1 El software MATLAB y sus componentes 1.1 El software básico MATLAB y sus herramientas adicionales MATLAB, en su contenido básico, es un entorno integrado de trabajo que permite el análisis y la computación matemáticos interactivos de forma sencilla con más de 500 funciones matemáticas, estadísticas y técnicas implementadas, así como la visualización a través de todo tipo de gráficos de ingeniería y científicos. También es posible con el módulo básico de MATLAB el desarrollo de algoritmos a través de un lenguaje propio de programación que resulta ser abierto (integrable con C, Excel y Bases de Datos), extensible (a través de las funcionalidades que aportan las librerías especializadas complementarias) y de sintaxis similar al C (pero sin las dificultades técnicas de programación que presenta C). Asimismo, MATLAB integra un conjunto importante de herramientas básicas adicionales muy útiles, entre las que destacan las siguientes: MATLAB Report Generador Permite la creación de informes estándar y personalizados de los algoritmos desarrollados en MATLAB. Los informes pueden ejecutar comandos de MATLAB a medida que se van procesando, lo cual nos ofrece la posibilidad de documentar nuestras pruebas con MATLAB a medida que las realizamos.
2 MATLAB Y SUS APLICACIONES EN LAS CIENCIAS Y LA INGENIERÍA MATLAB Compiler Suite: MATLAB Compiler, MATLAB C/C++ Math Library, MATLAB C/C++ Graphics Library Convierte, de forma automática, los ficheros de MATLAB que contienen los algoritmos que hemos desarrollado (en lenguaje de MATLAB) a código C y C++, bien para poder distribuir aplicaciones independientes o para mejorar el rendimiento del algoritmo. Se trata por tanto de un generador de código C a partir de los programas de MATLAB. MATLAB Runtime Server Permite distribuir cualquier aplicación desarrollada con MATLAB de forma sencilla mediante un runtime. MATLAB Web Server Permite incorporar funciones de MATLAB (matemáticas y gráficas) a nuestras aplicaciones web. Matriz VB Librería para poder utilizar desde Visual Basic las funciones matemáticas y gráficas que incorpora MATLAB. MATLAB Excel Builder Permite transformar algoritmos desarrollados en MATLAB a funciones de Excel y usar estas funciones desde Excel sin necesidad de tener MATLAB. 1.2 Toolboxes de MATLAB de aplicación en matemática general Una faceta muy importante de MATLAB son los toolboxes añadidos, que consisten en paquetes de ampliación al software básico y que son aplicables a determinados campos de la ciencia. A continuación se relacionan los toolboxes más interesantes de MATLAB. Symbolic Math Permite integrar la expresión y el cálculo simbólicos (cálculo, transformadas, álgebra lineal, ecuaciones) al entorno de cálculo y visualización de MATLAB.
CAPÍTULO 1: EL SOFTWARE MATLAB Y SUS COMPONENTES 3 Extended Symbolic Math Incluye todas las características de Symbolic Math, proporciona soporte completo para la programación en Maple y permite el acceso completo a las librerías matemáticas de Maple. Database Toolbox Permite directamente desde MATLAB consultar e intercambiar datos con las bases de datos ODBC/JDBC más populares (Oracle, Sybase SQL Server, Sybase SQL Anywhere, Microsoft SQL Server, Microsoft Access, Informix and Ingres) de forma dinámica, preservándolos durante el intercambio y simultáneamente con más de una base de datos. Excel Link Toolbox Integra toda la potencia de MATLAB con Microsoft Excel permitiendo la transferencia de datos en los dos sentidos, ejecutando cualquier función de MATLAB desde una fórmula de Excel o utilizando Excel desde MATLAB como editor de vectores. Statistics Toolbox Funciones y herramientas interactivas para el análisis de datos históricos, el modelado y simulación de sistemas y para el desarrollo de algoritmos estadísticos. Soporta 20 distribuciones de probabilidad, incorpora el control estadístico de procesos, el diseño de experimentos, estadística descriptiva, análisis clúster, etc. Optimization Toolbox Proporciona diversos algoritmos y técnicas para solucionar problemas de optimización no lineales, tanto generales como a gran escala. Spline Toolbox Mediante un interface gráfico proporciona potentes funciones para el ajuste de datos, visualización, interpolación y extrapolación mediante técnicas spline. Partial Differential Equation Toolbox De aplicación en la solución de problemas en muchos campos de la física y la ingeniería: transferencia de calor, flujo en medios porosos, medios conductores, cálculo de esfuerzos y fatigas en estructuras, campos magnéticos, etc. Usa el método FEM (Método de los Elementos Finitos que incorpora el algoritmo de triangulación de Delaunay) para solucionar ecuaciones diferenciales parciales.
