Matlab程序设计.ppt

1、1,matlab的程序设计, matlab语言称为第四代编程语言，程序简洁、可读性很强而且调试十分容易。 是matlab重要组成部分。,2,m文件简介,用户如想灵活应用matlab去解决实际问题，充分调用matlab的科学技术资源，就需要编辑m文件 包含matlab语言代码的文件称为m文件，其扩展名为m。 编辑m文件可使用各种文本编辑器。,3,一、matlab的工作模式,指令驱动模式 通常matlab以指令驱动模式工作，即在matlab 窗口下当用户输入单行指令时，matlab 立即处理这条指令，并显示结果，这就是matlab命令行方式。 命令行操作时，matlab窗口只允许一次执行一行上的一

2、个或几个语句。,4,命令行方式程序可读性差，而且不能存储，对于复杂的问题，应编写成能存储的程序文件。 m文件模式 将matlab语句构成的程序存储成以m为扩展名的文件，然后再执行该程序文件，这种工作模式称为程序文件模式。 程序文件不能在指令窗口下建立，因为指令窗口只允许一次执行一行上的一个或几个语句。,5,m文件编辑器缺省设置是 c:windowsnotepad.exe 还可设成：c:windowswrite.exe c: c:program fileofficewinword.exe 注意：所创建的m文件必须纳入matlab搜索路 径后，才能在matlab命令窗口运行。,6,函数与M文件,二

3、、函数文件 函数接收输入参数，返回输出参数。函数文件也是以“.m”为扩展名。 三、程序文件与函数文件的主要区别 函数允许通过数值进行参数传递，而且函数使用局部变量而不是全局变量操作。 函数文件的第一行必须包括“function”这个关键字。函数文件的文件名必须和函数定义的函数名称相同。,7,MATLAB的函数M文件通常由以下几个部分组成 (1) 函数定义行 函数M文件的第一行用关键字“function”把M文件定义为一个函数并指定它的名字，并且与文件名必须相同，同时定义了函数的输入和输入参数。输入参数的定义用小括号（），如果有多个输入参数则用逗号分隔；输出参数的定义用中括号，如果有多个输出参数

4、则用逗号分隔。 (2)函数帮助文本 帮助文本指位于H1行之后函数体之前的说明文本，它同样以“%”符号开头，一般用来比较详细地介绍函数的功能和用法。在命令窗口用help命令时将显示函数的H1行和所有帮助文本 (3)函数体 是函数的主体部分，包括进行运行和赋值操作的所有MATLAB程序代码，其中可以有流程控制、输入输出、计算、赋值、注释以及函数调用等操作。 (4)注释 除了函数开始独立的帮助文本外，还可以在函数体中添加对语句的注释。注释必须以“%”符号开头，MATLAB在编译执行M文件时把每一行中“%”后面的全部内容作为注释不进行编译。,8,函数的基本结构,9,函数文件在运行过程中产生变量都存放在

5、函数本身的工作空间中。 当文件执行完最后一条命令，或遇到return命令时结束函数的运行，同时函数工作空间的变量被清除。 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。,M文件的函数通过函数调用才会被执行，函数执行时：,10,例：在M文件编辑/调试器窗口中编写计算二阶系统时域响应的M函数文件，并在命令窗口调用该文件。,（1）编写函数代码,function y=ex0502(zeta) %ex0502画二阶系统时域曲线 x=0:0.1:20; y=1-1/sqrt(1-zeta2)*exp(-zeta*x)

6、.*sin(sqrt(1-zeta2)*x+acos(zeta); plot(x,y),（2）在命令窗口,y=ex0502(0.1),（1）输入阻尼系数，输出时域响应；（2）函数文件调用结束后查看x,y (3)运行时在plot(x,y)行设置断点，查看变量,11,子函数 一个M文件中可以定义多个函数，其中第一个定义的函数称为主函数，主函数名必须与M文件名相同，其它函数称为子函数；子函数只能被定义它的文件中的函数调用，其它函数和文件不能调用；同一文件的主函数和子函数变量工作空间相互独立；help和lookfor命令不提供子函数帮助信息。,私有函数 存放在private子目录中的M函数文件，具有性

