8MATLAB程序设计.ppt

第8章MATLAB程序设计M FileProgramming 8 1M文件8 2程序流程控制8 3函数调用和参数传递8 4M文件性能的优化和加速8 5内联函数8 7利用函数句柄执行函数 8 1M文件 ScriptsandFunctions MATLAB程序代码所编写的文件通常以 m 为扩展名 因此这些文件称为M文件 MATLABM file M文件是一个ASC 码文件 M文件有两种形式 M脚本文件 Scripts 和M函数文件 Functions M函数文件是MATLAB程序设计的主流 8 1 1M文本编辑器 M FileEditor M文件编辑 调试器窗口是集编辑与调试功能于一体的环境 8 1 2M脚本文件 ScriptM files 脚本文件的特点 1 脚本文件中的命令格式和前后位置 与在命令窗口中输入的没有任何区别 2 MATLAB在运行脚本文件时 只是简单地按顺序从文件中读取一条条命令 送到MATLAB命令窗口中去执行 3 与在命令窗口中直接运行命令一样 脚本文件运行产生的变量都是驻留在MATLAB的工作空间 workspace 中 可以很方便地查看变量 除非用clear命令清除 脚本文件的命令也可以访问工作空间的所有数据 因此要注意避免变量的覆盖而造成程序出错 函数声明行H1行 用 开头的注释行 在线帮助文本 用 开头 编写和修改记录 用 开头 函数体 M函数文件的基本格式 functiony Ex0802 zeta EX0802二阶系统时域响应曲线 Stepresponseofquadraticsystem zeta阻尼系数 y时域响应 copyright2010 05 14x 0 0 1 20 y plot x y 8 1 3M函数文件 FunctionM files 1 函数声明行以 function 引导 是M函数文件必须有的 M脚本文件没有 函数名和文件名一致 当不一致时 MATLAB以文件名为准 函数声明行的格式 function 输出变量列表 函数名 输入变量列表 2 H1行通常包含大写的函数文件名 可以提供给help和lookfor关键词查询使用 3 在线帮助文本通常包含函数输入 输出变量的含义 格式说明 4 编写和修改记录一般在空一行后 记录作者 日期和版本记录 用于软件档案管理 5 函数体由MATLAB的命令或者通过流程控制结构组织的命令组成 通过函数体实现函数的功能 函数文件的特点 1 第一行总是以 function 引导的函数声明行 function 输出变量列表 函数名 输入变量列表 2 函数文件在运行过程中产生的变量都存放在函数本身的工作空间中 函数的工作空间随具体的M函数文件调用而产生 随调用结束而删除 是独立的 临时的 在MATLAB运行过程中可以产生任意多个临时的函数空间 3 当文件执行完最后一条命令或遇到 return 命令时 就结束函数文件的运行 同时函数工作空间的变量就被清除 4 在函数文件中需要将输出变量列表赋值 8 2程序流程控制8 2 1for end循环结构 说明 执行的次数就是array的列数 array可以是向量也可以是矩阵 循环变量依次取array的各列 每取一次循环体执行一次 for循环变量 array循环体end 例 forn 1 2 10循环五次 8 2 2while end循环结构 说明 表达式可以是向量也可以是矩阵 如果为矩阵则当所有的元素都为真才执行循环体 如果表达式为nan MATLAB认为是假 不执行循环体 while表达式循环体end 例如 whilen 0end 8 2 3if else end条件转移结构 if条件式1语句段1elseif条件式2语句段2 else语句段n 1end 说明 If else end结构也可以是没有elseif和else的简单结构 8 2 4switch case开关结构 switch开关表达式case表达式1语句段1case表达式2语句段2 otherwise语句段nend 说明 1 如果表达式1不满足 则与下一个表达式2比较 如果都不满足则执行otherwise后面的语句段n 2 开关表达式只能是标量或字符串 3 case后面的表达式可以是标量 字符串或元胞数组 如果是元胞数组则将开关表达式与元胞数组的所有元素进行比较 8 2 5try catch end试探结构 TrappingErrors try语句段1catch语句段2end 说明 首先执行语句段1 如果出现错误 则将错误信息赋给保留的lasterr变量 执行语句段2 当又出现错误 则终止该结构 8 2 6流程控制语句 1 break命令使包含break的最内层的for或while语句强制终止 立即跳出该结构 执行end后面的命令 2 continue命令用于结束本次for或while循环 只结束本次循环而继续进行下次循环 3 return命令终止当前命令的执行 