Matlab语言及应用.pptx

1、授课教师:仲维锋 办公地点:土建楼413 联系方式:,Matlab基础与应用,课程内容与要求,本课程是通信工程、自动化（铁道信号）、电子科学与技术专业基础必修课。 本课程目的在于使同学熟悉Matlab软件运行环境，掌握Matlab语言程序设计方法及Simulink组件的使用，实现科学计算、计算数据可视化，掌握系统分析和仿真过程。 要求学生具备从数学模型出发，运用Matlab 语言求解问题的思维方法，训练综合运用Matlab语言对现实系统进行分析和仿真的能力，为专业课学习和参加控制实践打下必要的基础。,教学安排与考核,本课程教学环节包括： 课堂讲授（8学时）和课程实验（8学时）。 课堂讲授及实验

2、结束后，学生写出实验报告。 报告内容包括： 1）算法设计及其实现的源代码； 2）程序调试过程及相应的运行结果。 课程成绩按五级评分标准考核； 实验结果占60%，实验报告占40%,教材与参考书,教材 Matlab语言及实践教程(第二版).朱衡君、肖燕彩、邱成编著. 北京交通大学出版社. 2010. 参考书 Matlab教程R2010a.张志涌、杨祖樱等编著. 北京航空航天大学出版社.2010. 高等应用数学问题的Matlab求解(第2版). 薛定宇、陈阳泉编著. 清华大学出版社. 2008. 基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用(第2版). 薛定宇，陈阳泉编著.清华大学出版社.

3、 2011. Matlab编程(第4版).Stephen J. Chapman.科学出版社. 2011,第一章 Matlab语言概述、运行环境 和编程工具介绍,Matlab 7.x 概述 Matlab 7.x 运行环境 编程工具 帮助系统,第一章 Matlab语言概述、运行环境 和编程工具介绍,1.1 MATLAB 7.x概述,Matlab是Matrix（矩阵） Laboratory（实验室）的缩写，其产生是与数学计算紧密联系在一起的 Matlab是一个交互式开发系统，其基本数据元素是矩阵 Matlab主要功能：数学计算、新算法研究、建模仿真、数据分析及可视化、科技与工程的图形功能、图性界面的

4、应用程序开发 Matlab是目前世界上最流行的、应用最广泛的工程计算和仿真软件之一,第一章 Matlab语言概述、运行环境 和编程工具介绍,针对不同工程应用领域，提供了丰富的工具箱 工具箱：专用的函数库，解决特定领域的问题。 Simulink非线性系统仿真 Blockset是专门为simulink建立的模块,第一章 Matlab语言概述、运行环境 和编程工具介绍,1.2 MATLAB 发展,1970年代后期，Cleve Moler教授编写的LINPACK和EISPACK的接口程序 1984年，Matlab第1版(DOS版) 1992年，Matlab 4.0版 2002年，Matlab6.5版

5、2004年，Matlab7.0版 2012年，Matlab 8.0 R2012b版 2013年，Matlab 8.1 R2013a版,本课程以MATLAB 7.x和Simulink 6.5版为平台进行介绍。,目前，Matlab已经成为线性代数、自动控制原理、数理统计、数值信号处理、时间序列分析以及动态系统仿真等的教学工具。,第一章 Matlab语言概述、运行环境 和编程工具介绍,1.3 MATLAB的系统结构,Matlab 系统构成： Matlab 开发环境 Matlab 语言 Matlab 数学函数库 Matlab 图形处理系统 Matlab 应用程序接口（API）,第一章 Matlab语言

6、概述、运行环境 和编程工具介绍,1.4 MATLAB 功能演示,第一章 Matlab语言概述、运行环境 和编程工具介绍,1.4 MATLAB 功能演示,function dx= vanderpol(t,x,flag,Mu) dx= x(2); Mu*(1-x(1)2)*x(2)-x(1) ;,建立函数文件 vanderpol.m,在命令窗口输入： tSpan = 0,20; x_0 = 2; 0;Mu = 1; t,x= ode45(vanderpol,tSpan,x_0, , Mu); y = x(:,1); plot(t,y); xlabel(t); ylabel(y); title(va

