IL PROGRAMMA MATLAB (ver 5.2)

IL PROGRAMMA MATLAB (ver 5.2)
Introduzione
In queste pagine si introduce in maniera molto breve il programma di simulazione MATLAB (una
abbreviazione di MATrix LABoratory). La prima versione di questo programma risale agli inizi degli
anni 80 ed è stata sviluppata come sottoprodotto dei progetti LINPACK ed EISPACK, da The
MathWorks Inc. Qui si descriverà in particolare la versione 5.2 (per sapere quale versione di
MATLAB si sta usando, digitare ver sulla linea di comandi o prompt del MATLAB che è
rappresentato da un doppio simbolo di maggiore: ” ). Le principali differenze fra le versioni
consistono, comunque, nel numero massimo di elementi per vettore, nella sintassi di alcuni comandi
e nel linguaggio con cui è stato sviluppato il software. E' anche cambiata la filosofia del programma:
mentre nelle prime versioni MATLAB appariva all'utente come un programma unico che
eventualmente poteva chiamare procedure esterne, ora le funzionalità di calcolo, grafiche, ecc., del
programma possono essere richiamate anche da programmi esterni.
All'utente medio MATLAB appare comunque come un ambiente integrato di calcolo, è infatti
principalmente un programma interattivo di calcolo che permette di risolvere problemi numerici
senza che sia necessario scrivere esplicitamente una procedura in un linguaggio di programmazione
ad alto livello. MATLAB si basa sul calcolo matriciale, e si può pensare ad esso come ad un sistema
efficace per accedere ad una libreria di procedure di calcolo numerico molto sofisticate, con in più la
possibilità di rappresentare graficamente i risultati. Ha una interfaccia molto semplice, ed un singolo
comando permette di risolvere problemi come l'inversione di una matrice o la soluzione di un sistema
di equazioni differenziali. Inoltre, una successione di comandi può essere raccolta in un file (che deve
avere estensione .m) ed essere eseguita invocando, dal prompt di comandi del programma
MATLAB, il nome del file stesso; è poi possibile definire delle funzioni che forniscono dei valori in
uscita, di modo che MATLAB risulta esso stesso programmabile e fornisce la possibilità di
effettuare simulazioni e calcoli, anche molto complessi, in modo semplice e diretto.
Una guida completa a MATLAB è al di là degli scopi di queste note: si ricorda comunque che
MATLAB fornisce un sistema di aiuto in linea a cui è molto conveniente ricorrere. Per richiamare
l'help in linea di MATLAB sono disponibili tre diversi comandi:
help: mostra sulla linea di comando l'elenco delle procedure disponibili, per avere poi una
descrizione di tali funzioni è necessario digitare help nome_comando (ad es. digitando
help exp si ottengono informazioni sulla funzione exp, per il calcolo della funzione
esponenziale, fornita da MATLAB e sulla sua sintassi);
helpwin: apre una finestra separata per navigare tra le procedure disponibili e le relative
descrizioni (in questo caso per avere informazioni sulla funzione exp si seleziona il
gruppo elfun (funzioni elementari) e quindi exp)
helpdesk: apre una finestra di ipertesto per la guida in linea e la risoluzione dei problemi.
Per una dimostrazione delle potenzialitá di MATLAB, si dia il comando demo.
N.B. Nel seguito verranno introdotte numerose funzioni di MATLAB, spesso senza molti dettagli.
Per maggiori informazioni si consiglia sempre di vedere l’help ad esse associato (help
nome_funzione)
Variabili in MATLAB
L'operazione di assegnazione di un valore ad una variabile avviene direttamente con l'operatore =
Il nome di una variabile può essere una qualsiasi combinazione di al massimo 19 caratteri
alfanumerici minuscoli e maiuscoli ( nota che a≠A). E' opportuno non utilizzare i nomi delle funzioni
predefinite da MATLAB, ciò comporta l'annullamento del significato prestabilito da MATLAB per
quella funzione e di conseguenza un messaggio di errore. N.B. Tutte le funzioni predefinite di
MATLAB vanno richiamate con lettere minuscole (anche se sull'help compaiono in maiuscolo!).
Esempio:
” exp(2)
ø (questo simbolo indica l'invio)
ans =
7.3891
(la funzione exp restituisce e2)
” exp=1;
ø (assegno ad una variabile di nome exp il valore 1)
” exp(2)
ø (exp non è più una funzione ma una variabile di valore 1)
??? Index exceeds matrix dimensions.
”
Nota: se non si mette il punto e virgola (;) alla fine dell'istruzione, MATLAB fa l'eco, cioè si ottiene:
” a=1
ø
a =
1
”
La possibilità di sopprimere l'eco (terminando le istruzioni con ;) è particolarmente utile quando si
scrivono programmi che contengono sequenze di comandi, oppure quando si lavora con matrici
particolarmente grandi.
