Matlab程序設(shè)計.ppt

1、1,matlab的程序設(shè)計, matlab語言稱為第四代編程語言，程序簡潔、可讀性很強而且調(diào)試十分容易。 是matlab重要組成部分。,2,m文件簡介,用戶如想靈活應(yīng)用matlab去解決實際問題，充分調(diào)用matlab的科學(xué)技術(shù)資源，就需要編輯m文件 包含matlab語言代碼的文件稱為m文件，其擴展名為m。 編輯m文件可使用各種文本編輯器。,3,一、matlab的工作模式,指令驅(qū)動模式 通常matlab以指令驅(qū)動模式工作，即在matlab 窗口下當用戶輸入單行指令時，matlab 立即處理這條指令，并顯示結(jié)果，這就是matlab命令行方式。 命令行操作時，matlab窗口只允許一次執(zhí)行一行上的一

2、個或幾個語句。,4,命令行方式程序可讀性差，而且不能存儲，對于復(fù)雜的問題，應(yīng)編寫成能存儲的程序文件。 m文件模式 將matlab語句構(gòu)成的程序存儲成以m為擴展名的文件，然后再執(zhí)行該程序文件，這種工作模式稱為程序文件模式。 程序文件不能在指令窗口下建立，因為指令窗口只允許一次執(zhí)行一行上的一個或幾個語句。,5,m文件編輯器缺省設(shè)置是 c:windowsnotepad.exe 還可設(shè)成：c:windowswrite.exe c: c:program fileofficewinword.exe 注意：所創(chuàng)建的m文件必須納入matlab搜索路 徑后，才能在matlab命令窗口運行。,6,函數(shù)與M文件,二

3、、函數(shù)文件 函數(shù)接收輸入?yún)?shù)，返回輸出參數(shù)。函數(shù)文件也是以“.m”為擴展名。 三、程序文件與函數(shù)文件的主要區(qū)別 函數(shù)允許通過數(shù)值進行參數(shù)傳遞，而且函數(shù)使用局部變量而不是全局變量操作。 函數(shù)文件的第一行必須包括“function”這個關(guān)鍵字。函數(shù)文件的文件名必須和函數(shù)定義的函數(shù)名稱相同。,7,MATLAB的函數(shù)M文件通常由以下幾個部分組成 (1) 函數(shù)定義行 函數(shù)M文件的第一行用關(guān)鍵字“function”把M文件定義為一個函數(shù)并指定它的名字，并且與文件名必須相同，同時定義了函數(shù)的輸入和輸入?yún)?shù)。輸入?yún)?shù)的定義用小括號（），如果有多個輸入?yún)?shù)則用逗號分隔；輸出參數(shù)的定義用中括號，如果有多個輸出參數(shù)

4、則用逗號分隔。 (2)函數(shù)幫助文本 幫助文本指位于H1行之后函數(shù)體之前的說明文本，它同樣以“%”符號開頭，一般用來比較詳細地介紹函數(shù)的功能和用法。在命令窗口用help命令時將顯示函數(shù)的H1行和所有幫助文本 (3)函數(shù)體 是函數(shù)的主體部分，包括進行運行和賦值操作的所有MATLAB程序代碼，其中可以有流程控制、輸入輸出、計算、賦值、注釋以及函數(shù)調(diào)用等操作。 (4)注釋 除了函數(shù)開始獨立的幫助文本外，還可以在函數(shù)體中添加對語句的注釋。注釋必須以“%”符號開頭，MATLAB在編譯執(zhí)行M文件時把每一行中“%”后面的全部內(nèi)容作為注釋不進行編譯。,8,函數(shù)的基本結(jié)構(gòu),9,函數(shù)文件在運行過程中產(chǎn)生變量都存放在

