計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與CAD-基于MATLAB的電氣工程（第2版） 課件 第1章MATLAB語言簡(jiǎn)介

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計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)—基于MATLAB的電氣工程

潘峰

李國勇主編

電子工業(yè)出版社2

MATLAB語言簡(jiǎn)介MATLAB基本操作MATLAB程序設(shè)計(jì)MATLAB圖形處理MATLAB高級(jí)操作Simulink動(dòng)態(tài)仿真集成環(huán)境MATLAB在電力電子變流中的應(yīng)用MATLAB在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用MATLAB在交流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用MATLAB在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用本書內(nèi)容3本章內(nèi)容

MATLAB的功能特點(diǎn)；

MATLAB的操作界面；

MATLAB的工作窗口；

MATLAB的文件管理；

MATLAB的的幫助系統(tǒng)。第1章MATLAB語言簡(jiǎn)介4

MATLAB是由美國MathWorks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它的應(yīng)用范圍非常廣，包括工程計(jì)算、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)值分析、信號(hào)和圖像處理、通訊、測(cè)試和測(cè)量、財(cái)務(wù)與金融分析以及計(jì)算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱擴(kuò)展了MATLAB環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類型的問題。5

1.1MATLAB的功能特點(diǎn)MATLAB是一種用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境。使用它可以較使用傳統(tǒng)的編程語言（如C、C++和Fortran）更快地解決技術(shù)計(jì)算問題。它的應(yīng)用范圍非常廣，包括工程計(jì)算、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、信號(hào)和圖像處理、通訊、測(cè)試和測(cè)量、金融建模和分析以及計(jì)算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱擴(kuò)展了MATLAB環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類型的問題。6

在科學(xué)研究和工程應(yīng)用中，為了克服一般語言對(duì)大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算，尤其當(dāng)涉及矩陣運(yùn)算時(shí)，編程難、調(diào)試麻煩等困難，美國MathWorks公司于1967年構(gòu)思并開發(fā)了“MatrixLaboratory”（縮寫MATLAB，即矩陣實(shí)驗(yàn)室）軟件包，經(jīng)過不斷更新和擴(kuò)充，該公司于1984年推出了正式版的MATLAB1.0。特別是1992年推出了具有劃時(shí)代意義的MATLAB4.0版，并于1993年推出了其微機(jī)版，以配合當(dāng)時(shí)日益流行的MicrosoftWindows一起使用。7

到目前為止先后推出了微機(jī)版的MATLAB4.x～MATLAB9.x/23.2

，使之應(yīng)用范圍越來越廣。從2006年開始，MathWorks公司每年發(fā)布兩個(gè)用年號(hào)表示建造編號(hào)的MATLAB版本，其中上半年3月份左右發(fā)布a版，下半年9月份左右發(fā)布b版。如MATLAB7.2(R2006a)、MATLAB7.3(R2006b)。欲查看MATLAB版本更新一覽表請(qǐng)掃描下面二維碼1。

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用MATLAB編程運(yùn)算與人進(jìn)行科學(xué)計(jì)算的思路和表達(dá)方式完全一致，所以使用MATLAB進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算就象在草稿紙上演算數(shù)學(xué)題一樣方便。

萬能的、科學(xué)的數(shù)學(xué)運(yùn)算“演算紙”萬能的計(jì)算器9MATLAB大大降低了對(duì)使用者的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和計(jì)算機(jī)語言知識(shí)的要求，既使用戶不懂C或FORTRAN這樣的程序設(shè)計(jì)語言，也可使用MATLAB輕易的再現(xiàn)C或FORTRAN語言幾乎全部的功能，設(shè)計(jì)出功能強(qiáng)大、界面優(yōu)美、穩(wěn)定可靠的高質(zhì)量程序來，而且編程效率和計(jì)算效率極高。10

