第五章-MATLAB程序设计PPT课件

第五章MATLAB程序设计 5 1M文件介绍5 2程序控制结构及语句5 3变量作用域5 4文件操作5 5面向对象的程序设计5 6程序设计辅助函数5 7Matlab编译5 8程序调试5 9程序设计优化5 10应用程序接口 5 1M文件介绍 Matlab的文件类型一般可以分为两种 分别为 mat文件和 m文件 mat数据文件是matlab以标准二进制格式保存的数据文件 可将工作空间中有用的数据变量保存下来 其生成和调用是由函数save和load完成的 m文件起因于用户灵活使用Matlab 充分使用Matlab的科技资源 另外 命令行方式程序可读性差 对于复杂的问题 需要编写成易存储的程序文件 由此产生了 m文件 其编辑可以使用多种编辑器 通常可以把 m文件简称为M文件 5 1 1M文件的创建与编辑 1 建立新的M文件 1 菜单操作 MATLAB命令窗口的File菜单 New菜单项 M file命令 2 命令操作 在MATLAB命令窗口输入命令edit 3 命令按钮操作 单击MATLAB命令窗口工具栏上的 新建 命令按钮 4 使用DOS状态的edit编辑器编辑 5 使用windows系统的notbook 记事本进行创建 6 使用word进行创建 2 M文件的编辑在使用上述方式创建好M文件后可以通过上面的各类编辑器进行编辑 之后将M文件进行保存 文件保存的目录一般默认为用户当前设置的工作目录注意 所创建编辑的m文件必须纳入matlab搜索路径后 才能在matlab命令窗口运行 5 1 2M文件的分类 m文件的语法类似于c语言 但又有其自身特点 它只是一个简单的ASCII码文本文件 执行程序时逐行解释运行程序 matlab是解释性的编程语言 m文件有两类 独立的m文件 称命令文件 可调用m文件 称函数文件 1 命令文件 简单的m文件命令文件实际上是一串指令的集合 与在命令窗口逐行执行文件中的所有指令 其结果是一样的 没有输入输出参数 命令式M文件在运行过程中可以调用MATLAB工作域内所有的数据 而且 所产生的所有变量均为全局变量 直到用户执行clear命令清除 另外需注意的是 标点符号要运用恰当 注意程序的书写风格 保持程序的可读性 2 matlab内置函数文件matlab自定义的函数文件称内置函数文件调用内置函数的方法 使用函数名并给出相应的入口 出口参数即可 例如 sin m函数 用typesin查不到 调用格式 y sin 2 x 实际应用中 x 0 2 pi 180 2 pi y sin 2 x plot x y 又如sqrt x 求x的平方根abs x 求x的绝对值det a 求行列式的值等等 matlab拥有大量的内置数学函数 供我们在数值运算和符号运算中调用 3 函数m文件 需要输入变量 返回输出变量matlab用户可以根据需要编辑自己的m文件 它们可以像库函数一样方便的调用 从而极大地扩展了matlab的能力 对于某一类特殊问题 如创建了许多m函数文件 则可形成新的工具箱 这种用matlab语言创建定义新的matlab函数的功能 正体现了matlab语言强大的扩展功能 函数m文件的格式 function返回变量 函数名 输入变量 注释说明语句段程序语句段特定规则 函数m文件第一行必须以单词function作为引导词 必须遵循如下形式 function m文件的文件名必须是 m 程序中的变量均为局部变量 不保存在工作空间中 其变量只在函数运行期间有效 函数被调用时按函数名 输入变量 格式执行函数执行完后 只保留返回结果 不保留中间过程 例如 functionCustomVar01 SimpleFunction a b SimpleFunction用于显示两个数进行四则运算后的结果 使用help语句时应该能将此句注释显示出来 而使用 lookfor语句时应不能显示c a b 对参数a b进行加运算d a b 对参数a b进行减运算e a b 对参数a b进行乘运算f a b eps 对参数a b进行除运算CustomVar01 c d e f 将四项基本运算的结果放到一向量中去并显示 调用此函数 则有SimpleFunction 2 3 ans 5 0000 1 00006 00000 6667 使用help语句获得帮助helpSimpleFunctionSimpleFunction用于显示两个数进行四则运算后的结果使用help语句时应该能将此句注释显示出来 而使用lookfor语句时应不能显示使用lookfor语句查询关键字lookfor四则运算SimpleFunction m SimpleFunction用于显示两个数进行四则运算后的结果注 为了利用MATLAB的关键字搜索功能 应该在M文件的第一行注释中 尽可能多的包含函数的特征信息 4 系统文件 s函数用于描述系统运动的专用函数 是特殊的m文件 s函数有3类 由simulink结构图自动创建 可用c语言程序设计mex文件直接定义 用函数m文件编写s函数一旦创建 即可在框图中使用 也可在文件中调用 s函数的调用格式 sys