MATLAB自动化虚拟仿真软件工具

  在现代自动化项目的方案设计中，系统仿真已成为一个重要的设计环节。所谓仿真，就是通过某种方法，建立能描述系统结构或行为过程的仿真模型，并据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。仿真技术的使用，可以大大缩短系统的设计、开发和调试周期，节省原料，降低成本，为使用者带来巨大的经济效益。尤其当所研究的系统造价昂贵、实验的危险性大或需要很长时间才能了解系统参数对系统的影响的时候，仿真是一种特别有效的研究手段。仿真过程有两个主要步骤建立仿真模型和进行仿真实验，其中仿真模型的建立是极其关键的一步，仿真模型的类型决定了仿真的类型，同时也决定了所使用的仿真工具。

  仿真模型概括来说有两个种类物理模型和数学模型，相应的仿真类型就是物理仿真和数学仿真。物理仿真中使用的物理模型，是用几何相似或物理类比的方法建立的，可以描述系统的内部特性，也可以描述实验所必需的环境条件，是一种实体模型。数学仿真中使用的数学模型，是根据各种原理及定律如力学定律、电磁方程等得出的数学方程，用来描述系统的各种状态及运行特性。两者相比，物理仿真具有较强的针对性，而数学仿真则通用性更强，应用更为广泛。本章的仿真特指数学仿真，所使用的仿真工具为计算机及仿真软件。自动控制中常用的仿真软件是MATLAB/Simulink，其非常实用的一个功能就是Simulink模型C代码生成，这个功能可以为工程师节省大量的开发及调试时间。

  与控制软件平台实现无缝对接的MATLAB/Simulink

  MATLAB是美国MathWorks公司推出的一款软件，主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计。从名字来看，MATLAB是Matrix Laboratory(矩阵实验室)的缩写，它最初主要用于矩阵运算，其基本数据元素是没有维数限制的矩阵。因此，其最大特点就是具有强大的矩阵运算能力，这使得用户可以解决许多工程技术上的问题，特别是那些包含了矩阵和向量公式的计算。在工业界，它是一个高效研究、开发和分析的工具。随着科技的发展，许多优秀的工程师不断地对MATLAB进行了完善，使其从一个简单的矩阵分析软件逐渐发展成为一个具有极高通用性，并带有众多实用工具的运算操作平台。

  MATLAB的一个重要特色就是它有一套程序扩展系统和一组称之为工具箱(toolbox)的特殊应用子程序。工具箱是MATLAB函数的子程序库，每一个工具箱都是为某一类学科专业和应用而制定的。例如，包括信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析和系统仿真等方面的应用。

  MATLAB工作环境如图6.1°所示。主要包括菜单、工具栏、当前路径、命令窗口、历史命令窗口、工作空间和开始菜单。具体功能及实用方法的参考文献很多，本书不再赘述。

图6.1 MATLB工作环境

  Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，它提供了一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。该环境支持连续采样时间、离散采样时间建模，还提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI)，用户无须大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统，并且可以立即看到系统的仿真结果。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，基于以上优点，Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计中。