MATLAB程序設(shè)計實驗.doc

系立項建設(shè)實驗指導(dǎo)書MATLAB程序設(shè)計與應(yīng)用實驗主 編：王 春、段守付物理與電子信息工程系目 錄前 言1實驗一 熟悉MATLAB 環(huán)境2實驗二 數(shù)值數(shù)組創(chuàng)建、應(yīng)用及可視化6實驗三 字符串?dāng)?shù)組的使用、簡單腳本文件和函數(shù)的編寫10實驗四 數(shù)據(jù)可視化方法17實驗五 簡單數(shù)據(jù)分析23實驗六 MATLAB 仿真初步27實驗七 電路模型仿真應(yīng)用30實驗八 簡單圖形用戶界面設(shè)計32附錄：MATLAB 主要函數(shù)指令表（按字母順序索引）35前 言美國MathWorks公司推出的MATLAB是一種集數(shù)值計算、符號、運算、可視化建模、仿真和圖形處理等多種功能于一體的優(yōu)秀編程、仿真工具，被譽為“巨人肩膀上的工具”、“演算紙式的編程語言”，是從事科學(xué)研究、工程計算的廣大科技工作者、理工類高校師生確認(rèn)為必須掌握的計算工具，是從理論通向?qū)嶋H的橋梁，也是最可信賴的科技資源之一。為了配合學(xué)生上機實踐，更好掌握MATLAB 的基本使用技能，了解MATLAB 的編程風(fēng)格，以及將所學(xué)課程與MATLAB 實踐相結(jié)合，特別編寫了本實驗講義。其主要內(nèi)容包括：MATLAB 入門及基本操作，數(shù)組、矩陣的使用及數(shù)據(jù)可視化方法，腳步文件及函數(shù)的編寫，以及仿真、圖形用戶界面入門等。MATLAB 內(nèi)容豐富，內(nèi)嵌了許多功能函數(shù)。為了方便課堂教學(xué)使用，也顧及查閱功能，在書后的索引中按照字母順序?qū)ΤＲ奙ATLAB 函數(shù)進行了分類，以備讀者查閱需要。本書編寫由王春、段守付完成。由于編者水平有限，書中難免存在不妥之處，懇請廣大讀者指正。同時，我們也會在適當(dāng)時間進行修訂和補充。實驗一 熟悉MATLAB 環(huán)境實驗?zāi)康?熟悉MATLAB 主界面，并學(xué)會簡單的菜單操作。2學(xué)會簡單的矩陣輸入與信號輸入。3掌握部分繪圖函數(shù)。實驗原理MATLAB 是以復(fù)雜矩陣作為基本編程單元的一種程序設(shè)計語言。它提供了各種矩陣的運算與操作，并有較強的繪圖功能。用戶第一次使用MATLAB 時，建議首先在屏幕上鍵入demo 命令，它將啟動MATLAB 的演試程序，用戶可在此演示程序中領(lǐng)略MATLAB 所提供的強大的運算與繪圖功能。也可以鍵入help 進行進一步了解。MATLAB 啟動界面如圖所示：操作界面主要的介紹如下： 指令窗（Command Window），在該窗可鍵入各種送給MATLAB 運作的指令、函數(shù)、表達式，并顯示除圖形外的所以運算結(jié)果。 歷史指令窗（Command History），該窗記錄已經(jīng)運行過的指令、函數(shù)、表達式；允許用戶對它們進行選擇復(fù)制、重運行，以及產(chǎn)生M 文件。 工作空間瀏覽器（Workspace Browser），該窗口羅列出MATLAB 工作空間中所有的變量名、大小、字節(jié)數(shù)；并且在該窗中，可對變量進行觀察、編輯、提取和保存。其它還有當(dāng)前目錄瀏覽器（ Current Directory Browser ） 、M 文件編輯/ 調(diào)試器（Editor/Debugger）以及幫助導(dǎo)航/瀏覽器（Help Navigator/Browser）等，但通常不隨操作界面的出現(xiàn)而啟動。利用File 菜單可方便對文件或窗口進行管理。其中File | New 的各子菜單，M-file（M 文件）、Figure（圖形窗口）、或Model（SIMULINK 編輯界面）分別可創(chuàng)建對應(yīng)文件或模塊。Edit 菜單允許用戶和Windows 的剪切板交互信息。MATLAB 語言最基本的賦值語句結(jié)構(gòu)為：變量名列表=表達式。表達式由操作符或其它字符，函數(shù)和變量名組成，表達式的結(jié)果為一個矩陣，顯示在屏幕上，同時輸送到一個變量中并存放于工作空間中以備調(diào)用。如果變量名和“=”省略，則ans 變量將自動建立，例如鍵入：1900/81，得到輸出結(jié)果：ans =23.4568。MATLAB 中變量命名的原則要求必須以英文字母開頭，文件夾名字中可以還包括、下劃線和數(shù)字，不要使用其他的字符，更不要單純使用數(shù)字或者中文名命名，有時在運行MATLAB 中一些莫名的錯誤可能就是不規(guī)范的命名引起的。這種規(guī)則包括將來為自己編寫的腳本文件、函數(shù)文件命名以及為使用的變量命名也應(yīng)遵循這個規(guī)則。實驗內(nèi)容一用戶工作目錄和當(dāng)前目錄的建立和設(shè)置1 為管理方便，每個用戶在使用MATLAB 前，盡量為自己建立一個專門的工作目錄，即“用戶目錄”，用來存放自己創(chuàng)建應(yīng)用文件。例如首先打開資源管理器，在E 驅(qū)動器下可以根據(jù)自己喜好建立一個新文件夾，但應(yīng)注意：該文件夾必須以英文開頭，文件夾名字中可以包括字母、下劃線和數(shù)字，不要使用其他的字符，更不要單純使用數(shù)字或者中文名命名，有時在運行MATLAB 中一些莫名的錯誤可能就是不規(guī)范的命名引起的，這與MATLAB 中為變量和文件名命名原則是一致的。