MATLAB应用基础实验讲义.docx
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MATLAB应用基础实验讲义
[实验题目一]MATLAB开发环境
一、实验目的
（1）了解MATALB语言的主要特点。
（2）熟悉MATLAB的用户界面和基本操作。
（3）初步掌握命令窗和文本编辑器的操作方法。
（4）了解MATLAB的帮助系统。
二、MATLAB简介
MATLAB（MatrixLaboratory矩阵实验室），是美国Mathworks公司于1984年推出的一种科学计算软件，是一种以矩阵运算为基础的交互式程序语言，将高性能的数值计算和可视化集成在一起，是一种功能强大的分析、计算及可视化工具，广泛应用于科学计算、系统控制以及信息处理等领域。
MATLAB语言简单易学，容易使用，库函数丰富；程序设计自由度大，可移植性好，源程序开放，可扩展性强；图形功能强大；具有功能强大的工具箱和帮助系统。
1．MATLAB工作环境
（1）MATLAB系统的启动与退出
在Windows桌面上双击MATLAB图标，进入MATLAB主界面。
在MATLAB的命令窗口输入“exit”或“quit”或者关闭MATLAB窗口都可退出MATLAB。
（2）MATLAB的用户界面
MATLAB的用户界面主要由以下部分组成：
●菜单栏
●工具栏
●命令窗口
在命令窗下键入一条命令，按Enter键，该命令被立即执行并显示结果。
命令窗中的快捷键：
“↑”：
调出前一个命令行。
“↓”：
调出后一个命令行。
“Esc”：
清除当前行。
“Ctrl+C”：
中断正在执行的命令。
命令窗中的控制命令：
clc：
清空命令窗口中显示的内容。
●命令历史窗口
显示命令的历史记录，双击该窗口中的某条命令，可立即执行该命令。
●当前路径窗口
显示当前工作在什么路径下。
●工作空间窗口
用于显示当前MATLAB变量的名称，数值，数据结构，类型。
常用命令：
clear：
删除工作空间中的变量。
whos：
查看MATLAB内存变量的名称、大小、字节数和类型。
save：
把工作空间的数据存放到mat数据文件中。
load：
把数据文件中的变量加载到工作空间。
（3）M文件编辑器
M文件编辑器是用于编写MATLAB程序文件（M文件）的文本编辑器。
在MATLAB菜单栏中选择“File|New/M-file”命令或工具栏中点击“NewM-file”图标，可打开M文件编辑器。
编辑的文件保存为扩展名为“.m”的文件，在命令窗口中输入文件名即可运行该M文件。
2．MATLAB的帮助系统
使用帮助浏览器，打开方法：
利用菜单栏的“help”或点击工具栏的“？
”图标。
使用helpwin”或”helpdesk”命令。
使用帮助命令：
help命令名；可获得某条命令的帮助信息（用法说明）。
例如：
helpstem可得到“stem”命令（函数）的帮助信息。
help类型名；可分类搜索帮助信息。
例如：
helpdatafun可得到“数据分析和傅里叶变换”的所有命令。
Demos演示，提供演示实例，打开方法：
选择菜单命令“Help---Demos”
命令窗口中运行Demos命令。
三、实验内容
1．运行MATLAB7.0软件，熟悉MATLAB用户界面。
2．熟悉MATLAB7.0的常用窗口及功能。
3．查看MATLAB7.0的菜单栏及工具栏的内容及功能。
4．学习命令窗口、工作空间窗口和文本编辑器的常用操作。
5．使用帮助系统，查看帮助信息。
6．使用帮助命令，查看”demo”命令的帮助信息。
打开demos窗口，查看演示结果。
[实验题目二]MATLAB基本运算
一、实验目的
（1）了解MATALB的变量、函数和表达式。
（2）熟悉MATLAB数组、矩阵的创建方法。
（3）掌握数组运算、矩阵运算、关系运算、逻辑运算等基本运算及常用函数的使用。
二、实验原理（MATLAB的基本运算介绍）
（一）MATALB的变量、函数和表达式
MATALB的变量和常量都是数组（或矩阵）的形式存在，且每个元素可以是复数。
MATALB提供各种类别的函数，除了基本的数学函数外，还提供了多种专门功能的工具箱函数。
MATALB的表达式由变量、数值、函数及运算符构成。
例如：
（12+2*（8-5））/3^2%（12+2×（8-5））/32
a=5；b=[1,2,3]；c=3+2*a-max（b）
a=sin（pi/2）+sqrt（9）%a=sin（π/2）+
t=2,a=exp（-t）%a=e-t
（二）MATALB的常用数据类型
数值型：
整数（int、uint）、浮点数（double（64位）、float（32位））、复数（a+bi）、
无穷大数（inf、-inf）。
MATALB默认的数据类型是double。
逻辑型：
