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1、MATLAB 语言及其应用,授课教师:李欣 单位：清华大学 email: ,2,课程的作用 课程的目的 课程的特点 课程安排,3,课程的作用,在欧美各高等学校，Matlab成为线性代数、自动控制理论、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真、图像处理等诸多课程的基本教学工具，成为本科生、硕士生和博士生的必须掌握的基本技能。 在设计研究单位和工业部门，Matlab已被广泛地用于研究和解决各种具体的工程问题。 可以预见，Matlab将在我国科学研究和工程应用中发挥越来越大的作用。,4,讲授MATLAB语言基础入门知识，介绍MATLAB产品的体系、MATLAB桌面工具的使用方法，重点介绍MATLAB
2、的数据可视化、数值计算的基本步骤以及如何使用MATLAB语言编写整洁、高效、规范的程序。并涉及到一些具体的专业应用工具箱（如：信号处理工具箱、图像处理工具箱等）。 通过本课程的学习，了解、熟悉、掌握 MATLAB的基本编程方法，并具有初步的利用计算机处理、解决实际问题的能力，为进一步学习后续的专业课程做好准备。,本课程的目的（ Objectives of This Course ）,本课程的特点（ Features of This Course ） 交叉性课程，是计算机技术、数学理论知识以及诸多工程理论知识的综合。 实践性课程。 内容多，课时少，要求同学上课认真听讲，要充分利用上机实践消化、理
3、解、 掌握课上讲解内容。,5,课程安排,课堂教学：共24学时；（1-12周） 上机试验：共24学时。 （2-13周，周二7-8节，九实401、402、403） 学习成绩： 1)上机实验成绩占30%; 2)考勤 10% ; 3) 考试60% （随堂考试）。 主要参考书 精通MATLAB 6.5张志涌 等编著，北航出版，2003年 高等应用数学问题的Matlab求解 薛定宇等著，清华大学出版社，2004年 Matlab程序设计与应用 刘卫国主编，高等教育出版社,6,授课宗旨,讲授MATLAB的通用功能。 寓教于例，由浅入深。 关于科学计算，着重强调理论概念、算法和实际计算三者之间的关系。,7,第一
4、讲 Matlab概述,前言 Matlab软件概述 Matlab的桌面环境及入门知识,8,1 Matlab概述,内容 Matlab发展历史 Matlab产品家族(Matlab family of products)体系 Matlab 语言的特点。 目的 全面了解 Matlab软件包 激发对Matlab软件的学习兴趣。,9,1.1 MATLAB的历史及影响,70年代中期，Cleve Moler博土及其同事在美国国家基金会的帮助下，开发了LINPACK和EISPACK的FORTRAN语言子程序库，这两个程序库代表了当时矩阵运算的最高水平。 到了70年代后期，身为美国新墨西哥州大学计算机系系主任的CI
5、eve Moler，在给学生上线性代数课时，为了让学生能使用这两个子程序库，同时又不用在编程上花费过多的时间，开始着手用FORTRAN语言为学生编写使用LINPACK和EISPACK的接口程序，他将这个程序取名为MATLAB，其名称是由MATrix和 LABoratory（矩阵实验室）两个单词的前三个字母所合成。 在1978年，Malab就面世了。这个程序获得了很大的成功，受到了学生的广泛欢迎。在以后的几年里，Matlab在多所大学里作为教学辅助软件使用，并作为面向大众的免费软件广为流传。,Cleve Moler,10,将MATLAB商品化的不是Cleve Moler,而是一个名叫Jack L
6、ittle的人。当免费的MATLAB软件到Stanford大学，Jack Little正在该校主修控制，便接触到了当时MATLAB，直觉告诉他，这是一个具有巨大发展潜力的软件。因此他在毕业沒多久，就开始用C语言重新编写了MATLAB的核心。在Moler的协助下，于1984年成立MathWorks公司，首次推出MATLAB商用版。在其商用版推出的初期，MATLAB就以其优秀的品质（高效的数据计算能力和开放的体系结构）占据了大部分数学计算软件的市场，原来应用于控制领域里的一些封闭式数学计算软件包（如英国的UMIST、瑞典的LUND和SIMNON、德国的KEDDC）就纷纷被淘汰或在MATLAB上重建
7、。,Jack Little,11,Cleve Moler至今仍是该公司的首席科学家，他以60多岁的高龄，还常常亲自进行撰写程序的工作，非常令人佩服。如果你有数值运算方面的高水平问题，寄到 MathWorks 后，大部份还是会由 Cleve Moler亲自回答。在1994年，Pentium芯片曾发生Fdiv的bug， 当时Cleve Moler是第一个以软件方式解决此 bug的人，曾一时脍炙人口。,在公司初创的五年，Jack Little非常辛苦，常常身兼数职（董事长、总经理、推销、程序开发等），但公司一直稳定发展，从当初的一人公司，到1993年的200人，到2000年的 500余人，到2005
8、年公司员工达到了1300人，不但打败其他竞争软件，而且前景一片欣欣向荣。根据Jack Little个人说法，MATLAB早期成功的两大因素是：选用了C语言及选定PC为主要平台，这似乎和微软的成功有相互呼应之妙。,MathWorks公司，目前仍然是私人企业，并未上市，这和Jack Little个人理念有关，他认为MATLAB的设计方向应该一直是以顾客的需求与软件的完整性为首要目标，而不是以盈利为主要目的，因此MATLAB一直是在稳定中求进步，而不会因为上市而遭受股东左右其发展方向。这也是为什么MATLAB新版本总是姗姗来迟的原因，因为他们不会因为市场的需求而推出不成熟的产品。此外，由于Jack
