Применение по сферам и отраслям Matlab. Наборы инструментов Matlab

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Применение по сферам и отраслям Matlab. Наборы инструментов Matlab

1. Применение по сферам и отраслям Matlab

Matlab является идеальной средой для моделирования физических явлений, инженерных и экономических систем.

Профессиональные приложения Matlab

Сочетание программ Matlab и Simulink позволило создать широкий класс профессиональных инструментальных приложений (toolboxes) для генерации, анализа и оптимизации систем.

Эти приложения - не просто набор полезных функций. Без преувеличения можно сказать, что они представляют собой последнее слово в разработке (исследованиях) в таких областях, как управление, обработка сигналов, идентификация систем, и многих других. Поэтому, освоив и применяя приложения Matlab, можно достичь уровня разработчиков (исследователей) мирового класса. Опишем некоторые важные характеристики приложений:

- каждое построено на программах, надежность и точность которых проверена многолетним опытом;

- все приложения совместимы и легко интегрируются не только с Matlab, но и с Simulink и любым другим установленным пакетом;

- благодаря тому, что приложения написаны в коде открытой архитектуры Matlab, они позволяют прочитать все m-файлы, сделать к ним свои добавления или использовать их как шаблоны при создании собственных функций;

- каждое приложение может функционировать на любой компьютерной платформе, на которой работает Matlab.

Для многих приложений (таких, как коммуникация, обработка сигналов, энергетические системы и др.) поставляются наборы блоков (blocksets), позволяющие создавать динамические модели с помощью блок-диаграмм программы Simulink.

Рассмотрим некоторые профессиональные приложения, распространяемые в настоящее время компанией MathWorks. Их список быстро расширяется, каждый год разрабатываются новые пакеты.

Коммуникации. Коммуникационное приложение содержит средства разработки современных коммуникационных систем, включая моделирование в реальном масштабе времени. Оно охватывает такие области применения, как электронные телекоммуникации, телефония, авиация и космонавтика, а также компьютерное периферийное оборудование.

Системы управления. “Системы управления” - это основной пакет Matlab для моделирования, анализа и проектирования автоматических систем управления. Он широко применяется в разработке высокотехнологичных систем, например, в автомобильной и аэрокосмической технике, производстве компьютерной периферии и управлении процессами, а также в менее очевидных приложениях, таких, как разработка стиральных машин и фотокамер.

Финансовый модуль. Финансовый модуль программы Matlab содержит необходимые функции для ввода, обработки и вывода финансовых данных, финансового анализа и прогноза. Области его применения включают ценовую политику, расчет процентов и доходов, анализ производных и оптимизацию портфелей. Пакет оперирует во взаимодействии со статистическим приложением и модулем оптимизации. Рекомендуется также графический интерфейс пакета Simulink для моделирования финансовых систем как нестохастическими методами, так и методами Монте-Карло.

Идентификация систем методом спектрального анализа. Модуль Frequency-Domain System Identification (FDSI) включает набор m-файлов для моделирования линейных систем на основе измерений их частотных окликов.

Нечеткая логика. Пакет “Нечеткая логика” содержит средства, предназначенные для проектирования, моделирования и анализа систем с нечетким откликом. Он имеет мощные и в то же время легко осваиваемые средства для преобразования входных данных в выходные с помощью системы правил и связей произвольной сложности, выраженных обычным языком. Системы могут быть имитированы в MATLAB или включены в блочные диаграммы Simulink с возможностью генерации кода для независимого выполнения.

Спектральный анализ высокого порядка. Этот модуль (Higher-Order Spectral Analysis) содержит инструменты для обработки сигналов, являющихся результатом нелинейных процессов или процессов, искаженных не гауссовым шумом, с использованием спектрального разложения высокого порядка.

Обработка изображений. Модуль Image Processing содержит функции анализа, статистической обработки усиления, восстановления и двухмерного преобразования изображений (фильтры, цвет, геометрия, морфология).

Управление (оптимизация) линейными матричными неравенствами. Модуль LMI Control позволяет с высокой эффективностью решать системы линейных матричных неравенств (Linear Matrix Inequalities), с которыми приходиться сталкиваться при решении задач управления, распознавания, фильтрации, проектирования структур, теории графов и линейной алгебры. Пакет содержит также функции для проектирования и анализа таких характеристик систем управления, как помехоустойчивость, производительность и др.

Моделирование предсказуемого управления. Это приложение (Model Predictive Control) особенно полезно при управлении системами с большим количеством входных и выходных переменных, имеющих много связей. Широко применяется для управления процессами в химической инженерии.

Мю-анализ и синтез. Пакет содержит набор функций для использования при анализе и проектировании устойчивых линейных систем со многими переменными. Его цель - сделать доступными некоторые последние достижения в теории систем управления в среде Matlab, а именно H-бесконечное оптимальное управление, m-анализ и синтез.

The NAG Foundation. Модуль The NAG Foundation включает более 200 подпрограмм численного расчета из хорошо известных библиотек NAG Fortran, применяемых для задач пограничного слоя, оптимизации, адаптивной квадратуры, подгонки с помощью кривой или поверхности и многих других.

