Тема 1. Системи комп’ютерної математики. Знайомство з СКМ MATLAB

Модуль 3. Системи комп’ютерної математики. Розв’язування задач за допомогою СКМ.

1. Склад та призначення СКМ.

2. Інтерфейси СКМ MATLAB.

Література: 7, с.5…13

Комп’ютерна математична система MATLAB (Matrix Laboratory) є універсальним програмним середовищем для виконання науково-дослідницьких та технічних розрахунків. Як мова програмування, MATLAB була розроблена Клівом Моулером в кінці 1970-х років, в той час, коли він був деканом факультету комп’ютерних наук в Університеті Нью-Мексико. Метою цієї розробки було надати студентам факультету можливість використання програмних бібліотек Linpack і Eispack без необхідності вивчення мови програмування FORTRAN. Незабаром нова мова розповсюдилася серед інших університетів і була з великим інтересом прийнята вченими, які працювали в галузі прикладної математики. Дотепер в Інтернеті можна знайти версію 1982 року, написану мовою FORTRAN, яка розповсюджена з відкритим вхідним кодом. В 1983 році під час візиту Кліва Моулера в Стенфордський Університет відбулося його знайомство з інженером Джоном Літтлом. Спільними зусиллями вони переписали MATLAB мовою C і заснували в 1984 компанію The MathWorks для подальшого розвитку цієї програми. Переписані на С бібліотеки довгий час були відомі під ім’ям JACKPAC. Спочатку система MATLAB широко використовувалася під час навчання лінійної алгебри та чисельних методів, а також для проектування систем управління, але швидко завоювала популярність в багатьох інших наукових і інженерних галузях.

Нині система може використовуватися для розрахунків в багатьох галузях науки і техніки, таких як електро- і радіотехніка, динаміка, акустика, енергетика, економіка та ін. MATLAB є незамінним, зручним і потужним засобом для виконання матричного аналізу, розв’язування задач математичної фізики, статистичних, оптимізаційних і фінансово-економічних задач, дослідження і опрацювання сигналів і зображень, візуалізації даних, наукової і технічної графіки.

Проте найбільшою мірою система орієнтована на виконання інженерних розрахунків, оскільки її математичний апарат спирається на обчислення з матрицями і комплексними числами. MATLAB містить багато процедур і функцій, необхідних при виконанні складних чисельних розрахунків і моделювання технічних і фізичних систем.

Основною перевагою системи MATLAB є її відкритість. Іншими словами, процедури і функції MATLAB можна не тільки використовувати, але й модифікувати. Користувач має можливість вводити в систему нові команди або функції, створювати власні програми і процедури або адаптувати існуючі процедури відповідно до своїх потреб. Цьому сприяє проста вбудована мова програмування системи MATLAB. Проте набір вбудованих функцій MATLAB настільки обширний, що для розв’язування більшості завдань важко не знайти відповідну функцію.

Більшість команд і функцій системи зберігаються у вигляді текстових файлів з розширенням.m (так званих m-файлів). Зустрічаються також файли описані мовою С. Всі ці файли доступні для редагування. Користувач може створювати як окремі файли, так і цілі бібліотеки файлів, що робить число команд і функцій практично необмеженим, так що MATLAB можна розглядати як майже відкритий програмний продукт. Згадані m-файли можна створювати як за допомогою редактора m-файлів системи MATLAB, так і будь-якого іншого текстового редактора, наприклад в Microsoft Word. Створені користувачем m-файли використовуються так само, як і вбудовані в MATLAB процедури і функції.

Крім роботи з програмами, обчислення за допомогою середовища MATLAB можна виконувати «в режимі калькулятора», тобто отримувати результат відразу ж після введення потрібного виразу та відповідного оператора або команди.

В графічній галереї системи є величезний набір різних дво- і тривимірних графіків, достатній для візуалізації найрізноманітніших даних. З її допомогою можна будувати лінії, поверхні, стовпчикові, кругові та інші діаграми. Водночас допускається вибір кольору, способу відображення ліній, поверхонь, масштабу, системи координат і безліч інших параметрів, необхідних для тонкого налаштування графіків. Зображення можна додатково забезпечувати поясненнями, графічними елементами і навіть складними математичними формулами, а після зберігати їх у внутрішньому форматі (з розширенням.fig) або в популярних графічних форматах.

