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文档简介
1、2020/8/13,1,第五章MATLAB程序设计,一、 M文件的两种形式 M脚本文件和M函数文件,都是通过“M文件编辑调试器窗口”创建 (一)M文件的基本构成 1、脚本文件或函数文件的功能说明行(用%开头的注释行) 2、函数声明行(对于M函数文件必有,对于M脚本文件不需要)或clear all ; clc; close all (对于M函数文件不能有,对于M脚本文件,没有特殊需要时,建议使用) 3、帮助文本(用%开头),增加可读性,便于他人使用 4、编写和修改记录(用%开头) 5、程序体(对于M脚本文件)或者函数体(对于M函数文件) 其中,5必须有,1,3,4为了增加可读性,建议使用。2视M
2、文件的形式而定 例1:polyfit.m 和chapter2_1.m文件。,2020/8/13,2,(二)M脚本文件特点 (1) 脚本文件中的命令格式和语句构成,与在命令窗口中输入完全相同。 (2) 运行脚本文件时,只是简单地按顺序从文件中读取一条条命令,送到MATLAB命令窗口中去执行(自动的,非人为的)。 (3) 与在命令窗口中直接运行命令一样,脚本文件运行产生的变量都是驻留在MATLAB的工作空间(workspace)中,可以很方便地查看变量,除非用clear命令清除;脚本文件的命令也可以访问工作空间的所有数据,因此要注意避免变量的覆盖而造成程序出错。,一、 M文件的两种形式,2020/
3、8/13,3,(三)M函数文件的特点 (1) 第一行总是以“function”引导的函数声明行; 函数声明行的格式: function 输出变量列表 = 函数名(输入变量列表) 其中, function和函数名必有,其它的根据具体情况可选 (2) 函数文件在运行过程中产生的变量都存放在函数本身的工作空间; (3) 当文件执行完最后一条命令或遇到“return”命令时,就结束函数文件的运行,同时函数工作空间的变量就被清除; (4) 函数的工作空间随具体的M函数文件调用而产生,随调用结束而删除,是独立的、临时的,在MATLAB运行过程中可以产生任意多个临时的函数空间 注意:M脚本文件和M函数文件的
4、文件名及函数名的命名规则与MATLAB变量的命名规则相同。 例2:chapter2_1的运行过程,不仅说明上述规则,还说明调用过程和参数传递。,一、 M文件的两种形式,2020/8/13,4,二、函数调用和参数传递,chapter2_1.m,polyfit.m,2020/8/13,5,(一)子函数和私有函数 1. 主函数和子函数 一个M函数文件中,可包含一个以上函数,其中只有一个是主函数,其它为子函数。 (1) 在一个M函数文件中,主函数必须出现在最上方,其后是子函数,子函数的次序无任何限制; (2) 子函数不能被其它文件的函数调用,只能被同一文件中的函数(可以是主函数或子函数)调用; (3)
5、 同一文件的主函数和子函数变量的工作空间相互独立; (4) 用help和lookfor命令不能提供子函数的帮助信息。,二、函数调用和参数传递,2020/8/13,6,程序保存为Ex0511.m文件 function Ex0511( ) % 主函数,调用 “计算并绘制二阶系统时域响应”子函数 z1=0.3; Ex0502(z1); %调用Ex0502 hold on z1=0.5 Ex0502(z1) %调用Ex0502 hold on z1=0.707; Ex0502(z1) %调用Ex0502 function y=Ex0502(zeta) %子函数,计算并绘制二阶系统时域响应 x=0:0.
