第1章 Matlab语言系统

1、第一章第一章Matlab语言系统语言系统 Matlab与控制系统仿真 宋燕星宋燕星 防灾仪器系防灾仪器系内内 容容Matlab语言概述语言概述 Matlab操作入门操作入门 MATLAB语言的发展语言的发展MATLAB的主要功能及应用的主要功能及应用 MATLAB的的优势优势 MATLAB工作环境认识工作环境认识 MATLAB的常用工具的常用工具 MATLAB的的m文件与文件与m函数函数 Matlab语言语言概述概述 MATLAB语言的发展语言的发展Matlab与控制系统仿真 MATLAB的主要功能及应用的主要功能及应用 MATLAB的优势的优势 （1） MATLAB语言的发展语言的发展 Ma

2、tlab语言是由美国的语言是由美国的Clever Moler博士博士于于1980年开发的。年开发的。 设计者的初衷是为解决设计者的初衷是为解决“线性代数线性代数”课程课程的矩阵运算问题，取名的矩阵运算问题，取名MATLAB即即Matrix Laboratory 矩阵实验室的意思。矩阵实验室的意思。 MATLAB是由美国是由美国Mathworks公司于公司于1984年正式推出的一种科学计算软件。年正式推出的一种科学计算软件。MATLAB的的3.x(DOS)版本于版本于1988年推出，随后年推出，随后1992年推出年推出了了4.x(Windows)版本。随着新版本的推出，版本。随着新版本的推出，M

3、ATLAB的扩展函数越来越多，功能越来越强的扩展函数越来越多，功能越来越强大。主要应用于数学处理，像数值计算、信号大。主要应用于数学处理，像数值计算、信号处理、图形生成等。处理、图形生成等。（2） MATLAB的主要功能及应用的主要功能及应用 1）数值计算和符号计算功能）数值计算和符号计算功能3）编程语言）编程语言4）MATLAB工具箱工具箱丰富的数值计算函数丰富的数值计算函数*对图形句柄进行的低层绘图操作对图形句柄进行的低层绘图操作*建立在低层绘图操作之上的高层绘图建立在低层绘图操作之上的高层绘图 操作操作2）绘图功能。）绘图功能。具有程序结构控制、函数调用、数具有程序结构控制、函数调用、数

4、据结构、输入输出、面向对象等程据结构、输入输出、面向对象等程序语言特征，而且简单易学、编程序语言特征，而且简单易学、编程效率高效率高具有程序结构控制、函数调用、数具有程序结构控制、函数调用、数据结构、输入输出、面向对象等程据结构、输入输出、面向对象等程序语言特征，而且简单易学、编程序语言特征，而且简单易学、编程效率高效率高主要功能主要功能 数值分析数值分析 数值和符号计算数值和符号计算 工程与科学绘图工程与科学绘图 控制系统的设计与仿真控制系统的设计与仿真 数字图像处理技术数字图像处理技术 数字信号处理技术数字信号处理技术 通讯系统设计与仿真通讯系统设计与仿真 财务与金融工程财务与金融工程 应

5、应 用用 （3） MATLAB的优势的优势 1）友好的工作平台和编程环境）友好的工作平台和编程环境 3）强大的科学计算机数据处理能力）强大的科学计算机数据处理能力 4）出色的图形处理功能）出色的图形处理功能 2）简单易用的程序语言）简单易用的程序语言 5）应用广泛的模块集合工具箱）应用广泛的模块集合工具箱 6）实用的程序接口和发布平台）实用的程序接口和发布平台 7）应用软件开发（包括用户界面）应用软件开发（包括用户界面） Matlab操作入门操作入门 MATLAB工作环境认识工作环境认识 Matlab与控制系统仿真 MATLAB的的常用工具常用工具 (6) MATLAB的的帮助系统帮助系统 M

6、ATLAB的的m文件与文件与m函数函数 (5) MATLAB的的文件管理文件管理 (4) MATLAB的的工作空间工作空间 （1） MATLAB工作环境认识工作环境认识 工具栏工具栏分类帮助窗口分类帮助窗口历史纪录窗口历史纪录窗口命令窗口命令窗口菜单栏菜单栏File菜单项实现有关文菜单项实现有关文件的操作件的操作。菜单栏菜单栏 Edit菜单项用于命令菜单项用于命令窗口的编辑操作。窗口的编辑操作。 View菜单项用于设置菜单项用于设置MATLAB集成环境的集成环境的显示方式。显示方式。Debug菜单项用菜单项用于于MATLAB程序程序调试调试 。Desktop菜单项用菜单项用于选择软件显示于选择