7、质：在private目录下的私有函数，只能被其父目录的M函数文件调用，对其他目录的文件私有函数是不可见的，可以和其他目录下的函数重名；私有函数父目录的M脚本文件也不可调用私有函数；在函数调用搜索时，私有函数优先于其他MATALB路径上的函数。,调用函数搜索顺序 查找是否子函数 查找是否私有函数 从当前路径搜索此函数 从搜索路径中搜索此函数,12,例：将画二阶系统时域曲线的函数作为子函数，编写画多条曲线的程序,function Ex0511() %使用函数调用绘制二阶系统时域响应 z1=0.3; ex0502(z1); hold on z1=0.5; ex0502(z1); z1=0.7; ex

8、0502(z1);,主函数是Ex0511，子函数是ex0502，在主函数中3次调用子函数,exp2_9.m,13,局部变量和全局变量,（1）局部变量是在函数体内部使用的变量，其影响范围只能在本函数内，仅存在于函数的工作空间内，只在函数执行期间存在，函数执行完变量消失。 （2）全局变量是可以在不同函数工作空间和MATLAB工作空间中共享使用的变量。在使用前必须用global定义，而且每个要共享全局变量的函数和工作空间，都必须逐个用global对变量加以定义。,exp2_10.m,14,例：修改Ex0511，在主函数和子函数中使用全局变量,function Ex0512() global X X=

9、0:0.1:20; z1=0.3; ex0502(z1); hold on z1=0.5; ex0502(z1); z1=0.707; ex0502(z1),function y=ex0502(zeta) global X y=1-1/sqrt(1-zeta2)*exp(-zeta*x).*sin(sqrt(1-zeta2)*x+acos(zeta); plot(X,y),在需要使用的主函数和子函数中都需要定义,注意：由于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；使用时必须十分小心，建议定义在函数体的开始，用大写字符命名,15,函数的参数,在MATLAB中，函数具有自己的

10、工作空间，函数内变量与外界的唯一联系就是通过函数的输入/输出参数。输入参数在函数中的任何变化，都仅在函数内进行，不会传递回去。,1.参数传递规则：,例：将Ex0511画二阶系统时域的函数修改，使用输入/输出参数来实现参数传递。,16,function Ex0513() %参数传递绘制二阶系统时域响应 z1=0.3; x1,y1=ex0502(z1); plot(x1,y1) hold on z1=0.5; x2,y2=ex0502(z1); plot(x2,y2) z1=0.7; x3,y3=ex0502(z1); plot(x3,y3),function x,y= ex0502(zeta)

11、x=0:0.1:20; y=1-1/sqrt(1-zeta2)*exp(-zeta*x).*sin(sqrt(1-zeta2)*x+acos(zeta);,17,1.函数参数的个数：,MATLAB函数的调用有一个与其他语言不同的特点：函数的输入/输出参数的数目都可以变化，用户可以根据参数的个数来编程。 （1）nargin变量和nargout变量。 nargin %在函数体内获取实际输入变量个数 nargout %在函数体内获取实际输出变量个数 nargin(fun) %在函数体外获取定义的输入参数个数 nargout(fun) %在函数体外获取定义的输出参数个数,18,例：计算2个数的和，根据

12、输入的参数个数不同使用不同的运算表达式。,function sum=Ex0514(x,y) if nargin=1 sum=x+0; else if nargin=0 sum=0; else sum=x+y end end,sum=Ex0514(1,2) sum=Ex0514(1) sum=Ex0514(1,2,3) nargin(Ex0514),19,function sum=Ex0514(x,y) if nargin=1 sum=x+0; else if nargin=0 sum=0; else sum=x+y end end if nargout=0 sum=0 end,Ex0514(2

13、,3),y=Ex0514(2,3),y,n=Ex0514(2,3),20,可变输入输出个数,【例2-20】 可以计算两个多项式的积 用 varargin 实现任意多个多项式的积,21,inline函数与匿名函数,有时，为了描述某个数学函数的方便，可以用inline( )函数直接编写该函数。形式相当于前面介绍的M-函数，但无需编写一个真正的Matlab文件，就可以描述出某种数学关系。 注意：不支持结构复杂的语句结构，只支持一个语句就能求出的函数值形式,22,inline 函数，可以免去文件 MATLAB 7.0,f=inline(sin(x.2+y.2),x,y),23,一、 MATLBA程序的

