国家级精品课程 控制系统仿真与CAD 第二章 MATLAB 语言程序设计基础

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1 国家级精品课程 控制系统仿真与CAD 第二章 MATLAB 语言程序设计基础
东北大学信息学院 薛定宇

2 第二章 MATLAB 语言程序设计基础 MATLAB 语言程序设计基础 MATLAB语言绘图 MATLAB语言的图形用户界面设计
数据结构与语句结构 基本运算语句 程序流程 函数的编写与技巧 MATLAB语言绘图 二维与三维绘图 MATLAB语言的图形用户界面设计 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

3 2.1 MATLAB语言程序设计基础 MATLAB 语言的特色 本节主要内容 简洁高效性 强大的科学运算功能 方便易用的绘图功能
庞大的工具箱 强大的动态系统仿真功能——Simulink 本节主要内容 常量与变量、数据结构 基本语句结构、冒号表达式 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

4 2.1.1 常量与变量 常量（保留字符串） 变量： eps： 机器的浮点运算误差限，默认值
i和j：虚数单位，-1的平方根，i=sqrt(-1) Inf： 无穷大量，-Inf为负无穷大 NaN：不定式（Not a Number） pi：圆周率p的双精度浮点表示 变量： 由字母引导，可以跟字母、数字和下划线等 区分大小写 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

5 2.1.2 数据结构 MATLAB下最常用数值量为双精度浮点数 符号型数据结构 占8个字节(64位)，遵从IEEE记数法
有11个指数位、53位尾数及一个符号位 值域的近似范围为 其MATLAB表示为double() 符号型数据结构 syms 命令申明符号变量 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

6 例2-1 显示e的前300位 其他数据结构 vpa(A) 显示符号变量
int8() 、int16() 、int32() 、uint16() 和 uint32() 字符串型数据：MATLAB字符串是用单引号括起来的 多维数组：三维数组是一般矩阵的直接拓展。 单元数组：多变量系统的频域响应数据存储 类与对象：传递函数对象、状态方程对象 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

7 2.1.3 MATLAB的基本语句结构 两种赋值语句： 直接赋值语句：赋值变量=赋值表达式 函数调用语句
后面加分号不显示结果 无返回变量，结果传给 ans 函数调用语句 [返回变量列表]=funname(输入变量列表) 一般对应于*.m函数 同一函数可以有不同的调用格式 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

8 例2-2 无需预先定义维数 例2-3 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

9 2.1.4 冒号表达式与子矩阵提取 基本语句 例2-4 子矩阵提取 例2-5 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

10 2.2 基本数学运算 基本代数运算 矩阵转置：A’、A.’ 加减乘除：A+B、A-B、A*B、A\B、B/A
矩阵翻转：flipud(A)、fliplr(A)、rot90(A) 矩阵乘方：A^x 点运算：A.*B、A.^2、A.^A Kronecker乘积：kron(A,B) 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

11 矩阵的逻辑运算 矩阵的比较运算 点运算举例 逻辑运算： &、|、～、xor()
运算符：>、<、==、>=、<=、~= 函数：find()、any()、all() 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

12 2.2.4 解析结果的化简与变换 化简函数 例2-5 变量替换
其他函数：collect()、numden()、expand()、factor() 例2-5 变量替换 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

13 例2-6 双线性变换 基本数论运算 例2-8 取整 取整：floor()、ceil()、round()、fix()
其他：rat()、rem()、gcd()、lcm()、factor()、isprime() 例2-8 取整 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

14 例2-9 有理化 Hilbert矩阵 例2-10 最大公约数、最小公倍数、因式分解 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

15 2.3 MATLAB编程：流程控制语句 循环结构 例2-11 求 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

16 例2-12 求 循环与向量化运算 例2-13 求最小m 不适用for 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

17 2.3.2 条件转移语句 一般结构 例2-14 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

18 其他流程控制结构 开关结构 试探结构 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

19 2.4 函数编写 M-脚本M-脚本与M-函数 例2-15 M-函数是MATLAB主流编程结构 M-函数：信息处理单元 M-脚本编程的麻烦
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20 2.4.1 函数的基本结构 函数结构 特别函数 变元个数：nargin、nargout 变元内容：varargin、varargout
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21 例2-16 脚本变函数 例2-17 编程实例：Hilbert矩阵 选择变元 函数改写：*.m文件 生成 矩阵 如果只给一个输入变元，生成方阵
生成 矩阵 如果只给一个输入变元，生成方阵 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

