MATLAB实验指导书(自编).doc

四川理工学院MATLAB实 验 指 导 书电子与信息工程系2007前言MATLAB程序设计语言是一种高性能的、用于科学和技术计算的计算机语言。它是一种集数学计算、分析、可视化、算法开发与发布等于一体的软件平台。自1984年MathWorks公司推出以来，MATLAB以惊人的速度应用于自动化、汽车、电子、仪器仪表和通讯等领域与行业。MATLAB有助于我们快速高效地解决问题。MATLAB相关实验课程的学习能加强学生对MATLAB程序设计语言理解及动手能力的训练，以便深入掌握和领会MATLAB应用技术。为后续的电力电子技术、自动控制原理、电力系统分析等专业课程提供数值计算和可视化编程工具。 目录基础型实验- 1 -实验一 MATLAB集成环境使用与基本操作命令练习- 1 -实验二 MATLAB中的数值计算与程序设计- 7 -实验三 MATLAB图形系统- 11 -实验四 SIMULINK基本操作- 17 -综合型实验- 20 -实验五 方程组求解- 20 -实验六 电力系统线路故障分析- 22 -实验七 MATLAB综合应用程序开发- 23 -基础型实验实验一 MATLAB集成环境使用与基本操作命令练习一 实验目的熟悉MATLAB语言编程环境；熟悉MATLAB语言命令二 实验仪器和设备装有MATLAB6.0以上计算机一台三 实验原理MATLAB 是以复杂矩阵作为基本编程单元的一种程序设计语言。它提供了各种矩阵的运算与操作，并有较强的绘图功能。1.1 基本规则1.1.1 一般MATLAB命令格式为 输出参数1，输出参数2，=（命令名）（输入参数1，输入参数2，） 输出参数用方括号，输入参数用圆括号如果输出参数只有一个可不使用 括号。 1.1.2 %后面的任意内容都将被忽略，而不作为命令执行，一般用于为代码加注释。1.1.3 可用、键来重现已输入的数据或命令。用、键来移动光标进行修改。1.1.4 所有MATLAB命令都用小写字母。大写字母和小写字母分别表示不同的变量。1.1.5 常用预定义变量，如pi 、Inf、NaN、ans1.1.6 矩阵的输入要一行一行的进行，每行各元素用空格或“，”分开，每行用“；”分开。如 MATLAB书写格式为A=1 2 3 ；4 5 6 ；7 8 9 在MATLABZ中运行如下程序可得到A矩阵 a=1 2 3;4 5 6;7 8 9 a = 1 2 3 4 5 6 7 8 91.1.7 需要显示命令的计算结果时，则语句后面不加“；”号，否则要加“；”号。 运行下面两种格式可以看出它们的区别：a=1 2 3;4 5 6;7 8 9 a=1 2 3;4 5 6;7 8 9;a= 1 2 3 不显示结果 4 5 6 7 8 91.1.8 当输入语句过长需要换行时，应加上“”后再回车，则可续行输入。1.2 文件管理常用命令1.2.1 帮助（HELP）命令 MATLAB有很多命令，因此很不容易记忆。使用HELP命令可以得到有关命令的屏幕帮助信息。如 在MATLAB环境下直接运行HELP命令就会在屏幕上给出MATLAB的基本命令以及相关的工具箱软件命令（请自行验证）。 而下面的格式可以得到指定命令的帮助信息，和详细说明。 help 命令名 1.2.2 save 命令该命令存储定义的变量或演算结果，也可以用来存储指定的变量。 命令格式为 save 文件名 变量名表 -append -ascii 1.2.3 what 命令 该命令可以在当目录下显示MATLAB文件和MAT数据文件1.2.4 dir 命令 显示当前目录下的所有文件.1.2.5 clear命令 如果输入 calear a b c ，则表示清除工作空间中指定变量a,b,c；如果仅仅输入calear命令，则清除整个工作空间。 1.3 矩阵运算 MATLAB具有强大的矩阵运算功能,这里我们只作简单介绍.1.3.1 在MATLAB中表示一个矢量要用方括号， 而列矢量的输入只需在行矢量输入格式基础上加转置符“”即可。 如 x=1 2 3;4 5 6 x = 1 2 3 4 5 6 而 x=1 2 3;4 5 6 (加转置符) x = 1 4 2 5 3 61.3.2 下面三条命令可以产生一个行矢量1 a=linspace(x,y,n) 2 a=logspace(x,y,n) 3 a=x:n:y第一条命令可以在线性空间产生一个值在x至y之间间隔点数为n的行矢量(一组数据)。