Angelika Bosl
Einführung in MATLAB / Simulink
Berechnung, Programmierung, Simulation
3., vollständig überarbeitete Auflage
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© 2020 Carl Hanser Verlag München
Internet: www.hanser-fachbuch.de
Lektorat: Dipl.-Ing. Natalia Silakova-Herzberg
Herstellung: Anne Kurth
Covergestaltung: Max Kostopoulos
Coverkonzept: Marc Müller-Bremer, www.rebranding.de, München
Titelbild: © gettyimages.de/nadla und Somyot Techapuwapat / EyeEm, © Vasilius
Print-ISBN 978-3-446-46403-2
E-Book-ISBN 978-3-446-46546-6
ePub-ISBN 978-3-446-47108-5
| Vorwort |
MATLAB/SIMULINK ist ein äußerst leistungsfähiges interaktives Programmpaket für vorwiegend numerische Berechnungen im Ingenieurbereich. Diese Software ist weltweit verbreitet und in Fachkreisen bekannt für die Berechnung, Modellierung und Simulation technischer Systeme, sowohl an den Hochschulen als auch in der Industrie.
Hinter MATLAB verbirgt sich ein sehr umfangreiches Softwarepaket, gebündelt aus verschiedenen so genannten „Toolboxen“, Werkzeugen, die jeweils bestimmte Bereiche der Ingenieurwissenschaften abdecken. Die bekannteste Toolbox dürfte SIMULINK sein, ein unschlagbares Werkzeug zur grafischen Simulation technischer Abläufe und mathematischer Modelle. Weitere Toolboxen sind zum Beispiel die „Control System Toolbox“ mit spezifischen Befehlen für regelungstechnische Aufgaben oder die „Signal Processing Toolbox“ zur Signaldatenverarbeitung.
Des Weiteren gibt es für Toolboxen zu Berechnungen im Finanzwesen genauso wie in der Biologie, Messtechnik und Datenerfassung, Bilddatenverarbeitung und viele mehr. Eine aktuelle Liste ist auf der Homepage von MathWorks, dem Herausgeber von MATLAB unter www.mathworks.de zu finden.
Wie viele umfangreiche Softwarepakete, kann auch MATLAB den unerfahrenen Benutzer bei den ersten Versuchen, die Software zu bedienen, regelrecht „erschlagen“. Die zugehörige Hilfe und ein Großteil der Fachliteratur sind auf Englisch und sehr spezialisiert in verschiedenen Bereichen. Das erklärte Ziel der vorliegenden Einführung in MATLAB/SIMULINK ist es deshalb, den Leser mit einer anschaulichen Anleitung, hilfreichen Hinweisen und Tipps für die Anwendung sowie mit praxisnahen Beispielen zu unterstützen.
Dem Erstbenutzer von MATLAB soll der Einstieg in die Software erleichtert werden, damit kein Frust beim ersten Programmstart aufkommt, sondern sofort erfolgreich mit der Bedienung der Software gestartet werden kann. Jeder sollte gleich in der Lage sein, sich auf dem Startbildschirm zu orientieren, verschiedene Befehle auszuführen und einfache Aufgaben zu lösen. Das Buch will ermutigen, sich näher mit der Software auseinanderzusetzen, und so ein erfolgreiches Arbeiten gewährleisten.
Dieses Lehrbuch kann und will nur eine Einführung sein, die zwar die wichtigsten, aber natürlich nicht alle Aspekte berücksichtigen kann. Die Syntax der Befehle, Grundlagen zum Verständnis von MATLAB und bestimmter Toolboxen sollen Hilfe zur Selbsthilfe geben, sodass auch spezifische eigene Aufgaben anschließend deutlich leichter in Eigenregie erarbeitet und gelöst werden können.
Weiterführende Literatur, auch für spezielle Fachgebiete, wird dem Interessierten, der die Anfänge hinter sich lassen und in die Tiefe einsteigen möchte, empfohlen, zum Beispiel der „Einstieg in das Programmieren mit MATLAB“ des Hanser Verlags1.
Bevor es richtig losgeht, möchte ich mich bei allen ganz herzlich bedanken, die zum Entstehen dieses Buches beigetragen haben:
Herrn Prof. Dipl.-Math. Wolfgang Georgi, durch dessen Buch „Einführung in LabVIEW“ des Hanser Verlags erst die Idee zu dieser MATLAB Einführung entstand und der mir immer mit Rat und Tat behilflich war.
