MATLAB基础文档格式.docx
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MATLAB基础文档格式.docx
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●科学算法开发;
●数据采集及信号处理;
●建模及原型仿真;
●数据分析和数据可视化;
●科学与工程绘图;
●应用程序开发(包括建立图形化用户界面)。
MATLAB是一种交互式的矢量语言系统,其基本数据单元是不需要指定维数的矩阵。
这使得用MATLAB可以解决许多科学与工程计算问题,特别是那些涉及矩阵及矢量公式的问题。
用MATLAB编程求解问题,比用标量非交互式语言(如C或FORTRAN语言)编程求解同样问题所花的时间少得多。
MATLAB最初是用FORTRAN语言编写的,通过它可以方便地调用EISPACK和LINPACK所设计开发的矩阵软件中的各种过程。
现在,经过高度优化后的MATLAB引擎已经包含了LAPACK和BLAS库。
MATLAB已经发展了很多年,已有许多用户使用它。
在大学里,MATLAB已经成为用于介绍性和更高级的数学、工程和科学课程中的标准的教学工具。
在工业领域,MATLAB已经成为用于高效率研究、开发和分析的首选工具。
在同类软件中,MATLAB首屈一指,已经成为科学工程计算(矩阵计算)领域中事实上的软件标准。
三、MATLAB的组成
MATLAB系统主要包括五大基本组成部分:
●开发环境:
这是帮助用户使用MATLAB函数和文件的一套工具。
许多这样的工具都有图形化的用户界面,包括MATLAB桌面环境和命令窗口、命令历史记录、编辑/调试器、帮助文件浏览器、工作空间、文件及搜索路径。
●MATLAB数学函数库:
这是一个巨大而广泛的计算算法的集合库,从基本的函数(如求和、正弦、余弦和复数运算等)到更加复杂、成熟的函数(如求逆矩阵、求矩阵的特征值、贝塞尔函数和快速傅立叶变换等)。
●MATLAB语言:
这是一种高级矩阵语言,包括流程控制语句、函数、数据结构、输入/输出和面向对象的编程特性。
它既允许小型编程,能快速编出可能比较难看的、用后即弃的小程序,又允许大型编程,能编制出大型的、复杂的应用程序。
●绘图功能:
MATALB具有将矢量和矩阵显示成图形的广泛工具,当然也可以对这些图形进行标注和打印。
包括可用于二维和三维数据可视化绘图、图像处理、动画和图形演示的高级函数,也包括可以允许用户完全定制图形外观、为用户的MATALB应用程序建立复杂的图形用户界面的底层函数。
●MATALB应用程序接口(API):
这是一个允许用户编写C和FORTRAN语言程序来与MATALB进行交互的接口库。
另外,MATALB系统中有一系列附加的、针对特定应用求解的工具,称为工具箱。
对大多数MATALB的用户来说都非常重要的是,工具箱使用户可以学习和应用专业化的技术。
工具箱是MATALB函数的综合性的集合,它们可以延伸MATALB环境来解决特定领域的问题。
工具箱所涉及的领域包括:
信号处理、控制系统、神经网络、模糊逻辑、小波分析、科学仿真等等。
我们这里重点用的是关于信号处理的工具箱,它主要包括数字和模拟滤波器设计、应用及仿真,谱分析和估计,FFT,DCT等变换。
四、MATLAB的特点
MATALB具有以下特点:
1、编程效率高
MATALB是一种面向科学与工程计算的高性能语言、它将计算、可视化和编程高度集成于一个易用的环境中,其中的问题和解都以人们熟知的数学符号和公式的形式来表达,使用MATALB编程运算与人们进行科学计算的思路和表达方式完全一致,用MATALB也被称为一种“演算纸式的”科学工程计算语言。
