MatLab與控制系統(tǒng)仿真重點編程

1、第4章 MatLab的程序設(shè)計MatLab是一個工具、開發(fā)平臺，同時它也是一門編程語言。與在命令窗口用交互的方式工作相比，通過程序運行來解決實際問題，其效率更高，因此，凡是復(fù)雜的、大型的應(yīng)用都是以程序的方式執(zhí)行。相對其它高級語言，MatLab更簡單、編程的效率更高、調(diào)試過程也更容易。MatLab中的程序文件是以m為后綴，所以通常將MatLab的程序文件稱為m文件。MatLab提供了兩種形式的m文件，即：腳本（Script）式m文件（就簡稱m文件）、函數(shù)型m文件。在MatLab中已經(jīng)嵌入了一個功能強大的集成開發(fā)環(huán)境m文件編輯器，用它來進行程序的編輯、修改、調(diào)試、運行等，完成應(yīng)用開發(fā)工作。4.1

2、MatLab程序設(shè)計基礎(chǔ)通過前面內(nèi)容的學(xué)習(xí)，大家對MatLab已經(jīng)有了一個初步的認(rèn)識和印象，到目前為止，我們都是在“命令”窗口中，以交互的方式運行，完成我們的工作。實際上簡單的m文件，就是一個批處理程序，它是若干條命令的集合。例：4.1.1 M文件規(guī)則和屬性函數(shù)M文件必須遵循一些特定的規(guī)則。除此之外，它們有許多的重要屬性，這其中包括：1. 函數(shù)名和文件名必須相同。例如，函數(shù)fliplr 存儲在名為fliplr.m 文件中。 2. MATLAB頭一次執(zhí)行一函數(shù)個M文件時，它打開相應(yīng)的文本文件并將命令編輯成存儲器的內(nèi)部表示，以加速執(zhí)行以后所有的調(diào)用。如果函數(shù)包含了對其它函數(shù)M文件的引用，它們也同樣

3、被編譯到存儲器。普通的腳本M文件不被編譯，即使它們是從函數(shù)M文件內(nèi)調(diào)用；打開腳本M文件，調(diào)用一次就逐行進行注釋。 3. 在函數(shù)M文件中，到第一個非注釋行為止的注釋行是幫助文本。當(dāng)需要幫助時，返回該文本。例如， » help fliplr返回上述前八行注釋。 4. 第一行幫助行，名為H1 行，是由lookfor 命令搜索的行。 5. 函數(shù)可以有零個或更多個輸入?yún)⒘?。函?shù)可以有零個或更多個輸出參量。 6. 函數(shù)可以按少于函數(shù)M文件中所規(guī)定的輸入和輸出變量進行調(diào)用，但不能用多于函數(shù)M文件中所規(guī)定的輸入和輸出變量數(shù)目。如果輸入和輸出變量數(shù)目多于函數(shù)M文件中function 語句一開始所規(guī)定的

4、數(shù)目，則調(diào)用時自動返回一個錯誤。相對于函數(shù)m文件，腳本式m文件就簡單多了，它沒有嚴(yán)格的格式要求，只要將有關(guān)的命令或函數(shù)一一敲入即可，但是還是有幾個問題需要注意：1. m文件的名稱不得與MatLab的內(nèi)部函數(shù)同名、第一個字符不得為數(shù)字（這點與變量的命名規(guī)則相同）；2. 最好在文件的頭部加上注釋，對該m文件的作用、功能作一個簡要說明，而在一些重要命令行后也加上注釋行，以方便使用者閱讀、查找；3. 要特別注意m文件的保存路徑或位置，如果不是保存在MatLab默認(rèn)的路徑下，可以使用addpath函數(shù)來設(shè)置、添加路徑，否則，m文件不能運行。腳本式m文件與函數(shù)m文件還有一個重要區(qū)別：腳本式m文件中的變量均

