MATLAB概述優(yōu)秀公開課

MATLAB基礎(chǔ)Tel:1通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生初步掌握當(dāng)前流行的MATLAB語言的基礎(chǔ)知識(shí)，學(xué)會(huì)運(yùn)用MATLAB進(jìn)行科學(xué)數(shù)據(jù)處理、計(jì)算和建模的基本技能，為今后從事畢業(yè)設(shè)計(jì)、工程設(shè)計(jì)、產(chǎn)品開發(fā)和科學(xué)研究打下較好的基礎(chǔ)。

課程任務(wù)2

教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)安排第一節(jié)概述及運(yùn)算基礎(chǔ)（2）

第二節(jié)數(shù)值運(yùn)算和符號(hào)運(yùn)算（2）

第三節(jié)MATLAB繪圖

（2）

第四節(jié)MATLAB語言程序設(shè)計(jì)

（2）考試形式總學(xué)時(shí)：16（其中上機(jī)學(xué)時(shí)8）平時(shí)成績(jī)（10%）+實(shí)驗(yàn)成績(jī)（40%）+期末考試（50%）3本課程選用教材《MATLAB基礎(chǔ)及應(yīng)用》張學(xué)敏編著中國(guó)電力出版社2009年2月5參考書目劉同娟，郭鍵，劉軍，MATLAB建模、仿真及應(yīng)用，北京：中國(guó)電力出版社，2009年4月。胡良劍，孫曉君，MATLAB數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)，北京：高等教育出版社，2006年6月。馬莉，MATLAB數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)與建模，北京：清華大學(xué)出版社，2010年1月。張圣勤，MATLAB7.0實(shí)用教程，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006年7月。陳懷琛，吳大正，高西全，MATLAB及在電子信息課程中的應(yīng)用（第3版），北京：電子工業(yè)出版社，2006年3月。

LearningMATLAB．

UsingtheControlSystemToolbox.6仿真軟件的簡(jiǎn)介1、程序編程階段：所有問題（如：微分方程求解、矩陣運(yùn)算、繪圖等）都是用高級(jí)算法語言（如C、FORTRAN等）來編寫。2、程序軟件包階段：出現(xiàn)了“應(yīng)用子程序庫(kù)”。3、交互式語言階段（仿真語言：仿真語言可用一條指令實(shí)現(xiàn)某種功能，如“系統(tǒng)特征值的求解”，使用人員不必考慮什么算法，以及如何實(shí)現(xiàn)等低級(jí)問題。4、模型化圖形組態(tài)階段：符合設(shè)計(jì)人員對(duì)基于模型圖形化的描述。一、仿真的發(fā)展7按計(jì)算機(jī)類型分類1、模擬仿真：采用數(shù)學(xué)模型，在模擬計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究。50年代2、數(shù)字仿真：采用數(shù)學(xué)模型，在數(shù)字計(jì)算機(jī)上借助于數(shù)值計(jì)算方法所進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)。60年代3、混合仿真：結(jié)合了模擬仿真與數(shù)字仿真。4、現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真：采用先進(jìn)的微型計(jì)算機(jī)，基于專用的仿真軟件、仿真語言來實(shí)現(xiàn)，其數(shù)值計(jì)算功能強(qiáng)大，使用方便，易學(xué)。80年代以來9三、常見的幾種仿真軟件PSPICE、ORCAD：通用的電子電路仿真軟件，適合于元件級(jí)仿真。SYSTEMVIEW：系統(tǒng)級(jí)的電路動(dòng)態(tài)仿真軟件NS2OPNETGlobeSim:網(wǎng)絡(luò)協(xié)議仿真軟件MATLAB：具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力，包含各種工具箱，其程序不能脫離MATLAB環(huán)境而運(yùn)行，所以嚴(yán)格講，MATLAB不是一種計(jì)算機(jī)語言，而是一種高級(jí)的科學(xué)分析與計(jì)算軟件。SIMULINK：是MATLAB附帶的基于模型化圖形組態(tài)的動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境。10電子信息工程學(xué)院

