MATLAB实验指导书(2013)

MATLAB语言及应用实验指导书机械与电气工程学院黄高飞余群编写目录实验一基础准备及入门（2学时，验证性）......................................1实验二符号计算（2学时，验证性）..................................................5实验三数值数组及其运算（4学时，验证性）..................................6实验四数据和函数的可视化（2学时，验证性）..............................9实验五MATLAB语言的程序设计（4学时，综合性）.......................11实验六SIMULINK交互式仿真集成环境（2学时，验证性）...........141实验一基础准备及入门一、实验目的1、了解MATLAB操作桌面的基本结构和组成；2、理解CommandWindow指令窗的作用，掌握指令窗的操作方式和指令的基本语法；3、了解CommandHistory历史指令窗的作用、历史指令的再运行方法；4、理解CurrentDirectory当前路径、搜索路径的作用，掌握当前路径、搜索路径的设置方法；5、理解WorkspaceBrowser工作空间浏览器的作用，掌握内存变量的查阅、删除、保存和载入的基本方法；6、了解LaunchPad的作用；7、掌握M脚本文件的编写、运行方法；8、掌握利用帮助系统查询函数等基本信息的方法。二、实验原理1、MATLAB操作桌面的基本结构和组成了解MATLAB的基本组件是正确使用MATLAB的基本前提。MATLAB由以下基本组件组成：（1）指令窗CommandWindow：可键入各种送给MATLAB运作的指令、函数、表达式；显示除图形外的所有运算结果（2）历史指令窗CommandHistory：记录已经运作过的指令、函数、表达式；（3）当前目录浏览器：进行当前目录的设置；展示相应目录上的M、MDL等文件；（4）工作空间浏览器WorkspaceBrowser：列出MATLAB工作空间中所有的变量名、大小、字节数；（5）内存数组编辑器ArrayEditor：在工作空间浏览器中对变量进行操作时启动（6）开始按钮（7）交互界面分类目录窗LaunchPad：以可展开的树状结构列着MATLAB提供的所有交互界面（8）M文件编辑/调试器（9）帮助导航/浏览器2、MATLAB指令窗的基本操作MATLAB指令窗给用户提供了最直接的交互界面，可用于输入和执行指令、显示指令运行结果、调试MATLAB程序等常用的MATLAB仿真计算功能。本实验掌握以下在指令窗执行的基本操作，达到熟悉使用指令窗的目的：（1）最简单的计算器使用方法：在MATLAB指令窗中，可按计算器的方式进行一般的数学计算，MATLAB的运算符的含义大致与常见的运算规则一致；（2）在指令窗中输入和生成矩阵：与一般的计算器不同，在MATLAB中可直接输入和生成矩阵。实际上，矩阵是MATLAB工作的基本元素。（3）数值表述方法：在MATLAB中的大部分数值的表述方式与平常是相同的，需要注意的是在表示比较大的数时，MATLAB默认采用科学计数法显示；（4）变量命名规则：对于MATLAB变量命名规则，需要注意以下几点：2a、变量名、函数名对字母大小写敏感b、变量名的第一个字母必须是英文字母，后续可以是字母、数字、下划线c、变量的有效时限：在变量定义赋值之后，会作为内存变量保存并显示在WorkspaceBrowser中。因此，凡是显示在WorkspaceBrowser中的变量都是“有效”的，其后可以被调用，否则不能被调用。d、对于像等常用的数学常量，MATLAB定义了预定义变量与其对应，在使用时需多加留意。e、复数和复数矩阵的表示方法。（5）其他操作的操作要旨和操作技巧的运用。