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1、1,MATLAB程序设计,2,定位：公共选修课 目标：了解MATLAB，能熟练掌握数学（矩阵）运算，简单编程，简单的数据处理及基本图形绘制. 教材（参考书）：MATLAB程序设计语言 楼天顺等 西安电子科技大学出版社,3,第一章 MATLAB系统概述,1.1 MATLAB的特点 1.2 MATLAB的系统组成 1.3 MATLAB的搜索路径 1.4 MATLAB的工作空间 1.5 MATLAB的集成环境 1.6 MATLAB的通用命令,4,引言,一、MATLAB语言的发展取名MATLAB即Matrix Laboratory 即“矩阵实验室”的意思设计者的初衷是为解决“线性代数”课程的矩阵运算问
2、题 matlab语言是由美国新墨西哥大学计算机系系主任Clever Moler博士于20世纪70年代开发的,5,1983年，开发了第2代MATLAB 1984年，成立了MATH WORKS公司，继续MATLAB软件的研发 1993年，MATH WORKS公司推出了MATLAB3.x 2001年，MATH WORKS公司推出了MATLAB6.x 2004年，MATH WORKS公司推出了MATLAB7.0,6,MATLAB已经不仅仅是一个“矩阵实验室”了，它集科学计算、图象处理；声音处理于一身，并提供了丰富的Windows图形界面设计方法 MATLAB语言是功能强大的计算机高级语言, 成功地应用
3、于各工程学科的研究领域,7,MATLAB在美国已经作为大学工科学生必修的计算机语言之一 (C, FORTRAN, ASSEMBLER, MATLAB) 近年来，MATLAB语言已在我国推广使用，现在已应用于各学科研究部门和许多高等院校,8,它将一个优秀软件的易用性与可靠性、通用性与专业性 、一般目的的应用与高深的科学技术应用有机的相结合 MATLAB是一种直译式的高级语言，比其它程序设计语言容易掌握,9,MATLAB语言与其它语言的关系仿佛和C语言与汇编语言的关系一样,计算机语言的发展,标志着计算机语言向“智能化”方向发展，被称为第四代编程语言。,第一代机器语言,指令用二进制编码. 第二代汇编
4、语言,指令用助记符表示. 第三代高级语言,如BASIC PASCAL C语言等. 第四代是模块化语言 如matlab ,owerBuilder Delphy,10,MATLAB已经不仅仅是一个“矩阵实验室”了，它集科学计算、图象处理；声音处理于一身，并提供了丰富的Windows图形界面设计方法 MATLAB语言是功能强大的计算机高级语言, 它以超群的风格与性能风靡全世界, 成功地应用于各工程学科的研究领域,11,二、matlab能在各领域做什么数学教学，特别是线性代数数值分析和科学计算方面的教学与研究电子学、控制理论和物理学等工程和科学学科方面的教学与研究 经济学、化学和生物学等领域中的教学与
5、研究 (可以用数学建模的学科),12,1.1 MATLAB的特点,MATLAB之所以为广大读者所喜爱，是因为它具有其它语言所不具备的特点。(1) 在MATLAB中，以复数矩阵作为基本编程单元，使矩阵操作变得轻而易举。MATLAB中矩阵操作如同其它高级语言中的变量操作一样方便，而且矩阵无需定义即可采用，可随时改变矩阵的尺寸，这在其它高级语言中是很难实现的。,13,错误，未考虑矩阵是否可乘,如何编写一个能求出两个矩阵相乘的计算机通用子程序？,该程序正确吗？,14,是否正确？,错误，未考虑其一为标量,加入标量判定，是否就是通用程序了？,错误，应考虑其一或二者为复数矩阵,可见，用最底层的编程语言需要考
6、虑的内容要 多得多，所以调试起来不容易，容易出现漏洞,而MATLAB 实现：C=A*B,15,(2) MATLAB语句书写简单，表达式的书写如同在稿纸中演算一样，与人们的手工运算相一致，容易为人们所接受。,16,(3) MATLAB语句功能强大，一条语句往往相当于其它高级语言中的几十条、几百条甚至几千条语句。例如求解FFT问题时， MATLAB，仅需几条语句， C语言实现时需要几十条语句， 汇编语言实现则需3000多条语句。,17,(4) MATLAB系统具有丰富的图形功能。MATLAB系统本身是一个Windows下的具有良好用户界面的系统，而且提供了丰富的图形界面设计函数，如提供了专门用于绘
7、制二维曲线的plot函数，用于绘制三维曲线的plot3函数。在工具箱函数中，有些函数本身可提供良好的图形功能，如step函数可计算指定系统的单位阶跃响应，并直接在屏幕窗口中绘制出系统的单位阶跃响应曲线。,18,(5) MATLAB提供了许多面向应用问题求解的工具箱函数，从而大大方便了各个领域专家学者的使用。目前，MATLAB提供了30多个工具箱函数，如信号处理、图像处理、控制系统、非线性控制设计、鲁棒控制、系统辨识、最优化、神经网络、模糊系统和小波等。它们提供了各个领域应用问题求解的便利函数，使系统分析与设计变得更加简捷。,19,(6) MATLAB的易扩展性是最重要的特性之一，也是MATLA
8、B得以广泛应用的原因之一。MATLAB给用户提供了广阔的扩展空间，用户可以很容易地编写出适合于自己和专业特点的M文件，供自己或同伴使用，这实际上就是扩展了MATLAB的系统功能。,20,1.2 MATLAB的系统组成,1.2.1 MATLAB的主要组成按照功能划分，MATLAB主要组成部分包括：开发环境、 数学函数库、编程与数据类型、 文件I/O、图形、 三维可视化、创建图形用户界面 外部接口,21,图1.1 MATLAB的系统组成,22,1MATLAB的开发环境MATLAB的工作环境是一个界面友好的窗口，它提供了一组实用工具函数，利用这些函数可以管理工作空间中的变量、输入/输出数据，也可以开