22 编程：核心部分 如何处理一个变元 完整程序 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

23 递归调用编程结构 例2-18 阶乘 例2-19 不适合递归调用的问题：Fibonacci数列 计算量巨大
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24 可变输入、输出个数 利用 varargin、varargout 例2-20 现有函数（多项式乘法）：conv(p1,p2)
期望编任意多个多项式相乘：convs(p1,p2,…) 程序实现 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

25 2.4.4 匿名函数与inline函数 不用编写*.m，定义函数的方法 匿名函数： 举例 可以动态地定义函数，在科学运算中有用
二者功能重复，后者远差于前者，不再使用 匿名函数： 举例 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

26 2.5 二维图形绘制 可以绘制出各种二维曲线 可以由数据绘图，也可以由格式绘图 本节主要内容 基本二维图形绘制语句 带有其他选项的绘图函数
二维曲线的标注方法 在MATLAB图形上添加文字标注 特殊图形绘制函数及举例 隐函数的曲线绘制 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

27 2.6.1 基本二维图形绘制语句 已知数据点（实验点或计算点） 可以容易地绘制出二维“曲线” 曲线是折线，不是真正的曲线
如果数据点足够密，则绘制的折线看起来像曲线，另外还可以对曲线进行光滑处理 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

28 plot() 函数的扩展 t 是向量，y 是矩阵，能同时绘制多条曲线 t, y 是同样维数的矩阵，能绘制多条曲线 多组 t, y 值
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29 绘图语句选项 双纵坐标曲线绘制 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

30 例2-21 需要检验：减小步长试试 例2-22 饱和非线性 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

31 2.5.2 二维曲线的标注方法 二维曲线修饰方法 坐标轴设置 其他设置 text、gtext、xlim、ylim函数
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32 2.5.3 在MATLAB图形上添加文字标注 可以在图形窗口上添加直线、箭头和字符 事后修改图形属性 支持LaTeX格式的命令
颜色、字体大小、线宽 支持LaTeX格式的命令 下标：x_a、x_{abc} 上标：x^a、x^{abc} 字体设置：\bf、\it 高质量图形叠印：overpic.sty宏包 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

33 2.5.4 特殊图形绘制函数及举例 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

34 例2-23 极坐标图 变换直角坐标可行 调用专门函数 试凑周期 图形属性修改 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

35 子窗口分割 子窗口分割 不同子窗口下绘制不同的曲线 例2-24 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

36 2.5.5 隐函数的曲线绘制 隐函数绘制函数ezplot() 例2-25 参数方程 用底层语言难以绘制 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程
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37 2.6 三维图形的绘制方法 2.6.1 三维曲线的绘制方法 三维曲线 例2-26 MATLAB绘制命令 ezplot 绘制命令
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38 三维火柴杆曲线 叠印图形 三维填充图形 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

39 2.6.2 三维曲面的绘制方法 三维网格徒手画表面图绘制函数 例2-27 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

40 其他图形 例2-28 分段函数 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

41 网格和曲面图其他绘制函数 shading命令修饰 视角设置 三视图 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

42 2.6.3 局部图形的剪切处理 如果曲线、曲面数据中含有NaN，则绘图时会自动被忽略掉 例：二元函数 剪切掉 MATLAB绘制命令
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43 2.7 MATLAB图形用户界面设计技术 图形界面的优劣往往决定着软件的档次
MATLAB的图形用户界面(Graphical User Interface, GUI)设计技术对设计出良好的通用软件十分重要 本节主要内容 图形界面设计工具Guide 句柄图形学及句柄对象属性 菜单系统设计 界面设计举例与技巧 工具栏设计 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

44 2.7.1 图形界面设计工具Guide 在命令窗口给出guide命令可以启动图形用户界面设计程序，得出如下选项
建立一个默认的空白界面(Blank GUI) 带有一些控件的界面(GUI with Uicontrols) 带有坐标轴和菜单的界面(GUI with Axes and Menu) 基本模态对话框(Modal Question Dialog 打开现有的GUI (Open Existing GUI) 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

45 2.7.2 句柄图形学及句柄对象属性 图形用户界面编程主要是对各个对象属性读取和修改的技术
窗口是一个对象，其上面的每个控件也都是对象，每个对象都有自己的属性 双击对象则可以打开对象属性浏览器 还可以使用set和get函数设置、读取属性 例如，用户可以通过这样的属性浏览器改变原型窗口的属性，如颜色等 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