其行矢量的起始值是x, 终值为y, 点数为n。第二条命令可以在对数空间产生一个值在10x至 10y之间等间隔的行矢量(一组数据)。第三条命令产生x至y步长为n的行矢量。但是, 三个命令之间存在差别，下面的例子可以说明这一点。 例1 x=logspace(0,5,6) x = 1 10 100 1000 10000 100000 例2 x=linspace(0,10,11) x = 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 例3 x=0:1:10 x = 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 通过上面三个例子可以看出例一, 例二中n代表选取的点数。而在例三 中n则表示步长. 注意它们的区别。1.3.3 矩阵的加, 减, 乘, 除等, 和其它语言书写一样。 但要注意的是在运算 符前面加有“.”则表示是数组运算，为对应元素的相应操作。 例4 请注意下面的不同情况. a=1 2;3 4; b=2 2;2 2;c=a*b c=a.*b c = c = 6 6 2 4 14 14 6 8 c=a/b c=a./b c = c = 1.0e+015 * 0.5000 1.0000 -2.2518 2.2518 1.5000 2.0000 -2.2518 2.25181.4 常见数学函数函 数 名数 学 计 算 功 能函 数 名数 学 计 算 功 能abs（x）实数的绝对值或复数的幅值floor（x）对x朝-方向取整acos（x）反余弦arcsingcd（m，n）求正整数m和n的最大公约数acosh（x）反双曲余弦arccoshimag（x）求复数x的虚部angle（x）在四象限内求复数 x 的相角lcm（m，n）求正整数m和n的最小公倍数asin（x）反正弦arcsinlog（x）自然对数（以为底数）asinh（x）反双曲正弦arcsinhlog10（x）常用对数（以10为底数）atan（x）反正切arctanreal（x）求复数x的实部atan2（x,y）在四象限内求反正切rem（m，n）求正整数m和n的m/n之余数atanh（x）反双曲正切arctanhround（x）对x四舍五入到最接近的整数ceil（x）对x朝+方向取整sign（x）符号函数：求出x的符号conj（x）求复数x的共轭复数sin（x）正弦sincos（x）余弦cossinh（x）反双曲正弦sinhcosh（x）双曲余弦coshsqrt（x）求实数x的平方根：exp（x）指数函数 tan（x）正切tanfix（x）对x朝原点方向取整tanh（x）双曲正切tanh例5：输入 x=-4.85 -2.3 -0.2 1.3 4.56 6.75，则： ceil(x)= -4 -2 0 2 5 7 fix(x) = -4 -2 0 1 4 6 floor(x) = -5 -3 -1 1 4 6 round(x) = -5 -2 0 1 5 71.5 关系及逻辑运算 1.5.1 关系运算允许常量(或矩阵中的元素与元素) 之间的比较. 如果比较结果为真,则答案为1, 否则为0. 常用的关系运算符如下: 大于 , = 等于 = 大于等于, = 不等于对于复数”=” 和”=” 既比较实部也比较虚部, 而其它运算仅比较实部。例6 比较 a=5:1:15 与 b=1 2 8 8 7 10 12 11 13 14 15 中的对应元素 是否相同,则运行下面程序a=5:1:15;b=1 2 8 8 7 10 12 11 13 14 15;y=a=b y = 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1.5.2 MATLAB有三个逻辑运算符. & 逻辑与 | 逻辑或 逻辑非在矩阵运算中,以上命令是将两个矩阵中的对应元素进行运算, 得到的结 果是具有同样元素的矩阵。例7 分别对下面两个矩阵进行逻辑运算. X=0 1;1 0; Y=0 0;1 0; X&Y ans = 0 0 1 0 X|Y ans = 0 1 1 0 X ans = 1 0 0 1 MATLAB在进行混合运算时, 其顺序为: 算术运算 关系比较 逻辑运算例8 计算 x&y+xy 时, 程序首先执行x+y运算, 然后将相加结果与y比较, 最后将比较结果和x作与运算，运行结果如下。 