只有0和1两种状态。
a=5;b=a>3。
a为double型，b为logical型。
字符串型：
c=’student’。
（三）MATALB的数组和矩阵运算
1.数组（矩阵）的创建
数组的直接创建：
a=[12345]a=[1,2,3,4,5]a=[1;2;3;4;5]a=[1,1+2i,2+3i]n=0:
5
b=[1,2,3;4,5,6]%生成2×3的二维数组（矩阵）c=b’%c是b的转置
用函数生成数组：
ones（2,3）%生成一个2×3的1数组
zeros（3,2）%生成一个3×2的0数组
eye（n）%生成一个n×n的单位矩阵
rand（2,3）%生成一个2×3均匀分布随机矩阵
randn（2,3）%生成一个2×3正态分布的随机矩阵
2.数组（矩阵）基本操作
数组寻址；a=[123456]a
（2）a（2:
5）a（4:
end）%a
（2）=2a（2:
5）=[2345]
a=[123;456]a（3）a（2,3）%a（3）=2a（2,3）=6
数组的扩展和提取x=[123;456]x（3,3）=10%x扩展为3×3
a=ones（2,2）b=zeros（2,2）c1=[a,b]c2=[a;b]%扩展
a=[123;456;789]b=a（1:
2,2:
3）%提取a的前2行的后2列形成b
按列拉长：
c=a（:
）
数组元素的删除a=rand（4,4）a（3,:
）=[]%删除a的第3行
a=rand（4,4）a（:
[1,3]）=[]%删除a的第1和第3列
数组操作函数：
[m,n]=size（X）：
%求数组（矩阵）的大小，m和n分别是X的行数和列数。
n=length（X）：
%n是X的行数和列数中较大的一个。
reshape（A,m,n）：
%返回一个m×n的矩阵，其元素是以列方式从A中获得。
3.数组运算
MATLAB数组的加、减、乘、除和幂运算是对应元素的运算，运算符分别为“+”、“—”、“.*”
“./”和“.^”。
a=3*ones（3,3）;b=2*ones（3,3）
c1=a+bc2=a-bc3=a.*bc4=a./bc5=a.^2c6=2.^aa.^b
4.矩阵运算
矩阵运算采样线性代数的运算方式。
MATLAB矩阵的加、减、乘、除和幂运算的运算符分别为“+”、“—”、“*”、“/”、“\”、和“^”。
a=eye
（2）b=[1,2;3,4]c=a*b
a=[12;34]b=[56;78]x=a/bx*b
c=a^3
（四）MATALB的关系运算和逻辑运算
1.关系运算
MATLAB的关系运算符有“<”、“<=”、“>”、“>=”、“==”、“~=”，
用于比较大小相同的二个数组，或比较一个数组和一个标量，返回的结果为0或1。
a=1:
9;b=[1:
3,1:
6]
c=a>5c=b<=2a==ba~=b
2.逻辑运算
MATLAB的逻辑运算符有“&”、“|”、“~”、“xor”（与、或、非、异或）。
a=1:
5;c=~（a>3）
c=（a>2）&（a<=3）
a=[10;01];b=ones
（2）;c1=a|b,c2=xor（a,b）
3.关系和逻辑运算函数
all、any、find
a=[01;23]
all（a）
any（a）
a=0:
3
find（a>2）
b=eye（3）
find（b==0）
三、实验内容
1.简单的赋值及运算
在命令窗口输入以下命令，观察每条语句的输出结果，理解每一条语句的含义。
（1）a=10
b=a*10+10^2
（12+2*（8-5））/3^2
c=2*sin（pi/2）+sqrt（9）
n=0:
15
m=0:
2:
10
（2）x=[1,3,5,0,2]
x
（1）
y=[123;456;789]
y（2,3）
y（4）
y（3,:
）
y（3,:
）=[sqrt（9）,（4+5）*3/6,-7]
y1=y（1:
2,2:
3）,y2=y（[1,3],[1,3]）
y3=y1（:
）,y4=y3’
a=ones（2,2）,b=zeros（2,2）
c=[a,b]
（3）A=[135],B=[246]
C=A+B
D=abs（A-2）
E1=A*3
E2=A.*B
E3=B./A
E4=A.^2
（4）a=eye
（2）,b=[1,2;3,4]
c1=a*b
c2=a^3
（5）a=1:
9,b=[1:
3,1:
6]
c1=a>5
c2=b<=2
a==b
a~=b
c3=（a>2）&（a<=3）
a=[10;01],b=ones
（2）
c4=xor（a,b）
（6）c=ones（3,2）
[m,n]=size（c）
a=randn（2,3）
n=length（b1）
c1=reshape（b2,3,2）
b3=eye（3）
find（b3==0）
2.练习题
（1）生成一个3×3的均匀分布的矩阵，将其对角线元素的值加3.