Нейронные сети. Пакет Neural Network представляет собой набор Matlab-функций для проектирования и имитации нейронных сетей. Нейронные сети - это компьютерная архитектура, инспирированная биологическими нервными системами. Они применяются там, где формальный анализ чрезвычайно труден или невозможен, например при распознавании образов, идентификации и управлении нелинейными системами.

Оптимизация. Модуль Optimization включает методы нахождения экстремумов линейных и нелинейных функционалов при наличии связей и ограничений.

Уравнения в частных производных. Приложение Partial Differential Equation (PDE) предназначено для решения уравнений в частных производных в двухмерном пространстве и во времени методом конечных элементов. Оно включает набор функций и интуитивный графический пользовательский интерфейс для предварительной обработки, решения и последующей визуализации.

В пакете имеются возможности автоматического и адаптивного создания сетки, а также восемь готовых модулей для решения таких инженерных и физических задач, как перенос тепла, строительная механика, электростатика, магнитостатика и диффузия.

Проектирование управления с применением теории количественных обратных связей.

Приложение QFT Control Design являет собой пример применения спектрального приближения в проектировании контроллеров для неопределенных систем. Оптимальное решение здесь достигается на основе компромисса между сложностью контроллеров (а следовательно, и возможностью внедрения) и их техническими характеристиками.

Устойчивое управление. Пакет Robust Control содержит специализированный набор инструментов для анализа и синтеза систем управления, устойчивых к случайным возмущениям, которые могут возникнуть в реальном мире.

Обработки сигналов. Приложение обработки сигналов (Signal Processing) находит применение в разработке аудиосистем (аналоговая и цифровая аудиозапись), видеосистем (цифровое телевидение, обработка сигналов и сжатие данных), телекоммуникации (факс и голосовой телефон), в медицине (CAT-сканирование, магниторезонансное изображение), геофизике и эконометрике.

Приложение содержит набор m-файлов и графических средств для исследования фундаментальных законов статистики и теории вероятностей, статистического анализа данных и моделирования методом Монте-Карло.

Символьная математика. Приложение Symbolic Math позволяет выполнять в среде Matlab аналитические вычисления с использованием команд и некоторых дополнительных специализированных функций основной символьной библиотеки программы Maple V.

Идентификация систем. Пакет System Identification включает набор средств, предназначенных для оценки и идентификации систем. Он позволяет построить математическую модель физической системы (например, электрического мотора или даже финансового рынка) только на основе входных и выходных характеристик.

Элементарные волны. Пакет Wavelet содержит обширный набор программ, которые позволяют повысить производительность методов, использующих технику Фурье-анализа для изучения многомасштабных или нестационарных явлений, а также помогает лучше понять их. Он применяется во многих приложениях обработки сигналов и изображений, включая голосовую и аудиообработку, в коммуникациях, геофизике, финансовой отрасли и медицине.

- панель управляющих элементов, позволяющая включать в интерфейс и выбирать расположение различных кнопок управления, окна текста и списков, рамки, средства вертикальной и горизонтальной прокрутки;

- редактор команд, позволяющий для каждого управляемого элемента интерфейса записать запускаемую им программу;

- устройство для выравнивания объектов интерфейса;

- редактор меню для создания строки меню интерфейса.

По простоте и наглядности операции, выполняемые при создании пользовательского интерфейса в среде Matlab, аналогичны операциям визуального программирования, которые выполняются в среде программы Visual Basic.

Matlab Notebook

Рассказ о системе Matlab будет неполным, если не упомянуть о новом модуле Matlab Notebook, упрощающем работу в интерактивном режиме.

Модуль интегрирует Matlab с текстовым процессором Microsoft Word, который дополняет недостающие в системе функции текстового редактора и записи формул с полиграфическим качеством (модуль Microsoft Equation).

Такая интеграция осуществляется с использованием макрокоманд, входящих в специальный шаблон документа Matlab Notebook - Notebook.dot. Этот шаблон разработан для шестой и седьмой версий Microsoft Word, а также для Microsoft Office 97.

С помощью макрокоманд шаблона в меню панели инструментов Microsoft Word добавляется раздел Notebook, содержащий команды по созданию вычисляемых разделов документа и выполнению вычислений (рис. Для выполнения последних вызывается Matlab. Кроме того, в раздел File добавляется пункт New M-book, позволяющий создавать новый Matlab Notebook, а в раздел Help - пункт About Matlab Notebook.

Matlab Notebook - это не просто запись сессии Matlab с использованием Word-документа. Программа позволяет прямо в рабочем документе выполнять все команды Matlab (для этого вызывается математический процессор Matlab), получать формулы и графики, а также редактировать и повторно вычислять команды. Word-дополнения Microsoft Equation для записи формул, Microsoft Draw для создания рисунков и Word 7.0 для создания различных стилей оформления позволяют профессионально оформить отчет по выполненной работе в среде Matlab.

