自动控制理论课件 zk-0 MATLAB基础知识学习资料

MATLAB基础知识

2025/4/1411.1MATLAB发展历史和产品族简介1.2MATLAB的桌面环境1.3MATLAB的主要功能1.4MATLAB通用指令1.5MATLAB帮助系统1.6

MATLAB语言基础（向量和矩阵）1.7MATLAB数据可视化（绘图）1.8SIMULINK动态系统仿真1.1MATLAB发展历史和产品族简介2025/4/142

MATLAB源于美国CleveMoler博士开发的两个线性代数软件包EISPACK和LINPACK，随后，CleveMoler博士与其他人合作创办了Mathworks公司，推动了MATLAB的迅速发展。如今已成为一种集数值计算、符号计算、图形系统以及各种专业工具箱与一体的高级语言。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。功能强大，操作简单！1.1MATLAB发展历史和产品族简介2025/4/1431、MATLAB发展历史

1984年，MATLAB第1版(DOS版)

1992年，MATLAB4.0版1994年，MATLAB4.2版

1997年，MATLAB5.0版1999年，MATLAB5.3版

2000年，MATLAB6.0版2001年，MATLAB6.1版

2002年，MATLAB6.5版2003.9，MATLAB6.5.1版2004.6，MATLAB7.0版2004.9，MATLAB7.0.1版2005.3，MATLAB7.0.4版2005.9，MATLAB7.1版2006.3，MATLAB7.2版2006.9，MATLAB7.3版2007.3，MATLAB7.4版……2012.9，MATLAB8.0版2013.3，MATLAB8.1版……2015.3，MATLAB8.4版2015.9，MATLAB2015b1.1MATLAB发展历史和产品族简介2025/4/1442、MATLAB产品族MATLAB产品由若干个模块组成：

MATLAB：

内核

MATLABToolboxes：专业工具箱

MATLABCompiler：编译器Simulink：图形化动态系统仿真

SimulinkBlockset：仿真模块集

Stateflow：事件驱动系统仿真

Real-TimeWorkshop(RTW)：自动代码生成

StateflowCoder：自动代码生成1.1MATLAB发展历史和产品族简介2025/4/145典型工具箱：MatlabMainToolbox——matlab主工具箱ControlSystemToolbox——控制系统工具箱CommunicationToolbox——通讯工具箱SystemIdentificationToolbox——系统辨识工具箱ImageProcessingToolbox——图象处理工具箱computervisionsystemtoolbox——计算机视觉工具箱SignalProcessingToolbox——信号处理工具箱FuzzyLogicToolbox——模糊逻辑工具箱NeuralNetworkToolbox——神经网络工具箱SymbolicMathToolbox——符号数学工具箱WaveleToolbox——小波工具箱……1.2

MATLAB的桌面环境2025/4/146Commandwindow：命令窗口Workspace：工作空间CurrentDirectory：当前路径CommandHistory：历史命令LaunchPad：发布平台在view菜单里可以设置桌面环境的显示1.2

MATLAB的桌面环境2025/4/147MATLAB桌面环境字体、颜色等的设置1.3MATLAB的主要功能2025/4/148主要功能有：数值计算、图形系统、动态系统仿真、专业工具箱等。1、数值计算例：解线性方程组解：写成矩阵形式：A*x=b3569-38-67542-96-562x1x2x3x4x=89-512b=其中：

A=1.3MATLAB的主要功能2025/4/149编写m文件：A=[3569;-38-67;542-9;6-562];b=[819-512]';x=inv(A)*b;%矩阵求逆disp(['x1=',num2str(x(1))]);disp(['x2=',num2str(x(2))]);disp(['x3=',num2str(x(3))]);disp(['x4=',num2str(x(4))]);运行程序，显示结果为：>>x1=4.5857x2=-0.47664x3=-3.6745x4=2.07481.3MATLAB的主要功能2025/4/14102、图形系统二维三维绘图例：画出函数y=exp(-x/10)*sin(x)的图像解：编写M文件： x=0:0.01:20*pi; y=exp(-x/10).*sin(x); plot(x,y); %绘图 title('衰减震荡'); %加标题运行程序，结果如右图所示。1.3MATLAB的主要功能2025/4/1411例：画出三维曲面z=x^2+y^2解：编写m文件：[X,Y]=meshgrid(-10:0.1:10);%产生二维数据网格Z=X.^2+Y.^2;mesh(X,Y,Z);%绘制曲面运行程序，结果如右图所示。1.3MATLAB的主要功能2025/4/1412图形界面设计例：MATLAB自带的一个demo1.3MATLAB的主要功能2025/4/1413动画设计例：一个沿曲线运动的小球M文件如右侧所示。x=-5:0.1:5;y=sin(x);h1=plot(x,y);set(h1,'linewidth',5);set(h1,'color','r');holdon;set(gcf,'DoubleBuffer','on');index=[1:length(x),length(x):-1:1];fori=index;h2=scatter(x(i),y(i));set(h2,'linewidth',10);pause(0.02);set(h2,'visible','off');end运行程序，显示一个运动的小球1.3MATLAB的主要功能动态系统仿真例：一因果系统可由以下微分方程描：y''(t)+3y'(t)+2y(t)=f(t)。输入f(t)=2u(t)，u(t)为阶跃信号。系统初始状态为零，求系统响应。解：使用