5、函數(shù)本身的工作空間中。 當文件執(zhí)行完最后一條命令，或遇到return命令時結(jié)束函數(shù)的運行，同時函數(shù)工作空間的變量被清除。 函數(shù)的工作空間隨具體的M函數(shù)文件調(diào)用而產(chǎn)生，隨調(diào)用結(jié)束而刪除，是獨立的、臨時的，在MATLAB運行過程中可以產(chǎn)生任意多個臨時的函數(shù)空間。,M文件的函數(shù)通過函數(shù)調(diào)用才會被執(zhí)行，函數(shù)執(zhí)行時：,10,例：在M文件編輯/調(diào)試器窗口中編寫計算二階系統(tǒng)時域響應(yīng)的M函數(shù)文件，并在命令窗口調(diào)用該文件。,（1）編寫函數(shù)代碼,function y=ex0502(zeta) %ex0502畫二階系統(tǒng)時域曲線 x=0:0.1:20; y=1-1/sqrt(1-zeta2)*exp(-zeta*x)

6、.*sin(sqrt(1-zeta2)*x+acos(zeta); plot(x,y),（2）在命令窗口,y=ex0502(0.1),（1）輸入阻尼系數(shù)，輸出時域響應(yīng)；（2）函數(shù)文件調(diào)用結(jié)束后查看x,y (3)運行時在plot(x,y)行設(shè)置斷點，查看變量,11,子函數(shù) 一個M文件中可以定義多個函數(shù)，其中第一個定義的函數(shù)稱為主函數(shù)，主函數(shù)名必須與M文件名相同，其它函數(shù)稱為子函數(shù)；子函數(shù)只能被定義它的文件中的函數(shù)調(diào)用，其它函數(shù)和文件不能調(diào)用；同一文件的主函數(shù)和子函數(shù)變量工作空間相互獨立；help和lookfor命令不提供子函數(shù)幫助信息。,私有函數(shù) 存放在private子目錄中的M函數(shù)文件，具有性

7、質(zhì)：在private目錄下的私有函數(shù)，只能被其父目錄的M函數(shù)文件調(diào)用，對其他目錄的文件私有函數(shù)是不可見的，可以和其他目錄下的函數(shù)重名；私有函數(shù)父目錄的M腳本文件也不可調(diào)用私有函數(shù)；在函數(shù)調(diào)用搜索時，私有函數(shù)優(yōu)先于其他MATALB路徑上的函數(shù)。,調(diào)用函數(shù)搜索順序 查找是否子函數(shù) 查找是否私有函數(shù) 從當前路徑搜索此函數(shù) 從搜索路徑中搜索此函數(shù),12,例：將畫二階系統(tǒng)時域曲線的函數(shù)作為子函數(shù)，編寫畫多條曲線的程序,function Ex0511() %使用函數(shù)調(diào)用繪制二階系統(tǒng)時域響應(yīng) z1=0.3; ex0502(z1); hold on z1=0.5; ex0502(z1); z1=0.7; ex

8、0502(z1);,主函數(shù)是Ex0511，子函數(shù)是ex0502，在主函數(shù)中3次調(diào)用子函數(shù),exp2_9.m,13,局部變量和全局變量,（1）局部變量是在函數(shù)體內(nèi)部使用的變量，其影響范圍只能在本函數(shù)內(nèi)，僅存在于函數(shù)的工作空間內(nèi)，只在函數(shù)執(zhí)行期間存在，函數(shù)執(zhí)行完變量消失。 （2）全局變量是可以在不同函數(shù)工作空間和MATLAB工作空間中共享使用的變量。在使用前必須用global定義，而且每個要共享全局變量的函數(shù)和工作空間，都必須逐個用global對變量加以定義。,exp2_10.m,14,例：修改Ex0511，在主函數(shù)和子函數(shù)中使用全局變量,function Ex0512() global X X=