Herrn Prof. Dr.-Ing. Hans-Jürgen Adermann dafür, dass ich in seinem Labor „Regelungstechnik“ an der Hochschule Ravensburg-Weingarten MATLAB/SIMULINK kennenlernen und mich intensiv damit auseinandersetzen konnte. Seiner Vorlesung und den dazugehörigen praktischen Übungen ist das Kapitel zur Regelungstechnik zu verdanken.
Herrn Dipl.-Ing. (FH) Wolfgang Reich für das Korrekturlesen des Manuskripts und seine guten Ratschläge und Nachfragen den Inhalt und Formulierungen betreffend.
Allen meinen Freunden, die mich unermüdlich ermuntert haben, die Arbeit nicht aufzugeben und ihr Mitgefühl bezeugt haben.
Und schließlich dem Hanser Fachbuchverlag Leipzig, im Besonderen Frau Werner, Herrn Feuchte und Frau Kaufmann, die viel Geduld mit mir bewiesen haben.
Baienfurt, Mai 2012 |
A. Bosl |
Eine Software, die immer auf dem gleichen Stand bleibt, taugt nichts. Software muss sich ändern, muss neuen Gegebenheiten angepasst werden, muss sich weiter entwickeln. MATLAB/SIMULINK hat sich verändert. Seit der ersten Auflage, die noch auf MATLAB R2009a basiert, sind zur jetzigen Version MATLAB R2016a erhebliche Änderungen zu erkennen. Am Auffälligsten ist natürlich das äußere Erscheinungsbild. Sobald man sich näher mit den Funktionen und den einzelnen Toolboxen befasst, stellt man jedoch schnell fest, dass auch die Funktionalität erweitert und die Möglichkeiten noch umfangreicher wurden. Nicht ganz verständlich sind geringfügige Änderungen, wie andere Fehlermeldungen beim Eingeben eines falschen Befehls, die aber vermutlich vor allem denjenigen auffallen, die einen Text auf Änderungen überarbeiten müssen.
Eine erhebliche Änderung betrifft sogar die ursprüngliche Beschreibung von MATLAB/SIMULINK als „äußerst leistungsfähiges interaktives Programmpaket für numerische Berechnungen im Ingenieurbereich“. Wie dem aufmerksamen Leser vielleicht aufgefallen ist, wurde dieser erste Satz des Vorworts durch ein „vorwiegend“ ergänzt. Mit der „Symbolic Math Toolbox“ wurden die Toolboxen durch ein Werkzeug ergänzt, mit dem mathematische Gleichungen nicht numerisch, sondern analytisch gelöst, verändert und dargestellt werden können. MATLAB verwendet dafür den Begriff „symbolisch“ und die Bedeutung der „Symbolic Math Toolbox“ und ihre Möglichkeiten können leicht unterschätzt werden: MATLAB ist kein rein numerisches Programmpaket mehr!
Ein wenig vermisse ich den sehr einprägsamen Begriff „M-File“ für MATLAB-Programme, der aber vermutlich mit Absetzen der Fernsehserie „X-Akten“ (engl. „X Files“) ebenfalls sein Ende fand. Dafür wurde der Editor für MATLAB-Code (nicht mehr „M-File Editor“) in seiner Funktionalität erweitert.
Den Dankesworten der 1. Auflage möchte ich meinen herzlichen Dank an Frau Jacob vom Carl Hanser Verlag hinzufügen, die sehr viel Geduld mit mir aufbringen musste, bis ich die überarbeitete 2. Auflage schließlich fertig hatte.
Ich möchte dieses Buch meinem Vater Alexander Bosl widmen, der während der letzten Arbeiten an der zweiten Auflage, im März 2017 gestorben ist. Meinem Vater verdanke ich die Zuversicht in die eigenen Fähigkeiten, egal ob es darum geht, sich in eine mathematische Software einzuarbeiten oder ein Buch darüber zu schreiben.
Baienfurt, April 2017 |
A. Bosl |
MATLAB und SIMULINK werden kontinuierlich weiterentwickelt, aus den 78 Toolboxen der Version R2016a von MATLAB, die noch Grundlage der zweiten Auflage dieses Buches war, sind inzwischen 98 Toolboxen der MATLAB-Version R2020a geworden. Alle Toolboxen und unterschiedlichen Werkzeuge zu erklären, die MATLAB und SIMULINK dem Benutzer zur Verfügung stellen, wäre ein aussichtsloses Unterfangen. Mit diesem Buch soll der Einstieg in MATLAB/SIMULINK erleichtert und ein wenig an der Oberfläche der vielen Möglichkeiten gekratzt werden, um andeutungsweise zu zeigen, was für ein mächtiges Softwarepaket MATLAB/SIMULINK darstellt. Und, gewusst wie, ist der Einstieg eigentlich gar nicht so schwer – zumindest soll das mit diesem Buch vermittelt werden.