盡管MATLABwork允許用戶存放用戶文件，但最好把它僅作為臨時工作目錄來使用。2 為了用戶運行方便，在開始工作前可把用戶定義的目錄設(shè)置為當(dāng)前目錄，方法是可直接在MATLAB 命令窗口桌面上方通過目錄設(shè)置欄來實現(xiàn)。3 把自己的工作目錄加到MATLAB 搜索路徑上，這樣可以在任何情況下方便地調(diào)用自己的編寫文件。MATLAB 工作時，基本搜索過程為：首先在工作空間，即MATLAB 內(nèi)存中進行檢查，看輸入的指令是不是變量；如不是，則檢查輸入指令是不是內(nèi)建函數(shù)（比如sin 函數(shù)等）；如不是，則在當(dāng)前目錄上，檢查是否有與輸入指令相同的M文件存在；如還沒有，則在MATLAB 定義的搜索路徑其他目錄中，檢查是否有該M文件存在。設(shè)置方法是通過File 菜單下設(shè)置路徑對話框進行。二熟悉簡單的矩陣輸1 從屏幕上輸入矩陣A=1 2 3；4 5 6；7 8 9 回車A=1，2，3；4，5，6；7，8，9 回車觀察輸出結(jié)果。2 試用回車代替分號，觀察輸出結(jié)果。3 輸入size(A)，觀察結(jié)果。4 輸入矩陣B=9，8，7；6，5，4；3，2，1；回車輸入矩陣C=4，5，6；7，8，9；1，2，3；回車，然后分別鍵入A B C 回車觀察結(jié)果。5 選擇File|new 菜單中的M-file，輸入B=9 ，8，7；6，5，4；3，2，1；保存為B.M 文件，退出編輯環(huán)境。此時在工作環(huán)境中使用B 命令就可調(diào)出B 矩陣。6 再試著輸入一些矩陣，矩陣中的元素可為任意數(shù)值表達式，但注意:矩陣中各行各列的元素個數(shù)需分別相等，否則會給出出錯信息。7 輸入who 和whos 觀察結(jié)果，了解其作用。二常用基本命令的使用數(shù)據(jù)文件的存取訓(xùn)練：利用save 和load 指令可以方便地把當(dāng)前工作空間的數(shù)據(jù)變量保存為數(shù)據(jù)文件。接題一，輸入：save a 回車，表示把當(dāng)前工作空間的所有變量保存為a.mat 文件。輸入save a A C 回車，表示把當(dāng)前內(nèi)存中的變量A、C 保存為a.mat 文件。類似的還有l(wèi)oad 命令，實現(xiàn)保存數(shù)據(jù)變量的裝載，執(zhí)行clear 命令，然后運行l(wèi)oad a 回車，觀察工作空間的變化。save、load、clear 命令還有一些其他的應(yīng)用格式，具體可參看幫助文件。三基本序列運算1 數(shù)組的加減乘除和乘方運算2 輸入A=1 2 3，B=4 5 6，求C=A+B，D=A-B，E=A.*B，F(xiàn)=A./B，G=A.B,并用stem畫出A，B，C，D，E，F(xiàn)，G。再輸入一些數(shù)組，進行類似運算。3 在命令窗口用plot 指令粗略描繪下列各函數(shù)的波形（其中對于連續(xù)信號可取時間間隔為0.001，可參看下面的a 的實例來實現(xiàn)，數(shù)學(xué)函數(shù)MATLAB 實現(xiàn)參見附錄）a. 實現(xiàn)方法，在命令窗口執(zhí)行一下指令，可簡單描繪出函數(shù)曲線：t=0:.001:3;y=3-exp(-t);plot(t,y)b. c. d. 2 t 3)可以找出數(shù)組X 中所有絕對值大于3 的元素。另外還可以借助ones, zeros, rand, randn 和cat,repmat, reshape 等函數(shù)直接或間接構(gòu)作高維數(shù)組，詳見附錄或MATLAB 幫助。Matlab 中的許多函數(shù)可以直接對任意維的數(shù)組直接運算，相當(dāng)于對數(shù)組中的每個元素分別進行運算。比如Y=sin(X)可以直接得到與數(shù)組X 中每一個元素相對應(yīng)的的正弦值，這大大簡化了編程。可以執(zhí)行數(shù)組運算的常用函數(shù)已經(jīng)列表于附錄中，以供參考。但值得注意的是，雖然從外觀形狀和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上看，二維數(shù)組和（數(shù)學(xué)中的）矩陣）沒有區(qū)別，但矩陣作為一種變換或映射算子的體現(xiàn)，矩陣運算有著明確而嚴(yán)格的數(shù)學(xué)規(guī)則。數(shù)組運算是MATLAB軟件所定義的規(guī)則，其目的是為了數(shù)據(jù)管理方便、操作簡單、指令形式自然和執(zhí)行計算的有效。為了區(qū)別數(shù)組和矩陣運算，在易混淆的地方，數(shù)組運算在運算符前加一小黑點“.”以示區(qū)別，比如Y=A.*B，代表的示數(shù)組A 和數(shù)組B 對應(yīng)元素相乘，而Y=A*B，則表示內(nèi)維相同的矩陣A 和B 的乘積。由此也可看出，在執(zhí)行數(shù)組與數(shù)組的運算時，參與運算的數(shù)組必須同維，運算所得結(jié)果也總與原數(shù)組同維。本節(jié)只涉及數(shù)組可視化方法的簡單實現(xiàn)。通常，對于離散數(shù)據(jù)可采用stem 命令或者使用plot 繪點的方法，而對于連續(xù)函數(shù)可直接采用plot 指令來實現(xiàn)。