七节Matlab程序设计.ppt

第七节 Matlab的程序设计, Matlab语言称为第四代编程语言，程序简洁、可读性很强而且调试十分容易,是Matlab的重要组成部分。,m文件简介,用户如想灵活应用Matlab去解决实际问题，充分调用Matlab的科学技术资源，就需要编辑m文件。 包含Matlab语言代码的文件称为m文件，其扩展名为m。 编辑m文件可使用各种文本编辑器。,一、Matlab的工作模式,指令驱动模式 通常Matlab以指令驱动模式工作，即在Matlab 窗口下当用户输入单行指令时，Matlab 立即处理这条指令，并显示结果，这就是Matlab命令行方式。 命令行操作时，Matlab窗口只允许一次执行一行上的一个或几个语句。,例如： x1=0:10 x1 = 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 x2=0:3:11 x2 = 0 3 6 9 x3=11.5:-3:0 x3 = 11.5000 8.5000 5.5000 2.5000,x1=0:10,x2=0:3:11,x3=11.5:-3:0 x1 = 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 x2 = 0 3 6 9 x3 = 11.5000 8.5000 5.5000 2.5000 在Matlab窗口输入数据和命令进行计算时，当处理复杂问题和大量数据时是不方便的。因此应编辑m文件。,命令行方式程序可读性差，而且不能存储，对于复杂的问题，应编写成能存储的程序文件。 m文件模式 将Matlab语句构成的程序存储成以m为扩展名的文件，然后再执行该程序文件，这种工作模式称为程序文件模式。 程序文件不能在指令窗口下建立，因为指令窗口只允许一次执行一行上的一个或几个语句。,二、m文件的创建,m文件的类型是普通的文本文件，我们可以使用系统认可的文本文件编辑器来建立m文件。 具体的创建方法： 在Matlab命令窗 口点击file 菜单 new m-file,2. 点击file Save File As 将编辑器中的内容存入文件 *.m。 3. 编辑器 用系统自带的记事本或者word可以打开编辑m文件，也可以使用专业的编辑工具，例如：UltraEdit。当然更好的选择是用matlab自带的编辑器编写m文件。,注意：所创建的m文件必须纳入Matlab搜索路 径后，才能在Matlab命令窗口运行。 Matlab搜索路径的设置 1. path(path,'c:toolsgoodstuff') 2.用pathtool路径浏览器设定当前目录。 可以在命令行输入pathtool，也可以在fileset path中加入文件夹或文件。,三、Matlab文件的类型,数据文件 .mat mat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。 mat文件的生成和调用是由函数save和load完成的。 例如：load gatlin image(X),colormap(gray);axis equal;axis('off'),2. m文件 m文件的语法类似于c语言，但又有其自身特点，后缀为m。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(脚本script) 可调用m文件 称函数文件(function),(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。 命令文件的特点： 命令文件没有输入输出参数。 命令文件运行中可以调用工作空间的数据，运行中产生的所有变量为全局变量。 命令文件可以直接运行。,命令文件包括两部分：注释文件和程序文件 %RANK Number of linearly independent rows or columns. % K = RANK(X) is the number of singular values of X % that are larger than MAX(SIZE(X) * NORM(X) * EPS. % K = RANK(X,tol) is the number of singular values of X that % are larger than tol. % Copyright (c) 1984-94 by The MathWorks, Inc. s = svd(x); if (nargin = 1) tol = max(size(x) * max(s) * eps; end r = sum(s tol);,程序部分,如何有效加注释,% 最常用的操作，但是效率慢。如果是对大段的代码进行注释，可使用下面三种方法： 选中大段代码,鼠标右键comment ，如果要取消大段代码的注释，同样鼠标右键uncomment 快捷键：加注释是选中代码按 Ctrl+r，取消注释是选中代码按 Ctrl+t。 if(0) 大段的代码 end,(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type sin查不到。 返回为：sin is a built-in function. 实际应用中可以直接调用 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： (1)函数定义行： function 返回变量、参数=函数名(输入变量、参数) (2) 函数说明，就是函数注释。 (3) 函数体：程序语句段，完成函数的功能。