matlab试验参考指导书.doc
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1、MATLAB 基础 试验指导书序言MATLAB 是一个集数值计算、可视化建模、仿真和图形处理等多个功效于一体优异编程、仿真工具,被誉为“巨人肩膀上工具”、“演算纸式编程语言”,是从事科学研究、工程计算广大科技工作者、理工类高校师生确定为必需掌握计算工具,是从理论通向实际桥梁,也是最可信赖科技资源之一。为了配合学生上机实践,愈加好掌握 MATLAB 基础使用技能,了解 MATLAB 编程风格,和将所学课程和MATLAB实践相结合,尤其编写了本试验讲义。其关键内容包含:MATLAB入门及基础操作,矩阵使用及数据可视化方法,脚步文件及函数编写,和Simulink仿真模块使用等。 MATLAB内容丰富
2、,内嵌了很多功效函数。为了方便课堂教学使用,也顾及查阅功效,在书后索引中根据功效函数对常见MATLAB函数进行了分类,以备读者查阅需要。因为编者水平有限,书中难免存在不妥之处,恳请广大读者指正。同时,我们也会在合适时间进行修订和补充。目录试验一 熟悉MATLAB环境4试验二 数值数组创建、应用及可视化7试验三 字符串数组使用、简单脚本文件和函数编写10试验四 数据可视化方法15试验五 简单数据分析19试验六 简单图形用户界面设计21附录 MATLAB关键函数指令表(按功效分类)23试验一 熟悉MATLAB环境试验目标1 熟悉 MATLAB 主界面,并学会简单菜单操作。2 学会简单矩阵输入和信号
3、输入。 3 掌握部分绘图函数。 试验原理MATLAB 是以复杂矩阵作为基础编程单元一个程序设计语言。它提供了多种矩阵运算和操作,并有较强绘图功效。用户第一次使用 MATLAB 时,提议首先在屏幕上键入 demo 命令,它将开启 MATLAB 演试程序,用户可在此演示程序中领会 MATLAB 所提供强大运算和绘图功效。也能够键入 help 进行深入了解。 MATLAB 开启界面图所表示: 操作界面关键介绍以下:指令窗( Command Window ),在该窗可键入多种送给 MATLAB 运作指令、函数、表示式,并显示除图形外所以运算结果。历史指令窗( Command History ),该窗统
4、计已经运行过指令、函数、表示式;许可用户对它们进行选择复制、重运行,和产生 M 文件。工作空间浏览器( Workspace Browser ),该窗口罗列出 MATLAB 工作空间中全部变量名、大小、字节数;而且在该窗中,可对变量进行观察、编辑、提取和保留。其它还有目前目录浏览器( Current Directory Browser )、 M 文件编辑 / 调试器( Editor/Debugger )和帮助导航 / 浏览器( Help Navigator/Browser )等,但通常不随操作界面出现而开启。利用 File 菜单可方便对文件或窗口进行管理。其中 File | New 各子菜单,
5、M-file ( M 文件)、 Figure (图形窗口)、或 Model ( Simulink 编辑界面)分别可创建对应文件或模块。 Edit 菜单许可用户和 Windows 剪切板交互信息。 MATLAB 语言最基础赋值语句结构为:变量名列表 = 表示式。表示式由操作符或其它字符,函数和变量名组成,表示式结果为一个矩阵,显示在屏幕上,同时输送到一个变量中并存放于工作空间中以备调用。假如变量名和“ = ”省略,则 ans 变量将自动建立,比如键入: 1900/81 ,得到输出结果: ans =23.4568 。 MATLAB 中变量命名标准要求必需以英文字母开头,文件夹名字中能够还包含、下划