x0 sfunction t x u flag 其中sys系统状态x0状态初值sfunction用户定义的系统t当前时刻x当前状态值u当前输入值flag标志量s函数与函数m文件类似 只是输入输出变量是限定的 例5 1 2 1建立一个命令文件将变量a b的值互换 然后运行该命令文件 首先建立命令文件并以文件名exch m存盘 clear a 1 10 b 11 12 13 14 15 16 17 18 c a a b b c ab然后在MATLAB的命令窗口中输入exch 将会执行该命令文件 例5 1 2 2建立一个函数文件将变量a b的值互换 然后在命令窗口调用该函数文件 首先建立函数文件fexch m function a b fexch a b c a a b b c 然后在MATLAB的命令窗口调用该函数文件 clear x 1 10 y 11 12 13 14 15 16 17 18 x y fexch x y 5 2程序控制结构及语句 matlab语言的程序结构与其它高级语言是一致的 分为顺序结构 分支结构 循环结构 1 顺序结构 依次顺序执行程序的各条语句 2 分支结构 根据一定条件来执行的各条语句 有些资料中也称其为选择结构 主要是因为其语句往往是一些选择判断性的语句 3 循环结构 被重复执行的一组语句 循环是计算机解决问题的主要手段 5 2 1常见程序控制流语句 input函数调用格式为 A input 提示信息 选项 其中提示信息为一个字符串 用于提示用户输入什么样的数据 如果在input函数调用时采用 s 选项 则允许用户输入一个字符串 例如 想输入一个人的姓名 可采用命令 xm input What syourname nHowareyou nHowoldareyou s disp函数调用格式为disp 输出项 其中输出项既可以为字符串 也可以为矩阵 注意 用disp函数显示矩阵时将不显示矩阵的名字 而且其格式更紧密 且不留任何没有意义的空行 例5 2 1 1求一元二次方程ax2 bx c 0的根 程序如下 a input a b input b c input c d b b 4 a c e sqrt d x b e 2 a b e 2 a disp x1 num2str x 1 x2 num2str x 2 pause函数其调用格式为 pause 延迟秒数 如果省略延迟时间 直接使用pause 则将暂停程序 直到用户按任一键后程序继续执行 若要强行中止程序的运行可使用Ctrl C命令 pause暂停程序 等待回应 pause n 等待n秒后继续执行 pauseon显示并执行pause命令 pauseoff显示但不执行pause命令 keyboard 与input类似 功能更强keyboard调用键盘与调用m文件一样 当keyboard在m文件中出现时 它停止文件的执行并控制键盘 用于修改程序 重新返回原m文件时使用return语句 break 中断break中断for while循环语句的执行 在嵌套循环结构中 break进从最里层循环推出 menu 产生一个拥护可选择输入的菜单格式 k menu 标题 菜单1 菜单2 菜单3 echo指令 用来控制m文件在执行过程中是否显示echoon 打开所有命令文件的显示方式echooff 关闭所有命令文件的显示方式echo 在以上两者间切换echo对于命令文件函数文件有所不同 命令文件用法简单 函数对所有命令起作用 函数文件用法较复杂 具体请help查询 echofileon 打开file函数文件的显示方式echofileoff 关闭file函数文件的显示方式echofile 切换file函数文件的显示方式echoonall 打开所有函数文件的显示方式echooffall 关闭所有函数文件的显示方式 5 2 2分支结构 5 2 2 1if语句在MATLAB中 if语句有3种格式 1 单分支if语句语句格式为 if条件语句组end当条件成立时 则执行语句组 执行完之后继续执行if语句的后继语句 若条件不成立 则直接执行if语句的后继语句 2 双分支if语句语句格式为 if条件语句组1else语句组2end当条件成立时 执行语句组1 否则执行语句组2 语句组1或语句组2执行后 再执行if语句的后继语句 条件语句组 语句组1 语句组2 是 否 例5 2 2 1 1计算分段函数值 程序如下 x input 请输入x的值 ifx 10y cos x 1 sqrt x x 1 elsey x sqrt x sqrt x endy 3 多分支if语句语句格式为 if条件1语句组1elseif条件2语句组2 elseif条件n语句组nelse语句组n 1end 条件1 语句组1 条件2 是 语句组2 是 否 条件n 语句组n 语句组n 1 否 否 是 例5 2 2 1 2输入一个字符 若为大写字母 则输出其后继字符 若为小写字母 则输出其前导字符 若为数字字符则输出其对应的数值 若为其他字符则原样输出 程序如下 c input 请输入一个字符 s ifc A end 5 