MbookMATLAB5程序设计.docx
《MbookMATLAB5程序设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《MbookMATLAB5程序设计.docx（44页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
MbookMATLAB5程序设计
第5章MATLAB程序设计
5.1脚本文件和函数文件
M文件有两种形式：
M脚本文件和M函数文件。
5.1.1M文本编辑器
MATLAB的M文件是通过M文件编辑／调试器窗口（Editor／Debugger）来创建的。
单击MATLAB桌面上的
图标，或者单击菜单“File”——“New”——“M-file”，可打开空白的M文件编辑器，也可以通过打开已有的M文件来打开M文件编辑器。
如图5.1所示为打开已创建的M文件。
5.1.2M文件的基本格式
下面介绍绘制二阶系统时域曲线的M文件，欠阻尼系统的时域输出y与x的关系为
，【例5.1】为M脚本文件，【例5.2】为M函数文件。
【例5.1】用M脚本文件绘制二阶系统时域曲线。
%EX0501二阶系统时域曲线
%画阻尼系数为0.3的曲线
x=0:
0.1:
20;
y1=1-1/sqrt（1-0.3^2）*exp（-0.3*x）.*sin（sqrt（1-0.3^2）*x+acos（0.3））
plot（x,y1,'r'）
【例5.2】创建一个画二阶系统时域曲线的函数，阻尼系数zeta为函数的输入参数。
functiony=Ex0502（zeta）
%EX0502Stepresponseofquadraticsystem.
%二阶系统时域响应曲线
%zeta阻尼系数
%y时域响应
%
%copyright2003-08-01
x=0:
0.1:
20;
y=1-1/sqrt（1-zeta^2）*exp（-zeta*x）.*sin（sqrt（1-zeta^2）*x+acos（zeta））
plot（x,y）
M函数文件的基本格式：
函数声明行
H1行（用%开头的注释行）
在线帮助文本（用%开头）
编写和修改记录（用%开头）
函数体
例如，在命令窗口输入help和lookfor命令查看帮助信息：
helpEx0502
EX0502Stepresponseofquadraticsystem.
二阶系统时域响应曲线
zeta阻尼系数
y时域响应
lookfor'二阶系统时域响应'
Ex0502.m:
%二阶系统时域响应
5.1.3M脚本文件
脚本文件的特点：
（1）脚本文件中的命令格式和前后位置，与在命令窗口中输入的没有任何区别。
（2）MATLAB在运行脚本文件时，只是简单地按顺序从文件中读取一条条命令，送到MATLAB命令窗口中去执行。
（3）与在命令窗口中直接运行命令一样，脚本文件运行产生的变量都是驻留在MATLAB的工作空间（workspace）中，可以很方便地查看变量，除非用clear命令清除；脚本文件的命令也可以访问工作空间的所有数据，因此要注意避免变量的覆盖而造成程序出错。
【例5.1续】在M文件编辑／调试器窗口中编写M脚本文件绘制二阶系统的多条时域曲线。
（1）单击MATLAB桌面上的
图标打开M文件编辑器。
（2）将命令全部写入M文件编辑器中，为了能标志该文件的名称，在第一行写入包含文件名的注释。
保存文件为Ex0501.m。
%EX0501二阶系统时域曲线
x=0:
0.1:
20;
y1=1-1/sqrt（1-0.3^2）*exp（-0.3*x）.*sin（sqrt（1-0.3^2）*x+acos（0.3））
plot（x,y1,'r'）%画阻尼系数为0.3的曲线
holdon
y2=1-1/sqrt（1-0.707^2）*exp（-0.707*x）.*sin（sqrt（1-0.707^2）*x+acos（0.707））
plot（x,y2,'g'）%画阻尼系数为0.707的曲线
y3=1-exp（-x）.*（1+x）
plot（x,y3,'b'）%画阻尼系数为1的曲线
（3）选择M文件编辑器菜单“Debug”——“Run”，就可以在图形窗中看到如图5.2所示的曲线。
查看工作空间的变量：
whos
