次课MATLAB.ppt

1 济南大学控制学院 电子工业出版社 MATLAB6 0与科学计算 2 目录 第一章安装及使用前的准备第二章数值计算功能第三章符号运算功能第四章图形处理功能第五章程序设计第六章MATLAB在控制系统中的应用 3 第一次课 第一章安装及使用前的准备 内容 4 目录 1 1MATLAB简介 1 2MATLAB6 0的安装 1 3MATLAB的桌面平台 1 4帮助系统 1 5MATLAB的搜索路径与扩展 5 1 1MATLAB简介一 21世纪的科学计算语言MATLAB语言是由美国MathWorks公司推出的计算机软件 经过多年的逐步发展与不断完善 现已成为国际公认的最优秀的科学计算与数学应用软件之一 其内容涉及矩阵代数 微积分 应用数学 有限元法 科学计算 信号与系统 神经网络 小波分析及其应用 数字图像处理 计算机图形学 电子线路 电机学 自动控制通信技术 物理 力学和机械振动等方面 MATLAB的特点是语法结构简单 数值计算高效 图形功能完备 各国的高校学生已将MATLAB作为必须掌握的基本程序设计语言 MATLAB源于MATrixLABoratory一词 原意为矩阵实验室 一开始它是一种专门用于矩阵数值计算的软件 起初是 6 作为矩阵实验室提供对LINPACK 解线性方程的Fortran程序库 和EISPACK 解特征值问题的Fortran的程序库 矩阵软件包的接口 随着MATLAB逐渐市场化 MATLAB不仅具有了数值计算功能 而且具有了数据可视化功能 自MATLAB4 1版本开始 MATLAB拥有了自己的符号运算功能 MATLAB的应用范围进一步拓宽 在MATLAB6 0中 MATLAB不仅在数值计算 符号运算和图形处理等功能上进一步加强 而且又增加了一些工具箱 目前 MATLAB已拥有数十个工具箱 以供不同专业人员的使用 与Basic Fortran以及C语言比较 MATLAB的语法规则更简单 编程的特点更贴近人的思维方式 用MATLAB写程序有如在便笺上列公式和求解 因而MATLAB被称为 科学便笺式 的科学计算语言 7 MATLAB语言具有如下的特点a功能强大b语言简单c扩充能力强 可开发性强d编程易 效率高 二 MATLAB的发展历史MATLAB的发展历程和介绍MATLAB软件是由美国Mathworks公司推出的用于数值计算和图形处理的科学计算系统环境 MATLAB是英文MATrixLABoratory 矩阵实验室 的缩写 它的第1版 DOS版本1 0 发行于1984年 经过20多年的不断改进 现今已推出它的Windos98 NT版本 7 1版 新的版本集中了日常数学处理中的各种功能 包括高效的数值计算 矩阵运算 信号处理和图形生成等功能 在MATLAB环境下 用户可以集成地进行程序设计 数值计算 图形绘制 输入输出 文件管理等各项操作 8 MATLAB提供了一个人机交互的数学系统环境 该系统的基本数据结构是矩阵 在生成矩陈对象时 不要求作明确的维数说明 与利用C语言或FORTRAN语言作数值计算的程序设计相比 利用MATLAB可以节省大量的编程时间 在美国的一些大学里 MATLAB正在成为对数值线性代数以及其他一些高等应用数学课程进行辅助教学的有益工具 在工程技术界 MATLAB也被用来解决一些实际课题和数学模型问题 典型的应用包括数值计算 算法预设计与验证 以及一些特殊的矩阵计算应用 如自动控制理论 统计 数字信号处理 时间序列分折 等 MATLAB系统最初是由CIeveMoler用FORTRAN语言设计的 有关矩阵的算法来自LINPACK和EISPACK课题的研究成果 现在的MATLAB程序是MathWorks公司用C语言开发的 第一版由steveBangert主持开发编译解释程序 SteveKleiman完成图形功能的设计 JohnLittle和CleveMoler主持开发了各类数学分析的子模块 撰写用户指南和大部分的M文件 自从第1版发行以来 已有众多的科技工作者加入到MATLAB的开发队伍中 并为形成今天的MATLAB系统做出了巨大的贡献 MATLAB以商品形式出现后 仅短短几年 9 就以其良好的开放性和运行的可靠性 使原先控制领域里的封闭式软件包 如英国的UMIST 瑞典的LUND和SIMNON 德国的KEDDC 纷纷淘汰 而改以MATLAB为平台加以重建 在时间进入20世纪九十年代的时候 MATLAB已经成为国际控制界公认的标准计算软件 到九十年代初期 在国际上30几个数学类科技应用软件中 MATLAB在数值计算方面独占鳌头 而Mathematica和Maple则分居符号计算软件的前两名 Mathcad因其提供计算 图形 文字处理的统一环境而深受中学生欢迎 MathWorks公司于2001年推出MATLAB6 0版本 