4 MATLAB Y SUS APLICACIONES EN LAS CIENCIAS Y LA INGENIERÍA Neural Network Toolbox Proporciona las versiones más comunes de paradigmas y algoritmos para el diseño y simulación de redes neuronales. Incluye bloques de Simulink para poder usar esta toolbox en aplicaciones de control y simulación de sistemas. Incluye ejemplos de control predictivo y control adaptativo. Entre las aplicaciones más comunes de las redes neuronales tenemos las técnicas de clasificación, predicción, filtrado, optimización, reconocimiento de patrones, aproximación a funciones, interpretación y clasificación de imágenes. 1.3 Toolboxes de MATLAB de adquisición de datos Dentro de los toolboxes de MATLAB tienen un papel importante los relativos a la adquisición de datos de otras aplicaciones. En esta categoría destacan los siguientes: Data Acquisition Toolbox Permite el control y la comunicación con una gran variedad de dispositivos de adquisición de datos estándares en la industria (National Instruments, Agilent, Computer Boards, etc.). Incluye kit de adaptación para el desarrollo de interfaces para nuevos dispositivos. Instrument Control Toolbox Permite la comunicación con instrumentos (analizadores de espectro, osciloscopios, generadores de funciones) y dispositivos externos. Soporta los protocolos de comunicación GPIB (IEEE-488, HPIB) y VISA (Serial, GPIB, VXI, GPIB-VXI) y proporciona soporte avanzado de puerto serie (RS-232, RS-422, RS485). Curve Fitting Toolbox Mediante un interface gráfico podemos realizar ajustes de curvas, visualizando y preprocesando los datos y usando una amplia gama de modelos y métodos de ajuste. 1.4 Toolboxes de MATLAB para procesado de señales Otra campo importante en el que MATLAB presenta herramientas es el procesado de señales. Destacan los siguientes toolboxes:
CAPÍTULO 1: EL SOFTWARE MATLAB Y SUS COMPONENTES 5 Signal Processing Toolbox Conjunto de funciones para analizar, manipular y visualizar señales y sistemas lineales. Incorpora un interface para diseñar y analizar de forma interactiva filtros digitales (FIR and IIR). Filter Desgin Toolbox Complementa la Signal Processing Toolbox añadiendo técnicas avanzadas de filtros digitales para aplicaciones complejas de DSP en tiempo real. También proporciona funciones para simplificar el diseño de filtros de punto fijo y para el análisis de los efectos de quantization. Communications Toolbox Conjunto de funciones para MATLAB que facilitan el diseño de algoritmos y componentes de sistemas de comunicaciones. Wavelet Toolbox Funciones basadas en el análisis wavelet para analizar y procesar señales, imágenes (señal bidimensional) y series temporales; son adecuadas para el estudio de señales con características no estacionarias o transitorias en las que el análisis del tiempo en que dichas señales experimentan los cambios es primordial (para el estudio de este tipo de señales no es adecuado el análisis de Fourier). Estas aplicaciones son muy convenientes para eliminación de ruidos y ecos, compresión de imágenes y vídeo. System Identification Toolbox Proporciona herramientas para crear modelos matemáticos de sistemas dinámicos, de los cuales desconocemos su comportamiento, a partir de los datos de entrada observados y de los de salida. De aplicación en una gran variedad de campos. 1.5 Toolboxes de MATLAB para procesado de imágenes También en el área del procesado de imágenes MATLAB presenta los siguientes toolboxes:
