1. Основные характеристики системы

1.1 Отличие MATLAB от других программ автоматизации математических расчетов

Подобно языкам высокого уровня, приспособленным для разработки программ численного моделирования, таким как Си или Фортран, MATLAB имеет эффективные средства для процедурного, объектно-ориентированного и визуального программирования, мощные средства отладки программ и разработки пользовательского интерфейса. Вследствие этого можно сказать, что MATLAB - это высокопроизводительный язык технического программирования. Однако имеются и существенные отличия.

1. Основным элементом, с которым оперирует MATLAB, является не число, а двухмерный массив, т.е. матрица. Это позволяет решать много технических вычислительных задач, особенно в матричной и векторной формулировках, гораздо быстрее, чем при написании программ на скалярном неинтерактивном языке, таком как Си или Фортран.

2. MATLAB - интерактивная система, язык MATLAB является языком команд, представляющих собой готовые алгоритмы тех или иных вычислений. Например, можно одной командой решить, систему линейных уравнений или построить график сложной функции.

3. Язык MATLAB специально предназначен и особенно эффективен при решении научно-технических задач, численном моделировании систем и процессов.

4. Имеет средства графической визуализации для автоматизации математических расчетов.

В начале запуска автоматически выполняется команда rnatlabrc, которая исполняет загрузочный файл matlabrc.m и файл startup.m, если таковой существует. Эти файлы выполняют начальную настройку терминала системы и задают ряд ее параметров. В частности, могут быть заданы пути доступа к другим файлам, необходимым для корректной работы системы MATLAB. Таким образом, опытные пользователи могут выполнить настройку системы под свои запросы. Однако в большинстве случаев особой необходимости в этом нет. Поскольку указанные файлы имеют текстовый формат, их легко просмотреть с помощью какого-либо текстового редактора или с помощью команды type в командном режиме работы MATLAB.

Сеанс работы с MATLAB принято именовать сессией (session). Сессия является текущим документом, отражающим работу пользователя с системой MATLAB. В ней имеются строки ввода, вывода и сообщений об ошибках. Входящие в сессию определения переменных и функций, расположенные в рабочей области памяти, но не саму сессию, можно записать на диск (файлы формата .mat), используя команду save (Сохранить). Команда load (Загрузить) позволяет считать с диска данные рабочей области. Фрагменты сессии можно оформить в виде дневника с помощью команды diary (Дневник).

1.2 Упрощенный интерфейс

В MATLAB 6.0 введена возможность изменения интерфейса системы, в том числе представления его в старом виде. Все эти возможности реализуются командами в позиции View (Вид) меню. Теперь пользователь может настраивать вид интерфейса и по-разному располагать его окна.

Нередко MATLAB отказывается исполнять некоторые команды из-за того, что их m-файлов нет в текущей папке. Поэтому необходимо обеспечение быстрого доступа к файловой системе из пользовательского интерфейса.

Для редактирования и отладки m-файлов MATLAB имеет встроенный современный редактор.

2. Работа с панелью инструментов

2.1 Средства панели инструментов

Панель инструментов дает наиболее простой и удобный (особенно для начинающих пользователей) способ работы с системой MATLAB. При этом основные команды вводятся указанием курсором мыши на нужную кнопку с нажатием левой клавиши мыши. Кнопки имеют изображение, подсказывающее их назначение.

Назначение всех кнопок панели инструментов:

o New M-file (Новый m-файл) -- выводит пустое окно редактора m-файлов;

o Open file (Открыть файл) -- открывает окно для загрузки m-файла;

o Cut (Вырезать)-- вырезает выделенный фрагмент и помещает его в буфер;

o Сору (Копировать)-- копирует выделенный фрагмент в буфер;

o Paste (Вставить)-- переносит фрагмент из буфера в текущую строку ввода;

o Undo (Отменить)-- отменяет предшествующую операцию;

o Redo (Повторить) -- восстанавливает последнюю отмененную операцию;

o Simulink -- открывает окно браузера библиотек Simulink;

o Help (Помощь)-- открывает окно справки.

