電力系統(tǒng)的MATLABSIMULINK仿真與應(yīng)用 第2章

第2章MATLAB編程基礎(chǔ) 2 1MATLAB的工作環(huán)境2 2MATLAB語言的基本元素2 3矩陣的MATLAB運(yùn)算2 4MATLAB的程序流程控制2 5M文件的編寫2 6MATLAB的圖形繪制2 7MATLAB編程仿真與應(yīng)用習(xí)題 2 1MATLAB的工作環(huán)境2 1 1MATLAB程序主界面安裝完MATLAB7 0軟件并重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī)后 在Windows桌面上將出現(xiàn)MATLAB的軟件圖標(biāo) 鼠標(biāo)雙擊該圖標(biāo) 就可進(jìn)入MATLAB的工作環(huán)境 顯示默認(rèn)的程序主界面 如圖2 1所示 默認(rèn)的程序主界面主要包括下列區(qū)域 菜單 工具欄 命令窗口 當(dāng)前路徑瀏覽器 工作空間瀏覽器 命令歷史瀏覽器 這些命令子窗口使得MATLAB本身的操作更容易 方便 圖2 1MATLAB7 0的程序主界面 1 菜單菜單功能與其它通用軟件開發(fā)環(huán)境基本一致 可進(jìn)行文件 編輯 調(diào)試 窗口和幫助等各主體功能菜單操作 這里僅介紹與MATLAB學(xué)習(xí)密切相關(guān)的文件類型的相關(guān)內(nèi)容 1 File New M File 進(jìn)入文本編輯窗界面 建立一個(gè)文本文件 實(shí)現(xiàn)MATLAB命令文件的輸入 編輯 調(diào)試 保存等處理功能 保存時(shí)文件后綴名為 m 2 File New Figure 進(jìn)入圖形窗界面 建立一個(gè)圖形文件 實(shí)現(xiàn)MATLAB圖形文件的顯示 編輯 保存等處理功能 保存時(shí)文件名后綴為 fig 3 File New Model 建立一個(gè)SIMULINK模型文件 實(shí)現(xiàn)SIMULINK仿真模型的建模 仿真 調(diào)試 保存等處理功能 保存時(shí)文件名后綴為 mdl 這三種文件是MATLAB SIMULINK最重要的文件類型 在后面章節(jié)中將詳細(xì)論述 2 工具欄這里僅介紹SIMULINK中特有的工具圖標(biāo) 其它圖標(biāo)與大部分常用軟件開發(fā)環(huán)境下的圖標(biāo)基本一致 3 命令窗口命令窗口位于圖2 1所示MATLAB程序主界面的最右邊 是用戶與MATLAB人機(jī)交互的主要環(huán)境 在提示符 后鍵入MATLAB命令并回車確認(rèn) 該命令窗口中將立即顯示執(zhí)行結(jié)果 表2 1所示為命令窗口中的常用指令 對用戶的操作非常有用 表2 1命令窗口中的常用指令 圖2 2命令窗口中輸入指令并返回結(jié)果 在命令窗口中 很容易判斷某條語句是命令還是結(jié)果 命令行均以提示符 開頭 計(jì)算結(jié)果不帶提示符 4 當(dāng)前路徑瀏覽器點(diǎn)擊圖2 1所示MATLAB軟件主界面左上窗口中的 CurrentDirectory 屬性頁 激活當(dāng)前路徑瀏覽器 如圖2 3所示 當(dāng)前工作路徑中所有文件夾及所有類型的文件名均顯示于此窗口中 用戶可在此窗口中進(jìn)行類似于一般文件夾中的管理工作 如新建或刪除文件夾 刪除或重命名文件 打開目標(biāo)文件等 圖2 3當(dāng)前路徑瀏覽器窗口 5 工作空間瀏覽器當(dāng)MATLAB啟動(dòng)后 系統(tǒng)自動(dòng)在內(nèi)存中開辟一塊存儲(chǔ)區(qū)用于存儲(chǔ)用戶在MATLAB命令窗口中定義的變量 運(yùn)算結(jié)果和有關(guān)數(shù)據(jù) 此內(nèi)存空間稱為MATLAB的工作空間 workspace 工作空間在MATLAB剛啟動(dòng)時(shí)為空 用戶退出MATLAB后 工作空間的內(nèi)容將不再保留 點(diǎn)擊圖2 1所示MATLAB程序主界面左上窗口中的 Workspace 屬性頁 激活工作空間瀏覽器 如圖2 4所示 在此窗口中可以對工作空間進(jìn)行管理 圖2 4工作空間瀏覽器窗口 如同例2 1 在輸入實(shí)現(xiàn)勾股定理的命令語句并執(zhí)行后 系統(tǒng)工作空間管理窗中顯示的信息如圖2 4所示 可見 在執(zhí)行命令過程中 用戶在MATLAB命令窗口中定義的變量和運(yùn)算結(jié)果確實(shí)都已經(jīng)存儲(chǔ)在工作空間中 用戶可方便地查看當(dāng)前工作空間中存在的變量和值 而且還可進(jìn)行新變量定義 變量刪除 保存等管理 6 命令歷史瀏覽器命令歷史瀏覽器位于圖2 1所示MATLAB程序主界面的左下角 屬性頁名稱為CommandHistory 如圖2 5中所示 此窗口按時(shí)間順序完整地記錄了曾經(jīng)在MATLAB工作窗口中輸入并執(zhí)行過的命令語句 圖2 5命令歷史瀏覽器窗口 通過命令歷史瀏覽器 可實(shí)現(xiàn)的功能如下 1 方便地按順序查看輸入命令的記錄 2 雙擊單條命令行 可使其立即執(zhí)行 而不用用戶重新輸入命令行 3 按住 Ctrl 鍵并單擊鼠標(biāo)左鍵可選中多條命令行 再單擊鼠標(biāo)右鍵 在彈出菜單中選擇 CreateM File 選項(xiàng) 可將選中的多條命令行作為一個(gè)文件進(jìn)行編輯和保存 2 1 2文本編輯窗口MATLAB編程有兩種工作方式 一種稱為行命令方式 就是在工作窗口中一行一行地輸入程序 計(jì)算機(jī)每次對一行命令做出反應(yīng) 因此也稱為交互式的指令行操作方式 另一種工作方式為M文件編程工作方式 編寫和修改M文件就要用到文本編輯窗口 表2 2列出了這兩種工作方式的簡單比較 表2 2MATLAB編程兩種工作方式比較 用戶可以通過創(chuàng)建一個(gè)新的文本文件或打開一個(gè)原有的程序文件的方式來進(jìn)入文本編輯窗口 該類程序文件名以 