5、為全局變量，而函數(shù)m文件中的變量則是局部變量。這可以從這兩種程序文件運行后在Workspace中留下痕跡看出。當(dāng)然，在函數(shù)m文件中也可以專門將某些變量定義為全局變量（關(guān)鍵字是：global）。不過，在使用全局變量（函數(shù)m文件中）時應(yīng)特別注意：.全局變量需要函數(shù)體的變量賦值語句之前定義或說明；.全局變量名最好是大寫，而且要盡量長，能反映它本身的含義； .實際編程時，全局變量也要盡可能少用，因為一旦它在一個地方被改變，那么其它包括該變量的函數(shù)中都得改變，有時可能會出現(xiàn)意想不到情況。4.1.2 M文件的組成函數(shù)M文件實例：function f=fact（n） %函數(shù)定義行 %Compute a fa

6、ctorial value %H1行 %FACT （N）return the factorial of N， %usually denoted by N %幫助文本 %Put simply，F(xiàn)ACT （N）is PROD （1:N ） %注釋 f=prod （1:N ）; %函數(shù)體一個完整的函數(shù)M文件通常包括：. 函數(shù)定義行：定義函數(shù)名以及輸入、輸出變量的數(shù)目和順序；. H1行：對該函數(shù)進行概括性的描述（可用help和Lookfor命令調(diào)出此行）；. 幫助文本：這是比H1行更詳細(xì)的幫助信息，使用help命令時與H1行一起顯示；. 函數(shù)體：這是函數(shù)M文件的主要部分，程序的功能都在此部分實現(xiàn)；.

7、注釋：對程序行的意義進行解釋（與H1行一樣都是用%開頭）。有的函數(shù)M文件還包含return語句！4.1.3 M文件編輯器介紹1. m文件編輯器的啟動在命令窗口中敲入：edit點擊工具欄中的新建圖標(biāo)從菜單file/new/M-file中啟動2. m文件編輯器的界面菜單欄工具欄編輯窗口3. m文件的運行在m文件編輯器內(nèi)在命令窗口中運行 在命令窗口直接輸入m文件名，回車即可，但函數(shù)m文件通常還必須帶參數(shù)才能運行，也可以利用feval函數(shù)來運行函數(shù)m文件，其格式如下：feval('functionname', arg1, arg2, .)對于腳本式m文件，還可以用run函數(shù)在命令窗口中

8、運行存在的m文件。格式：run m文件名 （不必帶文件的后綴）4.1.4 對函數(shù)M文件的調(diào)用凡是以函數(shù)m文件形式保存的程序文件，均可以被其它函數(shù)m文件或腳本m文件所調(diào)用。例：先定義一個函數(shù)m文件：%計算階乘function y=jiech(n)y=1;for i=1:n y=y*i;end編寫m文件實現(xiàn)對上述函數(shù)m文件的調(diào)用：function z=dy(n)z=log(jiech(n);4.1.5數(shù)據(jù)類型與結(jié)構(gòu)MatLab的數(shù)據(jù)類型前面已經(jīng)介紹，下面是它們之間的關(guān)系圖：MatLab中結(jié)構(gòu)（教材中稱構(gòu)架）的概念和C語言中的類似，它也包含一個或多個域（數(shù)據(jù)容器），每個域可以包含任何類型的數(shù)據(jù)（這一

9、點與單元數(shù)組又相似），且相互獨立。下面通過實例來說明如何建立并訪問結(jié)構(gòu)。用結(jié)構(gòu)建立學(xué)生的數(shù)據(jù)記錄。. 例1：在命令窗口直接創(chuàng)建（或用m文件編輯器）創(chuàng)建。student.num=20070135;='李四'student.age=20;student.weight=67;student.height=1.68;student.test=90 85 76 63 88 54 79; 從這個例子可以看出結(jié)構(gòu)建立的方法：直接建立結(jié)構(gòu)和各個域，同時給各域賦值（也可以不賦值），結(jié)構(gòu)和域之間用點“.”連接。. 用關(guān)鍵字“struct”創(chuàng)建，格式如下：s = struct

