第7章程序设计

MATLAB7.0从入门到精通哈尔滨工业大学(威海)汽车工程学院2/5/20231课程主要内容第1章MATLAB简介第2章数值运算第3章单元数组和结构第4章字符串第5章符号运算第6章MATLAB绘图基础第7章程序设计第8章计算方法的MATLAB实现第9章优化设计第10章SIMULINK仿真初探2/5/20232第7章程序设计MATLAB作为一种广泛应用于科学计算的工具软件，不仅具有强大的数值计算、符号计算、矩阵运算的能力和丰富的绘图功能，还可以像C语言、FORTRAN等计算机高级语言一样进行程序设计，编写扩展名为.m的M文件，实现各种复杂的运算，同时MATLAB自带的许多函数就是M文件函数，用户也可以利用M文件来生成和扩充自己的函数库。2/5/202337.1脚本和函数所谓M文件，简单来说就是用户把要实现的命令写在一个以.m作为扩展名的文件中，然后由MATLAB系统进行解释，最后运行出结果。M文件有函数和脚本两种格式。两者只是在语法和使用上有些不同。脚本式M文件没有输入参数或输出参数，而函数式M文件有输入参数和输出参数；函数可以有零个或多个输入或输出变量。2/5/202347.1.1脚本脚本是一个扩展名为.m的文件，其中包含了MATLAB的各种命令，与批处理文件很类似，在MATLAB命令窗口下直接输入此文件的主文件名，MATLAB可逐一执行在此文件内的所有命令，和在命令窗口逐行输入这些命令一样。脚本式M文件运行产生的所有变量都是全局变量，运行脚本后，所产生的所有变量都驻留在MATLAB基本工作空间，只要用户不使用clear命令加以清除，且MATLAB指令窗口不关闭，这些变量将一直保存。基本空间随MATLAB的启动而产生，在关闭MATLAB软件时该基本空间被删除。例：huitu0.m2/5/20235huitu0程序结果2/5/202367.1.2函数MATLAB中许多常用的函数都是函数式M文件，使用时，MATLAB获取传递给它的变量，利用操作系统所给的输入，运算得到要求的结果，然后返回这些结果。函数文件类似于一个黑箱，由函数执行的命令以及这些命令所创建的中间变量都是隐含的。运算过程中的中间变量都是局部变量(除特别声明外)，存放在函数本身的工作空间内，不会和MATLAB基本工作空间的变量相互覆盖，对用户来说，可见的只是输入和输出，因此易于使程序模块化，特别适合于大型程序代码。例：huitu.m2/5/20237huitu(1,2,3)程序结果2/5/202387.2M文件的程序结构程序结构一般分为顺序结构、循环结构、分支结构三种。理论上讲，只要有以上三种结构就可以构造功能强大的程序。与大多数计算机语言一样，MATLAB也提供了上述三种程序结构。虽然MATLAB没有C语言那样具有丰富的控制结构，但是MATLAB自身的强大功能弥补了这个不足，使用户在编程时几乎感觉不到困难。下面分别对这三种结构进行介绍。2/5/202397.2.1顺序结构顺序结构就是依次顺序地执行程序的各条语句。顺序结构一般不含有其他子结构或控制语句，批处理文件就是典型的顺序结构的文件。例：jizhi.m2/5/202310jizhi程序结果2/5/2023117.2.2循环结构在实际计算中，经常会碰到许多有规律的重复计算，此时就要对某些语句进行重复执行。一组被重复执行的语句称为循环体，每个循环语句都要有循环条件，以判断循环是否要继续进行下去。MATLAB中的循环语句包括for循环与while循环。2/5/2023121、for循环for循环允许一组命令以固定的和预定的次数重复执行，for循环的一般形式如下所示：for循环变量=数组循环体(执行语句)；end在for与end语句之间的执行语句是按矩阵(或数组)中的每一列执行一次，即在每一次循环中，矩阵(或数组)元素一个一个地被赋给循环变量，然后由执行语句执行。例：for1.m，specmat.m2/5/202313程序结果>>for1x=Columns1through72.03041.80081.51311.41651.71832.51113.7462Columns8through105.26206.85878.38912/5/202314>>specmat(6)ans=1111111234561361015151410101515151515151516151515152/5/202315用for循环语句需要注意以下事项：(1)不能在for循环体内重新对循环变量n赋值来终止循环的执行。(2)for循环可以进行嵌套循环。(3)循环语句内的“;”可防止中间变量的输出。2/5/2023162、while循环与for循环固定的次数求一组命令的值相反，while循环以不定的次数来求一组命令的值。while循环的一般形式如下：while表达式循环体()；n+1；(自增)end只要表达式中的元素为真，就执行while和end语句之间的命令。通常，表达式给出的是一个标量值，但数组(或矩阵)同样有效。若为数组(或矩阵)，则要求所有的元素都必须为真。例：while1.m2/5/202317程序结果>>while1a=2.46192/5/202318程序实例问题描述：根据统计学的基础知识分析样本的平均值和标准差。