matlab工程计算.doc
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1、目录第一章 MATLAB概述- 2 -1.1 MATLAB7.3简介- 3 -1.2 ATLAB7.3的开发环境- 4 -1.3 MATLAB的其它管理- 13 -1.4一个简单的实例- 16 -1.5 MATLAB的文字处理工具Notebook- 17 -1.6 MATLAB7.3的帮助系统- 20 -第二章 数组的创建- 23 -2.1向量的创建- 23 -2.2矩阵的生成- 27 -2.3数组的生成- 30 -2.4随机数的产生- 31 -第三章 矩阵的基本运算- 31 -3.1矩阵的代数运算- 31 -3.2矩阵的关系运算- 36 -3.3矩阵的逻辑运算- 38 -3.4按位运算- 4
2、0 -3.5集合运算- 42 -3.6矩阵的翻转与旋转- 44 -3.7 矩阵的产生于提取- 45 -第4章 字符串- 50 -4.1字符串的生成- 50 -4.2 字符串连接- 54 -4.3字符串的比较、查找与替换- 57 -4.4字符号串的函数操作- 59 -第5章 作图- 61 -5.1图形窗口的创建- 61 -5.2 二维曲线的生成控制- 63 -5.3对二维图像的标注- 67 -5.4对图像窗口的控制- 71 -5.5 其它二维图形简介- 73 -5.6三维绘图函数- 77 -5.7三维曲面绘图- 79 -5.8 其它三维图形- 85 -5.9 三维图形的颜色控制- 87 -第6章
3、 基本编程- 88 -6.1 数据类型- 88 -6.2变量- 95 -6.3 基本语句- 95 -6.4 M文件- 102 -第7章 符号工具箱- 109 -7.1建立符号对象- 109 -7.2 符号运算- 114 -7.3因式分解和替换- 116 -7.4符号微积分- 119 -7.5线性代数- 123 -7.6方程求解- 126 -7.7符号函数画图- 129 -附录:基本命令函数- 135 -0命令函数目录- 135 -1音频处理函数- 136 -2数据分析和傅里叶变换- 136 -3例子与演示- 137 -4基本数学函数- 137 -5基本矩阵及矩阵处理- 138 -6非线性数值方
4、法泛函与微分方程- 139 -7通用命令- 140 -8二维图形- 141 -9三维图形- 141 -10句柄图形- 143 -11 文件输入输出- 144 -12语言结构- 146 -13矩阵函数与数值线性代数- 147 -14操作符与特殊符号- 147 -15插值函数与多项式- 149 -16稀疏矩阵- 149 -17特殊数学函数- 150 -18特殊图形- 151 -19字符串- 153 -20时间和日期- 154 -21图形用户接口- 154 -22文件控制- 155 -23窗口操作系统界面文件- 156 -上机指导- 157 -第1章- 157 -第2章- 157 -第3章- 158
5、 -第4章- 159 -第5章- 160 -第6章- 161 -第7章- 162 -第一章 MATLAB概述MATLAB是目前世界上最流行的、应用最广泛的工程计算和仿真软件,它将计算、可视化和编程等功能集于一个易于开发的环境。MATLAB主要应用于数学计算、系统建模与仿真、数学分析与可视化、科学与工程绘图和用户界面设计等。MATLAB是Matrix Laboratory的缩写,它的产生是与数学计算紧密联系在一起的。1980年,美国新墨西哥州大学数学与计算科学教授Clever Moler为了解决线性方程和特征值问题,和他的同事开发了LINPACKEISPACK的FORTRAN子程序库,后来又编写
6、了接口程序取名为MATLAB,MATLAB开始应用于数学界。经过二十余年的补充和完善,2010年9月正式推出MATLAB R2010b产品族,成为一个包含众多工程计算与仿真功能的庞大系统,其功能在原有的基础上又有了进一步的改进,数据类型更丰富,面向对象的功能更加突出。MATLAB是一个交互式开发系统,其基本数据要素是矩阵。MATLAB的语法规则简单,适合于专业科技人员的思维方式和书写习惯;它用解释方式工作,编写程序和运行同步,键入程序立即得出结果,因此人机交互更加简洁和智能化;而且MATLAB可适合于多种平台 ,随着计算机软件、硬件的更新而及时升级,使得编程和调试效率大大提高。目前,MATLA
7、B已经成为应用代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、动态系统仿真和金融等专业的基本数学工具,各国的高等教育学校纷纷将MATLAB正式列入本科生和研究生课程的教学计划中,成为学生必须掌握的基本软件之一;在研究设计单位和工厂企业中,MATLAB也成为工程师们必须掌握的一种工具。本课程将以MATLAB7.3为版本进行较为全面的介绍。1.1 MATLAB7.3简介1.1.1MATLAB的系统结构MATLAB系统由MATLAB开发环境、MATLAB语言、MATLAB数学函数库、MATLAB图形处理系统和MATLAB应用程序接口(API)五大部分组成。1)MTLAB开发环境是一个集成的开发环境,包括