網(wǎng)絡(luò)與信息安全實(shí)驗(yàn)室Adhoc網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議仿真軟件

11四、仿真技術(shù)的應(yīng)用1、航空與航天工業(yè)2、電力工業(yè)3、原子能工業(yè)4、石油、化工及冶金工業(yè)5、非工程領(lǐng)域醫(yī)學(xué)社會(huì)學(xué)宏觀經(jīng)濟(jì)與商業(yè)策略的研究13五、應(yīng)用仿真技術(shù)的意義1、經(jīng)濟(jì)，采用仿真實(shí)驗(yàn)僅需成本的1/10~1/5，而且設(shè)備可以重復(fù)使用。2、安全，采用仿真實(shí)驗(yàn)可以有效降低危險(xiǎn)程度，對(duì)系統(tǒng)的研究起到保障作用。3、快捷，提高設(shè)計(jì)效率：比如電路設(shè)計(jì)，服裝設(shè)計(jì)等等。4、具有優(yōu)化設(shè)計(jì)和預(yù)測(cè)的特殊功能14六、仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1、硬件方面：基于多CPU并行處理技術(shù)的全數(shù)字仿真將有效提高仿真系統(tǒng)的速度，大大增強(qiáng)數(shù)字仿真的實(shí)時(shí)性。2、應(yīng)用軟件方面：直接面向用戶的數(shù)字仿真軟件不斷推陳出新，各種專家系統(tǒng)與智能化技術(shù)將更深入地應(yīng)用于仿真軟件開發(fā)之中，使得在人機(jī)界面、結(jié)果輸出、綜合評(píng)判等方面達(dá)到更理想的境界。3、分布式數(shù)字仿真：充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，協(xié)調(diào)合作，投資少，效果好。4、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)：綜合了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、顯示技術(shù)以及仿真技術(shù)等多學(xué)科，使人置身于真實(shí)環(huán)境之中。15本講目標(biāo)了解MATLAB的基本知識(shí)熟悉MATLAB的開發(fā)環(huán)境掌握利用MATLAB進(jìn)行基本運(yùn)算的方法17主要內(nèi)容1.1科學(xué)工程計(jì)算與MATLAB1.2基本運(yùn)算功能1.3基本數(shù)據(jù)類型1.4數(shù)學(xué)函數(shù)181.1科學(xué)工程計(jì)算與MATLAB科學(xué)研究和工程實(shí)踐中的計(jì)算問題簡(jiǎn)單問題：計(jì)算器或直接手工推導(dǎo)復(fù)雜問題：計(jì)算機(jī)編程計(jì)算機(jī)編程高級(jí)編程語言Microsoft:VisualC++、VisualBasicBorland:Delphi、C++BuilderSun:Java科學(xué)計(jì)算軟件工具M(jìn)athWorks:MATLAB19MATLAB是什么?

MATLAB（MATrix

LABoratory）是一種以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)的交互式程序語言，著重針對(duì)科學(xué)計(jì)算、工程計(jì)算和繪圖的需求。首創(chuàng)者CleveMoler

教授曾在密西根大學(xué)、斯坦福大學(xué)和新墨西哥大學(xué)任數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)教授,和JohnLittle等人成立了TheMathWorks

公司。該公司于1984年推出MATLAB，1988年3.0版，1992年4.0版，1997年5.0版，2000年6.0版，2001年6.5版，我們使用版本為7.0版。21MATLAB特色舉例例1矩陣生成與運(yùn)算《射雕英雄傳》中的一個(gè)“數(shù)學(xué)問題”,該問題用半數(shù)學(xué)語言描述就是：如何生成一個(gè)3x3矩陣,并將自然數(shù)1,2,...,9分別置成這9個(gè)矩陣元素，才能使得每一行、每一列、且主、反對(duì)角線上元素相加都等于一個(gè)相同的數(shù)。魔方矩陣（即九宮算術(shù)）A=magic(3)求矩陣的行列式和特征值 det(A) eig(A)22MATLAB特色舉例>>[x,y]=meshgrid(-3:1/8:3);

z=3*(1-x).^2.*exp(-(x.^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),shadinginterp;colorbar例2考慮一個(gè)二元函數(shù)，如何用三維圖形的方式表現(xiàn)出這個(gè)曲面？23求解該微分方程，繪制出時(shí)間曲線與相空間曲線，如下所示。>>t_final=100;x0=[0;0;1e-10];

