第1章仿真软件-MATLAB

1本章内容MATLAB的基本数学函数和常用命令的使用；MATLAB的M文件的建立与使用；MATLAB的基本输入/输出函数及其应用；MATLAB的外部命令调用方法；MATLAB的条件转移语句、循环语句等常用控制语句的使用；MATLAB的基本绘图、字符添加、图形控制和图形修饰命令；MATLAB的基本数值运算方法；MATLAB的基本符号运算方法；MATLAB图形用户界面（GUI）的简单设计；MATLAB编译器的基本应用方法。第1章仿真软件－MATLAB21.1MATLAB的功能特点1.1.1MATLAB简介在科学研究和工程应用中，为了克服一般语言对大量的数学运算，尤其当涉及矩阵运算时，编程难、调试麻烦等困难，美国MATLAB软件开发公司于1967年构思并开发了MATLAB（MATRIXABoratory，即矩阵实验室），经过不断更新和扩充，该公司于1992年推出了具有划时代意义的MATLAB4.0版本，并于1993年推出了其微机版。到2007年为止先后推出了MATLAB4.x、MATLAB5.x、MATLAB6.x和MATLAB7.x版，使之应用范围越来越广。3用MATLAB编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致，所以使用MATLAB进行数学运算就象在草稿纸上演算数学题一样方便。万能的、科学的数学运算“演算纸”万能的计算器4MATLAB大大降低了对使用者的数学基础和计算机语言知识的要求，既使用户不懂C或FORTRAN这样的程序设计语言，也可使用MATLAB轻易的再现C或FORTRAN语言几乎全部的功能，设计出功能强大、界面优美、稳定可靠的高质量程序来，而且编程效率和计算效率极高。5尽管MATLAB开始并不是为控制理论与系统的设计者们编写的，但以它“语言”化的数值计算、强大的矩阵处理及绘图功能、灵活的可扩充性和产业化的开发思路很快就为自动控制界研究人员所瞩目。目前，在自动控制、图像处理、语言处理、信号分析、振动理论、优化设计、时序分析和系统建模等领域。6由著名专家与学者以MATLAB为基础开发的实用工具箱极大地丰富了MATLAB的内容，较为常见的MATLAB工具箱主要有：（）通讯工具箱(CommunicationsToolbox);（）控制系统工具箱(ControlSystemsToolbox);（）数据获得工具箱(DataAcquisitionToolbox);（）数据库工具箱(DatabaseToolbox);（）滤波器设计工具箱（FilterDesignToolbox）;（）模糊逻辑工具箱(FuzzyLogicToolbox);（）图象处理工具箱(ImageProcessingToolbox);7（）映射工具箱(MappingToolbox);（）神经网络工具箱(NeuralNetworkToolbox);（）优化工具箱(OptimizationToolbox);（）鲁棒控制工具箱(RobusControlToolbox);（）信号处理工具箱(SignalProcessingToolbox);（）统计学工具箱(StatisticsToolbox);（）系统辨识工具箱(SystemIdentificationToolbox);（）小波分析工具箱（WaveletToolbox）。8模型输入与仿真环境Simulink更使MATLAB为控制系统的仿真与CAD中的应用打开了崭新的局面，并使得MATLAB目前已经成为国际上最流行的控制系统计算机辅助设计的软件工具。MATLAB不仅流行于控制界，在生物医学工程、语言处理、图像信号处理、雷达工程、信号分析、计算机技术等各行各业中都有极广泛的应用。9严格地说，MATLAB并不是一种计算机语言，它仅仅是一种高级的科学分析与计算软件。因为，用它编写出来的程序并不能脱离MATLAB环境而执行，但从其功能上讲，MATLAB已经完全具备了计算机语言的结构与性能，所以我们这里将其简称为“MATLAB语言”。本书以目前的最新版本MATLAB7.5.0(R2007b)为基础来进行叙述。101.1.2MATLAB操作界面MATLAB启动后将出现如图1-1所示的操作界面。由图1-1可知，MATLAB的操作界面由功能菜单、工具栏、工作窗口和开始按钮等组成。111.MATLAB的工作窗口在默认状态下，MATLAB的工作窗口由命令窗口（CommandWindow）、历史命令（CommandHistory）窗口、工作空间（Wotkspace）浏览器窗口和当前工作目录（CurrentDirectory）窗口等组成。在MATLAB命令窗口中的“”标志为MATLAB的命令提示符，“|”标志为输入字符提示符。如果用户是第一次使用MATLAB，则建议首先在命令行中键入demo命令，它将启动MATLAB的演示程序，用户可以在这些演示程序中领略到MATLAB所提供的强大的运算和绘图功能。122.开始按钮开始按钮（Start）位于MATLAB操作界面的左下角，单击这个按钮后，会出现MATLAB的操作菜单。这个菜单上半部分的选项包含MATLAB的各种交互操作界面，下半部分的选项的主要功能是窗口设置、访问MATLAB公司的网页和查看帮助文件等。3.功能菜单为了更好地利用MATLAB，在其操作界面中设置了以下多个功能菜单。