盡管MATLAB開始并不是為電氣工程的設(shè)計(jì)者們編寫的，但以它“語言”化的數(shù)值計(jì)算、強(qiáng)大的矩陣處理及繪圖功能、靈活的可擴(kuò)充性和產(chǎn)業(yè)化的開發(fā)思路很快就為電氣工程界研究人員所矚目。目前，在電氣工程、自動(dòng)控制、圖像處理、信號(hào)分析、語言處理、振動(dòng)理論、優(yōu)化設(shè)計(jì)、時(shí)序分析和系統(tǒng)建模等領(lǐng)域。11

由著名專家與學(xué)者以MATLAB為基礎(chǔ)開發(fā)的實(shí)用工具箱極大地豐富了MATLAB的內(nèi)容，較為常見的MATLAB工具箱主要有：（1）AerospaceToolbox—航空航天工具箱；（2）AntennaToolbox—天線工具箱；（3）AutomatedDrivingSystemToolbox—自動(dòng)駕駛系統(tǒng)工具箱；（4）BioinformaticsToolbox—生物信息工具箱；（5）CommunicationsSystemToolbox—通信系統(tǒng)工具箱；（6）ComputerVisionSystemToolbox—計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)工具箱；（7）ControlSystemToolbox—控制系統(tǒng)工具箱；（8）CurveFittingToolbox—曲線擬合工具箱；12（9）DataAcquisitionToolbox—數(shù)據(jù)采集工具箱；（10）DatabaseToolbox—數(shù)據(jù)庫工具箱；（11）DatafeedToolbox—數(shù)據(jù)饋送工具箱；（12）DeepLearningToolbox—深度學(xué)習(xí)工具箱；（13）DSPSystemToolbox—DSP系統(tǒng)工具箱；（14）EconometricsToolbox—經(jīng)濟(jì)計(jì)量學(xué)工具箱；（15）FilterDesignToolbox—濾波器設(shè)計(jì)工具箱；（16）FinancialInstrumentsToolbox—金融工具箱；（17）FinancialToolbox—財(cái)務(wù)工具箱；（18）Fixed-PointBlockset—定點(diǎn)運(yùn)算模塊集；（19）FuzzyLogicToolbox—模糊邏輯工具箱；（20）GaugesBlockset—儀表模塊集；13（21）GeneticAlgorithmandDirectSearchToolbox—遺傳算法與直

接搜索工具箱；（22）GlobalOptimizationToolbox—全局優(yōu)化工具箱；（23）Higher-OrderSpectralAnalysisToolbox—高階譜分析工具箱；（24）ImageAcquisitionToolbox—圖像采集工具箱；（25）ImageProcessingToolbox—圖像處理工具箱；（26）InstrumentControlToolbox—儀器控制工具箱；（27）LMIControlToolbox—線性矩陣不等式工具箱；（28）LTESystemToolbox—LTE系統(tǒng)工具箱；（29）MappingToolbox—繪圖工具箱；（30）ModelPredictiveControlToolbox—模型預(yù)測(cè)控制工具箱；（31）Model-BasedCalibrationToolbox—基于模型的標(biāo)定工具箱；（32）NeuralNetworkToolbox—神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱；（33）OPCToolbox—OPC開發(fā)工具箱；（34）OptimizationToolbox—優(yōu)化工具箱；14（35）ParallelComputingToolbox—并行計(jì)算工具箱；（36）PartialDifferentialEquationToolbox—偏微分方程工具箱；（37）PhasedArraySystemToolbox—相控陣系統(tǒng)工具箱；（38）PowersysToolbox—電力系統(tǒng)工具箱；（39）ReinforcementLearningToolbox—強(qiáng)化學(xué)習(xí)工具箱；（40）RoboticsToolbox—機(jī)器人工具箱；（41）RobustControlToolbox—魯棒控制工具箱；（42）SensorFusionandTrackingToolbox—傳感器融合和跟蹤工具箱；（43）SignalProcessingToolbox—信號(hào)處理工具箱；（44）SimulinkToolbox—?jiǎng)討B(tài)仿真工具箱；（45）SplineToolbox—樣條工具箱；（46）StatisticsToolbox—統(tǒng)計(jì)工具箱；15（47）Statistics