Eine Neuerung zur zweiten Auflage erscheint mir besonders erwähnenswert, da ich an der Hochschule Ravensburg-Weingarten auch oft mit Fragen zur Installation konfrontiert werde: MATLAB-Online. Nach Abschnitt 1.3 zur Installation von MATLAB wird deshalb in Abschnitt 1.4 kurz auf die Online-Version von MATLAB eingegangen, die keine Installation benötigt. Ein großer Vorteil in Zeiten der Corona-Krise mit Online-Vorlesungen an den Hochschulen, wenn es den Studierenden nicht erlaubt ist, die Rechnerräume mit vorinstalliertem MATLAB an den Hochschulen zu nutzen. Kein Ärger mit zu wenig Speicherplatz oder mit dem Herunterladen einer riesigen Installationsdatei bei überlastetem Netzwerk, kein Zeitaufwand für die Installation, nur das Starten des Internet-Browsers. Für jemanden, der sich in den letzten Monaten mit Fragen zur Installation und den damit verbundenen Problemen von vielen Studierenden konfrontiert sah, ein großer Pluspunkt für die Firma MathWorks. Ich bin begeistert.
Bei der Bearbeitung der dritten Auflage gilt mein besonderer Dank der Geduld von Frau Silakova und Frau Kubiak vom Carl Hanser Verlag, da es doch wenig Zeit vom Erscheinen der MATLAB-Version R2020a bis zum anvisierten Abgabetermin der Änderungen, dafür aber wieder viel Neues gab, das in die dritte Auflage eingefügt werden sollte. Und trotzdem bleiben wieder einige Ideen für neue Kapitel unbearbeitet, die hoffentlich bei der nächsten Auflage umgesetzt werden können.
Die Möglichkeiten von MATLAB/SIMULINK sind quasi unbegrenzt.
Baienfurt, Juni 2020 |
A. Bosl |
1 Ulrich Stein: Einstieg in das Programmieren mit MATLAB, Hanser Verlag, 2009
Titelei
Impressum
Inhalt
1 Einleitung
1.1 Warum MATLAB/SIMULINK?
1.2 MATLAB-/SIMULINK-Versionen.
1.3 Installation der Software.
1.4 MATLAB Online ohne Installation
2 Start der Arbeit mit MATLAB
2.1 Grundlagen zum MATLAB-Desktop
2.2 MATLAB-Fenster
2.2.1 „Command Window“, das Befehlsfenster
2.2.2 „Current Folder“, das aktuelle Arbeitsverzeichnis
2.2.3 „Workspace“, der Arbeitsbereich oder Arbeitsspeicher
2.2.4 „Command History“, die Chronik der Befehle
2.3 Funktionen der Menüleiste („Toolstrip“)
2.4 MATLAB-Hilfe und Beschreibungen der Befehle
3 Zahlen, Vektoren und Matrizen
3.1 Darstellung von Zahlen.
3.2 Umrechnung von Zahlen.
3.3 Definition von Variablen als Skalare, Vektoren oder Matrizen
3.3.1 Definieren von Variablen.
3.3.2 Spalten- und Zeilenvektoren
3.3.3 Matrizen Werte zuordnen
3.3.4 Spezielle Matrizen.
3.3.5 Größe eines Vektors oder einer Matrix
3.3.6 Maximal- und Minimalwerte bestimmen
3.3.7 Statistische Charakteristika bestimmen
4 Mathematische Berechnungen mit MATLAB
4.1 Grundrechenarten.
4.2 Elementare mathematische Funktionen
4.3 Trigonometrische Funktionen.
4.4 Relationale Operatoren
4.5 Logische Operatoren
4.6 Besonderheiten beim Rechnen mit Vektoren und Matrizen
4.6.1 Vektoraddition und -subtraktion.
4.6.2 Transponieren einer Matrix oder eines Vektors
4.6.3 Invertieren einer quadratischen Matrix
4.6.4 Rang einer Matrix mit rank
4.6.5 Determinante einer quadratischen Matrix
4.6.6 Matrixmultiplikation
4.6.7 Multiplikation einer Matrix mit einem Skalar
4.6.8 Potenzieren einer Matrix
4.6.9 Vektor-Matrix-Produkt
4.6.10 Linke Matrixdivision (engl. „backslash division“)
4.6.11 Rechte Matrixdivision (engl. „slash division“)
4.7 Spezielle Matrixmanipulationen
4.7.1 Spezielle mathematische Befehle für Matrizen
4.7.2 Spezielle Teilbereiche einer Matrix extrahieren.
4.8 Feldoperationen: Elementweise Verknüpfung von Vektoren.
4.8.1 Elementweise Multiplikation (engl. „array multiply“)
4.8.2 Elementweise Division
4.8.3 Elementweises Potenzieren..
5 Grafische Darstellungen von Funktionen
5.1 Einfache Grafiken und Diagramme mit plot
5.2 Grafikeigenschaften – „Figure Properties“
5.2.1 Farbpaletten auswählen mit colormap
5.2.2 „Figure Properties“ über die Befehlszeile definieren.