Набор кнопок панели инструментов обеспечивает выполнение наиболее часто необходимых команд.

2.2 Вызов окна открытия нового файла

Кнопка New M-file открывает окно редактора/отладчика m-файлов.

По умолчанию файлу дается имя Untitled (безымянный), которое впоследствии (при записи файла) можно изменить на другое, отражающее тему задачи. Это имя отображается в титульной строке окна редактирования m-файла, которое размещается в окне редактора/отладчика. В редакторе/отладчике можно редактировать несколько m-файлов, и каждый из них будет находиться в своем окне редактирования, хотя активным может быть только одно окно, расположенное поверх других окон.

Панель инструментов является контекстно-зависимой. Для редактора/отладчика m-файлов она имеет несколько иной набор инструментов, чем для окна командного режима работ.

2.3 Вызов окна загрузки имеющегося файла

Кнопка Open file (Открыть файл) служит для загрузки в редактор/отладчик ранее созданных m-файлов, например входящих в пакет расширения (Toolbox) системы или разработанных пользователем. Она открывает окно, которое является типичным элементом интерфейса Windows. Чтобы выбрать нужный файл для загрузки, его требуется выделить мышью. Выбор завершается двойным щелчком на имени файла, нажатием клавиши Enter или щелчком на кнопке «Открыть». Кнопка Отмена или клавиша Esc позволяет отказаться от загрузки.

Для вызова одного из ранее использовавшихся документов достаточно щелкнуть мышью на его имени в списке, находящемся над командой Exit (Выход) в меню File. После загрузки файла с документом его текст появляется в текущем окне. Его можно начинать редактировать или запускать на исполнение.

2.4 Операции с буфером обмена

Кнопки Cut (Вырезать), Сору (Копировать) и Paste (Вставить) реализуют наиболее характерные команды работы с буфером обмена (Clipboard). Первые две операции относятся к выделенным фрагментам сессии или текста m-файлов (если они выполняются в окне редактора/отладчика). Для выделения объектов можно использовать мышь, перемещая курсор по тексту при нажатой левой кнопке, или клавиши со стрелками в комбинации с клавишей Shift.

Содержимое буфера можно перенести в строку ввода, в окно редактора-отладчика m-файлов или даже в другое приложение.

Команда Select All в контекстном меню. Эта команда позволяет выделить весь текст текущей сессии. А команда Clear Session очищает окно от содержимого данной сессии.

2.5 Отмена результата предшествующей операции

Нажатие кнопки Undo (Отменить) панели инструментов приведет к отмене последнего действия, выполненного в текущей строке. Операции в предыдущих строках документа этой командой не отменяются. Если оказалось, что вы зря произвели отмену последней операции, то ее легко восстановить, введя с панели инструментов операцию Redo (Восстановить).

2.6 Запуск приложения Simulink

Кнопка Simulink панели инструментов (или команда simulink из строки ввода) запускает одно из самых мощных приложений системы MATLAB - программу моделирования систем, построенных из типовых блоков. В MATLAB 6.0 применена новая версия Simulink 4 с библиотекой блоков Block Library. Эта библиотека содержит существенно расширенный набор компонентов -- блоков, объединенных в тематические группы. Чтобы упростить поиск и выбор блоков, окно библиотеки организовано в виде браузера библиотеки.

Кнопка Create a new model (Создать новую модель) в окне библиотек Simulink открывает чистое окно редактора моделей. Любой блок можно перетащить мышью в это окно. Введенные таким образом блоки соединяются друг с другом линиями, для чего используется мышь, с помощью которой указываются точки соединений и осуществляется протягивание соединительных линий.

Таким образом, легко создать новую модель системы.

2.7 Вызов справки MATLAB

Последняя кнопка панели инструментов Help (Помощь) открывает окно с перечнем разделов справочной системы.

3. Работа с меню

3.1 Команды, операции и параметры

Открытая позиция строки меню содержит различные операции и команды. Выделенная команда или операция исполняется при нажатии клавиши Enter (Ввод). Выполнение команды можно также осуществить щелчком мыши или нажатием на клавиатуре клавиши, соответствующей выделенному символу в названии команды.