Who
whos
clear
restituisce l’elenco delle variabili in memoria
fornisce informazioni più dettagliate per ogni variabile
ripulisce dalla memoria le variabili e le funzioni (vedi help clear per maggiori dettagli)
Ci sono delle variabili pre-memorizzate, le più usate sono:
eps
rappresenta l'accuratezza
inf
infinito (risultato di una divisione per 0)
NaN Not A Number (risultato di 0/0)
pi
pi-greco
i
unità immaginaria (anche indicata con j)
Ad una variabile può anche essere assegnato il risultato di una espressione. Se in un'espressione si
vuole andare a capo è necessario mettere "..." prima di procedere sulla nuova riga. Gli operatori
hanno logicamente le solite priorità e le parentesi si usano anche qui per cambiare le priorità.
Matrici in MATLAB
MATLAB lavora essenzialmente con un unico tipo di dati: le matrici. Queste sono vettori
bidimensionali, in generale con m righe e n colonne, i cui singoli elementi sono variabili reali oppure
complesse. Una matrice può essere introdotta in quattro diversi modi:
- introducendo esplicitamente i suoi valori mediante un comando di assegnazione
- come risultato di comandi o funzioni predefiniti
- come risultato di un programma (m-file)
- caricata da file esterni (file di dati che hanno estensione .mat)
L'assegnazione diretta dal prompt dei comandi è:
” a=[1 2 3; 4 5 6];
”
ø
Abbiamo così creato la matrice a di dimensioni 2 ¥ 3.
Quindi gli elementi della matrice sono racchiusi tra parentesi quadre, gli elementi della stessa riga
sono poi separati da uno spazio, ma si può anche usare una virgola; gli elementi di una riga della
matrice da quelli della riga successiva sono separati da un punto e virgola o da un invio (cioè
assegnazione su righe diverse).
Ad es. si poteva anche scrivere:
” a=[1,2,3
ø (Nota: non ritorna il prompt)
4 5 6]
a =
1
2
3
4
5
6
”
La stessa matrice a poteva anche essere creata tramite un programma. Si poteva infatti, ad esempio,
creare un file genera.m costituito dalle seguenti righe:
a=[1 2 3;
4 5 6]
Quindi per creare la matrice è sufficiente digitare dal prompt dei comandi il nome del file senza
estensione:
” generaø
A questo punto, dato che nel file non abbiamo finito l'istruzione con ";" si ottiene
a =
1
2
3
4
5
6
”
Se ci fosse stato il ";" MATLAB avrebbe restituito il solo prompt e per vedere la matrice sarebbe
stato necessario digitare il suo nome (a).
Nota: per i nomi dei file vale lo stesso che per il nome delle variabili (cioè al massimo 19 caratteri
alfanumerici minuscoli e maiuscoli).
Per salvare dati in un file l'istruzione è
save nome_file variabile1 variabile2 ...
Così nel file nome_file.mat (nota: l’estensione è automaticamente .mat) si salvano le variabili
variabile1, variabile2, ...e il formato di salvataggio può essere scelto (vedi help save).
L'istruzione per il recupero dei dati è poi
load nome_file
Elementi delle matrici
Gli elementi di una matrice possono essere direttamente numeri ma anche una qualsiasi espressione
di MATLAB
Ad es.
” x=[-1.3 sqrt(3) (1+2+3)*4/5]
x =
-1.3000
1.7321
4.8000
”
ø
Nota: I dati possono essere visualizzati in diversi formati. Per default si hanno 4 decimali in virgola
fissa, per avere altre visualizzazioni si deve usare la funzione format (vedi help
format)
La variabile x dichiarata (e contemporaneamente assegnata) nell'esempio precedente può essere vista
come una matrice 1 ¥ 3 o, analogamente, come un vettore riga di 3 elementi. Ogni elemento di x può
essere letto e scritto indipendentemente dagli altri. L'accesso avviene tramite selezione con indice
(Nota: gli indici partono sempre da 1). Quindi scrivendo sulla linea comando x(1,1) (se vista come
matrice) o equivalentemente x(1) (se visto come vettore riga) ottengo -1.3. Nelle matrici il primo
indice indica la riga il secondo la colonna. La risposta ad una richiesta di valore di una certa variabile
o di una funzione viene sempre memorizzata nella variabile ans (answer=risposta), quindi ans in
generale è la risposta di MATLAB quando manca l'assegnazione ad una variabile.
La variabile ans può essere molto utile anche come variabile intermedia
Es.:
” x(2)
ø
ans =
1.7321
” ans*ans ø
ans =
3.0000
”
In MATLAB si ha l'allocazione dinamica delle variabili e quindi il dimensionamento dei vettori o
delle matrici avviene automaticamente
Es:
” x=[-1 2 3];
ø
” x(5)=abs(x(1)) ø
x =
-1
2
3
” x(2,1)=3
x =
-1
2
0
1
(il vettore ha assunto dimensione 5, con uno
zero come quarto elemento)
ø
3
0
1
(il vettore diviene una matrice 2¥5, dove
non ci sono assegnazioni esplicite si ha
”
3
0
0
0
l'aggiunta automatica di zeri)
0
Nota: si consiglia di utilizzare questa possibilità con somma cautela
Nota: per rendere più veloci le simulazioni talvolta può essere conveniente predisporre all'inizio
delle iterazioni vettori nulli della lunghezza massima necessaria (vedi help zeros, simile è
anche la funzione ones che pone tutti gli elementi uguali a 1).