6、线和数字,不要使用其它字符,更不要单纯使用数字或汉字名命名,有时在运行 MATLAB 中部分莫名错误可能就是不规范命名引发。这种规则包含未来为自己编写脚本文件、函数文件命名和为使用变量命名也应遵照这个规则。试验内容一用户工作目录和目前目录建立和设置 1 为管理方便,每个用户在使用 MATLAB 前,尽可能为自己建立一个专门工作目录,即“用户目录”,用来存放自己创建应用文件。比如首先打开资源管理器,在 E 驱动器下能够依据自己喜好建立一个新文件夹,但应注意:该文件夹必需以英文开头,文件夹名字中能够包含字母、下划线和数字,不要使用其它字符,更不要单纯使用数字或汉字名命名,有时在运行 MATLAB
7、中部分莫名错误可能就是不规范命名引发,这和 MATLAB 中为变量和文件名命名标准是一致。尽管 MATLABwork 许可用户存放用户文件,但最好把它仅作为临时工作目录来使用。 2 为了用户运行方便,在开始工作前可把用户定义目录设置为目前目录,方法是可直接在 MATLAB 命令窗口桌面上方经过目录设置栏来实现。 3 把自己工作目录加到 MATLAB 搜索路径上,这么能够在任何情况下方便地调用自己编写文件。 MATLAB 工作时,基础搜索过程为:首先在工作空间,即 MATLAB 内存中进行检验,看输入指令是不是变量;如不是,则检验输入指令是不是内建函数(比如 sin 函数等);如不是,则在目前目
8、录上,检验是否有和输入指令相同 M 文件存在;如还没有,则在 MATLAB 定义搜索路径其它目录中,检验是否有该 M 文件存在。设置方法是经过 File 菜单下设置路径对话框进行。二熟悉简单矩阵输入 1 从屏幕上输入矩阵 A=1 2 3 ;4 5 6;7 8 9 回车 A=1,2,3;4,5,6;7,8,9 回车观察输出结果。 2 试用回车替换分号,观察输出结果。3 输入 size(A) ,观察结果。4 输入矩阵 B=9,8,7;6,5,4;3,2,1;回车输入矩阵 C=4,5,6;7,8,9;1,2,3;回车,然后分别键入 A B C 回车观察结果。 5 选择 File | new 菜单中M
9、-file ,输入 B=9,8,7;6,5,4;3,2,1 ;保留为 B.M 文件,退出编辑环境。此时在工作环境中使用 B 命令就可调出 B 矩阵。6 再试着输入部分矩阵,矩阵中元素可为任意数值表示式,但注意 : 矩阵中各行各列元素个数需分别相等,不然会给出犯错信息。 7 输入 who 和 whos 观察结果,了解其作用。二常见基础命令使用数据文件存取训练:利用 save 和 load 指令能够方便地把目前工作空间数据变量保留为数据文件。接题一,输入: save a 回车,表示把目前工作空间全部变量保留为 a.mat 文件。输入 save a A C 回车,表示把目前内存中变量 A 、 C 保
10、留为 a.mat 文件。类似还有 load 命令,实现保留数据变量装载,实施 clear 命令,然后运行 load a 回车,观察工作空间改变。 save 、 load 、 clear 命令还有部分其它应用格式,具体可参看帮助文件。三基础序列运算 1 数组加减乘除和乘方运算 2 输入 A=1 2 3 ,B=4 5 6,求C=A+B,D=A-B,E=A.*B, F=A./B,G=A.B, 并用 stem 画出A,B,C,D,E,G。再输入部分数组,进行类似运算。 3 在命令窗口用 plot 指令粗略描绘下列各函数波形(其中对于连续信号可取时间间隔为 0.001,可参看下面a实例来实现,数学函数
11、MATLAB 实现参见附录) a. 实现方法,在命令窗口实施一下指令,可简单描绘出函数曲线: t=0:.001:3; y=3-exp(-t); plot(t,y) b. c. d. (在 MATLAB 中用pi来实现) f. 三 M 脚本文件编写初步用 M 文件编辑器编写脚本文件重新描绘上面函数波形。试验二 数值数组创建、应用及可视化试验目标1 掌握二维数组创建、寻访,区分数组运算和矩阵运算区分。2 掌握标准数组生成函数和数组结构技法。 3 深入熟悉 M 脚本文件编写方法和技巧。试验原理数值数组和数组运算 MATALB 关键内容,是 MATLAB 最关键一个内建数据类型。通常,数组是由一组实数
