matlabmatlab及其应用-论文

安徽工业大学研究生考试试卷评分考试科目：MATLAB及其应用阅卷人：专业：材料科学与工程学号：1520190047姓名：王鑫注意事项考前研究生将上述项目写清楚字迹要清楚、保持卷面清洁教师将试卷、答案，一起送研究生部归档二〇一六年一月一十二日安徽工业大学MATLAB简介MATLAB的发展在当今30多个数学类科技应用软件中，就软件数学处理的原始内核而言，可分为两大类。一类是数值计算型软件，如MATLAB、Xmath、Gauss等，这类软件长于数值计算，对处理大批数据效率高；另一类是数学分析型软件，如Mathematica、Maple等，这类软件以符号计算见长，能给出解析解和任意精度解，其缺点是处理大量数据时效率较低。MathWorks公司顺应多功能需求之潮流，在其卓越数值计算和图示能力的基础上，又率先在专业水平上开拓了其符号计算、文字处理、可视化建模和实时控制能力，开发了适合多学科、多部门要求的新一代科技应用软件MATLAB。经过多年的国际竞争，MATLAB已经占据了数值型软件市场的主导地位。20世纪70年代中期，CleveMoler博士和其同事在美国国家科学基金的资助下开发了调用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序库。EISPACK是特征值求解的FORTRAN程序库，LINPACK是解线性方程的程序库。在当时，这两个程序库代表矩阵运算的最高水平。到20世纪70年代后期，身为美国NewMexico大学计算机系系主任的CleveMoler，在给学生讲授线性代数课程时，想教学生使用EISPACK和LINPACK程序库，但他发现学生用FORTRAN编写接口程序很费时间，于是他开始自己动手，利用业余时间为学生编写EISPACK和LINPACK的接口程序。CleveMoler给这个接口程序取名为MATLAB，该名为矩阵（matrix）和实验室（laboratory）两个英文单词的前三个字母的组合。在以后的数年里，MATLAB在多所大学里作为教学辅助软件使用，并作为面向大众的免费软件广为流传。1983年春天，CleveMoler到Stanford大学讲学，MATLAB深深地吸引了工程师JohnLittle。JohnLittle敏锐地觉察到MATLAB在工程领域的广阔前景。同年，他和CleveMoler、SieveBangert一起，用C语言开发了第二代专业版。这一代的MATLAB语言同时具备了数值计在算和数据图示化的功能。1984年，CleveMoler和JohnLithe成立了MathWorks公司，正式把MATLAB推向市场，并继续进行MATLAB的研究和开发。在MATLAB进入市场前，国际上的许多应用软件包都是直接以FORTRAN和C语言等编程语言开发的。这种软件的缺点是使用面窄、接口简陋、程序结构不开放以及没有标准的基库，很难适应各学科的最新发展，因而很难推广。MATLAB的出现，为各国科学家开发学科软件提供了新的基础。在MATLAB问世不久的20世纪80年代中期，原先控制领域里的一些软件包纷纷被淘汰或在MATLAB上重建。MathWorks公司1993年推出了MATLAB4.0版，1995年推出4.2C版（forwin3.X）1997年推出5.0版。1999年推出5.3版。MATLAB5.X较MATLAB4.X无论是界面还是内容都有长足的进展，其帮助信息采用超文本格式和PDF格式，在Netscape3.0或IE4.0及以上版本，AcrobatReader中可以方便地浏览。时至今日，经过MathWorks公司的不断完善，MATLAB已经发展成为适合多学科、多种工作平台的功能强劲的大型软件。在国外，MATLAB已经经受了多年考验。在欧美等高校，MATLAB已经成为线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具；成为攻读学位的大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本技能。在设计研究单位和工业部门，MATLAB被广泛用于科学研究和解决各种具体问题。MATLAB是美国MathWorks公司推出的产品，最早的版本出现在20世纪70年代，用FORTRAN语言编写，主要功能是实现程序库的接口功能。MATLAB名称由Matrix和Laboratory两个英文单词的各前三个字母组合得到。进入20世纪90年代以来，MATLAB发展成为国际公认的标准计算软件，在数值计算方面的功能不断增强，此时，MATLAB的内核采用C语言进行编写，并且增强了数据的可视化功能，同时提供了大量的内置函数，广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作，而且利用MATLAB产品的开放式结构，用户和读者可以非常容易地对MATLAB的功能进行扩充，从而在不断深化对问题认识的同时，不断完善MATLAB产品以提高产品自身的竞争能力。MathWorks公司每年进行两次MATLAB产品发布，时间分别在每年的3月和9月，而且，每一次发布都会包含所有的产品模块，如产品的newfeature、bugfixes和新产品模块的推出。MATLAB作为和Mathematica、Maple并列的三大数学软件之一，其强项就是其强大的矩阵计算以及仿真能力。每次MathWorks发布MATLAB的同时，也会发布仿真工具Simulink。在欧美国家，很多大公司在将产品投入实际使用之前都会进行仿真实验，所主要使用的仿真软件就是Simulink。MATLAB提供了自己的编译器，全面兼容C++以及FORTRAN两大语言。因此，MATLAB成为工程师、科研工作者手上最好的语言、最好的工具和环境之一。