size fornisce la dimensione della matrice
end indica sempre l'ultimo elemento di un vettore
find ritorna gli indici degli elementi non nulli di un vettore
Una matrice si può creare accostando più matrici piccole, e analogamente una matrice si può estrarre
da una più grande
”
”
”
A
A=[1 2 3; 4 5 6]; ø
B=[7 8 9];
ø
A=[A;B]
ø
=
1
2
3
4
5
6
7
8
9
” C=A(2,:)
ø
(assegna a C la seconda riga (2) e tutte le colonne (:) di A)
C =
4
5
6
”
I due punti (:) sono un operatore con diversi significati:
- Generazione di sequenze con vari passi (per default 1)
” t=(1:10)
ø
(assegna a t i numeri da 1 a 10)
t =
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
” t=(1:0.1:1.5) ø
(assegna a t i numeri da 1 a 1.5 con passo 0.1)
t =
1.0000
1.1000
1.2000
1.3000
1.4000
1.5000
”
- Selezione di un gruppo di elementi:
” a=t(2:4)
a =
1.1000
” b=t(1,:)
b =
1.0000
”
ø
(assegna ad a gli elementi di t dal secondo al quarto)
1.2000
1.3000
ø
(assegna a b tutte le colonne di t)
1.1000
1.2000
1.3000
Nota: x=[]
crea una matrice x vuota
A(:,[2 5])=[]
cancella da A le colonne 2 e 5
1.4000
1.5000
A([1:3],:)=[]
cancella da A le righe dalla 1 alla 3
Le variabili complesse sono gestite in maniera molto intuitiva. Il numero immaginario è indicato con i
o con j e non necessita del simbolo *, quindi il comando
a=[3+2i 4]
crea un vettore con due elementi complessi (Nota: 2i≡2j ma i2 non ha nessun significato!) Tutte
le funzioni MATLAB accettano variabili di tipo complesso.
E’ opportuno non usare i o j come variabili (ad esempio contatori) per non creare ambiguità
Operazioni fra matrici
Le seguenti operazioni fra matrici sono disponibili in MATLAB:
+
*
\
/
^
'
addizione
sottrazione
moltiplicazione
divisione a sinistra (1\4=4)
divisione a destra (1/4=0.25)
elevazione a potenza
trasposto o coniugato (è l'apice o apostrofo non l'accento)
Addizione e sottrazione.
Possono essere effettuate fra elementi della stessa dimensione
” A=[1 2; 3 4]; ø
” size(A)
ans =
2
2
” B=[5 6; 7 8];
” size(B)
ans =
2
2
” A+B
ans =
6
8
10
12
” size(ans)
ans =
2
2
” A-B
ans =
-4
-4
-4
-4
”
ø (size fornisce la dimensione della matrice)
ø
ø
ø
ø
ø
Si possono fare addizioni e sottrazioni fra una matrice (o un vettore) ed uno scalare
” x=[1 2 3]; ø
” y=x+1
ø (somma 1 a tutti gli elementi di x)
y =
”
2
3
4
Moltiplicazione e divisione
Possono essere operazioni matriciali del tipo:
matrice matrice
matrice vettore
matrice scalare
Ad esempio, date le matrici A e B ( con A invertibile, cioè quadrata e non singolare)
x=A\B
x = soluzione di Ax=B, cioè x=A-1B
x=B/A
x = soluzione di xA=B, cioè x=BA-1 (nel caso di matrice A rettangolare, MATLAB
fornisce la soluzione del sistema ai minimi quadrati).
Nota: l'inversa di una matrice A si ottiene con inv(A) (sempre se A è invertibile altrimenti
MATLAB fornisce un messaggio di errore), il determinante di A si ottiene con det(A).
Ovviamente per svolgere le precedenti operazioni le dimensioni delle matrici e dei vettori devono
essere corrette.
Si possono anche effettuare operazioni sulle matrici elemento per elemento. In tal caso gli operatori
devono essere preceduti dal simbolo "." (non ci deve essere spazio tra punto e operatore). Per
esempio, il comando:
[1 2].*[1 3]
fornisce il vettore [1 6] (nota che in questo caso l'omissione del punto darebbe luogo ad un messaggio
di errore, dato che la dimensione delle matrici non è compatibile con l'operazione di moltiplicazione
matriciale).
Nota: Anche l'addizione e la sottrazione possono essere precedute dal punto ma il risultato non
cambia.
Elevazione a potenza
Sia A una matrice quadrata e p uno scalare (non necessariamente intero)
A^p
fornisce la p-esima potenza di A, cioè
se p è intero
‡
se p non è intero ‡
A*A*A*.....*A (p volte)
V*D.*p/V
(dove V=matrice autovettori, D=insieme autovalori)
Trasposto o coniugato
L'apice fornisce la matrice trasposta (logicamente il trasposto di un vettore riga è un vettore colonna)
” x=[1 2 3]; ø
” y=x'
ø
y =
1
2
3
” size(x)
ans =
1
” size(y)
ans =
3
”
ø
3
ø
1
Se la matrice è complessa, l'operazione di trasposizione fornisce la matrice coniugata trasposta (se si
vuole ottenere la sola matrice trasposta di Z occorre usare conj(Z'))
” Z=[1+i 2; 3+2i 4] ø
Z =
1.0000+ 1.0000i
2.0000
3.0000+ 2.0000i
4.0000
” Y=Z'
ø
Y =
1.0000- 1.0000i
3.0000- 2.0000i
2.0000
4.0000
” W=conj(Z')
ø
W =
1.0000+ 1.0000i
3.0000+ 2.0000i
2.0000
4.0000
”
Le funzioni in MATLAB possono operare o sui singoli elementi delle matrici o sulla matrice nella
sua globalità. Quindi della stessa funzione ci sono spesso due versioni differenti.