x=0 1;1 0; y=0 0;1 0; x&y+xy ans = 0 1 1 0四 实验内容和步骤熟悉MATLAB语言编程环境。在这一环境中，系统提供了许多编写，调试和执行MATLAB程序的便利工具。熟悉变量、MATLAB基本数学函数使用，矩阵操作练习，主要包括矩阵的建立，算数运算，逻辑运算和关系运算。（一）熟悉Matlab的运行环境以及HELP命令，运行demo命令，观看matlab所具有的功能。（二）验证例题中所有操作。（三）完成以下各题，将步骤命令写入实验报告，并在机器上运行结果验证。1输入A=7 1 5；2 5 6；3 1 5，B=1 1 1; 2 2 2; 3 3 3，在命令窗口中执行下列表达式，掌握其含义：A(2, 3) A(:,2) A(3,:) A(:,1:2:3) A(:,3).*B(:,2) A(:,3)*B(2,:) A*B A.*B A2 A.2 B/A B./A2输入C=1:2:20，则C（i）表示什么？其中i=1,2,3,10；3查找已创建变量的信息，删除无用的变量；4输入以下程序，察看结果，如果出错给出处理方法并验证。（1）a=magic(3);b=243; （2）a=magic(3);b=243;save myvar a b; save myvar a b ascii;clear; pause;clear;load myvar; load myvar ascii;whoa,b5求下列表达式的值。（1）（2），其中a=3.5,b=5,c=-9.8。6欲通过系统做一平面图，请查找相关的命令与函数，获取函数的帮助信息。五 写出实验总结报告 实验二 MATLAB中的数值计算与程序设计一 实验目的： 完成MATLAB下数据分析与程序设计有关问题的练习。学习脚本文件的编写，数值输入，数组计算，程序调试等；练习利用MATLAB编程序解决基本数学问题。学习全局和局部变量的使用，流程控制结构，函数编写及其调试。二 实验仪器和设备装有MATLAB6.0以上计算机一台三 实验原理1. 常用运算命令运算命令名 功能angle求复数的角min求最小值max求最大值sum求和roots求多项式的根poly由多项式的根求多项式的系数polyval求给定点多项式的值polyder多项式求导 例1 求a=S3+2S2+3S+4根. a=1 2 3 4; roots(a) ans = -1.6506 -0.1747 + 1.5469i -0.1747 - 1.5469i 或 roots(1 2 3 4) ans = -1.6506 -0.1747 + 1.5469i -0.1747 - 1.5469i 例2 已知某多项式的根如下 -1.6506 -0.1747 + 1.5469i -0.1747 - 1.5469i 求该多项式. poly(-1.6506,-0.1747+1.5469i,-0.1747 - 1.5469i) ans = 1.0000 2.0000 3.0001 4.0001 即所求多项式为 S3+2S2+3S+4 .2. 无条件循环当需要无条件重复执行某些命令时，可以使用for循环：for 循环变量t=表达式1 : 达式2 : 表达式3 语句体end说明：表达式1为循环初值，表达式2为步长，表达式3为循环终值；当表达式2省略时则默认步长为1；for语句允许嵌套。例3： 例4：矩阵输入程序生成34阶的Hiltber矩阵。 m=input(矩阵行数：m=); for i=1 : 3 n= input(矩阵列数：n=); for j=1 : 4 for i=1:m H（i，j）=1/（i+j-1）； for j=1:n end disp(输入第,num2str(i),行，第,num2str(j),end 列元素) A(i, j) = input ( ) end end 3. 条件循环1) if-else-then语句if-else-then语句的常使用三种形式为：(1) if 逻辑表达式 (3) if 逻辑表达式1 语句体 语句体1end elseif 逻辑表达式2 语句体2(2) if 逻辑表达式1 elseif 逻辑表达式3 语句体1 else else 语句体2 语句体nend end 2) while循环语句while循环的一般使用形式为：while 表达式 语句体end例4：用迭代法计算多项式方程= 0的一个实根。 