7、软件显示窗口的设置窗口的设置 。Window菜单只包含一个子菜单只包含一个子菜单菜单Close all Documents，用于关闭所有打开的编辑器用于关闭所有打开的编辑器窗口，包括窗口，包括M-file、Figure、Model和和GUI窗口。窗口。Help菜单项用于提菜单项用于提供帮助信息。供帮助信息。分类帮助窗口分类帮助窗口工作空间窗口工作空间窗口（workspace）即变量）即变量空间，是空间，是MATLAB用于用于存储各种变量和结果的存储各种变量和结果的内存空间。在该窗口中内存空间。在该窗口中显示工作空间中所有变显示工作空间中所有变量的名称、大小、字节量的名称、大小、字节数和变量类型

8、说明，可数和变量类型说明，可对变量进行观察、编辑、对变量进行观察、编辑、保存和删除。保存和删除。当前路径窗口当前路径窗口(Current Directory)主要显示当前工作在什么路主要显示当前工作在什么路径下，包括径下，包括M文件的打开路径等。当前路径窗口允许用户对文件的打开路径等。当前路径窗口允许用户对MATLAB的路径进行查看和修改，如果修改了路径会立即产的路径进行查看和修改，如果修改了路径会立即产生作用。通常启动生作用。通常启动MATLAB之后的默认当前路径是之后的默认当前路径是MATLABwork，如果不改变当前目录，用户自己的工作空，如果不改变当前目录，用户自己的工作空间和文件都将

9、保存到该目录。间和文件都将保存到该目录。命 令 历 史 窗 口命 令 历 史 窗 口 ( C om m an d H i s t o r y ) 主 要 显 示 曾 经 在主 要 显 示 曾 经 在command Window窗口执行过窗口执行过的命令。在默认设置下，历史的命令。在默认设置下，历史记录窗口中会自动保留自安装记录窗口中会自动保留自安装起所有用过的命令的历史记录，起所有用过的命令的历史记录，并且还标明了使用时间，从而并且还标明了使用时间，从而方便用户查询。方便用户查询。 命令窗口（命令窗口（command window）,是是MATLAB的主要交互窗口，用于输入命的主要交互窗口，用

10、于输入命令并显示除图形以外的所有执行结果。令并显示除图形以外的所有执行结果。 MATLAB命令窗口中的命令窗口中的“”为命为命令提示符，表示令提示符，表示MATLAB正在处于准备正在处于准备状态。在命令提示符后键入命令并按下状态。在命令提示符后键入命令并按下回车键后，回车键后，MATLAB就会解释执行所输就会解释执行所输入的命令，并在命令后面给出计算结果。入的命令，并在命令后面给出计算结果。（2） MATLAB的常用工具的常用工具 常用工具箱常用工具箱Matlab Main Toolboxmatlab主工具箱主工具箱 Control System Toolbox控制系统工具箱控制系统工具箱 C

11、ommunication Toolbox通讯工具箱通讯工具箱 Financial Toolbox财政金融工具箱财政金融工具箱 System Identification Toolbox系统辨识工具箱系统辨识工具箱 Fuzzy Logic Toolbox模糊逻辑工具箱模糊逻辑工具箱 Higher-Order Spectral Analysis Toolbox高阶谱分析工具箱高阶谱分析工具箱 Image Processing Toolbox图象处理工具箱图象处理工具箱 LMI Control Toolbox线性矩阵不等式工具箱线性矩阵不等式工具箱 Model predictive Control

12、Toolbox模型预测控制工具箱模型预测控制工具箱 -Analysis and Synthesis Toolbox分析工具箱分析工具箱 Neural Network Toolbox神经网络工具箱神经网络工具箱 Optimization Toolbox优化工具箱优化工具箱 Partial Differential Toolbox偏微分方程工具箱偏微分方程工具箱 Robust Control Toolbox鲁棒控制工具箱鲁棒控制工具箱 Signal Processing Toolbox信号处理工具箱信号处理工具箱 Spline Toolbox样条工具箱样条工具箱 Statistics Toolbo

13、x统计工具箱统计工具箱 Symbolic Math Toolbox符号数学工具箱符号数学工具箱 Simulink Toolbox动态仿真工具箱动态仿真工具箱 Wavele Toolbox小波工具箱小波工具箱 常用函数常用函数Matlab内部常数内部常数: eps：浮点相对精度：浮点相对精度 exp：自然对数的底数：自然对数的底数e i 或或 j：基本虚数单位：基本虚数单位 inf 或或 Inf：无限大，：无限大， 例如例如1/0 nan或或NaN：非数值（：非数值（Not a number），例如），例如0/0 pi：圆周率：圆周率 p（= 3.1415926.） realmax：系统所能表示