Matlab Notebook особенно удобна при оформлении отчета, в котором используются вычисления Matlab, так как в ней можно многократно редактировать и изменять однажды записанные команды и результаты их выполнения. Изображения построенных графиков также располагаются в Matlab Notebook (рис. 1).

Рис. 1. Модуль Matlab Notebook интегрирует Matlab и Word

Входящая в Matlab Notebook система Matlab+Word по возможностям интерактивного использования и оформления рабочего документа приближается к универсальным математическим пакетам, таким, как Mathematica, Maple и Macsyma.

К сожалению, иллюстрации в этой программе не распечатываются из-за ошибки в Microsoft Office 97 (как утверждают разработчики Matlab), которую вскоре обещают устранить.

Другим недостатком системы Matlab+Word является большой расход системных ресурсов, в результате чего, например, на компьютере с процессором Pentium и 16 Мб ОЗУ работа оказывается довольно медленной и не очень устойчивой.

Программы Matlab, Simulink, а также специализированные приложения к ним были представлены компанией SoftLine. Ее телефон: (095) 232-0023.

Профессиональные инструментальные приложения, собравшие достижения численного моделирования определенного круга задач, являются не просто набором методов и команд, но, без преувеличения, последним словом в данном направлении исследований.

2. Наборы инструмента пакета Matlab

В Matlab важная роль отводится специализированным группам программ, называемых toolboxes. Toolboxes -- это всесторонняя коллекция функций (m-файлов), написанных на языке MATLAB для решения определенного класса задач. Компания Mathworks поставляет наборы инструментов, которые используются во многих областях, включая следующие:

Цифровая обработка сигналов, изображений и данных: DSP Toolbox, Image Processing Toolbox, Wavelet Toolbox, Communication Toolbox, Filter Design Toolbox -- наборы функций, позволяющих решать широкий спектр задач обработки сигналов, изображений, проектирования цифровых фильтров и систем связи.

Системы управления: Control Systems Toolbox, µ-Analysisand Synthesis Toolbox, Robust Control Toolbox, System Identification Toolbox, LMI Control Toolbox, Model Predictive Control Toolbox, Model-Based Calibration Toolbox -- наборы функций, облегчающих анализ и синтез динамических систем, проектирование, моделирование и идентификацию систем управления, включая современные алгоритмы управления, такие как робастное управление, H?-управление, ЛМН-синтез, µ-синтез и другие.

Финансовый анализ: GARCH Toolbox, Fixed-Income Toolbox, Financial Time Series Toolbox, Financial Derivatives Toolbox, Financial Toolbox, Datafeed Toolbox -- наборы функций, позволяющие быстро и эффективно собирать, обрабатывать и передавать различную финансовую информацию.

Анализ и синтез географических карт, включая трехмерные: Mapping Toolbox.

Сбор и анализ экспериментальных данных: Data Acquisition Toolbox, Image Acquisition Toolbox, Instrument Control Toolbox, Link for Code Composer Studio -- наборы функций, позволяющих сохранять и обрабатывать данные, полученные в ходе экспериментов, в том числе в реальном времени. Поддерживается широкий спектр научного и инженерного измерительного оборудования.

Визуализация и представление данных: Virtual Reality Toolbox -- позволяет создавать интерактивные миры и визуализировать научную информацию с помощью технологий виртуальной реальности и языка VRML.

Средства разработки: MATLAB Builder for COM, MATLAB Builder for Excel, MATLAB Builder for NET, MATLAB Compiler, Filter Design HDL Coder -- наборы функций, позволяющих создавать независимые приложения из среды MATLAB.

Взаимодействие с внешними программными продуктами: MATLAB Report Generator, Excel Link, Database Toolbox, MATLAB Web Server, Linkfor Model Sim -- наборы функций, позволяющие сохранять данные таким образом, чтобы другие программы могли с ними работать.

Базы данных: Database Toolbox -- инструменты работы с базами данных.

Научные и математические пакеты: Bioinformatics Toolbox, Curve Fitting Toolbox, Fixed-Point Toolbox, Fuzzy Logic Toolbox, Genetic Algorithm and Direct Search Toolbox, OPC Toolbox, Optimization Toolbox, Partial Differential Equation Toolbox, Spline Toolbox, Statistic Toolbox, RF Toolbox -- наборы специализированных математических функций, позволяющие решать широкий спектр научных и инженерных задач, включая разработку генетических алгоритмов, решения задач в частных производных, целочисленные проблемы, оптимизацию систем и другие.

Нейронные сети: Neural Network Toolbox -- инструменты для синтеза и анализа нейронных сетей.

Нечеткая логика: Fuzzy Logic Toolbox -- инструменты для построения и анализа нечетких множеств.

Символьные вычисления: Symbolic Math Toolbox -- инструменты для символьных вычислений с возможностью взаимодействия с символьным процессором программы Maple.

Помимо вышеперечисленных, существуют тысячи других наборов инструментов для MATLAB, написанных другими компаниями и энтузиастами. программный компьютерный моделирование

Matlab является идеальной средой для моделирования физических явлений, инженерных и экономических систем.

Размещено на Allbest.ru