and

MachineLearning

Toolbox—統(tǒng)計(jì)和機(jī)器學(xué)習(xí)工具箱；（48）SymbolicMathToolbox—符號(hào)數(shù)學(xué)工具箱；（49）SystemIdentificationToolbox—系統(tǒng)辨識(shí)工具箱；（50）TradingToolbox—貿(mào)易工具箱；（51）VehicleNetworkToolbox—運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)工具箱；（52）WaveletToolbox—小波工具箱；（53）μ-AnalysisandSynthesisToolbox—μ分析和綜合工具箱；（54）5GToolbox—5G工具箱。16

模型輸入與仿真環(huán)境Simulink更使MATLAB為電氣工程系統(tǒng)的仿真與CAD中的應(yīng)用打開了嶄新的局面，并使得MATLAB目前已經(jīng)成為國際上最流行的電氣工程系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的軟件工具。

MATLAB不僅流行于電氣工程系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)、語言處理、圖像信號(hào)處理、雷達(dá)工程、信號(hào)分析、數(shù)學(xué)計(jì)算、生物醫(yī)學(xué)工程、金融統(tǒng)計(jì)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等各行各業(yè)中都有極廣泛的應(yīng)用。17

嚴(yán)格地說，MATLAB并不是一種計(jì)算機(jī)語言，它僅僅是一種高級(jí)的科學(xué)分析與計(jì)算軟件。因?yàn)?，用它編寫出來的程序并不能脫離MATLAB環(huán)境而執(zhí)行，但從其功能上講，MATLAB已經(jīng)完全具備了計(jì)算機(jī)語言的結(jié)構(gòu)與性能，所以我們這里將其簡(jiǎn)稱為“MATLAB語言”。18

一臺(tái)計(jì)算機(jī)上可同時(shí)安裝多種MATLAB版本，它們之間相互獨(dú)立互不干擾。從MATLAB7.1開始，MATLAB同時(shí)支持32和64位操作系統(tǒng)，安裝包win32和win64兩個(gè)文件夾分別與之對(duì)應(yīng)。使用WindowsXP系統(tǒng)的用戶需要安裝MATLAB6.5及以上的版本，否則不能正常使用。MATLAB7.8（R2009a）及以上的版本基本都兼容Windows7及以上操作系統(tǒng)。

1.2MATLAB的操作界面

19目前較為常用MATLAB版本的操作界面如圖1-1所示。(a)MATLAB6.1(b)MATLAB6.5圖1-120

(c)MATLAB7.5（R2007b）

(d)MATLAB7.13（R2011b）

(c)MATLAB8.5（R2015a）(d)MATLAB9.14（R2023a）

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由圖1-1可知，MATLAB各種版本的操作界面略有不同。

MATLAB6.5以前版本的操作界面通常由工作窗口、功能菜單和工具欄等組成。

MATLAB6.5和MATLAB7.x的操作界面中新增加了開始（Start）按鈕。在MATLAB8.x/9.x操作界面中，又新設(shè)置了主頁（HOME）、繪圖（PLOTS）和應(yīng)用程序（APPS）等3個(gè)頁面，同時(shí)取消了開始按鈕并將其主要操作命令合并到應(yīng)用程序頁面中。其中主頁中包含一些常用的功能菜單和快捷按鈕；繪圖頁面中包含所有繪圖函數(shù)；應(yīng)用程序頁面包含常用工具箱中的各種交互操作界面命令，其更加方便、實(shí)用和靈活。22

隨著MATLAB的迅速變化，盡管目前最新版本與MATLAB7.x相比，其內(nèi)容和功能急劇擴(kuò)充，但就本教材所涉及的內(nèi)容而言，它們并無本質(zhì)性變化，且常用功能的使用方法基本相同。另外，最新版本安裝程序大，且運(yùn)行速度慢，尤其是啟動(dòng)初始化時(shí)特慢。特別指出的是，MATLAB9.14（R2023a）等雖已將主操作界面漢化，并支持中文，便于讀者自學(xué)，但其大多子操作界面和子菜單仍為英文，且主要功能的使用方法仍同于MATLAB7.x。23