14、的最大数值：系统所能表示的最大数值 realmin：系统所能表示的最小数值：系统所能表示的最小数值 nargin: 函数的输入引数个数函数的输入引数个数 nargout: 函数的输出引数个数函数的输出引数个数 lasterr：存放最新的错误信息：存放最新的错误信息 lastwarn：存放最新的警告信息：存放最新的警告信息 MATLAB常用基本数学函数常用基本数学函数 abs(x)：纯量的绝对值或向量的长度：纯量的绝对值或向量的长度 angle(z)：复数：复数z的相角的相角(Phase angle) sqrt(x)：开平方：开平方 real(z)：复数：复数z的实部的实部 imag(z)：复数

15、：复数z的虚部的虚部 conj(z)：复数：复数z的共轭复数的共轭复数 round(x)：四舍五入至最近整数：四舍五入至最近整数 fix(x)：无论正负，舍去小数至最近整数：无论正负，舍去小数至最近整数 floor(x)：下取整，即舍去正小数至最近整数：下取整，即舍去正小数至最近整数 ceil(x)：上取整，即加入正小数至最近整数：上取整，即加入正小数至最近整数 rat(x)：将实数：将实数x化为多项分数展开化为多项分数展开 rats(x)：将实数：将实数x化为分数表示化为分数表示 sign(x)：符号函数：符号函数 (Signum function)。 当当x0时，时，sign(x)=1。

16、rem(x,y)：求：求x除以除以y的馀数的馀数 gcd(x,y)：整数：整数x和和y的最大公因数的最大公因数 lcm(x,y)：整数：整数x和和y的最小公倍数的最小公倍数 exp(x) ：自然指数：自然指数 pow2(x)：2的指数的指数 log(x)：以：以e为底的对数，即自然对数或为底的对数，即自然对数或 log2(x)：以：以2为底的对数为底的对数 log10(x)：以：以10为底的对数为底的对数 MATLAB常用三角函数常用三角函数 sin(x)：正弦函数：正弦函数 cos(x)：余弦函数：余弦函数 tan(x)：正切函数：正切函数 asin(x)：反正弦函数：反正弦函数 acos(

17、x)：反余弦函数：反余弦函数 atan(x)：反正切函数：反正切函数 atan2(x,y)：四象限的反正切函数：四象限的反正切函数 sinh(x)：双曲正弦函数：双曲正弦函数 cosh(x)：双曲余弦函数：双曲余弦函数 tanh(x)：双曲正切函数：双曲正切函数 asinh(x)：反双曲正弦函数：反双曲正弦函数 acosh(x)：反双曲余弦函数：反双曲余弦函数 atanh(x)：反双曲正切函数：反双曲正切函数 适用于向量的常用函数有适用于向量的常用函数有: min(x): 向量向量x的元素的最小值的元素的最小值 max(x): 向量向量x的元素的最大值的元素的最大值 mean(x): 向量向量

18、x的元素的平均值的元素的平均值 median(x): 向量向量x的元素的中位数的元素的中位数 std(x): 向量向量x的元素的标准差的元素的标准差 diff(x): 向量向量x的相邻元素的差的相邻元素的差 sort(x): 对向量对向量x的元素进行排序（的元素进行排序（Sorting） length(x): 向量向量x的元素个数的元素个数 norm(x): 向量向量x的欧氏（的欧氏（Euclidean）长度）长度 sum(x): 向量向量x的元素总和的元素总和 prod(x): 向量向量x的元素总乘积的元素总乘积 cumsum(x): 向量向量x的累计元素总和的累计元素总和 cumprod(

19、x): 向量向量x的累计元素总乘积的累计元素总乘积 dot(x, y): 向量向量x和和y的内积的内积 cross(x, y): 向量向量x和和y的外积的外积 MATLAB基本绘图函数基本绘图函数 plot: x轴和轴和y轴均为线性刻度（轴均为线性刻度（Linear scale） loglog: x轴和轴和y轴均为对数刻度（轴均为对数刻度（Logarithmic scale） semilogx: x轴为对数刻度，轴为对数刻度，y轴为线性刻度轴为线性刻度 semilogy: x轴为线性刻度，轴为线性刻度，y轴为对数刻度轴为对数刻度 plot绘图函数的参数绘图函数的参数 字元字元 颜色颜色 字元字