例：for2.m和while2.m2/5/202319程序结果>>for2Enterthenumberofthepoints:6Enterthevalue:1Enterthevalue:3Enterthevalue:5Enterthevalue:7Enterthevalue:9Enterthevalue:0Themeanofthisdatasetis:4.166667Thestandarddeviationis:3.488075Thenumberofdatais:62/5/202320>>while2Enterthefirstvalue:1Enterthefirstvalue:3Enterthefirstvalue:5Enterthefirstvalue:7Enterthefirstvalue:9Enterthefirstvalue:0Enterthefirstvalue:-1Themeanofthisdatasetis:4.166667Thestandarddeviationis:3.488075Thenumberofdatais:62/5/2023217.2.3分支结构在程序设计中，经常要根据一定的条件来执行不同的语句。当某些条件满足时，只执行其中的某个语句或某些语句。在这种情况下，分支结构就会是很好的选择了。在MATLAB中的分支结构语句包括if-else-end语句与switch-case-otherwise语句。2/5/2023221、if-else-end选择语句if-else-end选择语句的结构如下所示：if条件式1表达式1；elseif条件式2表达式2；...else表达式n；end哪一个if后的表达式中值为真，就执行该if后的表达式，否则跳过该表达式进行其它判断。例：ff.m2/5/202323程序结果>>ff(-1)ans=1>>ff(2)ans=0.5000>>ff(8)ans=0.9894>>ff(16)ans=42/5/202324采用plot(x,ff(x))绘分段函数图。x1=-2:0.01:0;x2=0.5:0.01:5;x3=5.01:0.01:10;x4=10.01:0.01:12;plot(x1,ff(x1))holdonplot(x2,ff(x2))holdonplot(x3,ff(x3))holdonplot(x4,ff(x4))gridon2/5/202325程序结果2/5/202326MATLAB中的选择语句switch-case-otherwise，是特别让熟悉C等高级语言的用户方便地编写M文件而专门添加的。switch-case-otherwise语句的通用格式如下：swithexpressioncasevalue1statements1；...casevaluenstatementsn；otherwisestatements；end2、switch-case-otherwise分支语句2/5/202327其中，switch-expression给出了开关条件，当有case-expression与之匹配时，就执行其后的语句，如果没有case-expression与之匹配，就执行otherwise后面的语句。在执行过程中，只有一个case命令被执行，当执行完命令后，程序就跳出分支结构，执行end下面的语句。例：fm.m2/5/202328程序结果>>fm(0)ans=20>>fm(1)ans=40>>fm(2)ans=60>>fm(3)ans=80>>fm(5)ans=1002/5/202329工程实例问题描述：向上斜抛的小球，具有如下的运动模型，仿真小球的运动轨迹。例：ball.m2/5/202330程序结果>>ballEntertheinitialvelocity:20Rangeversusangletheta:00.000057.07321013.93161520.36662026.18282531.20343035.27603538.27674040.11442/5/2023314540.73325040.11445538.27676035.27606531.20347026.18287520.36668013.9316857.0732900.0000Maxrangesis40.7332at45degrees.2/5/202332图形结果2/5/2023337.3程序流控制在许多程序设计语言中，经常要碰到提前终止循环、跳出程序、显示出错信息等，此时就需要用到控制程序流的命令。在MATLAB中，同样有这样的程序控制流命令。下面逐一介绍MATLAB中的程序流的控制命令。2/5/2023341、continue命令continue命令经常与for或while语句一起使用，其作用是结束本次循环，即跳过循环体中下面尚未执行的语句，接着进行下一次是否执行循环的判断。注：当条件满足时，continue语句才被调用，跳出后面的语句，循环继续，条件不满足则继续执行后面的程序。例：continue1.m2/5/202335程序结果>>continue1357911468101257911136810121479111315810121416911131517101214161811131517191214161820