simulink构造系统如图：2025/4/14141.3MATLAB的主要功能仿真结果如图：2025/4/14151.3MATLAB的主要功能2025/4/1416专业工具箱：Toolbox例：图像变形系统（图像处理工具箱）源图像中间图像一中间图像二中间图像三目标图像1.4

MATLAB通用指令2025/4/1417clear：清除工作空间clc：清除命令窗口exit或quit：退出MATLABpwd：显示当前路径增加工作路径:

File

setpathaddfolderdir或ls：显示当前路径所有文件what：显示当前路径下的所有m文件format：控制输出格式1.4

MATLAB通用指令2025/4/1418常用功能键:上下方向键：调出历史命令（先输入字符串，可以调出最近的以该字符串开头的命令）Tab键：列出以某些字符开头的所有命令Home键：将光标移动到一行的开始处End键：将光标移动到一行的末尾处Ctrl+A：全选Ctrl+C：复制Ctrl+V：粘贴Ctrl+R：添加注释Ctrl+T：取消注释Ctrl+I：智能排序1.5

MATLAB帮助系统2025/4/1419help+命令：查找该命令有关的帮助信息helpwin+命令：以窗口形式显示有关帮助信息help菜单：全面系统的帮助网络资源：Mathworks公司/九州恒润 /编程爱好者论坛 /club/仿真科技论坛 /forum/研学论坛 /index.jspbaidu&google1.6MATLAB语言基础（向量和矩阵）2025/4/14201、创建向量直接输入法：行向量元素之间用空格或逗号隔开，列向量元素之间用分号隔开。>>a=[13589]a=13589>>a=[1,3,5,6,9]a=13569>>b=[1;5;6;8;9]b=15689也可采用对行向量取转置的方法构造列向量1.6MATLAB语言基础（向量和矩阵）2025/4/1421使用冒号运算符：一般格式为start:increment:end，分别表示初值、增量和终值。>>a=1:3:9a=147增量可以为负数>>a=10:-2:2a=108642增量缺省时默认为1>>b=1:6b=123456冒号运算符可以与直接输入法结合使用>>a=[256:8]a=256781.6MATLAB语言基础（向量和矩阵）2025/4/14222、创建矩阵直接输入法：一行中元素之间用逗号或者空格隔开，行与行之间用分号隔开。例：>>M=[123;456;789]M=123456789>>M=[1,2,3;4,5,6;7,8,9]M=1234567891.6MATLAB语言基础（向量和矩阵）2025/4/1423MATLAB的基本运算单位就是矩阵和向量，M语言是向量化编程的语言。MATLAB中的向量和矩阵起始下标为1，C语言中起始下标为0。MATLAB中矩阵元素为按列存储，C语言中为按行存储。1.6MATLAB语言基础（向量和矩阵）2025/4/14243、一个元素的访问访问向量的一个元素>>a=[36928];>>a(2) %访问第二个元素，单下标ans=6>>a(end) %访问最后一个元素，单下标ans=81.6MATLAB语言基础（向量和矩阵）2025/4/1425访问矩阵的一个元素>>M=[139;648;360]M=139648360>>M(2,2) %双下标ans=4>>M(7) %单下标ans=9>>M(end)%访问最后一个元素，单下标ans=01.6MATLAB语言基础（向量和矩阵）2025/4/14264、基本数学函数运算三角函数sin,cos,asin,acos,tan,cot,atan,acot

例：M=122362203121415>>sin(M)ans=-0.5366-0.8462-0.73920.9129-0.40400.9093

0.8367 0.99060.6503三角函数计算时采用弧度值1.6MATLAB语言基础（向量和矩阵）2025/4/1427指数对数运算：exp

sqrt

power

log

log10>>M=[135;256;241]M=135256241>>exp(M)ans=2.718320.0855148.41327.3891148.4132403.42887.389154.59822.71831.7

MATLAB数据可视化（绘图）2025/4/1428(1)散乱点绘制scatterscatter(xdata,ydata)例：x=[13542];y=[26541];scatter(x,y);1、基本二维绘图1.7