6 MATLAB Y SUS APLICACIONES EN LAS CIENCIAS Y LA INGENIERÍA Image Processing Toolbox Entorno interactivo que proporciona un conjunto de herramientas para el análisis y procesado de imágenes con un amplio abanico de aplicaciones. Algunas de estas herramientas son: operaciones geométricas, análisis de imagen, eliminación de ruidos, filtros lineales, filtros 2-D, transformaciones, ROI (Region-of-Interest), operaciones binarias, conversiones de color, procesado por neighborhood y por bloques, etc. Mapping Toolbox Conjunto de herramientas para el análisis y visualización de información gráfica de tipo geográfico. 1.6 Toolboxes de MATLAB en el área financiera Las finanzas es otro campo en el que MATLAB ha desarrollado toolboxes. Los más importantes son los siguientes: Financial Toolbox Proporciona las herramientas básicas para finanzas cuantitativas y prototipaje analítico aplicables a optimización de portfolios y análisis de riesgos, cálculos de precios y sensibilidades según diversos modelos, análisis de volatilidad (ARCH/GARCH), análisis básico de series temporales, etc. Financial Time Series Toolbox Conjunto de herramientas para el análisis de series temporales en mercados financieros: análisis y transformación de datos, análisis técnico (osciladores, índices, estocásticos, indicadores), visualización. Financial Derivatives Toolbox Permite la creación y gestión de portafolios con diversos instrumentos financieros, así como calcular sus precios y sensibilidades. Proporciona análisis hedging. Garch Toolbox Proporciona un entorno de cálculo integrado para trabajar con el modelo GARCH de volatilidad. Usa un modelo compuesto ARMAX/GARCH para simulaciones, previsiones, estimación de parámetros de series temporales, etc.
CAPÍTULO 1: EL SOFTWARE MATLAB Y SUS COMPONENTES 7 Datafeed Toolbox Permite desde MATLAB el acceso a los servicios de datos financieros (Bloomberg, Interactive Data, Yahoo Finance) para su descarga y posterior análisis en MATLAB. 1.7 Simulación de sistemas con SIMULINK y sus herramientas adicionales Otro de los campos tratados especialmente por MATLAB, y de gran aplicación en la ingeniería, es la automatización del diseño mediante simulación de sistemas dinámicos. Los productos más importantes en el área de simulación de sistemas son: Simulink Es un entorno gráfico interactivo para el modelado, análisis y simulación de una gran variedad de sistemas dinámicos (discretos, analógicos e híbridos) mediante la utilización de diagramas de bloques. Permite la incorporación de los algoritmos y controles que se hayan desarrollado en C previamente a la utilización de Simulink. Trabaja totalmente integrado con MATLAB. Stateflow Es un entorno gráfico interactivo para el modelado de la lógica de sistemas dinámicos basados en eventos (temporales o de estado). Se basa en la teoría de máquinas de estado finito y utiliza diagramas de transición de estado para expresar la lógica del sistema y diagramas de control de flujo. Trabaja perfectamente integrado con Simulink. Simulink Report Generator Permite la documentación automática mediante la creación de diversos informes de los modelos desarrollados en Simulink. Simulink Performance Tools Es un conjunto de 4 herramientas que gestionan y optimizan el rendimiento de Simulink en las simulaciones de modelos de gran escala: Simulink Accelerator, Simulink Model Profiler, Simulink Model Differencing y Simulink Model Coverage. Requirements Management Interface Nos permite coordinar, registrar e implementar los cambios en el diseño de especificaciones a lo largo del ciclo de desarrollo. Esta herramienta nos permite asociar los requerimientos del proyecto con modelos de Simulink, diagramas de Stateflow y algoritmos de MATLAB.
