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1、.系立项建设实验指导书MATLAB程序设计与应用实验主 编：王 春、段守付物理与电子信息工程系目 录前言1实验一熟悉MATLAB 环境2实验二数值数组创建、应用及可视化6实验三字符串数组的使用、简单脚本文件和函数的编写10实验四数据可视化方法17实验五简单数据分析23实验六 MATLAB 仿真初步27实验七电路模型仿真应用30实验八简单图形用户界面设计32附录：MATLAB 主要函数指令表按字母顺序索引35前言美国MathWorks公司推出的MATLAB是一种集数值计算、符号、运算、可视化建模、仿真和图形处理等多种功能于一体的优秀编程、仿真工具,被誉为巨人肩膀上的工具、演算纸式的编程语言,是从
2、事科学研究、工程计算的广大科技工作者、理工类高校师生确认为必须掌握的计算工具,是从理论通向实际的桥梁,也是最可信赖的科技资源之一。为了配合学生上机实践,更好掌握MATLAB 的基本使用技能,了解MATLAB 的编程风格,以及将所学课程与MATLAB 实践相结合,特别编写了本实验讲义。其主要内容包括：MATLAB 入门及基本操作,数组、矩阵的使用及数据可视化方法,脚步文件及函数的编写,以及仿真、图形用户界面入门等。MATLAB 内容丰富,内嵌了许多功能函数。为了方便课堂教学使用,也顾及查阅功能,在书后的索引中按照字母顺序对常见MATLAB 函数进行了分类,以备读者查阅需要。本书编写由王春、段守付
3、完成。由于编者水平有限,书中难免存在不妥之处,恳请广大读者指正。同时,我们也会在适当时间进行修订和补充。实验一 熟悉MATLAB 环境实验目的1熟悉MATLAB 主界面,并学会简单的菜单操作。2学会简单的矩阵输入与信号输入。3掌握部分绘图函数。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。用户第一次使用MATLAB 时,建议首先在屏幕上键入demo 命令,它将启动MATLAB 的演试程序,用户可在此演示程序中领略MATLAB 所提供的强大的运算与绘图功能。也可以键入help 进行进一步了解。MATLAB 启动界面如图所示
4、：操作界面主要的介绍如下：指令窗Command Window,在该窗可键入各种送给MATLAB 运作的指令、函数、表达式,并显示除图形外的所以运算结果。历史指令窗Command History,该窗记录已经运行过的指令、函数、表达式；允许用户对它们进行选择复制、重运行,以及产生M 文件。工作空间浏览器Workspace Browser,该窗口罗列出MATLAB 工作空间中所有的变量名、大小、字节数；并且在该窗中,可对变量进行观察、编辑、提取和保存。其它还有当前目录浏览器 Current Directory Browser 、M 文件编
5、辑/ 调试器Editor/Debugger以及帮助导航/浏览器Help Navigator/Browser等,但通常不随操作界面的出现而启动。利用File 菜单可方便对文件或窗口进行管理。其中File | New 的各子菜单,M-fileM 文件、Figure图形窗口、或ModelSIMULINK 编辑界面分别可创建对应文件或模块。Edit 菜单允许用户和Windows 的剪切板交互信息。MATLAB 语言最基本的赋值语句结构为：变量名列表=表达式。表达式由操作符或其它字符,函数和变量名组成,表达式的结果为一个矩阵,显示在屏幕上,同时输送到一个变量中并存放于工作空间中以备调用。如果变量名和=省
6、略,则ans 变量将自动建立,例如键入：1900/81,得到输出结果：ans =23.4568。MATLAB 中变量命名的原则要求必须以英文字母开头,文件夹名字中可以还包括、下划线和数字,不要使用其他的字符,更不要单纯使用数字或者中文名命名,有时在运行MATLAB 中一些莫名的错误可能就是不规范的命名引起的。这种规则包括将来为自己编写的脚本文件、函数文件命名以及为使用的变量命名也应遵循这个规则。实验内容一用户工作目录和当前目录的建立和设置1为管理方便,每个用户在使用MATLAB 前,尽量为自己建立一个专门的工作目录,即用户目录,用来存放自己创建应用文件。例如首先打开资源管理器,在E 驱动器下可
7、以根据自己喜好建立一个新文件夹,但应注意：该文件夹必须以英文开头,文件夹名字中可以包括字母、下划线和数字,不要使用其他的字符,更不要单纯使用数字或者中文名命名,有时在运行MATLAB 中一些莫名的错误可能就是不规范的命名引起的,这与MATLAB 中为变量和文件名命名原则是一致的。尽管MATLABwork允许用户存放用户文件,但最好把它仅作为临时工作目录来使用。2为了用户运行方便,在开始工作前可把用户定义的目录设置为当前目录,方法是可直接在MATLAB 命令窗口桌面上方通过目录设置栏来实现。3把自己的工作目录加到MATLAB 搜索路径上,这样可以在任何情况下方便地调用自己的编写文件。MATLAB
8、 工作时,基本搜索过程为：首先在工作空间,即MATLAB 内存中进行检查,看输入的指令是不是变量；如不是,则检查输入指令是不是内建函数比如sin 函数等；如不是,则在当前目录上,检查是否有与输入指令相同的M文件存在；如还没有,则在MATLAB 定义的搜索路径其他目录中,检查是否有该M文件存在。设置方法是通过File 菜单下设置路径对话框进行。二熟悉简单的矩阵输1从屏幕上输入矩阵A=1 2 3；4 5 6；7 8 9 回车A=1,2,3；4,5,6；7,8,9 回车观察输出结果。2试用回车代替分号,观察输出结果。3输入size,观察结果。4输入矩阵B=9,8,7；6,5,4；3,2,1；回车输入