實驗內(nèi)容一數(shù)組的創(chuàng)建和尋訪1一維數(shù)組在命令窗口執(zhí)行下面指令，觀察輸出結(jié)果，體味數(shù)組創(chuàng)建和尋訪方法，%號后面的為注釋，不用輸入。rand(state,0) %把均勻分布偽隨機發(fā)生器置為0 狀態(tài)x=rand(1,5) %產(chǎn)生(1 5) 的均布隨機數(shù)組x(3) %尋訪數(shù)組x 的第三個元素。x(1 2 5) %尋訪數(shù)組x 的第一、二、五個元素組成的子數(shù)組。x(1:3) %尋訪前三個元素組成的子數(shù)組x(3:end) %尋訪除前2 個元素外的全部其他元素。end 是最后一個元素的下標(biāo)。x(3:-1:1) %由前三個元素倒排構(gòu)成的子數(shù)組x(find(x0.5) %由大于0.5 的元素構(gòu)成的子數(shù)組x(1 2 3 4 4 3 2 1) %對元素可以重復(fù)尋訪，使所得數(shù)組長度允許大于原數(shù)組。x(3) = 0 %把上例中的第三個元素重新賦值為0x(1 4)=1 1 %把當(dāng)前x 數(shù)組的第一、四個元素都賦值為1x3=; %空數(shù)組的賦值操作2二維數(shù)組(1)在命令窗口執(zhí)行下面指令，觀察輸出結(jié)果a=2.7358; b=33/79; %這兩條指令分別給變量 a ，b 賦值。C=1,2*a+i*b,b*sqrt(a);sin(pi/4),a+5*b,3.5+i %這指令用于創(chuàng)建二維數(shù)%組CM_r=1,2,3;4,5,6,M_i=11,12,13;14,15,16 %創(chuàng)建復(fù)數(shù)數(shù)組的另一種方法CN=M_r+i*M_i %由實部、虛部數(shù)組構(gòu)成復(fù)數(shù)數(shù)組(2)利用M 文件創(chuàng)建和保存下面的數(shù)組（分號后面是一個空格后加3 個小數(shù)點，表示換行續(xù)寫）AM=101,102,103,104,105,106,107,108,109;.201,202,203,204,205,206,207,208,209;.301,302,303,304,305,306,307,308,309;(3)仿照問題1 中方法找出數(shù)組A 中所有絕對值大于3 的元素。(4)在命令窗口執(zhí)行下面指令，體會二維數(shù)組的子數(shù)組尋訪和賦值A(chǔ)=zeros(2,4) %創(chuàng)建(2 4) 的全零數(shù)組A(:)=1:8 %全元素賦值方式s=2 3 5; %產(chǎn)生單下標(biāo)數(shù)組行數(shù)組A(s) %由“單下標(biāo)行數(shù)組”尋訪產(chǎn)生A 元素組成的行數(shù)組Sa=10 20 30 %Sa 是長度為3 的“列數(shù)組”A(s)=Sa %單下標(biāo)方式賦值A(chǔ)(:,2 3)=ones(2) %雙下標(biāo)賦值方式：把A 的第2、3 列元素全賦為1(5)運行指令rand(state,11),A=rand(3,10000);B=(A0.5);C=2*B-1;首先預(yù)測（C*C）/100 的運行結(jié)果，然后再在機器上驗證。（本方法提供了產(chǎn)生通信等仿真中常需若干獨立的雙隨機碼的方法原型。）(6)在命令窗口執(zhí)行下面指令，體味數(shù)組運算與矩陣運算的區(qū)別clear;A=zeros(2,3);A(:)=1:6; %全元素賦值法A=A*(1+i) %運用標(biāo)量與數(shù)組乘產(chǎn)生復(fù)數(shù)矩陣A_A=A. %數(shù)組轉(zhuǎn)置，即非共軛轉(zhuǎn)置，其中單引號實現(xiàn)轉(zhuǎn)置功能A_M=A %矩陣轉(zhuǎn)置，即共軛轉(zhuǎn)置二編寫如圖所示波形的MATLAB 腳本文件，圖中虛線為正弦波，要求它分別在及處削頂。圖1可能用到的額外指令： find、hold on、hold off、 legend，具體使用方法使用help指令名來解答。實驗三 字符串?dāng)?shù)組的使用、簡單腳本文件和函數(shù)的編寫實驗?zāi)康?掌握字符串?dāng)?shù)組的創(chuàng)建和構(gòu)造方法及常用字符串函數(shù)的使用。2熟練掌握MATLAB 控制流的使用方法。3熟悉M 腳本文件、函數(shù)文件的編寫方法和技巧。實驗原理與數(shù)值數(shù)組相比，串?dāng)?shù)組在MATLAB 中的重要性較小，但不可缺少。如果沒有串?dāng)?shù)組及相應(yīng)的操作，那么數(shù)據(jù)可視化、圖形用戶界面的制作將會遇到困難。字符串與數(shù)值數(shù)組是兩種不同的數(shù)據(jù)類，它們的創(chuàng)建方式也不同。字符串的創(chuàng)建方式是：將待建的字符放在“單引號對”中。注意，“單引號對”必須是在英文狀態(tài)下輸入，其作用是MATLAB 識別送來內(nèi)容“身份”所必需的，如A=This is an example!；就創(chuàng)建了一個字符串A。注意創(chuàng)建帶單引號的字符串時，每個單引號符用“連續(xù)2 個單引號符”標(biāo)識。字符串的標(biāo)識同數(shù)值數(shù)組同，而且也可以使用size 指令觀察串?dāng)?shù)組的大小。串?dāng)?shù)組的ASCII 碼可以通過指令abs 和double 來獲取，而用char 指令可以把ASCII 碼變?yōu)榇當(dāng)?shù)組，另外，MATLAB 可以很好的支持中文字符串?dāng)?shù)組。