matlab第一讲教案.docx
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matlab第一讲教案
西南科技大学本科生课程备课教案
计算机技术在安全工程中的应用
——Matlab入门及应用
授课教师：
徐中慧
班级：
专业：
安全技术及工程
绪论
课型：
新授课
教具：
多媒体教学设备，matlab教学软件
一、目标与要求
了解matlab的起源，发展，优势，应用范围等，熟悉matlab的操作界面，能够进行简单的数值运算。
二、教学重点与难点
本堂课教学的重点在于引导学生掌握matlab的安装，熟悉matlab操作界面，并进行简单的运算。
三、教学方法
本课程主要通过讲授法、演示法、练习法等相结合的方法来引导学生掌控本堂课的学习内容。
四、教学内容
提问：
安全工程的研究和工程实践过程哪些地方要运用到计算机技术？
建筑安全：
设计图纸CAD图纸
化工安全：
压力容器爆炸我们可以运用计算机技术进行数值计算和模拟判定爆炸影响范围，从而可以确定安全防护距离
职业卫生防护：
尤其是在高粉尘的作业环境中
煤矿安全：
瓦斯爆炸煤与瓦斯突出等等
（一）matlab是什么？
MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）（['meitriks]：
矩阵，基质，模型；[lə'bɔrətəri]：
实验室）的简称，是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
（1）什么是Simulink？
Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。
Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。
为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口（GUI），这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。
simulink的启动
1）在MATLAB命令窗口中输入simulink
结果是在桌面上出现一个称为SimulinkLibraryBrowser的窗口，在这个窗口中列出了按功能分类的各种模块的名称。
当然用户也可以通过MATLAB主窗口的快捷按钮来打开SimulinkLibraryBrowser窗口。
2）在MATLAB命令窗口中输入simulink3
结果是在桌面上出现一个用图标形式显示的Library:
simulink3的Simulink模块库窗口。
两种模块库窗口界面只是不同的显示形式，用户可以根据各人喜好进行选用，一般说来第二种窗口直观、形象，易于初学者，但使用时会打开太多的子窗口。
（2）MATLAB和Simulink的关系？
Simulink是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。
所谓模型化图形输入是指Simulink提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以.mdl文件进行存取），进而进行仿真与分析。
matlab中的simulink主要是面向通信和控制的动态系统仿真。
Simulink是MATLAB的重要工具箱之一，是用来可视化实现系统及建模与动态仿真的有效工作平台。
在目前计算机应用日益显露出来的模型化、模块化的趋势下，Simulink必将得到更多人的青睐。
（二）matlab的起源与发展
初始阶段：
MATLAB名字由MATrix和LABoratory两词的前三个字母组合而成。
那是20世纪七十年代后期的事：
时任美国新墨西哥大学计算机科学系主任的CleveMoler教授出于减轻学生编程负担的动机，为学生设计了一组调用LINPACK和EISPACK库程序的“通俗易用”的接口，此即用FORTRAN编写的萌芽状态的MATLAB。
发展阶段：
（1）经几年的校际流传，在Little的推动下，由Little、Moler、SteveBangert合作，于1984年成立了MathWorks公司，并把MATLAB正式推向市场。
从这时起，MATLAB的内核采用C语言编写，而且除原有的数值计算能力外，还新增了数据图视功能。
MATLAB以商品形式出现后，仅短短几年，就以其良好的开放性和运行的可靠性，使原先控制领域里的封闭式软件包（如英国的UMIST，瑞典的LUND和SIMNON，德国的KEDDC）纷纷淘汰，而改以MATLAB为平台加以重建。
在时间进入20世纪九十年代的时候，MATLAB已经成为国际控制界公认的标准计算软件。
