第2章 常用分析軟件介紹

本章將對機械、控制、液壓等不同領域常用的幾種商用分析軟件進行簡單介紹，這幾種典型分析軟件也是本書后續章節需要用到的。本書所有實例均可以在MATLAB 2007a、ADAMS 2005、RecurDyn 6.3、AMESim 7A、iSIGHT 9.0以上版本軟件調試通過。

2.1 MATLAB軟件介紹

2.1.1 MATLAB的發展歷程和影響

在20世紀70年代后期，時任美國新墨西哥大學計算機科學系主任的Cleve Moler教授為了減輕學生的編程負擔，為學生設計了一組調用LINPACK和EISPACK庫程序的“通俗易用”的接口，此即用Fortran編寫的萌芽狀態的MATLAB。MATLAB名字由MATrix和LABoratory兩詞的前三個字母組合而成。

經過幾年的校際流傳，在Little的推動下，由Little、Moler、Steve Bangert合作，于1984年成立了MathWorks公司，并把MATLAB正式推向市場。此后，MATLAB的內核采用C語言編寫，還新增了數據圖視功能。

MATLAB以軟件形式出現后，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。在時間進入20世紀90年代的時候，MATLAB已經成為國際控制界認可的標準計算軟件。

20世紀90年代初期，在國際上30多個數學類科技應用軟件中，MATLAB在數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。

MathWorks公司于1993年推出了適用于Windows操作系統的MATLAB 4.0版本，4.x版在繼承和發展其原有的數值計算和圖形可視能力的同時，開發了一些新的工具包。

（1）推出了Simulink。這是一個交互式操作的動態系統建模、仿真、分析集成環境。它提供了圖形化的求解各種數學模型的工具。

（2）開發了能夠與外部進行直接數據交換的組件，使MATLAB具有進行實時數據分析、處理和硬件開發的能力。

（3）推出了符號計算工具包。1993年，MathWorks公司從加拿大滑鐵盧大學購得Maple的使用權，以Maple為“引擎”開發了Symbolic Math Toolbox 1.0。

1997年春，MATLAB 5.0版問世，與4.x相比，現今的MATLAB擁有更豐富的數據類型和結構、更友好的面向對象開發工具箱。從2006年開始MATLAB改為每年的上下半年出兩個版本，即MATLAB 2006a和MATLAB 2006b。

在國際學術界和大學，MATLAB都得到了廣泛的應用，在大學教科書中，如應用代數、數理統計、自動控制、數字信號處理、模擬與數字通信等課程的教科書都把MATLAB作為學習內容，可以說MATLAB已經成為工科專業碩士生、博士生必須掌握的基本工具。

在眾多工業部門和設計研究單位，MATLAB被認為是進行開發研究的首選軟件工具。如美國National Instruments公司信號測量、分析軟件LabVIEW，Cadence公司信號和通信分析設計軟件SPW等，或者利用MATLAB進行二次開發，或者以MATLAB為主要支撐。又如HP公司的VXI硬件，TM公司的DSP，Gage公司的各種硬卡、儀器等都支持MATLAB的直接應用。

2.1.2 MATLAB/Simulink功能簡介

MATLAB是一種用于算法開發、數據可視化、數據分析及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境，使用MATLAB，可以比使用傳統的編程語言（如C、C++和Fortran）更快地解決工程計算問題。

MATLAB是MATLAB產品家族的基礎，它提供了基本的數學算法，例如，矩陣運算、數值分析算法，MATLAB集成了二維和三維圖形功能，以完成相應數值可視化的工作，并且提供了一種交互式的高級編程語言——M語言，利用M語言可以通過編寫腳本或者函數文件實現用戶自己的算法。MATLAB Compiler是一種編譯工具，它能夠將那些M語言編寫的函數文件編譯生成為函數庫、可執行文件COM組件等。這樣就可以擴展MATLAB的功能，使MATLAB能夠同其他高級編程語言（如C/C++語言）進行混合應用，取長補短，以提高程序的運行效率，豐富程序開發的手段。利用M語言還開發了相應的MATLAB專業工具箱函數供用戶直接使用，這些工具箱應用的算法是開放的、可擴展的，用戶不僅可以查看其中的算法，還可以針對一些算法進行修改，甚至允許開發自己的算法擴充工具箱的功能。目前，MATLAB產品的工具箱有40多個，分別涵蓋了數據獲取、科學計算、控制系統設計與分析、數字信號處理、數字圖像處理、金融財務分析以及生物遺傳工程等專業領域。

MATLAB的應用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通信、控制系統設計、測試和測量、財務建模和分析，以及計算生物學等眾多應用領域。附加的工具箱（單獨提供的專用MATLAB函數集）擴展了MATLAB環境，以解決這些應用領域內特定類型的問題。