8 MATLAB Y SUS APLICACIONES EN LAS CIENCIAS Y LA INGENIERÍA Virtual Reality Permite la creación de escenas e imágenes en movimiento en un entorno de realidad virtual de 3 dimensiones. Desde MATLAB y Simulink podemos representar y visualizar en este entorno de realidad virtual el modelo que estamos simulando e interactuar con él, bien desde Simulink o bien desde el propio entorno de realidad virtual. 1.8 Blocksets de SIMULINK Al igual que MATLAB presentaba toolboxes adicionales con extensiones del programa general aplicadas a diversos campos, Simulink también presenta aplicaciones adicionales con extensiones de simulación de sistemas denominadas blocksets. A continuación se relacionan los más interesantes: DSP Blockset Proporciona un conjunto de bloques para Simulink que son el fundamento para el diseño de muchas aplicaciones de procesado de señales digitales (DSP) como procesado básico de señal, estimación espectral, diseño de filtros. Todos los bloques soportan simulación por muestreo y por frames. Communications Blockset Conjunto de más de 150 bloques para Simulink para diseñar de forma completa y simular sistemas de comunicaciones. CDMA Reference Blockset Conjunto de bloques de Simulink para crear y simular modelos de sistema de comunicaciones inalámbricos bajo el estándar IS-95A. Fixed-Point Blockset Permite emular la aritmética de punto fijo cuando diseñamos y simulamos sistemas dinámicos o filtros digitales que al final serán implementados en targets digitales de punto fijo. Dials & Gauges Blockset Monitoriza señales y parámetros de simulación mediante elementos gráficos (instrumentos de aspecto real). Nos permite añadir a los modelos de Simulink estos elementos gráficos y así visualizar el entorno que estamos modelando.
CAPÍTULO 1: EL SOFTWARE MATLAB Y SUS COMPONENTES 9 Nonlinear Control Design Blockset Proporciona una aproximación al diseño de sistemas de control basada en una optimización que ajusta los parámetros de acuerdo con unas restricciones en la respuesta transitoria temporal del sistema fijadas por el usuario. Power System Blockset Permite modelar y simular en Simulink sistemas eléctricos de potencia (generación, transmisión, distribución) y su control (motores, transformadores, tiristores, diodos, etc.) Sym Mechanics Blockset Permite modelar y simular de forma sencilla en Simulink los componentes de un sistema mecánico, ver y animar su movimiento, estudiar su cinemática y dinámica (directa e inversa), etc. 1.9 Generación de código de SIMULINK La generación de código en el campo de la simulación es otra de las facetas tratadas por MATLAB. Entre los generadores de código tenemos: Real-Time Workshop Genera código C en tiempo real a partir de los modelos realizados en Simulink, lo que nos permite realizar prototipaje rápido, acelerar las simulaciones o realizar simulaciones en tiempo real. Real-Time Workshop Embedded Coder Genera código C en tiempo real optimizado en velocidad de ejecución y con unos mínimos requerimientos de memoria para usarlo en sistemas embedded de tiempo real. Este código puede ser descargado directamente al procesador target. El código generado es comparable al código optimizado escrito a mano. Stateflow Coder Genera código C en tiempo real a partir de los diagramas de transición realizados en Stateflow.