8、MATLAB命令窗口、件编辑调试器、工作空间、数组编辑器和在线帮助文档等。2)MATLAB语言具有程序流程控制、函数、数据结构、输入输出和面向对象的编程特点,是基于矩阵/数组的语言。3)MATLAB的数学函数库包含了大量的计算算法,包括基本函数、矩阵运算和复杂算法等。4)MATLAB的图形处理系统能够将二维和三维数组的数据用图形表示出来,并可以实现图像处理、动画显示和表达式作图等功能。5)MATLAB应用程序接口使MATLAB语言能与C或FORTRAN等其他编程语言进行交互。1.1.2 MATLAB的特点MATLAB现在不再是“矩阵实验室”,它已经发展成为具有广泛应用前景的计算机高级语言。MA
9、TLAB具有以下的特点。1.运算功能强大 MATLAB是以矩阵为基本编程元素的程序设计语言,它的数值运算要素不是单个数据,而是矩阵,每个变量代表一个矩阵,矩阵有m n个元素, 每个元素都可看作复数, 所有的运算包括加、减、乘、除、函数运算等都对矩阵和复数有效;另外,通过MATLAB的符号工具箱,可以解决在数学、应用科学和工程计算领域中常常遇到的符号问题,强大的运算功能使其成为世界顶尖的数学应用软件之一。 2.编程效率高MATLAB的语言规则与笔算式相似,矩阵的行列数无需定义,MATLAB的命令表达方式与标准的数学表达式非常相近,因此,易写易读并易于在科技人员之间交流。 MATLAB是以解释方式
10、工作的,即它对每条语句解释后立即执行,键入算式无需编译立即得出结果,若有错误也立即做出反应,便于编程者立即修改。这些都大大减轻了编程和调试的工作量,提高了编程效率。3.强大而智能化的编程功能MATLAB可以方便的用图形显示二维或三维数组,将工程计算的结果可视化,使数据间的内在联系清理明了。MATLAB能智能化的根据输入的数据自动确定最佳坐标,可规定多种坐标系(如极坐标、对数坐标等),可设置不同颜色、 线型、视角等。4.可扩展性MATLAB有一套程序扩展系统和工具箱,具有良好的可扩展性。工具箱是MATLAB函数的子程序库,每个工具箱都是为某个科学领域的应用而定制的,MATLAB每年都会增加一些新
11、的工具箱。5.Simulink动态仿真功能Simulink是一个交互式动态系统建模、仿真和分析图形环境,用户通过框图的绘制来模拟一个系统,Simulink能够针对控制系统、信号处理系统和通信系统进行系统建模、仿真和分析。1.1.3 MATLAB工具箱MATLAB的工具箱(Toolbox)是一个专业家族产品,工具箱实际上是MATLAB的M文件和高级MATLAB语言的集合,用于解决某一方面的专门问题或实现某一类的新算法。MATLAB的工具箱可以任意的增减,不同的工具箱给不同的领域的用户提供了丰富强大的功能。任何人可以自己生成MATLAB工具箱,因此很多研究成果被直接做成MATLAB工具箱发布,成百
12、上千个,大多数是免费的。MATLAB工具箱可以从Internet网上获得。1.2 ATLAB7.3的开发环境MATLAB的用户界面集成了一系列方便用户的开发工具,大多是采用图形用户界面,操作更加方便。1.2.1MATLAB的环境设置MATLAB7.3启动后的运行界面称为MATLAB的工作界面(MATLAB Desktop),是一个高度集成的工作界面,主要由菜单、工具栏、当前工作目录窗口、工作空间管理窗口、历史命令窗口和命令窗口等组成,MATLAB7.3版默认的共界面如图所示。用户也可以自己定义自己的界面。1.2.2MATLAB的启动和退出1. MATLAB的启动2. MATLAB的退出 在MA
13、TLAB的命令窗口中输入“exit”命令。 在MATLAB的命令窗口中输入“quit”命令。 直接单击按钮1.2.3菜单和工具栏MATLAB的工作界面和Windows程序的环境类似。1.菜单MATLAB7.3的菜单包括“File”、“Edit”、“Debug”、“Desktop”、“Window”和“Help”另外MATLAB还会根据不同的窗口,增加一些浮动菜单,例如,当选择工作空间浏览器窗口(Worksapce)时,会增加“View”和“Graphics”菜单,用来设置工作空间浏览器窗口的显示。(1)File菜单 File菜单用于对文安进行操作,File菜单的菜单功能如下表下拉菜单功能New
14、M-File新建一个M文件,打开m文件编辑/调试器Figure新建一个图形文件,打开图形窗口Variable新建一个变量,默认变量为unnamedModel新建一个仿真模型,打开Simulink窗口 GUI新建一个用户图形界面(GUI),打开GUI窗口Deployment Project新建一个勇于发布的项目(MATLAB新增功能)Open打开已有文件Close Command Window关闭命令窗口Import Data.从其它文件倒入数据,在谈处的对话框中选择文件名和路径Save Worksapce as将工作空间的数据保存到相应路径的二进制MAT文件中Page Setup页面设置Set
