仿真工具教程-01MATLAB基础准备及入门

1、MATLAB课程介绍定位：专业基础课目标：具备使用MATLAB独立进行数学计算，图形绘制，文件编程，信号处理及系统仿真的初步能力.第1章 基础准备及入门1.1 MATLAB概述1.2 MATLAB的运行环境与安装1.3 MATLAB集成环境1.4 MATLAB帮助系统1.1 MATLAB概述1.1.1 MATLAB的发展 MATLAB名字由MATrix和 LABoratory 两词的前三个字母组合而成，于1984年由MathWorks公司，并把MATLAB正式推向市场。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MA

2、TLAB作为内容。在国际学术界,MATLAB已经被公认为功能最强大的、可靠的科学计算标准软件。 1992年，MATLAB 4.0版（告别DOS版 ） 1997年，MATLAB 5.0版 2000年，MATLAB 6.0版 2004年，MATLAB 7.0版 2004年2008年，7.1版7.6版 2009年，MATLAB 7.8版（R2009a） 1.1.2 MATLAB的主要功能 （1）、数值计算。（2）、工程与科学绘图。（3）、控制系统设计与仿真。（4）、数字信号处理。（5）、通信系统设计与仿真。（6）、财务与金融工程。1.1.3 初识MATLAB例1-1 绘制正弦曲线和余弦曲线。x=0:

3、0.5:360*pi/180;plot(x,sin(x),x,cos(x);例1-2 求方程 3x4+7x3 +9x2-23=0的全部根。p=3,7,9,0,-23; %建立多项式系数向量x=roots(p) %求根例1-3 求积分 syms x s=int(sqrt(1+x)/x)/x , x)例1-4、求解线性系统 3x1+ x2 - x3 = 3.6 x1+2x2+4x3 = 2.1 -x1+4x2+5x3 = -1.4 程序： A=3 1 -1;1 2 4;-1 4 5; b=3.6;2.1;-1.4; x=Ab 结果：x = 1.4818 -0.4606 0.3848Ax=b例1-5

4、 用简短命令计算并绘制在0 x6范围内的sin(2x)、sinx2、sin2x。x=linspace(0,6)y1=sin(2*x),y2=sin(x.2),y3=(sin(x).2;plot(x,y1,x, y2,x, y3)动态图形立体图精细图形 动态建模仿真 1.2 MATLAB的运行环境与安装1.2.1 MATLAB的运行环境硬件环境：(1) CPU (2) 内存(3) 硬盘(4) CD-ROM驱动器和鼠标。软件环境：(1) Windows 98/NT/2000 或Windows XP(2) 其他软件根据需要选用1.2.2 MATLAB的安装 对于一个压缩的MATLAB系统安装包， 可

5、以运行系统自带的安装程序setup.exe，按照安装提示依次操作。 有的是数个ISO文件包（光盘映像文件），可以安装虚拟光驱后安装1.3 MATLAB集成环境1.3.1 启动与退出MATLAB集成环境1MATLAB系统的启动与一般的Windows程序一样，启动MATLAB系统有3种常见方法：(1)使用Windows“开始”菜单。(2)运行MATLAB系统启动程序matlab.exe。(3) 利用快捷方式。 当MATLAB安装完毕并首次启动时，展现在屏幕上的界面为MATLAB的默认界面，如下图所示。2MATLAB系统的退出 要退出MATLAB系统，也有3种常见方法：(1) 在MATLAB主窗口F

6、ile菜单中选择Exit MATLAB命令。(2) 在MATLAB命令窗口输入Exit或Quit命令。(3) 单击MATLAB主窗口的“关闭”按钮。MATLAB 7用户界面概述MATLAB 7的用户界面主要包括以下三个方面的内容： MATLAB 7的主菜单 MATLAB 7的工具栏 MATLAB 7的窗口1. MATLAB 7的主菜单MATLAB 7的主菜单包括File、Edit、Debug、Desktop、Window和Help菜单。可以执行的操作有New、Open、Undo、Redo、Cut、copy和Step等。2. MATLAB 7的工具栏MATLAB 7的工具栏包括新建文件、打开文件

7、、剪切、复制和粘贴等常用图标同时，MATLAB 7的工具栏适时显示MATLAB 7的当前路径，用户还可以通过工具栏来改变当前路径3. MATLAB 7的窗口 打开MATLAB 7，默认打开的窗口包括： (1)命令窗口(Command Window)； (2)命令历史窗口(Command History)；(3)工作间管理窗口(Workspace)； (4)当前路径窗口(Current Directory) 此外，还有编译窗口、图形窗口和帮助窗口等其他种类的窗口 。（1）. 命令窗口在默认设置下，命令窗口自动显示MATLAB界面中，如果用户只想调出命令窗口，也可以选择Desktop | Desk