9、0:0.1:20; z1=0.3; ex0502(z1); hold on z1=0.5; ex0502(z1); z1=0.707; ex0502(z1),function y=ex0502(zeta) global X y=1-1/sqrt(1-zeta2)*exp(-zeta*x).*sin(sqrt(1-zeta2)*x+acos(zeta); plot(X,y),在需要使用的主函數(shù)和子函數(shù)中都需要定義,注意：由于全局變量在任何定義過的函數(shù)中都可以修改，因此不提倡使用全局變量；使用時必須十分小心，建議定義在函數(shù)體的開始，用大寫字符命名,15,函數(shù)的參數(shù),在MATLAB中，函數(shù)具有自己的

10、工作空間，函數(shù)內(nèi)變量與外界的唯一聯(lián)系就是通過函數(shù)的輸入/輸出參數(shù)。輸入?yún)?shù)在函數(shù)中的任何變化，都僅在函數(shù)內(nèi)進行，不會傳遞回去。,1.參數(shù)傳遞規(guī)則：,例：將Ex0511畫二階系統(tǒng)時域的函數(shù)修改，使用輸入/輸出參數(shù)來實現(xiàn)參數(shù)傳遞。,16,function Ex0513() %參數(shù)傳遞繪制二階系統(tǒng)時域響應(yīng) z1=0.3; x1,y1=ex0502(z1); plot(x1,y1) hold on z1=0.5; x2,y2=ex0502(z1); plot(x2,y2) z1=0.7; x3,y3=ex0502(z1); plot(x3,y3),function x,y= ex0502(zeta)

11、x=0:0.1:20; y=1-1/sqrt(1-zeta2)*exp(-zeta*x).*sin(sqrt(1-zeta2)*x+acos(zeta);,17,1.函數(shù)參數(shù)的個數(shù)：,MATLAB函數(shù)的調(diào)用有一個與其他語言不同的特點：函數(shù)的輸入/輸出參數(shù)的數(shù)目都可以變化，用戶可以根據(jù)參數(shù)的個數(shù)來編程。 （1）nargin變量和nargout變量。 nargin %在函數(shù)體內(nèi)獲取實際輸入變量個數(shù) nargout %在函數(shù)體內(nèi)獲取實際輸出變量個數(shù) nargin(fun) %在函數(shù)體外獲取定義的輸入?yún)?shù)個數(shù) nargout(fun) %在函數(shù)體外獲取定義的輸出參數(shù)個數(shù),18,例：計算2個數(shù)的和，根據(jù)

12、輸入的參數(shù)個數(shù)不同使用不同的運算表達式。,function sum=Ex0514(x,y) if nargin=1 sum=x+0; else if nargin=0 sum=0; else sum=x+y end end,sum=Ex0514(1,2) sum=Ex0514(1) sum=Ex0514(1,2,3) nargin(Ex0514),19,function sum=Ex0514(x,y) if nargin=1 sum=x+0; else if nargin=0 sum=0; else sum=x+y end end if nargout=0 sum=0 end,Ex0514(2

13、,3),y=Ex0514(2,3),y,n=Ex0514(2,3),20,可變輸入輸出個數(shù),【例2-20】 可以計算兩個多項式的積 用 varargin 實現(xiàn)任意多個多項式的積,21,inline函數(shù)與匿名函數(shù),有時，為了描述某個數(shù)學(xué)函數(shù)的方便，可以用inline( )函數(shù)直接編寫該函數(shù)。形式相當于前面介紹的M-函數(shù)，但無需編寫一個真正的Matlab文件，就可以描述出某種數(shù)學(xué)關(guān)系。 注意：不支持結(jié)構(gòu)復(fù)雜的語句結(jié)構(gòu)，只支持一個語句就能求出的函數(shù)值形式,22,inline 函數(shù)，可以免去文件 MATLAB 7.0,f=inline(sin(x.2+y.2),x,y),23,一、 MATLBA程序的

