計算機仿真

第一次課

主講人：張帥

電氣工程學院

生物醫(yī)學工程系

2011年春季學期1

課程內(nèi)容簡介

八

?第一章MATLAB基礎知識

?MATLAB及其仿真簡介、仿真環(huán)境

?第二章MATLAB的數(shù)值計算

?

?第三章MATLAB數(shù)據(jù)的可視化

?第四章Simulink仿真技術(shù)簡介

?Simulink簡介、基本操作、常用模塊、參數(shù)的配置

?第五章模擬電路仿真分析與應用

?一般電路仿真、功率電子系統(tǒng)仿真

?第六章數(shù)字邏輯電路仿真

?組合邏輯電路仿真、時序邏輯電路仿真

■第七章數(shù)字通信仿真

?信源編碼、數(shù)庫信"的基帶傳輸、載波傳輸、信道編碼

課時分配情況w\

章次內(nèi)容講課實驗合計

1第一章MATLAB基礎知識11

2第二章MATLAB的數(shù)值計算325

3第三章MATLAB數(shù)據(jù)的可視化325

4第四章Simulink仿真技術(shù)簡介11

5第五章模擬電路仿真分析與應用347

6第六章數(shù)字邏輯電路仿真347

7第七章數(shù)字通信仿真33

合計201232J

主講教材:

八

1、MATLAB仿真技術(shù)與應用教程

?作者：鐘麟王峰

?出版社：國防工業(yè)出版社

V7

油教材

參考教材

八

2、《控制系統(tǒng)計算機仿真與CAD》，陳在

平、杜太行主編，天津大學出版社

3、《數(shù)學物理方程的MATLAB解法與可視

化》彭芳麟主編，清華大學出版社

參考教材:

八

?精通《MATLAB6》，

尹澤明、丁春利編著，清華大學出版社

V7

第一章MATLAB仿真技術(shù)導論

?內(nèi)容提要

一、本課程的任務

二、仿真技術(shù)簡介

三、MATLAB簡介

四、MATLAB基礎知識

、本課程的任務

八

?本課程是生物醫(yī)學工程專業(yè)的一門專業(yè)選

修課程。

?本課程要求同學們了解計算機仿真的一般

步驟，掌握各類系統(tǒng)的計算機仿真方法，

熟悉常用的MATLAB及Simulink仿真模塊

的應用，并在實驗基礎上，能根據(jù)要求，

完成簡單的計算機仿真程序編寫與調(diào)試。

V7

、仿真技術(shù)簡介

八

1、仿真(simulation)的概念

Simulationistheimitationofsome

realthing,stateofaffairs,orprocess.

Theactofsimulatingsomething

generallyentailsrepresentingcertainkey

characteristicsorbehavioursofa

selectedphysicalorabstractsystem.

V7

?Simulationisusedinmanycontexts,suchas

simulationoftechnologyforperformance

optimization,safetyengineering,testing,

training,education,andvideogames.Training

simulatorsincludeflightsimulatorsfortraining

aircraftpilots.Simulationisalsousedfor

scientificmodelingofnaturalsystemsor

humansystemsinordertogaininsightinto

theirfunctioning.[l]

?Simulationcanbeusedtoshowthe

eventualrealeffectsofalternative

conditionsandcoursesofaction.

Simulationisalsousedwhenthereal

systemcannotbeengaged,becauseit

maynotbeaccessible,oritmaybe

dangerousorunacceptabletoengage,

oritisbeingdesignedbutnotyetbuilt,or

itmaysimplynotexist.121

?Keyissuesinsimulationinclude

acquisitionofvalidsourceinformation

abouttherelevantselectionofkey

characteristicsandbehaviours,theuse

ofsimplifyingapproximationsand

assumptionswithinthesimulation,and

fidelityandvalidityofthesimulation

outcomes.