并且立即返回到上一级调用函数或等待键盘输入命令 可以用来提前结束程序的运行 4 pause命令用来使程序运行暂停等待用户按任意键继续 pause 暂停pause n 暂停n秒5 keyboard命令用来使程序暂停运行 等待键盘命令 输入return语句 程序就继续运行 6 input命令用来提示用户应从键盘输入数值 字符串和表达式 并接受该输入 8 2 7循环结构与动画 MATLAB产生动画的方式有两种 1 影片方式以图像的方式预存多个画面 再将这些画面逐帧播放 就可以得到动画的效果 2 对象方式保持图形窗口中大部分对象即整个背景不变 而只更新部分运动的对象 以便加快整幅图像的实时生成速度 使用对象方式所产生的动画 可以实现实时的变化 也不需要太高的内存需求 但其缺点是无法产生太复杂的动画 1 以电影方式产生动画以电影方式产生动画 有两个步骤 1 使用getframe命令来抓取图形作为画面 每个画面都是以一个列向量的方式 置于存放整个电影的矩阵M中 2 使用movie M k 命令来播放电影 并可指定矩阵M播放的重复次数k 例8 10续 使用电影方式制作动画 显示二阶系统的时域波形 n 20 fori 1 nx 0 0 1 i y 1 1 sqrt 1 0 3 2 exp 0 3 x sin sqrt 1 0 3 2 x acos 0 3 plot x y axis 0 20 0 1 5 固定坐标轴M i getframe 抓取画面end movie M 3 播放3次 2 以对象方式产生动画产生动画的具体步骤是 1 先产生一个对象 其EraseMode属性为xor background或none 2 然后在循环中产生动画 每次循环改变此对象的位置属性xdata或ydata 或两者 3 最后使用drawnow命令刷新屏幕 1 擦除属性EraseMode以对象方式产生动画需要设置EraseMode属性 EraseMode为一个字符串 代表对象的擦除方式 即对于旧对象的处理方式 EraseMode属性有以下几种 normal 计算整个画面的数据 重画整个图形 xor 将旧对象的点以xor的方式还原 即只画与屏幕色不一致的新对象点 擦除不一致的原对象点 这种方式不会擦除被擦对象下面的其他图像 background 将旧对象的点变成背景颜色 实现擦除 这种方式会擦除被擦对象下面的其他图像 none 保留旧对象的点 不做任何擦除 在上述四种EraseMode中 耗费时间的次序是 normal xor background none 2 对象的位置属性通常在动画过程中 会改变对象的位置或尺寸 颜色等外观属性 位置属性有 xdata 为一个向量 代表对象的x坐标值 ydata 为一个向量 代表对象的y坐标值 3 屏幕刷新当新对象的属性设置后 应刷新屏幕 使新对象显示出来 刷新屏幕用drawnow命令实现 例8 10续 使用对象方式产生用一个红色的小球沿着曲线运动的动画 x 0 0 1 20 y 1 1 sqrt 1 0 3 2 exp 0 3 x sin sqrt 1 0 3 2 x acos 0 3 plot x y h line 0 0 color red marker markersize 40 erasemode xor 定义红色的小球fori 1 length x set h xdata x i ydata y i 设置小球的新位置pause 0 005 暂停0 005秒drawnow 刷新屏幕end 8 3函数调用和参数传递8 3 1子函数和私有函数 1 子函数 Subfunctions 在M函数文件中只有一个主函数 其它则为子函数 1 在一个M文件中 主函数必须出现在最上方 其后是子函数 子函数的次序无任何限制 2 子函数不能被其它文件的函数调用 只能被同一文件中的函数 可以是主函数或子函数 调用 3 同一文件的主函数和子函数变量的工作空间相互独立 4 用help和lookfor命令不能提供子函数的帮助信息 functionEx0811 z1 0 3 Ex0802 z1 调用Ex0802holdonz1 0 5Ex0802 z1 调用Ex0802z1 0 707 Ex0802 z1 调用Ex0802functiony Ex0802 zeta 子函数 画二阶系统时域曲线x 0 0 1 20 y 1 1 sqrt 1 zeta 2 exp zeta x sin sqrt 1 zeta 2 x acos zeta plot x y 主函数 调用子函数 子函数 例8 11 将画二阶系统时域曲线的函数作为子函数 编写画多条曲线的程序 functionEx0811 EX0811使用函数调用绘制二阶系统时域响应z1 0 3 Ex0802 z1 调用Ex0802holdonz1 0 5Ex0802 z1 调用Ex0802z1 0 707 Ex0802 z1 调用Ex0802 functiony