7、n der pol Equation, mu=1),第一章 Matlab语言概述、运行环境 和编程工具介绍,1.4 MATLAB 功能演示,例3 绘制如下二元函数的三维曲面：,程序如下： x,y=meshgrid(-3:0.1:4); z=3*(1-x).2.*exp(-(x.2)/2-(y+1).2 ). -10*(x/5-x.3-y.5).*exp(-x.2-y.2). -1/3*exp(-(x+1).2-y.2); surf(x,y,z), colorbar,第一章 Matlab语言概述、运行环境 和编程工具介绍,2.1 Matlab运行环境的启动和退出,Matlab的启动 -3种常见方

8、法： 在Windows桌面，单击任务栏上的“开始”按钮，选择“程序”菜单项，然后选择“MATLAB 7.x”程序选项 运行MATLAB系统启动程序matlab.exe 利用快捷方式 Matlab的退出-有3种常见方法： 在Matlab 主窗口File菜单中选择Exit Matlab命令 在Matlab 命令窗口输入Exit或Quit命令 单击Matlab 主窗口的“关闭”按钮,2. Matlab运行环境,第一章 Matlab语言概述、运行环境 和编程工具介绍,2.2 Matlab的运行环境,第一章 Matlab语言概述、运行环境 和编程工具介绍,2.2.1 菜单栏和工具栏,菜单栏 Matlab

9、 7.X还会根据不同的窗口，增加一些浮动菜单 File 菜单 Edit 菜单 Debug 菜单 Desktop 菜单 Windows 菜单 Help 菜单 开始菜单（操作界面的左下角） 为现场菜单，包括交互界面窗口的列表，快捷方式和常用的子菜单项。,第一章 Matlab语言概述、运行环境 和编程工具介绍,2.2.2 工具栏,工具栏 在编程环境下提供的对常用命令的快速访问，当鼠标停留在工具栏的按钮上时，就会显示出该按钮的功能。 Matlab 7.X 还会根据不同的窗口，增加一些浮动菜单。,第一章 Matlab语言概述、运行环境 和编程工具介绍,2.2.3 常用窗口,包括：命令窗口、历史命令窗口、

10、当前工作目录窗口、工作空间浏览器窗口、变量编辑窗口、M文件编辑调试窗口、帮助窗口和程序性能剖析窗口等 所有窗口都可以单独显示，使用Undock 和Dock 可使窗口单独出来和返回到Matlab工作界面中,第一章 Matlab语言概述、运行环境 和编程工具介绍,2.2.3.1 命令窗口（Command Window）是MATLAB的主要交互窗口，用于输入命令，显示除图形以外的所有执行结果。,在命令窗口中输入MATLAB的命令和数据后按回车键，立即执行运算并显示结果； MATLAB在命令窗口中的语句形式为： 变量 表达式;,第一章 Matlab语言概述、运行环境 和编程工具介绍,说明： 一般来说，

11、一个命令行输入一条命令，命令行以回车结束。但一个命令行也可以输入若干条命令，各命令之间以逗号分隔，若前一命令后带有分号，则逗号可以省略。例如: p=15, m=35 /p=15; m=35. 如果一个命令行很长，一个物理行之内写不下，可以在第一个物理行之后加上3个小黑点并按下回车键，然后接着下一个物理行继续写命令的其他部分。3个小黑点称为续行符，即把下面的物理行看作该行的逻辑继续. 命令窗口中的每个命令行前会出现提示符“”，没有“”符号的行则是显示的结果,第一章 Matlab语言概述、运行环境 和编程工具介绍,2.2.3.1 命令窗口（Command Window）,例1 绘制函数 y = 2