14、基本设计原则 1、后面的内容是程序的注解，要善于运用注解使程序更具可读性。 2、养成在主程序开头用clear指令清除变量的习惯，以消除工作空间中其他变量对程序运行的影响。但注意在子程序中不要用clear。 3、参数值要集中放在程序的开始部分，以便维护。要充分利用MATLAB工具箱提供的指令来执行所要进行的运算，在语句行之后输入分号使其及中间结果不在屏幕上显示，以提高执行速度。,24,4、input指令可以用来输入一些临时的数据；而对于大量参数，则通过建立一个存储参数的子程序，在主程序中用子程序的名称来调用。 5、程序尽量模块化，也就是采用主程序调用子程序的方法，将所有子程序合并在一起来执行全部

15、的操作。 6、充分利用Debugger来进行程序的调试（设置断点、单步执行、连续执行），并利用其他工具箱或图形用户界面（GUI）的设计技巧，将设计结果集成到一起。 7、设置好MATLAB的工作路径，以便程序运行。,25,8、MATLAB程序的基本组成结构 说明 清除命令：清除workspace中的变量和图形（clear,close） 定义变量：包括全局变量的声明及参数值的设定 逐行执行命令：指MATLAB提供的运算指令或工具箱提供的专用命令 控制循环 ：包含for,if then,switch,while等语句 逐行执行命令 end 绘图命令：将运算结果绘制出来 当然更复杂程序还需要调用子程序

16、，或与simulink以及其他应用程序结合起来。,26,matlab的程序结构,matlab语言的程序结构与其它高级语言是一致的，分为顺序结构，循环结构，分支结构。 (1).顺序结构 依次顺序执行程序的各条语句 (2).循环结构 被重复执行的一组语句，循环是计算机解决问题的主要手段。 （3）条件转移 （4）开关结构 （5）试探结构（新）,27,循环结构,for 结构 while 结构,28,步长缺省值为1，可以在正实数或负实数范围内任意指定。对于正数，循环变量的值大于终止值时，循环结束；对于负数，循环变量的值小于终止值时，循环结束。循环结构可以嵌套使用。 书写格式不必太过于拘泥，在Editor

17、编辑器中会自动进行处理。,1、for循环语句 基本格式 for 循环变量起始值：步长：终止值 循环体 end,29,求 的值,30, while end 循环 while循环将循环体中的语句循环执行不定次数。 语法为：while 表达式 循环体语句 end 表达式一般是由逻辑运算和关系运算以及一般运算组成的，以判断循环的进行和停止；只要表达式的值 非0，继续循环；直到表达式值为0，循环停止。,31,While循环和for循环的区别在于，while循环结构的循环体被执行的次数不是确定的，而for结构中循环体的执行次数是确定的。,32,例 求满足 的最小 值,while循环,for语句,编写函数供

18、以后调用,33,从键盘输入若干个数，当输入为0时结束输入，求这些数的平均值和它们的和。 分析：数字的数目不确定，0为循环结构的结束条件，因此选用while结构实现,例exp2_22.m,与循环语句相关的还有break语句，当在循环体内执行到该语句时，则程序将无条件跳出本层循环。,34,转移结构,35,这种结构实现了一种多路选择，比较复杂。可替代一般高级语言中的switch-case-end语句,36,计算分段函数 的值。 求分段函数 的值,例exp2_18.m,例exp2_19.m,37,例：根据阻尼系数绘制不同二阶系统的时域响应（调用子函数），,当,时,时,当,时,当,38,function

19、 y=Ex0516(z1) t=0:0.1:20; if (z1=0) else y=plotxy3(z1,t) end,function y1=plotxy1(zeta,x) y1=1-(1/sqrt(1-zeta2)*exp(-zeta*x).*sin(sqrt(1-zeta2)*x+acos(zeta); plot(x,y1),function y2=plotxy2(zeta,x) y2=1-exp(-x).*(1+x); plot(x,y2),function y3=plotxy3(zeta,x) y3=1-1/(2*sqrt(zeta2-1)*(exp(-(zeta-sqrt(zet

20、a2-1)*x)./(zeta-sqrt(1-zeta2). -exp(-(zeta+sqrt(zeta2-1)*x)./(zeta+sqrt(1-zeta2); plot(x,y3),y=Ex0516(0.3) hold on y=Ex0516(0.707) y=Ex0516(1.3),39,例：编写的绘制二阶系统时域响应曲线中的调用各子函数,改为利用函数句柄实现。,function y=Ex0521(z1) t=0:0.1:20; h_plotxy1=str2func(plotxy1) h_plotxy2=str2func(plotxy2) h_plotxy3=str2func(plotx