Ex0802 zeta 子函数 画二阶系统时域曲线x 0 0 1 20 y plot x y 附录F程序的调试 Debug 在调试时检测和跟踪逻辑错误的方法主要有 1 删除某些语句行末尾的分号 2 将函数调用中的被调函数单独调试 将第一句函数声明行前加 给输入变量定义并赋值 就可以以脚本的方式来执行该函数 3 在程序中加keyboard语句 当程序运行至此时会暂停 并在命令窗口显示 k 提示符 这时就可以在命令窗口查看和修改各变量的内容 4 使用MATLAB的M文件调试器 可以方便地查看和修改变量 准确地找到错误 用于调试的菜单有两个 Debug 和 Breakpoints 菜单 Debug菜单Step 快捷键F10 单步运行 Stepin 快捷键F11 单步运行进函数 Stepout 快捷键shift F11 从函数中出来 Continue 快捷键F5 从当前语句行执行程序到遇到下一个断点或程序结束 2 Breakpoints菜单Breakpoints菜单主要用来设置和清除断点 1 Set ClearBreakpoints 快捷键F12 设置和清除所在行的断点 2 ClearallBreakpoints 清除所有断点 3 StopIfError 在出错行暂停 4 StopIfWarning 在警告语句行暂停 5 StopIfNanOrInf 在有Nan或Inf的语句行暂停 6 StopIfAllError 在所有的出错语句行暂停 包括任何运行错误 包括 try catch end 结构中的出错也暂停 3 检查变量4 单元操作 2 私有函数 PrivateFunctions 私有函数是指存放在private子目录中的M函数文件 具有以下性质 1 在private目录下的私有函数 只能被其父目录的M函数文件所调用 而不能被其它目录的函数调用 2 私有函数父目录的M脚本文件也不可调用私有函数 3 在函数调用搜索时 私有函数优先于其它MATLAB路径上的函数 3 调用函数的搜索顺序在MATLAB中调用一个函数 搜索的顺序如下 查找是否子函数 查找是否私有函数 从当前路径中搜索此函数 从搜索路径中搜索此函数 8 3 2局部变量和全局变量 1 局部变量局部变量 LocalVariables 是在函数体内部使用的变量 其影响范围只能在本函数内 局部变量只在函数执行期间存在 当函数执行完变量就消失 2 全局变量全局变量 GlobalVariables 是可以在不同的函数工作空间和MATALB工作空间中共享使用的变量 全局变量在使用前必须用global定义 functionEx0812 globalXX 0 0 1 20 z1 0 3 Ex0802 z1 holdonz1 0 5 Ex0802 z1 z1 0 707 Ex0802 z1 functiony Ex0802 zeta 子函数 画二阶系统时域曲线globalXy plot X y 全局变量 8 3 3函数的参数 FunctionArguments 函数调用的格式 输出参数1 输出参数2 函数名 输入参数1 输入参数2 1 参数传递规则函数内变量与外界 包括其它函数和工作空间 的唯一联系就是通过函数的输入输出参数 输入参数在函数中的任何变化 都仅在函数内进行 不会传递回去 2 函数参数的个数 1 nargin和nargout变量函数的输入输出参数的个数可以通过变量nargin和nargout获得 nargin用于获得输入参数的个数 nargout用于获得输出参数的个数 2 varargin和varargout变量 varargin 和 varargout 可以获得输入输出变量的各元素内容 varargin和varargout都是元胞数组 8 3 4程序举例 Examples 在命令窗口中调用Ex0816函数 y Ex0816 0 5 例8 16 functiony Ex0816 z1 EX0816主函数调用子函数 根据阻尼系数绘制二阶系统时域曲线t 0 0 1 20 if z1 0 end 例8 17续 使用控件设计用户界面 根据阻尼系数绘制二阶系统的时域曲线 弹出式菜单的回调函数程序如下functionvarargout popupmenu zeta Callback h eventdata handles varargin val get h value switchvalcase1handles data 0case2handles data 0 3case3handles data 0 5case4handles data 0 707endguidata h handles 8 4M文件性能的优化和加速8 4 1P码文件 P码文件的生成P码文件使用pcode命令生成 生成的P码文件与原M文件名相同 其扩展名为 p pcodeFilename m 在当前目录生成Filename ppcodeFilename m inplace 