6、1:20; y=1-1/sqrt(1-zeta2)*exp(-zeta*x).*sin(sqrt(1-zeta2)*x+acos(zeta) plot(x,y),例3:编写绘制具有不同阻尼系数的二阶系统时域曲线的M函数文件,欠阻尼系统的时域输出y与x的关系为,,,2020/8/13,7,2. 私有函数 私有函数是指存放在private子目录中的M函数文件,具有以下性质: (1) 在private目录下的私有函数,只能被其父目录的M函数文件所调用,而不能被其它目录的函数调用,对其它目录的文件私有函数是不可见的,私有函数可以和其它目录下的函数重名; (2) 私有函数父目录的M脚本文件也不可调用私有
7、函数; (3) 在函数调用搜索时,私有函数优先于其它MATLAB路径上的函数。 3.在MATLAB中调用一个函数的搜索顺序 (1)查找是否是子函数; (2)查找是否是私有函数; (3)从当前路径中搜索此函数; (4)从搜索路径中搜索此函数。,(一)子函数和私有函数,2020/8/13,8,(二)局部变量和全局变量 1. 局部变量 局部变量(Local Variables)是在函数体内部使用的变量,其影响范围只能在本函数内,只在函数执行期间存在。 2. 全局变量 全局变量(Global Variables)是可以在不同的函数工作空间和MATALB工作空间中共享使用的变量。用global X定义
8、注意:全局变量在任何定义过的函数中都可以修改,因此不提倡使用全局变量;必须使用时应十分小心,建议把全局变量的定义放在函数体开始,全局变量用大写字符命名。,二、函数调用和参数传递,2020/8/13,9,(三)函数参数的个数 函数的输入输出参数的个数可以通过变量nargin和nargout获得 对于同一个函数名,可以有不同个数的输入参数和输出参数的情况。 nargin返回输入参数的个数 nargout返回输出参数的个数 例4:mean函数和polyfit函数,二、函数调用和参数传递,2020/8/13,10,三种基本的程序结构 顺序结构 循环结构 条件转移结构(选择结构) 已经证明,由以上三种基
9、本结构构成的程序能处理任何复杂的问题 注意:学习时,与C语言的三种基本程序结构的语法做比较,注意相同点和不同点,以便加深理解和容易记忆。,三、程序流程控制,2020/8/13,11,例5: clear all close all clc x1 = 1:0.2*pi:20*pi; y0 = sin(x1); figure plot(x1,y0),(一)、顺序结构,2020/8/13,12,(二)、循环结构,1、for . end循环结构语法: for 循环变量=array循环体 end 说明:循环体被循环执行,执行的次数就是array的列数,array可以是向量也可以是矩阵(其中,array是向
10、量的情况较常用)。循环变量依次取array的各列元素,每取一次循环体执行一次。例6:求出 1+3+5.+100 的值。mysum=0;for n=1:2:100 mysum=mysum+n;end,2020/8/13,13,(二)、循环结构,2、while . end循环结构语法: while 表达式循环体 end 说明:只要表达式为逻辑真,就执行循环体;一旦表达式为假,就结束循环。表达式可以是向量也可以是矩阵(其中,array是向量的情况较常用)。如果表达式为矩阵则当所有的元素都为真才执行循环体。如果表达式为nan(非数),MATLAB认为是假,不执行循环体。例7:计算1+3+5.+100
11、的值。mysum=0;n=1;while n=100 mysum=mysum+n; n=n+2 ;end,2020/8/13,14,1、ifelseend结构 说明:当有多个条件时,条件式1为假再判断elseif的条件式2,如果所有的条件式都不满足,则执行else的语句段n+1,当条件式为真则执行相应的语句段;Ifelseend结构也可以是没有elseif和else的简单结构。,(三)、条件转移结构,2020/8/13,15,2、switchcase开关结构 说明: (1) 将开关表达式依次与case后面的表达式进行比较,如果表达式1不满足,则与下一个表达式2比较,如果都不满足则执行other
12、wise后面的语句段n;一旦开关表达式与某个表达式相等,则执行其后面的语句段;(2) 开关表达式只能是标量或字符串。 (3) case后面的表达式可以是标量、字符串或元胞数组。若是元胞数组则将开关表达式与元胞数组的所有元素比较,只要某个元素与开关表达式相等,就执行其后语句段,(三)、条件转移结构,2020/8/13,16,3、try. catch. end试探结构 说明:首先试探性地执行语句段1,如果在此段语句执行过程中出现错误,则将错误信息赋给保留的lasterr变量,并放弃这段语句,转而执行语句段2中的语句,当执行语句段2又出现错误,则终止该结构。,(三)、条件转移结构,2020/8/13