（2）计算序列x1=3sin（πn/4）（0≤n≤15）。
（3）生成一个4×5的矩阵，创建由该矩阵第1、3行，第1、3、5列元素构成的矩阵。
（4）计算序列x2=1+2cos（πn/4）（0≤n≤15）。
（5）生成一个3×3的均匀分布的矩阵，求其元素值大于0.5并且小于0.8的元素索引。
[实验题目三]MATLAB的程序结构
一、实验目的
（1）熟悉MATLAB语言的顺序结构、循环结构和分支结构。
（2）掌握MATLAB语言的循环语句、分支语句等使用方法。
二、实验原理（MATLAB的程序结构）
1．顺序结构
2．循环结构
（1）forend循环
这种方式允许一组命令以固定和预定的次数重复，其结构为：
for循环变量=开始值：
增量：
结束值
commands
end
【例3-1】：
fori=1:
10
y（i）=i;
end
y=
12345678910
循环变量可以为数组，每次循环变量是数组的一列。
For循环可以嵌套使用。
【例3-2】：
s=0;
forx=[1,10,100]
s=s+x;
end
s=
111
（2）whileend循环
这种方式循环次数不定，当表达式为真时，执行while和end之间的命令，其结构为：
while表达式
commands
end
【例3-3】：
s=0;n=0;
whiles<100
n=n+1;s=s+n;
end
n=n-1
n=
13
3．分支结构
（1）ifend结构
If逻辑表达式
commands
end
【例3-4】：
n=10；
cost=10;
ifn>8
sum=n*cost*0.95;
end
（2）if-else-end结构
If表达式
表达式为真时的commands1
else
表达式为假时的commands2
end
当程序包含多个选择时，采用以下结构：
If表达式1
表达式1为真时的commands1
elseif表达式2
表达式2为真时的commands2
else
Commands3
end
4、其他流程控制语句
input、break、pause、echo等语句。
三、实验内容
1．阅读并输入实验原理中的例题程序，观察并分析输出结果，理解每一条语句的含义。
2.输入以下命令，观察并分析输出结果，理解每一条语句的含义。
（1）form=1:
3
forn=1:
5
a（m,n）=m+n;
end
end
a
（2）x=1
forn=2:
10
x=x*n;
ifx>=100
break
end
end
x,n
3.练习题
（1）计算S=12+22+32+…302
（2）计算n!
<1000的最大的n值。
[实验题目四]M文件的编写与调试
一、实验目的
（1）熟悉M脚本文件（命令文件）和函数文件的结构。
（2）掌握M脚本文件的编写与调试。
（3）掌握M函数文件的编写与调用。
二、实验原理（M脚本文件和函数文件）
MATLAB作为科学计算软件，不仅具有强大的数值计算、数据可视化功能，而且具有强大的程序设计功能。
通过编写扩展名为.m的M文件，用户可实现各种复杂的功能。
1.M脚本文件（命令文件）
M脚本文件（命令文件）是按用户意图而排列的MATLAB命令集合，通常由正文（实现特定功能）和注释部分（代码说明，不予执行）构成。
文件运行后，所有变量均是全局变量，一直保存在MATLAB工作空间中（除非用clear命令删除）。
用下面的例子来说明M命令文件的编写与运行。
【例4-1】：
显示曲线x（t）=3sin（2πt）,t>0
（1）在MATLAB菜单栏或工具栏中点击NewM-file，打开文本编辑器。
（2）输入以下命令：
%program1.mThisismyfirstexample.
