Matlab实验指导书.doc

广州大学MATLAB 语言及应用实验指导书主编 胡晓机械与电气工程学院2009-8-28目录实验一 MATLAB基本知识及入门1实验二 数值数组及其运算4实验三 字符串、单元和结构数组7实验四 数值计算9实验五 符号计算11实验六 图形显示13实验七 MATLAB语言程序设计16实验八 动态仿真系统SIMULINK17期末考核综合设计题选18广州大学机械与电气工程学院实验指导书胡晓实验一 MATLAB基本知识及入门一、 实验目的1、 了解MATLAB的开发环境；2、 掌握MATLAB的基本操作命令。二、 实验器材安装MATLAB6.0或以上版本的计算机。三、 实验内容图1-11、 安装MATLAB实验前，在个人电脑上自行操作。遇到问题时，同学之间讨论，或向实验人员询问。2、 启动和退出MATLAB1）启动MATLAB在桌面，点击MATLAB图标，见图1-1；或者经由：开始所有程序Matlab7.04Matlab7.04。进入Matlab 开发环境，见图1-2。图1-2 MATLAB开发环境观察并熟悉开发环境的常用窗口：Command Window、Current Directory、Workspace和Command History。（1） 指令窗Command Window：可键入各种送给MATLAB运作的指令、函数、表达式；显示除图形外的所有运算结果；（2） 历史指令窗Command History：记录已经运作过的指令、函数、表达式；（3） 当前目录浏览器：进行当前目录的设置；展示相应目录上的M、MDL等文件；（4） 工作空间浏览器Workspace Browser：列出MATLAB工作空间中所有的变量名、大小、字节数；（5） 内存数组编辑器Array Editor：在工作空间浏览器中对变量进行操作时启动。 操作 MATLAB操作界面菜单提供的“File”、“Edit”、“View”、“Debug”、“Desktop”、“Window”和“Help”菜单。2）退出MATLAB3、 Command Window指令窗的操作方式MATLAB语句形式变量表达式； 通过等于符号将表达式的值赋予变量。当键入回车键时，该语句被执行。语句执行之后，窗口自动显示出语句执行的结果。如果希望结果不被显示，则只要在语句之后加上一个分号（；）即可。此时尽管结果没有显示，但它依然被赋值并在MATLAB工作空间中分配了内存。3.1 窗口命令在命令窗口中键入 x=randn(1000,1); y=randn(1000,1)观察并比较结果， figure(1); plot(x);观察实验结果并记录。 clc观察实验结果并记录。 close 观察实验结果并记录。 who观察实验结果并记录。 whos观察实验结果并记录。 load clown figure(1) image(10,10,x) colormap(map) figure(2) image(10,10,X) colormap(map)观察结果并分析。 close all clear all clc quit重新进入Matlab 开发环境 load clown what3.2 Demos命令 demos demo matlab graphics3.3 数值输入操作任何MATLAB的语句的执行结果都可以在屏幕上显示，同时赋值给指定的变量，没有指定变量时，赋值给一个特殊的变量ans，数据的显示格式由format命令控制。 完成以下练习，并把相关结果以截屏方式保存：1、求的算术运算结果。2、简单矩阵的输入步骤。3、矩阵的分行输入。4、指令的续行输入。四、 实验结果及分析记录并分析以上实验结果，提出新的问题。注：除保存截屏结果外，在实验报告中写出本节课实验内容的指令。实验二 数值数组及其运算一、 实验目的1、 掌握数组的创建方法；2、 掌握数组子数组的寻访和赋值方法；3、 掌握数组的各种运算，理解数组运算和矩阵运算的区别；4、 掌握标准数组的生成方法和相关数组操作函数的使用方法；5、 了解数组关系运算和逻辑运算的含义和应用。二、 实验器材安装MATLAB6.0或以上版本的计算机。三、 实验内容数组是指实数或复数组成的长方阵列（Array），可以是一维、二维、三维或更高的维数。而数组运算是指无论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的每个元素平等地实施同样的操作。1、一维数组的创建，子数组的寻访和赋值方法完成以下内容，所有结果以截屏方式保存。（1） 一维数组的创建 a、利用逐个输入法、冒号生成法以及定数线性采样法创建以下一维数组：X1=1，2，3，4，5，6，7，8，9，10b、利用冒号生成法创建以下数组： X2=(1,2,3,4,9,8,7,6,5)c、利用定数对数生成法创建一个第一个元素为10，最后一个元素为100，元素个数为51的一维数组X3。