MATLAB程序设计(精品).ppt
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1、控制系统数字仿真与控制系统数字仿真与控制系统数字仿真与控制系统数字仿真与CADCADCADCAD(34学时 2学分)授课教师授课教师:姚姚 静静联系电话联系电话:65984898:65984898E-MAIL:E-MAIL:第二章第二章 MATLAB MATLAB 程序设计程序设计4/6/20232同济大学电子与信息工程学院2.1MATLAB简介简介一、简介一、简介MATLABMATLAB是是Matrix LaboratoryMatrix Laboratory的缩写。除具备卓越的数值计算能力外,它还提的缩写。除具备卓越的数值计算能力外,它还提供了专业水平的符号计算,文字处理,可视化建模仿真和实
2、时控制等功能。供了专业水平的符号计算,文字处理,可视化建模仿真和实时控制等功能。MATLABMATLAB的基本数据单位是矩阵,它的指令表达式与数学的基本数据单位是矩阵,它的指令表达式与数学,工程中常用的形式十工程中常用的形式十分相似分相似,故用故用MATLABMATLAB来解算问题要比用来解算问题要比用C,FORTRANC,FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多等语言完相同的事情简捷得多当前流行的当前流行的MATLAB MATLAB 7.0/Simulink7.0/Simulink 4.04.0包括拥有数百个内部函数的主包和三十包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包几种工具包(Tool
3、box).(Toolbox).工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包.功能工功能工具包用来扩充具包用来扩充MATLABMATLAB的符号计算的符号计算,可视化建模仿真可视化建模仿真,文字处理及实时控制等功能文字处理及实时控制等功能.学科工具包是专业性比较强的工具包学科工具包是专业性比较强的工具包,控制工具包控制工具包,信号处理工具包信号处理工具包,通信工具通信工具包等都属于此类包等都属于此类.开放性使开放性使MATLABMATLAB广受用户欢迎广受用户欢迎.除内部函数外除内部函数外,所有所有MATLABMATLAB主包文件和各种工具主包文件和各种工具包
4、都是可读可修改的文件包都是可读可修改的文件,用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的专用工具包新的专用工具包.4/6/20233同济大学电子与信息工程学院MATLABMATLAB产生的历史背景产生的历史背景 在在7070年代中期年代中期,Cleve,Cleve MolerMoler博士和其同事在美国国家科学基金的资助下开发了调用博士和其同事在美国国家科学基金的资助下开发了调用EISPACKEISPACK和和LINPACKLINPACK的的FORTRANFORTRAN子程序库子程序库.EISPACK.EISPACK是特征值求解的是特征值求解的F
5、OETRANFOETRAN程序库程序库,LINPACK,LINPACK是解线性方程的程序库是解线性方程的程序库.在当时在当时,这两个程序库代表矩阵运算的最高水平这两个程序库代表矩阵运算的最高水平.到到7070年代后期年代后期,身为美国身为美国New MexicoNew Mexico大学计算机系系主任的大学计算机系系主任的Cleve Cleve MolerMoler,在给学生在给学生讲授线性代数课程时讲授线性代数课程时,想教学生使用想教学生使用EISPACKEISPACK和和LINPACKLINPACK程序库程序库,但他发现学生用但他发现学生用FORTRANFORTRAN编写接口程序很费时间编写
6、接口程序很费时间,于是他开始自己动手于是他开始自己动手,利用业余时间为学生编写利用业余时间为学生编写EISPACKEISPACK和和LINPACKLINPACK的接口程序的接口程序.Cleve.Cleve MolerMoler给这个接口程序取名为给这个接口程序取名为MATLAB,MATLAB,该名为该名为矩阵矩阵(matrix)(matrix)和实验室和实验室(labotatorylabotatory)两个英文单词的前三个字母的组合两个英文单词的前三个字母的组合.在以后的在以后的数年里数年里,MATLAB,MATLAB在多所大学里作为教学辅助软件使用在多所大学里作为教学辅助软件使用,并作为面向