解：x0=3;r=1;n=0;while r 1e-5 x1=x0; x0=3+5/x1.2; r=abs(x0-x1); n=n+1;end,x0,n运行结果为：x0 = 3.4260n = 94. 分支结构若需要对不同的情形执行不同的操作，可用switch 分支语句：switch 表达式（标量或字符串） case 值1 语句体1 case 值2 语句体2 otherwise 语句体nend说明：当表达式不是“case”所列值时，执行otherwise语句体。5. 建立M文件将多个可执行的系统命令，用文本编辑器编辑后并存放在后缀为 .m 的文件中，若在MATLAB命令窗口中输入该m-文件的文件名（不跟后缀.m!），即可依次执行该文件中的多个命令。这个后缀为.m的文件，也称为Matlab的脚本文件(Script File)。注意：文件存放路径必须在Matlab能搜索的范围内。6. 建立函数文件对于一些特殊用户函数，系统提供了一个用于创建用户函数的命令function，以备用户随时调用。1格式：function 输出变量列表=fun_name(输入变量列表) 用户自定义的函数体2函数文件名为：fun_name，注意：保存时文件名与函数名最好相同；3存储路径：最好在系统的搜索路径上。4. 调用方法：输出参量=fun_name (输入变量)例5：计算s = n!，在文本编辑器中输入：function s=pp(n);s=1;for i=1:n s=s*i;ends;在MATLAB命令窗口中输入：s=pp(5) 结果为: s = 120四 实验内容和步骤（一）验证例题中的操作。（二）完成以下各题，将答案写入实验报告，并在机器上运行结果验证。1编写程序，计算1+3+5+7+(2n+1)的值（用input语句输入n 值）。2编写分段函数 的函数文件，存放于文件ff.m中，并求，的值。3. 编写一个函数文件求三个数的最大值。 4：产生一个随机数，若大于0.5，则把这个数连加，直到刚好超过10为止，求这个数。五 写出实验总结报告实验三 MATLAB图形系统一 实验目的学会用MATLAB语言绘图二 实验仪器和设备装有MATLAB6.0以上计算机一台三 实验原理 1、 plot 该命令在线性坐标系下绘制y对应于x的轨迹。若其中之一为矩阵则该命令将对应于矩阵的行或者列绘制一簇曲线。该命令也可以在同一坐标轴下绘制多条曲线。例1 运行程序 t=0:1:10; x1=t; plot(x1)可在图形窗口得到下面图形: 例2 x=0:0.5:7; y=sin(x); y1=2*x; y2=3*x; plot(y,x,y1,x,y2,x)从上面的例子可以看出, 如果要在同一坐标轴下绘制多条曲线, 可用如下格式： plot(x1,y1,x2,y2.xn,yn) % 对应于不同矢量时 其中x1,y1.xn,yn是对应的关系。2、 log log 在两个对数（标准对数）坐标间绘制图形。 3、 semilogx 或semilogy 在x轴或y轴为对数坐标, 而另一轴为线性轴的空间绘制图形。4、polar 在极坐标空间绘制图形。5、 grid 在图形中加栅格。6、 subplot (r,c,p) 该命令将屏幕分成r*c个窗口,p表示在第几个窗口. 同时绘制多个图形窗口时,绘图语句间应用逗号分开。 例3 下面的程序产生四个窗口,且分别绘制相应图形. t=0:0.01:2*pi; y=sin(t); x=cos(t); subplot(221),plot(t,y),grid,subplot(222),plot(t,x),grid,subplot(223),polar(t,y),subplot(224),polar(t,x)从上面的程序可以看出,subplot语句中的r,c,p可以不用逗号分开。 上面程序执行后得到如下图形：7、 gtext 该命令用于鼠标定位的文字注释. 执行完绘图命令后再执行gtext(说明文字) 命令, 就可在屏幕上得到一个光标, 然后,用鼠标选择说明文字的位置。例4 t=0:1:10; x1=2*t; x2=0.5*t; plot(x1,t,x2,t); gtext(x=2t); gtext(x=0.5t) 8、 如果需要同时在不同窗口绘制图形, 可用figure语句来完成。 