实用MATLAB教程第一章

第1章MATLAB环境1.1MATLAB简介MATLAB(MatrixLaboratory)是语言是MathWorks公司开发的目前国际上最流行、应用最广泛的科学与工程计算软件，它广泛应用于自动控制、数学运算、信号分析、计算机技术、图像信号处理、财务分析、航天工业、汽车工业、生物医学工程、语音处理和雷达工程等各行各业中，在国内外高校和研究部门都扮演着重要的角色。由于它具有强大的计算和绘图功能、大量稳定可靠的算法库和简洁高效的编程语言，已成为数学计算工具方面事实上的标准。MATLAB6.5是它的最新版本。MATLAB的产生是与数学计算分不开的，以前的数值计算软件包大多用Fortran或C语言编写，一个软件包只能解决一个局部问题，很难推广应用。到70年代中期，CleveMoler(数学与计算机科学教授)为了解决线性方程和特征值问题，和他的同事开发了LINPACK和EISPACK的Fortran子程序库，后来又编写了接口程序取名为MATLAB，MATLAB开始应用于数学界。工程师JackLittle将MATLAB用C语言重写，1984年成立MathWorks公司，MATLAB正式推向市场。MATLAB语言比较好学，因为它语法规则简单，更适应于专业科技人员的思维方式和书写习惯；与其他计算机语言相比，它用解释方式工作，无需像C和Fortran语言那样，对源程序进行编译、连接再形成可执行文件，键入程序立即得出结果，因此更加简洁和智能化，人机交互性能好；而且它可适应多种平台，随计算机软、硬件的更新而及时升级，使得编程和调试效率大大提高。现在，MATLAB已经陆续推出了3.5版、4.0版、4.2版、5.3版、6.1版和6.5版等版本，MATLAB面向对象的特点更加突出，数据类型更加丰富，人机界面更加方便，成为一个高度集中的软件系统。本书主要介绍MATLAB6.5版，该版本增加了JIT加速器（在第五章中介绍），能够有力地增加MATLAB的许多操作和数据的运算速度。1.1.1MATLAB工具箱MATLAB由基本部分和功能各异的工具箱组成。基本部分是MATLAB的核心，工具箱是扩展部分。工具箱实际上是用MATLAB的基本语句编成的各种子程序集，用于解决某一方面的专门问题或实现某一类的新算法。MATLAB的工具箱可以任意增减，不同的工具箱给不同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。MathWorks本身提供的工具箱有40多个，还有其他公司或研究单位提供的工具箱，另外还有成百上千个大多是免费的MATLAB工具箱可以从Internet网上获得。MATLAB有以下常用的工具箱：控制系统工具箱(ControlSystemToolbox)主要应用于：连续系统设计和离散系统设计，传递函数和状态空间模型建立，模型转换，方程求解，频域响应、时域响应、根轨迹分析，增益选择，极点分配等。系统辨识工具箱(SystemIdentificationToolbox)主要应用于：有噪声的系统参数估计和非参数估计，数据处理，模型结构定义，模型转换，递推参数估计，模型结构处理，模型表达，信息提取，模型结构选择，模型不确定性评估和模型校验等。信号处理工具箱(SignalProcessingToolbox)主要应用于：数字和模拟滤波器设计、应用及仿真，参数化模型，谱分析和估计，FFT变换，DCT变换等。神经网络工具箱(NeuralNetworkToolbox)主要应用于：BP网络，Hopfield、Kohonen网络，径向基函数网络，竞争、线性、Sigmoidal等传递函数，前馈、递归等网络结构，性能分析及应用，自组织网络等。模糊逻辑控制工具箱(FuzzyLogicToolbox)主要应用于：自适应神经-模糊学习、聚类以及Sugeno推理，支持Simulink动态仿真，可生成C语言源代码等。小波工具箱(WaveletToolbox)主要应用于：基于小波的分析和综合，图形界面和命令行接口，连续和离散小波变换及小波包，一维、二维小波，自适应去噪和压缩等。模型预测控制工具箱(ModelPredictiveControlToolbox)主要应用于：建模、辨识及验证，支持MISO模型和MIMO模型，阶跃响应和状态空间模型等。通信工具箱(CommunicationToolbox)主要应用于：信号编码，调制解调，滤波器和均衡器设计，通道模型，同步，多路访问，错误控制编码等。图像处理工具箱(ImageProcessingToolbox)主要应用于：二维滤波器设计和滤波输入，图像恢复增强，色彩、集合及形态操作，二维变换，图像分析和统计等。频域系统辨识工具箱(FrequencySystemIdentificationToolbox)主要应用于：辨识具有未知延时的连续和离散系统，计算幅值/相位、零/极点的置信区间，设计周期激励信号、最小幅值、最优能量谱等。优化工具箱(OptimizationToolbox)主要应用于：线性规划和二次规划，求函数的最大值和最小值，多目标优化，约束条件下的优化，非线性方程求解等。偏微分方程工具箱(PartialDifferentialEquationToolbox)主要应用于：二维偏微分方程的图形处理，几何表示，自适应曲面绘制，有限元方法等。财政金融工具箱(FinancialToolbox)主要应用于：成本、利润分析，市场灵敏度分析，业务量及分析优化，偏差分析，资金流量估算，财务报表等。统计工具箱(StatisticsToolbox)主要应用于：概率分布和随机数生成，多变量分析，回归分析，主殛分析，假设检验等。1.1.2MATLAB的特点MATLAB集科学与工程计算、图形可视化、图像处理、多媒体处理于一体，并提供了Windows图形界面设计方法。