7、大众的免费软件广并作为面向大众的免费软件广为流传为流传.19831983年春天年春天,Cleve,Cleve MolerMoler到到StandfordStandford大学讲学大学讲学,MATLAB,MATLAB深深地吸引了工程师深深地吸引了工程师John John Little.JohnLittle.John Little Little敏锐地觉察到敏锐地觉察到MATLABMATLAB在工程领域的广阔前景在工程领域的广阔前景.同年同年,他和他和Cleve Cleve Moler,SteveMoler,Steve BangertBangert一起一起,用用C C语言开发了第二代专业版语言开发了
8、第二代专业版.这一代的这一代的MATLABMATLAB语言同时语言同时具备了数值计算和数据图示化的功能具备了数值计算和数据图示化的功能.4/6/20234同济大学电子与信息工程学院1984年年,CleveMoler和和JohnLittle成立了成立了MathWorks公司公司,正式把正式把MATLAB推向市场推向市场,并继续进行并继续进行MATLAB的研究和开发的研究和开发.在当今在当今30多个数学类科技应用软件中多个数学类科技应用软件中,就软件数学处理的原始内核而言就软件数学处理的原始内核而言,可可分为两大类分为两大类.一类是数值计算型软件一类是数值计算型软件,如如MATLAB,Xmath,
9、Gauss等等,这类软这类软件长于数值计算件长于数值计算,对处理大批数据效率高对处理大批数据效率高;另一类是数学分析型软件另一类是数学分析型软件,Mathematica,Maple等等,这类软件以符号计算见长这类软件以符号计算见长,能给出解析解和任意精能给出解析解和任意精确解确解,其缺点是处理大量数据时效率较低其缺点是处理大量数据时效率较低.MathWorks公司顺应多功能需求公司顺应多功能需求之潮流之潮流,在其卓越数值计算和图示能力的基础上在其卓越数值计算和图示能力的基础上,又率先在专业水平上开拓又率先在专业水平上开拓了其符号计算了其符号计算,文字处理文字处理,可视化建模和实时控制能力可视化
10、建模和实时控制能力,开发了适合多学科开发了适合多学科,多部门要求的新一代科技应用软件多部门要求的新一代科技应用软件MATLAB.经过多年的国际竞争经过多年的国际竞争,MATLAB以经占据了数值软件市场的主导地位以经占据了数值软件市场的主导地位.4/6/20235同济大学电子与信息工程学院在在MATLAB进入市场前,国际上的许多软件包都是直接以进入市场前,国际上的许多软件包都是直接以FORTRANC语语言等编程语言开发的。这种软件的缺点是使用面窄,接口简陋,程序结构言等编程语言开发的。这种软件的缺点是使用面窄,接口简陋,程序结构不开放以及没有标准的基库,很难适应各学科的最新发展,因而很难推广。不
11、开放以及没有标准的基库,很难适应各学科的最新发展,因而很难推广。MATLAB的出现,为各国科学家开发学科软件提供了新的基础。在的出现,为各国科学家开发学科软件提供了新的基础。在MATLAB问世不久的问世不久的80年代中期,原先控制领域里的一些软件包纷纷被淘年代中期,原先控制领域里的一些软件包纷纷被淘汰或在汰或在MATLAB上重建。上重建。时时至今日,至今日,经过经过MathWorksMathWorks公司的不断完善,公司的不断完善,MATLABMATLAB已已经发经发展成展成为为适合多适合多学科,多种工作平台的功能学科,多种工作平台的功能强强大大大型大大大型软软件。在国外,件。在国外,MATL
12、ABMATLAB已已经经经经受了受了多年考多年考验验。在欧美等高校,。在欧美等高校,MATLABMATLAB已已经经成成为线为线性代数,自性代数,自动动控制理控制理论论,数,数理理统计统计,数字信号,数字信号处处理,理,时间时间序列分析,序列分析,动态动态系系统统仿真等高仿真等高级课级课程的基本程的基本教学工具;成教学工具;成为为攻攻读读学位的大学生,学位的大学生,硕硕士生,博士生必士生,博士生必须须掌握的基本技能。掌握的基本技能。在在设计设计研究研究单单位和工位和工业业部部门门,MATLABMATLAB被广泛用于科学研究和解决各种具体被广泛用于科学研究和解决各种具体问题问题。在国内,特。在国