NameSizeBytesClass
x1x2011608doublearray
y11x2011608doublearray
y21x2011608doublearray
y31x2011608doublearray
Grandtotalis804elementsusing6432bytes
5.1.4M函数文件
函数文件的特点：
（1）第一行总是以“function”引导的函数声明行；
函数声明行的格式：
function[输出变量列表]=函数名（输入变量列表）
（2）函数文件在运行过程中产生的变量都存放在函数本身的工作空间；
（3）当文件执行完最后一条命令或遇到“return”命令时，就结束函数文件的运行，同时函数工作空间的变量就被清除；
（4）函数的工作空间随具体的M函数文件调用而产生，随调用结束而删除，是独立的、临时的，在MATLAB运行过程中可以产生任意多个临时的函数空间。
【例5.2续】在M文件编辑／调试器窗口编写计算二阶系统时域响应的M函数文件，并在MATLAB命令窗口中调用该文件。
创建M函数文件并调用的步骤如下：
（1）编写函数代码
functiony=Ex0502（zeta）
%EX0502画二阶系统时域曲线
x=0:
0.1:
20;
y=1-1/sqrt（1-zeta^2）*exp（-zeta*x）.*sin（sqrt（1-zeta^2）*x+acos（zeta））
plot（x,y）
（2）将函数文件保存为“Ex0502.m”。
（3）在MATLAB命令窗口输入以下命令，则会出现f的计算值和绘制的曲线：
f=Ex0502（0.3）
程序分析：
▪第一行指定该文件是函数文件，文件名为“Ex0502”，输入参数为阻尼系数zeta，输出参数为时域响应y。
▪当函数文件调用结束，查看x、y：
x
?
?
?
Undefinedfunctionorvariable'x'.
y
?
?
?
Undefinedfunctionorvariable'y'.
注意：
M脚本文件和M函数文件的文件名及函数名的命名规则与MATLAB变量的命名规则相同。
5.2程序流程控制
5.2.1for...end循环结构
语法：
for循环变量=array
循环体
end
说明：
循环体被循环执行，执行的次数就是array的列数，array可以是向量也可以是矩阵，循环变量依次取array的各列，每取一次循环体执行一次。
【例5.3】使用for...end循环的array向量编程求出1+3+5...+100的值。
%EX0503使用向量for循环
sum=0;
forn=1:
2:
100
sum=sum+n;
end
sum
sum=
2500
计算的结果为：
sum=2500。
程序说明：
循环变量为n，n对应为向量1:
2:
100，循环次数为向量的列数，每次循环n取一个元素。
【例5.4】使用for...end循环的array矩阵编程将单位阵转换为列向量。
%EX0504使用矩阵for循环
sum=zeros（6,1）;
forn=eye（6,6）
sum=sum+n;
end
sum
sum=
1
1
1
1
1
1
程序分析：
循环变量n对应为矩阵eye（6,6）的每一列，即第一次n为[1;0;0;0;0;0]，第一次n为[0;1;0;0;0;0]；循环次数为矩阵的列数6。
5.2.2while...end循环结构
语法：
while表达式
循环体
end
说明：
只要表达式为逻辑真，就执行循环体；一旦表达式为假，就结束循环。
表达式可以是向量也可以是矩阵，如果表达式为矩阵则当所有的元素都为真才执行循环体，如果表达式为nan，MATLAB认为是假，不执行循环体。
【例5.5】与【例5.3】相同，计算1+3+5...+100的值。
%EX0505使用while循环
sum=0;
n=1;
whilen<=100
sum=sum+n;
n=n+2;
end
sum
n
sum=
2500
n=
101
程序分析：
可以看出while...end循环的循环次数由表达式来决定，当n=101就停止循环。
5.2.3If…else…end条件转移结构
语法：
if条件式1
语句段1
elseif条件式2
语句段2
...