2/5/2023362、break命令break命令也经常与for或while等语句一起使用，其作用是终止本次循环，跳出最内层的循环。使用break命令可以不必等到循环的自然结束，而是根据条件，强制退出循环。这在很多情况下是必须的。注：当条件满足时，break语句才被调用，系统将在循环尚未结束时跳出当前循环，条件不满足则继续执行后面的程序。例：jitu.m2/5/202337程序结果>>jituThenumberofchickenis22.Thenumberofrabbitis14.2/5/2023383、return命令return命令能使当前正在运行的函数正常退出，并返回调用它的函数，继续运行。这个语句经常用于函数的末尾，以正常结束函数的运行。当然，也可用于函数的其他地方，对某些条件进行判断，如果条件不符合要求，调用return语句终止当前运行，并返回调用它的函数或环境。实际上，MATLAB中此语句的作用与其他的程序设计语言中的作用相同。例：dreturn.m2/5/202339程序实例>>dreturn('2')ans=5>>dreturn('')ans=5>>dreturn('')ans=12/5/2023404、echo语句通常在MATLAB中执行M文件时，在命令窗口是看不到执行过程的。但在特殊情况下，比如需要对M文件演示时，要求M文件的每条命令都要显示出来，此时用echo命令就可以实现这样的操作。对于脚本式M文件与函数式M文件，echo命令略有不同。对于脚本式M文件，可以用以下方式来实现：echoon%显示其后所有执行的命令文件的指令echooff%不显示其后所有执行的命令文件的指令echo%在上述两种情况下进行切换对于函数式M文件，可以用以下方式来实现：echofilenameon%使filename指定的M文件的执行指令显示出来echofilenameoff%使filename指定的M文件的执行指令不显示出来echoonall%其后的所有M文件的执行指令显示2/5/2023415、error语句在进行程序设计时，许多情况下有错误出现，此时如果能把错误信息显示出来，那样就会使用户了解到是什么原因引起错误，以采取适合的方式防止错误的再次发生。MATLAB中的error(‘错误信息?就用于实现上述功能。此命令能显示错误信息并终止当前函数的运行，将控制信息返回到键盘。该指令用来指示出错信息并终止当前函数的运行。error(‘message’)类似的是warning，区别是warning之后程序继续运行。2/5/2023426、try...catch语句try...catch语句的作用与上面的error语句类似，是用于对异常进行处理的命令。把有可能引起异常的语句放在try控制块中，这样当try控制块中statement语句引起异常时，catch控制块就可以捕获它，并针对不同的错误类型，进行不同的处理。它与C++程序设计语言中的try...catch命令作用一样。try...catch命令的调用格式如下：try(commands1),catch(commands2),end组命令1总被执行，当执行出现错误时，catch控制块就可捕获它，执行组命令2，针对不同错误类型进行不同的处理。可用lasterr函数查询出错原因。注意try和catch控制块中的语句之间用逗号隔开。例：chucuo.m2/5/202343程序结果>>chucuoa_end=492ans=Attemptedtoaccessa(4,:);indexoutofboundsbecausesize(a)=[3,3].2/5/2023447、input语句input命令用来提示用户从键盘输入数据、字符串或表达式，并接受输入值。r=input(‘prompt’)在屏幕上显示提示信息prompt，等待用户输入，并将值赋给r，直接回车则输出空矩阵。r=input(‘prompt’,’s’)返回的字符串作为文本变量而不作为变量名或者数值。例：test.m2/5/202345程序结果>>testDoyouwantmore?Y/N[Y]:Yyouhaveselectedthefirstcharacter>>testDoyouwantmore?Y/N[Y]:Nyouhaveselectedthesecondone>>testDoyouwantmore?Y/N[Y]:syouhaveselectedthesecondone2/5/2023468、pause命令pause命令用于暂时终止程序的运行，等待用户按任意键继续进行。pause暂停M文件的执行，按任意键继续pause(n)终止程序n秒，n是任意实数pauseon允许后面的pause命令起作用pauseoff使后面的pause命令不起作用例：pause1.m2/5/2023477.4脚本文件脚本文件只是逐条的解释文件中的程序条，与命令窗口直接输入一样，只是它具有了存储能力，且可以方便的多次运行该程序段，在命令窗口中只需输入存储的文件名即可，且存储的文件名没有特殊要求。脚本文件中可以调用函数，只需调用函数名即可。2/5/2023487.5函数文件函数的格式必须加function，并且M文件的存储名必须与函数名相同。一般函数都有输入和输出。2/5/202349谢谢！