Между командами и операциями нет особых отличий, и в литературе по информатике их часто путают. Будем считать командой действие, которое исполняется немедленно. А операцией -- действие, которое требует определенной подготовки, например открытие окна для установки определенных параметров.

Параметр (option)-- это значение определенной величины, действующее во время текущей сессии. Параметрами обычно являются указания на применяемые наборы шрифтов, размеры окна, цвет фона и т. д.

3.1 Меню системы

o File -- работа с файлами;

o Edit -- редактирование сессии;

o View -- вывод и скрытие панели инструментов;

o Web -- доступ к Интернет-ресурсам;

o Windows -- установка Windows-свойств окна;

o Help -- доступ к справочным подсистемам.

3.2 Подменю File

Подменю File содержит ряд операций и команд для работы с файлами.

o New - открывает подменю с позициями:

- M-file -- открытие окна редактора/отладчика m-файлов;

- Figure -- открытие пустого окна графики;

- Model -- открытие пустого окна для создания Simulink-модели;

- GUI -- открытие окна разработки элементов графического интерфейса пользователя.

o Open -- открывает окно загрузки файла.

o Close Command Windows -- закрывает окно командного режима работы (оно при этом исчезает с экрана).

o Import data -- открывает окно импорта файлов данных.

o Save Workspace As... -- открывает окно записи рабочей области в виде файла с заданным именем.

o Set Path -- открывает окно установки путей доступа файловой системы.

o Preferences... -- открывает окно настройки элементов интерфейса.

o Print... -- открывает окно печати всего текущего документа.

o Print Selection... -- открывает окно печати выделенной части документа.

o Exit -- завершает работу с системой.

3.3 Открытие окон для подготовки новых файлов

Команда New открывает окна для подготовки новых файлов. Позиция GUI подменю File открывает окно редактора элементов пользовательского интерфейса.

3.4 Загрузка и сохранение файлов

Команды Open... (Открыть) и Import data... (Импортировать данные) выводят стандартные окна для загрузки m-файлов и файлов данных.

Команда Save Workspace As... (Сохраните рабочую область как...) открывает стандартное окно записи файлов с расширением .mat. Они хранят определения переменных, массивов, функций пользователя и иных объектов, созданных в ходе текущей сессии работы. Установка путей доступа файловой системы

Команда Set Path... (Установить путь) открывает окно редактора путей доступа файловой системы. Окно дает список папок с файлами системы MATLAB. Имеется возможность переноса папок вверх или вниз по списку, уничтожения их и переименования. По умолчанию задается правильная установка путей доступа, так что данными возможностями стоит пользоваться только в особых обстоятельствах, например при случайном переносе папок в другое место или при их переименовании.

3.5 Настройка элементов интерфейса

Команда Preferences... (Предпочтения) выводит окно детальной настройки элементов интерфейса. В левой части этого окна имеется древообразный список элементов интерфейса системы, а в правой части--поле задания параметров для выбранного типа элементов.

3.6 Обеспечение печати -- команды Print и Print Selection

В MATLAB для печати используются стандартные средства Windows. Меню File содержит две команды печати. Первая из них -- Print -- служит для вывода окна печати, применительно к широко распространенному струйному принтеру Epson Stylus COLOR 600. В этом окне также имеется возможность вывода окна со свойствами печати. В нем можно также определить, с какой страницы начинается печать, и задать число страниц при печати, если печатаемый материал не укладывается в одну страницу.

Окно установки свойств печати для данного принтера имеет три вкладки для установки соответственно параметров печати, параметров бумаги и использования утилит профилактики принтера. Многие, даже дешевые струйные принтеры обеспечивают печать в цвете, тогда как такую возможность имеют только дорогие лазерные принтеры.

Вторая операция -- Print Selection -- становится доступной, только если в сессии выделен какой-либо фрагмент. На печать при этом выводится только выделенный фрагмент.