對于復(fù)雜串?dāng)?shù)組的創(chuàng)建，一是可以直接創(chuàng)建，但是要保證同一串?dāng)?shù)組的各行字符數(shù)相等，即保證各行等長，不推薦，太繁瑣。二是可以利用串操作函數(shù)創(chuàng)建多行數(shù)組，比如char, str2mat, strvcat 等，具體操作自己通過幫助體會。另外還可以通過轉(zhuǎn)化函數(shù)產(chǎn)生數(shù)碼字符長，比如A_str=int2str(A) 就是把整數(shù)數(shù)組A 轉(zhuǎn)換成串?dāng)?shù)組，如果是非整數(shù)將被四舍五入后再轉(zhuǎn)換，類似的函數(shù)還有num2str（把非整數(shù)數(shù)組轉(zhuǎn)換為串?dāng)?shù)組，常用于圖形中數(shù)據(jù)點的標(biāo)識）、mat2str（把數(shù)值數(shù)組轉(zhuǎn)換成輸入形態(tài)的串?dāng)?shù)組，常與eval 指令配用）。假如想靈活運用MATLAB 去解決實際問題，想充分調(diào)動MATLAB科學(xué)技術(shù)資源，想理解MATLAB 版本升級所依仗的基礎(chǔ)，那么掌握M 腳本文件合函數(shù)的編寫規(guī)則將十分有用。用戶通過本次實驗，感受抽象概念的內(nèi)涵、各指令間的協(xié)調(diào)，從感知上領(lǐng)悟MATLAB 編程的優(yōu)越和要領(lǐng)。編寫M 腳本文件的步驟：l 點擊MATLAB 指令窗工具條上的New File圖標(biāo) ，就可打開如上圖所示的MATLAB 文件編輯調(diào)試器MATLAB Editor/Debugger。其窗口名為untitled ，用戶即可在空白窗口中編寫程序。l 點擊編輯調(diào)試器工具條圖標(biāo) ，在彈出的Windows 標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)格的“保存為”對話框中，選擇保存文件夾，鍵入新編文件名（如newfile.m），點動【保存】鍵，就完成了文件保存。l 運行可有兩種方法，一種是直接點擊編輯調(diào)試工具條圖標(biāo)，即可直接運行；或者使newfile.m 所在目錄成為當(dāng)前目錄，或讓該目錄處在MATLAB 的搜索路徑上,然后在命令窗口鍵入指令newfile回車，便可得到運行結(jié)果。l 調(diào)試程序方法有多種，常見的是設(shè)置斷點的方法，將光標(biāo)移到程序欲執(zhí)行到的位置，點擊編輯調(diào)試工具條圖標(biāo)，保存后運行，程序?qū)⑼Ｖ乖谠撜Z句位置并彈出編輯器界面等待用戶下一步運行的指令，只有再次點擊按鈕，才繼續(xù)向下執(zhí)行。相應(yīng)的按下按鈕，表示清除所有斷點。如果不設(shè)置斷點，也可以在程序中加入pause 指令，使得程序在此處暫停，只有用戶按任意鍵程序才依次向下執(zhí)行。則在pause 指令的前面位置我們可以通過交互的方式得到我們想要的信息，以檢測程序的正確性。 編寫MATLAB 腳本文件或函數(shù)文件時要區(qū)分開與C 語言格式的不同。MATALB 使用變量前不需要聲明數(shù)據(jù)類型，對于所有的數(shù)值型數(shù)據(jù)MATLAB 均以Double 型存儲。另外編程時盡量使用MATLAB 向量（數(shù)組）編程方式，可大大提高編程效率，盡量避免過多使用for 循環(huán)等語句。MATLAB 提供了五種控制流的結(jié)構(gòu)：for 循環(huán)結(jié)構(gòu)，while 循環(huán)結(jié)構(gòu)，if-else-end 分支結(jié)構(gòu)，以及switch-case 結(jié)果、try-catch 結(jié)構(gòu)。這些控制指令用法與其他語言十分類似，這里只給出簡要說明。For 循環(huán)： while 循環(huán)結(jié)構(gòu)for x=array(commands)end while expression(commands)end if-else-end 結(jié)構(gòu) 單分支（常用） 雙分支（常用） 多分支（常被swith-case 取代）if expression(commands1)else(commands1)endif expression(commands)end if expression1(commands1)elseif expression2(commands2)else(commandsk)endend上面幾條控制語句中，for 循環(huán)結(jié)構(gòu)中x 稱為循環(huán)變量，組命令(commands)被稱為循環(huán)體，循環(huán)體被重復(fù)執(zhí)行的次數(shù)是確定的，該次數(shù)由for 指令后面的數(shù)組array 的列數(shù)決定。換言之，循環(huán)變量依次取數(shù)組的各列，對于每個變量值，循環(huán)體被執(zhí)行一次。while 循環(huán)是首先檢測expression 的值，如其值為邏輯真（非0），則執(zhí)行組命令，當(dāng)組命令執(zhí)行完畢，繼續(xù)檢測表達式的值，仍為真，循環(huán)執(zhí)行組命令，一旦表達式值為假，就結(jié)束循環(huán)。