武漢理工大學matlab課設

1、24武漢理工大學Matlab應用課程設計課程設計說明書課程設計任務書學生姓名： 李立 專業(yè)班級： 電信1005班 指導教師：祝立華 闕大順 工作單位：信息工程學院 題目: MATLAB運算與應用設計5 初始條件：1. MATLAB6.5以上版本軟件；2. 課程設計輔導資料：“MATLAB語言基礎及使用入門”、“MATLAB及在電子信息課程中的應用”等；3. 先修課程：信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、MATLAB應用實踐及信號處理類課程等。要求完成的主要任務: （包括課程設計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1. 課程設計時間：1周；2. 課程設計內(nèi)容：根據(jù)指導老師給定的7套題目，按規(guī)定選

2、擇其中1套完成；3. 本課程設計統(tǒng)一技術(shù)要求：研讀輔導資料對應章節(jié)，對選定的設計題目進行理論分析，針對具體設計部分的原理分析、建模、必要的推導和可行性分析，畫出程序設計框圖，編寫程序代碼（含注釋），上機調(diào)試運行程序，記錄實驗結(jié)果（含計算結(jié)果和圖表），并對實驗結(jié)果進行分析和總結(jié)。具體設計要求包括： 初步了解MATLAB、熟悉MATLAB界面、進行簡單操作； MATLAB的數(shù)值計算：創(chuàng)建矩陣、矩陣運算、多項式運算、線性方程組、數(shù)值統(tǒng)計； 基本繪圖函數(shù)：plot, plot3, mesh, surf等，要求掌握以上繪圖函數(shù)的用法、簡單圖形標注、簡單顏色設定等； 使用文本編輯器編輯m文件，函數(shù)調(diào)用；

3、能進行簡單的信號處理MATLAB編程； 按要求參加課程設計實驗演示和答辯等。4. 課程設計說明書按學?！罢n程設計工作規(guī)范”中的“統(tǒng)一書寫格式”撰寫，具體包括： 目錄； 與設計題目相關(guān)的理論分析、歸納和總結(jié)； 與設計內(nèi)容相關(guān)的原理分析、建模、推導、可行性分析； 程序設計框圖、程序代碼（含注釋）、程序運行結(jié)果和圖表、實驗結(jié)果分析和總結(jié)； 課程設計的心得體會（至少500字）； 參考文獻（不少于5篇）； 其它必要內(nèi)容等。時間安排：1.5周（分散進行）參考文獻：1 (美)穆爾,高會生,劉童娜,李聰聰MATLAB實用教程(第二版) . 電子工業(yè)出版社,2010.2 王正林,劉明精通MATLAB(升級版)

4、.電子工業(yè)出版社,2011.3 陳杰 . MATLAB寶典(第3版) . 電子工業(yè)出版社,2011.4 劉保柱,蘇彥華,張宏林 . MATLAB 7.0從入門到精通(修訂版) . 人民郵電出版社,2010.指導教師簽名： 年 月 日系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日目錄 1MATLAB概述.21.1MATLAB簡介 .21.2 MATLAB的功能 .21.3MATLAB 的典型應用 .42設計題目：MATLAB運算與應用設計 套題五 .43設計內(nèi)容 .63.1 題一 .63.2 題二 .63.3 題三 .83.4 題四 .93.5 題五 .133.6 題六 .143.7題七 .163.8

5、題八 .173.9 題九 .183.10題十 .194 課程設計心得 .215參考文獻 .226 本科生課程設計成績評定表 .231 MATLAB概述1.1MATLAB簡介MATLAB軟件由美國Math Works公司于1984年推出，經(jīng)過不斷的發(fā)展和完善，如今己成為覆蓋多個學科的國際公認的最優(yōu)秀的數(shù)值計算仿真軟件。MATLAB具備強大的數(shù)值計算能力，許多復雜的計算問題只需短短幾行代碼就可在MATLAB中實現(xiàn)。作為一個跨平臺的軟件，MATLAB已推出Unix、Windows、Linux和Mac等十多種操作系統(tǒng)下的版本，大大方便了在不同操作系統(tǒng)平臺下的研究工作。MATLAB軟件具有很強的開放性和