6 x版在继承和发展其原有的数值计算和图形可视能力的同时 出现了以下几个重要变化 1 推出了SIMULINK 这是一个交互式操作的动态系统建模 仿真 分析集成环境 它的出现使人们有可能考虑许多以前不得不做简化假设的非线性因素 随机因素 从而大大提高了人们对非线性 随机动态系统的认知能力 2 开发了与外部进行直接数据交换的组件 打通了MATLAB进行实时数据分析 处理和硬件开发的道路 3 推出了符号计算工具包 1993年MathWorks公司从加拿大滑铁卢大学购得Maple的使用权 以Maple为 引擎 开发了Symbolic 10 MathToolbox1 0 MathWorks公司此举加快结束了国际上数值计算 符号计算孰优孰劣的长期争论 促成了两种计算的互补发展新时代 4 构作了Notebook MathWorks公司瞄准应用范围最广的Word 运用DDE和OLE 实现了MATLAB与Word的无缝连接 从而为专业科技工作者创造了金融科学计算 图形可视 文字处理于一体的高水准环境 MTALAB系统由五个主要部分组成 下面分别加以介绍 1 MATALB语言体系 MATLAB是高层次的矩阵 数组语言 具有条件控制 函数调用 数据结构 输入输出 面向对象等程序语言特性 利用它既可以进行小规模编程 完成算法设计和算法实验的基本任务 也可以进行大规模编程 开发复杂的应用程序 2 MATLAB工作环境 这是对MATLAB提供给用户使用的管理功能的总称 包括管理工作空间中的变量数据输入输出的方式和方法 以及开发 调试 管理M文件的各种工具 3 图形语句语言系统 这是MATLAB图形系统的基础 包括完成2D和3D数据图示 图像处理 动画生成 图形显示等功能的高层MATLAB命令 也包括用户对图形图像等对象进行特性控制的低层MATLAB命令 以及开发GUI应用程序的各种工具 4 MATLAB数学函数库 这是对MATLAB使用的 11 各种数学算法的总称 包括各种初等函数的算法 也包括矩阵运算 矩阵分析等高层次数学算法 5 MATLAB应用程序接口 API 这是MATLAB为用户提供的一个函数库 使得用户能够在MATLAB环境中使用C程序或FORTRAN程序 包括从MATLAB中调用于程序 动态链接 读写MAT文件的功能 可以看出MATLAB是一个功能十分强大的系统 是集数值计算 图形管理 程序开发为一体的环境 除此之外 MATLAB还具有季节性很强的功能扩展能力 与它的主系统一起 可以配备各种各样的工具箱 以完成一些特定的任务 用户可以根据自己的工作任务 开发自己的工具箱 在欧美大学里 诸如应用代数 数理统计 自动控制 数字信号处理 模拟与数字通信 时间序列分析 动态系统仿真等课程的教科书都把MATLAB作为内容 这几乎成了九十年代教科书与旧版书籍的区别性标志 在那里 MATLAB是攻读学位的大学生 硕士生 博士生必须掌握的基本工具 在国际学术界 MATLAB已经被确认为准确 可靠的科学计算标准软件 在许多国际一流学术刊物上 尤其是信息科学刊物 都可以看到MATLAB的应用 在设计研究单位和工业部门 MATLAB被认作进行高效研究 开发的首选软件工具 如美国NationalInstruments公司信号测量 分析软件 12 LabVIEW Cadence公司信号和通信分析设计软件SPW等 或者直接建筑在MATLAB之上 或者以MATLAB为主要支撑 又如HP公司的VXI硬件 TM公司的DSP Gage公司的各种硬卡 仪器等都接受MATLAB的支持 三 MATLAB6 0的新特点与MATLAB5 0版本相比较 MATLAB6 0版本在各个方面都进行了较大的改进和增补 增加了许多新功能和更为有效的处理方法 甚至在整个系统结构上也做了很大的改进 1 开发环境 1 集各种对MATLAB文件 数据变量进行操作的工具以及MATLAB自身的辅助为一体的MATLAB桌面系统 2 强大的帮助功能3 为了方便数据的读取 提供了数据读取编辑器 13 2 在数值处理 程序及数据结构 图形处理 用户图形界面及应用程序接口都比MATLAB5 0有了进一步的改进和增强 四 MATLAB的应用和网上资源开发MATLAB软件的初衷是为了方便矩阵运算或者说数值运算 但随着商业软件的推广 MATLAB不断升级 如今MATLAB已经把工具箱延伸到了科学研究和工程应用的许多领域 现在诸如信号处理 神经网络 鲁棒控制 系统识别 控制系统 等等都在Toolbox家族中有了自己的一席之地 随着MATLAB应用日益广泛 Mathworks公司为用户提供了各种网上服务和网络资源 见下表 1 1 14 15 16 1 2MATLAB6 0的安装 1 MATLAB6 0对硬件的要求 CPU奔腾 奔腾pro 奔腾二代 奔腾三代 AMDAthlon或者更高 