else
语句段n+1
end
说明：
当有多个条件时，条件式1为假再判断elseif的条件式2，如果所有的条件式都不满足，则执行else的语句段n+1，当条件式为真则执行相应的语句段；If…else…end结构也可以是没有elseif和else的简单结构。
【例5.6】用If结构执行二阶系统时域响应，根据阻尼系数0functiony=Ex0506（zeta）
%EX0506使用if结构的二阶系统时域响应
x=0:
0.1:
20;
if（zeta>0）&（zeta<1）
y=1-1/sqrt（1-zeta^2）*exp（-zeta*x）.*sin（sqrt（1-zeta^2）*x+acos（zeta））;
elseifzeta==1
y=1-exp（-x）.*（1+x）;
end
plot（x,y）
5.2.4switch…case开关结构
语法：
switch开关表达式
case表达式1
语句段1
case表达式2
语句段2
...
otherwise
语句段n
end
说明：
（1）将开关表达式依次与case后面的表达式进行比较，如果表达式1不满足，则与下一个表达式2比较，如果都不满足则执行otherwise后面的语句段n；一旦开关表达式与某个表达式相等，则执行其后面的语句段。
（2）开关表达式只能是标量或字符串。
（3）case后面的表达式可以是标量、字符串或元胞数组，如果是元胞数组则将开关表达式与元胞数组的所有元素进行比较，只要某个元素与开关表达式相等，就执行其后的语句段。
【例5.7】用switch…case开关结构得出各月份的季节。
%EX0507使用switch结构
formonth=1:
12;
switchmonth
case{3,4,5}
season='spring'
case{6,7,8}
season='summer'
case{9,10,11}
season='autumn'
otherwise
season='winter'
end
end
season=
winter
season=
winter
season=
spring
season=
spring
season=
spring
season=
summer
season=
summer
season=
summer
season=
autumn
season=
autumn
season=
autumn
season=
winter
程序分析：
开关表达式为向量1:
12，case后面的表达式为元胞数组，当元胞数组的某个元素与开关表达式相等，就执行其后的语句段。
5.2.5try...catch...end试探结构
语法：
try
语句段1
catch
语句段2
end
说明：
首先试探性地执行语句段1，如果在此段语句执行过程中出现错误，则将错误信息赋给保留的lasterr变量，并放弃这段语句，转而执行语句段2中的语句，当执行语句段2又出现错误，则终止该结构。
【例5.8】用try...catch...end结构来进行矩阵相乘运算。
%EX0508try结构
n=4;
a=magic（n）;
m=3;
b=eye（3）;
try
c=a*b
catch
c=a（1:
m,1:
m）*b
end
lasterr
c=
1623
51110
976
ans=
Errorusing==>*
Innermatrixdimensionsmustagree.