3、计算结果的图形表示计算结果可视化是MATLAB的主要组成部分，借助图形表现数据是十分常用的“数据表达手段”，尤其当数据量相当庞大时，因为图形可以表现数据内在联系和宏观特征。关于MATLAB绘图的基本方法在后续章节中详细讲述，本实验主要通过示例了解MATLAB绘图的基本功能。4、CurrentDirectory、路径设置器和文件管理理解当前目录CurrentDirectory和搜索路径的作用是正确使用MATLAB的关键环节。当前目录指的是当前MATLAB工作的目录，MATLAB运行指令需要打开或者保存的文件，都首先在目录中查找或保存。搜索路径则是MATLAB工作时，需查找相应的文件、函数或变量所在的相关文件夹所在的路径。在理解当前目录CurrentDirectory和搜索路径的作用的基础上，也要掌握当前目录CurrentDirectory和搜索路径的设置方法，这是正确使用MATLAB的必要步骤。为了理解MATLAB当前目录CurrentDirectory和搜索路径的作用，可以大致了解一下当用户从指令窗送入一个名为cow的指令后，MATLAB的“运作次序”：（1）MATLAB在内存中检查，看cow是不是变量；如果不是，进行下一步；（2）检查cow是不是内建函数；如果不是进行下一步；（3）在当前目录下，检查是否有名为cow的M文件存在；如果不是，进行下一步；（4）在MATLAB搜索路径的其他目录下，检查是否有名为cow的M文件存在。5、WorkspaceBrowser和ArrayEditor工作空间浏览器WorkspaceBrowser可以用于内存变量的查阅、保存和编辑，在使用MATLAB过程中，可以使用WorkspaceBrowser跟踪相应内存变量，对调试程序有很大的帮助。MATLAB也提供了相应的数据文件存取功能，可以在WorkspaceBrowser中导入已保存的变量数据或者保存WorkspaceBrowser中现有的变量数据。6、Editor/Debugger和脚本编写初步通过指令窗直接输入指令一般用于解决比较简单的“一次性”问题，在以下情形是使用M文件特别有用：a、待解决问题所需的指令较多且所用指令结构较复杂b、一组指令通过改变少量参数就可以被反复使用去解决不同的问题M脚本文件中的指令形式和前后位置，与解决同一个问题时在指令窗中输入的那组指令没有任何区别，MATLAB在运行这个脚本时，只是简单地从文件中读取那一条条指令，送到MATLAB中去执行。与在指令窗中直接运行指令一样，脚本文件运行产生的变量都驻留在MATLAB基本工作空间中。M文件的扩展名是“.m”。7、MATLAB帮助系统3MATLAB提供了强大的帮助系统以供用户使用。在碰到MATLAB使用的各种相关问题时，查阅MATLAB帮助系统往往可以找到相应的解决办法和答案。对于初学者，尤其需要重视帮助系统的使用。MATLAB带有各种可利用的帮助系统，包括：（1）纯文本帮助（2）“导航/浏览器交互界面”帮助（3）PDF帮助（4）演示帮助和PDF帮助其中，纯文本帮助和“导航/浏览器交互界面”帮助是常用的帮助系统。三、实验内容1、指令窗的基本操作完成以下实验内容，把相关结果以截屏方式保存：（1）使用值：x=10,y=3，用MATLAB进行以下计算，并用计算器检验结果：a.u=x+yb.v=xyc.w=x/yd.s=5sin(2y)（2）使用clear指令清除当前所有内存变量，使用clc清除指令窗的显示结果。（3）指令窗显示方式的操作a、在指令窗中输入if（或for、while）等关键词，观察其颜色；b、在指令窗中输入s='hello'，观察其颜色、c、指令行中的标点符号：运行指令x＝3＋2，分别在最后加上和不加上分号，观察并记录其结果的区别。2、CurrentDirectory、路径设置器和文件管理（1）在E盘新建一个文件夹并把其设置为当前目录。截屏相关过程结果并保存。（2）在E盘新建一个文件夹并把其加入搜索路径。截屏相关过程结果并保存。