13、内,特别别是工程界,是工程界,MATLABMATLAB一定会盛行起来。可以一定会盛行起来。可以说说,无,无论论你你从事工程方面的哪个学科,都能在从事工程方面的哪个学科,都能在MATLABMATLAB里找到合适的功能。里找到合适的功能。4/6/20236同济大学电子与信息工程学院2.1MATLAB简介简介二、语言特点二、语言特点语言简洁紧凑,使用方便灵活。语言简洁紧凑,使用方便灵活。例如:例如:A=123;456;789一条语句实现了对一条语句实现了对3x3矩阵的输入。矩阵的输入。数值算法稳定可靠,库函数十分丰富。数值算法稳定可靠,库函数十分丰富。例如:例如:polyder(b)%求多项式求多项
14、式b的微分的微分运算符丰富。运算符丰富。例如:例如:C=A*B%矩阵的乘法,矩阵的乘法,x=Ab%求求Axb的最小二乘解的最小二乘解Matlab既具有结构化的控制语句既具有结构化的控制语句(if、for、while)又支持面向对象的程又支持面向对象的程序设计。序设计。4/6/20237同济大学电子与信息工程学院2.1MATLAB简介简介语法限制不严格,程序设计自由度大。语法限制不严格,程序设计自由度大。例如:在例如:在MATLAB里可以不用先定义或声明变量就可以使用它们里可以不用先定义或声明变量就可以使用它们程序的可移植性好。程序的可移植性好。Matlab的图形功能强大,支持数据的可视化操作,
15、方便的显示程序的的图形功能强大,支持数据的可视化操作,方便的显示程序的运行结果。运行结果。强大的工具箱。强大的工具箱。例如:控制领域可以使用的工具箱就有例如:控制领域可以使用的工具箱就有ControlSystem(控制工具箱控制工具箱)源程序的开发性,系统的可扩充能力强。源程序的开发性,系统的可扩充能力强。Matlab是解释执行语言。是解释执行语言。Matlab程序不用编译生成可执行文件就可以运行程序不用编译生成可执行文件就可以运行4/6/20238同济大学电子与信息工程学院2.1MATLAB简介简介三、三、Matlab集成环境的组成集成环境的组成Matlab语言语言Matlab工作环境工作环
16、境包括程序编辑器、变量查看器、系统仿真器。包括程序编辑器、变量查看器、系统仿真器。Matlab图形系统图形系统用用Matlab的句柄图形,可以实现二维、三维数据的可视化、图象处的句柄图形,可以实现二维、三维数据的可视化、图象处理,可以完全或局部修改图形窗口,还可以方便的设计图形界面。理,可以完全或局部修改图形窗口,还可以方便的设计图形界面。Matlab数学函数库数学函数库MatlabAPI(ApplicationProgramInterface)4/6/20239同济大学电子与信息工程学院2.1MATLAB简介简介四、四、Matlab软件的基本使用方法软件的基本使用方法命令窗口命令窗口工作空工
17、作空间间 历历史命令史命令 当前路径当前路径4/6/202310同济大学电子与信息工程学院2.1MATLAB简介简介(1)命令窗口命令窗口Matlab的命令窗口可以执行任何的命令窗口可以执行任何Matlab命令和函数。命令和函数。主要功能主要功能操作操作M文件文件(打开、新建、运行、保存打开、新建、运行、保存)操作操作MDL文件文件运行运行Matlab程序程序运行外部应用程序运行外部应用程序(2)程序编辑程序编辑/调试器调试器Matlab内置了一个程序的编辑内置了一个程序的编辑/调试器调试器4/6/202311同济大学电子与信息工程学院2.1MATLAB简介简介主要功能主要功能建立、编辑、存储
18、建立、编辑、存储M M文件文件可以运行程序可以运行程序调试调试(断点、单步、跟踪、查看断点、单步、跟踪、查看)程序程序设设置置断断点点取消取消断点断点单步单步运行运行进入进入函数函数跳出跳出函数函数退出退出调试调试继续继续运行运行4/6/202312同济大学电子与信息工程学院2.1MATLAB简介简介(3)变量查看器变量查看器在在MATLAB中,工作空间中,工作空间(Workspace)是一个重要的、比是一个重要的、比较抽象的概念。较抽象的概念。工作空间指运行工作空间指运行MATLAB的程序或命令所生成的所有变量的程序或命令所生成的所有变量和和MATLAB提供的常量构成的空间。提供的常量构成的
19、空间。工作空间的特点工作空间的特点工作空间在工作空间在MATLAB运行期间一直存在运行期间一直存在关闭关闭MATLAB后工作空间自动消失后工作空间自动消失4/6/202313同济大学电子与信息工程学院2.1MATLAB简介简介查看查看变量变量删除删除变量变量4/6/202314同济大学电子与信息工程学院2.1MATLAB简介简介MATLABMATLAB的工作空间包含了一组可以在命令窗口中调整(调的工作空间包含了一组可以在命令窗口中调整(调用)的参数用)的参数who:显示当前工作空间中所有变量的一个简单列表:显示当前工作空间中所有变量的一个简单列表whos:列出变量的大小、数据格式等详细信息列出