一般情況下，表達式的值是標(biāo)量值，但MATLAB 允許其為一個數(shù)組，此時只有該數(shù)組所有元素均為真時，MATLAB 才會執(zhí)行循環(huán)體。若表達式為空數(shù)組，則不執(zhí)行循環(huán)體。if 指令判決和break 指令的配合使用，可以強制中止for 循環(huán)或while 循環(huán)。switch-case 結(jié)構(gòu) try-catch 結(jié)構(gòu)switch excase test1(commands 1)case test2case testk(commands k)otherwise(commands) try ex(commands 1)catch(commands 2)end switch 指令后面的表達式應(yīng)為一個標(biāo)量或者為一個字符串。對于標(biāo)量形式的表達式，比較這樣進行：表達式檢測值i。對于字符串，MATLAB 將調(diào)用函數(shù)strcmp 來實現(xiàn)比較：strcmp(表達式，檢測值i).try-catch 結(jié)構(gòu)，只有當(dāng)MATLAB 在執(zhí)行組命令1 時出現(xiàn)錯誤后，組命令2 才會被執(zhí)行。當(dāng)執(zhí)行組命令2 時又出錯，MATLAB 將中止該結(jié)構(gòu)。隨指令數(shù)的增加或隨控制流復(fù)雜度的增加，以及重復(fù)計算要求的提出，采用M 腳本文件進行編程較為適宜。這種腳本文件的構(gòu)成比較簡單，它是一串按照用戶意圖排列而成的MATLAB 指令集合。腳本文件運行后，所產(chǎn)生的所有變量都駐留在MATLAB 基本工作空間中，只要用戶不使用clear 指令加以清除，且MATLAB 指令窗口不關(guān)閉，這些變量將一直保存在基本工作空間中。與腳本文件不同的，函數(shù)文件猶如一個“黑箱”。從外界只能看到傳給它的輸入量和送出的計算結(jié)果，而內(nèi)部運作是藏而不見的，特點是：l 從形式上看，與腳本文件不同，函數(shù)文件的第一行總是以“function”引導(dǎo)的“函數(shù)聲明行”。該行還羅列出函數(shù)與外界的聯(lián)系的全部“標(biāo)稱”輸入輸出宗量。但對“輸入輸出宗量”的標(biāo)稱數(shù)目并沒有限制，即可以完全沒有輸入輸出宗量，也可以是任意數(shù)目。形如unction sa=circle(r,s)。這里r、s 稱為輸入宗量，sa 稱為輸出宗量，函數(shù)名為circle，同時注意保存的函數(shù)文件名應(yīng)與這里的函數(shù)名一致，即存為circle.m 文件。l MATLAB 允許使用比“標(biāo)稱”數(shù)目較少的輸入輸出宗量實現(xiàn)對函數(shù)的調(diào)用，但前提是函數(shù)中應(yīng)該有相應(yīng)的處理程序。l 從運行上看，與腳本文件不同，每當(dāng)函數(shù)文件運行時，MATLAB 就會專門為它開辟一個臨時的工作空間，稱之為函數(shù)工作空間。所有中間變量都存放在函數(shù)工作空間中。當(dāng)執(zhí)行完文件最后一條指令或遇到return 時，就結(jié)束該函數(shù)文件的運行，同時該臨時函數(shù)空間及其所有的中間變量就立即被清除。l 假如在函數(shù)文件中，發(fā)生對某腳本文件的調(diào)用，那么該腳本文件運行產(chǎn)生的所有變量都存放在該函數(shù)空間中，而不是存放在基本空間。實驗內(nèi)容一串?dāng)?shù)組的創(chuàng)建和尋訪1 先請實際操作下例，以體會數(shù)值量與字符串的區(qū)別clear %清除所有內(nèi)存變量a=12345.6789 %給變量a 賦數(shù)值標(biāo)量class(a) %對變量a的類別進行判斷a_s=size(a) %數(shù)值數(shù)組a 的“大小”b=S %給變量b賦字符標(biāo)量（即單個字符）class(b) %對變量b的類別進行判斷b_s=size(b) %符號數(shù)組b 的“大小whos %觀察變量a,b 在內(nèi)存中所占字節(jié)2 已知串?dāng)?shù)組a=”This is an example.”,試將其到序輸出。3 接上題，試執(zhí)行ascii_a=double(a)，觀察其ASCII 碼，并將ASCII 碼變回字符串。4 設(shè)A=”這是一個算例”，重復(fù)上面的23。5 嘗試用直接輸入法在命令窗口創(chuàng)建字符串s，第一行時“This string array”,第二行是“has multiple rows.”。6 利用串操作函數(shù)char、str2mat、strvcat 分別寫出使以下這段文字成為字符串的程序，注意保持這段文字的格式。在英式用法中，引號通常是單引號，如Fire!。In GB usage quotation marks are usually single:Fire!.二腳本文件實現(xiàn),0 t 3 ，并在圖上標(biāo)出圖名和極大值點坐標(biāo)。如下圖所示。可能用到的函數(shù)：num2str, char, text, hold on, 具體應(yīng)用自己查找help 文檔。三編程實現(xiàn)分別用for 或while 循環(huán)語句計算： 的程序，并給出運行結(jié)果。