10、('field1', values1, 'field2', values2, .)例2：用關(guān)鍵字“struct”創(chuàng)建。student=struct('num',20070135,'name','zhangsan','weight',1.68,'height',75,'test',98 87 65 95 78). 結(jié)構(gòu)的操作 結(jié)構(gòu)域的訪問 結(jié)構(gòu)域的添加、修改直接添加或用函數(shù)setfield()添加；直接修改或用函數(shù)setfield()修改。 結(jié)構(gòu)域的刪除 用函數(shù)rmfi

11、eld()刪除某個域。格式：s=rmfield(s,'fieldname')4.2 MatLab程序的控制程序的流程控制是高級語言中必不可少、也是非常重要的部分，要編寫出高質(zhì)量的程序，實現(xiàn)對復(fù)雜系統(tǒng)的控制、仿真，這一點也是必須掌握的。MatLab提供了多種控制結(jié)構(gòu)，包括：順序結(jié)構(gòu)、選擇(分支)結(jié)構(gòu)以及循環(huán)結(jié)構(gòu)，每種結(jié)構(gòu)都有各自的控制機制，利用它們及其它們的組合可以實行功能強大的、復(fù)雜的應(yīng)用。4.2.1順序結(jié)構(gòu)順序結(jié)構(gòu)最簡單，它是一種最基礎(chǔ)的程序結(jié)構(gòu)，也是最遵循邏輯思路的程序代碼結(jié)構(gòu)，批處理文件就是典型的順序語句文件。這種語句不需要任何特殊的流控制，按照語句的排列順序，一條一條的

12、執(zhí)行，直至結(jié)束。例：4.2.2選擇（或分支）結(jié)構(gòu)如果程序中需要根據(jù)一定條件來執(zhí)行不同的操作時，可以使用條件語句來構(gòu)成選擇或分支結(jié)構(gòu)。在MatLab中可利用if語句來實現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)。if語句的結(jié)構(gòu)通常有以下三種形式：1. 單分支結(jié)構(gòu)：這種分支結(jié)構(gòu)最簡單，格式為：if 表達式 語句end它只有一個判斷語句，當(dāng)表達式為真時，就執(zhí)行語句，否則就不執(zhí)行。例：function f=ifone(x)if x>=0 fprintf('%f is a Positive number.n',x);end2. 雙分支結(jié)構(gòu)：此時，采用if-else-end結(jié)構(gòu)，語法是： if 表達式 語句1 el

13、se 語句2 end 即：表達式為真，系統(tǒng)執(zhí)行語句1，否則將轉(zhuǎn)入語句2執(zhí)行。例：將上面的例子擴充function f=ifone(x)if x>=0 fprintf('%f is a positive number.n',x);else fprintf('%f is a negative number.n',x);end3. 多分支結(jié)構(gòu)：仍采用if-else-end結(jié)構(gòu)，但語法上略有不同，形式如下：if 表達式1 語句1 %表達式1為真執(zhí)行語句1 elseif 表達式2 語句2 %表達式2為真執(zhí)行語句2 elseif 表達式3 語句3 %表達式3為真執(zhí)行語

14、句3 else 語句n %所有表達式為假執(zhí)行語句n end 例：編寫一個成績打印程序。function f=chengji(x)if x>=90 fprintf('%d 分，成績?yōu)閮?yōu)n',x)elseif x>=80 fprintf('%d 分，成績?yōu)榱糿',x)elseif x>=70 fprintf('%d 分，成績?yōu)橹衝',x)elseif x>=60 fprintf('%d 分，成績?yōu)榧案駈',x)else fprintf('%d 分，成績?yōu)椴患案駈',x)end4.2.3開關(guān)語句（