15、 Path设置搜索路径Preferences设置MATLAB工作环境外观等相关属性参数Print打印Peint Selection打印所选区域 Exit MATLAB退出MATLAB(2)Edit菜单 Edit菜单项与Windows程序的Edit菜单相似,Edit菜单的特殊菜单功能如下。下拉菜单功能 Paste to Workspace打开数据输入向导对话框“Import Wizard”,将剪切板中的数据输入到MATLAB工作空间中Find在命令窗口和历史窗口中查找Find File设置查找条件查找Clear Command Window清除命令窗口中的所有命令Clear Command Hi
16、story清除历史窗口中的所有命令Clear Workspace清除工作空间中的所有命令(3)Debug菜单 Debug菜单各项功能用于程序调试。下拉菜单功能Open M-File when Debugging打开M文件Step单步运行Step in单步运行进入子函数Step out单步运行跳出子函数Continue运行程序到下一个断点或到程序结束Clear Breakpoint in All Files清除所有断点Stop if Errors/Warnings在程序出错或报警处停止Exit Debug Mode退出调试程序()Desktop菜单Desktop菜单的各菜单项用于MATLAB工作
17、界面中窗口的显示下拉菜单功能Undock Command Windows命令窗口与工作界面分离Move Command Windows移动命令窗口Resize Command Windows改变命令窗口尺寸Desktop Layout工作界面的布局设置,Default(默认),Command Window only(只有命令窗口),History and Command Window(历史命令窗口和命令窗口),All Tabbed(全部标签项显示)Save Layout保存选定的工作区设置Organize Layouts管理保存的工作区设置Profiler打开程序性能剖析窗口Shortcuts
18、 Toolbar显示快捷方式工具栏File Comparisons按行比较两个文件的不同(5)Windows菜单 Windows菜单提供了在已打开的窗口之间的切换功能。(6)Help菜单 Help菜单用于进入不同的帮助系统。下拉菜单功能Full Product Family Help所用MATLAB产品的帮助MATLAB Help启动MATLAB帮助Using the Desktop启动Desktop帮助Using the Command Window启动命令窗口帮助Web Resources显示因特网上的相关网址Check for Updates检查软件是否更新Demos显示MATLAB的演
19、示程序Terms of ues显示常用术语解释Patents显示MATLAB产品的专利(7)开始菜单 在MATLAB操作界面的左下角有一个“start”按钮,是MATLAB的快捷菜单,该菜单先是的为现场菜单,包括交互界面窗口的列表,快捷方式和常用的子菜单。2.工具栏工具栏是在编程环境下提供的最常用命令的快速访问,当鼠标停留在工具栏的按钮上时,就会显示出该按钮的功能。1.2.4通用窗口MATLAB工作界面中的常用窗口包括命令窗口、历史窗口、当前工作目录窗口、工作空间浏览器窗口、变量编辑窗口、M文件编辑/ 调试窗口、帮助窗口和程序性能剖析窗口等。MATLAB的所有窗口都可单独显示,选择菜单“Des
20、ktop”“Undock Command Window”,或者单击命令窗口右上角的按钮,或者直接托动命令窗口离开工作界面都会将窗口单独显示。而如果在单独显示窗口中选择“Desktop”“Dock Command Window”或者单击窗口右上角的按钮图表都可以使单独的窗口返回到MATLAB工作界面中。1.命令窗口(Command Window)命令窗口是进行MATLAB操作最重要的窗口,可以把命令窗口看成“草稿本”,在命令窗口中输入MATLAB的命令和数据后按回车键,立即执行运算并显示结果。(1)命令行的语句格式 MATLAB在命令窗口中的语句形式为:变量=表达式;说明:命令窗口中的每个命令行
21、前会出现提示符“”,没有“”符号的行则是显示的结果。【例1-1】在命令窗口中输入不同的命令和数值,并查看其显示方式。 a=0.5a = 0.5000 b=sinb =sin if a1 c=true%如果a1则c为trueendc =1程序分析:命令窗口内不同命令采用不同的颜色,默认输出的命令、表达式以及计算结果等采用黑体色,字符采用赤红色,关键字采用蓝色,注释采用绿色;如上所示a为数值,变量b为字符串,变量c为逻辑true,命令行中的“if”,“end”为关键字,“%”后面的是注释。在命令窗口中如果输入命令或函数的开头一个或几个字母,按“Tab”键则会出现以该字母开头的所有的命令函数列表,例
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