m為后綴 用戶將文本編輯窗口中的程序保存后 在MATLAB命令窗口中輸入該文件的文件名就能執(zhí)行程序 MATLAB中還有一種圖形管理窗口 執(zhí)行繪圖命令后 會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生該窗口 圖形的編輯管理等工作都在這一個(gè)窗口中進(jìn)行 關(guān)于圖形管理窗口的知識(shí)將在2 6節(jié)中詳細(xì)論述 2 2MATLAB語言的基本元素MATLAB語言提供了豐富的數(shù)據(jù)類型 如實(shí)數(shù) 復(fù)數(shù) 向量 矩陣 字符串 多維數(shù)組 結(jié)構(gòu)體 類和對象等 還提供了豐富的內(nèi)置功能函數(shù) 這些功能使得MATLAB的編程功能非常強(qiáng)大 本節(jié)介紹變量和矩陣這兩種最基本且常用的數(shù)據(jù)類型以及賦值語句的基本形式 2 2 1變量變量是保存數(shù)據(jù)信息的一種最基本的數(shù)據(jù)類型 變量的命名應(yīng)遵循如下規(guī)則 1 變量名必須以字母開頭 2 變量名可以由字母 數(shù)字和下劃線混合組成 3 變量名區(qū)分字母大小寫 4 MATLAB保留了一些具有特定意義的默認(rèn)變量 見表2 3 用戶編程時(shí)可以直接使用 并盡量避免另外自定義 例如 Long和My long1均是有效的變量名 Long和long表示的是不同的變量 用戶編程時(shí)必須注意并遵守這些規(guī)則 表2 3MATLAB的系統(tǒng)保留變量 2 2 2賦值語句MATLAB采用命令行形式的表達(dá)式語言 每一個(gè)命令行就是一條語句 其格式與書寫的數(shù)學(xué)表達(dá)式十分相近 非常容易掌握 用戶在命令窗口輸入語句并按下回車鍵后 該語句就由MATLAB系統(tǒng)解釋運(yùn)行 并給出運(yùn)行結(jié)果 MATLAB的賦值語句有下面兩種結(jié)構(gòu) 1 直接賦值語句直接賦值語句的基本結(jié)構(gòu)如下 賦值變量 賦值表達(dá)式其中 等號(hào)右邊的表達(dá)式由變量名 常數(shù) 函數(shù)和運(yùn)算符構(gòu)成 直接賦值語句把右邊表達(dá)式的值直接賦給了左邊的賦值變量 并將返回值顯示在MATLAB的命令窗口中 例2 2 對a賦值 實(shí)現(xiàn)a 2p 解 在MATLAB命令窗口中輸入圖2 6所示語句并回車確認(rèn) 圖2 6例2 2輸入語句及返回結(jié)果 2 函數(shù)調(diào)用語句直接賦值語句的基本結(jié)構(gòu)如下 返回變量列表 函數(shù)名 輸入變量列表 其中 等號(hào)右邊的函數(shù)名對應(yīng)于一個(gè)存放在合適路徑中的MATLAB文本文件 函數(shù)可以分為兩大類 一類是用戶根據(jù)需要自定義的用戶函數(shù) 另一類是MATLAB內(nèi)核中已經(jīng)存在的內(nèi)置函數(shù) 返回變量列表和輸入變量列表均可以由若干變量名組成 若返回變量個(gè)數(shù)大于1 則它們之間應(yīng)該用逗號(hào)或空格分隔 若輸入變量個(gè)數(shù)大于1 則它們之間只能用逗號(hào)分隔 例2 3 通過調(diào)用size 函數(shù)求取矩陣維數(shù) 解 在MATLAB命令窗口中依次輸入圖2 7所示語句并回車確認(rèn) 圖2 7例2 3輸入語句及返回結(jié)果 2 2 3矩陣及其元素的表示如前所述 MATLAB的起源即 矩陣實(shí)驗(yàn)室 矩陣是MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的基本變量單元 因此 掌握矩陣的表示方法是進(jìn)行MATLAB編程和應(yīng)用的基礎(chǔ) 1 矩陣的表示用MATLAB語言表示一個(gè)矩陣非常容易 如圖2 8所示 在MATLAB命令窗口中輸入語句并回車確認(rèn) 即可見矩陣變量A被成功賦值 并在MATLAB的工作空間中建立了一個(gè)名為A的矩陣變量 用戶可以在后繼的指令和函數(shù)中隨意調(diào)用該矩陣 在輸入過程中必須遵循以下規(guī)則 1 必須使用方括號(hào) 包括矩陣的所有元素 2 矩陣不同的行之間必須用分號(hào)或回車符隔開 3 矩陣同一行的各元素之間必須用逗號(hào)或空格隔開 為方便用戶使用 提高編程效率 除了最基本的直接輸入方法外 MATLAB還提供給用戶一些可以直接調(diào)用的內(nèi)置基本矩陣函數(shù) 有時(shí)可以成為創(chuàng)建矩陣的捷徑 MATLAB提供的主要內(nèi)置基本矩陣函數(shù)如表2 4所示 圖2 8矩陣的輸入及表示 表2 4MATLAB內(nèi)置基本矩陣函數(shù) 例2 3中 就曾使用過rand 3 函數(shù) 并產(chǎn)生一個(gè)3階的隨機(jī)矩陣 下例中 將創(chuàng)建一個(gè)3階的單位陣 例2 4 調(diào)用eye 函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)3階的單位陣 解 在MATLAB命令窗口中輸入如圖2 9所示語句并回車確認(rèn) 圖2 9eye 函數(shù)創(chuàng)建的3階單位矩陣 向量是矩陣的一種特例 前面介紹的有關(guān)矩陣的表示方法完全適用于向量 只是表示矩陣行列數(shù)的n m中 有一個(gè)系數(shù)為1 例如 如圖2 10所示 在命令窗口中輸入v1 1234 和v2 1 2 3 4 回車確認(rèn)后觀察結(jié)果 注意v1和v2的區(qū)別 圖2 10行向量和列向量的輸入及表示 MATLAB還提供了一個(gè)便利且高效的表達(dá)式來給等步長 均勻等分 的行向量賦值 即冒號(hào)表達(dá)式 冒號(hào)表達(dá)式的基本調(diào)用格式為V m p n其中 m n為標(biāo)量 分別代表向量的起始值和終止值 