Приложение 2. Знакомство с пакетами расширения системы MATLAB

Для решения специализированных задач разработаны пакеты расширений системы MATLAB с дополнительными функциями. Такие пакеты называются ToolBoxes. При установке системы MATLAB пользователь может выборочно загрузить нужные ему пакеты. Например, пакет Symbolic Math ToolBox добавляет к системе возможность символьных вычислений (Глава 7), пакет Partial Differentional Equation ToolBox (PDE ToolBox) создан для исследования задач математической физики (см. приложение 1).

Если пакет расширения установлен, он становится компонентой расширенной системы MATLAB, а раздел с одноименным оглавлением включается в список вкладки Contents панели Help Navigator (рис. П.9). Команда ver, выполняемая из командной строки, выводит название, номер версии и дату создания всех установленных ToolBox.

Перечень пакетов расширений версии MATLAB 6.5 содежит десятки наименований. По большинству таких расширений опубликованы отдельные книги, а объем документации по ним составляет сотни мегабайт. В MATLAB 7 расширены возможности многих ToolBox по сравнению с версией 6.5.

Ниже дан краткий обзор основных возможностей некоторых ToolBox.

Simulink (моделирование нелинейных систем)

Система имитационного моделирования Simulink – самое популярное расширение MATLAB. Кнопка его вызова вынесена на панель инструментов главного окна рабочей среды (перед кнопкой?), т.к. MATLAB содержит Simulink в своем составе. Пакет Simulink предназначен для математического моделирования линейных и нелинейных динамических систем и устройств, представленных своей функциональной блок - схемой, именуемой моделью.

Simulink имеет обширную библиотеку блочных компонентов, редактор блок - схем и по существу является средством визуального программирования. С помощью мыши пользователь переносит нужные компоненты на рабочий стол системы и соединяет линиями входы и выходы блоков. Таким образом создается блок - схема системы или устройства. В состав моделей могут включаться источники сигналов различного вида, преобразователи с разнообразными формами передаточных характеристик, интегрирующие и дифференцирующие блоки, виртуальные регистрирующие приборы, графические средства анимации. Двойной щелчок мышью на блоке модели выводит окно со списком его параметров, которые пользователь может менять. Запуск имитации обеспечивает математическое моделирование построенной модели с наглядным визуальным представлением результатов.

На всех этапах работы, особенно при подготовке моделей схем, пользователь практически не имеет дела с обычным программированием. Программа автоматически генерируется в процессе ввода выбранных блоков компонентов, их соединений и задания параметров компонентов.

Некоторые продукты семейства Simulink:

SimMechanics – моделирование физических систем в среде Simulink;

SimPowerSystems – моделирование электротехнических устройств и систем в Simulink;

Communications Blockset – набор блоков для разработки и моделирования физического уровня телекоммуникационных систем и их компонентов в Simulink;

Signal Processing Blockset – набор блоков для моделирования в Simulink поточных данных и многоскоростных систем, применяемых в телекоммуникациях, цифровых системах управления, радио- и гидролокации и других прикладных областях, требующих больших объемов вычислений.

Optimization ToolBox (решение оптимизационных задач)

Пакет Optimization ToolBox предназначен для решения основных линейных и нелинейных задач оптимизации, причем для задач большой размерности предусмотрены эффективные специальные методы. Класс задач, поддеживаемый данным ToolBox, включает:

□ решение нелинейных уравнений;

□ линейное и квадратичное программирование;

□ безусловная оптимизация нелинейных функций;

□ условная минимизация нелинейных функций при наличии нелинейных ограничений;

□ подбор параметров;

□ минимаксные задачи.

Statistics ToolBox (статистические вычисления)

Функции и приложения Statistics ToolBox расширяют возможности системы в области реализации статистических вычислений и статистической обработки данных. Класс задач, поддеживаемый данным ToolBox, включает:

□ исследование линейных моделей;

□ распределения вероятностей;

□ параметричесое оценивание;

□ проверка гипотез;

□ множественная регрессия;

□ планирование эксперимента;

□ статистические графики;

□ графический интерфейс пользователя.

Signal Processing ToolBox (цифровая обработка сигналов)

Основные возможности пакета:

□ генерация, импорт и экспорт сигналов;

□ проектирование, анализ и реализация цифровых и аналоговых фильтров;

□ спектральный анализ и статистическая обработка сигналов;

□ быстрое преобразование Фурье, дискретное косинусное и другие преобразования, применяемые для анализа, кодирования и фильтрации;

□ моделирование линейных систем.

В состав пакета входит несколько приложений с графическим интерфейсом, предназначенных для облегчения доступа к функциям ToolBox.

Control System ToolBox (исследование систем управления)

Пакет Control System ToolBox содержит специализированные инструменты для разработки и анализа контроллеров систем управления и динамических систем с обратной связью. В пакете реализованы:

□ полный набор средств для анализа систем;

□ временные характеристики: передаточная и переходная функции, реакция на призвольное воздействие;

□ частотные характеристики: диаграммы Боде, Николса, Найквиста и др.;

□ характеристики моделей: управляемость, наблюдаемость, понижение порядка моделей;

□ поддежка систем с запаздыванием.

Communications ToolBox (исследование телекоммуникационных систем):

□ генерация случайных сигналов;

□ анализ ошибок, включая визуальные диаграммы и графики в трехмерном пространстве;

□ кодирование сигнала, поступающего с источника сообщений, включая квантование, дифференциальную импульсно - кодовую модуляцию и компандер;

□ помехоустойчивое кодирование, включая свертку и линейно - блочное кодирование;

□ аналоговая и цифровая модуляция / демодуляция;

□ фильтрация данных с использованием специальных фильтров;

□ вычисления в полях Галуа.