Esempio:
” A=[1 2; 4 8];
ø
” sqrt(A)
ø (ritorna la radice quadrata di ogni singolo elemento di A)
ans =
1.0000
1.4142
2.0000
2.8284
” sqrtm(A)
ø (ritorna la radice quadrata della matrice A)
ans =
0.3333
0.6667
1.3333
2.6667
”
help sqrt oltre a spiegare la funzione sqrt fornisce l'elenco di tutte le funzioni ad essa legate.
Ci sono poi funzioni (tipo max, min, sum, prod, mean, std,...), che hanno significati
diversi a seconda che l'argomento sia un vettore, una matrice o un vettore n-dimensionale. Vedi l'help
in linea per i dettagli nei vari casi.
Nota: Il risultato fornito da una funzione può cambiare anche in base a come la funzione viene
richiamata. E' quindi sempre opportuno guardare l'help in linea delle singole funzioni.
Esempio:
” x=[1 2 3 4]; ø
” max(x)
ø
(fornisce solo il valore dell'elemento massimo del vettore x)
ans =
4
” [y,n]=max(x) ø
(y=valore massimo di x, n=sua posizione)
y =
n =
4
4
Operatori relazionali e logici
I seguenti operatori di relazione sono definiti in MATLAB:
<
>
<
>=
==
~=
minore
maggiore
minore uguale
maggiore uguale
uguale
diverso
Operano una comparazione elemento per elemento. Il risultato è
Numero ≠ 0 se il test è TRUE
0
se il test è FALSE
Si noti la differenza fra il simbolo usato per l'assegnazione (=) ed il simbolo usato per il confronto
(==).
Gli operatori logici definiti in MATLAB sono:
&
|
~
AND
OR
NOT
Consentono di combinare più operatori relazionali. Le variabili su cui operano vanno considerate
TRUE
se diverse da 0
FALSE
se uguali a 0
i risultati sono, ancora una volta,
Numero ≠ 0 se TRUE
0
se FALSE
Strutture di controllo
In MATLAB è possibile utilizzare strutture di controllo analoghe a quelle che sono disponibili nei
linguaggi di programmazione, cioè if, for, while. Per mostrarne la sintassi vediamo alcuni
esempi.
Struttura if.
Il comando:
if t>=0
x=1;
else
x=0;
end
fornisce, nella variabile x, il valore della funzione gradino a tempi continui, calcolata in t.
Struttura for.
La sequenza di comandi:
[m n]=size(a);
for i=1:m
(ciclo da 1 a m)
for j=1:n (ciclo da 1 a n)
c(i,j)=2*a(i,j);
end
(ogni ciclo deve essere chiuso con un end)
end
c
creano e visualizzano la matrice c ottenuta moltiplicando per 2 gli elementi della matrice a, come se
si fosse scritto c=2*a.
Se si vuole fare un ciclo con passo diverso da 1 si deve specificare il valore del passo:
for i=1:2:m
(incrementa i di 2 ad ogni iterazione)
Struttura while.
La sequenza di comandi:
sum=1;
add=x;
while abs(add)>=1e-3
sum=sum+add;
add=x*add;
end
¥
calcola la somma della serie geometrica
x k , x < 1 , fermandosi quando il valore assoluto del
k= 0
-3
termine corrente è minore di 10 .
Nota: per uscire da un ciclo senza terminarlo bisogna usare il comando break
Visualizzazione grafica e stampa
MATLAB può produrre sia grafici di funzioni monodimensionali che curve di livello e grafici di
funzioni a più dimensioni. Per una dimostrazione delle potenzialità grafiche di MATLAB, si può
dare il comando demo.
Di seguito si descrivono a grandi linee i comandi più utilizzati per la grafica.