p代表向量元素之間步長值 例如 在MATLAB命令窗口中輸入語句V 0 0 2 1并回車確認(rèn) 結(jié)果如圖2 11 圖2 11冒號(hào)表達(dá)式在均勻等分向量中的應(yīng)用 利用MATLAB命令求矩陣A對角線元素之和 解 在MATLAB命令窗口中輸入圖2 12所示語句并回車確認(rèn) 圖2 12例2 5輸入語句及返回結(jié)果 圖2 13例2 6輸入語句及返回結(jié)果 例2 7 利用MATLAB命令 對例2 5矩陣A中的第二行元素置零 解 在MATLAB命令窗口中輸入圖2 14所示語句并回車確認(rèn) 圖2 14例2 7輸入語句及返回結(jié)果 2 3矩陣的MATLAB運(yùn)算矩陣運(yùn)算是MATLAB最重要的運(yùn)算 因?yàn)镸ATLAB的運(yùn)算大部分都建立在矩陣運(yùn)算的基礎(chǔ)之上 MATLAB中包括三種矩陣運(yùn)算類型 矩陣的代數(shù)運(yùn)算 矩陣的關(guān)系運(yùn)算和矩陣的邏輯運(yùn)算 其中 矩陣的代數(shù)運(yùn)算應(yīng)用最廣泛 根據(jù)不同的應(yīng)用目的 矩陣的代數(shù)運(yùn)算又包含兩種重要的運(yùn)算形式 按矩陣整體進(jìn)行運(yùn)算的矩陣運(yùn)算 按矩陣單個(gè)元素進(jìn)行運(yùn)算的元素群運(yùn)算 2 3 1矩陣的代數(shù)運(yùn)算1 矩陣的算術(shù)運(yùn)算矩陣算術(shù)運(yùn)算的書寫格式與普通算術(shù)運(yùn)算相同 包括優(yōu)先順序規(guī)則 但其乘法和除法的定義和方法與標(biāo)量截然不同 讀者應(yīng)在矩陣的運(yùn)算意義上加以理解和應(yīng)用 MATLAB矩陣的算術(shù)運(yùn)算符及其說明如表2 5所示 表2 5MATLAB矩陣的算術(shù)運(yùn)算符及其說明 在進(jìn)行矩陣的算術(shù)運(yùn)算時(shí) 需要注意以下幾點(diǎn) 1 若A B兩矩陣進(jìn)行加 減運(yùn)算 則A B必須維數(shù)相同 否則系統(tǒng)提示出錯(cuò) 2 若A B兩矩陣進(jìn)行乘運(yùn)算 則A B的內(nèi)維必須相同 即前一矩陣的列數(shù)等于后一矩陣的行數(shù) 設(shè)Cm n Am kBk n 式中A B的順序不能任意調(diào)換 因?yàn)锳 B和B A的計(jì)算結(jié)果很可能是完全不同的 3 若A B兩矩陣進(jìn)行右除運(yùn)算 則A和B的列數(shù)必須相等 實(shí)際上 X B A B A 1 4 若A B兩矩陣進(jìn)行左除運(yùn)算 則A和B的行數(shù)必須相等 實(shí)際上 X A B A 1 B 表2 6中列出了一些矩陣的算術(shù)運(yùn)算示例 讀者可仔細(xì)觀察其中規(guī)律 并理解以上的注意事項(xiàng) 表2 6矩陣的算術(shù)運(yùn)算示例 2 矩陣的運(yùn)算函數(shù)MATLAB系統(tǒng)函數(shù)庫中提供了一些常用的矩陣運(yùn)算函數(shù) 矩陣的加 減 乘 除等運(yùn)算對參與運(yùn)算的矩陣都有各自的矩陣維數(shù)匹配要求 那么 如何判定各矩陣的維數(shù)呢 內(nèi)置size 函數(shù)可以輕易解決這個(gè)問題 因此 熟悉這些對用戶非常有用 表2 7列出了部分常用的矩陣運(yùn)算函數(shù) 表2 8中列出了對矩陣A 12 34 的各種函數(shù)運(yùn)行結(jié)果 表2 7常用的矩陣運(yùn)算函數(shù) 表2 8矩陣運(yùn)算函數(shù)應(yīng)用示例 3 矩陣的元素群運(yùn)算元素群即數(shù)組 是指1 N或N 1階矩陣 元素群運(yùn)算即矩陣中的所有元素按單個(gè)元素進(jìn)行運(yùn)算 為了與矩陣作為整體的運(yùn)算符號(hào)相區(qū)別 元素群運(yùn)算約定 在矩陣運(yùn)算符 前加一個(gè)點(diǎn)符號(hào) 以表示在做元素群運(yùn)算 而非矩陣運(yùn)算 元素群加 減運(yùn)算的效果與矩陣加 減運(yùn)算是一致的 運(yùn)算符也相同 矩陣的元素群運(yùn)算符及其說明如表2 9所示 表2 9矩陣的元素群運(yùn)算符及其說明 例如 對于矩陣A B 12 34 表2 10表明了矩陣元素群運(yùn)算和矩陣運(yùn)算的差別 表2 10矩陣的元素群運(yùn)算應(yīng)用示例 4 元素群的函數(shù)MATLAB提供了幾乎所有初等函數(shù) 包括三角函數(shù) 對數(shù)函數(shù) 指數(shù)函數(shù)和復(fù)數(shù)運(yùn)算函數(shù)等 值得注意的是 大部分的MATLAB函數(shù)的運(yùn)算都是按數(shù)組的運(yùn)算規(guī)則進(jìn)行的 即函數(shù)運(yùn)算是分別作用于函數(shù)變量 矩陣 的每一個(gè)元素 這意味著這些函數(shù)的自變量可以是任意階的矩陣 表2 11列出了MATLAB常用初等函數(shù)名及其對應(yīng)功能 表2 11MATLAB常用初等函數(shù)名及其對應(yīng)功能 圖2 15例2 8輸入語句及返回結(jié)果 2 3 2矩陣的關(guān)系運(yùn)算MATLAB語言定義了各種矩陣的關(guān)系運(yùn)算 其符號(hào)及意義如表2 12所示 表2 12MATLAB的關(guān)系運(yùn)算符 這些關(guān)系運(yùn)算都是針對兩個(gè)矩陣對應(yīng)元素的 因此 在使用關(guān)系運(yùn)算時(shí) 首先應(yīng)保證兩個(gè)矩陣的維數(shù)一致或至少一個(gè)為標(biāo)量 若參與運(yùn)算的對象為兩個(gè)矩陣 則關(guān)系運(yùn)算對兩個(gè)矩陣的對應(yīng)元素進(jìn)行關(guān)系比較 若關(guān)系滿足 則將結(jié)果矩陣中該位置的元素置1 