8、top Layout | Command Window Only命令。MATLAB用户界面的右侧窗口就为命令窗口。（2）. 命令历史窗口 命令历史窗口显示用户在命令窗口中所输入的每条命令的历史记录，并标明使用时间，这样可以方便用户的查询。如果用户想再次执行某条已经执行过的命令，只需在命令历史窗口中双击该命。 （3）. 工作间管理窗口 工作间管理窗口就是用来显示当前计算机内存中MATLAB变量的名称、数学结构、该变量的字节数及其类型。在默认设置下，工作间管理窗口自动显示于MATLAB界面中。 （4）. 当前路径窗口 在默认设置下，当前路径窗口自动显示于MATLAB界面中，用户也可以选择Deskt

9、op| Current Directory命令调出或隐藏该命令窗口。当前路径窗口显示着当前用户工作所在的路径 MATLAB 7的路径搜索（1）MATLAB 7的当前目录 在命令窗口中输入cd命令，并按Enter键确认，即显示有当前MATLAB 7工作所在目录。 cdC:MATLAB71work MATLAB 7的路径搜索（2）MATLAB 7的路径搜索 选择MATLAB的主窗口中File | Set Path命令 ，进入到设置路径搜索的对话框 ，用户可以设置新的路径安装matlab7.0后介绍matlab的基本情况。 Command Window运行入门Command Window指令窗简介

10、MATLAB指令窗默认地位于MATLAB桌面的右方，假如，用户希望得到脱离操作桌面的独立指令窗，只要点击该指令窗右上角的按键，若用户希望让独立指令窗嵌放回桌面，则只要点击Command Window右上角的按钮，或选中指令窗菜单 Desktop：Dock Command Window 便可。最简单的计算器使用法【例1.3-1】求 的算术运算（1）用键盘在MATLAB指令窗中输入以下内容 (12+2*(7-4)/32 （2）在上述表达式输入完成后，按 Enter 键，该指令被执行，并显示如下结果。 ans = 2 【例1.3-2】“续行输入”法。本例演示：或由于指令太长，或出于某种需要，输入指令

11、行必须多行书写时，该如何处理。S=1-1/2+1/3-1/4+ .1/5-1/6+1/7-1/8 S = 0.6345 说明MATLAB用3个或3个以上的连续黑点表示“续行”，即表示下一行是上一行的继续。本例指令中包含“赋值号”，因此表达式的计算结果被赋给了变量S。指令执行后，变量S被保存在 MATLAB 的工作空间（Workspace）中，以备后用。如果用户不用 clear 指令清除它，或对它重新赋值，那么该变量会一直保存在工作空间中，直到本MATLAB 指令窗被关闭为止。一条指令输入结束后，必须按 Enter 键，那指令才被执行。如果本例输入指令是“不含赋值号的表达式”，则计算结果被赋给M

12、ATLAB的一个默认变量“ans”。它是英文“answer”的缩写。数值、变量和表达式一 数值的记述 MATLAB的数值采用习惯的十进制表示，可以带 小数点或负号。以下记述都合法。 -99 0.001 3 9.456 1.3e-3 4.5e33 二 变量命名规则变量名、函数名是对字母大小写敏感的。如变量SY和sy表示两个不同的变量。sin是MATLAB定义的正弦函数名，但SIN,Sin等都不是。变量名的第一个字符必须是英文字母，最多可包含63个字符（英文、数字和下连符）。 如myvar201是合法的变量名。变量名中不得包含空格、标点、运算符，但可以包含下连符。如变量名my_var_201是合法

13、的，且读起来更方便。而my,var201由于逗号的分隔，表示的就不是一个变量名。MATLAB默认的预定义变量 表1.3-1 MATLAB中最常用的预定义变量预定义变量含 义预定义变量含 义ans计算结果的默认变量名NaN 或 nan不是一个数 ，如0/0等eps机器零阈值Inf或inf无穷大，如1/0nargin函数输入宗量数目i 或 j 虚单元 nargout函数输出宗量数目pi圆周率 realmax最大正实数realmin最小正实数 运算符和表达式表 1.3-2 MATLAB表达式的基本运算符 MATLAB书写表达式的规则与“手写算式”几乎完全相同。表达式由变量名、运算符和函数名组成。表达