Il comando fondamentale per la grafica bidimensionale è plot
plot(t,x)
apre una finestra con il grafico di x in funzione di t in scala lineare, se x e t sono
due vettori della stessa dimensione
Ad esempio la seguente sequenza di istruzioni genera una nuova finestra con il grafico riportato a
destra:
1
” t=0:0.1:10;
” plot(t,sin(t))
”
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
La funzione plot ha diversi significati a seconda degli argomenti:
plot(x,y) disegna y in funzione di x;
plot(y)
disegna y in funzione dei suoi indici; se y è un numero complesso è equivalente a
plot(real(y),imag(y)
plot(x,[y1;y2]) disegna sullo stesso grafico sia y1 che y2 in funzione di x (nota: x ,y1 ,y2
devono avere la stessa dimensione)
plot(x1,y1,x2,y2) disegna sullo stesso grafico y1 in funzione di x1 e y2 in funzione di x2
(nota: x1 e y1 devono avere la stessa dimensione come x2 con y2, ma
non x1 e x2)
Si possono aggiungere griglie (grid on) e si possono usare diversi simboli e colori per le varie
tracce (terzo argomento della funzione plot memorizzato in una stringa, plot(x, y, ‘s’)). E'
possibile dare un titolo al grafico (title), e agli assi (xlabel, ylabel), definire le
caratteristiche degli assi (axis (regola le proprietà di base, cioè scala e aspetto), axes (gestisce
tutte le proprietà dell'oggetto asse della figura)), posizionare del testo all'interno del grafico (gtext,
text), risalire alle coordinate di un punto del grafico (ginput), colorare delle aree del grafico
(patch), aggiungere delle linee sul grafico (line). Vedere i rispettivi help per i dettagli.
Se si vuole aggiungere un grafico su uno già esistente è indispensabile eseguire prima il comando
hold on (si disabilita con hold off), se si vogliono vedere due grafici su due finestre grafiche
separate è necessario aprire una nuova finestra con il comando figure (per chiuderla si usa
close). Se invece si vogliono vedere più grafici sulla stessa finestra ma non sovrapposti si deve
usare il comando subplot. Ad esempio con subplot(2,3,1) si divide la videata grafica in 2¥3
finestrelle e si abilita la prima.
Per richiamare l'ultima finestra grafica si usa shg e per cancellarla clf.
Esempio:
(disegna il primo grafico con crocette (+) rosse
(r) e il secondo con linea tratteggiata (:))
grid on
(inserisce la griglia)
title('Disegno di prova') (inserisce un titolo)
ylabel('Funzioni seno e coseno') (assegna un'etichetta all'asse y)
xlabel('Tempo')
(assegna un'etichetta all'asse x)
gtext('seno')
(permette di introdurre la scritta seno in un punto a piacere
del grafico)
text(1.5,0,'coseno')
(introduce la scritta coseno alle coordinate 1.5, 0)
” plot(t,sin(t),'+r',t,cos(t),':')
”
”
”
”
”
”
”
o
n
e
s
o
c
0.8
e
0.6
o
n
e
s
Disegno di prova
1
seno
0.4
0.2
i
n
0
o
i
z -0.2
n
u -0.4
F
coseno
-0.6
-0.8
-1
0
1
2
3
4
5
Tempo
6
7
8
9
10
Se si vogliono visualizzare i dati come campioni discreti si usa al posto di plot la funzione stem,
mentre per avere un'interpolazione a gradini dei punti si deve usare la funzione stairs.
Oltre alla scala lineare è possibile utilizzare:
doppia scala logaritmica
loglog
scala logaritmica su asse x semilogx
scala logaritmica su asse y semilogy
diagrammi polari
polar
Si possono stampare sia grafici MATLAB che finestre SIMULINK (programma che verrà descritto
più avanti). Il comando per stampare è print che deve poi essere utilizzato con i parametri
opportuni (vedi help print). Si può anche stampare su un file contenente i comandi necessari
per la successiva stampa.
Funzioni di input interattivo:
input
restituisce all'utente il prompt per introdurre dati. La sintassi è:
y=input('string') dove string può essere una qualsiasi sequenza. Dopo questa
riga di comandi ritorna il prompt di MATLAB e il numero scritto da tastiera viene
memorizzato in y. Se si vuole introdurre una sequenza di caratteri è necessario
specificare 's' (input(string,'s'))
Keyboard richiama la tastiera dall'interno di un m-file. Quindi interrompe l'esecuzione dell'm-file, e
ritorna al prompt del MATLAB. Lo stato speciale viene indicato dal fatto che il prompt è
"K”". In tale stato si possono valutare e cambiare le variabili. Si esce digitando RETURN
e schiacciando il tasto di invio. Il controllo torna quindi all'm-file.
pause
interrompe l’esecuzione fino a che l’utente non preme un tasto. (pause(n): la
interromape per n secondi)
menu
genera una finestra di menu di scelte per l’utente. Ad esempio:
K = menu('Choose a color','Red','Blue','Green')
genera una finestra con tre bottoni (red, blue, green), e restituisce alla variabile K un
valore equivalente al numero del bottone cliccato. Si possono inserire al massimo 32
valori.
disp(x)
mostra il messaggio contenuto nella stringa x
Funzioni di utilità varie
error(message) in presenza di un errore termina l’esecuzione ritornando all’input da tastiera
dopo aver mostrato il messaggio
nargchk
verifica il numero di ingressi ad una funzione, ritornando un errore se non è adeguato
return
termina l’esecuzione e torna all’input da tastiera
num2str, int2str, str2num convertono da numeri a stringhe e viceversa
fopen, fprintf,...
funzioni di input ed output da file a basso livello, che sono in tutto simili
alle equivalenti C
exist
verifica se una variabile/funzione/file esiste
any
ritorna true se almeno uno degli elementi della variabile di input e` true
all
ritorna true se tutti gli elementi della variabile di input sono true
M-files e funzioni esterne
Come accennato nell'introduzione, è possibile raggruppare una sequenza di comandi MATLAB in
un file esterno che deve avere estensione .m. Tale file può essere creato con un editor di testi
qualsiasi oppure si può utilizzare l'editor fornito dallo stesso MATLAB che si richiama con il
comando edit. Con edit nome_file si apre e si può modificare un file esistente contenuto
nella directory di lavoro.