,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 因变量=函数名(自变量) 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，也不能调用工作空间的数据，其变量只在函数运行期间有效。 不能直接运行，只能调用。因为系统无法确定输入变量。 只能在当前目录运行。,(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) S函数与函数m文件类似，只是输入、输出变量是限定的。,系统状态,状态初值,用户定义的系统,当前时刻,当前状态值,当前输入值,标志量,matlab的函数类型 simple 未加载的内部函数、m文件 overloaded 加载的内部函数、m文件 subfunction 子函数 constructor matlab类的创建函数 private 局部函数,Matlab自动备份文件,Matlab的程序文件中除了后缀是m，mat外，还有asv。它没有任何作用，只是像Word一样备份文件，可以删除。 也可以设置不备份文件，方法是： 在file/Preferences里面在“Editor/Debugger”菜单里面找到Autosave，把勾选去掉。,四、matlab的程序结构,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，循环结构，分支结构。 (1).顺序结构 依次顺序执行程序的各条语句 (2).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。 循环语句主要有： for end (硬循环语句或无条件循环),语法为： for i = 表达式 （表达式为一个向量） 可执行语句 end 例：利用for循环求1！+2！+3！+ +5！的值 sum=0; for i=1:5 pdr=1; for k=1:i pdr=pdr*k; end sum=sum+pdr; end,sum = 153, while end 循环 (当 就) while循环将循环体中的语句循环执行不定次数。 语法为：while 表达式 循环体语句 end 表达式一般是由逻辑运算和关系运算以及一般运算组成的，以判断循环的进行和停止；只要表达式的值 非0，继续循环；直到表达式值为0，循环停止。,例：用while循环求1100间整数的和 sum=0; i=1; while i=100 sum=sum+i; i=i+1; end sum sum = 5050,(3). 分支结构根据一定条件来执行的各条语 句。 if else end语句有3种形式 if 表达式 执行语句 end if 表达式 是 语句1 else 否 语句2 end, if 表达式1 多分支 语句1 elseif 表达式2 语句2 elseif 表达式3 语句3 · · · else 语句n end,这种结构实现了一种多路选择，比较复杂。可替代一般高级语言中的switch-case-end语句,在条件表达式中，通常都是由 关系操作符 , =, = =, = 等 逻辑操作符 &，| ， 等 逻辑函数：isequal 若是相等则为真 isempty 若是空矩阵则为真 isstr 若是字符串则为真 例：编写m函数，计算函数值 x (x=10),五、matlab程序流的控制,matlab的控制语句同c语言有相似之处, 但没有c 语言复杂、灵活和多变。因而语法比较简单，容易掌握。 echo 指令 用来控制m文件中的语句在执行过程中是否在命令窗口中显示,echo on 打开所有命令文件的显示方式 echo off 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。,input 提示用户从键盘输入数值、字符串、表达式。 例：n=input('How many telephones in classroom= ') How many telephones in classroom= 5 n = 5 pause 暂停，等待用户响应 可令m文件执行暂停，并在继续执行前按任一个键 。,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。 例如：ceshiduandian.m 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 产生一个用户可选择输入的菜单 格式：k=menu( '标题','菜单1','菜单2' ),六、matlab程序的调试,语法和逻辑两种错型 语法错误主要是输入的过程中写错了，不符合matlab规定的语法。例如中文状态下的单引号可能系统就不认，会给出提示，切换到英文输入法状态。再例如两个矩阵相乘时的要求两个矩阵的尺寸相同，尤其是需要点乘时没有加点，就会提示出错。 如出现 Index exceeds matrix dimensions 指：矩阵下标超出矩阵维数 需要我们对系统给出的红色警告信息仔细查看，排除错误。,逻辑错误不容易识别，程序往往通过了，系统没有提示任何错误，有输出，结果就是不对。 根据出错信息调试 根据命令窗给出的提示，一般都是语法错误，阅读后排查。 例如：对于提示未定义某变量，查看调用函数的输入参数，或者查看现在的工作目录等。 注意一般情况不加；调试，这样能确认某一句是否执行，以及每句执行的结果都能显示，或者打开变量空间查看变量的情况。,设置断点breakpoints来判断 程序仅运行到断点处，来判断以前有无错误。 