12、sin(1+x)的图像, 并计算当x=0.5 时的函数值。,x=(1:0.1:10); %给出自变量 x 的定义域 y=2*sin(1+x); %写出函数形式 plot(x,y)； %绘出函数图形 y=2*sin(1+0.5) %求当 x=0.5 时的 y 值，其后不加分号，直接在窗口中给出结果 y =1.9950 %输出 y 的计算结果,第一章 Matlab语言概述、运行环境 和编程工具介绍,2.2.3.2 历史命令窗口（Command History） 在Matlab界面的右下侧，用来记录并显示已经运行过的命令、函数和表达式。,在默认设置下，该窗口会显示自安装以来所有使用过命令的历史记录，

13、并标明每次开启 Matlab 的时间； 清除这些历史记录,可以选择Edit菜单中的Clear Command History命令。,第一章 Matlab语言概述、运行环境 和编程工具介绍,2.2.3.3当前目录浏览器窗口（Current Directory Browser）,当前目录是指MATLAB运行文件时的工作目录，只有在当前目录或搜索路径下的文件、函数可以被运行或调用; 在当前目录窗口中可以显示或改变当前目录，还可以显示当前目录下的文件并提供搜索功能。将用户目录设置成当前目录也可使用cd命令。 例如:cd c:mydir,第一章 Matlab语言概述、运行环境 和编程工具介绍,2.2.3

14、.4当前目录浏览器窗口（Current Directory Browser）,查看工作目录下文件的相关信息的常用命令如下： what：列出当前目录下的M、MAT、MEX文件清单。 dir：显示当前目录或指定当前目录下的文件。 cd 路径：改变或显示当前工作目录；路径可省略，省略时为显示当前工作目录；cd .表示回到上一级目录。 type：显示文件内容。 delete：删除文件。 which 文件名：指出M文件、MEX文件、工作空间变量、内置函数或Simulink模型所在的目录。,第一章 Matlab语言概述、运行环境 和编程工具介绍,2.2.3.5 工作空间浏览器窗口 （workspace）

15、工作空间浏览器窗口用于显示内存中所有的变量名、数据结构、类型、大小和字节数，不同的变量类型使用不同的图标。,第一章 Matlab语言概述、运行环境 和编程工具介绍,2.2.3.5工作空间浏览器窗口 （workspace） 工作空间浏览器窗口用于显示内存中所有的变量名、数据结构、类型、大小和字节数，不同的变量类型使用不同的图标。 也可以在MATLAB 7.x的命令窗口通过命令来查看工作空间的变量： who 查阅MATLAB内存变量名； whos 查阅MATLAB内存变量名、大小、类型和字节数。 clear 变量名1 变量名2 ：删除内存中的变量， 变量名可省略，省略时表示删除所有变量。 ,第一章

16、 Matlab语言概述、运行环境 和编程工具介绍,2.2.3.6 数组编辑器窗口窗口 （Array Editor）,启动数组编辑器窗口的方法有： 在工作空间窗口中双击该变量； 在工作空间窗口中选择变量，按鼠标右键在快捷菜单中选择“Open”菜单； 单击工具栏中的打开变量（Open Selection）按钮。,第一章 Matlab语言概述、运行环境 和编程工具介绍,2.2.3.6 M文件编辑调试器窗口 （ Edit/Debug）,启动文件编辑调试器窗口的方法有： 单击MATLAB工作界面工具栏上的图标； 单击菜单：File New M-file 创建新M文件； 单击MATLAB工作界面上的图标，

17、打开相应文件； 单击菜单：File Open ，在出现的“Open”对话框中选择文件名后单击“打开”按钮，打开相应文件； 用鼠标双击当前目录窗口中的M文件，可直接打开相应的文件。,第一章 Matlab语言概述、运行环境 和编程工具介绍,2.2.3.7 M文件编辑调试器窗口 （ Editor/Debug）,文件调试器窗口:用于调试的菜单有两个:Debug 和 Breakpoints 菜单。 Debug菜单 Step(快捷键F10)：单步运行 Step in(快捷键F11)：单步运行进函数 Step out(快捷键shift+F11)：从函数中出来 Continue(快捷键F5):从当前语句行执行