15、Switch分支結(jié)構(gòu)）開關(guān)語句實際上也是分支結(jié)構(gòu)的一種，是一種多選擇的分支語句，作用與上面介紹的多分支結(jié)構(gòu)相似，這是MatLab6.0以上版本新增加的功能。該結(jié)構(gòu)的一般調(diào)用格式如下：Switch expression Case value1 Statements Case value2 Statements . Otherwise Statementsend例：采用switch結(jié)構(gòu)的一個簡單應(yīng)用。%提示用戶輸入數(shù)據(jù)input_num=input('Enter a number:');%根據(jù)情況判斷數(shù)值大小，顯示數(shù)據(jù)信息switch input_num case -1 disp(

16、'negative one'); case 0 disp('zero'); case 1 disp('positive one'); otherwise disp('other value'); %如果不是上面數(shù)據(jù)，顯示“其它數(shù)據(jù)”end4.2.4 try-catch 結(jié)構(gòu)try-catch結(jié)構(gòu)（或模塊）為用戶提供了一種錯誤捕捉機制，利用該模塊，一旦MatLab的編譯系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)錯誤，就將其捕捉，用戶可以控制MatLab去對出現(xiàn)的錯誤進行相應(yīng)處理。它的調(diào)用格式如下：try 語句1catch 語句2end一般來說，語句1中的所有命令都要

17、執(zhí)行，如果在執(zhí)行語句1時，沒有出現(xiàn)錯誤，那么在執(zhí)行語句1之后，就直接跳到end后；但是，如果在執(zhí)行語句1時，出現(xiàn)了錯誤，程序立刻轉(zhuǎn)到catch模塊中，去執(zhí)行語句2，并可通過調(diào)用lasterr函數(shù)查詢出錯的原因。例：見教材中P70例4-4。4.2.5循環(huán)結(jié)構(gòu)很多程序都可能會出現(xiàn)一些反復(fù)運行的部分，前面介紹的這些結(jié)構(gòu)就很難實現(xiàn)了。同其它高級語言一樣，MatLab也提供了循環(huán)語句。在循環(huán)語句中，被重復(fù)執(zhí)行的部分稱為循環(huán)體，控制循環(huán)語句是否繼續(xù)的稱為循環(huán)條件。在MatLab中有兩種循環(huán)結(jié)構(gòu)，即所謂的for循環(huán)和while循環(huán)。1. for循環(huán) for循環(huán)語句有如下特點： 它的循環(huán)判斷條件通常是對循環(huán)次

18、數(shù)的判斷，即它的循環(huán)次數(shù)是預(yù)先設(shè)定好的； for循環(huán)語句可以嵌套使用。不僅可以對for本身嵌套，還可以對其它的結(jié)構(gòu)形式進行嵌套使用。for循環(huán)的語法： for i=表達式 語句1，語句n； end例：求n個數(shù)的平方。function x=pfh(n)for i=1:n x(i)=i2;end2. while循環(huán)與for循環(huán)不同，while循環(huán)的判斷控制可以是邏輯判斷語句，它的循環(huán)次數(shù)可以是一個不定數(shù)，因此比for循環(huán)有更廣泛的用途。while循環(huán)的格式： while 表達式 語句 end在這個循環(huán)中只要表達式值不為false，程序就一直運行下去，語句被反復(fù)執(zhí)行。 例1：求幾個數(shù)的階乘。func

19、tion m=jiech(x)m=1;n=1; %給m和n賦初值while n<=x m=m*n; n=n+1; %n自增1end例2：Fibonacci數(shù)組的元素滿足Fibonacci 規(guī)則： ，；且?，F(xiàn)要求該數(shù)組中第一個大于10000的元素。a(1)=1;a(2)=1;i=2;while a(i)<=10000 a(i+1)=a(i-1)+a(i); %當(dāng)現(xiàn)有元素仍小于10000時，繼續(xù)執(zhí)行。 i=i+1;end;i,a(i),例3：綜合實例，打印九九乘法表（包含for循環(huán)的嵌套及if結(jié)構(gòu)）。clear allclcfor i=1:9 for j=1:i fprintf(