此外，實現(xiàn)一種避免使用循環(huán)的的計算程序。四函數(shù)文件1 詳讀并運行下面的circle.m 函數(shù)文件。體會M 函數(shù)文件的編寫結(jié)構(gòu)及方法。%后面的內(nèi)容稱為注釋行，不被執(zhí)行，起注釋說明作用。function sa = circle(r,s) % 首行是函數(shù)聲明行，以function開頭%CIRCLE 以制定顏色畫半徑為r的圓面% r 指定半徑的數(shù)值% s 指定線色的字符串% sa 圓面積% circle(r) 利用藍實線畫半徑為 r 的圓周線.% circle(r,s) 利用串 s 指定的線色畫半徑為 r 的圓周線.% sa=circle(r) 計算圓面積，并畫半徑為 r 的藍色圓面.% sa=circle(r,s) 計 算圓面積，并畫半徑為 r 的 s 色圓面.% 編寫于1999年4月7日，修改于1999年8月27日。if nargin2 % nargin表示輸入宗量的變量個數(shù)，是系統(tǒng)保留變量error(輸入宗量太多。); % error把引號的內(nèi)容在命令窗口前加問號輸出endif nargin=1s=b;endclf %清圖形窗口t=0:pi/100:2*pi;x=r*exp(i*t);if nargout=0 % nargin表示輸出宗量的變量個數(shù)，是系統(tǒng)保留變量plot(x,s);elsesa=pi*r*r;fill(real(x),imag(x),s) % fill指令是填充顏色指令，具體看幫助endaxis(square) % 使得輸出圖形坐標(biāo)為正方形2 編寫一個簡單的函數(shù)文件，它具有如下性質(zhì)：該函數(shù)被調(diào)用時，如果不指定輸入變量，則自動輸出“用戶，你忘記給定輸入變量了！”；當(dāng)輸入大于1 的整數(shù)時，則輸出“你是一個合法用戶！”；當(dāng)輸入的是一個非正整數(shù)時，函數(shù)文件會給出一個錯誤提示“你是非法用戶！”【提示：可能用到disp,error 等指令，使用方法自己查詢幫助】實驗四 數(shù)據(jù)可視化方法實驗?zāi)康?掌握曲線繪制的基本技法和指令，會使用線形、色彩、數(shù)據(jù)點標(biāo)記表現(xiàn)不同數(shù)據(jù)的特征，掌握生成和運用標(biāo)識注釋圖形。2進一步掌握函數(shù)編寫及數(shù)據(jù)可視化方法。實驗原理MATLAB 提供了相當(dāng)強大的可視化指令，通過這些指令，我們可以非常簡單地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。首先我們來看離散數(shù)據(jù)和離散函數(shù)的可視化方法。對于離散實函數(shù)yn=f(xn) ，當(dāng)xn以遞增（或遞減）次序取值時，根據(jù)函數(shù)關(guān)系可以求得同樣數(shù)目的yn，當(dāng)把這兩組向量用直角坐標(biāo)中的點次序圖示時，就實現(xiàn)了離散函數(shù)的可視化。當(dāng)然這種圖形上的離散序列所反映的只是某確定的有限區(qū)間內(nèi)的函數(shù)關(guān)系，不能表現(xiàn)無限區(qū)間上的函數(shù)關(guān)系。通常我們可以采用plot 或者stem 來實現(xiàn)。只是需要注意的是使用plot 時，需要使用星號或者點等標(biāo)識來表示數(shù)據(jù)點，比如plot(xn,yn,r*,MarkerSize,20)，就表示用字號20的紅色星點來標(biāo)識數(shù)據(jù)點,此時為了便于觀察，通常隨后加上一條語句“grid on”，即給圖形加上坐標(biāo)方格。而采用stem 標(biāo)識數(shù)據(jù)點的格式是stem(xn,yn)。連續(xù)函數(shù)的可視化與離散函數(shù)可視化類似，也必須先在一組離散自變量上計算相應(yīng)的函數(shù)值，并把這一組“數(shù)據(jù)點”用點圖示。但這些離散的點不能表現(xiàn)函數(shù)的連續(xù)性。為了進一步表示離散點之間的函數(shù)函數(shù)情況，MATLAB 有兩種常用處理方法：一是對區(qū)間進行更細(xì)的分割，計算更多的點，去近似表現(xiàn)函數(shù)的連續(xù)變化；或者把兩點用直線連接，近似表現(xiàn)兩點間的（一般為非線性的）函數(shù)形狀。但要注意，倘若自變量的采樣點不足夠多，則無論哪種方法都不能真實地反映原函數(shù)。對于二維數(shù)據(jù)，常用指令仍舊是plot。對于離散數(shù)據(jù)，plot指令默認(rèn)處理方法是：自動地把這些離散數(shù)據(jù)用直線（即采用線性插值）連接，使之成為連續(xù)曲線。對于三維圖形的表示，通常有plot3 等指令。