2/5/202350huitu0.mx=-pi:0.01:pi;y=cos(x);plot(x,y);gridon返回2/5/202351huitu.mfunctionf=huitu(a,b,c)x=-pi:0.01:pi;f=a*sin(b*x+c);plot(x,f);gridon返回2/5/202352jizhi.mx=-pi:0.01:pi;y=sin(x)+sin(2*x)-cos(3*x);h=plot(x,y);x=get(h,'XData');y=get(h,'YData');imin=find(min(y)==y);imax=find(max(y)==y);holdontext(x(imin),y(imin),['minimum=',num2str(y(imin))]);text(x(imax),y(imax),['maximum=',num2str(y(imax))]);gridonplot(x(imin),y(imin),'o')plot(x(imax),y(imax),'*')返回2/5/202353for1.mforn=1:10x(n)=exp(n/5)+cos(n*pi/5);endx返回2/5/202354specmat.mfunctionA=specmat(n)A=ones(n);forr=1:nforc=1:nifr>1&c>1s=A(r-1,c)+A(r,c-1);ifs<20A(r,c)=s;elseA(r,c)=max(A(r-1,c),A(r,c-1));endendendend返回2/5/202355while1.mn=1;a=0;whilen<10a=a+log(n)/n;n=n+1;enda返回2/5/202356for2.msum1=0;sum2=0;n=input('Enterthenumberofthepoints:');ifn<2disp('Atleast2valuesmustbeentered.');elsefori=1:nx=input('Enterthevalue:');sum1=sum1+x;sum2=sum2+x^2;endxvar=sum1/n;std_dev=sqrt((n*sum2-sum1^2)/(n*(n-1)));fprintf('Themeanofthisdatasetis:%f\n',xvar);fprintf('Thestandarddeviationis:%f\n',std_dev);fprintf('Thenumberofdatais:%d\n',n);end返回2/5/202357while2.mn=0;sum1=0;sum2=0;x=input('Enterthefirstvalue:');whilex>=0n=n+1;sum1=sum1+x;sum2=sum2+x^2;x=input('Enterthefirstvalue:');endxvar=sum1/n;std_dev=sqrt((n*sum2-sum1^2)/(n*(n-1)));fprintf('Themeanofthisdatasetis:%f\n',xvar);fprintf('Thestandarddeviationis:%f\n',std_dev);fprintf('Thenumberofdatais:%d\n',n);返回2/5/202358ff.mfunctiony=ff(x)ifx<=0y=x.^2;elseif0<x&x<=5y=1./x;elseif5<x&x<=10y=sin(x);elseifx>10y=x./4;end返回2/5/202359fm.mfunctionf=fm(n)switchncase0f=20;case1f=40;case2f=60;case3f=80;otherwisef=100;end返回2/5/202360ball.mconv=pi/180;g=-9.82;v0=input('Entertheinitialvelocity:');range=zeros(1,91);%计算最大的水平距离。fori=1:91theta=i-1;vx0=v0*cos(theta*conv);vy0=v0*sin(theta*conv);maxtime=-2*vy0/g;range(i)=vx0*maxtime;end2/5/202361%显示计算水平距离的列表。fprintf('Rangeversusangletheta:\n');fori=1:5:91theta=i-1;fprintf('%2d%8.4f\n',theta,range(i));end%计算最大的角度和水平距离。[maxrangeindex]=max(range);maxangle=index-1;fprintf('\nMaxrangesis%8.4fat%2ddegrees.\n',maxrange,maxangle);2/5/202362%绘制轨迹图形。fori=5:10:80theta=i;vx0=v0*cos(theta*conv);vy0=v0*sin(theta*conv);maxtime=-2*vy0/g;%计算小球轨迹的x,y坐标数值。x=zeros(1,21);y=zeros(1,21);forj=1:21time=(j-1)*maxtime/20;x(j)=vx0*time;y(j)=vy0*time+0.5*g*time^2;endplot(x,y,'g')ifi==5holdon;endend2/5/202363%添加图形的标题和坐标轴名称。title('TrajectoryofBallvsInitialAngle\theta');xlabel('x(meters)');ylabel('y(meters)');axis([0max(range)+50-v0^2/2/g]);gridon2/5/202364%绘制最大水平的轨迹图形。vx0=v0*cos(maxangle*conv);vy0=v0*sin(maxangle*conv);maxtime=-2*vy0/g;x=zeros(1,21);y=zeros(1,21)