20、9;%d*%d=%d, ',j,i,i*j); if j=i fprintf('n'); end endend 思考題：如果希望打印任意個數(shù)的乘法表怎么實現(xiàn)？4.2.6輸出格式的設(shè)置在上面的程序中已經(jīng)用到了輸出語句fprintf和disp，對于這些函數(shù)的使用，一個最重要的內(nèi)容就是對它們輸出格式的設(shè)置，MatLab提供了多種可選的輸出格式，方便了用戶的使用。下面表4-1就是一些常用輸出格式的名稱及其作用：輸出格式說 明%c輸出單個字符（Single character）%d帶符號十進制數(shù)Decimal notation (signed)%f定點數(shù)（Fixed-point

21、notation）%e指數(shù)記數(shù)制Exponential notation (using a lowercase e as in 3.1415e+00)%E指數(shù)記數(shù)制Exponential notation (using an uppercase E as in 3.1415E+00)%s字符串（String of characters）%u無符號十進制數(shù)Decimal notation (unsigned)%i與%d相同Decimal notation (signed)表4-1 輸出格式說明4.3 MatLab的人機交互命令在MatLab中，還提供了一些特殊的程序控制語句，利用這些語句用可以實

22、現(xiàn)以交互的方式輸入/輸出數(shù)據(jù)、提前終止循環(huán)、跳出子程序及顯示M文件的執(zhí)行過程等操作，方便用戶與計算機之間及時地進行交互。1.終止命令break和return這兩個命令在使用上的區(qū)別： break是終止循環(huán)（專門針對for和while循環(huán)），而return是終止程序。break必須在循環(huán)語句內(nèi)，return可在任何位置。例：以只讀的方式打開一個m文件（不運行）。fid = fopen('fft.m','r'); %以只讀的方式打開fft.m文件s = '' %定義一個空字符串?dāng)?shù)組while feof(fid) line = fgetl(fid);

23、if isempty(line), break, end s = strvcat(s,line); %將空格與字符串進行垂直連接enddisp(s)return函數(shù)的使用就不在此舉例了。2.繼續(xù)命令continue for或while循環(huán)中，一旦遇到continue語句時，程序立即跳到循環(huán)的end語句，即跳過在continue與end之間的所有命令。例：程序行數(shù)的統(tǒng)計。fid = fopen('magic.m','r');count = 0;while feof(fid) line = fgetl(fid); if isempty(line) | strncmp

24、(line,'%',1) continue end count = count + 1;enddisp(sprintf('%d lines',count);3.等待用戶反映命令pause 作用：程序運行到此暫停，等待用戶的響應(yīng)。 格式： pause 或 pause（n），n暫停的時間。例：在九九乘法表程序的第一個fprintf語句后加上pause，看執(zhí)行的效果。4.echo命令 控制m文件中的命令在窗口是否顯示。通常m文件在執(zhí)行過程中并不會在命令窗口中顯示。例：在m文件中加入echo或echo on?？梢宰尦绦蜻\行到哪里就顯示在哪里。5.請求用戶輸入命令inpu

25、t 這是人機交互程序中一個非常重要的命令，利用它，程序?qū)⒁越换サ姆绞浇邮沼脩舻妮斎霐?shù)據(jù)或字符。例：將九九乘法表程序修改如下：function jjb(m)n=input('請輸入n的值：');fprintf('%d*%d的乘法表是：n',n,n);for i=1:n for j=1:i fprintf('%d*%d=%d, ',j,i,i*j); if j=i fprintf('n'); end endend另外，keyboard命令也可以達到相似的功能。6.輸出命令disp、fprintffprintf格式化數(shù)據(jù)輸出命令，但它的