（2） 一维数组子数组的寻访和赋值 以冒号生成法创建一个第一个元素为0，步长为0.1，最后一个元素为2的一维数组X4，并写出寻访或赋值的以下指令：a、 寻访X4的第6个元素；b、 同时寻访X4的第2、5、7个元素；c、 寻访前3个元素组成的子数组；d、 寻访除前3个元素外的全部的其他元素；e、 由后三个元素倒排构成的子数组；f、 由大于0.5的元素构成的子数组；g、 把第三个元素重新赋值为0；h、 把当前x数组的第一、四个元素都赋值为1。2、二维数组的创建，子数组的寻访和赋值方法定义一个二维数组A，第一行为11至15、30至26共10个元素，第二行为110共10个元素。然后运行改M文件，生成数组AM；按以下方式寻访该数组，以截屏方式保存结果：（1） 寻访A的第一行；（2） 寻访A的第三列；（3） 同时寻访A的第三列和第五列；（4） 把A的各列按自左至右的次序，首尾相接生成一个“一维长列”；（5） 把A的第1行第1列、第2行第2列以及第1行第5列的元素重新赋值为10、20、30；（6） 把A的第二行赋值为1120。3、数组运算和矩阵运算生成以下矩阵，并进行以下计算：（1） B的第二列乘以A的第一列；（2） 使用MATLAB帮助系统查阅max函数的使用方法，并使用它求解B中的第二列与A中的第一列逐行元素相乘所得矢量中的最大值。提示：ln函数在matlab中为log4、标准数组的生成和数组操作函数生成以下数组或矩阵：（1）长度为4的全1行数组和44的全1行数组；（2）5阶单位阵；（3）生成一矩阵A，第一行为1、2，第二行为3、4；并使用diag函数生成A的对角线元素所组成的对角阵。eye(3,3) zeros(1,9) ones(3,8)5、综合题：在时间区间0,10中，绘制出曲线。四、 实验结果及分析记录并分析以上实验结果，提出新的问题。注：除保存截屏结果外，在实验报告中写出本节课实验内容的指令。实验三 字符串、单元和结构数组一、 实验目的1、 掌握字符串在MATLAB中的表达方式和创建方法；2、 了解字符串转换函数和操作函数及其使用方法。二、 实验器材安装MATLAB6.0或以上版本的计算机。三、 实验内容1、 数组量和字符串的区别输入相应指令，使用截屏方式保存实验结果。根据实验结果总结MATLAB表示数值量和字符串两种数据类型上的区别。 str=How are you doing? strasc=double(str) str1=char(strasc) str2=How are you doing?,I am fine,and you? str2=How are you doing?;I am fine,Thank you?2、 字符串的创建（1）写出使以下这段文字成为MATLAB字符串。注意保持这段文字的格式。 In GB usage quotation marks are usually single: Fire!（2）分别使用直接创建和串操作函数创建方法按以下方式创建字符串： In GB usage quotation marks are usually single: Fire!3、 字符串/数值的转换 x=1020;y= int2str(x) size(x)size(y) p=num2str(pi,15) pi创建一M文件function plotlabel(x,y)plot(x,y)str1=num2str(min(x);str2=num2str(max(x);out=Value of f from str1 to str2;xlabel(out); 然后，进行 x=0:0.001:1; y=sin(2*pi*x); plotlabel(x,y)观察结果4、 理解num2str函数的作用，完成以下综合题创建一个M文件，画出函数 y=x2+1在区间的图形，并标出最大值点坐标。5、 单元数组的创建学生.name.ID.score张三12345678956 59 45 57 98 5358 100 21图 3-1 运用左标志法和右标志法分别创建一个22的单元数组。 分别显示和读取单元数组。6、 结构数组的创建编程建立如图3-1所示的结构数组。并且读取其中的内容。四、 实验结果及分析记录并分析以上实验结果，提出新的问题。注：除保存截屏结果外，在实验报告中写出本节课实验内容的指令。实验四 数值计算一、 实验目的1、掌握使用MATLAB进行线性方程组的求解；2、掌握使用MATLAB进行矩阵的相关求解运算；3、掌握使用MATLAB进行多项式曲线拟合和插值；4、掌握使用MATLAB进行卷积运算的求解。二、 实验器材安装MATLAB6.0或以上版本的计算机。