5.2.3 „Properties“ über die Menüleiste im Grafikfenster bestimmen
5.2.4 Grafikeigenschaften („Properties“) mit dem„Property Editor“ oder dem„Property Inspector“ verändern.
5.3 Mehrere Diagramme in einem Grafikfenster
5.3.1 Mehrere Kurven oder Diagrammtypen in einem Diagramm mit hold
5.3.2 Unterdiagramme in einem Grafikfenster mit subplot
5.4 Grafiktypen im zweidimensionalen Bereich.
5.5 Grafiktypen im dreidimensionalen Bereich
5.6 Grafiken erzeugen über den Tab „PLOTS“ der Titelleiste
6 Programmieren in MATLAB
6.1 Editor
6.2 Varianten der Programmiervorlagen
6.3 „Script“ – Einfache Befehlsfolgen
6.4 Kontrollstrukturen für die komplexere Programmierung
6.4.1 for-Schleife
6.4.2 while-Schleife
6.4.3 if-elseif-else-Verzweigung
6.4.4 switch-case-otherwise-Verzweigung
6.4.5 try-catch-Fehlerkontrolle
6.4.6 Weitere Befehle, die den Programmablauf beeinflussen
6.5 Nützliche Befehle für die Programmierung unter MATLAB
6.6 „Function“ – Funktionen in MATLAB.
6.6.1 Kopfzeile einer Funktion (Syntax)
6.6.2 Aufbau einer Funktion.
6.6.3 Verschachtelte Funktionen
6.7 „Class“ – Objektklassen in MATLAB
6.8 Programmieren mit dem„Live Editor“
6.8.1 Taskleiste „Live Editor“
6.8.2 Taskleiste „INSERT“.
6.8.3 Taskleiste „View“
7 „Control System Toolbox“ – Alles was man für die Regelungstechnik braucht
7.1 Eingabe der Übertragungsfunktion Gs eines Regelkreises
7.1.1 Befehl tf
7.1.2 Befehl conv zur Polynommultiplikation
7.2 Zusammenschaltung von Modellen (Signalflussplan-Algebra)
7.2.1 Reihen-, Serien- oder Kettenschaltung.
7.2.2 Parallelschaltung
7.2.3 Übertragungsfunktion mithilfe der Laplace-Variablen s
7.2.4 Polform einer Übertragungsfunktion mit zpk
7.2.5 Befehl feedback zur Berechnung des geschlossenen Regelkreises – Führungsübertragungsfunktion
7.3 Grafische Darstellungsmöglichkeiten für Übertragungsfunktionen
7.3.1 Impulsantwort (Gewichtsfunktion) mit impulse
7.3.2 Sprungantwort (Übergangsfunktion) mit step
7.3.3 Bode-Diagramm (Frequenzgang) mit bode
7.3.4 Nyquist-Ortskurve mit nyquist
7.3.5 Nichols-Ortskurve mit nichols
7.3.6 Pol- und Nullstellendiagramm mit pzmap
7.3.7 Wurzelortskurve (WOK) mit rlocus
7.4 Charakteristika einer Übertragungsfunktion
7.4.1 Befehl pole zur Berechnung der Pole einer Übertragungsfunktion
7.4.2 Befehle tzero (engl. transmission zeros) und zero zur Berechnung der Nullstellen
7.4.3 Befehl get zur Ausgabe der Eigenschaften einer Übertragungsfunktion
7.4.4 Befehl set zum Setzen von Eigenschaften einer Übertragungsfunktion
7.4.5 Befehl margin
7.5 Einfacher Reglerentwurf mit MATLAB
7.5.1 Bestimmung des Verstärkungsfaktors KV mit dem Bode-Diagramm
7.5.2 Bestimmung des Regel- oder Verstärkungsfaktors KV mithilfe der Wurzelortskurve (WOK)
7.5.3 „Control System Designer“ zum Reglerentwurf – sisotool
7.5.3.1 Tab „Control System“
7.5.3.2 Tab „ROOT LOCUS EDITOR“, „BODE EDITOR“ bzw. „NICHOLS EDITOR“
7.5.3.3 Tab „VIEW“
7.5.3.4 „Graphical Tuning“ – Grafische Methoden zur Regleroptimierung.