46 窗口对象的常用属性 MenuBar属性：设置图形窗口菜单形式 Name属性：设置图形窗口标题栏中内容
Units属性：窗口尺寸的单位，默认的像素点单位pixels，此外，normalized、inches Position属性：窗口位置属性，包含左下角坐标和宽度、高度这4个参数构成的向量 Toolbar属性：图形窗口可视编辑工具条 Visible属性：建立的窗口是否可见 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

47 对象属性的读取与修改 前面提及的关键函数set和get 常用的句柄 gcf：得到当前窗口的句柄 gco：获得当前对象的句柄
gca：获得当前坐标系的句柄 gcs：获得当前Simulink模型的句柄 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

48 简单界面设计实例 设计一个窗口，有两个控件：按钮和文本。按钮按下后在文本位置显示“Hello world!”
绘制原型窗口：打开空白原型窗口并在该窗口中绘制出这两个控件 控件属性修改：因为需要修改文本控件的属性 String属性：先设置成空白字符串 Tag属性：很关键，设置成txtHello 自动生成框架文件：建立了窗口之后，可以将其存成.fig文件，如c2eggui1.fig，这时会自动生成c2eggui1.m文件 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

49 其他可能的回调函数 编写回调函数：为按钮对象编写回调函数，当按钮按下后，操作Tag为txtHello的控件
CloseRequestFcn：关闭窗口时响应函数。 KeyPressFcn：键盘键按下时响应函数。 WindowButtonDownFcn： 鼠标键按下时响应函数。 WindowButtonMotionFcn： 鼠标移动时响应函数。 WindowButtonUpFcn： 鼠标键释放时响应函数。 CreateFcn和DeleteFcn：建立和删除对象时响应函数。 CallBack：对象被选中时自动执行的回调函数 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

50 其他控件的常用属性 Units与Position属性：与窗口定义是一致的 String属性：标注该控件的字符串
CallBack属性：该对象被选中和改变时，系统自动响应的函数。 Enable属性：表示此控件的使能状态 CData属性：将真色彩图形标注到控件上 TooltipString属性：提示信息显示， UserData属性：界面及控件之间数据交换与暂存 Interruptable属性：回调函数在执行时是否允许中断有关字体的属性：如FontAngle、 FontName 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

51 2.7.4 菜单系统设计 菜单编辑器Tools | Menu Editor 演示程序：c2eggui2.m 允许用户给窗口设计自己的菜单系统
添加菜单项 设计子菜单项 编写回调函数 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

52 2.7.5 界面设计举例与技巧 设计目标：设计一个窗口 建立主坐标系，以后绘制三维图形 建立函数编辑框，接受用户输入的绘图数据
建立两个按钮，一个用于启动绘图功能，另一个用于启动演示功能。 建立一组3个编辑框，设置光源的坐标值 建立一组3个复选框，决定各轴是否需要网格 建立一个列表框，描述着色方法。 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

53 原型窗口界面的预期效果 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

54 程序界面的任务分配 文件名：c2eggui3.m 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

55 2.8.6 工具栏设计 Tools | Toolbar Editor 编写一个新图形界面 提供了一些标准的工具图标，有继承功能
用户可以自己添加新工具图标 如何给图标写回调函数 编写一个新图形界面 添加坐标系，绘制正弦曲线 使之包含x、y轴局部放大的工具图标 文件名：c2eggui4.m 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

56 第二章小结 介绍了 MATLAB 语言的基本编程知识 数据结构：double()、syms、vpa()
语句格式：直接赋值、函数调用，冒号表达式 矩阵的代数运算、逻辑运算和比较运算 解析结果处理：simple()、subs()、collect()等函数 取整函数：floor()、cell()、fix()、roud()、rat() 数据处理：gcd()、lcm()、factor()、isprime()等 函数编程：varargin、nargin、递归调用 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

57 编程的流程结构 MATLAB绘图函数 循环结构：for、while、break 转移结构：if、elseif、else
开关结构：switch、case 试探结构：try、catch MATLAB绘图函数 二维绘图：plot()、polar()、subplot()、ezplot() 三维绘图：plot3()、surf()、mesh()、meshgrid() 图形修饰：set()、get()、gtext()、title()等 视角设置：view() 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2

58 图形用户界面设计技术 面向对象的编程方式：对象、属性、方法 打开设计界面：guide 图形用户界面、对话框设计 菜单设计 工具栏设计
对象属性设置： 回调函数编写： 菜单设计 工具栏设计 控制系统仿真与CAD 国家级精品课程 2019/1/2