光驱至少为倍速光驱 内存至少64MB 推荐128MB以上 硬盘至少预留200MB的硬盘空间 显卡256色以上 2 MATLAB6 0对软件的要求 MicrosoftWindows95 98 NT或MicrosoftWindows2000 MicrosoftWord97 2000等 用以使用MATLABNotebook 3 安装的选择 17 18 19 1 3MATLAB的桌面平台 一 启动MATLAB启动MATLAB方式 双击系统桌面MATLAB图标 在开始菜单的程序选项中选择MATLAB快捷方式 在MATLAB的安装路径的bin子目录中双击可执行文件matlab exe 初次启动MATLAB后 将进入MATLAB默认设置的桌面平台 如下图 1 1 20 图 1 1 21 二 桌面平台默认设置情况下的桌面平台包括6个窗口 分别为 MATLAB主窗口 命令窗口 历史窗口 当前目录窗口 发行说明书窗口和工作间管理窗口 1 MATLAB主窗口主窗口不能进行任何计算任务的操作 只用来进行一些整体的环境参数的设置 它主要包括6个下拉菜单和10个按钮控件 各按钮控件说明 新建或打开一个MATLAB文件 剪切 复制或粘贴已选中的对象 撤销或恢复上一次操作 打开Simulink主窗口 打开MATLAB帮助系统 设置当前路径 22 2 命令窗口MATLAB的命令窗口如图 1 2 所示 为运算提示符 表示MATLAB正处于准备状态 当在提示符后输入一段运算式并按Enter键后 MATLAB将给出计算结果 然后再次进入准备状态 图 1 2 23 3 历史窗口 图 1 3 在默认设置下 历史窗口中会保留自安装起所有命令的历史记录 并标明使用时间 这方便了使用者的查询 双击某一行命令 即在命令窗口中执行该行命令 4 当前目录窗口 图 1 4 在当前目录窗口中可显示或改变当前目录 还可以显示当前目录下的文件并提供搜索功能 此窗口有4个按钮控键 显示并改变当前目录 与主窗口中的路径显示控件完全相同 单击按钮可改变当前目录 图 1 3 图 1 4 24 进入所显示的目录的上一个目录 在当前目录中创建一个新的子目录 在当前的目录的文件中查找 5 发行说明书窗口 图 1 5 用来说明用户所拥有的Mathworks公司产品的工具包图标的含义 Mathworks公司产品标志 相应产品的组件 相应产品的帮助信息 相应产品的演示 相应产品的的网络游览 图 1 5 25 工作间管理窗口在工作间管理窗口中将显示所有目录内存中的MATLAB变量的变量名 数学结构 字节数以及类型 不同的变量类型分别对应不同的变量名图标 图 1 6 26 1 4帮助系统 帮助系统分为三大类 联机帮助系统命令窗口查询帮助系统联机演示系统一 联机帮助系统二 命令窗口查询帮助帮助分为help系列lookfor命令和其它常用帮助命令 1 Help系列help系列的帮助命令有help help 函数名 helpwin helpdesk 其中后两者是用来调用联机帮助窗口的 已知某函数的函数名而不知其用法时 help命令可帮助用户准确地了解此函数的用法 help命令是常用的命令 在命令窗口中直接输入help命令将会显示当前的帮助系统中所包含的所有项目 即搜索路径中所有的目录名称 如 27 help 函数 类 名这是一个最常用的帮助命令 可以帮助用户进行深入的学习 举例说明如下 help 函数类名如 helpmatfunhelp 函数名如 helpinvLookfor函数lookfor命令可以用来查找不知其确切名称的函数 根据用户提供的关键字搜索到相关的函数 如 lookfordifflookforlog其它帮助命令exist变量检验函数what目录中文件列表who内存变量列表whos内存变量详细信息which确定文件位置 28 三 联机演示系统联机演示系统包括基本介绍窗口和演示窗口 1 基本介绍窗口在主窗口中点击help按钮 选择MATLABhelp项进入help窗口 再点击demos按钮 就会进入基本介绍窗口 如下图 1 7 1 8 29 图 1 7 30 图 1 8 31 四 常用的命令和技巧1 一些通用命令 见下表 32 2 一些常用操作技巧 见下表 3 标点 见下表 33 1 5MATLAB的搜索路径与扩展 一 MATLAB的搜索路径默认时MATLAB的搜索路径是MATLAB的安装主目录及所有工具箱和路径 可通过以下几种方式查看此搜索路径 1 搜索路径对话框选择MATLAB主窗口中的菜单 File SetPath 选项 进入到设置搜索路径对话框 如图 1 9 图 1 9 34 path命令在命令窗口中输入命令path可得到MATLAB的所有搜索路径 genpath在命令窗口中输入命令genpath可以得到由MATLAB的所有搜索路径连接