7.5.3.5 „Automated Tuning“ – Automatisierte Regleroptimierung anhand vorgegebener Parameter
8 Einführung in die SIMULINK-Toolbox
8.1 Erste Schritte in SIMULINK
8.2 Menüleiste von SIMULINK – wichtigster Tab Simulation.
8.2.1 Gruppe PROJECT
8.2.2 Gruppe FILE
8.2.3 Gruppe LIBRARY
8.2.4 Gruppe PREPARE
8.2.5 Gruppe SIMULATE
8.2.6 Gruppe REVIEW RESULTS
8.3 Weitere Tabs der Menüleiste von SIMULINK
8.3.1 Tab DEBUG
8.3.2 Tab MODELING
8.3.3 Tab FORMAT
8.3.4 Tab APPS.
8.3.5 Kontextbezogene Tabs (BLOCK, SIGNAL, SCOPE, etc.)
8.4 Sonstige Bedienmenüs von SIMULINK
8.4.1 Kurzbeschreibung der Symbole der linksseitigen Palette des SIMULINK Editors.
8.4.2 Kontextbezogene Auswahlmenüs mit der rechten Maustaste
8.4.3 „Property Inspector“
8.5 Kurzbeschreibung der wichtigsten SIMULINK-Blöcke
8.6 Tipps & Tricks für Regelkreis-Simulationen.
8.7 Tipps zur Auswertung grafischer Ergebnisse des Scope
8.7.1 Ändern der grafischen Darstellung über die Taskleiste des Scope
8.7.2 Konfigurierbare Darstellung des Scope-Fensters über MATLAB
A MATLAB-Befehlsliste für die Abbildungen der zweidimensionalen Grafikbeispiele in Abschnitt 5.4
B MATLAB-Befehlsliste für die Abbildungen der dreidimensionalen Grafikbeispiele in Abschnitt 5.5
C MATLAB-Programm zur Berechnung eines optimierten Reglers mithilfe des Bode-Diagramms und des margin-Befehls
Literatur
| 1 | Einleitung |
Die ersten Schritte mit einer neuen Software sind oft die wichtigsten, denn oftmals entscheidet es sich gleich beim ersten Kontakt, ob es sich um ein hilfreiches Werkzeug handelt, mit dem man gerne arbeiten und mehr darüber lernen möchte, oder ob es sich um„furchtbaren Schrott“ handelt, den man am liebsten in die Ecke werfen möchte – egal ob diese Einschätzung gerechtfertigt ist oder nicht.
Darum soll im Folgenden Schritt für Schritt der Einstieg in MATLAB/SIMULINK so einfach wie möglich und so detailliert wie nötig erklärt werden. Alle Funktionen und Toolboxen zu beschreiben, ist leider nicht möglich. Dazu ist die Funktionalität zu umfangreich und sind die Möglichkeiten der Anwendung zu vielfältig.
| 1.1 | Warum MATLAB/SIMULINK? |
Wie bereits im Vorwort erwähnt, ist MATLAB/SIMULINK ein äußerst leistungsfähiges interaktives Programmpaket für vorwiegend numerische Berechnungen im Ingenieurbereich. Auch wenn mit der „Symbolic Math Toolbox“ ein Werkzeug zum analytischen Lösen von mathematischen Gleichungen hinzugekommen ist, liegt der Fokus immer noch auf der numerischen Lösung und der Simulation von Problemen und Aufgabenstellungen aus dem Ingenieurbereich.
Der Name MATLAB kommt schließlich aber von „matrix laboratory“. Daraus wird eine spezielle Bedeutung von Matrizen bei der Arbeit mit MATLAB ersichtlich, die manchmal ein Fluch und manchmal ein Segen sein kann. Früher oder später stolpert deshalb fast jeder einmal über eine rote Fehlermeldung wie:
Für numerische Berechnungen ist MATLAB kompromisslos einsatzbereit und bei der Berechnung, Modellierung und Simulation technischer Systeme, sowohl an den Hochschulen als auch in der Industrie, hat MATLAB/SIMULINK Maßstäbe gesetzt.
Typische Anwendungen von MATLAB sind:
Mathematische Berechnungen;
Entwicklung von Algorithmen;
Datenerfassung und -bearbeitung;
Datenanalyse, -auswertung und -visualisierung;
Modellbildung, Simulation und Erstellen von Prototypen;
Wissenschaftliche und technische grafische Darstellungen;
Entwicklung von Anwendungen, inklusive der Gestaltung von grafischen Benutzeroberflächen.