18、程序到遇到下一个断点或程序结束,第一章 Matlab语言概述、运行环境 和编程工具介绍,2.2.3.7 M文件编辑调试器窗口 （ Editor/Debug）,文件调试器窗口:用于调试的菜单有两个:Debug 和 Breakpoints 菜单。 Debug菜单 Step(快捷键F10)：单步运行 Step in(快捷键F11)：单步运行进函数 Step out(快捷键shift+F11)：从函数中出来 Continue(快捷键F5):从当前语句行执行程序到遇到下一个断点或程序结束,第一章 Matlab语言概述、运行环境 和编程工具介绍,2.2.3.7 M文件编辑调试器窗口 （ Editor/De

19、bug）,Breakpoints菜单:Breakpoints菜单主要用来设置和清除断点 (1) Set/Clear Breakpoints(快捷键F12)：设置和清除所在行的断点。 (2) Clear all Breakpoints：清除所有断点。 (3) Stop If Error：在出错行暂停。 (4) Stop If Warning:在警告语句行暂停。 (5) Stop If Nan Or Inf:在有Nan或Inf的语句行暂停。 (6) Stop If All Error：在所有的出错语句行暂停，包括任何运行错误，包括“trycatchend”结构中的出错也暂停。,第一章 Matlab

20、语言概述、运行环境 和编程工具介绍,程序性能剖析窗口用来对M文件各命令的耗时进行分析，打开程序性能剖析窗口的方法有： 单击MATLAB工作界面工具栏上的图标； 选择菜单“Desktop”“profiler”； 在命令窗口中输入“Profile Viewer”命令。,2.2.3.8 程序性能剖析窗口（Profiler）,2.3 MATLAB 的基本命令,Matlab命令编辑 在命令窗口中输入语法命令和函数指令 方向键 重新调用以前命令 左方向键和右方向键可移动编辑插入点 工作空间管理命令 who,whos-显示当前工作空间的变量情况 clear-删除工作空间中的变量 which-显示Matlab

21、文件所在目录 workspace-打开工作空间窗口 path,addpath,rmpath-Matlab包含路径显示、增加、删除,2.3 MATLAB 的基本命令,显示格式设定 format short, short e, long, long e, hex echo on, echo off-控制是否显示正在执行的语句 type, more on/off-显示文件内容，全部或分屏显示 窗口清屏命令 clf 图形窗口清屏 clc 命令窗口清屏 cla 当前坐标系下的内容 close 关闭所有的图形窗口,2.3 MATLAB 的基本命令,操作系统命令 cd-显示/更改当前路径 mkdir-建立目

22、录 copyfile-复制文件 pwd-显示当前目录 退出及保存工作环境 quit/exit 退出Matlab save 保存工作环境变量 load 恢复工作环境变量,3. MATLAB 7.x 的帮助系统,帮助系统构成： 帮助主题（Contents）、索引（Index） 、搜索（ Search）和演示（Demos）四个面板 Contents面板为可展开的树形结构，向用户提供全方位系统帮助的向导图; Index面板是MATLAB提供的术语索引表，可以查找命令、函数和专用术语等; Search面板是通过关键词来查找全文中与之匹配的章节条目，Index只在专用术语表中查找而Search的搜索是在整

23、个HTML文件中进行的，因此其覆盖面更宽; Demos面板为MATLAB提供了Demo演示。,help命令在MATLAB 命令窗口中直接输入help命令将会显示当前帮助系统中所包含的所有项目，即搜索路径中所有的目录名称。同样，可以通过help加函数名来显示该函数的帮助说明。 look for命令 help 命令只搜索出那些关键字完全匹配的结果，lookfor 命令对搜索范围内的M文件进行关键字搜索，条件比较宽松。 lookfor 命令只对M文件的第一行进行关键字搜索。若在 lookfor命令加上-all选项，则可对M文件进行全文搜索。,MATLAB帮助命令包括help命令和lookfor命令。