14、基本設(shè)計原則 1、后面的內(nèi)容是程序的注解，要善于運用注解使程序更具可讀性。 2、養(yǎng)成在主程序開頭用clear指令清除變量的習慣，以消除工作空間中其他變量對程序運行的影響。但注意在子程序中不要用clear。 3、參數(shù)值要集中放在程序的開始部分，以便維護。要充分利用MATLAB工具箱提供的指令來執(zhí)行所要進行的運算，在語句行之后輸入分號使其及中間結(jié)果不在屏幕上顯示，以提高執(zhí)行速度。,24,4、input指令可以用來輸入一些臨時的數(shù)據(jù)；而對于大量參數(shù)，則通過建立一個存儲參數(shù)的子程序，在主程序中用子程序的名稱來調(diào)用。 5、程序盡量模塊化，也就是采用主程序調(diào)用子程序的方法，將所有子程序合并在一起來執(zhí)行全部

15、的操作。 6、充分利用Debugger來進行程序的調(diào)試（設(shè)置斷點、單步執(zhí)行、連續(xù)執(zhí)行），并利用其他工具箱或圖形用戶界面（GUI）的設(shè)計技巧，將設(shè)計結(jié)果集成到一起。 7、設(shè)置好MATLAB的工作路徑，以便程序運行。,25,8、MATLAB程序的基本組成結(jié)構(gòu) 說明 清除命令：清除workspace中的變量和圖形（clear,close） 定義變量：包括全局變量的聲明及參數(shù)值的設(shè)定 逐行執(zhí)行命令：指MATLAB提供的運算指令或工具箱提供的專用命令 控制循環(huán) ：包含for,if then,switch,while等語句 逐行執(zhí)行命令 end 繪圖命令：將運算結(jié)果繪制出來 當然更復(fù)雜程序還需要調(diào)用子程序

16、，或與simulink以及其他應(yīng)用程序結(jié)合起來。,26,matlab的程序結(jié)構(gòu),matlab語言的程序結(jié)構(gòu)與其它高級語言是一致的，分為順序結(jié)構(gòu)，循環(huán)結(jié)構(gòu)，分支結(jié)構(gòu)。 (1).順序結(jié)構(gòu) 依次順序執(zhí)行程序的各條語句 (2).循環(huán)結(jié)構(gòu) 被重復(fù)執(zhí)行的一組語句，循環(huán)是計算機解決問題的主要手段。 （3）條件轉(zhuǎn)移 （4）開關(guān)結(jié)構(gòu) （5）試探結(jié)構(gòu)（新）,27,循環(huán)結(jié)構(gòu),for 結(jié)構(gòu) while 結(jié)構(gòu),28,步長缺省值為1，可以在正實數(shù)或負實數(shù)范圍內(nèi)任意指定。對于正數(shù)，循環(huán)變量的值大于終止值時，循環(huán)結(jié)束；對于負數(shù)，循環(huán)變量的值小于終止值時，循環(huán)結(jié)束。循環(huán)結(jié)構(gòu)可以嵌套使用。 書寫格式不必太過于拘泥，在Editor

17、編輯器中會自動進行處理。,1、for循環(huán)語句 基本格式 for 循環(huán)變量起始值：步長：終止值 循環(huán)體 end,29,求 的值,30, while end 循環(huán) while循環(huán)將循環(huán)體中的語句循環(huán)執(zhí)行不定次數(shù)。 語法為：while 表達式 循環(huán)體語句 end 表達式一般是由邏輯運算和關(guān)系運算以及一般運算組成的，以判斷循環(huán)的進行和停止；只要表達式的值 非0，繼續(xù)循環(huán)；直到表達式值為0，循環(huán)停止。,31,While循環(huán)和for循環(huán)的區(qū)別在于，while循環(huán)結(jié)構(gòu)的循環(huán)體被執(zhí)行的次數(shù)不是確定的，而for結(jié)構(gòu)中循環(huán)體的執(zhí)行次數(shù)是確定的。,32,例 求滿足 的最小 值,while循環(huán),for語句,編寫函數(shù)供