Mit der „Symbolic Math Toolbox“ wird das Spektrum von MATLAB deutlich erweitert, denn das analytische bzw. symbolische Lösen, Bearbeiten und Darstellen von Gleichungen ist in der Mathematik und anderen Bereichen der Ingenieurwissenschaft von nicht zu unterschätzender Wichtigkeit.
Somit sollte MATLAB/SIMULINK nun wirklich universell einsetzbar sein.
| 1.2 | MATLAB-/SIMULINK-Versionen |
Die Versionen von MATLAB/SIMULINK haben sich ähnlich rasant und umfangreich weiterentwickelt wie die diversen Betriebssysteme, z. B. Microsoft Windows. Seit ein paar Jahren, in etwa ab Version 6, sind mit jeder neuen Ausgabe von MATLAB nicht nur weitere neue Befehle und Funktionen dazugekommen, sondern vor allem komplexe grafische Werkzeuge, die viele der einfacheren Befehle aus einem spezifischen Themenbereich zusammenfassen und die Handhabung der Befehle durch grafische Oberflächen und Bedienung per Mausklick erheblich vereinfachen, z. B. das in Abschn. 7.5.3 ausführlich beschriebene sisotool, früher als rltool bekannt.
Von der simplen schwarz-weiß gehaltenen, ungeteilten Befehlsoberfläche von Version 4 (der ersten MATLAB-Version, die die Autorin kennen gelernt hat) bis zur bunten, in mehrere Bereiche unterteilten Oberfläche von Version 9.8 (R2020a), mit unterschiedlichen Farben für unterschiedliche Befehle und seit Neuem auch mit modernen Apps, ist die Weiterentwicklung von MATLAB/SIMULINK auch optisch deutlich zu bemerken. In den früheren Versionen ging mit Mausklick gar nichts, jetzt ist die Bedienung per Maus deutlich vereinfacht.
Die Firma MathWorks bringt inzwischen zweimal jährlich eine neue Ausgabe ihrer gesamten MATLAB-/SIMULINK-Produktfamilie heraus, eine jeweils im Frühjahr, gekennzeichnet mit a (z. B. R2020a), die zweite jeweils im Herbst, gekennzeichnet mit b (z. B. R2019b). Jede Aktualisierung synchronisiert die komplette Produktfamilie und enthält neue Funktionen und Verbesserungen für bestehende sowie eventuell zwischenzeitlich neu erschienene Toolboxen.
Die grundsätzliche Bedienung des Programms, die Syntax der Befehle, vor allem auch das Hauptfenster von MATLAB, das so genannte „Command Window“, die meisten Funktionen und Befehle und vieles mehr haben sich aber im Laufe der Entwicklung von MATLAB/SIMULINK nicht verändert. Deshalb sind die folgenden grundsätzlichen Erklärungen, wie MATLAB oder SIMULINK zu bedienen sind, auch dann gültig, wenn man noch mit älteren Versionen arbeiten will oder muss. Erst speziellere Funktionen, meist mit grafischer Bedienoberfläche, stehen in den aktuellen Versionen von MATLAB/SIMULINK1 zur Verfügung.
Die Firma MathWorks bietet MATLAB/SIMULINK nicht nur für den „normalen“ Anwender, sondern auch für Forschung und Lehre zu bestimmten Konditionen an. Für Studierende bietet sich der günstige Erwerb der Studentenversion an, die viele wichtige und nützliche Toolboxen enthält, sofern die Hochschule nicht sowieso über eine Campuslizenz verfügt.
Bei der in Buchhandlungen erhältlichen Studentenversion ist für die dauerhafte Aktivierung nach 30 Tagen Probezeit die Einsendung einer gültigen Immatrikulationsbescheinigung erforderlich! Campuslizenzen werden normalerweise anhand der Mailadresse der Hochschule für jeweils ein Jahr vergeben.
Für das vorliegende Buch sind die in Bild 1.1 zum Teil aufgelisteten Toolboxen von MATLAB 9.8, Release R2020a, Grundlage der Erläuterungen.
Bild 1.1 Ausschnitt der Auflistung der 98 Toolboxen der MATLAB Version 2020a inklusive jeweiliger Versionsnummer mit dem Befehl ver
In der Campuslizenz von MATLAB/SIMULINK R2020a stehen nun 98 Toolboxen zur Verfügung (im Vergleich zu 78 Toolboxen der Version R2016a der zweiten Auflage dieses Buches). Eine Auswahl dieser Toolboxen finden in dem vorliegenden Buch Erwähnung, nur ein paar wenige, wie SIMULINK oder die „Control System Toolbox“ werden etwas ausführlicher behandelt, jedoch immer mit der Einschränkung, dass nur eine Einführung in die Benutzung gegeben werden kann.