MATLABCompiler是一种编译工具，它能够将使用MATLAB提供的编程语言——M语言编写的函数文件编译生成为函数库、可执行文件、COM组件等，扩展了MATLAB功能，使MATLAB能够与其他高级编程语言，如C/C++，进行混合编程，取长补短，提高程序的运行效率，丰富程序开发的手段。此外，利用M语言还开发了相应的MATLAB专业工具箱函数供用户直接使用。这些工具箱应用的算法是开放的、可扩展的，用户不仅可以查看其中的算法，还可以针对一些算法进行修改，甚至允许开发自己的算法以扩充工具箱的功能。目前，MATLAB产品的工具箱有40多个，分别涵盖了数据获取、科学计算、控制系统设计与分析、数字信号处理、数字图像处理、金融财务分析以及生物遗传工程等专业领域。另外，MATLAB开放性的可扩充体系允许用户开发自定义的系统目标，利用Real-TimeWorkshopEmbeddedCoder能够直接将Simulink的模型转变成效率优先的产品级代码。代码不仅可以是浮点的，还可以是定点的。现在，MATLAB开放的产品体系使MATLAB成为了诸多领域的开发首选软件，并且，MATLAB还具有500余家第三方合作伙伴，分布在科学计算、机械动力、化工、计算机通信、汽车、金融等领域。接口方式包括了联合建模、数据共享、开发流程衔接等。MATLAB的功能及应用范围MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称。除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多。当前流行的MATLAB5.3/Simulink3.0包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包(Toolbox)。工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包。功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算,可视化建模仿真,文字处理及实时控制等功能。学科工具包是专业性比较强的工具包,控制工具包,信号处理工具包,通信工具包等都属于此类。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以使用。MATLAB有着强大的功能，可以用来进行多种工作，具体如下：数值分析、数值和符号计算、工程与科学绘图、控制系统的设计与仿真、数字图像处理技术、数字信号处理技术、通讯系统设计与仿真、财务与金融工程等。MATLAB的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用MATLAB函数集）扩展了MATLAB环境，可以解决这些应用领域内特定类型的问题。现在，MATLAB已经发展成为功能强大的仿真平台和系统，在新版本的发布中，不断增加新的功能和有效的操作方法，已经得到了公众的认可和好评。在新版本的MATLAB中，主要具有以下一些特点：开发环境：新版本的MATLAB提供了非常友好的工作环境界面支持。读者可以根据需要对这些环境进行定制和操作，还可以为自己的操作定义快捷键。代码开发：支持编写各种函数，既包括M脚本语言编写的函数，也包括匿名函数编写的内嵌函数等。数值处理：单精度算法、数值计算、矩阵代数、符号计算、微分方程等多种问题的数值求解和处理方法。数据可视化：在新的绘图界面中，用户可以通过直接输入图形交换界面来完成图形的创建和编辑功能。文件I/O：新版本的MATLAB支持功能强大的文件输入输出功能，与多种格式的文件之间形成交互操作，增加了程序设计的灵活性和兼容性。MATLAB的应用——线材冷却过程断面的温度分布图1.问题的提出线材的实际水冷是非稳态的，为了便于研究，可将某一瞬态时刻线材内部的导热看做稳态，即在很短的一段时间内，线材温度不随时间而变，从而分析出在特定温度边界条件下，线材内部截面的温度分布图。2.模型的表达将线材看做均质圆柱体，且认为热量仅沿着其横截面径向传播，由于对称，只取截面的四分之一进行研究。线材直径为16mm，半径8mm。传热模型的表达：将线材看成内外径分别为r1和r2的圆筒壁，只不过内径r1很小，约等于0。其内外表面分别维持恒定均匀的温度t1和t2，且在圆筒壁上仅存在沿圆筒壁径向的一维热传导。由于圆筒的内外径不等，热流传入圆筒壁所经过的传热面积A是随半径变化的，且假定材料的导热系数为常数，无内热源。为分析方便，取圆柱坐标系。在圆筒壁上的热传导即是平壁一维稳态导热情况，热传导微分方程式为：其中t为线材截面温度，r为半径。边界条件定为：r=0.01mm，t=1200；r=8mm，t=600。即：线材芯部温度达1200，表层温度达600。3.微分方程的解3.1MATLAB中的求解过程：>>t=dsolve('Dt+r*D2t','t(0.01)=1200,t(8)=600','r');>>t=(1200*log(8)+600*log(100))/(log(8)+log(100))-(600*log(r))/(log(8)+log(100))即为圆棒截面温度t关于半径r的表达式。3.2作出t随r的变化图程序如下：r=linspace(0,8,1000);t=(1200*log(8)+600*log(100))/(log(8)+log(100))-(600*log(r))/(log(8)+log(100))plot(r,t,'r','linewidth',3)xlabel('r/mm'),ylabel('t/℃'),TITLE('t随r的变化图')所得图形如下：图1温度随半径变化图由上图可见，距离中心越远处，线材的温度越低。3.3做线材1/4截面上的温度等值线图程序如下：[xy]=meshgrid(linspace(0,8,1000),li