三、 实验内容1、线性方程组的求解使用MATLAB求解以下方程组，并求解系数矩阵的行列式值，验证其为非奇异阵：运行并记录结果，说明“求逆”法和“左除”法在解恰定方程组上的性能的区别。2、矩阵求解1）求以下矩阵的逆2）求以下矩阵的特征值和特征向量，并进行奇异值分解3、插值和拟合，并画出它们图x = (0: 0.1: 5);y = erf(x);f = polyval(p,x);plot(x,y,o,x,f,-)axis(0 5 0 2)X,Y = meshgrid(-3:.25:3);Z = peaks(X,Y);XI,YI = meshgrid(-3:.125:3);ZI = interp2(X,Y,Z,XI,YI);mesh(X,Y,Z), hold, mesh(XI,YI,ZI+15)hold offaxis(-3 3 -3 3 -5 20)比较双线性插值、最近点插值、三次样条插值、双立方插值的结果。4、求解以下两个序列的卷积，并以stem函数分别画出它们的图形 x(n)=1,-3,2,4,5; h(n)=1,-2,7,5; y(n)=x(n)*h(n)四、 实验结果及分析记录并分析以上实验结果，提出新的问题。注：除保存截屏结果外，在实验报告中写出本节课实验内容的指令。实验五 符号计算一、 实验目的1、 掌握符号对象和符号表达式的创建方法；2、掌握符号表达式和符号函数的操作方法；3、掌握符号微积分的基本方法；4、掌握符号积分变换的基本方法。二、 实验器材安装MATLAB6.0或以上版本的计算机。三、 实验内容1、符号对象的定义方法（1）分别使用sym函数定义以下符号对象：a、数字20b、字符串 f(x)=3x+4c、表达式 ax+b，其中a=2，b=3，x=5（2）掌握把数组a1转换为字符对象的方法，理解sym调用方式不同时，转换结果的精度不同。运行相关指令并保存结果。（3） 阅读教材关于syms函数的调用方法，并使用syms函数定义以下符号表达式：f=3x+4y理解不同字符串、数组和符号对象三种数据类型的不同定义方法和存储方式上的差别。运行相关指令并保存结果。2、使用numden函数求解表达式的分子和分母；3、使用factor函数对多项式进行因式分解；4、使用expand函数对表达式展开；5、使用collect函数对多项式根据x同幂项进行合并同类项；6、理解simple函数和simplify函数在简化表达式上的使用方法，运行相关指令并保存结果。7、理解运用MATLAB求解反函数和复合函数的方法，运行相关指令并保存结果。8、理解 sym函数、double函数和vpa函数在数值对象、符号对象和数值型符号对象三者之间相互转换的使用方法。9、理解各种多项式表示形式之间的转换方法。10、对函数 ， 当a 为正实数时，求。（实际上，这就是根据定义求Z变换问题。11、使用diff函数对cosx/(1+x)求微分。12、使用int函数对以下矩阵A中的各项对t求积分： 13、已知系统冲激响应，求输入下的输出响应。14、求的Laplace变换，并用反变换验算。求的傅里叶变换，并用反变换验算。15、使用ztrans函数求序列的Z变换，并用反变换验算。四、实验结果及分析记录并分析以上实验结果，提出新的问题。注：除保存截屏结果外，在实验报告中写出本节课实验内容的指令。实验六 图形显示一、 实验目的1、 掌握MATLAB绘图的基本步骤和相关指令调用的先后顺序。2、 掌握MATLAB绘图指令的调用方法。二、 实验器材安装MATLAB6.0或以上版本的计算机。三、 实验内容1、 一维图形1）利用 plot 函数可依据给定的数据绘制平面图形，如绘制正弦函数 y = sin( x ) 的图形：x=2*pi:pi/10:2*piy=sin(x)plot(x,y,r*)可以使用 grid on 绘图网格线和 hold on 同时绘制两个图形，还可以给图形加上各种注解和处理：x=2*pi:pi/10:2*piy=sin(x)plot(x,y,r*:)grid on % 绘制网格线hold ony2=2*cos(x)plot(x,y2, b+)xlabel(x 轴) % x 轴注解ylabel(y 轴) % y 轴注解title(正弦和余弦函数) %图形标题legend(y = sin(x), y2 = cos(x) %图形注解2）为了弥补有时 x 的小增量却引起 y 很大的变化的不足，MATLAB 给出了 fplot 函数绘制函数图形，它可以自动调节x 的增量(即步长)，对剧烈变化处进行较密集的取样，进行较精确的绘图。