2、用户使用方便
MATALB语言是一种解释执行的语言,或者称为直译式的语言,它灵活、方便、调试程序手段丰富,调试速度快,需要的学习时间少。
人们用任何一种语言编写程序和调试程序一般都要经过几个步骤:
编辑、编译、连接、执行及调试,各个步骤之间是顺序关系,编程的过程就是在他们之间作瀑布型的循环。
MATALB语言与其他语言相比,较好地解决了上述问题,把编辑、编译、连接和执行融为一体。
它能在同一界面中灵活操作,快速排除输入程序中的书写错误、语法错误以至语意错误,从而加快了用户编写、修改和调试程序的速度。
可以说,在编程和调试过程中,它是一种比VisualBasic还要简单的语言。
具体地说,MATALB在运行时,可直接在命令行输入MATALB命令语句,每输入一条语句,就立即对其进行处理,完成编译、连接和运行的全过程。
另外,可将MATALB源程序编辑为M文件,由于MATALB系统本身的函数文件也是M文件,所以编辑后的源文件也是可以直接运行的,不需要进行编译和连接。
在运行M文件时,如果有错,计算机屏幕上会给出详细的出错信息,用户经修改后再执行,直到正确为止。
所以可以说,MATALB不仅是一种语言,从广义上讲也是一种该语言的开发系统,即语言调试系统。
3、扩展能力强
高版本的MATALB语言有丰富的工具箱库函数,在进行复杂的数学运算时可以直接调用,而且因为用户文件同MATALB的库函数在形式上一样,所以用户文件也可作为MATALB的库函数来调用。
因而,用户可以根据自己的需要方便地建立和扩充新地库函数,以便提高MATALB地使用效率和扩展MATALB地功能。
另外,为了充分利用FORTRAN、C等语言资源,在整个应用程序中可以包括进用户已编好的FORTRAN、C语言程序,还可以通过建立mex文件的形式进行混合编程,从而方便地调用相关地FORTRAN、C语言程序。
换句话说,MATLAB和其他高级语言也具有良好的接口,可以方便地实现与其他语言的混合编程,从而能进一步拓宽MATALB的应用潜力。
4、语句简单,内涵丰富
MATALB语言中最基本、最重要的成份是函数,其一般形式为:
[a,b,c,…]=func(d,e,f,…),即一个函数通常由函数名func,输入变量d、e、f等,输出变量a、b、c等组成,同一函数名func,不同数目的输入变量(包括无输入变量)及不同数目的输出变量,都代表着不同的含义(类似于面向对象编程语言中的函数重载和多态性)。
这不仅使MATALB的库函数功能更为丰富,而且大大减小了函数所需磁盘空间,使得MATALB编写的M文件简单、短小而高效。
5、高效、方便的矩阵和数组运算
MATALB语言像BASIC、FORTRAN和C语言一样规定了算术运算符、关系运算符、逻辑运算符、条件运算符及赋值运算符,而且这些运算符大部分可以毫无改变地照搬到矩阵或数组间的运算,有的(如算术运算符)只要在前面增加符号“.”就可用于矩阵或数组间的运算。
另外,它不需要定义数组的维数,并给出了矩阵函数、特殊矩阵专用的库函数,使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控制、优化等领域的问题时显得大为简捷、高效、方便,这是其他高级语言所不能比拟的。
在此基础上,高版本的MATALB已逐步扩展到科学及工程计算的更多其他领域。
6、方便的绘图及图形界面功能
MATALB的绘图是十分方便的,它有一系列绘图命令函数,例如线性坐标、对数坐标、半对数坐标和极坐标绘图,均只需调用不同的绘图命令函数,而且要实现在图上标出图题、x轴标签、y轴标签、网络线绘制等功能也只需调用相应的命令函数,简单易行。