八仿真技術(shù)簡介

八

中文表述:

?仿真就是模型實驗，即通過對系統(tǒng)模型進行實驗來研究一個存在的

或設計中的系統(tǒng)。

?系統(tǒng)仿真是20世紀40年代末以來伴隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而逐步

形成的一、1新興學科。仿真(Simulation)就是通過建立實際系統(tǒng)

模型并利用所建模型對實際系統(tǒng)進行實驗研究的過程。最初，仿真

技術(shù)主要用于航空、航天、原子反應堆等價格昂貴、周期長、危險

性大、實際系統(tǒng)試驗難以實現(xiàn)的少數(shù)領域，后來逐步發(fā)展到電力、

石油、化工、冶金、機械等一些主要工業(yè)部門，并進一步擴大到社

會系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)、交通運輸系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)些非工程系統(tǒng)領

域。可以說，現(xiàn)代系統(tǒng)仿真技術(shù)和綜合性仿真系統(tǒng)已經(jīng)成為任何復

雜系統(tǒng)，特別是高技術(shù)產(chǎn)業(yè)不可缺少的分析、研究、設計、評價、

決策和訓練的重要手段。其應用范圍在不斷擴大，應用效益也日益

顯著。

、仿真的意義

2八

?見1.1第一段。

V7

、仿真的分類

3八

?實物仿真

?數(shù)學仿真

?半實物仿真

風洞實驗：

■a

風洞實驗:

八

/J

風洞實驗:

印度預警機風洞實驗

利用NF?3全機低速風洞對“運-8”

數(shù)學仿真:

八

?例3?2,用三種方法可以搭建仿真模型

方法一：采用基本的積分模塊建立模型

exam3_2

方法二「采用傳遞模塊建立仿真模塊（不

適合有初始條件的情況）

exam3_2_1

方法三「錄用狀態(tài)空間模塊建立仿真模塊

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半實物仿真:

遙控器

圖1飛行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

白實物仿真:

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制

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圖1戰(zhàn)車火控半實物仿JI及性能評估系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

、簡介

=MATLAB八

1、MATLAB發(fā)展簡史

?在70年代中期，CleveMoler博士和其同

事在美國國家科學基金的資助下開發(fā)了調(diào)

用EISPACK和UNPACK的FORTRAN子

程序庫。EISPACK是特征值求解的

FOETRAN程序庫，UNPACK是解線性方

程的程序庫。在當時，這兩個程序庫代表

'矩陣運算的最高水平。

!Moler:

?到70年代后期，身為美國NewMexico大學計算

機系系主任的CleveMoler,在給學生講授線性

代數(shù)課程時，想教學生使用EISPACK和

UNPACK程序庫，但他發(fā)現(xiàn)學生用FORTRAN

編寫接口程序很費時間，為了讓學生方便的調(diào)

用EISPACK和UNPACK,利用業(yè)余時間為學生

編寫EISPACK和UNPACK的接口程序。Cleve

Moler給這個接口程序取名為MATLAB,取名

MATLAB(MATrixLABoratory),即Matrix和

Laboratory的組合。在以后的數(shù)年里，MATLAB

在多所大手里作為教學輔助軟件使用，并作為

面向大眾的免費軟件廣為流傳。

?1983年春天，CleveMoler到Standford大學講學，

MATLAB深深地吸引了工程師JohnLittleoJohnLittle敏

銳地覺察到MATLAB在工程領域的廣闊前景。于是，他

和CleveMoler、SteveBangert—起，由SteveBangert

主持開發(fā)編譯解釋程序，SteveKleiman完成圖形功能

的設計，JohnLittle和CleveMoler主持開發(fā)了各類數(shù)學

分分析的子模塊，撰寫用戶指南和大部分的M文件。這

樣用C語言開發(fā)了第二代MATLAB專業(yè)版，也是Matlab

第一個商用版，同時賦予了它數(shù)值計算和數(shù)據(jù)圖示化的

功能。自從第一版發(fā)行以來，已有眾多的科技工作者加

入到Matlab的開發(fā)隊伍中，并為形成今天藥Matlab縈統(tǒng)