到九十年代初期，在国际上30几个数学类科技应用软件中，MATLAB在数值计算方面独占鳌头，而Mathematica和Maple则分居符号计算软件的前两名。
Mathcad因其提供计算、图形、文字处理的统一环境而深受中学生欢迎。
（2）MathWorks公司于1993年推出MATLAB4.0版本，从此告别DOS版。
4.x版在继承和发展其原有的数值计算和图形可视能力的同时，出现了以下几个重要变化：
a）推出了SIMULINK。
这是一个交互式操作的动态系统建模、仿真、分析集成环境。
它的出现使人们有可能考虑许多以前不得不做简化假设的非线性因素、随机因素，从而大大提高了人们对非线性、随机动态系统的认知能力。
b）开发了与外部进行直接数据交换的组件，打通了MATLAB进行实时数据分析、处理和硬件开发的道路。
c）推出了符号计算工具包。
1993年MathWorks公司从加拿大滑铁卢大学购得Maple的使用权，以Maple为“引擎”开发了SymbolicMathToolbox1.0。
MathWorks公司此举加快结束了国际上数值计算、符号计算孰优孰劣的长期争论，促成了两种计算的互补发展新时代。
d）构作了Notebook。
MathWorks公司瞄准应用范围最广的Word，运用DDE和OLE，实现了MATLAB与Word的无缝连接，从而为专业科技工作者创造了融科学计算、图形可视、文字处理于一体的高水准环境。
（3）1997年仲春，MATLAB5.0版问世，紧接着是5.1、5.2，以及和1999年春的5.3版。
与4.x相比，现今的MATLAB拥有更丰富的数据类型和结构、更友善的面向对象、更加快速精良的图形可视、更广博的数学和数据分析资源、更多的应用开发工具。
发展历程
20世纪70年代，美国新墨西哥大学计算机科学系主任CleveMoler为了减轻学生编程的负担，用FORTRAN编写了最早的MATLAB。
1984年由Little、Moler、SteveBangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市场。
到20世纪90年代，MATLAB已成为国际控制界的标准计算软件。
版本更新：
版本[1]
建造编号
发布时间
MATLAB1.0
1984
MATALB2
1986
MATLAB3
1987
MATLAB3.5
1990
MATLAB4
1992
MATLAB4.2c
R7
1994
MATLAB5.0
R8
1996
MATLAB5.1
R9
1997
MATLAB5.1.1
R9.1
1997
MATLAB5.2
R10
1998
MATLAB5.2.1
R10.1
1998
MATLAB5.3
R11
1999
MATLAB5.3.1
R11.1
1999
MATLAB6.0
R12
2000
MATLAB6.1
R12.1
2001
MATLAB6.5
R13
2002
MATLAB6.5.1
R13SP1
2003
MATLAB6.5.2
R13SP2
2003
MATLAB7
R14
2004
MATLAB7.0.1
R14SP1
2004
MATLAB7.0.4
R14SP2
2005
MATLAB7.1
R14SP3
2005
MATLAB7.2
R2006a
2006
MATLAB7.3
R2006b
2006
MATLAB7.4
R2007a
2007
MATLAB7.5
R2007b
2007
MATLAB7.6
R2008a
2008
MATLAB7.7
R2008b
2008
MATLAB7.8
R2009a
2009.3.6
MATLAB7.9
R2009b
2009.9.4
MATLAB7.10
R2010a
2010.3.5
MATLAB7.11
R2010b
2010.9.3
MATLAB7.12
R2011a
2011.4.8
（三）国外matlab的应用
在欧美大学里，诸如应用代数、数理统计、自动控制、数字信号处理、模拟与数字通信、时间序列分析、动态系统仿真等课程的教科书都把MATLAB作为内容。
这几乎成了九十年代教科书与旧版书籍的区别性标志。
在那里，MATLAB是攻读学位的大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本工具。
在国际学术界，MATLAB已经被确认为准确、可靠的科学计算标准软件。
在许多国际一流学术刊物上，（尤其是信息科学刊物），都可以看到MATLAB的应用。
在设计研究单位和工业部门，MATLAB被认作进行高效研究、开发的首选软件工具。
