计算机仿真技术与CAD-基于MATLAB的电气工程（第2版） 课件 第1章MATLAB语言简介

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计算机仿真技术—基于MATLAB的电气工程

潘峰

李国勇主编

电子工业出版社2

MATLAB语言简介MATLAB基本操作MATLAB程序设计MATLAB图形处理MATLAB高级操作Simulink动态仿真集成环境MATLAB在电力电子变流中的应用MATLAB在直流调速系统中的应用MATLAB在交流调速系统中的应用MATLAB在电力系统中的应用本书内容3本章内容

MATLAB的功能特点；

MATLAB的操作界面；

MATLAB的工作窗口；

MATLAB的文件管理；

MATLAB的的帮助系统。第1章MATLAB语言简介4

MATLAB是由美国MathWorks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它的应用范围非常广，包括工程计算、系统设计、数值分析、信号和图像处理、通讯、测试和测量、财务与金融分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱扩展了MATLAB环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。5

1.1MATLAB的功能特点MATLAB是一种用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。使用它可以较使用传统的编程语言（如C、C++和Fortran）更快地解决技术计算问题。它的应用范围非常广，包括工程计算、控制系统设计、信号和图像处理、通讯、测试和测量、金融建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱扩展了MATLAB环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。6

在科学研究和工程应用中，为了克服一般语言对大量的数学运算，尤其当涉及矩阵运算时，编程难、调试麻烦等困难，美国MathWorks公司于1967年构思并开发了“MatrixLaboratory”（缩写MATLAB，即矩阵实验室）软件包，经过不断更新和扩充，该公司于1984年推出了正式版的MATLAB1.0。特别是1992年推出了具有划时代意义的MATLAB4.0版，并于1993年推出了其微机版，以配合当时日益流行的MicrosoftWindows一起使用。7

到目前为止先后推出了微机版的MATLAB4.x～MATLAB9.x/23.2

，使之应用范围越来越广。从2006年开始，MathWorks公司每年发布两个用年号表示建造编号的MATLAB版本，其中上半年3月份左右发布a版，下半年9月份左右发布b版。如MATLAB7.2(R2006a)、MATLAB7.3(R2006b)。欲查看MATLAB版本更新一览表请扫描下面二维码1。

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用MATLAB编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致，所以使用MATLAB进行数学运算就象在草稿纸上演算数学题一样方便。

万能的、科学的数学运算“演算纸”万能的计算器9MATLAB大大降低了对使用者的数学基础和计算机语言知识的要求，既使用户不懂C或FORTRAN这样的程序设计语言，也可使用MATLAB轻易的再现C或FORTRAN语言几乎全部的功能，设计出功能强大、界面优美、稳定可靠的高质量程序来，而且编程效率和计算效率极高。10

尽管MATLAB开始并不是为电气工程的设计者们编写的，但以它“语言”化的数值计算、强大的矩阵处理及绘图功能、灵活的可扩充性和产业化的开发思路很快就为电气工程界研究人员所瞩目。目前，在电气工程、自动控制、图像处理、信号分析、语言处理、振动理论、优化设计、时序分析和系统建模等领域。11

由著名专家与学者以MATLAB为基础开发的实用工具箱极大地丰富了MATLAB的内容，较为常见的MATLAB工具箱主要有：（1）AerospaceToolbox—航空航天工具箱；（2）AntennaToolbox—天线工具箱；（3）AutomatedDrivingSystemToolbox—自动驾驶系统工具箱；（4）BioinformaticsToolbox—生物信息工具箱；（5）CommunicationsSystemToolbox—通信系统工具箱；（6）ComputerVisionSystemToolbox—计算机视觉系统工具箱；（7）ControlSystemToolbox—控制系统工具箱；（8）CurveFittingToolbox—曲线拟合工具箱；12（9）DataAcquisitionToolbox—数据采集工具箱；（10）DatabaseToolbox—数据库工具箱；（11）DatafeedToolbox—数据馈送工具箱；（12）DeepLearningToolbox—深度学习工具箱；（13）DSPSystemToolbox—DSP系统工具箱；（14）EconometricsToolbox—经济计量学工具箱；（15）FilterDesignToolbox—滤波器设计工具箱；（16）FinancialInstrumentsToolbox—金融工具箱；（17）FinancialToolbox—财务工具箱；（18）Fixed-PointBlockset—定点运算模块集；（19）FuzzyLogicToolbox—模糊逻辑工具箱；（20）GaugesBlockset—仪表模块集；13（21）GeneticAlgorithmandDirectSearchToolbox—遗传算法与直