18、以后調(diào)用,33,從鍵盤輸入若干個數(shù)，當輸入為0時結(jié)束輸入，求這些數(shù)的平均值和它們的和。 分析：數(shù)字的數(shù)目不確定，0為循環(huán)結(jié)構(gòu)的結(jié)束條件，因此選用while結(jié)構(gòu)實現(xiàn),例exp2_22.m,與循環(huán)語句相關(guān)的還有break語句，當在循環(huán)體內(nèi)執(zhí)行到該語句時，則程序?qū)o條件跳出本層循環(huán)。,34,轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu),35,這種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了一種多路選擇，比較復(fù)雜。可替代一般高級語言中的switch-case-end語句,36,計算分段函數(shù) 的值。 求分段函數(shù) 的值,例exp2_18.m,例exp2_19.m,37,例：根據(jù)阻尼系數(shù)繪制不同二階系統(tǒng)的時域響應(yīng)（調(diào)用子函數(shù)），,當,時,時,當,時,當,38,function

19、 y=Ex0516(z1) t=0:0.1:20; if (z1=0) else y=plotxy3(z1,t) end,function y1=plotxy1(zeta,x) y1=1-(1/sqrt(1-zeta2)*exp(-zeta*x).*sin(sqrt(1-zeta2)*x+acos(zeta); plot(x,y1),function y2=plotxy2(zeta,x) y2=1-exp(-x).*(1+x); plot(x,y2),function y3=plotxy3(zeta,x) y3=1-1/(2*sqrt(zeta2-1)*(exp(-(zeta-sqrt(zet

20、a2-1)*x)./(zeta-sqrt(1-zeta2). -exp(-(zeta+sqrt(zeta2-1)*x)./(zeta+sqrt(1-zeta2); plot(x,y3),y=Ex0516(0.3) hold on y=Ex0516(0.707) y=Ex0516(1.3),39,例：編寫的繪制二階系統(tǒng)時域響應(yīng)曲線中的調(diào)用各子函數(shù),改為利用函數(shù)句柄實現(xiàn)。,function y=Ex0521(z1) t=0:0.1:20; h_plotxy1=str2func(plotxy1) h_plotxy2=str2func(plotxy2) h_plotxy3=str2func(plotx

21、y3) if (z1=0) end,40,開關(guān)結(jié)構(gòu),41,42,使用開關(guān)語句結(jié)構(gòu)時注意,當開關(guān)表達式的值等于表達式1時，將執(zhí)行語句段1，執(zhí)行完語句段1后轉(zhuǎn)出開關(guān)體，無需像C語言那樣在下一個case語句前加break。 當需要在開關(guān)表達式滿足若干個表達式之一時執(zhí)行某一程序段，則應(yīng)該把這樣的表達式用大括號括起來，中間用逗號分隔（實際上是定義單元結(jié)構(gòu)） 當前面枚舉的各表達式均不滿足時，將執(zhí)行otherwise語句后面的語句段，此語句等價于C語言中default語句。 程序的執(zhí)行結(jié)果和各個case語句的次序無關(guān)（當兩個case語句包含同樣的條件，執(zhí)行結(jié)果則和這兩個語句的順序有關(guān)）。 在case語句引導(dǎo)

22、的各個表達式中，不要用重復(fù)的表達式，否則列在后面的開關(guān)通路將永遠不能執(zhí)行。,43,和 C 語言的區(qū)別,當開關(guān)表達式的值等于某表達式，執(zhí)行該語句后結(jié)束該結(jié)構(gòu)，不用 break 同時滿足若干個條件之一，則用單元形式 otherwise 語句，不是 default 程序的執(zhí)行結(jié)果和各個case順序無關(guān) case 語句中條件不能重復(fù)，否則列在后面的條件將不能執(zhí)行,44,通過鍵盤輸入百分制成績，輸出成績的等級。 分析，這是典型的多分支結(jié)構(gòu)問題，可以用switch-case結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。程序中90-100分用字符A表示，80-89用字符B表示，70-79用字符C表示，60-69用字符D表示，60分以下用字符E