程序分析：
试探出矩阵的大小不匹配时，矩阵无法相乘，则再执行catch后面的语句段，将a的子矩阵取出与b矩阵相乘。
可以通过这种结构灵活地实现矩阵的乘法运算。
5.2.6流程控制语句
1.break命令
break命令可以使包含break的最内层的for或while语句强制终止，立即跳出该结构，执行end后面的命令，break命令一般和If结构结合使用。
【例5.9】将【例5.5】增加条件用If与break命令结合，停止while循环。
计算1+3+5...+100的值，当和大于1000时终止计算。
%EX0509用break终止while循环
sum=0;
n=1;
whilen<=100
ifsum<1000
sum=sum+n;
n=n+2;
else
break
end
end
sum
n
sum=
1024
n=
65
程序分析：
while…end循环结构嵌套If…else…end分支结构，当sum为1024时跳出while循环结构，终止循环。
2.continue命令
continue命令用于结束本次for或while循环，只结束本次循环而继续进行下次循环。
【例5.10】将If命令与continue命令结合，计算的1～100中所有素数的和，判断是否为素数是将100以内的每个数都被2～
整除，不能被整除的就是素数。
%EX0510用continue终止while循环
sum=2;ss=0;
forn=3:
100
form=2:
fix（sqrt（n））
ifmod（n,m）==0
ss=1;%能被整除就用ss为1表示
break;%能被整除就跳出内循环
else
ss=0;%不能被整除就用ss为0表示
end
end
ifss==1
continue;%能被整除就跳出本次外循环
end
sum=sum+n;
end
sum
sum=
1060
程序分析：
fix（sqrt（n））是将
取整；本程序为双重循环，两个for循环嵌套还嵌套一个if结构；当mod（n,m）==0时就用break跳出判断是否为素数的内循环，并继续用continue跳出求素数和的外循环而继续下次外循环。
3.return命令
return命令是终止当前命令的执行，并且立即返回到上一级调用函数或等待键盘输入命令，可以用来提前结束程序的运行。
注意：
当程序进入死循环，则按Ctrl+break键来终止程序的运行。
4.pause命令
pause命令用来使程序运行暂停，等待用户按任意键继续。
语法：
pause%暂停
pause（n）%暂停n秒
5.keyboard命令
keyboard命令用来使程序暂停运行，等待键盘命令，执行完自己的工作后，输入return语句，程序就继续运行。
6.input命令
input命令用来提示用户应该从键盘输入数值、字符串和表达式，并接受该输入。
a=input（'inputanumber:
'）%输入数值给a
inputanumber:
45
a=
45
b=input（'inputanumber:
','s'）%输入字符串给b
inputanumber:
45
b=
45
input（'inputanumber:
'）%将输入值进行运算
inputanumber:
2+3
ans=
5
5.3函数调用和参数传递
5.3.1子函数和私有函数
1.子函数
在一个M函数文件中，可以包含一个以上的函数，其中只有一个是主函数，其它则为子函数。
（1）在一个M文件中，主函数必须出现在最上方，其后是子函数，子函数的次序无任何限制；
（2）子函数不能被其它文件的函数调用，只能被同一文件中的函数（可以是主函数或子函数）调用；
（3）同一文件的主函数和子函数变量的工作空间相互独立；
（4）用help和lookfor命令不能提供子函数的帮助信息。
【例5.11】将【例5.2】画二阶系统时域曲线的函数作为子函数，编写画多条曲线的程序。
functionEx0511（）
%EX0511使用函数调用绘制二阶系统时域响应
z1=0.3;
Ex0502（z1）;%调用Ex0502
holdon
z1=0.5
Ex0502（z1）%调用Ex0502
z1=0.707;
Ex0502（z1）%调用Ex0502
functiony=Ex0502（zeta）
%子函数，画二阶系统时域曲线
x=0:
0.1:
20;
y=1-1/sqrt（1-zeta^2）*exp（-zeta*x）.*sin（sqrt（1-zeta^2）*x+acos（zeta））
plot（x,y）
程序分析：
主函数是Ex0511，子函数是Ex0502，在主函数中三次调用子函数。
程序保存为Ex0511.m文件。
2.私有函数
私有函数是指存放在private子目录中的M函数文件，具有以下性质：