20、变量的大小、数据格式等详细信息clear:清除工作空间中所有的变量:清除工作空间中所有的变量clear变量名:清除指定的变量变量名:清除指定的变量保存和载入保存和载入workspaceworkspace(1 1)savefilenamevariables将变量列表将变量列表variables所列出的变量保存到磁盘文件所列出的变量保存到磁盘文件filename中中4/6/202315同济大学电子与信息工程学院2.1MATLAB简介简介Variables所表示的变量列表中,不能用逗号,各个不同的变量之所表示的变量列表中,不能用逗号,各个不同的变量之间只能用空格来分隔。间只能用空格来分隔。未列出未列
21、出variables时,表示将当前工作空间中所有变量都保持到磁盘时,表示将当前工作空间中所有变量都保持到磁盘文件中。文件中。缺省的磁盘文件扩展名为缺省的磁盘文件扩展名为“.mat”,可以使用,可以使用“-”定义不同的存定义不同的存储格式(储格式(ASCII、V4等)等)(2 2)loadfilenamevariables将以前用将以前用savesave命令保存的变量命令保存的变量variablesvariables从磁盘文件中调入从磁盘文件中调入MATLABMATLAB工作空间。工作空间。用用load load 命令调入的变量,其名称为用命令调入的变量,其名称为用savesave命令保存时的名
22、称,取命令保存时的名称,取值也一样。值也一样。4/6/202316同济大学电子与信息工程学院2.1MATLAB简介简介Variables所表示的变量列表中,不能用逗号,各个不同的变量之所表示的变量列表中,不能用逗号,各个不同的变量之间只能用空格来分隔。间只能用空格来分隔。未列出未列出variables时,表示将磁盘文件中所有变量都调入工作空间。时,表示将磁盘文件中所有变量都调入工作空间。退出工作空间退出工作空间quit或或exit(4)图形窗口图形窗口在图形窗口上可以进行绘制曲线、显示文本、填充颜色等在图形窗口上可以进行绘制曲线、显示文本、填充颜色等操作。操作。用用figure命令建立新的图形
23、窗口。命令建立新的图形窗口。4/6/202317同济大学电子与信息工程学院2.1MATLAB简介简介可以用绘图语句自动创建图形窗口并在上面绘图,如可以用绘图语句自动创建图形窗口并在上面绘图,如plot命命令。令。编辑编辑模态模态添加添加文本文本添加添加箭头箭头添加添加线段线段旋转旋转三维三维图形图形4/6/202318同济大学电子与信息工程学院2.1MATLAB简介简介(5)文件管理文件管理文件管理的命令,包括列文件名、显示或删除文件、显示文件管理的命令,包括列文件名、显示或删除文件、显示或改变当前目录等。或改变当前目录等。what:显示当前目录下所有与:显示当前目录下所有与matlab相关的
24、文件及它们的路径。相关的文件及它们的路径。dir:显示当前目录下所有的文件:显示当前目录下所有的文件which:显示某个文件的路径:显示某个文件的路径cdpath:由当前目录进入:由当前目录进入path目录目录cd:显示当前目录:显示当前目录typefilename:在命令窗口中显示文件:在命令窗口中显示文件filenamedeletefilename:删除文件:删除文件filename4/6/202319同济大学电子与信息工程学院2.1MATLAB简介简介(6)帮助系统帮助系统help命令,在命令窗口中显示命令,在命令窗口中显示MATLBAMATLBA的所有函数都是以逻辑群组方式进行组织的,
25、而的所有函数都是以逻辑群组方式进行组织的,而MATLABMATLAB的目的目录结构就是以这些群组方式来编排的。录结构就是以这些群组方式来编排的。help函数名函数名/文件名文件名%显示相关函数显示相关函数/文件的帮助体文件的帮助体helpmatfun:矩阵函数数值:矩阵函数数值线性代数线性代数helpgeneral:通用命令:通用命令helpgraphics:通用图形函数:通用图形函数helpelfun:基本的数学函数:基本的数学函数helpelmat:基本矩阵和矩阵操作:基本矩阵和矩阵操作4/6/202320同济大学电子与信息工程学院2.1MATLAB简介简介helpdatafun:数据分析
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