MATLAB数据可视化（绘图）2025/4/1429(2)连续曲线绘制plotplot(ydata)plot(xdata,ydata)plot(xdata1,ydata1,xdata2,ydata2…)plot(matrix)例：绘制一条曲线y=[1234321];plot(y) %以y向量各元素的下标作X轴x=[13467810];y=[1234321];plot(x,y)%以x向量作为X轴，y向量作为Y轴绘图1.7

MATLAB数据可视化（绘图）2025/4/1430例：绘制多条曲线x=0:pi/1000:2*pi;y=sin(2*x+pi/4);plot(x,y,x,y+1,x,y+2);1.7

MATLAB数据可视化（绘图）2025/4/1431(3)离散图绘制stemstem(ydata)stem(xdata,ydata)例：y=[236847];%以y向量的下标作X轴stem(y);x=2:7;y=[236847];stem(x,y); %以x向量作X轴，y向量作Y轴绘图1.7

MATLAB数据可视化（绘图）2025/4/14322、基本三维绘图(1)三维散乱点绘制scatter3scatter3(xdata,ydata,zdata)例：x=[13542];y=[26541];z=[10243];scatter3(x,y,z);1.7

MATLAB数据可视化（绘图）2025/4/1433(2)连续三维曲线plot3plot3(xdata,ydata,zdata)plot3(xdata1,ydata1,zdata1,xdata2,ydata2,zdata2…)例：绘制连续三维曲线z=0:.1:40;x=cos(z);y=sin(z);plot3(x,y,z)1.7

MATLAB数据可视化（绘图）2025/4/1434(3)离散三维曲线stem3stem3(xdata,ydata,zdata)例：x=[13542];y=[26541];z=[10243];stem3(x,y,z);1.7

MATLAB数据可视化（绘图）2025/4/1435(4)三维曲面绘制①二维数据网格的产生

meshgrid

[X,Y]=meshgrid(x,y)将x向量按行复制length(y)份形成X将y向量按列复制length(x)份形成Y例：x=[1356];y=[14789];[X,Y]=meshgrid(x,y)X=13561356135613561356Y=111144447777888899991.7

MATLAB数据可视化（绘图）2025/4/1436②三维曲面绘制mesh，meshc，meshz，surf，surfcmesh(xdata,ydata,zdata)…例:

[X,Y]=meshgrid(-3:.125:3);Z=peaks(X,Y);%peaks多峰函数，生成绘图数据矩阵mesh(X,Y,Z)%绘制三维网格图meshc(X,Y,Z) %绘制出等高线meshz(X,Y,Z) %绘制出底座(窗帘)1.7

MATLAB数据可视化（绘图）2025/4/1437surf(X,Y,Z)%绘制三维曲面图，各线条之间的补面用颜色填充surfc(X,Y,Z)%绘制出等高线1.8SIMULINK动态系统仿真2025/4/1438Simulink创建的模型文件扩展名为mdl。Simulink是matlab下的一个组件，采用图形化的方式对连续或者离散系统进行建模和仿真。在命令窗口输入simulink命令启动Simulink。1.8SIMULINK动态系统仿真2025/4/14391、SIMULINK常用模块sources模块库主要用于对仿真模型提供输入信号sinks模块库主要用于接收信号并将信号显示出来continuous模块库主要用于对连续系统(微分方程描述)建模discrete模块库主要用于对离散系统(差分方程描述)建模Mathoperations模块库主要用于对输入信号进行数学操作1.8SIMULINK动态系统仿真2025/4/14402、SIMULINK基本操作模块的选取：从模块库中拖出模块的选定：单击，模块四个角出现四个小黑块,按住shift，可以同时选中多个模块模块大小的调整：拖动四个小黑块中的某一个;模块方向的调整：ctrl+R模块的删除：del键模块的命名：双击模块名进行编辑模块参数设置：双击模块图标进行设置(1)模块的基本操作Ctrl+拖动可以实现模块的复制1.8SIMULINK动态系统仿真2025/4/1441(2)信号线的基本操作信号线的连接：光标移动到模块输出口，出现十字形时鼠标左键拖动到另一模块输入口，出现十字形时释放鼠标。快捷方式：按住ctrl键，连续单击两个欲连接的模块。信号线的选中：鼠标单击，按住shift同时选中多条信号线的移动：选中后，拖动信号线上的小黑块信号线的删除：del键信号线的标注：双击信号线，在编辑框中输入内容

windows常用快捷键ctrl+X,ctrl+C,ctrl+V,ctrl+S,ctrl+Z等同样适用(3)模型的注释在模型编辑窗口任意位置双击鼠标，添加注释内容1.8SIMULINK动态系统仿真2025/4/1442(4)仿真参数配置Simulation菜单下Simulationparameters菜单项①设定仿真时间