MATLAB/SIMULINK ist für die im Desktop-Bereich gängigen Betriebssysteme Windows, Linux und Mac OS X verfügbar. Vorausgesetzt werden jeweils ihre aktuellen Versionen und Intelbasierte Prozessoren bei Mac OS X.
Leider gibt es für MATLAB/SIMULINK nur die englische Originalversion, eine andere Sprachversion, z. B. Deutsch, ist nicht erhältlich. Deshalb sind auch die Dokumentation und die Programmhilfe nur auf Englisch verfügbar.
| 1.3 | Installation der Software |
Die Installation von MATLAB/SIMULINK, egal ob Studenten- oder „normale“ Version, ist unter heutigen Betriebssystemen eigentlich einfach und selbsterklärend. Bei Verwendung von Windows sollte die Installation bei Einlegen der DVD-ROM von selbst starten, sofern die Autostart-Funktion nicht deaktiviert wurde. Die Campuslizenz kann über die Homepage von MathWorks (www.mathworks.de) heruntergeladen werden, nachdem ein Benutzerkonto mit der Mailadresse der Hochschule bei MathWorks angelegt wurde.
Falls die Installation nicht selbst starten sollte, kann die Installation manuell gestartet werden, indem die Datei setup. exeauf der MATLAB-/SIMULINK-DVD oder in dem Verzeichnis, in das die Installationsdateien kopiert wurden, aufgerufen wird.
Normalerweise wird die Installationsdatei, wenn sie direkt von der Internetseite von Math Works heruntergeladen wird, siehe Bild 1.2, im Benutzerverzeichnis unter „Downloads“ gespeichert. Von dort kann die gepackte Installationsdatei, eine exe-Datei, entpackt und gestartet werden. Es kann allerdings zu Problemen kommen, wenn der Benutzername ein nicht-ASCII-konformes Zeichen enthält, z. B. deutsche Umlaute wie in Müller. Dann wird die Installation normalerweise mit einer Fehlermeldung abgebrochen. In diesem Fall empfiehlt es sich, den Inhalt der heruntergeladenen Installationsdatei in ein „neutrales“ Verzeichnis, ohne Sonder- und Leerzeichen, am besten direkt in der Systempartition zu entpacken und von dort zu starten.
Für die Installation über einen MathWorks-Account, also ein bestehendes Benutzerkonto, ist unbedingt eine sehr gute Internetverbindung notwendig, zumindest wenn alle Toolboxen installiert werden sollen. Für die 98 Toolboxen von MATLAB R2020a wird ein Speicherplatz von rund 30 GB benötigt.
Nachdem die Installation gestartet wurde, kann ausgewählt werden, welche Toolboxen installiert werden sollen. Standardmäßig sind alle verfügbaren Toolboxen markiert. Unter Umständen wird am Ende der Installation in der Erfolgsmeldung vermerkt, welche Zusatzsoftware von bestimmten Toolboxen benötigt wird, z. B. spezifische Compiler. Links auf die entsprechende Internetseite von MathWorks zum Herunterladen der benötigten Software sind hinterlegt, siehe Bild 1.3.
Wird MATLAB über ein Benutzerkonto direkt von der MathWorks-Webseite installiert, ist normalerweise eine extra Aktivierung nicht mehr nötig. Andernfalls muss MATLAB erst aktiviert werden. Ein Startmenü findet sich dazu im MATLAB-Verzeichnis „Activate MATLAB R2020“. Sobald die Aktivierung erfolgreich abgeschlossen ist, kann MATLAB gestartet werden.
Bild 1.2 Herunterladen von MATLAB über die Webseite www.MathWorks.com
Bild 1.3 Zum erfolgreichen Abschluss der Installation wird aufgelistet, welche Zusatzsoftware, wie z. B. Compiler, von einigen Toolboxen benötigt wird. Unter „supported Compiler“ sind Links hinterlegt, sodass nicht lange gesucht werden muss.
Bei älteren MATLAB-Versionen (7.x und älter) wird während der Installation die Eingabe eines Lizenz-Codes verlangt. Sobald der Passcode eingegeben wurde, wird die Installation fortgesetzt und MATLAB und alle unter der Lizenz erworbenen Toolboxen sind sofort ohne Einschränkung nutzbar.