9、矩阵C=4,5,6；7,8,9；1,2,3；回车,然后分别键入A B C 回车观察结果。5选择File|new 菜单中的M-file,输入B=9 ,8,7；6,5,4；3,2,1；保存为B.M 文件,退出编辑环境。此时在工作环境中使用B 命令就可调出B 矩阵。6再试着输入一些矩阵,矩阵中的元素可为任意数值表达式,但注意:矩阵中各行各列的元素个数需分别相等,否则会给出出错信息。7输入who 和whos 观察结果,了解其作用。二常用基本命令的使用数据文件的存取训练：利用save 和load 指令可以方便地把当前工作空间的数据变量保存为数据文件。接题一,输入：save a 回车,表示把当前工作空间的
10、所有变量保存为a.mat 文件。输入save a A C 回车,表示把当前内存中的变量A、C 保存为a.mat 文件。类似的还有load 命令,实现保存数据变量的装载,执行clear 命令,然后运行load a回车,观察工作空间的变化。save、load、clear 命令还有一些其他的应用格式,具体可参看帮助文件。三基本序列运算1数组的加减乘除和乘方运算2输入A=1 2 3,B=4 5 6,求C=A+B,D=A-B,E=A.*B,F=A./B,G=A.B,并用stem画出A,B,C,D,E,F,G。再输入一些数组,进行类似运算。3在命令窗口用plot 指令粗略描绘下列各函数的波形其中对于连续信
11、号可取时间间隔为0.001,可参看下面的a 的实例来实现,数学函数MATLAB 实现参见附录a.实现方法,在命令窗口执行一下指令,可简单描绘出函数曲线：t=0:.001:3;y=3-exp;plotb.c.d. 2 t 2在MATLAB 中用pi 来实现f.三M 脚本文件编写初步用M 文件编辑器编写脚本文件重新描绘上面函数波形。实验二 数值数组创建、应用及可视化实验目的1掌握二维数组的创建、寻访,区分数组运算与矩阵运算的区别。2掌握标准数组生成函数和数组构造技法。3进一步熟悉M 脚本文件编写的方法和技巧。实验原理数值数组和数组运算MATALB 核心内容,是MATLAB 最重要的一种内建数据类型
12、。通常,数组是由一组实数或复数排成的长方阵列,它可以是一维的行或列,可以是二维的矩形,也可是三维的若同维矩形的堆叠,甚至是更高的任意维。而数组运算是指无论在数组上施加什么运算,总认定那种运算对被运算数组中的每个元素平等地时实施同样的操作。这使得计算程序简单、易读,使程序指令更接近教科书上的数学计算公式,并提高了程序的向量化程度,提高计算效率,节省计算机开销。一维数组的创建可采用逐个元素输入法,这是最简单,但又最通用的构造方法,如：x=2 pi/2 sqrt 3+5i;另外有规律的产生数组可以采用冒号生成法,通用格式是x =a : inc : b,a 是数组的第一个元素,inc 是采样点之间的步
13、长。若b-a是inc 的整数倍,则生成数组的最后一个元素是b,否则小于b。或者采用定数线性采样法,该法是在设定总点数下,均匀采样生成一维行数组。格式为x = linspace ,a、b 分别是生成数组的第一个各最后一个元素,n 是采样总点数,该指令生成1n数组。二维数组是由实数或复数排列成矩形而构成的。从数据结构上看,矩形和二维数组没有什么区别。当二维数组带有线性变换含义时,该二维数组就是矩阵。二维数组的创建也可采用直接输入法,或者利用构造M 文件创建和保存数组。除此以外,还可以采用MATLAB 提供的标准函数生成我们需要的数组,诸如zeros、ones、rand、eye、diag、magic
14、 等,详请见附录。一维数组元素的寻访和标识采用X方法,只是要注意MATLAB 中第一个元素下标index 是1,而不是C 语言中的0。二维数组元素的标识和寻访可分为全下标标识和单下标标识,全下标标识,即指出是第几行,第几列的元素,如A表示二维数组A 的第三行第五列元素。该标识法的优点是几何概念清楚,引述简单,在MATLAB 的寻址和赋值中最为常用。单下标标识,顾名思义就是只用一个下标来指明元素在数组中的位置,首先对二维数组的所有元素进行一维编号。一维编号是指：先设想把二维数组的所有列,按先左后右的次序、首尾相接排成一维长列,然后自上往下对元素未知进行编号,其优点是简洁、方便,特别是如果碰到对二
15、维数组进行诸如for 循环操作时可以减少循环次数,提高编程效率。全下标标识和单下标标识可以通过sub2ind 和ind2sub指令进行转换,详见帮助。另外,不论二维数组还是一维数组还可以采用逻辑1标识,这种方法常用于寻找数组中所有大于或小于某值的元素的问题中。比如Xabs3可以找出数组X 中所有绝对值大于3 的元素。另外还可以借助ones, zeros, rand, randn 和cat,repmat, reshape 等函数直接或间接构作高维数组,详见附录或MATLAB 帮助。Matlab 中的许多函数可以直接对任意维的数组直接运算,相当于对数组中的每个元素分别进行运算。比如Y=sin可以直接得到与数组X 中每一个元素相对应的的正弦值,这大大简化了编程。可以执行数组运算的常用函数已经列表于附录中,以供参考。但值得注意的是,虽然从外观形状和数据结构上看,二维数组和数学中的矩阵没有