否則置0 若參與運(yùn)算的對象之一為標(biāo)量 則關(guān)系運(yùn)算將矩陣的每一個(gè)元素與該標(biāo)量逐一進(jìn)行關(guān)系比較 若關(guān)系滿足 則將結(jié)果矩陣中該位置的元素置1 否則置0 注意 關(guān)系運(yùn)算比算術(shù)運(yùn)算具有更高的優(yōu)先權(quán) 例如 矩陣A 0234 1350 和B 1053 1505 的各種關(guān)系運(yùn)算結(jié)果如表2 13所示 表2 13MATLAB的關(guān)系運(yùn)算應(yīng)用示例 2 3 3矩陣的邏輯運(yùn)算MATLAB矩陣的基本邏輯運(yùn)算符號(hào)及其意義如表2 14所示 在邏輯運(yùn)算中 所有非零元素的邏輯值為 真 用代碼 1 表示 值為零的元素的邏輯值為 假 用代碼 0 表示 邏輯運(yùn)算規(guī)則與關(guān)系運(yùn)算基本一致 也是針對兩個(gè)矩陣的對應(yīng)元素 邏輯運(yùn)算真值表也與一般二值運(yùn)算真值表完全一致 表2 14MATLAB矩陣的基本邏輯運(yùn)算符號(hào)及其意義 例如 矩陣A 0234 1350 和B 1053 1505 的各種邏輯運(yùn)算結(jié)果如表2 15所示 表2 15MATLAB的邏輯運(yùn)算應(yīng)用示例 2 4MATLAB的程序流程控制作為一種程序設(shè)計(jì)語言 MATLAB同一般高級(jí)程序語言一樣 為用戶提供了豐富的程序結(jié)構(gòu)語言來實(shí)現(xiàn)用戶對程序流程的控制 MATLAB的程序流程控制主要包括循環(huán)控制和條件控制 2 4 1循環(huán)控制結(jié)構(gòu)1 for循環(huán)結(jié)構(gòu)for循環(huán)結(jié)構(gòu)的格式為 for循環(huán)變量 向量表達(dá)式循環(huán)體語句組 語句組是一組合法的MATLAB命令end end是必須的 這與C語言不同該循環(huán)結(jié)構(gòu)的執(zhí)行方式為 從表達(dá)式的第一列開始 依次將表達(dá)式 向量 的各列之值賦值給變量 然后執(zhí)行語句組中的命令 直到最后一列 通常使用的for循環(huán)格式為fori m p n即用冒號(hào)表達(dá)式進(jìn)行等步長向量的創(chuàng)建 圖2 16例2 9輸入語句及返回結(jié)果 2 while循環(huán)結(jié)構(gòu)while循環(huán)結(jié)構(gòu)的基本格式為while關(guān)系表達(dá)式循環(huán)體語句組end該循環(huán)結(jié)構(gòu)的執(zhí)行方式為 首先判斷關(guān)系表達(dá)式是否為真 若為真 則執(zhí)行循環(huán)體的內(nèi)容 執(zhí)行完后再返回while引導(dǎo)的語句處 判斷關(guān)系表達(dá)式是否依然為真 如果非真 則跳出循環(huán) 通常 通過循環(huán)語句組中對關(guān)系表達(dá)式進(jìn)行改變來控制循環(huán)是否結(jié)束 圖2 17例2 10輸入語句及返回結(jié)果 2 4 2條件轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)條件轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)中最基本的是if條件轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)語句 if條件轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)的基本格式為 if條件式條件塊語句組1else條件塊語句組2end該條件轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)的執(zhí)行方式為 若條件式成立 則執(zhí)行條件塊語句組1語句 若條件式不成立 則執(zhí)行條件塊語句組2語句 上述基本結(jié)構(gòu)只能處理較簡單的條件 當(dāng)程序運(yùn)行的分支條件多于兩個(gè)時(shí) 則可采用if條件轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)的另一種格式 if條件式1條件塊語句組1elseif條件式2條件塊語句組2 elseif條件式n 1條件塊語句組n 1else條件塊語句組nend 該條件轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)的執(zhí)行方式為 若條件式1成立 則執(zhí)行條件塊語句組1語句 若條件式i成立 則執(zhí)行條件塊語句組i 2 3 語句 否則 執(zhí)行條件塊語句組n語句 例2 11 已知A B矩陣分別為A 123 456 789 B 12 34 判斷兩個(gè)矩陣維數(shù)是否相等 并返回判斷結(jié)果 解 在MATLAB命令窗口中輸入圖2 18所示語句并回車確認(rèn) 圖2 18例2 11輸入語句及返回結(jié)果 2 5M文件的編寫M文件又可分為命令M文件 簡稱命令文件 和函數(shù)M文件 簡稱函數(shù)文件 兩大類 其特點(diǎn)和適用領(lǐng)域均不同 2 5 1命令文件命令文件是由MATLAB語句構(gòu)成的文本文件 以 m為擴(kuò)展名 運(yùn)行命令文件的效果等價(jià)于從MATLAB命令窗口中按順序逐條輸入并運(yùn)行文件中的指令 類似于DOS下的批處理文件 命令文件運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的變量保留在MATLAB的工作空間中 命令文件也可以訪問MATLAB當(dāng)前工作空間的變量 其它命令文件和函數(shù)可以共享這些變量 因此 