N.B.: pwd
mostra la directory in cui si sta lavorando
cd
cambia directory
ls o dir
mostra il contenuto di una directory
what dirname
elenco dei files .m, .mat, contenuti nella directory dirname
which filename localizza la directory in cui e` contenuto il file filename
type filename
visualizza il contenuto del file filename
lookfor string
trova le funzioni/comandi in cui la stringa string compare nella prima
riga del commento
Per eseguire poi la sequenza delle istruzioni contenute nel file nome_file.m sarà quindi sufficiente
digitare comando nome_file (senza estensione) dalla linea di comandi MATLAB. E' spesso
opportuno far precedere i comandi di un M-file dal comando clear che annulla lo spazio delle
variabili create fino a quel momento in MATLAB: questo affinché i risultati od i nomi di variabili
precedentemente utilizzati non interferiscano con quelli usati nel file .m. E' inoltre conveniente
aggiungere dei commenti nel file: a questo scopo, si può far precedere una riga dal carattere %, che
forza MATLAB a non interpretare i caratteri successivi. Se un comando si estende oltre la
lunghezza di una riga, esso può essere continuato nella riga seguente interrompendo con tre caratteri
di interpunzione (...)
Un file .m può contenere richiami a funzioni predefinite in MATLAB ma anche definite dall'utente
stesso. E' cioè possibile aggiungere nuove funzioni al vocabolario di MATLAB. I comandi relativi ad
una funzione devono essere contenuti in un file esterno, ancora con estensione .m. Tale nome
definisce il nome della nuova funzione. La prima riga del file deve contenere la definizione della
sintassi della nuova funzione, e quindi lista dei parametri della funzione (che possono essere sia
scalari che matrici) e la parola chiave function. Ad esempio, volendo scrivere una funzione che
calcola la media e la deviazione standard di un vettore, si può creare il file stats.m:
% STATS calcola media e deviazione standard di un vettore
function [mean,stdev] = stats(x)
n = length(x);
(la funzione length ritorna la lunghezza del vettore)
mean = sum(x) / n;
(la funzione sum esegue la somma degli elementi di x)
stdev = sqrt(sum((x - mean).^2)/n);
Le variabile contenute nel corpo della funzione, e che non compaiono nella lista dei parametri, sono
tutte locali alla funzione stessa, e possono pertanto avere lo stesso nome di variabili definite in altre
procedure senza che si abbiano pericolose interferenze. Si possono dichiarare delle variabili come
globali con global (per vedere quali sono le variabili globali: who global).
Per calcolare, quindi, media e deviazione standard di un vettore a e porre il risultato nelle variabili
media e stdv è sufficiente digitare il comando
[media,stdv]=stats(a)
Si possono avere un qualsiasi numero di argomenti di uscita e di ingresso: questi ultimi vengono
passati alla funzione per valore e non possono essere modificati al suo interno. Se la funzione ha un
solo argomento di uscita, le parentesi quadre possono essere omesse. La funzione stats precedente
poteva anche essere definita così
function y = stats(x)
n = length(x);
y(1) = sum(x) / n;
y(2) = sqrt(sum((x - mean).^2)/n);
In tal caso darebbe come risultato un vettore con i valori desiderati.
Per procedure che lavorano nello spazio di lavoro globale vedere script.
Se si definisce una nuova funzione con la parola chiave function dentro il corpo di un'altra
funzione, tale sottofunzione sarà visibile solo dalla funzione in esame. Ad esempio la funzione avg è
una sottofunzione dentro il file stats.m e solo qui è visibile.
function [mean,stdev] = stats(x)
n = length(x);
mean = avg(x,n);
stdev = sqrt(sum((x-avg(x,n)).^2)/n);
function mean = avg(x,n)
mean = sum(x)/n;
Normalmente le funzioni terminano quando raggiungono la fine dei comandi contenuti nel file. Per
forzare un'uscita da una funzione si può usare return.
Nota: se le prime righe di un file, contenente una funzione da noi dichiarata, sono dei commenti,
esse vengono visualizzate invocando dalla linea di comandi MATLAB help nome_file.
Ad esempio il comando help stats ritorna:
STATS calcola media e deviazione standard di un vettore
”
Librerie o Toolbox disponibili in commercio
Sono state create e sono disponibili in commercio delle librerie, chiamate "toolbox", contenenti
funzioni MATLAB molto complesse per la soluzione di svariati problemi nel campo del controllo,
dell'identificazione, ecc.
Sono ad esempio disponibili i seguenti toolbox:
control
per controllo
robust
per controllo robusto
signal
per elaborazione numerica di segnali
ident
per identificazione di sistemi
optim
per ottimizzazione (interpolazione, ecc.)
nnet
per reti neurali
Il comando help nome_toolbox fornisce informazioni sul corrispondente toolbox.