（1）在private目录下的私有函数，只能被其父目录的M函数文件所调用，而不能被其它目录的函数调用，对其它目录的文件私有函数是不可见的，私有函数可以和其它目录下的函数重名；
（2）私有函数父目录的M脚本文件也不可调用私有函数；
（3）在函数调用搜索时，私有函数优先于其它MATLAB路径上的函数。
3.调用函数的搜索顺序
在MATLAB中调用一个函数，搜索的顺序如下：
▪查找是否子函数；
▪查找是否私有函数；
▪从当前路径中搜索此函数；
▪从搜索路径中搜索此函数。
5.3.2局部变量和全局变量
1.局部变量
局部变量（LocalVariables）是在函数体内部使用的变量，其影响范围只能在本函数内，只在函数执行期间存在。
2.全局变量
全局变量（GlobalVariables）是可以在不同的函数工作空间和MATALB工作空间中共享使用的变量。
【例5.12】修改【例5.11】在主函数和子函数中使用全局变量。
functionEx0512（）
%EX0512使用全局变量绘制二阶系统时域响应
globalX
X=0:
0.1:
20;
z1=0.3;
Ex0502（z1）;
holdon
z1=0.5;
Ex0502（z1）;
z1=0.707;
Ex0502（z1）;
functionEx0502（zeta）
%子函数，画二阶系统时域曲线
globalX
y=1-1/sqrt（1-zeta^2）*exp（-zeta*X）.*sin（sqrt（1-zeta^2）*X+acos（zeta））;
plot（X,y）;
程序分析：
X变量为全局变量，在需要使用的主函数和子函数中都需要用global定义；同样如果在工作空间中定义X为全局变量后也可以使用：
globalX
who
Yourvariablesare:
X
注意：
由于全局变量在任何定义过的函数中都可以修改，因此不提倡使用全局变量；必须使用时应十分小心，建议把全局变量的定义放在函数体的开始，全局变量用大写字符命名。
5.3.3函数的参数
1.参数传递规则
【例5.13】将【例5.11】画二阶系统时域的函数修改，使用输入输出参数来实现参数传递，如图5.3所示。
程序分析：
主函数Ex0513调用子函数Ex0502，子函数中的zeta为输入参数，函数调用时将z1传递给子函数zeta，子函数计算后将输出参数x和y传回给主函数的x1、y1；主函数调用子函数三次，后面两次参数的传递也是同样。
2.函数参数的个数
（1）nargin和nargout变量
函数的输入输出参数的个数可以通过变量nargin和nargout获得，nargin用于获得输入参数的个数，nargout用于获得输出参数的个数。
语法：
nargin%在函数体内获取实际输入变量的个数
nargout%在函数体内获取实际输出变量的个数
nargin（’fun’）%在函数体外获取定义的输入参数个数
nargout（‘fun’）%在函数体外获取定义的输出参数个数
【例5.14】计算两个数的和，根据输入的参数个数不同使用不同的运算表达式。
function[sum,n]=Ex0514（x,y）
%EX0514参数个数可变，计算x和y的和
ifnargin==1
sum=x+0;%输入一个参数就计算与0的和
elseifnargin==0
sum=0;%无输入参数就输出0
else
sum=x+y;%输入的是两个数则就计算和
end
在命令窗口调用Ex0514函数，分别使用2个、1个和无输入参数结果如下：
[y,n]=Ex0514（2,3）
y=
5
n=
2
[y,n]=Ex0514
（2）
y=
2
n=
1
[y,n]=Ex0514
y=
0
n=
0
注意：
如果输入的参数多于输入参数个数，则会出错。
[y,n]=Ex0514（1,2,3）
?
?
?
Errorusing==>ex0514
Toomanyinputarguments.
也可以在工作空间查看函数体定义的输入参数个数：
nargin（'Ex0514'）
ans=
2
【例5.14续】添加以下程序，查看用nargout变量获取输出参数个数。
ifnargout==0%当输出参数个数为0时，运算结果为0
sum=0;
end
在命令窗口调用Ex0514函数，当输出参数格式不同时，结果如下：
Ex0514（2,3）%当输出参数个数为0时
ans=
0
y=Ex0514（2,3）%当输出参数个数为1时
y=
5
[y,n,x]=Ex0514%当输出参数个数为太多时
?
?
?
Errorusing==>ex0514
Toomanyoutputarguments.
程序分析：
当输出参数个数为0时，即使有两个输入参数，运算结果也为0，结果送给ans变量；当输出的参数个数太多，也会出错。
（2）varargin和varargout变量
varargin和varargout可以获得输入输出变
升级会员 