通常，繪制二維或三維圖形的一般步驟如下表所示：步驟典型指令1曲線數(shù)據(jù)準(zhǔn)備l 先取一個參變量采用向量l 然后計算各坐標(biāo)數(shù)據(jù)向量t=0:.001:3*pi; %參變量采用向量t=linspace(0,3*pi,1000) %參變量采用向量另種方式%y=f(t); %計算相應(yīng)的函數(shù)值2選定圖形窗及子圖位置l 缺省時，打開Figure No.1,或當(dāng)前窗，當(dāng)前子圖l 可用指令指定圖形窗號和子圖號figure(1) %指定1 號圖形窗Subplot(2,2,3) %指定3 號子圖3調(diào)用二維或三維繪圖指令指定好線形、色彩、數(shù)據(jù)點形plot(t,y,r:) %用紅虛點畫二維線,畫三維可用%plot3 指令，此處略4設(shè)置軸的范圍、坐標(biāo)分格線axis(x1,x2,y1,y2) %平面坐標(biāo)范圍grid on % 坐標(biāo)分格線5圖形注釋：圖名、坐標(biāo)名、圖例、文字說明等title(調(diào)制圖形) % 圖名xlabel(t); ylabel(y) % 軸名legend(sin(t),sin(t)sin(9t) % 圖例text(2,0.5,y=sin(t)sin(9t) %文字說明6著色、明暗、燈光、材質(zhì)處理等（僅對三維圖形使用）colormap, shading, light, material7視點、三度（橫、縱、高）比（僅對三維圖形使用）view, aspect8圖形的精確修飾（圖柄操作）l 利用對象屬性值設(shè)置l 利用圖形窗工具條進行g(shù)et, set9打印l 圖形窗上的直接打印選項或按鍵l 利用圖形后處理軟件打印%采用圖形窗選項或按鍵打印最簡捷print dsp2 %專業(yè)質(zhì)量打印指令說明：l 步驟1、3 是最基本的繪圖步驟，一般來說，由這兩步所畫出的圖形已經(jīng)具備足夠的表現(xiàn)力。至于其他步驟，并不完全必需。l 用戶可根據(jù)自己需要改變上面繪圖步驟，并不必嚴(yán)格按照執(zhí)行。l 步驟2 一般在圖形較多情況下使用，此時需要指定圖形窗、指定子圖。l 步驟8 涉及圖柄操作，需要對圖形對象進行屬性設(shè)置，較為復(fù)雜。l MATLAB 提供了交互式圖形編輯功能，可方便地對圖形精細(xì)修飾。plot 等繪圖指令的典型調(diào)用格式為：plot(t,y,s)。其中s 是用來指定線型、色彩、數(shù)據(jù)點形的選項字符串。S 的合法取值如下所示，格式形如r+。如果缺省，此時線型、色彩、數(shù)據(jù)點形將由MATLAB 默認(rèn)設(shè)置確定。plot 進一步的使用可參看幫助文檔。s 可用來指定的線形分別有：“-”實線，“:”虛線，“-.”點劃線，“-”雙劃線。s 可用來指定的色彩分別有：b藍，g綠，r紅，c青，y黃，w白， k黑。s 可用來指定的數(shù)據(jù)點形有：“.”實心黑點，“+”十字符， “”朝上三角符，“v”朝下三角符，“d”菱形符，“p”五角星符等。常用的坐標(biāo)控制指令axis 使用是最多的，比如axis(x1,x2,y1,y2)可人工設(shè)定坐標(biāo)范圍，axis off 可取消軸背景，axis equal 橫縱軸采用等長刻度等。其他使用見幫助。需要特別指出的是，當(dāng)遇到在已經(jīng)存在的圖上再繪制一條或多條曲線，可使用hold on指令，可保持當(dāng)前軸及圖形保持不被刷新，并準(zhǔn)備接收此后繪制的新曲線，hold off 則取消此功能。對于想畫多個獨立的圖形，則會用到figure(n)指令，這里n 為整數(shù)，可順序從1 向后排。如果想在特定圖形中布置幾幅獨立的子圖，則會用到subplot(m,n,k)，即在（mn）幅子圖中的第k 幅成為當(dāng)前圖；subplot(position,left bottonwidth height)，表示在指定位置上開辟子圖，并成為當(dāng)前圖。使用clf 指令可清除圖形窗的內(nèi)容。另外MATLAB 還提供了ginput、gtext、legend 等交換指令。x,y=ginput(n)，可用鼠標(biāo)從二維圖形上獲取n 個點的數(shù)據(jù)坐標(biāo)(x,y)，該指令只適用于二維圖形,在數(shù)值優(yōu)化、工程設(shè)計中十分有用。通常在使用前先對圖進行局部放大處理。實驗內(nèi)容一仿照運行，體會數(shù)據(jù)可視化方法。1已知n=0,1,12，y=|(n-6)|-1，運行下面程序，體會離散數(shù)據(jù)可視化方法。% 用stem 實現(xiàn)離散數(shù)據(jù)可視化n=0:12;y=1./abs(n-6);stem(n,y)% 用plot 實現(xiàn)離散數(shù)據(jù)可視化n=0:12; %產(chǎn)生一組自變量數(shù)據(jù)y=1./abs(n-6); %計算相應(yīng)點的函數(shù)值plot(n,y,r*,MarkerSize,20) %用紅花標(biāo)出數(shù)據(jù)點grid on %畫坐標(biāo)方格 說明：l plot 和stem 指令均可以實現(xiàn)離散數(shù)據(jù)的可視化，但通常plot 更常用于連續(xù)函數(shù)中特殊點的標(biāo)記；而stem 廣泛運行與數(shù)字信號處理中離散點的圖示。l 用戶在運行上面例程時會發(fā)現(xiàn)在命令窗口出現(xiàn)警告：Warning: Divide byzero！即警告程序中出現(xiàn)非零數(shù)除以0 的指令。MATLAB 對于這種情況并不中止程序，只是給該項賦值為inf 以做標(biāo)記。2下面時用圖形表示連續(xù)調(diào)制波形y = sin(t)sin(9t) ，仿照運行，分析表現(xiàn)形式不同的原因。cleart1=(0:11)/11*pi; y1=sin(t1).*sin(9*t1);t2=(0:100)/100*pi; y2=sin(t2).