6、適應性。在保持內(nèi)核不變的情況下，MATLAB可以針對不同的應用學科推出相應的工具箱(toolbox)，目前己經(jīng)推出了圖象處理工具箱、信號處理工具箱、小波工具箱、神經(jīng)網(wǎng)絡工具箱以及通信工具箱等多個學科的專用工具箱，極大地方便了不同學科的研究工作。國內(nèi)已有越來越多的科研和技術(shù)人員認識到MATLAB的強大作用，并在不同的領(lǐng)域內(nèi)使用MATLAB來快速實現(xiàn)科研構(gòu)想和提高工作效率。MATLAB提供了20類圖像處理函數(shù),涵蓋了圖像處理的包括近期研究成果在內(nèi)的幾乎所有的技術(shù)方法,是學習和研究圖像處理的人員難得的寶貴資料和加工工具箱。這些函數(shù)按其功能可分為:圖像顯示;圖像文件I/O;圖像算術(shù)運算;幾何變換;圖像

7、登記;像素值與統(tǒng)計;圖像分析;圖像增強;線性濾波;線性二元濾波設計;圖像去模糊;圖像變換;鄰域與塊處理;灰度與二值圖像的形態(tài)學運算;結(jié)構(gòu)元素創(chuàng)建與處理;基于邊緣的處理;色彩映射表操作;色彩空間變換;圖像類型與類型轉(zhuǎn)換。1.2MATLAB的功能 (1)強大的科學計算機數(shù)據(jù)處理能力MATLAB是一個包含大量計算算法的集合。其擁有600多個工程中要用到的數(shù)學運算函數(shù)，可以方便的實現(xiàn)用戶所需的各種計算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計算中的最新研究成果，而前經(jīng)過了各種優(yōu)化和容錯處理。在通常情況下，可以用它來代替底層編程語言，如C和C+ 。在計算要求相同的情況下，使用MATLAB的編程工作量會大大

8、減少。MATLAB的這些函數(shù)集包括從最簡單最基本的函數(shù)到諸如矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復雜函數(shù)。函數(shù)所能解決的問題其大致包括矩陣運算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號運算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、工程中的優(yōu)化問題、稀疏矩陣運算、復數(shù)的各種運算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學運算、多維數(shù)組操作以及建模動態(tài)仿真等。(2)出色的圖形處理功能圖形處理功能MATLAB自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來，并且可以對圖形進行標注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動畫和表達式作圖?？捎糜诳茖W計算和工程繪圖。新版本的MATLAB對整個

9、圖形處理功能作了很大的改進和完善，使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而且對于一些其他軟件所沒有的功能（例如圖形的光照處理、色度處理以及四維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等），MATLAB同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。同時對一些特殊的可視化要求，例如圖形對話等，MATLAB也有相應的功能函數(shù)，保證了用戶不同層次的要求。另外新版本的MATLAB還著重在圖形用戶界面（GUI）的制作上作了很大的改善，對這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。(3)應用廣泛的模塊集合工具箱MATLAB對許多專門的領(lǐng)域都開發(fā)了功能強大的模塊集和工具箱。一般來說，它們都是由特定領(lǐng)域的專家開

10、發(fā)的，用戶可以直接使用工具箱學習、應用和評估不同的方法而不需要自己編寫代碼。目前，MATLAB已經(jīng)把工具箱延伸到了科學研究和工程應用的諸多領(lǐng)域，諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫接口、概率統(tǒng)計、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、神經(jīng)網(wǎng)絡、小波分析、信號處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識、控制系統(tǒng)設計、LMI控制、魯棒控制、模型預測、模糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線性控制設計、實時快速原型及半物理仿真、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、定點仿真、DSP與通訊、電力系統(tǒng)仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。(4)實用的程序接口和發(fā)布平臺新版本的MATLAB可以利用MATLAB編譯器和C/C+數(shù)學庫以及圖形庫，將

11、自己的MATLAB程序自動轉(zhuǎn)換為獨立于MATLAB運行的C和C+的代碼。允許用戶編寫可以和MATLAB進行交互的C或C+語言程序。另外，MATLAB網(wǎng)頁服務程序還容許在Web應用中使用自己的MATLAB數(shù)學和圖形程序。MATLAB的一個重要特色就是具有一套程序擴展系統(tǒng)和一組稱之為工具箱的特殊應用子程序。工具箱是MATLAB函數(shù)的子程序庫，每一個工具箱都是為某一類學科專業(yè)和應用而定制的，主要包括信號處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊邏輯、小波分析和系統(tǒng)仿真等方面的應用。(5)應用軟件開發(fā)（包括用戶界面）在開發(fā)環(huán)境中，使用戶更方便地控制多個文件和圖形窗口；在編程方面支持了函數(shù)嵌套，有條件中斷等；在圖形