命令文件常用于主程序的設(shè)計(jì) 在例2 12中 將觀測到命令文件和工作空間數(shù)據(jù)的共享 例2 12 已知長方體的長a 5 寬b 4 高h(yuǎn) 3 編寫命令文件求該長方體的表面積和體積 解 1 在MATLAB命令窗口中輸入長方體參數(shù) a 5 b 4 h 3 2 新建一個(gè)文本文件 在該文本編輯窗口中輸入求取表面積和體積的指令 見圖2 19 圖2 19例2 12命令文件編輯窗口 選擇文本編輯器的菜單項(xiàng) File SaveAs 以文件名rect1 m保存在默認(rèn)的當(dāng)前工作目錄中 3 在MATLAB工作窗口中輸入M文件名 得到結(jié)果如圖2 20所示 圖2 20例2 12命令文件調(diào)用及結(jié)果 可見 命令文件在執(zhí)行過程中 已經(jīng)成功訪問了MATLAB工作空間的變量和數(shù)據(jù) 長方體長 寬 高參數(shù)a b h 并將執(zhí)行的結(jié)果數(shù)據(jù) 長方體的表面積和體積s v 保留在MATLAB的工作空間中 工作空間中的其它命令文件和函數(shù)可以共享這些變量 用戶在應(yīng)用命令文件時(shí) 可能希望將自己的文件保存在自定義的工作目錄中 而不是保存在MATLAB默認(rèn)的工作目錄 安裝路徑 MATLAB work 中 這時(shí)必須更改MATLAB的工作路徑或添加MATLAB的搜索路徑 否則運(yùn)行命令文件時(shí)系統(tǒng)將無法找到該命令文件導(dǎo)致出錯(cuò) 例2 13 將例2 12的命令文件rect1 m保存在用戶自定義的路徑中 測試執(zhí)行的結(jié)果 解 1 打開MATLAB默認(rèn)工作目錄 安裝路徑 MATLAB work 文件夾 刪除例2 12保存在這里的rect1 m文件 2 重新創(chuàng)建一個(gè)同樣內(nèi)容的命令文件 選擇菜單項(xiàng) File SaveAs 在彈出的保存文件對話框中更改保存目錄為 F 輸入要保存的文件名rect1 m并確定保存 回到MATLAB命令窗口 輸入初始數(shù)據(jù)及文件調(diào)用命令并返回結(jié)果 如圖2 21所示 圖2 21例2 13調(diào)用結(jié)果 結(jié)果表明 MATLAB未能正確搜索并執(zhí)行保存在用戶自定義目錄中的命令文件 3 單擊菜單選項(xiàng) File SetPath 出現(xiàn)如圖2 22所示的對話框 單擊 添加目錄 AddFolder 按鍵 將彈出瀏覽文件夾對話框 選中文件夾 F 并確認(rèn) 將用戶文件保存的目錄 F 添加到MATLAB搜索路徑中 點(diǎn)擊 Save 按鍵保存設(shè)置 圖2 22在MATLAB搜索路徑中添加用戶自定義目錄 現(xiàn)在 在MATLAB的搜索路徑中出現(xiàn)了新增加的目錄 F 保存后退出該窗口 并回到MATLAB命令窗口 輸入文件調(diào)用命令并返回結(jié)果 如圖2 23所示 結(jié)果表明 若用戶文件所在的目錄不是當(dāng)前默認(rèn)的工作目錄 則需要將其添加到MATLAB的搜索路徑中 這樣MATLAB才能正確搜索并執(zhí)行命令 另外一種方法即改變當(dāng)前工作目錄 圖2 23在搜索路徑中添加自定義目錄后的調(diào)用結(jié)果 2 5 2函數(shù)文件函數(shù)文件是M文件的另一種類型 它也是由MATLAB語句構(gòu)成的文本文件并以 m為擴(kuò)展名 MATLAB的函數(shù)文件必須以關(guān)鍵字function語句引導(dǎo) 其基本結(jié)構(gòu)如下 function 返回參數(shù)1 返回參數(shù)2 函數(shù)名 輸入?yún)?shù)1 輸入?yún)?shù)2 注釋說明語句段 由 引導(dǎo)輸入 返回變量格式的檢測語句函數(shù)體語句 需要特別注意函數(shù)文件具有如下特點(diǎn) 1 函數(shù)名由用戶自定義 與變量的命名規(guī)則相同 2 保存的文件名必須與定義的函數(shù)名一致 3 用戶可通過返回參數(shù)及輸入?yún)?shù)來實(shí)現(xiàn)函數(shù)參數(shù)的傳遞 但返回參數(shù)和輸入?yún)?shù)并不是必需的 返回參數(shù)如果多于1個(gè) 則應(yīng)用 將它們括起來 否則可以省略 輸入?yún)?shù)列表必須用 括起來 即使只有一個(gè)輸入?yún)?shù) 4 注釋語句段的每行語句都應(yīng)該用 引導(dǎo) 后面的內(nèi)容不執(zhí)行 用戶可用help命令顯示出注釋語句的內(nèi)容 用于函數(shù)使用前的信息參考 5 如果函數(shù)較復(fù)雜 則正規(guī)的參數(shù)個(gè)數(shù)檢測是必要的 如果輸入或返回參數(shù)格式不正確 則應(yīng)該給出相應(yīng)的提示 函數(shù)中輸入和返回參數(shù)的實(shí)際個(gè)數(shù)分別由MATLAB內(nèi)部保留變量nargin和nargout給出 只要運(yùn)行了該函數(shù) MATLAB將自動(dòng)生成這兩個(gè)變量 因此用戶編程可直接應(yīng)用 6 與一般高級(jí)語言不同的是 函數(shù)文件末尾處不需要使用end指令 循環(huán)控制和條件轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)中的除外 例2 14 以長方體的長 寬 高參數(shù)作為函數(shù)參數(shù) 編寫函數(shù)文件來求解長方體的表面積和體積 解 1 新建一個(gè)文本文件 在該文本編輯窗口中 見圖2 24 輸入求表面積和體積的指令 圖2 24例2 14函數(shù)文件編輯窗口 2 單擊菜單選項(xiàng) File SaveAs 將該文件以文件名rect2 m保存在默認(rèn)的當(dāng)前工作目錄中 3 在MATLAB命令窗口中調(diào)用該函數(shù)文件 得到結(jié)果如圖2 