t=0:
0.05:
3;%建立时间数组
x=2*sin（2*pi*t）;%生成函数
plot（t,x）;%以t为横坐标、x为纵坐标作连续信号x（t）的曲线.
title（'x（t）=3sin（2πt）'）;%标注图名
xlabel（'t'）;%标注横坐标
ylabel（'x（t）'）;%标注纵坐标
（3）选File|Save命令或点击“保存图标（save）”，输入文件名program1，将文件保存。
（4）在MATLAB命令窗口输入文件名“program1”（或Debug→Run），程序运行，可观察到波形曲线。
2.M函数文件
M函数文件的第一行以function开始，说明此文件就是一个函数。
函数文件内定义的变量是局部变量，执行完函数文件后，这些变量将被清除。
函数文件形式为：
function[out1,out2…]=funname（in1,in2,…）
functiony=funname（x）
functionfunname（x）
functionfunname
【例4-2】:
编写函数文件，求向量元素的平均值。
（1）打开MATLAB的M文件编辑器，输入以下命令。
functiony=avg（a）
y=sum（a）/length（a）;
（2）保存文件avg.m，该文件定义了名为avg的新函数。
（3）在命令窗运行以下命令，求1~100的平均值。
avg（1:
100）
ans=
50.5000
【例4-3】：
编写函数文件stat.m,求向量元素的均值和方差。
function[mean,stdev]=stat（x）
%STATInterestingstatistics
n=length（x）;
mean=sum（x）/n;%计算均值
stdev=sqrt（sum（（x-mean）.^2）/n）;%计算方差
或者：
function[mean,stdev]=stat（x）
n=length（x）;
mean=avg（x,n）;
stdev=sqrt（sum（（x-avg（x,n））.^2）/n）;
functionmean=avg（x,n）%agvsubfunction
mean=sum（x）/n;
3.函数调用
MATLAB调用函数的常用形式为：
[out1,out2…]=funname（in1,in2,…），调用时各参数出现的顺序要与函数定义时的顺序一致。
函数调用可以嵌套。
【例4-4】:
编写并调用M函数，对给定的实数a,b,正整数n=1,2…10,计算所有（a+b）n和（a-b）n
（1）建立函数文件
function[add,sub]=pow（a,b,n）%pow.m计算（a+b）n和（a-b）n
add=（a+b）^n;
sub=（a-b）^n;
（2）建立调用上述函数的M文件e1.m
a=input（'pleaseinputa='）;
b=input（'pleaseinputb='）;
forn=1:
10
[add（n）,sub（n）]=pow（a,b,n）;
end
add
sub
【例4-5】:
编写时域序列绘图函数，并调用该函数绘制序列x1（n）=cos（πn/8）,0≤n≤31。
（1）编写时域序列绘图函数tstem.m
functiontstem（xn,y）%xn为时域序列，y是序列的纵坐标名称（字符型）。
n=0:
length（xn）-1;
stem（n,xn,'.'）;%绘制以n为横坐标、xn为纵坐标的脉冲杆图（序列图形）。
xlabel（'n'）;ylabel（y）;
axis（[0,n（end）,1.2*min（xn）,1.2*max（xn）]）%限定图形横纵坐标的范围
（2）调用函数tstem绘制x1（n）=cos（πn/8）,0≤n≤31。
%M文件e2.m
n=0:
31;
xn=cos（pi*n/8）;%产生时域序列
y=’x1（n）’%序列名称
tstem（xn,y）%调用函数，绘制时域序列波形。
title（'序列x1（n）=cos（π*n/8）'）;%标注图名
4.M文件的调试
程序调试可发现二种错误：
语法错误和逻辑错误（运行错误）。
程序调试二种方法：
直接调试和MATLAB工具调试。
直接调试：
将中间结果显示在命令窗口，查看变量的值；在程序的适当位置加入断点等。
利用调试工具：