2 2 2switch语句其语句格式为 switch表达式case表达式1语句组1case表达式2语句组2 case表达式m语句组motherwise语句组m 1end 注意 无需像C语言那样在下一个case语句前加break语句 当需要在开关表达式满足若干个表达式之一时 用单元结构来表示 otherwise等价于C语言的default语句 程序的执行结果与case语句的次序无关 例5 2 2 2 1某商场对顾客所购买的商品实行打折销售 已知打折标准 求所售商品的实际销售价格 程序如下 price input 请输入商品价格 switchfix price 100 case 0 1 rate 0 case 2 3 4 rate 3 100 casenum2cell 5 9 rate 5 100 casenum2cell 10 24 rate 8 100 casenum2cell 25 49 rate 10 100 otherwiserate 14 100 endprice price 1 rate 5 2 2 3try语句语句格式为 try语句组1catch语句组2endtry语句先试探性执行语句组1 如果语句组1在执行过程中出现错误 则将错误信息赋给保留的lasterr变量 并转去执行语句组2 这种试探性执行语句是其他高级语言所没有的 例5 2 2 3 1矩阵乘法运算要求两矩阵的维数相容 否则会出错 先求两矩阵的乘积 若出错 则自动转去求两矩阵的点乘 程序如下 A 1 2 3 4 5 6 B 7 8 9 10 11 12 tryC A B catchC A B endClasterr 显示出错原因 5 2 3循环结构 5 2 3 1for语句语句格式为 for循环变量 表达式1 表达式2 表达式3循环体语句end首先计算三个表达式的值 再将表达式1的值赋给循环变量 如果此时循环变量的值介于表达式1和表达式3的值之间 则执行循环体语句 否则结束循环的执行 执行完一次循环之后 循环变量自增一个表达式2的值 然后再判断循环变量的值是否介于表达式1和表达式3之间 如果满足仍然执行循环体 直至不满足为止 这时将结束for语句的执行 而继续执行for语句后面的语句 注意 for语句一定要有end结束标志 循环语句中要用 防止中间结果的输出 书写时采用锯齿结构以增加可读性 例5 2 3 1 1已知y的表达式 当n 100时 求y的值 程序如下 y 0 n 100 fori 1 ny y 1 i i endy在实际MATLAB编程中 为提高程序的执行速度 常用向量运算来代替循环操作 n 100 i 1 n f 1 i 2 y sum f 注意 for语句一定要有end结束标志 循环语句中要用 防止中间结果的输出 书写时采用锯齿结构以增加可读性 例5 2 3 1 1已知y的表达式 程序如下 y 0 n 100 fori 1 ny y 1 i i endy 当n 100时 求y的值 例5 2 3 1 2求定积分 程序如下 a 0 b 3 pi n 1000 h b a n x a h b f exp 0 5 x sin x pi 6 fori 1 ns i f i f i 1 h 2 ends sum s 事实上 MATLAB提供了有关数值积分的标准函数 实际应用中可直接调用这些函数求数值积分 for语句更一般的格式 for循环变量 矩阵表达式循环体语句end执行过程是依次将矩阵的各整列元素赋给循环变量 然后执行循环体语句 直至各列元素处理完毕 实际上 表达式1 表达式2 表达式3 是一个仅为一行的矩阵 行向量 因而列向量是单个数据 例5 2 3 1 3已知5个学生4门功课的成绩 求每名学生的总成绩 程序如下 s 0 a 65 76 56 78 98 83 74 85 76 67 78 79 98 58 42 73 67 89 76 87 fork as s k enddisp s 5 2 3 2while语句while语句的一般格式为 while 条件 循环体语句end其执行过程为 若条件成立 则执行循环体语句 执行后再判断条件是否成立 如果不成立则跳出循环 条件为真 循环体语句 是 否 结束循环 y 0 i 1 while1f 1 i i y y f ifi 100break endi i 1 endy与循环结构相关的有一个break语句 当在循环体内执行到该语句时 程序将跳出循环 该语句一般与if语句配合使用 例5 2 3 2 1已知y的表达式 当n 100时 求y的值 5 2 3 3循环的嵌套如果一个循环结构的循环体又包括一个循环结构 就称为循环的嵌套 或称为多重循环结构 可以按照嵌套层数 分别叫做二重循环 三重循环等 处于内部的循环叫作内循环 处于外部的循环叫作外循环 在设计多重循环时 要特别注意内 外循环之间的关系 以及各语句放置的位置 不要搞错 例5 2 3 3 1用筛选法求某自然数范围内的全部素数 程序如下 m input m p 2 m fori 2 sqrt m n find rem p i 0endp 5 3变量作用域 