[t,x]=ode45('lorenzeq',[0,t_final],x0);

plot(t,x),

figure;plot3(x(:,1),x(:,2),x(:,3));axis([1040-2020-2020]);描述微分方程：functionxdot=lorenzeq(t,x)

xdot=[-8/3*x(1)+x(2)*x(3);

-10*x(2)+10*x(3);

-x(1)*x(2)+28*x(2)-x(3)];endMATLAB特色舉例251.2基本運(yùn)算功能MATLAB的基本運(yùn)算可分為三類：算術(shù)運(yùn)算關(guān)系運(yùn)算邏輯運(yùn)算26逗號(hào)或分號(hào)的區(qū)別>>x=2,y=3 %逗號(hào)隔開，屏幕有回顯x=2y=3>>m=2;n=3; %分號(hào)隔開，無回顯>>m %在提示符后直接輸入變量名可查看變量的值m=229基本算術(shù)運(yùn)算符運(yùn)算符號(hào)運(yùn)算符號(hào)加+減-乘*數(shù)組相乘.*左除\數(shù)組左除.\右除/數(shù)組右除./冪次方^數(shù)組冪次方.^30例1-1求解算術(shù)表達(dá)式的值>>(12+2*(7-4))/3^3ans=0.666731format命令MATLAB命令含義范例formatshort短格式3.1416formatshorte短格式科學(xué)格式3.1416e+000formatlong長(zhǎng)格式3.149formatlonge長(zhǎng)格式科學(xué)格式3.1493e+000formatrat有理格式355/113formathex十六進(jìn)制格式400921fb54442d18formatbank 銀行格式3.14321.2.2關(guān)系運(yùn)算運(yùn)算符號(hào)運(yùn)算符號(hào)大于>小于<等于==不等于~=大于等于>=小于等于<=33關(guān)系運(yùn)算的結(jié)果類型為邏輯量(0,1)

>>x=2;>>x>3ans=0>>x<=2ans=1341.2.3邏輯運(yùn)算邏輯運(yùn)算符用于將關(guān)系表達(dá)式或邏輯量連接起來，構(gòu)成較復(fù)雜的邏輯表達(dá)式。邏輯表達(dá)式的值也是邏輯量。運(yùn)算符號(hào)運(yùn)算符號(hào)與&或|非~異或xor351.3基本數(shù)據(jù)類型MATLAB數(shù)據(jù)類型數(shù)值邏輯字符串單元結(jié)構(gòu)類361.3.1數(shù)值類型分類方法一：雙精度型

（系統(tǒng)默認(rèn)類型）單精度型帶符號(hào)整數(shù)無符號(hào)整數(shù)分類方法二標(biāo)量數(shù)組矩陣分類方法三實(shí)數(shù)復(fù)數(shù)>>z1=1+2iz1=1.0000+2.0000i>>z2=3+4jz2=3.0000+4.0000i371.3.2字符串類型字符串：包含在一對(duì)單引號(hào)中的字符集合>>s='hello,MATLAB' %定義字符串變量ss=hello,MATLAB38MATLAB中的字符串運(yùn)算功能非常豐富，特別是符號(hào)運(yùn)算功能的加入，使得字符串函數(shù)功能得到了極大增強(qiáng)。在MATLAB中，所有字符串都用英文單引號(hào)標(biāo)識(shí)，字符串和字符數(shù)組是等價(jià)的，字符串中的每個(gè)字符(包括空格)都是字符數(shù)組的一個(gè)元素。39字符串與數(shù)值數(shù)組的相互轉(zhuǎn)換