12、化方面，有了更強大的圖形標注和處理功能，包括對性對起連接注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向Excel和HDF5進行連接。1.3MATLAB的典型應用MATLAB的應用領(lǐng)域十分廣闊，典型的應用舉例如下：(1) 數(shù)據(jù)分析(2) 數(shù)值與符號計算；(3) 工程與科學繪圖；(4) 控制系統(tǒng)設計；(5) 航天工業(yè)；(6) 汽車工業(yè)；(7) 生物醫(yī)學工程；(8) 語音處理；(9) 圖像與數(shù)字信號處理；(10) 財務、金融分析；(11) 建模、仿真及樣機開發(fā)；(12) 新算法研究開發(fā)；(13) 圖形用戶界面設計。2設計題目： Matlab運算與應用設計51 已知t=linspace(0,2*pi,6)，求t的

13、正弦和正弦的絕對值。2 繪制函數(shù)在時的曲線。3 已知a=1,3,0;2,0,1;4,6,5, a1=logical(1 0 1),a2= logical(1 1 0),b=a1,求a(a1,a2)和a(b)。4 分析下面每條指令的功能并運行，觀察執(zhí)行結(jié)果。a) X=0:0.25:3;Y=X.*exp(-X);plot(X,Y),xlabel(x), ylabel(y),title(y=x*exp(-x);(2) A=zeros(2,5)A(:)=-4:5L=abs(A)4islogical(L)X=A(L)(3) A=1:5;6:10pow2(A)(4) A=zeros(3,2)A(:)=1:

14、6A=A*(1+i)A1=A.;B1=A;(5) A=ones(2,3)B=ones(2)C=eye(4)D=diag(C)E=repmat(C,1,3)5 計算在x=0.1與10處的值。6 求函數(shù), n=100的值。7 求1500個元素的隨機數(shù)向量A中大于0.5的元素個數(shù)。8. 用圖形表示連續(xù)調(diào)制波形,運行下面的程序，觀察結(jié)果，并簡單說明。t1=(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),titl

15、e(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)9. 已知方程組，用矩陣除法來解線性方程組。10已知，其中t的范圍是0 10，計算y的微分和積分并給出曲線圖。3設計內(nèi)容3.1 題一1. 已知t=linspace(0,2*pi,6)，求t的正弦和正弦的絕對值。 分析：linspace

16、 是用來生成一個等差數(shù)列的，形如x=linspace(a,b,n)作用就是將生成一個以a和b為斷點 共劃分為n個區(qū)間的向量。并且需要用到正弦、余弦以及絕對值函數(shù)，他們都存在matlab的基本函數(shù)庫matlab elfun里，直接調(diào)用就可以了。我們可以直接在Command window命令行輸入程序，運行即可，如圖：圖3.1-13.2題二2.繪制函數(shù)在時的曲線。分析：這道題目需要我們在0,1范圍內(nèi)繪制曲線，查書可知使用plot函數(shù)可以在Matlab中畫出二維圖形。在MATLAB中常用的二維圖形繪制及相關(guān)操作如下所示。（1）二維圖形繪制plot函數(shù)格式：plot(x,y)功能：輸入兩個數(shù)組的情況。

17、繪出以x數(shù)組中的元素作為橫坐標，y數(shù)組中的元素作為縱坐標的曲線。還可以使用plot(x,y1,y2,.)的命令格式，以x為向量（即橫軸），以y=y1,y2,為數(shù)據(jù)矩陣，且其中的y1,y2,為橫向量還是列向量都可以得出多條基于相同橫軸的曲（折）線。y的個數(shù)即為曲線的條數(shù)。此命令可以在同一張圖中繪制多條曲線。（2）subplot函數(shù)格式：subplot(m,n,p)功能：將圖形窗口分成nm個子圖形窗口，并選擇第p個窗口作為當前的圖形窗口，供繪制函數(shù)圖形使用。（3）添加圖形標題嗎命令title格式：title（string）功能：在當前坐標系的頂部加一個文本串string，作為該圖形的標題。（4）添

18、加坐標軸標志函數(shù)xlabel,ylable,zlable格式：xlabel(text)或ylable(text)或zlable(text)功能：給當前的X軸或Y軸或Z軸標注文本標注（5）圖形標注函數(shù)legend格式：legend（string1，string2，string3，）功能：在當前圖中添加圖例（6）文本注釋函數(shù)text格式：text（X,Y,string）功能：二維圖形（X,Y）位置處標注文本注釋string根據(jù)這些函數(shù)的作用，我們可以選擇plot函數(shù)。程序運行代碼如圖3.2-1所示 圖3.2-1程序運行結(jié)果如圖3.2-2所示圖3.2-23.3題三3.已知a=1,3,0;2,0,1;