例5 t=0:1:10; x1=2*t; x2=3*t; figure,plot(x1),figure,plot(x2) 9、有关绘图方面的还有： Title 给当前图像加标题。 xlabel 或 ylabel 给x或y轴加标注。 text 在当前图像上指定位置加注释。 等。10、在同一座标系中绘制多个曲线时, 曲线的颜色可以自动确定，也可以自己选择。其使用格式如下:plot(x1,y1,选项1,x2,y2,选项2,xn,yn,选项n)b蓝色m紫红色c青色r红色g绿色w白色k黑色y黄色-实线（默认）:点连线-.点画线-虚线.点s正方形+十字号d菱形o圆圈h六角形*星号p五角星x叉号右三角11、三维图形绘制函数plot3函数与plot函数的用法类似。还可以用mesh函数绘制三维网格图；用surf函数绘制三维曲面图。MATLAB提供了丰富的三维绘图函数，可以通过help命令查看。 例6 绘制三维曲线：t=0:pi/100:20*pi;x=sin(t);y=cos(t);z=t.*sin(t).*cos(t);plot3(x,y,z);title(line in 3-D space);xlabel(X) ;ylabel(Y);zlabel(z);grid on运行结果如下：四 实验内容和步骤（一）验证例题中的操作。（二）完成以下各题，将答案写入实验报告，并在机器上运行结果验证。1. 在同一坐标系中绘制余弦曲线y=cos(t-0.25)和正弦曲线y=sin(t-0.5)， t0，2 2. 绘制0，4区间上的x=10sint曲线，并要求： （1）线形为点划线、颜色为红色、数据点标记为加号； （2）坐标轴控制：显示范围、刻度线、比例、网络线 （3）标注控制：坐标轴名称、标题、相应文本。 3. 绘制不同插值算法（nearest、linear、cubic、spline）对peaks函数的插值效果图，要求使用subplot命令在一个图形窗口显示四幅图。4. 绘制三维圆柱螺线 ： ，要求给相应的坐标轴和标题附加标注，螺线为兰色虚线；并使用stem函数绘制三维火柴杆图。五 写出实验总结报告实验四 SIMULINK基本操作一 实验目的学会SIMULINK仿真基本操作二 实验仪器和设备装有MATLAB6.0以上计算机一台三 实验原理1. 在MATLAB命令窗口中输入simulink 结果是在桌面上出现一个称为Simulink Library Browser的窗口，在这个窗口中列出了按功能分类的各种模块的名称。 也可以通过MATLAB主窗口的快捷按钮来打开Simulink Library Browser窗口。2. SIMILINK模块库按功能进行分为以下8类子库： Continuous（连续模块） Discrete（离散模块） Function&Tables（函数和平台模块） Math（数学模块） Nonlinear（非线性模块） Signals&Systems（信号和系统模块） Sinks（接收器模块） Sources（输入源模块）3. 简单模型的建立（1）建立模型窗口（2）将功能模块由模块库窗口复制到模型窗口（3）对模块进行连接，从而构成需要的系统模型4. 功能模块的基本操作，包括模块的移动、复制、删除、转向、改变大小、模块命名、颜色设定、参数设定、属性设定、模块输入输出信号等。q 模块库中的模块可以直接用鼠标进行拖曳（选中模块，按住鼠标左键不放）而放到模型窗口中进行处理。q 在模型窗口中，选中模块，则其4个角会出现黑色标记。此时可以对模块进行以下的基本操作。1) 移动：选中模块，按住鼠标左键将其拖曳到所需的位置即可。若要脱离线而移动，可按住shift键，再进行拖曳。2) 复制：选中模块，然后按住鼠标右键进行拖曳即可复制同样的一个功能模块。3) 删除：选中模块，按Delete键即可。4) 转向：为了能够顺序连接功能模块的输入和输出端，功能模块有时需要转向。在菜单Format中选择Flip Block旋转180度，选择Rotate Block顺时针旋转90度。5) 改变大小：选中模块，对模块出现的4个黑色标记进行拖曳即可。6) 模块命名：先用鼠标在需要更改的名称上单击一下，然后直接更改即可。