13*File文件操作菜单New新建M文件、图形、模型和图形用户界面Open打开.m,.fig,.mat,.mdl,.cdr等文件CloseCommandWindow关闭命令窗口ImportData从其他文件导入数据SaveWorkspaceAs保存工作空间数据到相应的路径文件中窗口SetPath设置工作路径Preferences设置命令窗口的属性PageSetup页面设置Print设置打印机属性PrintSelection选择打印ExitMATLAB退出MATLAB操作界面14*Edit编辑菜单Undo撤消上一步操作Redo重新执行上一步操作Cut剪切Copy复制Paste粘贴PasteSpecial粘贴特定内容SelectAll全部选定Delete删除所选对象Find查找所需对象FindFiles查找所需文件ClearCommandWindow清除命令窗口的内容ClearCommandHistory清除历史窗口的内容ClearWorkspace清除工作区的内容15*Debug调试菜单OpenM-FileswhenDebugging调试时打开M文件Step单步调试StepIn单步调试进入子函数StepOut单步调试跳出子函数Continue连续执行到下一断点ClearBreakpointsinAllFiles清除所有文件中的断点StopifErrors/Warnings出错或报警时停止运行ExitDebugMode退出调试模式16*Desktop桌面菜单UnlockCommandWindow命令窗口设为当前全屏活动窗口DesktopLayout桌面设计SaveLayout保存桌面设计OrganizeLayout组织桌面设计CommandWindow显示命令窗口CommandHistory显示历史窗口CurrentDirectory显示当前工作目录Workspace显示工作空间Help帮助窗口Profiler轮廓图窗口Toolbar显示/隐藏工具栏ShortcutsToolbar显示/隐藏快捷工具栏Titles显示/隐藏标题17*Window窗口菜单CloseAllDocuments关闭所有文档CommandWindow选定命令窗口为当前活动窗口CommandHistory选定历史窗口为当前活动窗口CurrentDirectory选定当前工作目录为当前活动窗口Workspace选定工作空间为当前活动窗口184.工具栏MATLAB操作界面工具栏中的工具“”分别用来建立M文件编辑窗口和打开编辑文件窗口；工具“”对应的功能与Windows操作系统类似；工具“”分别用来快捷启动Simulink库浏览窗口、GUIDE模版窗口和轮廓图窗口；工具“”分别用来快捷设置当前目录和返回到当前目录的父目录。191.2MATLAB的基本操作1.2.1MATLAB语言的结构20MATLAB命令窗口就是MATLAB语言的工作空间，因为MATLAB的各种功能的执行必须在此窗口下才能实现，在这种环境下输入的MATLAB语句称为“窗口命令”。所谓窗口命令，就是在上述环境下输入的MATLAB语句，并直接执行它们完成相应的运算、绘图等。MATLAB语句的一般形式为变量名＝表达式21其中等号右边的表达式可由操作符或其它字符、函数和变量名组成，它可以是MATLAB允许的数学或矩阵运算，也可以包含MATLAB下的函数调用；等号左边的变量名为MATLAB语句右边表达式的返回值语句所赋值的变量的名字。在调用函数时，MATLAB允许一次返回多个结果，这时等号左边的变量名需用[]括起来，且各个变量名之间用逗号分隔开，如果左边的变量名缺省时返回值自动赋给ans。22表1-1MATLAB中的算术运算符算术运算符意义算术运算符意义＋加＼左除－减∕右除*乘＾幂MATLAB中使用的算术运算符如表1-1所示。对于矩阵来说，这里左除和右除表示两种不同的除数矩阵和被除数矩阵的关系。对于标量，两种除法运算的结果相同，如1/4和4\1有相同的值0.25。常用的十进制符号如小数点、负号等，在MATLAB中也可以同样使用，表示10的幂次要用符号e或E，如：3、-99、0.0001、1.6e-20、6.2e23。23在MATLAB中变量名必须以字母开头，之后可以是任意字母、数字或者下划线（不能超过19个字符）,但变量中不能含有标点符号。变量名区分字母的大小写，同一名字的大写与小写被视为两个不同的变量。一般说来，在MATLAB下变量名可以为任意字符串，但MATLAB保留了一些特殊的字符串如表1-2所示。24特殊变量取值特殊变量取值ans默认变量名jj=√-1inf无穷大，如1/0flops浮点运算数eps最小数，如1/infnargin函数的输入变量数目NaN不定量，如0/0nargout函数的输出变量数目pi圆周率realmin最小的可用正实数ii=√-1readmax最大的可用正实数表1-2MATLAB中的特殊变量25MATLAB命令语句能即时执行，它不是输入完全部MATLAB命令语句经过编译、连接形成可执行文件后才开始执行，而是每输入完一条命令，MATLAB就立即对其处理，并得出中间结果，完成了MATLAB所有命令语句的输入,也就完成了它的执行，直接便可得到最终结果。从这一点来说，MATLAB清晰地体现了类似“演算纸”的功能。例如a=5;b=6;c=a*b,结果显示C=3026MATLAB语句既可由分号结束,也可由逗号或换行号结束，但它们的含义是不同的。如果用分号“；”结束，则说明除了这一条命令外还有下一条命令等待输入，MATLAB这时将不立即显示运行的中间结果，而等待下一条命令的输入，如以上前两条命令；如果以逗号“，”或回车结束，则将把左边返回的内容全部显示出来，如以上后两条命令。当然在任何时候也可输入相应的变量名来查看其内容。如27在MATLAB中，几条语句也可以出现在同一行中，只要用分号或逗号将它们分割。例如a=5;b=6;c=a*b，d=c+2这时可得与上面相同的结果。28MATLAB工作空间中的变量在退出MATLAB时会丢失，如果在退出MATLAB前想将工作空间中的变量保存到文件中，则可以调用save命令来完成，该命令的调用格式为save文件名变量列表其它选项注意这一命令中不能使用逗号，不同的元素之间只能用空格来分隔。29例如，想把工作空间中的a,b,c变量存到mydat.mat文件中去，则可用下面的命令来实现。savemydatabc这里将自动地使用文件扩展名mat。如果想将整个工作空间中所有的变量全部存入该文件，则应采用下面的命令。savemydat30