14、式将按与常规相同的优先级自左至右执行运算。优先级的规定是：指数运算级别最高，乘除运算次之，加减运算级别最低。括号可以改变运算的次序。书写表达式时，赋值符“=”和运算符两侧允许有空格，以增加可读性。特点一：面向复数设计的运算 MATLAB的所有运算都是定义在复数域上的 ，在运算时不需要把实部与虚部分开。复数 直角坐标表示和极坐标表示之间转换的MATLAB指令如下。 real(z)给出复数Z的实部 。 imag(z)给出复数Z的虚部 。 abs(z) 给出复数Z的模 。 angle(z) 以弧度为单位给出复数Z的幅角 。(1)采用运算符构成的直角坐标表示法和极坐标表示法z1=4+3*iz2 = 1

15、 + 2 * i %运算符构成的直角坐标表示法z3=2*exp(i*pi/6) %运算符构成的极坐标表示法z=z1*z2/z3 (2)复数的实虚部、模和幅角计算 real_z=real(z) image_z=imag(z) magnitude_z=abs(z) angle_z_radian=angle(z) %弧度单位 angle_z_degree=angle(z)*180/pi %度数单位 本例演示：MATLAB的运算在复数域上进行；指令后“分号”的作用；复数加法的几何意义；展示MATLAB的可视化能力（让读者感受，但不要求理解）。 z1=4+3*i; z2=1+2*i;%在一个物理行中，允

16、许输入多条指令。%但各指令间要用“分号”或“逗号”分开。%指令后采用“分号”，使运算结果不显示。z12=z1+z2%以下用于绘图clf,hold on%clf清空图形窗。逗号用来分隔两个指令。plot(0,z1,z12,-b,LineWidth,3)plot(0,z12,-r,LineWidth,3)plot(z1,z12,ob,MarkerSize,8)思考：（1）直接计算时，得到处于第一象限的方根。a=-8;r_a=a(1/3)%求3次根 r_a = 1.0000 + 1.7321i （2）全部方根计算如下% 先构造一个多项式p=1,0,0,-a;%p是多项式的系数向量%指令末尾的“英文状

17、态分号”使该指令运行后，不显示结果。R=roots(p)%求多项式的根R = -2.0000 1.0000 + 1.7321i 1.0000 - 1.7321i （3）图形表示MR=abs(R(1); %计算复根的模t=0:pi/20:2*pi;x=MR*cos(t);y=MR*sin(t);plot(x,y,b:),grid on%画一个半径为R的圆%注意“英文状态逗号”在不同位置的作用hold onplot(R(2),.,MarkerSize,30,Color,r) %画第一象限的方根plot(R(1,3),o,MarkerSize,15,Color,b) %画另两个方根axis(-3,3

18、,-3,3),axis square%保证屏幕显示呈真圆hold off 结论：1.对复数进行方根运算时，MATLAB只给出处于“第一象限”的那个根。2.展现MATLAB的图形表现力 特点二 ：面向数组设计的运算Matlab中，所有数据以数组形式存储，标量数据也看作11的数组（Array）。 Matlab有两种基本运算：一种是数组运算；另一种是矩阵运算。（1）在键盘上输入下列内容 AR= 1,3;2,4 （2）按 Enter 键，指令被执行。（3）在指令执行后，MATLAB指令窗中将显示以下结果： （2）分行输入结果：?说明1、在MATLAB中，不必事先对数组维数及大小做任何说明，内存将自动配

19、置。2、二维数组输入的三大要素：数组标识符“ ”；元素分隔符空格或逗号“,”；数组行间分隔符分号“;”或“回车键”。所有标点符号都是“英文状态的符号”。3、MATLAB对字母大小写是敏感的。4、在全部键入一个指令行内容后，必须按下 Enter 键，该指令才会被执行。 （1）创建复数数组AR=1,3;2,4;AI=5,7;6,8;A=AR-AI*i（2）求复数数组的实部和虚部A_real=real(A)A_image=imag(A) （3）求复数数组中各元素的模和幅角循环法（笨拙！）for m=1:2for n=1:2Am1(m,n)=abs(A(m,n);Aa1(m,n)=angle(A(m,

20、n)*180/pi;%以度为单位计算幅角endendAm1,Aa1 （4）求复数数组中各元素的模和幅角直接法 m2=abs(A) a2=angle(A)*180/pi 说明记住：对于MATLAB来说，应该尽量摒弃“循环”处理，而采用“向量化”处理方式。t=0:pi/50:4*pi;%定义自变量t的取值数组y=exp(-t/3).*sin(3*t);%计算与自变量相应的y数组。注意：乘法符前面的小黑点。plot(t,y,-r,LineWidth,2)axis(0,4*pi,-1,1)xlabel(t),ylabel(y) 说明本例第二条指令中的“.*”符号表示乘法是在两个数组相同位置上的元素间进行的。本书把