3.7 Меню Edit -- средства редактирования документов

Меню Edit содержит операции и команды редактирования, типичные для большинства приложений Windows:

o Undo (Отменить) -- отмена результата предшествующей операции;

o Redo (Повторить) -- отмена действия последней операции Undo;

o Cut (Вырезать) -- вырезание выделенного фрагмента и перенос его в буфер;

o Сору (Копировать) -- копирование выделенного фрагмента в буфер

o Paste (Вставить) -- вставка фрагмента из буфера в текущую позицию курсора;

o Clear (Очистить) -- операция очистки выделенной области;

o Select All (Выделить) -- выделение всей сессии;

o Delete (Стереть) -- уничтожение выделенного объекта;

o Clear Command Windows (Очистить командное окно) -- очистка текста сессии (с сохранением созданных объектов);

o Clear Command History (Очистить окно истории команд) -- очистка окна истории;

o Clear Workspace -- очистка окна браузера рабочей области.

Команда Clear Command Window очищает окно командного режима работы и помещает курсор в верхний левый угол окна. Однако все определения, сделанные в течение стертых таким образом сессий, сохраняются в памяти компьютера. Для очистки экрана используется также команда clc, вводимая в командном режиме.

3.8 Меню View и Window

Меню Window активно только в случае, если в систему загружены файлы. При этом оно имеет единственную команду Close All (закрыть все окна) и открывающийся список всех загруженных файлов. Он позволяет выбрать окно указанного пользователем файла и сделать его открытым.

4. Операции с рабочей областью и текстом сессии

4.1 Дефрагментация рабочей области

По мере задания одних переменных и стирания других рабочая область перестает быть непрерывной и начинает содержать «дыры» и всякий «мусор». Это рано или поздно может привести к ухудшению работы системы или даже к нехватке оперативной памяти. Подобная ситуация становится возможной, если вы работаете с достаточно большими массивами данных.

Во избежание непроизводительных потерь памяти при работе с объемными данными (а векторы, матрицы и массивы относятся к таковым) следует использовать команду pack, осуществляющую дефрагментацию рабочей области. Эта команда переписывает все определения рабочей области на жесткий диск, очищает рабочую область и затем заново считывает все определения без «дыр» и «мусора» в рабочую область.

4.2 Сохранение рабочей области сессии

Переменные и определения новых функций в системе MATLAB хранятся в особой области памяти, именуемой рабочей областью. MATLAB позволяет сохранять значения переменных в виде бинарных файлов с расширением .mat Для этого служит команда save, которая может использоваться в ряде форм:

o save fname -- записывается рабочая область всех переменных в файле бинарного формата с именем fname.mat;

o save fname X -- записывает только значение переменной X;

o save fname X Y Z -- записывает значения переменных X, Y и Z.

o После этих параметров можно указать ключи, уточняющие формат записи файлов:

o -mat -- двоичный МАТ-формат, используемый по умолчанию;

o -ascii -- ASCII-формат единичной точности (8 цифр);

o -ascii -double -- ASCII-формат двойной точности (16 цифр);

o -ascii -double -tabs -- формат с разделителем и метками табуляции;

o V4 -- запись МАТ-файла в формате версии MATLAB 4;

o -append -- добавление в существующий МАТ-файл.

Возможно использование слова save и в формате функции, а не команды, например:

save ('fname', 'var1', 'var2')

В этом случае имена файлов и переменных задаются строковыми константами.

Следует отметить, что возможности сохранения всего текста сессии, формируемой в командном режиме, команда save не дает. Дело в том, что сессия является результатом проб и ошибок, и ее текст наряду с правильными определениями содержит сообщения об ошибках, переопределения функций и переменных и много прочей «шелухи». Необходимости сохранять такое «творчество» обычно нет. А если есть -- для этого служит команда diary.

Имеется возможность записать только то рациональное зерно, которое родилось в ходе попыток реализации алгоритмов и методов решения задач. Надо воспользоваться редактором и отладчиком, которые позволяют (после отладки программы) получить документ в корректной форме без синтаксических и иных ошибок. Такой документ сохраняется в текстовом формате в виде файла с расширением .m.