目前，MATLAB產品族可以用來進行以下工作：

（1）數值分析；

（2）數值和符號計算；

（3）工程與科學繪圖；

（4）控制系統的設計；

（5）數字圖像處理；

（6）數字信號處理；

（7）通信系統設計與仿真；

（8）財務與金融工程。

Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境，2.1.4節將單獨介紹。

2.1.3 MATLAB功能特點

1.數學運算功能強大

MATLAB可用于線性代數中的所有向量、矩陣相關運算，數值分析中的線性和非線性方程組求解，常微分方程組和偏微分方程組的數值計算等。MATLAB數值運算的每個元素都可看做復數，運算包括加、減、乘、除、函數運算等；通過MATLAB的符號工具箱，可以解決在數學、應用科學和工程計算領域中常遇到的符號計算問題，因此幾乎所有的工程領域都可以看到MATLAB的應用。

如，做矩陣乘法 c=ab，若采用其他高級語言實現，則需要調用子程序，或編寫煩瑣的多重循環來實現，在MATLAB中則直接輸入

        a=[12;34];
        b=[123;456];
        c=ab

短短簡明的三條語句就可以計算出結果。

2.編程效率高

MATLAB語言規則與書寫數學公式相似，命令表達方式與標準的數學表達式非常相近。MATLAB既有基本的庫函數，又有大量針對各專業應用的工具箱，使MATLAB適用于不同領域。這些庫函數和工具箱都可以直接調用，因而使用非常方便，甚至許多專用工具箱都已做成交互式的界面，更加方便用戶的使用。

MATLAB的Notebook為用戶提供了強大的文字處理功能，允許用戶從Word訪問MATLAB的數值計算和可視化結果。

如系統傳遞函數為，求階躍響應（圖2.1）。在MATLAB中輸入以下語句，立即可以求出結果

        num=[1 2]
        den=[1 2 3]
        G=tf（num,den）
        step（G）

圖2.1 階躍響應

3.強大的聯機幫助功能

當用戶有了明確的問題定義，要想在MATLAB中找到相應的解決方法非常容易，只要在幫助中搜索相應問題關鍵字，就可以找到相關內容。MATLAB的幫助不僅僅提供解決方法的簡明扼要的理論知識，還會有簡單的使用例題讓使用者模仿操作，進一步還有各學科領域、各種工具的DEMO，這是一般軟件無法比擬的。

2.1.4 Simulink簡介及特點

Simulink是MathWorks公司隨MATLAB一道發行的功能非常強大的動態系統建模和仿真通用軟件包，該軟件為用戶的建模和仿真過程提供了完善、靈活的可視化設計和調試環境，并且包含豐富的基本功能模塊庫和眾多專業領域的工具箱。

Simulink提供了一個建立動態系統模型方塊圖的圖形用戶接口（GUI），這個創建過程只要單擊和拖動鼠標操作就能完成，特別對于復雜系統建模更快捷，而且用戶可以立即看到系統的仿真結果，并且Simulink還提供了虛擬現實工具箱，如圖2.2所示，用戶可以采用數學模型直接驅動幾何模型，進行所需的各種動畫演示，使仿真更形象、逼真。

Simulink可以處理的系統包括線性、非線性系統；離散、連續及混合系統；單任務、多任務離散事件系統。

Simulink模塊庫按功能可以分為以下8類子庫：

（1）Continuous（連續模塊）。

（2）Discrete（離散模塊）。

（3）Function & Tables（函數和平臺模塊）。

（4）Math（數學模塊）。

（5）Nonlinear（非線性模塊）。

（6）Signals & Systems（信號和系統模塊）。

（7）Sinks（接收器模塊）。

（8）Sources（信號源模塊）。

圖2.2 Simulink模型驅動的虛擬現實工具箱

Simulink的主要特點有如下三點。

1）交互式的圖形編輯器用于組合和管理直觀的模塊圖

用戶只需要知道系統原理的數學方程就可以搭建系統仿真模型，無須編程，有成熟高效的求解算法庫，直接從中選擇合適的求解算法即可。

如微分方程 ′y=ty|t=0=0，若采用數值方法編程求解，則需編寫或調用求解微分方程的數值算法，但在Simulink中只需要建立以下模型，就可以得到形象的輸出，如圖2.3所示。

圖2.3 模型及解

2）提供API用于與其他仿真程序的連接或與手寫代碼集成

支持M語言和C語言方式的功能模塊擴展，提供了S函數模塊，該模塊可以采用Fortran、C或C++語言或M語言編寫，S函數使Simulink建模方式更靈活，具有更強的復雜系統建模功能，可以生成實時仿真代碼，直接用于半實物仿真。

3）豐富的可擴充的預定義模塊庫

Simulink具有開放式結構，用戶可以自定義模塊庫，擁有自己的圖標，同時Simulink還具有功能強大的各種工具箱，如神經網絡，模糊數學，控制系統開發，圖像處理等。