Control System Toolbox
E` un insieme di funzioni per l’analisi di sistemi dinamici (tipicamente lineari tempo invarianti o LTI) e
per la sintesi di controllori (in particolare a retroazione). All'interno di questa libreria le funzioni sono
poi suddivise in gruppi (vedi help control), fra cui noi andremo ad analizzare in particolare quelli
preposti a:
- creazione modelli LTI;
- conversioni;
- connessione di sistemi;
- analisi nel dominio del tempo;
- analisi nel dominio della frequenza;
- sintesi del controllore.
Si ha inoltre la possibilità di interagire con Simulink.
Creazione modelli LTI
I sistemi dinamici lineari tempo invarianti possono essere rappresentati mediante rappresentazione in
spazio di stato, in termini di funzioni di trasferimento o di zeri/poli.
Modello in spazio di stato:
Sono note le equazioni differenziali del sistema in funzione delle variabili di stato, cioè, nel caso di
sistemi a tempo continuo, si ha
x& ( t ) = Ax( t ) + Bu( t )
y( t ) = Cx( t ) + Du( t )
che diventano analoghe equazioni alle differenze nel caso di sistemi a tempo discreto.
Un sistema dinamico e` quindi descritto mediante le matrici A, B, C, D le cui dimensioni determinano
il numero di stati, ingressi e uscite.
Per creare in MATLAB un modello in spazio di stato è disponibile la funzione ss
sys=ss(A,B,C,D)
sys=ss(A,B,C,D,T)
crea il modello in spazio di stato scritto prima
crea un modello in spazio di stato a tempo discreto con periodo di
campionamento T
se prima sono state introdotte le matrici A, B, C, D del sistema
N.B. per visualizzare un modello introdotto in MATLAB si può usare la funzione printsys.
Modello in termini di funzione di trasferimento
La relazione ingresso uscita del sistema è cioè data in termine della funzione di trasferimento, è quindi
nota W(s)=Y(s)/U(s).
Per rappresentare un sistema tramite funzione di trasferimento in MATLAB è disponibile la funzione
tf. Si hanno diversi casi a seconda del numero di ingressi e di uscite del sistema in esame.
Nel caso di sistemi SISO la funzione di trasferimento è semplicemente il rapporto fra il polinomio
numeratore e quello del denominatore. I polinomi in MATLAB vengono rappresentati da vettori
contenenti i coefficienti in ordine decrescente, cioè
s 3 + 2s + 3
[1 0 2 3]
N.B. bisogna sempre ricordarsi di mettere 0 quando manca un termine.
Quindi per creare il modello avente funzione di trasferimento
s2 + 1
W(s) = 3
s - 2s 2 + 3
sono sufficienti le seguenti istruzioni:
” num=[1 0 1];
(assegno il numeratore)
” den=[1 -2 0 3];
(assegno il denominatore)
” sys=tf(num,den)
Transfer function:
s^2 + 1
--------------s^3 - 2 s^2 + 3
”
Nel caso di sistemi MIMO la funzione di trasferimento è una matrice con m (numero uscite) righe e n
(numero ingressi) colonne. In MATLAB ciò viene tradotto usando 2 celle di n¥m vettori, uno con tutti
i numeratori delle funzioni di trasferimento e l'altro con i denominatori, quindi la coppia num{i,j},
den{i,j} specifica la funzione di trasferimento fra l'ingresso j e l'uscita i.
Cioè ad esempio un sistema con un ingresso e due uscite avente funzione di trasferimento:
2s2 + 12
3
W(s) = s + 11s + 6
5s - 6
6s2 + s + 1
in MATLAB viene costruito tramite:
” num={[2 12];[5 -6]};
” den={[1 0 11 6];[6 1 1]};
” sys=tf(N,d)
Transfer function from input 1 to output...
1
#1: ----s + 1
#2:
1
------2 s + 1
Transfer function from input 2 to output...
1
#1: ----s + 2
#2:
”
2
--2 s
Per sistemi discreti la creazione del modello a partire dalla funzione di trasferimento è analoga solo che
nei vettori che rappresentano il numeratore e il denominatore della f.d.t si pongono i coefficienti,
sempre in ordine decrescente, di z e si deve specificare il periodo di campionamento.
Es.
” num=[1 2];
” den=[1 0 1];
” T=1;
” sys=tf(num,den,T)
Transfer function:
z + 2
------z^2 + 1
Sampling time: 1
”
Modello in termini di guadagno, zeri e poli
Si consideri per semplicità un sistema SISO. Se sono noti gli zeri, i poli e il guadagno della funzione
di trasferimento del sistema, cioè si ha
m
’(s - z i )
W (s) = k
i =1
n
’(s - pi )
i =1
†
per costruire l'equivalente modello in MATLAB è sufficiente scrivere in un vettore gli zeri, in un
altro i poli e specificare il valore del guadagno e quindi usare la funzione zpk
Es. Per creare il modello del sistema avente uno zero in 1, due poli (uno in -1 e l'altro in 0) e
guadagno 10 sono sufficienti le istruzioni:
”
”
”
”
zeri=1;
poli=[-1 0];
k=10;
sys=zpk(z,p,k)
Zero/pole/gain:
10 (s-1)
-------s (s+1)
”
N.B. Se il sistema non ha zeri si pone zeri=[]
Per sistemi MIMO valgono considerazioni analoghe al caso precedente.