詳情請(qǐng)參閱幫助(help)函數(shù)名可實(shí)現(xiàn)的功能函數(shù)名可實(shí)現(xiàn)的功能num2str數(shù)字轉(zhuǎn)換為字符串str2num字符串轉(zhuǎn)換為數(shù)字int2str整數(shù)轉(zhuǎn)換為字符串sprintf將格式數(shù)據(jù)寫為字符串mat2str矩陣轉(zhuǎn)換為字符串sscanf在格式控制下讀字符串40字符串的操作與執(zhí)行

詳情請(qǐng)參閱幫助(help)函數(shù)名可實(shí)現(xiàn)的功能函數(shù)名可實(shí)現(xiàn)的功能strcat串連接strrep串替換strvcat串垂直連接strtok找串記號(hào)strcmp串比較upper轉(zhuǎn)換串為大寫strncmp串比較(前n個(gè)字符)lower轉(zhuǎn)換串為小寫findstr串中查找字串blanks生成空串strjust微調(diào)字符串deblank去除串空格strmatch查找匹配的串eval執(zhí)行字符串41串檢驗(yàn)與進(jìn)制轉(zhuǎn)換函數(shù)

詳情請(qǐng)參閱幫助(help)函數(shù)名可實(shí)現(xiàn)的功能函數(shù)名可實(shí)現(xiàn)的功能ischar字符串檢驗(yàn)isletter字母檢驗(yàn)iscellstr串單元陣檢驗(yàn)isspace空格檢驗(yàn)hex2dec16→10轉(zhuǎn)換dec2bin10→2轉(zhuǎn)換hex2num16→雙精轉(zhuǎn)換base2decn→10轉(zhuǎn)換dec2hex10→16轉(zhuǎn)換dec2base10→n轉(zhuǎn)換bin2dec2→10轉(zhuǎn)換strings字串幫助423.單元型變量單元型變量是MATLAB中較為特殊的一種數(shù)據(jù)類型，本質(zhì)上也是一種數(shù)組，但這種數(shù)組和傳統(tǒng)數(shù)組的區(qū)別是：傳統(tǒng)數(shù)組中所有元素只能是同一種數(shù)據(jù)類型，而單元型數(shù)組可以把不同的數(shù)據(jù)類型組合在一起，從而形成一種比較復(fù)雜的數(shù)組。43(1)單元型變量的定義直接賦值法：?jiǎn)卧妥兞渴褂么罄ㄌ?hào)標(biāo)識(shí)，元素之間用逗號(hào)分隔。也可以直接對(duì)單元型變量的元素直接賦值單元型變量的下標(biāo)用大括號(hào)索引。 如A(1,1)=｛’matlab’｝，A{1,1}=’matlab’。由cell函數(shù)預(yù)先分配存儲(chǔ)空間，然后逐個(gè)元素進(jìn)行賦值。例如：B＝cell(2,3)，可在內(nèi)存空間中建立一個(gè)單元型空變量B，然后可逐個(gè)對(duì)其每個(gè)元素賦值。44值得注意的是：?jiǎn)卧妥兞康拇鎯?chǔ)并不是以指針的方式來存儲(chǔ)的，因此改變?cè)氐闹凳遣粫?huì)影響到原來所引用的變量值的。單元型變量還可以嵌套，即單元型變量的元素也可以是單元型變量。(2)單元型變量的相關(guān)函數(shù)函數(shù)名說明函數(shù)名說明cell生成單元型變量deal輸入輸出處理cellfun單元型變量元素的作用cell2struct單元型量→結(jié)構(gòu)型量celldisp顯示單元型變量?jī)?nèi)容struct2cell結(jié)構(gòu)型量→單元型量cellplot圖形顯示單元型變量iscell判斷是否為單元型變量num2cell數(shù)值→單元型變量reshape改變數(shù)組結(jié)構(gòu)454.結(jié)構(gòu)型變量結(jié)構(gòu)型變量是另外一種可以將不同的數(shù)據(jù)類型組合在一起的特殊數(shù)據(jù)類型。與單元型數(shù)據(jù)類型相同它也不是以指針方式傳遞數(shù)據(jù)的。不同的是其作用相當(dāng)于數(shù)據(jù)庫(kù)中的記錄，可存儲(chǔ)一系列相關(guān)數(shù)據(jù)。同一個(gè)數(shù)據(jù)字段（Field）必須具有相同的數(shù)據(jù)類型，而單元型數(shù)據(jù)每個(gè)元素彼此可以不同。46(1)結(jié)構(gòu)型變量的定義直接賦值法：結(jié)構(gòu)型變量的使用必須指出結(jié)構(gòu)的屬性名，并以操作符“.”來連接結(jié)構(gòu)變量名與屬性名。對(duì)該屬性直接賦值，MATLAB會(huì)自動(dòng)生成該結(jié)構(gòu)變量。如A.b1，B(2,3).a3等。結(jié)構(gòu)型數(shù)組的不同元素類型可不同。由struct函數(shù)預(yù)先分配存儲(chǔ)空間方法是：結(jié)構(gòu)型變量＝struct(元素名1，元素值1，元素名2，元素值2，…)