12、或复数排成长方阵列 (Array ), 它能够是一维“行”或“列”,能够是二维“矩形”,也可是三维若同维矩形堆叠,甚至是更高任意维。而数组运算是指不管在数组上施加什么运算 ( 加减乘除或函数 ), 总认定那种运算对被运算数组中每个元素 (Element) 平等地时实施一样操作。这使得计算程序简单、易读,使程序指令更靠近教科书上数学计算公式,并提升了程序向量化程度,提升计算效率,节省计算机开销。一维数组创建可采取逐一元素输入法,这是最简单,但又最通用结构方法,如: x=2 pi/2 sqrt(3) 3+5i; 另外有规律产生数组能够采取冒号生成法,通用格式是 x = a : inc : b,a
13、是数组第一个元素, inc是采样点之间步长。若( b-a )是inc整数倍,则生成数组最终一个元素是b, 不然小于b 。或采取定数线性采样法,该法是在设定“总点数”下,均匀采样生成一维“行”数组。格式为 x = linspace ( a ,b ,n ) , a 、 b 分别是生成数组第一个各最终一个元素 ,n 是采样总点数,该指令生成( 1n )数组。二维数组是由实数或复数排列成矩形而组成。从数据结构上看,矩形和二维数组没有什么区分。当二维数组带有线性变换含义时,该二维数组就是矩阵。二维数组创建也可采取直接输入法,或利用结构 M 文件创建和保留数组。除此以外,还能够采取 MATLAB 提供标准
14、函数生成我们需要数组,诸如 zeros 、 ones 、 rand 、 eye 、 diag 、 magic 等,详请见附录。一维数组元素寻访和标识采取 X(index) 方法,只是要注意 MATLAB 中第一个元素下标 index 是 1 ,而不是 C 语言中 0 。二维数组元素标识和寻访可分为“全下标”标识和“单下标”标识,“全下标”标识,即指出是“第几行,第几列”元素,如 A(3,5) 表示二维数组 A 第三行第五列元素。该标识法优点是几何概念清楚,引述简单,在 MATLAB 寻址和赋值中最为常见。“单下标”标识,顾名思义就是只用一个下标来指明元素在数组中位置,首先对二维数组全部元素进行
15、“一维编号”。“一维编号”是指:先设想把二维数组全部列,按先左后右次序、首尾相接排成“一维长列”,然后自上往下对元素未知进行编号,其优点是简练、方便,尤其是假如碰到对二维数组进行诸如 for 循环操作时能够降低循环次数,提升编程效率。“全下标”标识和“单下标”标识能够经过 sub2ind 和 ind2sub 指令进行转换,详见帮助。另外,不管二维数组还是一维数组还能够采取“逻辑 1 ”标识,这种方法常见于寻求数组中全部大于或小于某值元素问题中。比如 X(abs(X)3) 能够找出数组 X 中全部绝对值大于 3 元素。另外还能够借助 ones, zeros, rand, randn 和 cat,
16、 repmat, reshape 等函数直接或间接构作高维数组,详见附录或 MATLAB 帮助。Matlab中很多函数能够直接对任意维数组直接运算,相当于对数组中每个元素分别进行运算。比如 Y=sin(X) 能够直接得到和数组 X 中每一个元素相对应正弦值,这大大简化了编程。能够实施数组运算常见函数已经列表于附录中,以供参考。但值得注意是,即使从外观形状和数据结构上看,二维数组和(数学中)矩阵)没有区分,但矩阵作为一个变换或映射算子表现,矩阵运算有着明确而严格数学规则。数组运算是 MATLAB 软件所定义规则,其目标是为了数据管理方便、操作简单、指令形式自然和实施计算有效。为了区分数组和矩阵运
17、算,在易混淆地方,数组运算在运算符前加一小黑点“ . ”以示区分,比如 Y=A.*B ,代表示数组 A 和数组 B 对应元素相乘,而 Y=A*B ,则表示内维相同矩阵 A 和 B 乘积。由此也可看出,在实施数组和数组运算时,参与运算数组必需同维,运算所得结果也总和原数组同维。本节只包含数组可视化方法简单实现。通常,对于离散数据可采取 stem 命令或使用 plot 绘点方法,而对于连续函数可直接采取 plot 指令来实现。试验内容一数组创建和寻访 1 一维数组在命令窗口实施下面指令,观察输出结果,体味数组创建和寻访方法,%号后面为注释,不用输入。 rand(state,0) % 把均匀分布伪随