19、4,6,5, a1=logical(1 0 1),a2= logical(1 1 0),b=a1,求a(a1,a2)和a(b)分析：logical(a)以一個數(shù)組的形式返回,可以用于邏輯索引或邏輯測試。因此題中：a1= 1 0 1,a2=1 1 0.b=a1為邏輯運算，矩陣a中，大于1的元素取1，不大于1的元素取0，則有b=.對于這個題目，可以建立一個M文件我們可以新建一個M文件來計算這道題，命名為th.M,程序輸入窗口如圖3.2-1 圖3.2-1最后，運行出來的結(jié)果如圖3.2-2圖3.2-23.4題四4.分析下面每條指令的功能并運行，觀察執(zhí)行結(jié)果。 （1）X=0:0.25:3;Y=X.*ex

20、p(-X);plot(X,Y),xlabel(x), ylabel(y),title(y=x*exp(-x);(2) A=zeros(2,5)A(:)=-4:5L=abs(A)4islogical(L)X=A(L)(3) A=1:5;6:10pow2(A)(4) A=zeros(3,2)A(:)=1:6A=A*(1+i)A1=A.;B1=A;(5) A=ones(2,3)B=ones(2)C=eye(4)D=diag(C)E=repmat(C,1,3)分析：（1）此題中需要用到繪制二維圖形的基本函數(shù)polt，常用形式為plot（x,y1,x,y2）。并用title(y=x*exp(-x)為他加

21、上圖形標題；以及用xlabel(x）為他加上x軸說明；和用ylabel(y)為他加上y軸說明。執(zhí)行結(jié)果：如圖3-4-1圖3.4-1圖（2） 1）分析：先用函數(shù)產(chǎn)生一個2行5列的零矩陣，然后給A從-4到5（步長為1）賦值，并判斷其絕對值是否大于4，若是值為1，否則為0。后面為判斷L是否為邏輯數(shù)組，若是值為1，否則為0。X為邏輯數(shù)組L對應為1的位置的數(shù)據(jù)是列向量。 2）執(zhí)行結(jié)果如圖3.4-2 圖3.4-2（3） 1）分析：A=1:5;6:10創(chuàng)建一個25的矩陣，其值大小從1至10依次遞增1；pow2(A) 將矩陣A中的每個值都變?yōu)?x，x為矩陣中的每個值。 2)程序運行結(jié)果如圖3.4-3圖3.4-

22、3（4） 1)分析：A=zeros(3,2)；A(:)=1:6；A=A*(1+i) 先創(chuàng)建一個32的矩陣，依次賦值1 至6，再將A2*(1+i)的值賦給A；A1=A.將A行列轉(zhuǎn)置后賦給A1; B1=A將A轉(zhuǎn)置后再取其共軛復數(shù)將其賦給B1。 2）程序運行結(jié)果如圖4.1-5所示。 圖3.4-4（5） 1）A=ones(2,3)產(chǎn)生一個23的全1矩陣；B=ones(2)產(chǎn)生一個二階的全1方陣；C=eye(4)產(chǎn)生一個四階的單位矩陣；D=diag(C)取C矩陣主對角線上的元素構(gòu)成向量D。E=repmat(C,1,3) 將矩陣復制13塊，構(gòu)成新的矩陣E。 2）程序的運行結(jié)果如圖4.1-6所示。圖3.4-

23、53.5題五1 計算在x=0.1與10處的值。分析：該題是求多項式在某一點的值。我們知道，在MATLAB中為我們提供了許多的關(guān)于多項式計算的函數(shù)。常見的及其作和用法如下所示。(1)多項式的表示n在MATLAB中，對多項式p(x)=+.+.用其系數(shù)的行向量p=來表示。（2）多項式求值函數(shù)polyval格式：y=polyval(p,x)功能：返回多項式p在x處的值。其中x可以是復數(shù)，也可以使數(shù)組（當p為矩陣多項式時，使用polyvalm函數(shù)）。（3）向量轉(zhuǎn)換為多項式函數(shù)poly2sym格式：y=poly2sym(p)功能：將向量p轉(zhuǎn)換為多項式顯然，此題我們要用的是polyval函數(shù)。其程序代碼及運