在Filename m所在目录生成Filename p pcodeEx0817 m则在当前目录就生成了P码文件Ex0817 p 2 P码文件的特点 1 P码文件的运行速度比原M文件速度快一个M文件第一次被调用时 MATLAB就将其进行语法分析 并生成P码文件 又称伪代码 存放在内存中 2 存在同名的M文件和P码文件时则P码文件被调用 3 P码文件保密性好用字处理软件打开Ex0817 p文件 看到的是乱码 8 4 2M文件性能优化 1 使用循环时提高速度的措施循环语句及循环体是MATLAB编程的瓶颈问题 改进这种状况有三种方法 1 尽量用向量的运算来代替循环操作 2 在必须使用多重循环的情况下 如果两个循环执行的次数不同 则建议在循环的外环执行循环次数少的 内环执行循环次数多的 也可以显著提高速度 3 应用Mex技术如果耗时的循环不可避免 就应该考虑用其他语言 如C或Fortran语言 按照Mex技术要求的格式编写相应部分的程序 然后通过编译联接 形成在MATLAB可以直接调用的动态链接库 DLL 文件 这样就可以显著地加快运算速度 2 大型矩阵的预先定维给大型矩阵动态地定维是个很费时间的事 3 优先考虑内在函数矩阵运算应该尽量采用MATLAB的内在函数 因为内在函数是由更底层的C语言构造的 其执行速度显然很快 4 采用高效的算法在实际应用中 解决同样的数学问题经常有各种各样的算法 因此 应寻求更高效的算法 5 尽量使用M函数文件代替M脚本文件由于M脚本文件每次运行时 都必须把程序装入内存 然后逐句解释执行 十分费时 8 4 3程序性能剖析窗口 程序性能剖析窗口对程序中命令的运行时间进行分析 找出运行的 瓶颈 8 5内联函数 1 内联函数的创建inline string arg1 arg2 创建内联函数说明 string 必须是不带赋值号 的字符串 arg1和arg2是函数的输入变量 例8 19 创建内联函数 f inline sin x exp z x x z y f 5 0 3 调用函数fy 0 2140 8 6利用函数句柄执行函数8 6 1函数句柄的创建 1 函数句柄 FunctionHandles 的创建h fun fun 创建函数句柄h fun str2func fun 创建函数句柄2 利用函数句柄执行函数的优点 1 在更大范围调用函数函数句柄包含了函数文件的路径和函数类型 2 提高函数调用的速度 3 使函数调用象使用变量一样方便 简单 4 可迅速获得同名重载函数的位置 类型信息 8 6 2用feval命令执行函数 函数也可以使用feval命令直接执行 feval命令可以使用函数句柄或函数名 y1 y2 feval h fun arg1 arg2 y1 y2 feval funname arg1 arg2 说明 h fun是函数句柄 funname 是函数名 arg1 arg2 是输入参数 y1 y2 是输出参数 在MATLAB的命令窗口调用该Ex0821函数有三种格式 1 用feval命令利用函数句柄执行 h Ex0821 str2func Ex0821 h Ex0821 Ex0821 y feval h Ex0821 1 2 用feval命令利用函数名执行y feval Ex0821 1 3 直接调用函数y Ex0821 1 8 7利用泛函命令进行数值分析 在MATLAB中所有以函数为输入变量的命令 都称为泛函命令 输出变量列表 函数名 h fun 输入变量列表 输出变量列表 函数名 funname 输入变量列表 说明 h fun是要被执行的M函数文件的句柄 使用 符号加在函数名前面表示句柄 或者是内联函数和字符串 funname 是M函数文件名 8 7 1求极小值 1 fminbnd函数fminbnd函数用来计算单变量非线性函数的极小值 x y fminbnd h fun x1 x2 options x y fminbnd funname x1 x2 options x是fun函数在区间x1 x x2上的局部最小值的发生点 y是对应的最小值 2 fminsearch函数fminsearch函数是求多变量无束缚非线性最小值 x fminsearch h fun x0 x fminsearch funname x0 x0是最小值点的初始猜测值 8 7 2求过零点 fzero函数可以寻找一维函数的零点 即求f x 0的根 x fzero h fun x0 tol trace x fzero funname x0 tol trace 说明 h fun是待求零点的函数句柄 x0有两个作用 预定待搜索零点的大致位置和搜索起始点 tol用来控制结果的相对精度 默认值为eps trace指定迭代信息是否在运算中显示 8 7 3数值积分 函数quad和quad8是基于数学上的正方形概念来计算函数的面积 quad8比quad更精确速度更快 s quad h fun x1 x2 tol t