例如：c=struct(‘c1’,1,’c2’,b,’c3’,’abcd’)47值得注意的是：結(jié)構(gòu)型變量的存儲(chǔ)也不是以指針方式存儲(chǔ)的。因此改變?cè)氐闹稻筒粫?huì)影響到所引用變量的值。結(jié)構(gòu)型變量也可以嵌套使用，即結(jié)構(gòu)型變量的元素也可以是結(jié)構(gòu)型變量。(2)結(jié)構(gòu)型變量的相關(guān)函數(shù)函數(shù)名說明函數(shù)名說明struct創(chuàng)建或改變結(jié)構(gòu)型變量rmfield刪除結(jié)構(gòu)型變量屬性fieldnames取得結(jié)構(gòu)型變量屬性名isfield判斷結(jié)構(gòu)型變量屬性getfield取得結(jié)構(gòu)型變量屬性值isstruct判斷結(jié)構(gòu)型變量setfield設(shè)置結(jié)構(gòu)型變量屬性值481.3.3變量和表達(dá)式變量的命名方式：變量名由字母、數(shù)字和下劃線組成；變量名中的英文字母大小寫是有區(qū)別的；變量名的最大長(zhǎng)度是有規(guī)定的不同版本的系統(tǒng)規(guī)定不同：19個(gè)字符、31或63個(gè)字符等可調(diào)用namelengthmax函數(shù)得到系統(tǒng)規(guī)定長(zhǎng)度49MATLAB系統(tǒng)的特殊變量和常數(shù)特殊變量意義

ans如果用戶未定義變量名，系統(tǒng)用于計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)的默認(rèn)變量名

pi圓周率π（=3.1415926...）

inf或Inf無窮大∞值，如1/0

eps浮點(diǎn)運(yùn)算的相對(duì)精度2^(-52)realmax最大的正浮點(diǎn)數(shù)，2^(1024)-1realmin最小的正浮點(diǎn)數(shù)，2^(-1022)NaN或nan不定量，如0/0或inf/inf

i或j虛數(shù)單位nargin函數(shù)輸入?yún)?shù)個(gè)數(shù)nargout函數(shù)輸出參數(shù)個(gè)數(shù)lasterr存放最新的錯(cuò)誤信息lastwarn存放最新的警告信息50變量的使用>>clear %刪除工作區(qū)中所有定義過的變量>>whos %查看當(dāng)前工作區(qū)內(nèi)變量信息，無顯示表示沒有定義的變量>>xy=1;yx=2; %對(duì)變量賦值>>xy %查看變量xy的當(dāng)前數(shù)值xy=1>>whos