24、行結(jié)果如圖3.5-1所示。圖3.5-13.6題六2 求函數(shù), n=100的值。分析：由題可得，該數(shù)值的就算需要我們編寫M文件，利用循環(huán)機結(jié)構(gòu)while語句或者for語句，n的值由自己確定，本題中我們?nèi)=100。輸出時我們可以使用格式輸出函數(shù)fprintf。程序流程圖如下所示。開始s=0,i=1i=n?s=s+ ,i=i +1 結(jié)束NOYES程序代碼如圖3.6-1所示。圖3.6-1點擊,得到程序運行結(jié)果如圖3.6-2所示圖3.6-23.7題七7. 求1500個元素的隨機數(shù)向量A中大于0.5的元素個數(shù)。1）分析：首先我們因該利用rand函數(shù)產(chǎn)生1500個元素的隨機向量，我們可以將其定義為1501

25、0的矩陣。統(tǒng)計其中大于0.5的元素個數(shù)時，我們可以借助于for循環(huán)語句將矩陣中的每一個元素與0.5一一比較而統(tǒng)計個數(shù)。若其大于0.5，則N的值加一。最后輸出N的值即為我們所需要的結(jié)果。2）M文件程序代碼如圖3.7-1所示。圖3.7-1點擊，得到程序的運行結(jié)果如圖3.7-2所示。圖3.7-23.8題八8.用圖形表示連續(xù)調(diào)制波形,運行下面的程序，觀察結(jié)果，并簡單說明。t1=(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

26、,-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)1) 輸入M文件代碼程序，如圖3.8-1 圖3.8-12）點擊，程序運行結(jié)果如圖3.8-2所示3） 分析：t1是pi等分11份的一個矩陣，y1是將pi等分100份的矩陣，subplot意思是將函數(shù)圖分為四個子圖，p

27、lot（x，y，r.）中的r表示以紅色線輸出，小數(shù)點表示會以描點形式輸出。Axis()函數(shù)是表示繪圖時x與y的取值區(qū)間。Title函數(shù)表示子圖的標題。3.9題九9 已知方程組，用矩陣除法來解線性方程組。分析：用矩陣的除法來解線性方程組時，可以把方程組的系數(shù)用矩陣A表示，未知數(shù)X常數(shù)用矩陣表示，則有A*X=B,X=A/B1) 程序輸入如圖3.9-1 圖3.9-1 程序運行結(jié)果如圖3.9-2所示。圖3.9-23.10題十10 已知，其中t的范圍是0 10，計算y的微分和積分并給出曲線圖1） 分析：學習使用積分與微分函數(shù)int(f,a,b)表示在a到b積分；diff(f,a,b)表示在a到b的微分。

28、并利用ezplot函數(shù)繪圖。建立一個M文件，命名為jifenten.m,輸入程序，如圖3.10-1 圖3.10-12） 點擊，程序運行結(jié)果如圖3.10-2所示 圖3.10-2 4 課程設計心得在學習Matlab的過程中，我明白到了“實踐出真知”這句話的真諦了，在書上看到的內(nèi)容，如果不懂得話，我們可以把程序輸入代碼窗口，運行之后，看得出的結(jié)果，然后再加上書本上的講解，就很好理解了，相反，如果我們只是在那想著這個程序或者這個函數(shù)有什么功能，肯能想很長時間都不明白。另外，即使我們能夠看懂的程序或者是函數(shù)，不應該只局限于紙上談兵，也應該在Matlab軟件去運行，觀察結(jié)果，并且有可能發(fā)現(xiàn)新的問題，獲取更

29、多的知識。最開始學的時候，我只是啃著書本不放，不去電腦上去用Matlab軟件（即使裝的時候可是費了很多時間啊，老出錯），不僅很多看的不是很懂，而且沒有興趣沒看著看著就要睡覺。后來，我回到寢室，打開電腦，然后學習了一下Matlab軟件的一些操作和它的界面后，對Matlab如何使用有了初步的了解。于是，我便在上面開始輸入程序了，并且逐漸體會到Matlab那強大的功能。Matlab強大功能之一在于它對矩陣的操作能力上。它為我們提供了大量的關(guān)于矩陣運算的函數(shù)及某些特殊矩陣的生成函數(shù)，十分方便。其中有單位矩陣生成eyes函數(shù)，對角矩陣生成diag函數(shù)，行列式求值det函數(shù)，矩陣求逆inv函數(shù)等。有了這些函數(shù)及矩陣，我們可以輕松的解一些方程及線性方程組。