如美国NationalInstruments公司信号测量、分析软件LabVIEW，Cadence公司信号和通信分析设计软件SPW等，或者直接建筑在MATLAB之上，或者以MATLAB为主要支撑。
又如HP公司的VXI硬件，TM公司的DSP，Gage公司的各种硬卡、仪器等都接受MATLAB的支持。
（四）matlab语言的特点
MATLAB的语言特点 一种语言之所以能如此迅速地普及，显示出如此旺盛的生命力，是由于它有着不同于其他语言的特点，正如同FORTRAN和C等高级语言使人们摆脱了需要直接对计算机硬件资源进行操作一样，被称作为第四代计算机语言的MATLAB，利用其丰富的函数资源，使编程人员从繁琐的程序代码中解放出来。
MATLAB最突出的特点就是简洁。
MATLAB用更直观的，符合人们思维习惯的代码，代替了C和FORTRAN语言的冗长代码。
MATLAB给用户带来的是最直观，最简洁的程序开发环境。
以下简单介绍一下MATLAB的主要特点。
1）。
语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富。
MATLAB程序书写形式自由，利用起丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任务，压缩了一切不必要的编程工作。
由于库函数都由本领域的专家编写，用户不必担心函数的可靠性。
可以说，用MATLAB进行科技开发是站在专家的肩膀上。
具有FORTRAN和C等高级语言知识的读者可能已经注意到，如果用FORTRAN或C语言去编写程序，尤其当涉及矩阵运算和画图时，编程会很麻烦。
例如，如果用户想求解一个线性代数方程，就得编写一个程序块读入数据，然后再使用一种求解线性方程的算法（例如追赶法）编写一个程序块来求解方程，最后再输出计算结果。
在求解过程中，最麻烦的要算第二部分。
解线性方程的麻烦在于要对矩阵的元素作循环，选择稳定的算法以及代码的调试动不容易。
即使有部分源代码，用户也会感到麻烦，且不能保证运算的稳定性。
解线性方程的程序用FORTRAN和C这样的高级语言编写，至少需要四百多行，调试这种几百行的计算程序可以说很困难。
以下用MATLAB编写以上两个小程序的具体过程。
MATLAB求解下列方程，并求解矩阵A的特征值。
Ax=b,其中：
A=32 13 45 67 23 79 85 12 43 23 54 65 98 34 71 35b= 1 2 3 4解为：
x=A\b;设A的特征值组成的向量e，e=eig（A）。
可见，MATLAB的程序极其简短。
更为难能可贵的是，MATLAB甚至具有一定的智能水平，比如上面的解方程，MATLAB会根据矩阵的特性选择方程的求解方法，所以用户根本不用怀疑MATLAB的准确性。
2）运算符丰富。
由于MATLAB是用C语言编写的，MATLAB提供了和C语言几乎一样多的运算符，灵活使用MATLAB的运算符将使程序变得极为简短。
3）MATLAB既具有结构化的控制语句（如for循环，while循环，break语句和if语句），又有面向对象编程的特性。
4）程序限制不严格，程序设计自由度大。
例如，在MATLAB里，用户无需对矩阵预定义就可使用。
5）程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。
6）MATLAB的图形功能强大。
在FORTRAN和C语言里，绘图都很不容易，但在MATLAB里，数据的可视化非常简单。
MATLAB还具有较强的编辑图形界面的能力。
7）MATLAB的缺点是，它和其他高级程序相比，程序的执行速度较慢。
由于MATLAB的程序不用编译等预处理，也不生成可执行文件，程序为解释执行，所以速度较慢。
8）功能强大的工具箱是MATLAB的另一特色。
MATLAB包含两个部分：
核心部分和各种可选的工具箱。
核心部分中有数百个核心内部函数。
其工具箱又分为两类：
功能性工具箱和学科性工具箱。
功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能，图示建模仿真功能，文字处理功能以及与硬件实时交互功能。
功能性工具箱用于多种学科。
而学科性工具箱是专业性比较强的，如control,toolbox,signlproceessingtoolbox,commumnicationtoolbox等。
这些工具箱都是由该领域内学术水平很高的专家编写的，所以用户无需编写自己学科范围内的基础程序，而直接进行高，精，尖的研究。
9）源程序的开放性。
可以使用edit+函数名开放性也许是MATLAB最受人们欢迎的特点。
除内部函数以外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件，用户可通过对源文件的修改以及加入自己的文件构成新的工具箱。