25所示 圖2 25例2 14函數(shù)文件調(diào)用及結(jié)果 與命令文件相比 函數(shù)文件的最大優(yōu)點(diǎn)之一是實(shí)現(xiàn)了參數(shù)的傳遞 這極大地提高了文件的通用性 例如 在分別用命令文件和函數(shù)文件實(shí)現(xiàn)的長方體表面積和體積的求解程序中 所用的指令數(shù)幾乎一樣 但命令文件rect1 m只能在當(dāng)前工作窗口中使用 參數(shù)必須在工作空間中給定 而函數(shù)文件rect2 m則可以被任何主程序或其它函數(shù)調(diào)用 參數(shù)可以任意設(shè)定 例2 15 編程實(shí)現(xiàn)一個(gè)n m階的矩陣 使第i行第j列元素值為1 i j 1 要求在編寫的函數(shù)中實(shí)現(xiàn)下面幾點(diǎn) 1 如果只給出一個(gè)輸入?yún)?shù) 則會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)方陣 即令m n 2 在函數(shù)中給出合適的幫助信息 包括基本功能 調(diào)用方式和參數(shù)說明 3 檢測輸入和返回變量的個(gè)數(shù) 如果有錯(cuò)誤則給出錯(cuò)誤信息 解 1 根據(jù)要求 編寫一個(gè)myfunc 函數(shù) 文件名為myfunc m 存放在MATLAB的當(dāng)前工作路徑下 該函數(shù)文件如圖2 26所示 圖2 26例2 15函數(shù)文件編輯窗口 2 在MATLAB命令窗口中調(diào)用該函數(shù)文件 得到結(jié)果如圖2 27所示 圖2 27例2 15函數(shù)文件調(diào)用及結(jié)果 2 6MATLAB的圖形繪制MATLAB除了強(qiáng)大的數(shù)值分析功能外 還具有方便的繪圖功能 利用MATLAB豐富的二維 三維圖形函數(shù)和多種修飾方法 只要指定繪圖方式并提供繪圖數(shù)據(jù) 就可以繪制出理想的圖形 由于MATLAB的圖形系統(tǒng)是建立在諸如線 面等圖形對象集合基礎(chǔ)之上的 因此用戶可以對任何一個(gè)圖形元素進(jìn)行單獨(dú)地修改 而不影響圖形的其它部分 2 6 1二維圖形的繪制1 基本繪圖命令MATLAB中最常用的繪圖函數(shù)為plot 根據(jù)函數(shù)輸入?yún)?shù)不同 常用的幾種調(diào)用格式如表2 16所示 其中 option 用來設(shè)置曲線屬性的選項(xiàng) 其內(nèi)容主要包括諸如顏色 線型 標(biāo)記類型等曲線屬性 option 選項(xiàng)并不是必需的 若缺少該項(xiàng) MATLAB將按系統(tǒng)默認(rèn)格式統(tǒng)一安排各條曲線的屬性值 表2 16繪圖函數(shù)plot 的常用調(diào)用格式 MATLAB提供的 option 選項(xiàng)的屬性如表2 17所示 表2 17 option 選項(xiàng)的屬性 在繪制圖形時(shí) 需要注意以下幾點(diǎn) 1 用來繪制圖形的數(shù)據(jù)必須已經(jīng)存儲(chǔ)在工作空間中 2 對應(yīng)的x軸和y軸的數(shù)據(jù)長度必須相同 3 若省去選項(xiàng) option 系統(tǒng)將按默認(rèn)的格式繪制曲線 4 option 中的屬性可以多個(gè)連用 例如選項(xiàng) g 表示繪制綠色的點(diǎn)劃線 例2 16 試在同一圖形窗口中繪制出一個(gè)周期內(nèi)的正弦曲線和余弦曲線 解 在MATLAB命令窗口中輸入圖2 28所示語句并回車確認(rèn) 圖2 28例2 16輸入語句 運(yùn)行后 系統(tǒng)自動(dòng)彈出圖形窗口界面 并顯示結(jié)果如圖2 29所示 圖2 29例2 16輸出圖形界面 用戶可能會(huì)對系統(tǒng)默認(rèn)的繪圖結(jié)果不滿意 并提出更具體的要求 比如 1 正弦曲線用紅色的點(diǎn)線繪制 2 余弦曲線用綠色的 標(biāo)記繪制 3 顯示x軸線 以符合平常坐標(biāo)軸習(xí)慣 在MATLAB命令窗口中重新輸入語句并確認(rèn) 見圖2 30 其中 命令line x y 是MATLAB提供的除plot命令外的另一種繪制直線的命令 這里用來繪制x軸 圖2 30例2 16調(diào)整要求后的輸入語句 繪圖結(jié)果如圖2 31所示 圖2 31例2 16調(diào)整要求后的輸出圖形界面 2 圖形修飾函數(shù)MATLAB提供了多種圖形函數(shù) 用于圖形的修飾 常用的圖形修飾函數(shù)名稱及其功能說明如表2 18所示 表2 18MATLAB常用圖形修飾函數(shù)及其功能說明 例2 17 進(jìn)一步修飾例2 16的圖形 實(shí)現(xiàn)以下要求 1 將圖形的x軸的大小范圍限定在 0 2p 之間 y軸的大小范圍限定在 2 2 之間 2 x y坐標(biāo)軸分別標(biāo)注為弧度值 函數(shù)值 3 圖形標(biāo)題標(biāo)注為正弦曲線和余弦曲線 4 添加圖例標(biāo)注 標(biāo)注字符分別為y1 y2 5 給圖形添加網(wǎng)格線 6 在兩條曲線上分別標(biāo)注文本y1 sin t y2 cos t 解 1 在命令窗口中輸入圖2 32所示程序代碼 程序運(yùn)行結(jié)果如圖2 33所示 2 標(biāo)注文本 如圖2 33所示 在執(zhí)行第一個(gè)gtext時(shí) 需要在圖形窗口確定該文本的位置 打開圖形窗口 可以看到一個(gè)跟隨用戶鼠標(biāo)移動(dòng)的十字形指針 將鼠標(biāo)拖動(dòng)到正弦曲線圖形附近 然后單擊鼠標(biāo) 字符串y1 sin t 即添加到此處 在執(zhí)行第二個(gè)gtext命令時(shí) 同樣需要用鼠標(biāo)將十字形指針拖動(dòng)到余弦曲線圖形附近并單擊鼠標(biāo) 字符串y2 cos t 即添加到此處 最終顯示的圖形畫面如圖2 