如：fplot(sin(1/x),0.02, 0.2)3）MATLAB 还可以在同一图形窗口完成多个子图的功能，如：x=2*pi:pi/10:2*piy=sin(x)y2=cos(x)y3=2*cos(x)y4=sin(x)+cos(x)subplot(2,2,1)plot(x,y,r*:)subplot(2,2,2)plot(x,y2,b+)subplot(2,2,3)plot(x,y3,gp:)subplot(2,2,4)plot(x,y4, kx)4)理解plot指令画多条曲线的运用方法，运行并保存结果；并使用plot函数和legend函数，在同一个图形窗口上画出y=sint和y=sin(2t)在0,2pi区间上的图形，并标出图例。5）综合实验: 阅读以下关于通过绘制二阶系统阶跃响应综合演示图形标识的示例，理解示例中所有图形标识指令的作用，掌握各个图形标识指令的运用方法，并在原指令上改动以实现以下功能：（1） 把横坐标范围改为0至5pi，纵坐标范围改为0至2；（2） 把图中的横轴的刻度改为从0开始到4pi，中间各点间隔为pi/2；纵轴刻度改为从0开始到1.5，中间各点间隔为0.3；（3） 把图中的改为。【附】二阶系统阶跃响应综合演示图形标识的示例代码clf;t=6*pi*(0:100)/100;y=1-exp(-0.3*t).*cos(0.7*t);tt=t(find(abs(y-1)0.05);ts=max(tt);plot(t,y,r-,LineWidth,3);axis(-inf,6*pi,0.6,inf);set(gca,Xtick,2*pi,4*pi,6*pi,Ytick,0.95,1,1.05,max(y);grid on;title(it y = 1 - e -alphatcosomegat);text(13.5,1.2,fontsize12alpha=0.3);text(13.5,1.1,fontsize12omega=0.7);hold on;plot(ts,0.95,bo,MarkerSize,10);hold off;xlabel(fontsize14 bft rightarrow);ylabel(fontsize14 bfy rightarrow) ;2、 二维图形Image的使用RGB=imread(ngc6543a.jpg);Image(RGB);3、 三维图形1）空间曲线绘图（plot3 函数）： MATLAB 函数 plot3 将绘制二维图形的函数 plot 的特性扩展到三维空间图形。函数格式除了包括第三维的信息（比如 Z 方向）之外，与二维函数 plot 相同。t=0:pi/50:10*piplot3(sin(t),cos(t),t)grid on % 添加网格plot3 可画出空间中的曲线（图略）：t=linspace(0,20*pi, 501)plot3(t.*sin(t), t.*cos(t), t) %注意用点乘.*亦可同时画出两条空间中的曲线：t=linspace(0, 10*pi, 501) plot3(t.*sin(t), t.*cos(t), t, t.*sin(t), t.*cos(t), t)grid on正弦曲线图x=linspace(0,3*pi) % 0 到 3pi 间 100 个数据点2) 空间网格绘图（ mesh函数）：利 用在xy平面的矩形网格点上的z轴坐标值，MATLAB定义了一个网格曲面。MATLAB 通过将邻接的点用直线连接起来形成网状曲面，其结果好象在数据点有结点的鱼网。mesh 可画出立体网状图。X,Y = meshgrid(-2:.2:2, -2:.2:2); Z = X .* exp(-X.2 - Y.2); surf(X,Y,Z)3）surfX,Y,Z = peaks(30);surfc(X,Y,Z)colormap hsvaxis(-3 3 -3 3 -10 5)四、 实验结果及分析1、所有实验内容涉及的指令都以M文件方式创建并运行，保存实验结果图形。实验七 MATLAB语言程序设计一、实验目的1、 掌握M脚本文件和函数文件的创建方法，理解两者在形式上和运行上的区别；2、 掌握条件语句、循环语句和分支语句在MATLAB中的使用方法。二、实验器材安装MATLAB6.0或以上版本的计算机。三、实验内容1、建立M脚本文件和函数文件，将华氏温度f转换为摄氏温度c,已知c=5*(f-32)/9。其中f从键盘输入（提示：使用input函数）。(1) 建立脚本文件，实现以上功能；(2) 建立函数文件实现华氏温度转换为摄氏温度（提示：输入参数为f，输出参数为c），并重新编写一脚本文件，调用所建立的函数文件，实现把从键盘输入的华氏温度转换为摄氏温度。2、使用if-else分支选择结构计算以分段函数：3、 使用for循环产生以下矩阵：4、使用while循环求解以下问题：从键盘输入若干个数（提示：使用input函数），当输入0时结束输入，求这些数的平均值和它们之和。