4.3 Ведение дневника

Мы отмечали, что сессии не записываются на диск стандартной командой save. Однако если такая необходимость есть, можно воспользоваться специальной командой для ведения так называемого дневника сессии:

· diary file_name -- ведет запись на диск всех команд в строках ввода и полученных результатов в виде текстового файла с указанным именем;

· diary off -- приостанавливает запись в файл;

· diary on -- вновь начинает запись в файл.

Таким образом, чередуя команды diary off и diary on, можно сохранять нужные фрагменты сессии в их формальном виде. Команду diary можно задать и в виде функции diary('file'), где строка 'file' задает имя файла. Следующий пример поясняет технику применения команды diary:

>> diary myfile.m

>> 1+2

ans =

3

>> diary off

>> 2+3

ans =

5

>> diary on

>> sin(1)

ans =

0.8415

>> diary off

Нетрудно заметить, что в данном примере первая операция -- 1+2=3 -- будет записана в файл myfile.m, вторая -- 2+3=5 -- не будет записана, третья операция -- sin(1)=0.8415 -- снова будет записана. Таким образом, будет создан файл сценария (Script-файл) следующего вида:

1+2

ans =

3

diary off

sin(1)

ans =

0.8415

diary off

Одна из распространенных ошибок начинающих пользователей -- попытка запустить подобный файл в командной строке указанием его имени:

>> myfile

??? Error: File: C:\MATLAB6p1\work\myfile.m Line: 3 Column: 6

Expected a variable, function, or constant, found "end of line".

Обычно это приводит к ошибкам, так как данный файл -- это просто текстовая запись команд и результатов их выполнения, не проверяемая на корректность и содержащая ряд строк, ошибочных с позиций синтаксиса языка программирования MATLAB -- например, выражения ans =. Зато команда type позволяет просмотреть текст такого файла со всеми записанными действиями:

>> type myfile

1+2

ans =

3

diary off

sin(1)

ans =

0.8415

diary off

Во избежание отмеченных казусов рекомендуется записывать файл с расширением, отличным от .m, например .txt. Это позволит встраивать подобные текстовые файлы дневника сессии в документы, содержащие ее описание.

4.4 Загрузка рабочей области сессии

Для загрузки рабочей области ранее проведенной сессии (если она была сохранена) можно использовать команду load:

· load fname ... -- загрузка ранее сохраненных в файле fname.mat определений со спецификациями на месте многоточия, подобными описанным для команды save (включая ключ -mat для загрузки файлов с расширением .mat обычного бинарного формата, используемого по умолчанию);

· load( 'fname'....) -- загрузка файла fname.mat в форме функции.

Если команда (или функция) load используется в ходе проведения сессии, то произойдет замена текущих значений переменных теми значениями, которые были сохранены в считываемом МАТ-файле.

Для задания имен загружаемых файлов может использоваться знак *, означающий загрузку всех файлов с определенными признаками. Например, load demo*.mat означает загрузку всех файлов с началом имени demo, например demo1, demo2, demoa, demob и т. д. Имена загружаемых файлов можно формировать с помощью операций над строковыми выражениями.

Завершение вычислений и работы с системой

Завершение вычислений

Иногда из-за ошибок в программе или из-за сложности решаемой задачи MATLAB «зацикливается» и перестает выдавать результаты либо непрерывно выдает их, хотя в этом уже нет необходимости. Для прерывания вычислений в этом случае достаточно нажать одновременно клавиши Ctrl и С (латинское).

5 Завершение работы с системой

Для завершения работы с системой можно использовать команды exit, quit (которые сохраняют содержимое рабочей области и выполняет другие действия в соответствии с файлом сценария finish.m) или комбинацию клавиш Ctrl+Q. Если необходимо сохранить значения всех переменных (векторов, матриц) системы, то перед вводом команды exit следует дать команду save нужной формы. Команда load после загрузки системы считывает значения этих переменных и позволяет начать работу с системой с того момента, когда она была прервана.