorites) и использования их при последующих вызовах MATLAB. Запись избранного материала после его появления в форточке просмотра документации производится нажатием кнопки Запись в Избранное в верхней створке. Справка Матлаба допускает копирование как отдельных терминов, так и статей за одну команду копирования.

Командное окно и меню “Файл”

Рис. 3. Командное окно и меню “Файл”

Оно появляется на экране (рис. 3) при вызове пакета с приглашением обратиться к справочной информации Mathlab help.

Назначение команд меню “Файл”

-New - Открыть: редактор/отладчик для М-файла, графическое окно для рисунка, окно новой Simulink - модели, окно создания графического интерфейса;

-Open - Открыть любой файл MATLAB;

-Close Command Window - Закрыть командное окно;

-Import data - Импорт данных;