做出了巨大的貢獻。

?1984年，CleveMoler和JohnLittle成立了MathWorks

公司，發(fā)行了Matlab第1版（DoS版本1.0）。正式把

MATLAB推向市場。MATLAB的第一個商業(yè)化的版本是

同年推出的是3.0的DOS版本。并繼續(xù)進行MATLAB的

研究和開發(fā)，逐步將其發(fā)展成為一個集數(shù)值處理、圖形

處理、圖像處理、符號計算、文字處理、數(shù)學建模、

實時控制、動態(tài)仿真、信號處理為一體的數(shù)學應用軟件。

Matlab以商品形式出現(xiàn)后，僅短短幾年，就以其良好的

開放性和運行的可靠性，使原先控制領域里的封閉式軟

件包（如英國的UMIST,瑞典的LUND和SIMNON,德

國的KEDDC）紛紛淘汰，而改以Matlab為平臺加以重

建。

?九十年代初期，在國際上30幾個數(shù)學類科

技應用軟件中，Matlab在數(shù)值計算方面獨

占鰲頭，而Mathematica和Maple則分居

符號計算軟件的前兩名。Mathcad因其提

供計算、圖形、文字處理的統(tǒng)一環(huán)境而深

受中學生歡迎。Matlab已經(jīng)成為國際控制

界公認的標準計算軟件。

LJ

1992年，MathWorks公司于推出了4.0版本。

1993年，MathWorks公司推出了MATLAB4.1版。也是在這

年(1993年)MathWorks公司從加拿大滑鐵盧大學購得Maple的使

用校，以Maple為“弓|擎”開發(fā)ieymbolicMathToolbox1.0。

MathWorks公司此舉加快結(jié)束了國際上數(shù)值計算、符號計算孰優(yōu)孰

劣的長期爭論，促成了兩種計算的互補發(fā)展新時代。

1994年，4.2版本擴充了4.0版本的功能，在圖形界面設計方

面更提供了新的方法。

1995年,推出4.2C版(forwin3.X)。

1997年，推出5.0版，允許了更多的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如單元數(shù)據(jù)、

多維矩陣、對象與類等，使其成為一種更方便編程的語言。

1999年，推出5.3版，在很多方面又進一步改進了MATLAB

語言的功能。

MATLAB5.X較MATLAB4.X無論是界面還是內(nèi)容都有長足的

進展，其幫助信息采用超文本格式和PDF格式，在Netscape3.0或

IE4.0及以上版本，AcrobatReader中可以方便地瀏覽。

2000年10月底推出了其全新的MATLAB6.0正式版(Release12),在核心

數(shù)值算法、界面設計、外部接口、應用桌面等諸多方面有了極大的改進。

現(xiàn)在的MATLAB支持各科操作系統(tǒng)，它可以運行在十幾個操作平臺上，其

中比較常見的有基于Windows9切NT、OS/2>Macintosh、Sun>Unix>

Linux等平臺的系統(tǒng)?，F(xiàn)在的MATLAB再也不是一個簡單的矩陣實驗室了，

它已經(jīng)演變成為一種具有廣泛應用前景的全新的計算機高級編程語言了。

其功能也越來越強大，會不斷根據(jù)落研需求提出新的林決方法。

2001年，MathWorks公司推出Matlab6.0版本，6.x版在繼承和發(fā)展其原

有的數(shù)值計算和圖形可視能力的同時，推出了SIMULINK,打通了Matlab

進行實時數(shù)據(jù)分析、處理和硬件開發(fā)的道路。

2006年9月，MATLABR2006b正式發(fā)布了！從現(xiàn)在開始，MathWorks公

司將每年進行兩次產(chǎn)品發(fā)布，時間分別在每年的3月和9月，而且，每一次

發(fā)希都會包含所肴的產(chǎn)品模塊，如產(chǎn)品的newfeature、bugfixes和新產(chǎn)品

模塊的推出。在R2006a中(MATLAB7.2,Simulink6.4),主要更新了

10個產(chǎn)品模塊、增加了多達350個新特性、增加了對64位Windows的支持,

并新推出了.net工具箱。

V7

Matlab各個版本發(fā)布時間

八

?19851.0

19862.0（含控制系統(tǒng)工具箱）

19883.9

19934.0（含Simulinkl。0）

19944.2（#simulink2o0）

不詳4.3

不詳5.3

20006.0（含Simulink4。0）

20016.1（含Simulink4。1）

不詳6.21

20036.5

20067.2

20077.3

20083.1MATLAB7.6

http:〃/products/matlab/whatsnew.html

2008.10.9MATLAB2008a

http:〃/products/newDroducts/latestfeatijres.html

MAT