故本書仍以目前流行的經(jīng)典版本MATLAB7.5（R2007b）為基礎(chǔ)來進(jìn)行敘述，但增加了新版本與以前版本有較大變化且涉及本課程內(nèi)容的部分，使得本書所述內(nèi)容對(duì)使用最新版本的用戶仍可完全適用，同時(shí)也兼顧了當(dāng)前仍在較低配置計(jì)算機(jī)上使用較低版本的用戶。24

由圖1-1所示MATLAB的操作界面可知，在默認(rèn)狀態(tài)下，MATLAB通常包含以下幾個(gè)工作窗口。

1.3MATLAB的工作窗口

圖1-125①命令窗口（CommandWindow）

MATLAB的命令窗口位于MATLAB操作界面的右方或中間,它是MATLAB的主要操作窗口，MATLAB的大部分操作命令和結(jié)果都需要在此窗口中進(jìn)行操作和顯示。在MATLAB命令窗口中的“>>”標(biāo)志為MATLAB的命令提示符，“|”標(biāo)志為輸入字符提示符。26

如果用戶是第一次使用MATLAB，則建議首先在命令行中鍵入demo命令，它將啟動(dòng)MATLAB的演示程序，用戶可以在這些演示程序中領(lǐng)略到MATLAB所提供的強(qiáng)大的運(yùn)算和繪圖功能。27②歷史命令（CommandHistory）窗口在默認(rèn)狀態(tài)下,該命令窗口出現(xiàn)在MATLAB操作界面的左下方或右下方

。這個(gè)窗口記錄用戶已經(jīng)操作過的各種命令，用戶可以對(duì)這些歷史信息進(jìn)行編輯、復(fù)制和剪切等操作。28③當(dāng)前工作目錄（CurrentDirectory）窗口在默認(rèn)狀態(tài)下，該窗口出現(xiàn)在MATLAB操作界面的左上方的前臺(tái)或左方

。在這個(gè)窗口中，用戶可以設(shè)置MATLAB的當(dāng)前工作目錄，并展示目錄中的M文件等。同時(shí)，用戶可以對(duì)這些M文件進(jìn)行編輯等操作。29④工作空間（Workspace）瀏覽器窗口在默認(rèn)狀態(tài)下，該窗口出現(xiàn)在MATLAB操作界面的左上方的后臺(tái)或右上方

。在這個(gè)窗口中，用戶可以查看工作空間中所有變量的類別、名稱和大小。用戶可以在這個(gè)窗口中觀察、編輯和提取這些變量。30

1.4MATLAB的文件管理

1.開始按鈕開始按鈕（Start）位于MATLAB6.5和MATLAB7.x操作界面的左下角，單擊這個(gè)按鈕后，會(huì)出現(xiàn)MATLAB的操作菜單。這個(gè)菜單上半部分的選項(xiàng)包含MATLAB的各種交互操作命令，下半部分的選項(xiàng)的主要功能是窗口設(shè)置、訪問MATLAB公司的網(wǎng)頁和查看幫助文件等。但在MATLAB8.x/9.x操作界面中，取消了左下角的開始按鈕（Start），并將其主要操作命令合并到應(yīng)用程序頁面中。312.功能菜單為了更好地利用MATLAB，在其操作界面中設(shè)置了以下多個(gè)功能菜單。32*File文件操作菜單

New新建M文件、圖形、模型和圖形用戶界面

Open打開.m,.fig,.mat,.mdl,.cdr等文件

CloseCommandWindow關(guān)閉命令窗口

ImportData從其他文件導(dǎo)入數(shù)據(jù)