20、元 图线型态图线型态 y 黄色黄色 . 点点 k 黑色黑色 o 圆圆 w 白色白色 x x b 蓝色蓝色 + + g 绿色绿色 * * r 红色红色 - 实线实线 c 亮青色亮青色 : 点线点线 m 锰紫色锰紫色 -. 点虚线点虚线 - 虚线虚线 注解注解 xlabel(Input Value); % x轴注解轴注解 ylabel(Function Value); % y轴注解轴注解 title(Two Trigonometric Functions); % 图形标题图形标题 legend(y = sin(x),y = cos(x); % 图形注解图形注解 grid on; % 显示格线显示格

21、线 二维绘图函数二维绘图函数 bar 长条图长条图 errorbar 图形加上误差范围图形加上误差范围 polar 极座标图极座标图 hist 累计图累计图 rose 极座标累计图极座标累计图 stairs 阶梯图阶梯图 stem 针状图针状图 fill 实心图实心图 feather 羽毛图羽毛图 compass 罗盘图罗盘图 quiver 向量场图向量场图 fplot 较精确的函数图形较精确的函数图形 (3) MATLAB的的m文件与文件与m函数函数独立的独立的m文件文件 不需要输入输出参数的带有扩展名不需要输入输出参数的带有扩展名.m的的m文件文件 注释文件注释文件 执行文件执行文件 No

22、Image M函数函数 function y=sinc(x) 书写格式：书写格式： functiona1,a2.=myfunction（b1,b2.） 函数函数M文件需要相应的输入输出。文件需要相应的输入输出。NoImageNoImage（4） MATLAB的工作空间的工作空间 1.一组可以在命令窗口中调整（调用）的参数一组可以在命令窗口中调整（调用）的参数：who：显示当前工作空间中所有变量的一个简单列表：显示当前工作空间中所有变量的一个简单列表whos：则列出变量的大小、数据格式等详细信息：则列出变量的大小、数据格式等详细信息clear ：清除工作空间中所有的变量：清除工作空间中所有的变量

23、clear 变量名变量名：清除指定的变量：清除指定的变量2.保存和载入保存和载入workspace（1）save filename variables 将变量列表将变量列表variables所列出的变量保存到磁盘文件所列出的变量保存到磁盘文件filename中中 Variables所表示的变量列表中，不能用逗号，各个不同的所表示的变量列表中，不能用逗号，各个不同的变量之间只能用空格来分隔。变量之间只能用空格来分隔。 未列出未列出variables时，表示将当前工作空间中所有变量都保时，表示将当前工作空间中所有变量都保持到磁盘文件中。持到磁盘文件中。 缺省的磁盘文件扩展名为缺省的磁盘文件扩展名为

24、“.mat”，可以使用，可以使用“-”定义不同定义不同的存储格式（的存储格式（ASCII、V4等）等）（2）load filename variables 将以前用将以前用save命令保存的变量命令保存的变量variables从磁盘文件中从磁盘文件中调入调入MATLAB工作空间。工作空间。 用用load 命令调入的变量，其名称为用命令调入的变量，其名称为用save命令保存时命令保存时的名称，取值也一样。的名称，取值也一样。 Variables所表示的变量列表中，不能用逗号，各个不所表示的变量列表中，不能用逗号，各个不同的变量之间只能用空格来分隔。同的变量之间只能用空格来分隔。 未列出未列出va

25、riables时，表示将磁盘文件中的所有变量都时，表示将磁盘文件中的所有变量都调入工作空间。调入工作空间。3、退出工作空间、退出工作空间 quit 或或 exit（5） MATLAB的文件管理的文件管理 文件管理的命令，包括列文件名、显示或删除文件、文件管理的命令，包括列文件名、显示或删除文件、显示或改变当前目录等。（显示或改变当前目录等。（what、dir、type、delete、cd、which） what：显示当前目录下所有与：显示当前目录下所有与matlab相关的文件及相关的文件及它们的路径。它们的路径。 dir：显示当前目录下所有的文件：显示当前目录下所有的文件 which：显示某个

26、文件的路径：显示某个文件的路径 cd path：由当前目录进入：由当前目录进入path目录目录 cd .：返回上一级目录：返回上一级目录 cd：显示当前目录：显示当前目录 type filename：在命令窗口中显示文件：在命令窗口中显示文件filename delete filename：删除文件：删除文件filename（6） MATLAB的帮助系统的帮助系统 1. help命令主要有以下几种格式：命令主要有以下几种格式：格式一：格式一：help不带任何参数，这时将显示MATLAB的所有目录项。格式二：格式二：help+目录名目录名显示出指定目录中的所有命令及其函数。格式三：格式三：help+命令名命令名 或或 help+函数名函数名 或或 help+符号符号显示出有