NameSizeBytesClassxy1x18doublearrayyx1x18doublearrayGrandtotalis2elementsusing16bytes>>clearxyyx %刪除變量xy及yx>>whos >>xy %這時(shí)變量xy已經(jīng)不存在了???Undefinedfunctionorvariable'xy'.511.4數(shù)學(xué)函數(shù)類型函數(shù)含義三角函數(shù)sin(x)正弦值asin(x)反正弦值cos(x)余弦值acos(x)反余弦值tan(x)正切指數(shù)函數(shù)exp(x)指數(shù)運(yùn)算log(x)自然對(duì)數(shù)sqrt(x)求平方根復(fù)數(shù)函數(shù)abs(x)求絕對(duì)值imag(x)取出復(fù)數(shù)的虛部real(x)取出復(fù)數(shù)的實(shí)部conj(x)復(fù)數(shù)共軛數(shù)論函數(shù)round(x)四舍五入mod(x,y)求余數(shù)lcm(x,y)整數(shù)x和y的最小公倍數(shù)gcd(x,y)整數(shù)x和y的最大公約數(shù)52使用函數(shù)須注意以下幾點(diǎn)函數(shù)一定要出現(xiàn)在等式的右邊函數(shù)對(duì)其自變量的個(gè)數(shù)和格式都有一定的要求函數(shù)允許嵌套53例1-3計(jì)算下式的結(jié)果，其中a=5.67,b=7.811>>a=5.67;b=7.811;>>exp(a+b)/log10(a+b)ans=6.3351e+00554擴(kuò)展閱讀1.1MATLAB背景MATLAB歷史MATLAB組成MATLAB特點(diǎn)1.3MATLAB應(yīng)用開發(fā)環(huán)境55上機(jī)指導(dǎo)1.2MATLAB的安裝和使用安裝MATLAB系統(tǒng)使用MATLAB系統(tǒng)1.4MATLAB幫助功能一“純文本”幫助 在指令窗中運(yùn)行help的示例。二“導(dǎo)航/瀏覽器交互界面”幫助三PDF幫助四其他幫助工作空間窗口Workspace命令歷史窗口Commandhistory當(dāng)前目錄窗口currentdirectory命令窗口Commandwindow菜單欄menu工具欄toolbar56Task(1)執(zhí)行MATLAB的啟動(dòng)和退出。觀看DEMO程序,INTRO程序,HELP文件，練習(xí)MATLAB常用命令在命令窗口中計(jì)算數(shù)學(xué)表達(dá)式，輸入簡(jiǎn)單矩陣，查看工作空間中的變量，命令窗口顯示清除，語句、變量及數(shù)據(jù)的表示，搜索路徑設(shè)置。57Task(2)計(jì)算星球之間的萬有引力。>>G=6.67E-11; %引力恒量>>sun=1.987E30; %太陽質(zhì)量1.987×1030千克>>earth=5.975E24; %地球質(zhì)量5.975×1024千克>>d1=1.495E11; %太陽和地球的距離1.495×1011米>>g1=G*sun*earth/d1^2 %太陽和地球的引力g1=3.5431e+022>>moon=7.348E22; %月亮質(zhì)量7.348×1022千克>>d2=3.844E5; %月亮和地球兩者間距3.844×105米>>g2=G*moon*earth/d2^2 %月亮和地球的引力g2=1.9818e+02658Task(3)設(shè)三個(gè)復(fù)數(shù)a＝3＋4i，b＝1＋2i,，計(jì)算x=ab/c>>a=3+4i;>>b=1+2i;>>c=2*exp(i*pi/6);>>x=a*b/cx=0.3349+5.5801i59Task(4)已知三角形的三邊長(zhǎng)分別為3、4、5，求其面積。>>a=3;b=4;c=5; %三角形的三個(gè)邊長(zhǎng)>>s=(a+b+c)/2;>>area=sqrt(s*(s-a)*(s-b)*(s-c))