SaveWorkspaceAs

保存工作空間數(shù)據(jù)到相應(yīng)的路徑文件中窗口

SetPath設(shè)置工作路徑

Preferences設(shè)置命令窗口的屬性

PageSetup頁面設(shè)置

Print設(shè)置打印機(jī)屬性

PrintSelection選擇打印

ExitMATLAB退出MATLAB操作界面33*Edit編輯菜單

Undo撤消上一步操作

Redo重新執(zhí)行上一步操作

Cut剪切

Copy復(fù)制

Paste粘貼

PasteSpecial粘貼特定內(nèi)容

SelectAll全部選定

Delete刪除所選對(duì)象

Find查找所需對(duì)象

FindFiles查找所需文件

ClearCommandWindow清除命令窗口的內(nèi)容

ClearCommandHistory清除歷史窗口的內(nèi)容

ClearWorkspace清除工作區(qū)的內(nèi)容34*Debug調(diào)試菜單

OpenM-FileswhenDebugging調(diào)試時(shí)打開M文件

Step單步調(diào)試

StepIn單步調(diào)試進(jìn)入子函數(shù)

StepOut單步調(diào)試跳出子函數(shù)

Continue連續(xù)執(zhí)行到下一斷點(diǎn)

ClearBreakpointsinAllFiles清除所有文件中的斷點(diǎn)

StopifErrors/Warnings出錯(cuò)或報(bào)警時(shí)停止運(yùn)行

ExitDebugMode退出調(diào)試模式35*Desktop桌面菜單

UnlockCommandWindow命令窗口設(shè)為當(dāng)前全屏活動(dòng)窗口

DesktopLayout桌面設(shè)計(jì)

SaveLayout保存桌面設(shè)計(jì)

OrganizeLayout組織桌面設(shè)計(jì)

CommandWindow顯示命令窗口

CommandHistory顯示歷史窗口

CurrentDirectory顯示當(dāng)前工作目錄

Workspace顯示工作空間

Help幫助窗口

Profiler輪廓圖窗口

Toolbar顯示/隱藏工具欄

ShortcutsToolbar顯示/隱藏快捷工具欄

Titles顯示/隱藏標(biāo)題36*Window窗口菜單

CloseAllDocuments關(guān)閉所有文檔

CommandWindow選定命令窗口為當(dāng)前活動(dòng)窗口

CommandHistory選定歷史窗口為當(dāng)前活動(dòng)窗口

CurrentDirectory選定當(dāng)前工作目錄為當(dāng)前活動(dòng)窗口

Workspace選定工作空間為當(dāng)前活動(dòng)窗口

在MATLAB8.x/9.x/23.2的操作界面中，由于取消了功能菜單，因此將其主要操作命令均合并到主頁

（HOME）中，另外在其操作界面中利用鼠標(biāo)右鍵也可彈出相應(yīng)的菜單命令。373.工具欄

MATLAB操作界面工具欄中的工具“”分別用來建立M文件編輯窗口和打開編輯文件窗口；工具“”對(duì)應(yīng)的功能與Windows操作系統(tǒng)類似；工具“”分別用來快捷啟動(dòng)Simulink庫瀏覽窗口、GUIDE模版窗口和輪廓圖窗口；工具“”分別用來快捷設(shè)置當(dāng)前目錄和返回到當(dāng)前目錄的父目錄。38MATLAB的各種版本都為用戶提供非常詳細(xì)的幫助系統(tǒng)，可以幫助用戶更好地了解和運(yùn)用MATLAB。因此，不論用戶是否使用過MATLAB，是否熟悉MATLAB，都應(yīng)該了解和掌握MATLAB的幫助系統(tǒng)。

1.5MATLAB的文件管理

391.純文本幫助在MATLAB中，所有執(zhí)行命令或者函數(shù)的M源文件都有較為詳細(xì)的注釋。這些注釋都是用純文本的形式來表示的，一般都包括函數(shù)的調(diào)用格式或者輸入?yún)?shù)、輸出結(jié)果的含義。在MATLAB的命令窗口中，用戶利用以下命令可以查閱不同范圍的純文本幫助。

helphelp