接搜索工具箱；（22）GlobalOptimizationToolbox—全局优化工具箱；（23）Higher-OrderSpectralAnalysisToolbox—高阶谱分析工具箱；（24）ImageAcquisitionToolbox—图像采集工具箱；（25）ImageProcessingToolbox—图像处理工具箱；（26）InstrumentControlToolbox—仪器控制工具箱；（27）LMIControlToolbox—线性矩阵不等式工具箱；（28）LTESystemToolbox—LTE系统工具箱；（29）MappingToolbox—绘图工具箱；（30）ModelPredictiveControlToolbox—模型预测控制工具箱；（31）Model-BasedCalibrationToolbox—基于模型的标定工具箱；（32）NeuralNetworkToolbox—神经网络工具箱；（33）OPCToolbox—OPC开发工具箱；（34）OptimizationToolbox—优化工具箱；14（35）ParallelComputingToolbox—并行计算工具箱；（36）PartialDifferentialEquationToolbox—偏微分方程工具箱；（37）PhasedArraySystemToolbox—相控阵系统工具箱；（38）PowersysToolbox—电力系统工具箱；（39）ReinforcementLearningToolbox—强化学习工具箱；（40）RoboticsToolbox—机器人工具箱；（41）RobustControlToolbox—鲁棒控制工具箱；（42）SensorFusionandTrackingToolbox—传感器融合和跟踪工具箱；（43）SignalProcessingToolbox—信号处理工具箱；（44）SimulinkToolbox—动态仿真工具箱；（45）SplineToolbox—样条工具箱；（46）StatisticsToolbox—统计工具箱；15（47）Statistics

and

MachineLearning

Toolbox—统计和机器学习工具箱；（48）SymbolicMathToolbox—符号数学工具箱；（49）SystemIdentificationToolbox—系统辨识工具箱；（50）TradingToolbox—贸易工具箱；（51）VehicleNetworkToolbox—运输网络工具箱；（52）WaveletToolbox—小波工具箱；（53）μ-AnalysisandSynthesisToolbox—μ分析和综合工具箱；（54）5GToolbox—5G工具箱。16

模型输入与仿真环境Simulink更使MATLAB为电气工程系统的仿真与CAD中的应用打开了崭新的局面，并使得MATLAB目前已经成为国际上最流行的电气工程系统计算机辅助设计的软件工具。

MATLAB不仅流行于电气工程系统，在控制系统、语言处理、图像信号处理、雷达工程、信号分析、数学计算、生物医学工程、金融统计和计算机技术等各行各业中都有极广泛的应用。17

严格地说，MATLAB并不是一种计算机语言，它仅仅是一种高级的科学分析与计算软件。因为，用它编写出来的程序并不能脱离MATLAB环境而执行，但从其功能上讲，MATLAB已经完全具备了计算机语言的结构与性能，所以我们这里将其简称为“MATLAB语言”。18

一台计算机上可同时安装多种MATLAB版本，它们之间相互独立互不干扰。从MATLAB7.1开始，MATLAB同时支持32和64位操作系统，安装包win32和win64两个文件夹分别与之对应。使用WindowsXP系统的用户需要安装MATLAB6.5及以上的版本，否则不能正常使用。MATLAB7.8（R2009a）及以上的版本基本都兼容Windows7及以上操作系统。

1.2MATLAB的操作界面

19目前较为常用MATLAB版本的操作界面如图1-1所示。(a)MATLAB6.1(b)MATLAB6.5图1-120

(c)MATLAB7.5（R2007b）

(d)MATLAB7.13（R2011b）

(c)MATLAB8.5（R2015a）(d)MATLAB9.14（R2023a）

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由图1-1可知，MATLAB各种版本的操作界面略有不同。

MATLAB6.5以前版本的操作界面通常由工作窗口、功能菜单和工具栏等组成。

MATLAB6.5和MATLAB7.x的操作界面中新增加了开始（Start）按钮。在MATLAB8.x/9.x操作界面中，又新设置了主页（HOME）、绘图（PLOTS）和应用程序（APPS）等3个页面，同时取消了开始按钮并将其主要操作命令合并到应用程序页面中。其中主页中包含一些常用的功能菜单和快捷按钮；绘图页面中包含所有绘图函数；应用程序页面包含常用工具箱中的各种交互操作界面命令，其更加方便、实用和灵活。22

随着MATLAB的迅速变化，尽管目前最新版本与MATLAB7.x相比，其内容和功能急剧扩充，但就本教材所涉及的内容而言，它们并无本质性变化，且常用功能的使用方法基本相同。另外，最新版本安装程序大，且运行速度慢，尤其是启动初始化时特慢。特别指出的是，MATLAB9.14（R2023a）等虽已将主操作界面汉化，并支持中文，便于读者自学，但其大多子操作界面和子菜单仍为英文，且主要功能的使用方法仍同于MATLAB7.x。23

故本书仍以目前流行的经典版本MATLAB7.5（R2007b）为基础来进行叙述，但增加了新版本与以前版本有较大变化且涉及本课程内容的部分，使得本书所述内容对使用最新版本的用户仍可完全适用，同时也兼顾了当前仍在较低配置计算机上使用较低版本的用户。24

由图1-1所示MATLAB的操作界面可知，在默认状态下，MATLAB通常包含以下几个工作窗口。

1.3MATLAB的工作窗口

图1-125①命令窗口（CommandWindow）

MATLAB的命令窗口位于MATLAB操作界面的右方或中间,它是MATLAB的主要操作窗口，MATLAB的大部分操作命令和结果都需要在此窗口中进行操作和显示。在MATLAB命令窗口中的“>>”标志为MATLAB的命令提示符，“|”标志为输入字符提示符。26