21、y3) if (z1=0) end,40,开关结构,41,42,使用开关语句结构时注意,当开关表达式的值等于表达式1时，将执行语句段1，执行完语句段1后转出开关体，无需像C语言那样在下一个case语句前加break。 当需要在开关表达式满足若干个表达式之一时执行某一程序段，则应该把这样的表达式用大括号括起来，中间用逗号分隔（实际上是定义单元结构） 当前面枚举的各表达式均不满足时，将执行otherwise语句后面的语句段，此语句等价于C语言中default语句。 程序的执行结果和各个case语句的次序无关（当两个case语句包含同样的条件，执行结果则和这两个语句的顺序有关）。 在case语句引导

22、的各个表达式中，不要用重复的表达式，否则列在后面的开关通路将永远不能执行。,43,和 C 语言的区别,当开关表达式的值等于某表达式，执行该语句后结束该结构，不用 break 同时满足若干个条件之一，则用单元形式 otherwise 语句，不是 default 程序的执行结果和各个case顺序无关 case 语句中条件不能重复，否则列在后面的条件将不能执行,44,通过键盘输入百分制成绩，输出成绩的等级。 分析，这是典型的多分支结构问题，可以用switch-case结构实现。程序中90-100分用字符A表示，80-89用字符B表示，70-79用字符C表示，60-69用字符D表示，60分以下用字符E

23、表示，n为键盘输入的成绩分数,例exp2_21.m,45,试探结构,全新结构,本语句结构首先试探性地执行语句段1，若出错，则将错误信息给保留的lasterr变量，放弃这段语句，转而执行语句段2中的语句，这种新的语句结构是C语言所没有的。当试探结构运行结束后，可以调用lasterr函数查询出错原因，空字符表示执行成功。, A=1,2,3;4,5,6; B=7,8,9;10,11,12; try C=A*B; catch C=A.*B; end C,46,循环程序的等价形式,从程序执行的角度考虑，循环程序是重复执行某一段程序，因此一般执行时间较长，从节省时间角度，给出一些循环程序的等价形式的特例。

24、 一般情况下，如果要确切考察程序的执行时间，可在程序开头启动定时器tic，在程序结束读出定时器的时间toc,47,1、数组运算的应用 MATLAB的基本数据单元为数组，定义了矩阵运算和数组运算两种运算，因此考虑两种运算的原理，循环程序在一些特殊情况下可以用数组运算代替。 例：求1100的平方，平方根和立方根。,例exp2_25.m,例exp2_26.m,48,2、逻辑数组的应用 例. 编程求3阶魔方矩阵大于等于5的元素的平方根 方法一：应用二重循环程序实现 方法二：应用逻辑数组实现,例exp2_27.m,例exp2_28.m,49,例. 编程求3阶魔方矩阵大于等于5的元素的平方根，同时对小于5

25、的元素求平方 方法一：应用二重循环程序实现 方法二：应用逻辑数组实现,例exp2_29.m,例exp2_30.m,50,程序性能剖析窗口,使用该窗口对命令运行时间进行分析，找出瓶颈进行改写，直到报告表明绝大多数运行时间花费在MATLAB内部函数上。,（1）打开窗口。选择菜单View-Profiler （2）在命令栏中输入需要剖析的命令，单击start profiling （3）查看剖析报告，从上至下按占用时间排列，查看详细内容,exp2_29，exp2_30输入profiler命令窗口查看明细,51,常用的编程命令（例exp2_8.m）,pause：停止m文件的执行直至有键按下。pause(n

26、)将使程序暂停n秒。 echo on/off：控制是否在屏幕上显示程序内容。 keyboard：停止程序执行，把控制权交给键盘。输入return并回车后继续程序执行。 x=input(prompt)：把输入的字符串作为提示符，等待使用者输入一个响应，然后把它赋值到x。,52,五、matlab程序流的控制,matlab的控制语句同c语言有相似之处, 但没有c 语言复杂、灵活和多变。因而语法比较简单，容易掌握。 echo 指令 用来控制m文件在执行过程中是否 显示 echo on 打开所有命令文件的显示方式 echo off 关闭所有命令文件的显示方式 echo 在以上两者间切换,53,input 提示用户从键盘输入数值、字符串、表达式。 例：n=input(How many apples= ) How many apples= 5 n = 5 pause 暂停，等待用户响应 可令m文件执行暂停，并在继续执行前按任一个键 。语法：pause ，pau