Система MATLAB містить розроблені пакети розширень з додатковими функціями для їх використання при розв’язуванні спеціалізованих завдань. Такі пакети називаються Toolboxes. При встановленні системи MATLAB користувач може вибірково завантажити потрібні йому пакети.

Склад системи MATLAB:

Система MATLAB є об’єднанням математичного ядра, що включає мову програмування високого рівня, бібліотеки стандартних функцій, графічного інтерфейсу користувача і довідкової системи (рис.1).

Application Development Tools – інструментальні засоби розробки прикладних програм-додатків, за допомогою яких можна створювати незалежні програмні продукти. До складу інструментальних засобів входять: MATLAB Compiler, MATLAB Web Server, MATLAB Runtime Server, MATLAB COM Builder і MATLAB Excel Builder.

Рис. 1

За допомогою MATLAB Compiler, значно вдосконаленого в останній версії, майже будь-яку (з дуже незначними обмеженнями) програму, описану мовою MATLAB, можна на вибір перетворити у виконуваний модуль, бібліотеку С і С++, надбудову Microsoft Excel і COM-об’єкт (для створення двох останніх необхідні модулі Builder for Excel і Builder for COM відповідно).

Модуль MATLAB Web Server призначений для розробки користувачами системи MATLAB програм-додатків для роботи у Web, в яких використовуються стандартні компоненти MATLAB. HTML-документи служать графічним інтерфейсом для розподілених програм-додатків MATLAB. Таким чином, користувачам програм-додатків не обов’язково знати систему MATLAB, більш того, сама система у них може бути навіть не встановлена.

MATLAB RunTime Server – це обчислювальний процесор системи MATLAB, поширюваний разом з додатком MATLAB для підтримки його функціонування. За його допомогою можна будь-який створений користувачем додаток MATLAB легко і без великих витрат перетворити на незалежний продукт і поширювати, не турбуючись про збереження кодів.

Toolboxes – пакети розширення, призначені для збільшення можливостей використання систем MATLAB і SIMULINK у спеціалізованих галузях: Математика (Math and Analysis), Імпорт даних (Data acquisition and import), Опрацювання сигналів і зображень (Signal and Image Processing), Проектування систем управління (Control Design), Додатки для моделювання і аналізу фінансових галузей (Financial Modeling and Analysis).

Data Acquisition and Access Tools – інструментальні засоби обміну даними, що застосовуються для обміну даних із зовнішніми пристроями (осцилографами, генераторами періодичних сигналів та ін.), базами даних (Oracle, Access) і іншими додатками.

MATLAB Student Version – студентська версія системи MATLAB, яка дає можливість студентам придбати MATLAB, SIMULINK і пакети символьної математики Symbolic/Extendet Math Toolbox із значними знижками. Відомості про вартість студентських версій системи MATLAB можна отримати на сайті http://www.mathworks.com.

Simulink – інструмент для моделювання, імітації та аналізу динамічних систем. За його допомогою можна будувати графічні блок-діаграми, імітувати динамічні системи, досліджувати придатність систем до використання і вдосконалювати проекти.

Stateflow – середовище розробки і моделювання скінченних автоматів.

Blocksets – набори спеціалізованих блоків, для розширення можливостей використання стандартної версії SIMULINK. Їх використання дозволяє моделювати складні механічні системи, системи гідро-, пневмо- і електроавтоматики.

Code Generation Tools – інструментальні засоби створення коду, призначені для перетворення блок-схеми моделі, реалізованої в SIMULINK, в оптимальний код описаний мовою програмування С, для його подальшого запису у вмонтовані додатки.

Math Works Partner Products – пакети розширення, випущені партнерами фірми MathWorks Inc.Вони є надбудовою над стандартним набором пакетів, що входять до системи MATLAB.

Дата добавления: 2013-12-13