Es ist hilfreich, während der Installation eine funktionierende Internetverbindung zu haben, da nicht nur die Aktivierung sofort durchgeführt werden kann, sondern auch bei Problemen die Supportseite des Herstellers MathWorks (https://de.mathworks.com/support/) erreicht werden kann.
| 1.4 | MATLAB Online ohne Installation |
MATLAB Online zu nutzen, ist eine neue Möglichkeit mit MATLAB zu arbeiten, vor allem in Zeiten von Online-Vorlesungen, ohne das umfangreiche Softwarepaket auf dem eigenen PC installieren zu müssen. Umes verwenden zu können, wird nur eine gültige Lizenz benötigt, die die Online-Nutzung einschließt, was z. B. bei Campus-Lizenzen der Hochschulen der Fall ist.
Alles Weitere ist deutlich einfacher als die langwierige Installation, vor allem, wenn MATLAB nur vorübergehend in Übungen verwendet werden soll. Es ist erforderlich, sich auf der MathWorks-Homepage einzuloggen, was einen Benutzer-Account, der mit einer entsprechenden Lizenz verknüpft ist, voraussetzt, aber dieser Benutzer-Account ist normalerweise auch für die Installation auf dem eigenen PC erforderlich. Anschließend sucht man entweder über die Suche nach „MATLAB Online“ oder findet das gewünschte unter der Kategorie „Produkte“ bei den „Cloud-Lösungen“. Sobald MATLAB Online gestartet ist, weist im ersten Moment nur der Browser-Kopf darauf hin, dass es sich um die Online-Version handelt, da MATLAB Online, siehe Bild 1.4, fast genauso aussieht, wie die installierte Version, vergleiche Bild 2.1.
Bild 1.4 Startfenster von MATLAB Online
Ein paar Unterschiede kann man im Laufe der Arbeit mit MATLAB Online dann allerdings doch entdecken:
Alle erstellten MATLAB-Dateien werden online in einer Cloud gespeichert, wobei mit dem MATLAB Drive Connector, der separat installiert werden muss, eine Synchronisation zwischen dem eigenen PC und MATLAB Online möglich ist. Mit einem MathWorks-Benutzer-Account stehen 250 MB Speicherplatz zur Verfügung, mit entsprechenden Lizenzen kann dieser Speicherplatz auf bis zu 5 GB ausgeweitet werden. Interessant vor allem für die Arbeit in Teams, wenn gemeinsam an MATLAB-Projekten gearbeitet wird und Dateien allen Teammitgliedern zur Verfügung gestellt werden können.
Die Ausführung von komplizierteren MATLAB-Programmen oder SIMULINK-Simulationen kann je nach Umfang entsprechend dauern, abhängig natürlich auch von der Internetverbindung.
Nach einer gewissen Zeit der Inaktivität, wird der Benutzer automatisch von MATLAB Online abgemeldet, vergleichbar dem Online-Banking, allerdings werden alle Dateien, an denen gearbeitet wird, gespeichert.
Bild 1.5 In der Online-Version können MATLAB-Programme oder SIMULINK-Simulationen gestartet oder Berechnungen durchgeführt und visualisiert werden, genau wie bei der installierten Desktop-Version
Es gibt einige neue Ansichten, z. B. den Tab FIGURE, wenn ein Grafikfenster in MATLAB geöffnet ist, siehe Bild 1.5 im Vergleich zu Bild 5.1, dem geöffneten Grafikfenster der Desktop-Version von MATLAB.
Bei MATLAB Online steht immer die aktuellste MATLAB-Version zur Verfügung. Das kann zu Verwirrungen führen, wenn die Desktop-Version nicht ebenso regelmäßig aktualisiert wird. Bei der ausschließlichen Verwendung von MATLAB Online, spart man sich allerdings viel Zeit, wenn nicht alle 6 Monate die neueste Version installiert werden muss.
MATLAB Online ist eine höchst interessante Alternative zur installierten Desktop-Version. Plattformunabhängig, von jedem Gerät mit Internetverbindung aus zu erreichen, immer aktuell und durch die Datenspeicherung in der Cloud für Projektteams gut geeignet. Eine Ablösung der installierten Desktop-Version in der Zukunft?
Für die Arbeit an diesem Buch wurde allerdings weiterhin mit der installierten Desktop-Version von MATLAB auf einem PC mit Windows 10 gearbeitet, da bisher noch zu wenig Erfahrung mit der Online-Version gesammelt wurde. Da die bisher getesteten MATLAB-Programme oder SIMULINK-Modelle in beiden Versionen funktionierten, sind die Erläuterungen in den folgenden Kapiteln durchaus für MATLAB Online gültig und anwendbar.
1 Die „aktuelle Version“ ist in diesem Buch die Version 9.8 bzw. „Release“ R2020a, erschienen im April 2020.
| 2 | Start der Arbeit mit MATLAB |