13、,17,1. break命令 可以使包含break的最内层的for或while语句强制终止,立即跳出该结构,执行end后面的命令,break命令一般和if结构结合使用。 2. continue命令 用于结束本次for或while循环,并继续进行下次循环。 3. return命令 终止当前命令的执行,并且立即返回到上一级调用函数或等待键盘输入命令,可以用来提前结束程序的运行。 注意:当程序进入死循环,则按Ctrl+break键来终止程序的运行。,(四)、流程控制语句,2020/8/13,18,4. pause命令 用来使程序运行暂停,等待用户按任意键继续。 5. keyboard命令 用来使程序
14、暂停运行,等待键盘命令,执行完自己的工作后,输入return语句,程序就继续运行。 6. input命令 用来提示用户应该从键盘输入数值、字符串和表达式,并接受该输入。 例11: a=input(input a number:) input a number: 45 b = a+20;,(四)、流程控制语句,2020/8/13,19,(一)P码文件 1. P码文件的生成 使用pcode命令生成,生成的P码文件与原M文件名相同,扩展名为“.p” 语法: pcode Filename.m %在当前目录生成Filename.p pcode Filename.m -inplace %在Filename
15、.m所在目录生成Filename.p 例12:pcode Ex0517.m %当前目录就生成了P码文件Ex0517.p。 2. P码文件的特点 (1) P码文件的运行速度比原M文件速度快 (2) 存在同名的M文件和P码文件时,则P码文件被调用 (3) P码文件保密性好:用字处理软件打开Ex0517.p文件,看到的是乱码。,四、M文件性能的优化和加速,2020/8/13,20,(二)M文件性能优化 1. 使用循环时,提高速度的措施 (1) 尽量用向量的运算来代替循环操作。 (2) 使用多重循环时,如果两个循环执行次数不同,建议在循环的外环执行循环次数少的,内环执行循环次数多的,也可以显著提高速度
16、。 (3) 应用Mex技术 考虑用其他语言,如C或Fortran语言,按照Mex技术要求的格式编写相应部分的程序,然后通过编译联接,形成在MATLAB可以直接调用的动态链接库(DLL)文件,这样就可以显著地加快运算速度(在8.1.1小节介绍)。 2. 大型矩阵的预先定维 3. 优先考虑内在函数 因为内在函数是由更底层的C语言构造的,其执行速度显然很快。 4. 采用高效的算法 5. 尽量使用M函数文件代替M脚本文件,四、M文件性能的优化和加速,2020/8/13,21,(三)程序剖析、JIT(Just In Time)和加速器 1. 程序性能剖析窗口 Profiler (1) 打开程序性能剖析窗
17、口Profiler (2) 对MATLAB的命令进行剖析 在Profiler中的“命令输入栏”中输入需要剖析的命令或者是m文件名(需是当前目录下的),然后单击“Start Profiling”按钮,则指示灯变为绿色,“Start Profiling”按钮变灰色,时间指示器的计时在累加;当命令运行结束时,状态恢复,并出现剖析报告。 (3) 查看剖析报告并根据报告做程序的优化 在 “剖析分析汇总表”(Profile Summary),从上到下按占用时间的多少排列。 例13: chapter2_1.m的剖析,四、M文件性能的优化和加速,2020/8/13,22,2. JIT(Just In Time
18、)和加速器 (1). JIT和加速器的加速范围 只对维数不超过3的“非稀疏”数组起作用; 只对“双精度”、“整数”、“字符串”和“逻辑”等四种数据类型起作用; 只对内部函数的调用起作用,对用户的M函数或MEX文件不起作用; 只对控制语句for、while、if、elseif、switch中标量运算的条件表达式起作用; 当一行程序中含有“不可加速的”命令或变量时,整行都不被加速; 当变量改变数据类型或维数,则该语句不被加速; 如果i和j不以虚数单位形式使用,则该语句不被加速; 在Intel系列CPU硬件上,Windows和Linux系统加速能力最强,(三)程序剖析、JIT和加速器,2020/8/13,23,2. JIT(Just In Time)和加速器 (2). JIT和加速器的开关函数 MATLAB6.5版总是把JIT和加速器置于开启状态,可以使用命令来控制JIT和加速器的开启和关闭。 语法: f
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