7) 颜色设定： Format菜单中的Foreground Color可以改变模块的前景颜色，Background Color可以改变模块的背景颜色；而模型窗口的颜色可以通过Screen Color来改变。8) 参数设定：用鼠标双击模块，就可以进入模块的参数设定窗口，从而对模块进行参数设定。9) 属性设定：选中模块，打开Edit菜单的Block Properties可以对模块进行属性设定。10) 模块的输入输出信号：模块处理的信号包括标量信号和向量信号；标量信号是一种单一信号，而向量信号为一种复合信号，是多个信号的集合，它对应着系统中几条连线的合成。5. 仿真：构建好一个系统的模型之后，接下来的事情就是运行模型，得出仿真结果。运行一个仿真的完整过程分成三个步骤：设置仿真参数，启动仿真和仿真结果分析。（1）设置仿真参数和选择解法器q 设置仿真参数和选择解法器，选择Simulation菜单下的Parameters命令，就会弹出一个仿真参数对话框，它主要用三个页面来管理仿真的参数。I. Solver页，它允许用户设置仿真的开始和结束时间，选择解法器，说明解法器参数及选择一些输出选项。II. Workspace I/O页，作用是管理模型从MATLAB工作空间的输入和对它的输出。III. Diagnostics页，允许用户选择Simulink在仿真中显示的警告信息的等级。（2）、启动仿真q 设置仿真参数和选择解法器之后，就可以启动仿真而运行。q 选择Simulink菜单下的start选项来启动仿真，如果模型中有些参数没有定义，则会出现错误信息提示框。如果一切设置无误，则开始仿真运行。q 除了直接在SIMULINK环境下启动仿真外，还可以在MATLAB命令窗口中通过函数进行，格式如下： t,x,y=sim(模型文件名,to tf,simset(参数1,参数值1,参数2,参数值2, )q 其中to为仿真起始时间，tf为仿真终止时间。t,x,y为返回值，t为返回的时间向量值，x为返回的状态值，y为返回的输出向量值。（3）、仿真结果分析四 实验内容和步骤1、打开Simulink Library Browser窗口，练习功能模块的基本操作。2、 建立模型，用示波器观察正弦波和脉冲信号的波形。3、如图所示的感应电机的等效电路，输入的交流电压源为220V,50Hz,其他参数值为。观察R3上电压波形。五 实验总结报告综合型实验实验五 方程组求解一 实验目的学会用MATLAB语言编写程序求解线性、非线性方程组的解。学习线性、非线性方程组求解方法，运用MATLAB语言编写应用程序，完成对线性、非线性方程组的求解。二 实验仪器和设备装有MATLAB6.0以上计算机一台三 实验任务（1）用迭代法解方程组（2）求解方程组四 实验原理（一）线性方程组求解将线性方程的求解分为两类：一类是方程组求唯一解或求特解，另一类是方程组求无穷解即通解。可以通过系数矩阵的秩来判断：若系数矩阵的秩r=n（n为方程组中未知变量的个数），则有唯一解若系数矩阵的秩rn，则可能有无穷解。线性方程组的无穷解 = 对应齐次方程组的通解+非齐次方程组的一个特解。 1 求线性方程组的唯一解或特解（第一类问题）这类问题的求法分为两类：一类主要用于解低阶稠密矩阵 直接法；另一类是解大型稀疏矩阵 迭代法。1.1 利用矩阵除法求线性方程组的特解（或一个解）方程：AX=b 解法：X=Ab1.2 利用矩阵的LU、QR和cholesky分解求方程组的解(1).LU分解：LU分解又称Gauss消去分解，可把任意方阵分解为下三角矩阵的基本变换形式（行交换）和上三角矩阵的乘积。即A=LU，L为下三角阵，U为上三角阵。则：A*X=b 变成L*U*X=b 则 X=U(Lb) 大大提高运算速度。命令 L，U=lu (A) (2).Cholesky分解若A为对称正定矩阵，则Cholesky分解可将矩阵A分解成上三角矩阵和其转置的乘积，即： 其中R为上三角阵。方程 A*X=b 变成 则 命令 R=chol(A)(3).QR分解对于任何长方矩阵A，都可以进行QR分解，其中Q为正交矩阵，R为上三角矩阵的初等变换形式，即：A=QR方程 A*X=b 变形成 QRX=b 则 X=R(Qb)命令 Q, R=qr(A)2 求线性齐次方程组的通解在Matlab中，函数null用来求解零空间，即满足AX=0的解空间，实际上是求出解空间的一组基（基础解系）。格式：z = null % z