24、,3. MATLAB 7.x 的帮助系统,帮助窗口 进入帮助窗口的3种方法： (1) 单击Matlab主窗口工具栏中的Help按钮； (2) 在命令窗口中输入helpwin、helpdesk或doc； (3) 选择Help菜单中的“Matlab Help”选项。 远程帮助系统 在MathWorks公司的主页()上 可以找到很多有用的信息，国内的一些网站也有丰富的信息资源。,3. MATLAB 7.x 的帮助系统,演示系统 进入演示系统方法： 在帮助窗口中选择演示系统(Demos)选项卡，然后在其中选择相应的演示模块； 在命令窗口输入Demos； 选择主窗口Help菜单中的Demos子菜单，打开

25、演示系统。,3. MATLAB 7.x 的帮助系统,一、基本数学函数abs(x)：纯量的绝对值或向量的长度angle(z)：复数z的相角(Phase angle)sqrt(x)：开平方real(z)：复数z的实部imag(z)：复数z的虚部conj(z)：复数z的共轭复数round(x)：四舍五入至最近整数fix(x)：无论正负，舍去小数至最近整数floor(x)：地板函数，即舍去正小数至最近整数ceil(x)：天花板函数，即加入正小数至最近整数,常见的MATLAB函数,一、基本数学函数 rat(x)：将实数x化为分数表示 rats(x)：将实数x化为多项分数展开 sign(x)：符号函数 (

26、Signum function)。 当x0时，sign(x)=1。 rem(x,y)：求x除以y的馀数 gcd(x,y)：整数x和y的最大公因数 lcm(x,y)：整数x和y的最小公倍数 exp(x)：自然指数 pow2(x)：2的指数 log(x)：以e为底的对数，即自然对数或 log2(x)：以2为底的对数 log10(x)：以10为底的对数,常见的MATLAB函数,一、基本数学函数 rat(x)：将实数x化为分数表示 rats(x)：将实数x化为多项分数展开 sign(x)：符号函数 (Signum function)。 当x0时，sign(x)=1。 rem(x,y)：求x除以y的馀数

27、 gcd(x,y)：整数x和y的最大公因数 lcm(x,y)：整数x和y的最小公倍数 exp(x)：自然指数 pow2(x)：2的指数 log(x)：以e为底的对数，即自然对数或 log2(x)：以2为底的对数 log10(x)：以10为底的对数,常见的MATLAB函数,二、MATLAB常用的三角函数sin(x)：正弦函数cos(x)：馀弦函数tan(x)：正切函数asin(x)：反正弦函数acos(x)：反馀弦函数atan(x)：反正切函数atan2(x, y)：四象限的反正切函数sinh(x)：超越正弦函数cosh(x)：超越馀弦函数tanh(x)：超越正切函数asinh(x)：反超越正弦

28、函数acosh(x)：反超越馀弦函数atanh(x)：反超越正切函数,常见的MATLAB函数,二、MATLAB常用的三角函数sin(x)：正弦函数cos(x)：馀弦函数tan(x)：正切函数asin(x)：反正弦函数acos(x)：反馀弦函数atan(x)：反正切函数atan2(x, y)：四象限的反正切函数sinh(x)：超越正弦函数cosh(x)：超越馀弦函数tanh(x)：超越正切函数asinh(x)：反超越正弦函数acosh(x)：反超越馀弦函数atanh(x)：反超越正切函数,常见的MATLAB函数,三、适用於向量的常用函数有：min(x): 向量x的元素的最小值max(x): 向量x的元素的最大值mean(x): 向量x的元素的平均值median(x): 向量x的元素的中位数std(x): 向量x的元素的标准差diff(x): 向量x的相邻元素的差sort(x): 对向量x的元素进行排序（Sorting）length