N.B. Per l'antitrasformazione è utile ricondurre la f.d.t del sistema da rapporto di polinomi a somma di
fratti semplici, e quindi si devono calcolare i residui. MATLAB fornisce la funzione residue
che, dati i polinomi numeratore e denominatore, sempre come vettori dei coefficienti in potenze
decrescenti di s, restituisce i residui, i poli e il termine costante, purchè i poli siano tutti semplici
(vedi help residue).
N.B. Per avere maggiori dettagli sulle proprietà dei modelli LTI creati con MATLAB e sulla
terminologia presente negli help vedi help ltiprops
Conversioni.
Da una rappresentazione ad un'altra
Le funzioni introdotte prima (ss, tf, zpk) servono anche per convertire un sistema da una forma
ad un'altra, cioè se nella variabile sys è ad esempio memorizzato un sistema mediante spazio di stato, il
comando sys1=tf(sys) crea in sys1 l'equivalente sistema in termini di funzione di trasferimento.
Esistono inoltre le seguenti funzioni per le conversioni:
ss2tf, tf2ss
spazio di stato <-> f.d.t.
ss2zp, zp2ss
spazio di stato <-> zeri/poli/guadagno
tf2zp, zp2tf
zeri/poli/guadagno <-> f.d.t.
Da discreto a continuo e viceversa
Funzioni di conversione continuo/discreto:
c2d, c2dm
conversione da continuo a discreto
d2c, d2cm
conversione da discreto a continuo
d2d
ricampiona un sistema LTI discreto, o introduce un ritardo in ingresso
Connessione di sistemi
append
Raggruppa sistemi LTI, accodando ingressi e uscite.
feedback Crea la connessione in retroazione di due sistemi. Per default si crea retroazione
negativa
parallel Crea la connessione in parallelo di due sistemi LTI.
series
Crea la connessione in serie di due sistemi LTI.
connect
Ricava il modello in spazio di stato per il diagramma a blocchi dell’interconnessione
ssdelete Elimina ingressi, uscite o stati da un sistema rappresentato in spazio di stato.
ssselect Seleziona un sottosistema da un sistema più grande.
Analisi nel dominio del tempo
Funzioni per l'analisi del comportamento nel dominio del tempo di sistemi LTI a cui si applicano
ingressi canonici o di tipo generico.
Risposta all’impulso di un sistema LTI continuo e discreto,
rispettivamente.
initial, dinitial
Evoluzione libera di un sistema LTI continuo e discreto, rispettivamente.
step, dstep
Risposta ad un gradino di un sistema LTI continuo e discreto,
rispettivamente.
lsim, dlsim
Risposta ad un ingresso arbitrario di un sistema LTI continuo e discreto,
rispettivamente.
ltiview
Apre un’interfaccia grafica per l’analisi della risposta nel tempo.
gensig
Generatore di segnali periodici per la simulazione della risposta nel tempo
con la funzione lsim.
stepfun
Crea la funzione gradino.
impulse, dimpulse
Le funzioni accettano in ingresso sistemi LTI in una qualsiasi delle rappresentazioni.
Hanno diverse sintassi possibili. In particolare se richiamate senza assegnare variabili di uscita (Es.
step(sys)) generano il plot, altrimenti possono ritornare i valori numerici in un vettore.
Analisi nel dominio della frequenza
Funzioni per l'analisi del comportamento nel dominio della frequenza di sistemi LTI.
bode,dbode
nyquist,dnyquist
nichols,dnichols
ngrid
freqresp
evalfr
margin
Risposta in frequenza per diagramma di Bode (rispettivamente per sistemi
continui e discreti).
Risposta in frequenza per diagramma di Nyquist.
Risposta in frequenza per diagramma di Nichols.
Disegna una griglia per il diagramma di Nichols.
Risposta in frequenza di un sistema LTI.
Valuta la risposta in frequenza ad una data frequenza.
Ritorna il margine di fase e di ampiezza e la frequenza di attraversamento.
Esempio: diagramma di Bode in Hertz
”
”
”
”
num=[1];
den=[1 1];
sys=tf(num,den);
[mag,phase,w]=bode(sys);
”
”
”
”
”
”
”
”
subplot(211)
semilogx(w/(2*pi),20*log10(mag))
xlabel('Frequency (Hz)')
ylabel('Gain (dB)')
subplot(212)
semilogx(w/(2*pi),phase)
xlabel('Frequency (Hz)')
ylabel('Phase (deg)')
(se richiamato senza uscite disegna subito il
diagramma di Bode)
Progetto o sintesi del controllore
Funzioni per il progetto di controllori in retroazione.
pzmap Mappa di zeri e poli di un sistema lineare.
rlocus Traccia il luogo delle radici.
rlocfind Ricava il luogo delle radici per determinati valori delle radici.
sgrid
Disegna una griglia nel piano s per il luogo delle radici e la mappa zeri/poli.
zgrid
Disegna una griglia nel piano z per il luogo delle radici e la mappa zeri/poli.
damp
Frequenza naturale e smorzamento dei poli di un sistema