（3）逐步按照以下步骤进行并记录各个步骤的结果：1）在指令窗中输入clear指令；2）在指令窗中输入cow，并运行；3）在指令窗中输入cow=21，并运行；4）再次在指令窗中输入cow，并运行；5）再次在指令窗中输入clear指令后，输入cow；6）使用M文件编辑器新建一个M文件，在该文件中输入一条指令：x＝2。保存在当前目录下，命名为cow.m。7）再次在指令窗中输入cow，并运行；8）把cow.m暂时移动到另一个无关的文件夹，如“我的文档”。9）再次在指令窗中输入cow，并运行；10）把cow.m再次剪切，移动到（2）建立的搜索路径的文件夹中，并确认该文件夹已加入到搜索路径中。11）再次在指令窗中输入cow，并运行。以上各个步骤是否验证了MATLAB对cow的搜索次序？3、WorkspaceBrowser和ArrayEditor（1）运行以下指令：4clear;x=-8:0.5:8;y=x';X=ones(size(y))*x;Y=y*ones(size(x));R=sqrt(X.^2+Y.^2)+eps;Z=sin(R)./R;（2）保存全部变量为数据文件Mydata.mat；在对应文件夹中找到该文件，截屏后保存结果；（3）使用clear清除变量X和Y；（4）删除全部内存变量；（5）把Mydata.mat的所有变量再次装入内存。4、Editor/Debugger和脚本编写初步把以下指令编写为M脚本文件，并运行：t=0:pi/50:4*pi;y0=exp(-t/3);y=exp(-t/3).*sin(3*t);plot(t,y,'-r',t,y0,':b',t,-y0,':b')grid5、帮助系统的使用（1）使用help指令查找zeros函数的作用。（2）在指令窗口中输入sin，用鼠标选中此指令，并使用鼠标右键弹出菜单，选中helponselection。你发现了什么？此方法也是查询函数注释的有效方法，请牢记。四、实验报告要求1、简述实验目的、实验原理及其要点；2、把实验过程中的结果以截屏方式保存并打印出来，按实验步骤附在实验报告中，并对所得结果进行分析和解释。3、总结实验中的主要结论，记录心得体会。5实验二符号计算一、实验目的1、掌握符号对象和符号表达式的创建方法；2、掌握符号表达式和符号函数的操作方法；3、掌握符号微积分的基本方法；4、掌握符号积分变换的基本方法。二、实验内容1、符号对象及其定义方法（1）分别定义数字类常数和符号类常数3，计算两类数字之间的差（提示：参考教材[例2.1-1]）（2）使用syms函数定义符号变量x、y、z，并由此定义符号表达式12312sin52fxyz2、利用MATLAB帮助系统，查阅函数numden的用法。写出使用numden函数求解表达式xyxyxy的分子和分母的MATLAB指令，并根据求解结果写出其表达式。3、使用limit函数求极限0sinlimxxx。4、使用diff函数对cos1xx求微分5、对函数(){0kafk00kk，当a为正实数时，求0)(kkzkf。（提示：参考教材[例2.3-8]，）6、使用int函数求以下不定积分和定积分：（1）1dxx；（2）101lnttdt7、求2()()tfteut的傅里叶变换，并用反变换验算。7、实验报告要求1、简述实验目的、实验原理及其要点；2、把实验过程中的结果以截屏方式保存并打印出来，按实验步骤附在实验报告中，并对所得结果进行分析和解释。3、总结实验中的主要结论，记录心得体会。6实验三数值数组及其运算一、实验目的1、掌握一维数组的创建方法；掌握一维数组子数组的寻访和赋值方法；2、掌握二维数组的创建方法；掌握二维数组子数组的寻访和赋值方法；3、掌握数组的各种运算，理解数组运算和矩阵运算的区别。二、实验原理1、数组的创建和寻访数值数组（NumericArray）和数组运算（ArrayOperations）始终是MATLAB的核心内容。自MATLAB5.x版起，由于其“面向对象”的特征，这种数值数组