如果用户是第一次使用MATLAB，则建议首先在命令行中键入demo命令，它将启动MATLAB的演示程序，用户可以在这些演示程序中领略到MATLAB所提供的强大的运算和绘图功能。27②历史命令（CommandHistory）窗口在默认状态下,该命令窗口出现在MATLAB操作界面的左下方或右下方

。这个窗口记录用户已经操作过的各种命令，用户可以对这些历史信息进行编辑、复制和剪切等操作。28③当前工作目录（CurrentDirectory）窗口在默认状态下，该窗口出现在MATLAB操作界面的左上方的前台或左方

。在这个窗口中，用户可以设置MATLAB的当前工作目录，并展示目录中的M文件等。同时，用户可以对这些M文件进行编辑等操作。29④工作空间（Workspace）浏览器窗口在默认状态下，该窗口出现在MATLAB操作界面的左上方的后台或右上方

。在这个窗口中，用户可以查看工作空间中所有变量的类别、名称和大小。用户可以在这个窗口中观察、编辑和提取这些变量。30

1.4MATLAB的文件管理

1.开始按钮开始按钮（Start）位于MATLAB6.5和MATLAB7.x操作界面的左下角，单击这个按钮后，会出现MATLAB的操作菜单。这个菜单上半部分的选项包含MATLAB的各种交互操作命令，下半部分的选项的主要功能是窗口设置、访问MATLAB公司的网页和查看帮助文件等。但在MATLAB8.x/9.x操作界面中，取消了左下角的开始按钮（Start），并将其主要操作命令合并到应用程序页面中。312.功能菜单为了更好地利用MATLAB，在其操作界面中设置了以下多个功能菜单。32*File文件操作菜单

New新建M文件、图形、模型和图形用户界面

Open打开.m,.fig,.mat,.mdl,.cdr等文件

CloseCommandWindow关闭命令窗口

ImportData从其他文件导入数据

SaveWorkspaceAs

保存工作空间数据到相应的路径文件中窗口

SetPath设置工作路径

Preferences设置命令窗口的属性

PageSetup页面设置

Print设置打印机属性

PrintSelection选择打印

ExitMATLAB退出MATLAB操作界面33*Edit编辑菜单

Undo撤消上一步操作

Redo重新执行上一步操作

Cut剪切

Copy复制

Paste粘贴

PasteSpecial粘贴特定内容

SelectAll全部选定

Delete删除所选对象

Find查找所需对象

FindFiles查找所需文件

ClearCommandWindow清除命令窗口的内容

ClearCommandHistory清除历史窗口的内容

ClearWorkspace清除工作区的内容34*Debug调试菜单

OpenM-FileswhenDebugging调试时打开M文件

Step单步调试

StepIn单步调试进入子函数

StepOut单步调试跳出子函数

Continue连续执行到下一断点

ClearBreakpointsinAllFiles清除所有文件中的断点

StopifErrors/Warnings出错或报警时停止运行

ExitDebugMode退出调试模式35*Desktop桌面菜单

UnlockCommandWindow命令窗口设为当前全屏活动窗口

DesktopLayout桌面设计

SaveLayout保存桌面设计

OrganizeLayout组织桌面设计

CommandWindow显示命令窗口

CommandHistory显示历史窗口

CurrentDirectory显示当前工作目录

Workspace显示工作空间

Help帮助窗口

Profiler轮廓图窗口

Toolbar显示/隐藏工具栏

ShortcutsToolbar显示/隐藏快捷工具栏

Titles显示/隐藏标题36*Window窗口菜单

CloseAllDocuments关闭所有文档

CommandWindow选定命令窗口为当前活动窗口

CommandHistory选定历史窗口为当前活动窗口

CurrentDirectory选定当前工作目录为当前活动窗口

Workspace选定工作空间为当前活动窗口

在MATLAB8.x/9.x/23.2的操作界面中，由于取消了功能菜单，因此将其主要操作命令均合并到主页

（HOME）中，另外在其操作界面中利用鼠标右键也可弹出相应的菜单命令。373.工具栏

MATLAB操作界面工具栏中的工具“”分别用来建立M文件编辑窗口和打开编辑文件窗口；工具“”对应的功能与Windows操作系统类似；工具“”分别用来快捷启动Simulink库浏览窗口、GUIDE模版窗口和轮廓图窗口；工具“”分别用来快捷设置当前目录和返回到当前目录的父目录。38MATLAB的各种版本都为用户提供非常详细的帮助系统，可以帮助用户更好地了解和运用MATLAB。因此，不论用户是否使用过MATLAB，是否熟悉MATLAB，都应该了解和掌握MATLAB的帮助系统。

1.5MATLAB的文件管理

391.纯文本帮助在MATLAB中，所有执行命令或者函数的M源文件都有较为详细的注释。这些注释都是用纯文本的形式来表示的，一般都包括函数的调用格式或者输入参数、输出结果的含义。在MATLAB的命令窗口中，用户利用以下命令可以查阅不同范围的纯文本帮助。

helphelp