34所示 圖2 32例2 17輸入程序代碼 圖2 33例2 17輸出圖形界面 字符串未添加 圖2 34例2 17最終輸出圖形界面 3 特殊二維曲線繪制除了標(biāo)準(zhǔn)的二維曲線繪制之外 MATLAB還提供了多種具有特殊意義的圖形繪制函數(shù) 其常用調(diào)用格式如表2 19所示 其中 參數(shù)x和y分別表示x軸 y軸繪圖數(shù)據(jù) 這些特殊圖形繪制函數(shù)各具意義 其中bar函數(shù)可用于統(tǒng)計(jì)分析 stem stairs函數(shù)可用于離散序列數(shù)據(jù)的顯示 polar loglog函數(shù)分別可用于繪制極坐標(biāo)圖和對數(shù)圖 表2 19MATLAB的特殊二維曲線繪制函數(shù) 圖2 35例2 18輸入程序代碼 程序運(yùn)行結(jié)果如圖2 36所示 圖2 36例2 18輸出圖形界面 a 火柴桿圖 b 階梯圖 c 二維條形圖 d 極坐標(biāo)圖 4 圖形窗口控制MATLAB提供了一系列專門的圖形窗口控制函數(shù) 通過這些函數(shù) 可以創(chuàng)建或者關(guān)閉圖形窗口 可以同時(shí)打開幾個(gè)窗口 也可以在一個(gè)窗口內(nèi)繪制若干分圖 這些函數(shù)及其功能說明如表2 20所示 表2 20MATLAB圖形窗口控制函數(shù)及其功能說明 使用圖形窗口控制函數(shù)時(shí)需要注意如下幾點(diǎn) 1 在命令窗口中運(yùn)行繪圖指令后 將自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)名為Figure1的圖形窗口 這個(gè)窗口被當(dāng)作當(dāng)前窗口 所有的繪圖指令在該圖形窗口中執(zhí)行 后續(xù)繪圖指令覆蓋原圖形或者疊加在原圖形上 2 使用subplot命令時(shí) 各個(gè)繪圖區(qū)域以 從左到右 先上后下 的原則來編號(hào) MATLAB允許每個(gè)繪圖區(qū)域以不同的坐標(biāo)系單獨(dú)繪制圖形 例2 19 已知y1 sin t y2 cos t y3 sin t cos t 試在同一坐標(biāo)系中繪制這3條曲線 解 在命令窗口中輸入圖2 37所示程序代碼 圖2 37例2 19輸入程序代碼 程序運(yùn)行結(jié)果如圖2 38所示 圖2 38例2 19輸出圖形界面 讀者可以去掉上述代碼中的holdon命令再運(yùn)行代碼 觀察圖形并比較 例2 20 試將例2 18中的二維條形圖 火柴桿圖 階梯圖和極坐標(biāo)圖在同一窗口中顯示 解 在命令窗口中輸入圖2 39所示程序代碼 結(jié)果如圖2 40所示 圖2 39例2 20輸入程序代碼 圖2 40例2 20輸出圖形界面 2 6 2三維圖形的繪制除了最常用的二維圖形外 MATLAB還提供了三維數(shù)據(jù)的繪制函數(shù) 可以在三維空間中繪制曲線或曲面 1 三維曲線的繪制三維曲線的繪制與二維曲線的繪制方法基本一致 常用的調(diào)用格式如下 plot3 x y z option plot3 x1 y1 z1 option1 x2 y2 z2 option2 其中 x y z所給出的數(shù)據(jù)分別為x y z坐標(biāo)值 option 為選項(xiàng)參數(shù) plot3指令中參數(shù)的含義與plot指令類似 只是多了一個(gè)z方向的參數(shù) 圖2 41三維螺旋線圖形 例如 下面的代碼將繪制出如圖2 41所示的三維螺旋線 t 0 pi 50 8 pi x sin t y cos t plot3 x y t xlabel x ylabel y zlabel t 三維曲線修飾與二維圖形的圖形修飾函數(shù)相似 但比二維圖形的修飾函數(shù)多了一個(gè)z軸方向 例如axis Xmin Xmax Ymin Ymax Zmin Zmax 特殊三維圖形繪制與二維圖形繪制類似 也可繪制一些具有特殊意義的三維圖形 輸入如下代碼 可以得到如圖2 42所示的特殊三維圖形 t 0 pi 50 2 pi x sin t y cos t stem3 x y t xlabel x ylabel y zlabel t 圖2 42特殊三維圖形 2 三維曲面的繪制三維曲面方程存在兩個(gè)自變量x y和一個(gè)因變量z 因此 繪制三維曲面圖形必須先在xy平面上建立網(wǎng)格坐標(biāo) 每一個(gè)網(wǎng)格坐標(biāo)點(diǎn)和它對應(yīng)的z坐標(biāo)所確定的一組三維數(shù)據(jù)就定義了曲面上的一個(gè)點(diǎn) 三維曲面繪制中 常用的3個(gè)函數(shù)如表2 21所示 表2 21三維曲面繪制函數(shù) 圖2 43例2 21輸入程序代碼 程序運(yùn)行結(jié)果如圖2 44和2 45所示 其中 圖2 44為mesh函數(shù)運(yùn)行結(jié)果 呈網(wǎng)格狀 圖2 45為surf函數(shù)運(yùn)行結(jié)果 帶陰影效果 圖2 44mesh函數(shù)繪制的三維曲面效果圖 圖2 45surf函數(shù)繪制的三維曲面效果圖 2 6 3圖形對象屬性設(shè)置1 圖形對象及其屬性前已論述 MATLAB用戶可以對任何一個(gè)圖形元素進(jìn)行單獨(dú)修改 而不影響圖形的其它部分 這種獨(dú)立的圖形元素稱為圖形對象 圖形對象的修改通過調(diào)整其屬性來完成 MATLAB中常用的圖形對象及其主要屬性如表2 22所示 表2 22MATLAB常用圖形對象及其主要屬性 當(dāng)調(diào)用plot命令繪制二維曲線時(shí) MATLAB的執(zhí)行過程大致如下 1 使用figure命令 在根對象 root 上生成一個(gè)圖形窗口對象 figure 2 使用axis命令 在圖形窗口內(nèi)生成一個(gè)繪圖區(qū)域 axis對象 3 最后用line命令在axes指定的區(qū)域內(nèi)繪制線條 line對象 因此 