23、表示，n為鍵盤輸入的成績分數(shù),例exp2_21.m,45,試探結(jié)構(gòu),全新結(jié)構(gòu),本語句結(jié)構(gòu)首先試探性地執(zhí)行語句段1，若出錯，則將錯誤信息給保留的lasterr變量，放棄這段語句，轉(zhuǎn)而執(zhí)行語句段2中的語句，這種新的語句結(jié)構(gòu)是C語言所沒有的。當試探結(jié)構(gòu)運行結(jié)束后，可以調(diào)用lasterr函數(shù)查詢出錯原因，空字符表示執(zhí)行成功。, A=1,2,3;4,5,6; B=7,8,9;10,11,12; try C=A*B; catch C=A.*B; end C,46,循環(huán)程序的等價形式,從程序執(zhí)行的角度考慮，循環(huán)程序是重復(fù)執(zhí)行某一段程序，因此一般執(zhí)行時間較長，從節(jié)省時間角度，給出一些循環(huán)程序的等價形式的特例。

24、 一般情況下，如果要確切考察程序的執(zhí)行時間，可在程序開頭啟動定時器tic，在程序結(jié)束讀出定時器的時間toc,47,1、數(shù)組運算的應(yīng)用 MATLAB的基本數(shù)據(jù)單元為數(shù)組，定義了矩陣運算和數(shù)組運算兩種運算，因此考慮兩種運算的原理，循環(huán)程序在一些特殊情況下可以用數(shù)組運算代替。 例：求1100的平方，平方根和立方根。,例exp2_25.m,例exp2_26.m,48,2、邏輯數(shù)組的應(yīng)用 例. 編程求3階魔方矩陣大于等于5的元素的平方根 方法一：應(yīng)用二重循環(huán)程序?qū)崿F(xiàn) 方法二：應(yīng)用邏輯數(shù)組實現(xiàn),例exp2_27.m,例exp2_28.m,49,例. 編程求3階魔方矩陣大于等于5的元素的平方根，同時對小于5

25、的元素求平方 方法一：應(yīng)用二重循環(huán)程序?qū)崿F(xiàn) 方法二：應(yīng)用邏輯數(shù)組實現(xiàn),例exp2_29.m,例exp2_30.m,50,程序性能剖析窗口,使用該窗口對命令運行時間進行分析，找出瓶頸進行改寫，直到報告表明絕大多數(shù)運行時間花費在MATLAB內(nèi)部函數(shù)上。,（1）打開窗口。選擇菜單View-Profiler （2）在命令欄中輸入需要剖析的命令，單擊start profiling （3）查看剖析報告，從上至下按占用時間排列，查看詳細內(nèi)容,exp2_29，exp2_30輸入profiler命令窗口查看明細,51,常用的編程命令（例exp2_8.m）,pause：停止m文件的執(zhí)行直至有鍵按下。pause(n

26、)將使程序暫停n秒。 echo on/off：控制是否在屏幕上顯示程序內(nèi)容。 keyboard：停止程序執(zhí)行，把控制權(quán)交給鍵盤。輸入return并回車后繼續(xù)程序執(zhí)行。 x=input(prompt)：把輸入的字符串作為提示符，等待使用者輸入一個響應(yīng)，然后把它賦值到x。,52,五、matlab程序流的控制,matlab的控制語句同c語言有相似之處, 但沒有c 語言復(fù)雜、靈活和多變。因而語法比較簡單，容易掌握。 echo 指令 用來控制m文件在執(zhí)行過程中是否 顯示 echo on 打開所有命令文件的顯示方式 echo off 關(guān)閉所有命令文件的顯示方式 echo 在以上兩者間切換,53,input 提示用戶從鍵盤輸入數(shù)值、字符串、表達式。 例：n=input(How many apples= ) How many apples= 5 n = 5 pause 暫停，等待用戶響應(yīng) 可令m文件執(zhí)行暫停，并在繼續(xù)執(zhí)行前按任一個鍵 。語法：pause ，pau