9、发、管理、调试M文件。MATLAB系统将程序编辑器、调试器、执行器集成在一起，使用户编写程序简单、直观，调试程序方便，运行程序迅速，结果显示直观。,23,2MATLAB的数学函数库MATLAB提供了许多数学函数，它们是内部函数，例如有求和、正弦、余弦等基本函数，也包含许多复杂函数，例如矩阵求逆、FFT等函数。,24,3编程与数据类型MATLAB提供了许多种数据类型，例如整型、双精度、字符、结构型等，以方便用户选择使用。这里还包含运算所需的操作符和MATLAB的编程技术。,25,4文件I/OMATLAB提供了一组读写文件的命令，文件类型可以是各种常用的格式.例如 .m、.mdl、.mat、.fi
10、g、.pdf、.html文件和普通的文本文件等。注意，.dat文件可以采用load命令直接读取。,26,5图形处理MATLAB包含有丰富的图形处理能力，提供了绘制各种图形、图像数据的函数。另外，它还包括一些低级的图形命令，可以供用户自己制作、控制图形特性之用。,27,6三维可视化MATLAB提供了一组绘制二维曲面和三维曲线的函数，它们还可以对图形进行旋转、缩放等操作。,28,7创建图形用户界面为用户设计图形用户界面提供方便，这些函数可以用于窗口设定、修改属性等操作。,29,8外部接口允许用户在MATLAB中编写C或FORTRAN程序，从而使MATLAB与C、FORTRAN程序结合起来。对熟悉C
11、和FORTRAN语言编程的人来说，可轻而易举地将以前编写的C、FORTRAN语言程序移植到MATLAB中。,30,MATLAB的缺点,运行效率较低 由于MATLAB是一种合成语言，因此，与一般的高级语言相比，用MATLAB编写的程序运行起来时间往往要长一些。 价格比较贵 一般的用户可能支付不起它的高昂费用。但是，购买MATLAB的昂贵费用在很大程度上可以由使用它所编写的程序的价值抵消。,31,1.2.2 MATLAB的重要部件MATLAB系统提供了两个重要部件：Simulink和Toolboxes，它们在系统和用户编程中占据着重要的地位。1SimulinkSimulink是MATLAB附带的软
12、件，它是对非线性动态系统进行仿真的交互式系统。在Simulink交互式系统中，可利用直观的方框图构建动态系统，然后采用动态仿真的方法得到结果。,32,Y(S)/X(S)=G(S)/(1+G(S) G(S)=50/S2+2S+4,33,34,2Toolboxes(工具箱)针对各个应用领域中的问题，MATLAB提供了许多实用函数，称为工具箱函数。MATLAB之所以能得到广泛应用，源于MATLAB众多的工具箱函数给各个领域应用人员带来的方便。 Control System Toolbox控制系统工具箱 Communication Toolbox通讯工具箱 Financial Toolbox财政金融工
13、具箱 System Identification Toolbox系统辨识工具箱 Fuzzy Logic Toolbox模糊逻辑工具箱,35,Higher-Order Spectral Analysis Toolbox高阶谱分析工具箱 Image Processing Toolbox图象处理工具箱 LMI Control Toolbox线性矩阵不等式工具箱 Model predictive Control Toolbox模型预测控制工具箱 -Analysis and Synthesis Toolbox分析工具箱 Neural Network Toolbox神经网络工具箱 Optimization
14、 Toolbox优化工具箱 Partial Differential Toolbox偏微分方程工具箱 Robust Control Toolbox鲁棒控制工具箱 Signal Processing Toolbox信号处理工具箱 Spline Toolbox样条工具箱 Statistics Toolbox统计工具箱 Symbolic Math Toolbox符号数学工具箱 Simulink Toolbox动态仿真工具箱 System Identification Toolbox系统辨识工具箱 Wavele Toolbox小波工具箱,36,1.3 MATLAB的搜索路径,MATLAB是通过搜索路径
15、来查找M文件的，因此MATLAB系统文件、Toolboxes工具箱函数、用户自己编写的M文件等都应保存在搜索路径之内。 例:当用户输入一个标识符(比如Value)时，MATLAB按下列步骤处理：(1) 检查Value是否为变量。(2) 检查Value是否为内部函数。(3) 在当前工作目录下是否存在Value.m文件。(4) 在MATLAB搜索路径上是否存在Value.m文件。,37,图1.2 搜索路径管理窗口,38,what命令可显示出搜索路径上的文件名:what %显示出当前目录what matlab/design %显示matlabdesign目录中的文件目录 type命令显示出文件的内容
16、 可采用，例如，可输入type value %显示value.m的内容 edit命令对文件进行编辑edit value %对文件value.m进行编辑,39,1.4 MATLAB的工作空间,1工作空间浏览器在MATLAB环境下，输入命令可以在工作空间中建立一些变量。在工作空间浏览器左上方为MATLAB的工作空间，它直观地显示出变量名、尺寸、占用的存储空间以及变量类型。,40,在工作空间的菜单条中，有四个按钮，依次为“装入数据文件”、“保存工作空间”、“打开变量显示”和“删除变量”，可以用来对工作空间中的变量进行操作。 当选定一个变量后， 可以利用“打开变量显示”按钮，直观地显示出变量的内容； 利用“删除变量”按钮，可以从工作空间中删去选定的变量； 采用“保存工作空间”按钮，可以将工作空间保存在mat文件中，默认的文件名为MATLAB.MAT； 在以后打开MATLAB窗口时，可以利用“装入数据文件”按钮装入所保存的工作变量。,