函数内部定义的变量均为局部变量 如果需要使用全局变量 则应当使用命令global定义 并且在任何使用该全局变量的函数中都应加以定义 定义全局变量时 变量之间必须用空格分隔 不能以逗号分隔 例5 3 1先建立函数文件wadd m 该函数将输入的参数加权相加 functionf wadd x y globalALPHABETAf ALPHA x BETA y 在命令窗口中输入 globalALPHABETAALPHA 1 BETA 2 s wadd 3 4 5 4文件操作 5 4 1文件的打开与关闭1 打开文件fopen函数的调用格式为 文件句柄 fopen 文件名 打开方式 如果句柄的值大于0 说明文件打开成功 打开方式 r 只读w 只写a 追加r 可读又可写 2 关闭文件调用格式为 fclose 文件句柄 成功 则返回0 否则返回 1 如果想关闭matlab运行中打开的所有文件 可以用fclose all 命令 5 4 2二进制文件读写操作1 读二进制文件fread函数可以读取二进制文件的数据 并将数据存入矩阵 其调用格式为 A COUNT fread Fid size precision 2 写二进制文件fwrite函数按照指定的数据精度将矩阵中的元素写入到文件中 其调用格式为 COUNT fwrite Fid A precision 5 4 3文本文件读写操作1 读文本文件fscanf函数可以读取文本文件的内容 并按指定格式存入矩阵 其调用格式为 A COUNT fscanf Fid format size 2 写文本文件fprintf函数可以将数据按指定格式写入到文本文件中 其调用格式为 COUNT fprintf Fid format A 5 4 4数据文件定位fseek函数用于定位文件位置指针 其调用格式为 status fseek Fid offset origin ftell函数返回文件指针的当前位置 其调用格式为 position ftell Fid 例5 4 1分析下列程序执行后 four position和three三个变量的值 a 1 5 Fid fopen fdat bin w 以写方式打开文件fdat binfwrite Fid a int16 将a的元素以双字节整型写入文件fdat binstatus fclose Fid Fid fopen fdat bin r 以读数据方式打开文件fdat binstatus fseek Fid 6 bof 将文件指针从开始位置向尾部移动6个字节four fread Fid 1 int16 读取第4个数据 并移动指针到下一个数据position ftell Fid ftell的返回值为8status fseek Fid 4 cof 将文件指针从当前位置往前移动4个字节three fread Fid 1 int16 读取第3个数据status fclose Fid 5 5面向对象程序设计 类和对象的构造类的概念是结构体的拓展 类中可以包含变量形成员 也可以包含与这些变量相关联的函数或运算 对象是类的一个实例 首先定义一个适当的名字 以这个名字建立一个子目录 目录名为该名称前加 符号 编写一个引导函数 函数名与类同名 例5 5 1 定义一个多项式类如果不给出输入变量 则建立一个空多项式 如果输入变量a为多项式类 则直接把它传送给输出变量p 如果a为向量 则将此向量变换成行向量 再构造一个多项式对象 functionp polynom a ifnargin 0p c p class p polynom elseifisa a polynom p a elsep c a p class p polynom end 类的显示在此目录下重新建立display 函数 函数自动按照多项式显示的格式构造字符串 并显示出来 各种运算的建立加法运算 对plus 函数进行重载定义 减法运算 对minus 函数进行重载定义 乘法运算 对mtimes 函数进行重载定义 乘方运算 对mpower 函数进行重载定义 5 6程序设计辅助函数 容错函数error 错误信息 触发函数error时 中断程序的运行 显示错误信息 warning用法类似 但不会中断程序 时间控制函数日期表达形式 dd mmm yyyymm dd yymm dd12 Oct 200310 12 0310 12时间表达形式 HH MM SSHH MM SSPMcputime的调用 t cputime 程序段 t cputime t 显示该程序段运行所占用的CPU时间 tic toc的调用方法tic 程序段 toc 显示运行该程序段所需的时间 etime time2 time1 计算两时刻的时间差 5 7MATLAB编译 matlab编译的原因 1 提高运算速度2 隐藏特定算法3 可产生独立的m文件matlab编译函数 mccMCC options fun fun2 mexfile1 mlibfile1 5 8程序调试 语法错误发生在程序代码的解释过程中 一般有函数参数输入类型有误或矩阵运算阶数不符等情况 比如 A 1 9