10 MATLAB Y SUS APLICACIONES EN LAS CIENCIAS Y LA INGENIERÍA 1.10 Implementación en targets El desarrollo de tarjetas (targets) para relacionar MATLAB con aplicaciones de otros sistemas ha registrado un avance importante en las últimas versiones del programa. La implementación en targets ha originado módulos como los siguientes: Developer s Kit for Texas Instruments DSP Este software facilita el diseño, análisis e implementación de aplicaciones para DSPs de Texas Instruments al integrar MATLAB, Simulink y Real-Time Workshop con el software (Code Composer Studio, RTDX) y targets (C5000, C6000, C6701EVM, DSKs) de Texas Instruments. Motorola DSP Developer s Kit. Este software integra MATLAB y Simulink con el software de Motorola (Motorola s Suite 56) para el desarrollo de aplicaciones basadas en DSPs de Motorola (familias 56300 y 56600). Xilinx s FPGA System Generator for Simulink Este software permite el desarrollo de aplicaciones DSP de alto rendimiento para los FPGAs de Xilinx (Spartan II y Virtex/E) usando MATLAB y Simulink (Xilinx Blockset). Entre otras prestaciones genera código VHDL a partir de los modelos de Simulink. 1.11 Prototipaje En el campo del prototipaje MATLAB dispone de las siguientes aplicaciones: Real-Time Windows Target Permite ejecutar los modelos de Simulink y Stateflow en tiempo real en un PC con Windows. Durante la ejecución podemos comunicarnos con una amplia variedad de tarjetas I/O (más de 100), lo cual nos permite controlar sensores, actuadores y otros dispositivos para poder experimentar, desarrollar y testear nuestros sistemas tiempo-real. xpc Target Permite añadir bloques I/O a Simulink, generar código con Real-Time Workshop y descargar este código en un segundo PC que ejecuta el kernel de xpc Target. Es ideal para prototipaje rápido. Permite la ejecución de modelos en tiempo real en un segundo PC (como target) sin necesidad de Windows. Con esta solución, el PC que actúa como host y el que actúa como target se mantienen comunicados durante la ejecución en tiempo real.
CAPÍTULO 1: EL SOFTWARE MATLAB Y SUS COMPONENTES 11 xpc Target Embedded Option Esta opción nos permite que el modelo desarrollado se ejecute en el PC que actúa como target sin necesidad de que esté concectado al PC host. Esta opción es la adecuada cuando nuestro modelo está finalizado y lo entregamos para su funcionamiento en producción. 1.12 Análisis y diseño de sistemas de control El análisis y diseño de los sistemas de control es otro de los campos de la ingeniería que cubre MATLAB con diversos toolboxes. Entre los más importantes tenemos los siguientes: Control System Toolbox Proporciona un entorno interactivo y gráfico para el modelado, análisis y diseño de sistemas de control, utilizando tanto los métodos clásicos como los modernos: root locus, loop shaping, pole placement y LQR/LQG regulation. Soporta sistemas LTI, SISO, MIMO y diversos métodos de conversión. Fuzzy Logic Toolbox Herramienta interactiva para el desarrollo de algoritmos de lógica difusa aplicable a reconocimiento e identificación de imágenes con patrones difusos, procesado de señales y desarrollo de procesos inteligentes y adaptativos. Robust Control Toolbox Herramientas para el diseño y modelado de sistemas de control multivariable mediante técnicas H donde la robustez del sistema es un factor crítico. µ-analysis and Synthesis Toolbox Algoritmos para µ aplicables al análisis de rendimiento y de robustez en sistemas con incertidumbres en el modelado y parametrización. LMI Control Toolbox Algoritmos de optimización para la resolución de inecuaciones matriciales lineales (LMI) presentes en control robusto, en control multiobjetivo, etc.
12 MATLAB Y SUS APLICACIONES EN LAS CIENCIAS Y LA INGENIERÍA Model Predictive Control Toolbox Completo conjunto de herramientas para implantar estrategias de control predictivo. Model-Based Calibration Toolbox Conjunto de herramientas para la calibración de sistemas motrices complejos. Cubre las tres fases de la calibración: planificación de la prueba física en el dinamómetro, utilización de los datos medidos para producir una serie de modelos de respuesta que reflejen el comportamiento del motor y empleo de estos modelos para calibrar el sistema motriz.