18、机发生器置为 0 状态 x=rand(1,5) % 产生(1*5)均布随机数组 x(3) % 寻访数组 x 第三个元素。 x(1 2 5) % 寻访数组 x 第一、二、五个元素组成子数组。 x(1:3) % 寻访前三个元素组成子数组 x(3:end) % 寻访除前 2 个元素外全部其它元素。end 是最终一个元素下标。 x(3:-1:1) % 由前三个元素倒排组成子数组 x(find(x0.5) % 由大于 0.5 元素组成子数组 x(1 2 3 4 4 3 2 1) % 对元素能够反复寻访,使所得数组长度许可大于原数组。 x(3) = 0 % 把上例中第三个元素重新赋值为0。x(1 4)=1
19、 1 % 把目前 x 数组第一、四个元素全部赋值为1。 x3= % 空数组赋值操作 2 二维数组 (1) 在命令窗口实施下面指令,观察输出结果 a=2.7358; b=33/79; % 这两条指令分别给变量 a , b 赋值。C=1,2*a+i*b,b*sqrt(a);sin(pi/4),a+5*b,3.5+i % 这指令用于创建二维组C M_r=1,2,3;4,5,6,M_i=11,12,13;14,15,16 % 创建复数数组另一个方法 CN=M_r+i*M_i % 由实部、虚部数组组成复数数组 (2) 利用 M 文件创建和保留下面数组(分号后面是一个空格后加3个小数点,表示换行续写) A
20、M=101,102,103,104,105,106,107,108,109;. 201,202,203,204,205,206,207,208,209;. 301,302,303,304,305,306,307,308,309; (3) 仿照问题 1 中方法找出数组中全部绝对值大于 3 元素。 (4)在命令窗口实施下面指令,体味二维数组子数组寻访和赋值 A=zeros(2,4) % 创建(2*4)全零数组 A(:)=1:8 % 全元素赋值方法 s=2 3 5; % 产生单下标数组行数组 A(s) % 由“单下标行数组”寻访产生 A 元素组成行数组 Sa=10 20 30 %Sa 是长度为 3
21、“列数组”A(s)=Sa % 单下标方法赋值 A(:,2 3)=ones(2) % 双下标赋值方法:把 A 第2 、3列元素全赋为1 (5) 运行指令 rand(state ,11),A=rand(3,10000);B=(A0.5);C=2*B-1; 首先估计( C*C)/100 运行结果,然后再在机器上验证。(本方法提供了产生通信等仿真中常需若干独立双随机码方法原型。)(6) 在命令窗口实施下面指令,体味数组运算和矩阵运算区分 clear ;A=zeros(2,3); A(:)=1:6; % 全元素赋值法 A=A*(1+i) % 利用标量和数组乘产生复数矩阵 A_A=A. % 数组转置,即非
22、共轭转置,其中单引号实现转置功效 A_M=A % 矩阵转置,即共轭转置二编写图所表示波形 MATLAB 脚本文件,图中虚线为正弦波,要求它分别在及处削顶。图 1 可能用到额外指令: find 、 hold on 、 hold off 、 legend ,具体使用方法使用 help指令名来解答。试验三 字符串数组使用、简单脚本文件和函数编写试验目标1 掌握字符串数组创建和结构方法及常见字符串函数使用。2 熟练掌握 MATLAB 控制流使用方法。3 熟悉 M 脚本文件、函数文件编写方法和技巧。试验原理和数值数组相比,串数组在 MATLAB 中关键性较小,但不可缺乏。假如没有串数组及对应操作,那么数
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