9、Little保守的个性，也使得MathWorks不曾跨足MATLAB/Simulink以外的行业，当前商场上纷纷扰扰的并购或分家，MathWorks完全是绝缘体。,12,1992年，支持Windows 3.x的MATLAB 4.0版本推出，增加了Simulink，Control，Neural Network，Signal Processing等专用工具箱。,1993年11月，MathWorks公司推出了Matlab 4.1，其中主要增加了符号运算功能。当升级至Matlab 4.2c，这一功能在用户中得到广泛应用。,1997年，Matlab 5.0版本问世了,实现了真正的32位运算，加快数值计算
10、，图形表现有效。,2001年初，MathWorks公司推出了Matlab 6.0（R12）。,2002年7月，推出了Matlab 6.5(R13)，在这一版本中Simulink升级到了5.0，性能有了很大提高，另一大特点是推出了JIT程序加速器，Matlab的计算速度有了明显的提高。,2005年9月，推出了MAILAB 7.1(Release14 SP3)，在这一版本中Simulink升级到了6.3，软件性能有了新的提高，用户界面更加友好。值得说明的是，Matlab V7.1版采用了更先进的数学程序库，即“LAPACK”和“BLAS”。 目前，Matlab软件支持多种系统平台，如常见的Wind
11、owsNT/XP、UNIX、Linux等。,Matlab版本的发展,13,MATLAB就是这样经过了近30年的专门打造、20多年的千锤百炼，它以高性能的数组运算（包括矩阵运算）为基础，不仅实现了大多数数学算法的高效运行函数和数据可视化，而且提供了非常高效的计算机高级编程语言，在用户可参与的情况下，各种专业领域的工具箱不断开发和完善，MATLAB取得了巨大的成功，已广泛应用于科学研究、工程应用，用于数值计算分析、系统建模与仿真。 早在20世纪90年代初，欧美等发达国家的大学就将MATLAB列为一种必须掌握的编程语言。近几年来，国内的很多大学也将MATLAB列为了本科生必修课程。 与Maple、M
12、athematica数学计算软件相比，MATLAB以数值计算见长，而Maple等以符号运算见长，能给出解析解和任意精度解，而处理大量数据的能力远不如MATLAB。 MATLAB软件功能之强大、应用之广泛，已成为为21世纪最为重要的科学计算语言。可见学习掌握这一工具的重要性。,14,MATLAB产品由若干模块组成，不同的模块完成不同的功能，其中有：,实际上MATLAB本身就是一个极其丰富的资源库，那么应该从哪一部分开始着手、学习使用MATLAB呢？这就有必要了解这一软件产品的体系结构 。,MATLAB Compiler这种编译器可以将MATLAB程序文件编译生成标准的C/C+语言文件，而生成的标
13、准的C/C+文件可以被任何一种C/C+编译器编译生成函数库或可执行文件，以提高程序的运行效率。,1.2 MATLAB产品的体系结构,MATLAB,MATLAB Toolboxes,MATLAB Compiler,Simulink,Simulink Blocksets,Real-Time Workshop (RTW),Stateflow,Stateflow Coder,由这些模块产品之间的关系可以图1.1表示。,图1.1 MATLAB产品体系结构,围绕着MATLAB这个计算核心，形成了诸多针对不同应用领域的算法程序包，被称为专用工具箱（Toolbox），这些工具箱的列表以及每个工具箱的使用详见M
14、ATLAB在线帮助文档。MATLAB本身所提供的工具箱大概有40多个，另外还有其他公司或研究单位开发提供的工具箱，这些工具箱的总数已有100多个，而且新的工具箱还在不断增加。如果你有特别的应用领域，可以首先到网上查找是否已有相关的工具箱，很可能已有人将你要做的应用程序作成工具箱了。,Simulink是窗口图形方式的、专门用于连续时间或离散时间的动态系统建模、分析和仿真的核心。,Real-Time Workshop是一种实时代码生成工具，它能够根据Simulink模型生成程序源代码，并打包、编译所生成的源代码生成实时应用程序。,从现有的Simulink 和Stateflow自动生成C语言程序代码
15、的功能、定点运算模块集（Fixed-point Blockset）与C语言程序代码到VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，一种标准的硬件电路设计语言 ）的自动转换功能，可以看出，高级的系統仿真或低级的芯片算法设计，都可用MATLAB、Simulink、Stateflow及相关的工具箱来完成。,Stateflow是基于有限状态机理论针对复杂的事件驱动系统进行建模、仿真的工具。,Stateflow Coder是基于Stateflow状态图生成高效、优化的程序代码。,围绕着Simulink仿真核心所
16、开发的应用程序包，称为模块集（Blocksets）,MATLAB产品提供许多专用模块集，如Communication Blockset、DSP Blockset、SimPowerSystem Blockset、Signal Processing Blockset等，详见MATLAB在线帮助文档。,MATLAB是MATLAB产品家族的计算核心与基础，是集高性能数值计算与数据可视化于一体的高效编程语言。,15,1.3 MATLAB编程语言的特点,语法规则简单。尤其内定的编程规则，与其他编程语言（如C、Fortran等）相比更接近于常规数学表示。对于数组变量的使用，不需类型声明，无需事先申请内存空间。,MATLAB语言主要有以下几个特点：,MATLAB基本的语言环境提供了数以千计的计算函数，极大的提高了用户的编程效率。如，一个fft函数即可完成对指定数据的快速傅里叶变换，这一任务如果用C语言来编程实现的话，至少要用几十条C语言才能完成。,因此，MATLAB是一个简单易用、功能强大的高效编程语言。,平台无关性（可移植性）。MATLAB软件可