MATLAB所繪制的圖形是由基本的圖形對象組合而成的 可以通過改變圖形對象的屬性來設(shè)置所繪制的圖形 2 圖形可視編輯工具M(jìn)ATLAB執(zhí)行繪圖函數(shù)后 將彈出圖形管理窗口 圖形管理窗口除了簡單的顯示圖形功能外 本身就是一個(gè)功能強(qiáng)大的圖形可視編輯工具 可實(shí)現(xiàn)的功能主要如下 1 通用的圖形文件管理功能 如保存 打開 新建圖形文件等 2 通用的圖形效果編輯功能 如圖形放大 縮小 旋轉(zhuǎn) 對齊等 3 圖形對象插入功能 如插入坐標(biāo)軸名稱 圖形標(biāo)題 圖例標(biāo)注 線段 文字等 4 獨(dú)立設(shè)置窗口中各圖形對象屬性功能 如線段的類型 顏色 粗細(xì)等 圖形對象插入功能可通過選擇菜單項(xiàng) Insert 后 再選擇相應(yīng)的對象選項(xiàng)來完成 如圖2 46所示 該功能與前面的圖形修飾函數(shù)一致 如 選擇菜單項(xiàng) Insert Title 與函數(shù)title string 功能一致 選擇菜單項(xiàng) Insert legend 與函數(shù)legend string1 string2 功能一致 但前者明顯比后者簡便 更具可視性 圖2 46圖形管理窗口及其菜單功能 圖2 47圖形管理窗口中的屬性編輯窗口 a 方法一 b 方法二 注意 單擊選中的目標(biāo)對象 屬性編輯窗口將自動(dòng)切換為該對象的屬性設(shè)置頁 因此 不同目標(biāo)對象屬性頁的切換 不必通過關(guān)閉當(dāng)前屬性編輯窗口來完成 當(dāng)然 上述方法中 在單擊鼠標(biāo)右鍵后 也可以不進(jìn)入屬性頁 而選擇直接通過菜單項(xiàng)設(shè)置相應(yīng)屬性 如單擊鼠標(biāo)左鍵選中線段對象 然后單擊鼠標(biāo)右鍵 將出現(xiàn)如圖2 48所示菜單項(xiàng) 單擊鼠標(biāo)左鍵選中圖形窗口的空白區(qū)域 然后單擊鼠標(biāo)右鍵 將出現(xiàn)如圖2 49所示菜單項(xiàng) 圖2 48線段對象鼠標(biāo)右鍵快捷菜 圖2 49圖形窗口對象鼠標(biāo)右鍵快捷菜單 2 7MATLAB編程仿真與應(yīng)用MATLAB強(qiáng)大的運(yùn)算功能和圖形功能 為用戶實(shí)現(xiàn)各領(lǐng)域的編程仿真提供了有力的工具 本節(jié)介紹MATLAB語言在電氣信息領(lǐng)域內(nèi)的一些基本仿真實(shí)現(xiàn) 使讀者具有基本的MATLAB語言應(yīng)用能力 2 7 1簡單電路仿真中的應(yīng)用有許多專用的可視化工具軟件可以進(jìn)行電路的仿真 這里僅利用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)簡單電路的仿真 以進(jìn)一步熟悉編程方法和技巧 利用MATLAB語言編程解決實(shí)際問題的思路 尚需要讀者在實(shí)際應(yīng)用中舉一反三 例2 22 某一階低通電路如圖2 50所示 已知R 2 C 0 5F 電容初始電壓為0 1 設(shè)一正弦電壓源Vs t vmcoswt vm 10V w 2rad s 當(dāng)t 0時(shí) 開關(guān)S閉合 求電容電壓的全響應(yīng) 區(qū)分其暫態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)態(tài)響應(yīng) 并畫出波形 2 設(shè)以電容電壓為響應(yīng) 求頻率響應(yīng)函數(shù) 并畫出其幅頻特性和相頻特性 圖2 50一階低通電路 MATLAB編程實(shí)現(xiàn) R 2 C 0 5 T R C um 10 w 2 Zc 1 j w C t 0 0 1 10 absH abs Zc R Zc PhiH angle Zc R Zc Ucst um absH cos w t PhiH Uctr um absH cos PhiH exp t T Uc Ucst Uctr plot t Uc t Ucst t Uctr gridlegend Uc Ucst Uctr 圖2 51一階低通電路的全響應(yīng) 暫態(tài)響應(yīng)與穩(wěn)態(tài)響應(yīng)仿真波形 MATLAB編程實(shí)現(xiàn) R 2 C 0 5 num 1 傳遞函數(shù)的分子項(xiàng)系數(shù)向量den R C 1 傳遞函數(shù)的分母項(xiàng)系數(shù)向量sys tf num den tf 函數(shù)用以建立系統(tǒng)函數(shù) 基于傳遞函數(shù)形式 bode sys gridon bode 函數(shù)繪制目標(biāo)系統(tǒng)的頻譜特性曲線 運(yùn)行程序 得到以電容電壓為響應(yīng)的響應(yīng)函數(shù)的幅頻特性和相頻特性 如圖2 52所示 圖2 52一階低通電路的幅頻特性和相頻特性響應(yīng)曲線 2 7 2電力信號(hào)分析處理中的應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用 電力系統(tǒng)領(lǐng)域也有許多問題需要利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)解決 例如離散傅里葉變換和頻譜分析技術(shù)在電力系統(tǒng)諧波信號(hào)檢測中的應(yīng)用 數(shù)字濾波器技術(shù)在電力系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)預(yù)處理中的應(yīng)用等 例2 23 利用函數(shù)生成一組數(shù)據(jù)用以模擬電力現(xiàn)場測量數(shù)據(jù) 并利用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)其頻譜分析 其中 x 2sin 2pf1t sin 2pf2