文本编辑器中的“Debug”菜单提供了全部调试选项。
三、实验内容
1．阅读并输入实验原理中的例题程序，观察并分析输出结果，理解每一条语句的含义。
2．编写时域序列绘图函数，并调用该函数绘制x2（n）=sin（πn/8）,0≤n≤31。
3．编写时域序列绘图函数，并调用该函数绘制x3（n）=cos（πn/16）,0≤n≤31。
4．编写并调用M函数，对给定的实数a,b,正整数n=1,2…10,计算所有（a+b）×n和（a-b）×n的值。
[实验题目五]MATLAB的图形绘制
一、实验目的
（1）掌握二维、三维图形的绘制及参数设置的方法。
（2）了解特殊的二维图形的绘制。
二、实验原理
MATLAB作为科学计算软件，不仅具有强大的数值计算功能，其绘图功能也相当强大。
它提供一套功能强大的绘图命令（绘图函数和绘图工具），可以绘制出原始数据的二维、三维图形，并可以对图形进行各种修饰，为计算过程和结果的可视化提供了极好的手段。
（一）MATLAB图形绘制的一般步骤
（1）数据准备
（2）指定图形窗口和子图位置
（3）调用绘图命令绘制图形
（4）设置坐标轴及图形注释
（5）按指定格式保存或导出图形
（二）MATLAB二维图形绘制
基本绘图函数介绍：
1.plot
功能：
按线性比例，在x和y两个方向上绘制二维图形。
调用格式：
plot（x,y）；绘制以x为横坐标、y为纵坐标的二维图形。
plot（x,y,‘string’）；设置线型、颜色及数据点型。
plot（x1,y1,x2,y2,…）；绘制多条曲线。
【例5-1】颜色、数据点型、线型的设置
x=0:
0.1:
10;
y1=sin（x）;
y2=cos（x）;
plot（x,y1,'r*--',x,y2,'go-'）%y1红色，点型为*，线型为虚线；y2绿色，点型为圆，线型为实线。
2.subplot
功能：
在同一图形界面上产生多个绘图区间。
调用格式：
subplot（m,n,i）；在同一界面上产生m行n列的子图轴系，在第i个子图位置作图。
3.stem
功能：
绘制二维脉冲杆图（柄图、序列图形）
调用格式：
stem（x,y）；绘制以x为横坐标、y为纵坐标的脉冲杆图（序列图形）。
stem（x,y，’.’）；stem（x,y，’fill’）
4.title
功能：
在图形上方标注图名
调用格式：
title（‘中文或英文的图名’）
5.xlabel
功能：
在横轴下方标注横坐标
调用格式：
xlabel（‘中文或英文的横坐标’）；标注横坐标
6.ylabel
功能：
在纵坐标左侧标注纵坐标
调用格式：
ylabel（‘中文或英文的纵坐标’）；标注纵坐标
7.axis
功能：
限定图形坐标的范围。
调用格式：
axis（[x1,x2,y1,y2]）；x1,x2为横坐标的起止范围，y1,y2为纵坐标的起止范围。
8.grid
功能：
在当前图上加上（或撤销）网格线。
调用格式：
gridon（off）
9.legend
功能：
图形标注（在当前图中添加图例）。
调用格式：
legend（string1,string2,…）；legendoff
10.text
功能：
文本注释。
调用格式：
text（x,y,‘string1’）；
【例5-2】不同颜色、线型绘图，添加图形标注和文本注释。
x=0:
pi/50:
2*pi;
y1=sin（x）;y2=cos（x）;
plot（x,y1,'r*--',x,y2,'bo-'）;
gridon
legend（'sin（\alpha）','cos（\alpha）'）;
text（pi,0,'\leftarrowsin（\alpha）'）
title（'sin（\alpha）和cos（\alpha）'）
xlabel（'\alpha'）;ylabel（'sin（\alpha）和cos（\alpha）'）;
【例5-3】在同一图形窗绘制多个子图。
t=（0:
100）*pi/100;
y1=sin（t）;
y2=sin（10*t）;
y3=cos（t）;
y4=sin（t）.*sin（10*t）;
subplot（2,2,1）;plot（t,y1）;axis（[0,pi,-1,1]）;
subplot（2,2
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