26、功能有很多。如將文本或數(shù)據(jù)輸出到設(shè)備（屏幕）、串口或子系統(tǒng)中。disp顯示文本或矩陣，這里的文本包括數(shù)學(xué)符號、希臘字母等。例：disp(' Corn Oats Hay')disp(rand(5,3)關(guān)于fprintf輸出格式見前面的輸出格式的設(shè)置。4.4 MatLab的符號計算MatLab最初將其功能重點放在數(shù)值運算、矩陣運算等方面，因此，它的符號計算功能相對薄弱，但是，自從MatLab5.3開始，它這方面已經(jīng)在有了很大的改進、提高和加強。由于采用了全新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、面向?qū)ο缶幊碳爸剌d技術(shù)，使得MatLab的符號計算與數(shù)值計算在形式和風(fēng)格上渾然統(tǒng)一，7.0以后的版本，符號計算功能

27、更加強大，如提供了Symbolic Math Toolbax，這使得MatLab的符號計算的功能可以與符號計算的專用語言Maple、Mathematic等相媲美。MatLab符號運算方法：. MatLab本身已開發(fā)了許多符號運算函數(shù)，如：符號表達式、符號矩陣、符號微積分、符號線形方程等；. MatLab開發(fā)了與其它符號計算語言的接口函數(shù)，如：maple.m和map.m使之可以與Maple進行相互調(diào)用，博采眾長，這樣，MatLab符號計算的功能就進一步加強。4.4.1符號變量的生成和使用1. 符號變量、符號表達式和符號方程的生成在進行符號計算之前，首先要生成符號表達式等。 用sym函數(shù)定義符號變

28、量和符號表達式格式見教材P81。sym有兩種用法：一是用它定義一個符號變量，二是用它對整個表達式進行定義。例1：符號變量的定義。a=sym(2)/sym(5)+sym(1)/sym(3);比較b=sqrt(2)和b=sqrt(sym(2)兩個式子的輸出結(jié)果。例2：符號表達式的定義。a=sym(a);b=sym(b);c=sym(c);x=sym(x); f=a*x2+b*x+c或者：f=sym('a*x2+b*x+c') 用syms函數(shù)定義符號變量和符號表達式從例2可以看出：用sym定義符號變量還是比較麻煩，它每次只能定義一個符號變量，像上面有多個變量需要定義的話，不方便。Sy

29、ms則方便多了。其格式為：syms var1 var2 var3 例：syms x y zf=x2+2*y2+3*z2 符號方程式的生成方程與函數(shù)的區(qū)別在于函數(shù)是一個由數(shù)字和變量組成的代數(shù)式，而方程則是由函數(shù)和等號組成的等式，但它們的定義卻沒有什么差別。例：equa1=sym('sin(x)+cos(x)=1')2. 符號變量的基本操作 符號變量的尋找（findsym函數(shù)的使用）例：findsym(equa1) 或 findsym(f) 等。 符號表達式的精度（digits、vap函數(shù)）digits函數(shù)用于顯示或設(shè)定數(shù)值的精度；例：digits digits（100）vap函數(shù)

30、進行可控精度運算，與digits也有些相似。例：vpa(pi) vpa(pi,1000) 數(shù)值型變量符號型變量的轉(zhuǎn)換形式對于任意數(shù)值變量，使用sym函數(shù)可以將其轉(zhuǎn)換為4種形式的符號變量，它們是：有理數(shù)形式： sym(t)或sym(t,'r')；浮點數(shù)形式： sym(t,'f')；指數(shù)形式： sym(t,'e')；數(shù)值精度形式：sym(t,'d')。4.4.2符號表達式運算MatLab提供的符號運算函數(shù)很多，如：四則運算、合并同類項、因式分解、展開、化簡等，靈活使用這些函數(shù)，可以給我們的工作帶來便利。下面舉例說明。1. 符號表達式的四則運算2. 合并符號表達式的同類項（Collect函數(shù)）例：syms x y;R1 = collect(exp(x)+x)*(x+2)R2 = collect(x+y)*(x2+y2+1), y)R3 = collect(x+1)*(y+1),x+y)3.