同时,在调用绘图函数时,调整自变量的值即可绘出不同颜色的点、线或多重线。
这种为科学研究着想的设计是通用的编程语言所无法比拟的。
另外,目前的MATALB版本已经可以方便地设计出友好地图形用户界面,可以像VisualBasic等语言一样设计出漂亮地用户接口。
总之,MATALB语言的设计思想可以说代表了当前计算机高级语言的发展方向。
在不断的熟悉和使用中,用户将会发现MATALB的巨大潜力。
1.2MATLAB的应用开发环境
一、集成视窗环境
在计算机安装好MATLAB后,双击桌面上的MATLAB图标,或是点击开始或是点击开始
程序
MATLAB组中的相应MATLAB程序项,运行进入MATLAB,就可以进入集成视窗环境如下图所示,它是以后工作的基本环境,用户在这里键入指令,MATLAB也将计算的结果显示于此。
在当前默认设置情况下,集成视窗环境主要包括五个窗口,及主窗口、命令窗口、历史窗口、当前目录窗口和工作区管理窗口。
下面分别加以介绍。
1、主窗口
主窗口不能进行任何计算,它只是用来完成一些环境参数的设置,同时它提供了一个框架载体,其它所有窗口都是包含在该窗口中的。
主窗口最上面显示“MATLAB”字样的一栏为标题栏,标题栏的右边依次为窗口最小化按钮、窗口缩放按钮和关闭窗口按钮。
标题栏下面的主菜单包含File、Edit、Debug、Desktop、Window、Help等项。
其主要功能如下:
●File(文件处理)菜单:
本菜单主要用于新建、打开、保存、关闭一个文件。
同时还提供打印和退出系统等功能。
●Edit(编辑)菜单:
本菜单主要用于对程序源代码和窗体进行编辑整理等。
●Window(窗口)菜单:
单击该选项,可以查看当前系统打开的所有窗口,并实现不同窗口之间的转换。
●Help(帮助)菜单:
实现MATLAB的帮助功能。
菜单栏下面的工具栏显示了几个工具按钮。
工具栏有一个加速按钮板,它提供了一些最常用的菜单命令的快捷方式,当把鼠标移动到某个加速按钮上时,稍等片刻就会在鼠标的下方出现该按钮的功能提示。
熟练使用工具按钮可使工作更快捷、更方便。
2、命令(CommandWindow)窗口
一般来说,MATLAB的所有函数和命令都可以在命令窗口中输入和执行。
命令窗口是与MATLAB编辑器相连接的主窗口,在MATLAB启动之后,将显示符号“>
>
”,这就代表系统已处于准备接受命令的状态(“>
”就是命令提示符),用户就可以直接在提示符后面输入所编写的命令或源程序。
按下“enter”键后,系统会解释并执行所输入的命令,最后运行并给出计算结果。
例如,在命令窗口中输入一个3×
3的矩阵:
A=[123;
456;
7810]
然后按下回车键,MATLAB就会返回如下结果:
A=
123
456
7810
要求对此矩阵求逆,只需输入:
B=inv(A)
然后按下回车键,MATLAB就会返回相应的结果:
B=
-0.6667-1.33331.0000
-0.66673.6667-2.0000
1.0000-2.00001.0000
在MATLAB里,有很多的控制键和方向键可用于编辑修改已输入的命令。
例如Ctrl+C可以用来中止正在执行中的MATLAB的工作,
两个箭头键可以将所用过的指令调回来重复使用。
其它的键如
,Home,End,Delete,Insert等,其功能非常简单,一用即知。
如果输入的命令语句超过一行,或者希望分行输入,则可以在行尾加上三个句点(…)来表示续行。
如:
s=1+2+...