（五）实例
20世纪最著明的物理学家爱因斯坦提出了著明的相对论，相对论最著明的质能转换公式如下：
这个公式将质量和能量两个独立的领域联系在一起了，可用于计算核反应过程中物质所释放的能量。
太阳能够释放385×1024J/s的能量，这些能量全部都是由核反应产生的。
使用MATLAB进行计算一天中太阳释放的能量需要多少物质进行转换。
光速c=3.0×108m/s
（六）软件的安装及激活
（七）练习
在进一步学习之间，先做如下练习，在命令窗口中输入如下表达式：
1.5+2
2.5*2
3.5/2
4.3+2*（4+3）
5.2.54*8/2.6
6.6.3-2.1045
7.3.6^2
8.1+2^2
9.sqrt（5）
10.cos（pi）
（八）matlab中常用的command窗口命令
1）【上、下键】――切换到之前、之后的命令，可以重复按多次来达到你想要的命令
2）clc――清除命令窗口显示的语句，此命令并不清空当前工作区的变量，仅仅是把屏幕上显示出来的语句清除掉
3）clear――这个才是清空当前工作区的变量命令，常用语句clearall来完成
（九）MATLAB窗口
⏹Commadwindows
⏹Currentdirectory
⏹Workplace
⏹Commandhistorywindows
⏹Documentwindows
⏹Graphicswindows
⏹Editingwindows
1）Commandhistorywindows
⏹历史命令窗口记录所有运行过的命令。
当退出MATLAB或运行clc命令时，命令窗口将会被清空，但历史命令窗口仍然会保存所有运行过的命令。
1.编辑菜单可以清空该窗口中的命令。
Edit-clearcommandhistory
2.双击历史命令窗口中的命令行就可以把该命令调回命令窗口运行。
3.单击并拖拽命令代码到命令窗口也可运行历史命令
2）Workplace
⏹工作区记录命令窗口中已经运行过变量。
⏹ans是matlab中默认的结果变量. 每次matlab进行运算后, 结果都要储存在指定的变量中. 如果你只是输入表达式, 却不指定把表达式的运算结果储存在哪个变量里面, 那么matlab就自动地将结果储存在ans变量中. 直到下一次不带指定存储变量的运算结束前,ans中所储存的值不变.
⏹float是单精度浮点数,它的范围可以取到-3.40292347E+38到+3.40292347E+38之间
⏹double是双精度浮点,它的范围可以取到-1.79769313486231570E+308到+1.79769313486231570E+308之间
⏹单精度浮点变量与双精度浮点变量在内存的占用上是不同的.一般float是4个字节，而double是8个字节
3）Currentdirectory
存储的相关文件会保存到当前路径。
4）Documentwindows
⏹双击工作区内的任何一个变量就会出现文档窗口。
⏹可以更改变量的数值
⏹创建新的数组
5）Graphicswindows
x=[12345];
y=[1020304050]
plot（x,y）
6）在编辑窗口中可以输入或保存多个命令，但是不一定执行。
以下以条路径可以进入编辑窗口：
File-new-M-file
在命令提示符后输入edit
在工具栏按纽里面点击Newfile按纽
7）Matlab变量命名规则
⏹变量名必须以字母开始，区分大小写，最长变量名为63个字符，可以用namelengthmax来保证
⏹变量名中允许使用的字符仅包括：
字母，数字和下划线。
可以用isvarname来核实变量名的有效性。
与其它计算机语言类似，数字1表示true,数字0表示false
Isvarnametime;
⏹MATLAB中保留的关键字不能作为变量名。
用户可以使用命令iskeyword查看系统预定义的关键字
⏹MATLAB允许重新指定内置函数名作为变量名。
sin=4
但这样做是很危险的，因为函数内置sin就不能再被使用了。
可以输入下述命令将sin恢复到函数功能
clearsin
MATLAB中可以用which来检查一个变量是否为内置函数
Whichsin
8）练习
⏹判断下面哪些变量名可以在MATLAB中使用。
先初步判断，然后用isvarname,iskeyword,which等命令进行测试
1.test7.istgroup
2.Test8.Group_one
3.If9.zzaAbc
4.my-book10.z34wAwy?
12#
5.my_book11.sin
6.Pi12.log
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