四、实验结果及分析 编写M文件后，运行程序，以截屏方式保存结果。需要详细的流程图加以说明。实验八 动态仿真系统SIMULINK一、 实验目的1、 熟悉SIMULINK工作界面；2、 了解信号处理、通信工程相关的模块库；3、 掌握SIMULINK模块的创建；4、 掌握S-函数；5、 掌握运用SIMULINK设计开发信号处理和通信工程系统。二、 实验器材 1、安装MATLAB6.0或以上版本的计算机； 2、话筒和音箱。三、 实验内容1、8线3线编码器的设计。将要实现8线3线编码器，,它的功能是对输入端的8个信号进行编码，输出三位二进制数。要求输入信号每次只有一个是0，其余7个是1。其中0值是待编码信号。将使用MATLAB的Simulink软件包实现这种常用的数字组合逻辑电路，并进行仿真。2、产生二进制0，+1随机信号序列，信号波特率为1000波特用波形成形法生成数字基带信号，波形为滚降系数为1的升余弦滚降滤波器冲击响应的截止函数，要求包含主瓣和一对旁瓣。抽样速率为8000Hz. 观察输出信号的波形和频谱。提示： 首先生成波特率为1000B的随机信号序列an。由于生成的数字基带信号可以表示为：其中g(t)是升余弦滚降滤波器的冲击响应。有下式成立： 将上面公式离散化，变为： 当时，mTnTs) 时，否则为1。1/T为抽样频率，在此，fs=8000Hz，于是， 可表示成序列a0,0,0,0,0,0,0,0,a1,0,0,0,0,0,0,0,a2,.。将an转换成a0,0,0,0,0,0,0,0,a1,0,0,0,0,0,0,0,a2,.可用插值器（Upsampler）来实现。3、利用SIMULINK进行fsk调制解调仿真（fskmodem.mdl）四、 实验结果及分析期末考核综合设计题选一、 考核方式、 人一组，确定一位为组长；、 每组在上课第周前确定题目；、 在这个学期，同学自行查阅资料和设计；、 如有问题，可以在同学之间讨论，或找老师讨论；、 在最后两次课进行考核答辩。二、 答辩方式、 答辩时间每组分钟，演示讲解个分钟，答辩分钟；、 答辩组长：胡晓；成员：班长、学习委员、其他同学位；、 全班同学列席。三、 报告格式报告内容需要有：设计目的要求、设计理论、设计程序、设计结果、心得体会。四、设计供选题目（可自己找题目）1、信号发生器 要求：1） 三角波信号、正弦信号和锯齿波信号2） 函数信号源采用数字存储方式存储一到几个周期，再用时间计数，循环执行的方法实现函数信号的连续输出。系统的基本结构框图如下：2、DSB-SC信号的生成与解调要求： 1) 用离散（DSP）的方法生成DSB信号2) 载波频率为150KHz，音频为500Hz和2000Hz的混合音。3) 加入高斯白噪声 4) 带通滤波，分别用正交解调和检波的方法实现解调。 5) 抽样速率为600Hz。6) 观察各点的信号波形和频谱。3、利用Kaiser窗函数设计的FIR低通滤波器进行数字滤波利用Kaiser窗函数，设计具有如下指标的FIR低通滤波器：fs=20KHz, fpass=4kHz, fstop= 5KHz, Apass=0.1dB, Astop=80dB。归一化低通滤波器的主要性能指标有： 绝对指标：0, wp为滤波器的通带，p为可容许的通带波动；ws,为滤波器的阻带，s为阻带波动。相对指标：Ap为用dB表示的通带波动；As为用dB表示的阻带波动相对指标与绝对指标的关系为： Ap=-20lg(1-p)/(1+p) As=-20lg(s) 设计基本思路：首先选择一个符合要求的理想滤波器（这里是理想低通滤波器）；由于理想滤波器的冲击响应是非因果的且无限长，为了能用FIR滤波器实现，必须用适当的窗函数来截取，从而得到线性相位和因果的FIR滤波器。而滤波器的特性与窗函数的长度（也就决定了FIR滤波器的长度）密切相关。一个截止频率为wc的理想低通滤波器的单位冲击响应为： h(n)=sinwc(n-a)/(n-a) a为采样延迟，对应的频谱特性为：H(w)=exp(-jaw), 当|w|wc时。用一个窗函数w(n)去截取后，得到： hd(n)=h(n).w(n) 窗函数满足在0，M内关于a对称，在其他区域为0。在频域，FIR滤波器的频率响应由理想滤波器的频响和窗函数的频响卷积得到。对给定的阻带衰减，Kaiser窗提供了最大的主瓣宽度，从而提供最陡的过渡带。窗函数的表达式为： w(n)=I0square(1-(1-2n/M)2) 其中I0为零阶Bessel函数。Kaiser窗的优点在于它可以通过改变参数和M来改变阻带衰减和过渡带宽。在MATLAB的SimLink中，有相关的模块供调用。要求：1) 生成2KHz和8KHz的混合信号，使该信号通过上述滤波器，观察滤波前后的