*sin(9*t2);subplot(2,2,1),plot(t1,y1,r.),axis(0,pi,-1,1),title(子圖 (1)subplot(2,2,2),plot(t2,y2,r.),axis(0,pi,-1,1),title(子圖 (2)subplot(2,2,3),plot(t1,y1,t1,y1,r.)axis(0,pi,-1,1),title(子圖 (3)subplot(2,2,4),plot(t2,y2)axis(0,pi,-1,1),title(子圖 (4)二編程實現(xiàn)。1用圖形表示連續(xù)調(diào)制波形y = sin(t)sin(9t) ，過零點及其包絡(luò)線，如下圖所示。2 勵條件下二階系統(tǒng)歸一化響應(yīng)可表現(xiàn)為，其中為阻尼系數(shù)， ， 。請用不同的顏色或線型，在同一張圖上，繪制= 0.2 : 0.2 : 2.0取值下系統(tǒng)在t0,18 區(qū)間內(nèi)的響應(yīng)曲線，并要求用= 0.2和=2.0對它們相應(yīng)的兩條曲線進行醒目的文字標(biāo)志。3 編寫函數(shù)x,n=stepseq(n0,n1,n2),實現(xiàn)： n為整數(shù)并編寫腳本文件實現(xiàn)：x(n) = nu(n) u(n 10) +10e-0.3(n-10) u(n 10) u(n 20), 0 n 20要求在腳本文件中調(diào)用stepseq 函數(shù)，最后繪出序列x(n) 在給定區(qū)間的波形圖。4 編寫一個函數(shù)文件 y,n=sigadd(x1,n1,x2,n2)，實現(xiàn)兩個對應(yīng)樣本之間的相加，其中x1 是長度為n1 的序列,x2 是長度為n2 的序列，n1、n2 分別是x1、x2 的位置信息(n1、n2 均為整數(shù))，如:n1= -3,-2,-1,0,1,2,3,4，對應(yīng)的x1= 2, 3, 1,4,1,3,1,2；n2=-4,-3,-2,-1,0,1,2，對應(yīng)的x2= 1, 3, 2, 5,1,3,4。當(dāng)調(diào)用函數(shù)y,n=sigadd(x1,n1,x2,n2)時，我們應(yīng)該得到：n=-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4，對應(yīng)的y= 1, 5, 5, 6,5,4,7,1,2。仔細(xì)觀察sigadd 函數(shù)的功能。編好函數(shù)文件程序后，請在命令窗口調(diào)用，驗證正確性，記錄驗證結(jié)果。實驗五 簡單數(shù)據(jù)分析實驗?zāi)康?初步掌握利用MATLAB 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的擬合、插值、簡單數(shù)據(jù)分析等。實驗原理數(shù)值計算能力是MATLAB 稱雄世界的根本柱石。MATLAB 內(nèi)建了很多函數(shù)可以求解線性方程、特征值問題以及有關(guān)多項式和卷積、數(shù)據(jù)分析、泛函、信號處理、系統(tǒng)分析等方面的指令。結(jié)合目前的學(xué)習(xí)進度，本課程內(nèi)只簡單討論數(shù)據(jù)的擬合、插值、簡單數(shù)據(jù)分析及在實驗中討論函數(shù)的零極點求法等內(nèi)容，對其他內(nèi)容有興趣的可參看參考書籍。MATLAB 提供了擬合和插值的相關(guān)函數(shù)。曲線擬合是研究如何尋找“平滑”曲線最好地表現(xiàn)帶噪聲的“測量數(shù)據(jù)”點。而插值是在認(rèn)定所給“基準(zhǔn)數(shù)據(jù)”完全正確的情況下，研究如何“平滑”地估算出“基準(zhǔn)數(shù)據(jù)”之間其他點的函數(shù)值。因此插值所得曲線一定穿過“基準(zhǔn)數(shù)據(jù)”。而擬合曲線就不一定了。另外，擬合多項式只能在給定數(shù)據(jù)所限定的區(qū)間內(nèi)使用，不要任意向往拓展。而每當(dāng)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)之間其他點上函數(shù)值沒法獲得，或獲得的代價很好時，插值就發(fā)揮作用。插值指令很多，有interp1,interp2,interp3 等。采用的插值算法也很多，如線形插值、三次多項式插值算法、樣條插值等。對于多項式擬合有polyfit、poly2str、polyval 等函數(shù)，具體請參看幫助和范例。MATLAB 內(nèi)建了很多數(shù)據(jù)分析函數(shù)，比如常用的隨機數(shù)發(fā)生器函數(shù)rand,randn;統(tǒng)計分析指令有：min求最小值，max求最大值,mediam求中值,mean求平均值，std求標(biāo)準(zhǔn)差，sort排序指令等。;差分和累計函數(shù)diff、prod、sum 等。另外MATLAB還提供了很多泛函指令、信號處理專業(yè)工具包、系統(tǒng)分析中的控制工具包以及諸如微分、求導(dǎo)等符號運算功能等等，有需要的可參看幫助及相關(guān)書籍。實驗內(nèi)容一 數(shù)據(jù)擬合及插值1下面是對給定數(shù)據(jù)點（x0,y0）進行多項式三階擬合的例子，仿照運行，掌握數(shù)據(jù)擬合的一般方法。% 首先給定數(shù)據(jù)對x0=0:0.1:1;y0=-.447,1.978,3.11,5.25,5.02,4.