3-5
s=
1希望sert命令或源程序,___________________________________________________________________________________________________________________
可见,使用续行符之后,系统会自动将前一行保留而不加以计算,并与下一行衔接,等待完整输入后再计算整个输入的结果。
3、历史(CommandHistory)窗口
显示用户近期输入过的指令,并标明使用时间,以便用户查询。
如果双击某一行命令,会在命令窗口中执行该命令。
4、当前目录(CurrentDirectory)窗口
在该窗口中可以显示或改变当前目录,还可以显示当前目录下的文件,包括文件名、文件类型、最后修改时间,以及该文件的说明信息等。
5、工作区(Workspace)窗口
在该窗口中显示所有当前保存在内存中的MATLAB变量的变量名、值、类型等信息。
二、M文件简介
MATLAB的源程序都是以后缀为m的文件来存放的,这种.m(或者称为M文件)文件其实就是一个纯文本文件,它采用的是MATLAB所特有的一套语言及其语法规则。
在实验课中,我们主要应用MATLAB进行信号与系统实验,实际上就是通过编辑和运行这种.m文件来完成一些跟信号与系统相关的分析和处理任务。
M文件有两种写法,一种称为脚本(Script),就像批处理文件一样,包含了一连串的MATLAB命令,执行时依序执行;
另一种称为函数(Function),与在命令行中输入的命令(如plot命令)一样,函数能接受输入的参数,然后执行并输出结果。
三、设置当前工作目录
在编辑和运行.m文件之前,还有一个很重要的工作要做,就是设置MATLAB的当前工作目录。
MATLAB有一个专门用以寻找.m文件的路径搜索器。
.m文件是以目录或文件夹的方式分布于硬盘的文件系统中的,有一部分.m文件的目录是MATLAB所安装目录的子目录。
具体做法是:
新建一个目录作为自己的工作目录,用来存放自己编的.m源程序文件。
MATLAB中有一个当前目录的设置,用以缺省地存放当前操作中的.m文件等(也就是说,当用户保存一个.m文件时,直接出现的文件保存对话框就是让用户保存在这个当前工作目录中,当然用户也可以保存到其它的目录中去)。
在Windows版本的MATLAB系统中,最初默认的当前工作目录是MATLAB安装目录下的work子目录。
对于本实验中的MATLAB6.5版本,直接点命令窗口的上排工具栏最右边CurrentDirectory文本框边上的“…”按钮,将刚才新建的自己的工作目录设为当前工作目录。
四、M文件的编辑与运行
1、M文件的建立及保存
新建.m文件的方法是:
(一)在命令窗口中点击File菜单中的New
M-file,或
(二)是直接点击上面一排工具栏中最左边的那个“NewM-file”按钮,或者(三)是直接在命令窗口中输入edit命令,就可以打开空白的MATLAB编辑/调试器窗口,开始编写并最后保存.m文件了。
注意:
保存.m文件所用的文件名不能以数字开头,其中不能包括中文字,也不能包含“.”、“+”、“-”、“^”和空格等特殊字符(但可以包含下划线“_”),也不能与当前工作空间(Workspace)中的参数、变量、元素同名,而且也不能与MATLAB系统固有内部函数同名,否则运行时会报错,或者得不到所希望的结果。
2、M文件的编辑和查看
假设要进行编辑的.m文件名为AAA.m。
在MATLAB命令窗口中输入命令:
editAAA或editAAA.m
openAAA或openAAA.m
即可打开MATLAB编辑器,并打开这个名为AAA.m的文件开始编辑。
如果在当前搜索路径中并不能找到名为AAA.m的文件则MATLAB会提示你是否创建为此文件名的新的.m文件,然后打开MATLAB编辑器供用户编辑文件,并且最后在保存时自动缺省地保存文件名为AAA.m。
也可以在命令窗口中点击File菜单中的Open…,或是直接点击上排工具栏左起第二个“Openfile”按钮找到并在MATLAB编辑器中打开一个.m文件进行编辑。
MATLAB编辑器提供彩色高亮显示的功能,所输入的文字会自动根据文字特性而以不同的颜色显示。
最主要的文字特性在缺省设置时有下面几种:
●说明及注释——以绿色显示;
●关键字——以蓝色显示;
●未完成的字符串——以红色显示;
●已完成的字符串——以棕色显示;
●其他文字——以黑色显示。
3、M文件的运行
仍然假设要运行的.m文件名为AAA.m。
有几种运行它的方法:
(1)在命令窗口中直接输入.m文件名(如AAA),然后回车即可运行。
不要带上后面的.m后缀。
(2)在命令窗口中输入run加上空格再加上.m文件名,然后回车即可运行。
不要带上后缀.m。
(3)当用前面介绍的方法再MATLAB编辑/调试器中打开了AAA.m这个文件之后,直接按MATLAB编辑/调试器的上排工具栏中的Run按钮,或者是点击菜单Debug下的Run项,或者是直接按快捷键F5,即可运行。
在这里要注意的是:
如果直接在资源管理器里面通过双击.m文件而在MATLAB编辑/调试器中打开该.m文件,那么这时MATLAB编辑/调试器的Tools或Debug菜单中的Run项将处于灰色禁用状态。
也就是说,这样将无法正常运行这个,m文件,而只能用前面介绍的方法打开.m文件以后才能正常运行它。
还有,当新建了一个.m文件尚未保存时,这个菜单中的Run项也是处于灰色禁用状态的,只有当保存之后,这个Run项才可以点击,才能运行.m文件。
五、MATLAB帮助功能
MATLAB提供了内容丰富的帮助文档,有以下几种方法可获得帮助:
帮助命令、lookfor命令、帮助窗口、帮助桌面、联机演示系统、在线帮助或直接通过互联网链接到MathWorks公司。
当然,也可以通过访问Internet上数目众多的专业或业余网站来获得许多有意义的帮助,它们也提供了许多有价值的MATLAB资源。
下面我们主要介绍两种帮助的使用方法。
1、帮助命令
帮助命令是查询函数相关信息的最基本方式,信息会直接显示在命令窗口中,如果知道要查找的主题(topic),可直接键入help<
help>
。
所以即使用户手头没有MATLAB的使用手册,也可以使用help指令查询不熟悉的指令或者主题的用法,例如,键入命令:
helpcos
会显示关于cos函数的解释如下:
COSCosine.
COS(X)isthecosineoftheelementsofX.
Overloadedmethods
helpsym/cos.m
2、lookfor命令
它可以根据用户键入的关键字(这个关键字并不一定是MATLAB的指令),列出所有相关的主题。
与help比起来,lookfor所能覆盖范围更宽,可查找到包含在某个主题中的所有词组或短语。
例如,要查找关键字cos的所有相关信息,可以使用lookfor命令:
lookforcos
返回的搜索结果将是一个很长的列表:
ACOSInversecosine.
ACOSHInversehyperboliccosine.
ACSCInversecosecant.
ACSCHInversehyperboliccosecant.
COSCosine.
COSHHyperboliccosine.
CSCCosecant.
CSCHHyperboliccosecant.
…
1.3MATLAB的基本指令
一、算术运算
算术运算是最基本的运算形式,它的实现非常简单。
MATLAB提供了以下几种类型的算术运算。
基本运算符
数学表达式
符号
MATLAB表达式
加
a+b
+
减
a-b
-
乘
a×
b
*
a*b
除
a÷
/或\
a/b或a\b
幂
ab
^
a^b
二、基本数据类型
MATLAB所涉及的数据类型主要包括数值、逻辑、字符串、元胞、结构、类等,下面介绍其中常用的两种。
1、数值类型
数值类型是MATLAB中最重要的数据类型,采用习惯的十进制表示,可以带小数点或负号,系统默认的类型是双精度型(double)。
2、字符串类型
MATLAB提供了用来存储和处理字符串的字符串数组,字符串的每个字符(包括空格)都是字符数组的一个元素,其构建方式是通过包含在一对单引号中的字符集合来实现的。
s='
hello,MATLAB'
hello,MATLAB
3、变量和表达式
(1)变量
在代数中,人们采用拉丁字母、希腊字母及其他符号来表示未知数或可能会变化的数字。
在计算机中也有相应的表示,称之为变量,它是指在程序执行过程中存储数值可以变化的量。
变量在计算机内存中占据一定的存储单元,在该单元中存放变量的值。
每个变量都有一个名字,称为变量名。
MATLAB对变量的命名方式有如下规定:
●变量名由字母、数字和下划线组成,字母间不能有空格,而且第一个字符必须为字母。
例如,x和m_ab2都是合法变量名,而2a和ya1就不是,另外汉字不能出现在变量名中;
●变量名中的英文字母大小写是有区别的(称之为大小写敏感),例如,XY、xy、Xy、xY就是四个不同的变量
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