设置keyboard命令来判断 当出现k时，程序仅运行到keyboard 处。 变量的鼠标观测法 在m文件里，用鼠标来观察断点前的变量情况，比查看变量空间更方便快捷。,代码运行的计时方法,整段代码的计时 tic toc 表示计算tic到toc之间的时间。 例如： tic a=rand(300); % 随机生成300x300的矩阵 inv(a); %求逆矩阵 toc,etime(t1,t2)来计算t1,t2之间的时间差来完成计时，其中时差t1-t2 。 例如： t0=clock a=rand(300); inv(a); elapsed_time=etime(clock,t0) %elapsed_time指流逝过的时间 同理可以使用cputime来计时 t=cputime; your_operation; cputime-t,七、程序代码优化,1.尽量不要使用循环，而使用矩阵结构来进行运算。 例：t0=cputime n=100000; sum=0; for i=1:n sum=sum+1/i end sum t1=cputime-t0,而如果使用向量、矩阵和系统内部函数 tic n=100000; a=1:n; total=cumsum(1./a) toc %cumsum函数实现累计求和,八、文件操作,matlab文件输入、输出（I/O）函数允许把其它格式的数据文件直接读进matlab，它是以c语言文件I/O函数为基础的。 文件数据格式有两种形式，一是二进制文件，二是文本文件。在打开文件时需要进一步指定文件格式类型，即指定是二进制文件还是文本文件。,1. 打开和关闭文件（fopen, fclose) 格式：fid=fopen('数据文件名'，'打开方式') 'r'表示对打开的文件读数据 'w'表示对打开的文件写数据 'a'表示在打开的文件末尾添加数据 fid用于存储文件句柄值，句柄值用来标识该数据文件，其他函数可以利用它对该数据文件进行操作。,文件一旦打开，即可进行读写操作，操作完后应及时关闭，使用fclose函数。 sta=fclose(fid) 关闭上述打开文件 该函数关闭fid所表示的文件。sta表示关闭文件操作的返回代码，若关闭成功，返回0，否则返回1。 sta=fclose(all) 关闭所有打开的文件,2. 读写二进制数据文件 fread, fwrite 可读写数据文件，文本文件。 例：fid=fopen(user.dat,r) a=fread(fid,50) sta=fclose(fid) 其中fread的调用格式为： A,COUNT=fread(fid, size, precision) 其中A用于存放读取的数据，COUNT返回所读取的数据元素个数，fid为文件句柄，size为可选项，若不选用则读取整个文件内容，若选用则它的值可以是下列值：,(1) N表示读取 N个元素到一个列向量。 (2) Inf表示读取整个文件。 (3) M,N表示读数据到M×N的矩阵中，数据按列存放。 precision代表读写数据的类型 2写二进制文件 fwrite 函数按照指定的数据类型将矩阵中的元素写入到文件中。其调用格式为： COUNT=fwrite (fid, A, precision) 其中COUNT返回所写的数据元素个数，fid为文件句柄，A用来存放写入文件的数据，precision用于控制所写数据的类型，其形式与fread函数相同。,例： 建立一数据文件magic5.dat，用于存放5阶魔方阵。 程序如下： fid=fopen(magic5.dat,w); cnt=fwrite(fid,magic(5),int32); fclose(fid);,也可以直接导入数据txt文件 file/import data/next/finish 例如：work目录下建立一个hello.txt，复制如下数据： 你好 欢迎来到 太原理工大学 请访问如下网址： www.tyut.edu.cn 1 11 111 1111 2 22 222 2222 3 33 333 3333 4 44 444 4444 5 55 555 5555,九、应用程序接口,应用程序接口是matlab的附加组件。是一个 由相关函数组成的接口函数库，可实现与外部程 序的交互。 MEX文件：是matlab环境下调用C、FORTRAN 语言编写的应用程序模块。 matlab 计算引擎：在使用C、FORTRAN编程时 可调用matlab函数库进行计算。 MAT文件：实现matlab与C、FORTRAN语言程序间的 数据交换,十、matlab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：mcc MCC -options fun fun2 . mexfile1 . mlibfile1 .,如何关掉matlabserver.exe,有时候，用户为了节省计算机内存，或者是提高启动速度，会禁止matlab server服务。 在控制面板-管理工具-服务 中 matlab server 的服务改为禁用，手动启动，matlabserver.exe就不运行了。 或者这样操作(这是卸载MATLAB Server) ： 打开一个dos窗口 cd /webserver/bin/win32 matlabserver -remove 注：指的是安装目录,小 结,本节主要介绍了matlab语言程序设计基础。相对来说，matlab 编程简单，容易掌握。 通过学习，要求同学们应能编写简单程序。,结 束 语,本课程基于matlab语言基础，想继续深入学习，要多看其他文献，相互讨论，并能多上手练习。 希望大家今后都能成为matlab高手。,