1．功能强大MATLAB功能强大体现在以下几个方面：(1)运算功能强大MATLAB是以复数矩阵为基本编程单元的程序设计语言，其强大的运算功能使其成为世界顶尖的数学应用软件之一。MATLAB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计算问题。(2)功能丰富的工具箱大量针对各专业应用的工具箱的提供，使MATLAB适用于不同领域。(3)文字处理功能强大MATLAB的Notebook为用户提供了强大的文字处理功能，允许用户从Word访问MATLAB的数值计算和可视化结果。通过使用MATLAB的Notebook，用户可以创建MATLAB的程序文档、技术报告、注释文档、手册或教科书。2．人机界面友好，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，便于编程者立即改正。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．强大而智能化的作图功能MATLAB可以方便地将工程计算的结果可视化，使原始数据的关系更加清晰明了，并揭示了数据间的内在联系。MATLAB能根椐输入数据自动确定最佳坐标，可规定多种坐标系(如极坐标系、对数坐标系等)，可设置不同颜色、线型、视角等，并能绘制三维坐标中的曲线和曲面。4．可扩展性强MATLAB软件包括基本部分和工具箱两大部分，具有良好的可扩展性。MATLAB的函数大多为ASCII文件，可以直接编辑、修改，MATLAB的工具箱可以任意增减。5.Simulink动态仿真功能MATLAB的Simulink提供了动态仿真的功能，用户通过绘制框图来模拟一个线性、非线性、连续或离散的系统，通过Simulink能够仿真并分析该系统。1.2MATLAB环境设置MATLAB5.3版运行时的界面只有命令窗口(CommandWindow)，而MATLAB6.5版的界面更加方便，MATLAB6.5版启动后的运行界面称为MATLAB操作界面(MATLABDesktop)，默认的操作界面如图1.1所示。MATLAB的操作界面是一个高度集成的工作界面，引入了大量的交互工作窗口按一定的次序和关系链接在一起。它的通用操作界面包括九个常用的窗口(在1.2.3小节介绍)，图1.1所示为默认界面包括：命令窗口、工作空间窗口/当前目录浏览器/交互界面分类目录窗口、历史命令窗口，其中命令窗口与MATLAB5.3版的相同；另外，MATLAB6.5版还增加了“Start”开始按钮。1.2.1菜单MATLAB操作界面菜单提供了“File”、“Edit”、“View”、“Web”、“Window”和“Help”菜单，下面分别进行介绍。1．File菜单File菜单用于对文件进行操作，File菜单如图1.2所示，对应的主要功能如表1.1所示。图1.2File菜单图1.1MATLAB6.5版的默认界面菜单历史命令窗口工作空间窗口/当前目录浏览器/交互界面分类目录窗口开始按钮工具栏命令窗口表1.1File菜单功能表下拉菜单功能NewM-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Model新建一个仿真模型，打开Simulink窗口GUI新建一个图形用户设计界面(GUI)，打开GUI窗口Open...打开已有文件CloseCommandWindow关闭命令窗口ImportData...导入其他文件的数据SaveWorkspaceas...使用二进制的MAT文件保存工作空间的内容PageSetup...页面设置SetPath...设置搜索路径等Preferences...设置MATLAB工作环境外观和操作的相关属性等参数Print...打印PrintSelection...打印所选择区域ExitMATLAB退出MATLAB2．Edit菜单Edit菜单如图1.3所示，Edit菜单的各菜单项与Windows的Edit菜单相似，只有“PasteSpecial”有点特殊，可以用来打开数据输入向导对话框“ImportWizard”，将剪贴板的数据输入到MATLAB工作空间中。3．View菜单View菜单用于对窗口操作，菜单如图1.4所示，对应的主要功能如表1.2所示。图1.3Edit菜单图1.4View菜单表1.2View菜单功能表下拉菜单功能DesktopLayout界面布局(可选择各种布局方式)UndockCommandWindow与命令窗口分离CommandWindow打开命令窗口CommandHistory打开历史命令窗口CurrentDirectory打开当前目录窗口Workspace打开工作空间窗口LaunchPad打开交互界面分类目录窗口Profiler打开程序性能剖析窗口Help打开帮助窗口4.Web菜单Web菜单可以用来得到MATLAB的网络资源，菜单如图1.5所示，对应的主要功能如表1.3所示。表1.3Web菜单功能表下拉菜单功能TheMathWorksWebSite连接到MathWorks公司的主页MATLABCentral连接到MATLABCentralMATLABFileExchange连接到MATLABFileExchangeMATLABNewsgroupAccess连接到MATLABNewsgroupAccessCheckforUpdates通过网站检查版本更新Products连接到产品介绍页面Membership连接到介绍MathWorks公司的会员制度TechnicalSupportKnowledgeBase连接到MathWorks公司的技术支持网页5.Windows菜单Windows菜单提供了在已打开的各窗口之间切换的功能。6.Help菜单Help菜单提供了进入