matlab实验指导书.docx
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matlab实验指导书
《MATLAB计算与仿真》
实验指导书
华南理工大学广州汽车学院电子信息工程系
二0一一年三月
学生实验守则
1学生必须在规定时间内参加实验，不得迟到、早退。
2学生进入实验室后，不准随地吐痰、抽烟和乱抛杂物，保持室内清洁和安静。
3实验前应认真阅读实验指导书，复习有关理论并接受教师提问检查，一切准备工作就绪后，须经指导教师同意后方可动用仪器设备进行实验。
4实验中，认真执行操作规程，注意人身和设备安全。
学生要以科学的态度进行实验，细心观察实验现象、认真记录各种实验数据，不得马虎从事，不得抄袭他人实验数据。
5如仪器发生故障，应立即报告教师进行处理，不得自行拆修。
不得动用和触摸与本次实验无关的仪器与设备。
6凡损坏仪器设备、器皿、工具者，应主动说明原因，书写损坏情况报告，根据具体情节进行处理。
7实验完毕后，将计量器具和被测工件整理好，认真填写实验报告（包
括数据记录、分析与处理，以及绘制必要的图形）。
前言
MATLAB程序设计语言是一种高性能的、用于科学和技术计算的计算机语言。
它是一种集数学计算、分析、可视化、算法开发与发布等于一体的软件平台。
自1984年MathWorks公司推出以来，MATLAB以惊人的速度应用于自动化、汽车、电子、仪器仪表和通讯等领域与行业。
MATLAB有助于我们快速高效地解决问题。
MATLAB相关实验课程的学习能加强学生对MATLAB程序设计语言理解及动手能力的训练，以便深入掌握和领会MATLAB应用技术。
为后续的《电力电子技术》、《自动控制原理》、《电力系统分析》等专业课程提供数值计算和可视化编程工具。
目录
实验一MATLAB概述实训1
实验二MATLAB基本运算实训10
实验三MATLAB图形绘制实训17
实验四MATLAB符号计算实训24
实验五程序设计和M文件实训29
实验六GUI图形用户接口设计实训36
实验七Simulink仿真环境实训45
实验八线性控制系统设计分析实训53
实验一MATLAB概述实训
一、实验目的
1．了解MATLAB语言的基本功能和特点；
2．熟悉MATALB的基本界面。
二、实验仪器、设备
安装MATLAB6.0或以上版本的计算机。
三、实验原理
1.MATLAB的界面
1）MATLAB的主界面
2）MATLAB的的工具栏
3）MATLAB的窗口-命令窗口
打开MATLAB时，命令窗口自动显示于MATLAB界面中。
图中的“>>”是运算提示符，表示MATLAB处于准备状态，用户可以输入命令，按下回车
键执行，并在命令窗口中显示运行结果。
输入程序语言：
按下确定键后，会生成相应图像：
4）MATLAB的窗口-命令历史窗口
默认情况下命令历史窗口位于左下角，显示用户曾经输入过的命令，并显示输入的时间，
方便用户查询。
对于命令历史窗口中的命令，用户可以点击右键进行相应的操作。
用户可以双击再次执行命令窗口中的命令。
5）MATLAB的窗口-工作区窗口
工作区窗口与当前路径窗口共享一块空间，可以通过标签显示或隐藏。
工作区窗口中显示当前工作区中的所有变量及其大小和类型等。
通过工作区可以对这些变量进行管理。
其中包含了工作区工具栏和显示窗口。
通过工具栏可以新建或删除变量、导入导出数据、绘制变量的图形等。
另外右键单击变量名可以对该变量进行操作。
6）MATLAB的窗口-当前路径窗口
当前路径窗口显示当前路径下的所有文件和文件夹及其相关信息，并且可以通过当前路
径工具栏或右键菜单对这些文件进行操作。
2.Matlab的路径搜索
1）路径设置
除MATLAB默认的搜索路径外，用户可以设置搜索路径。
设置方法为：
选择MATLAB
窗口中的File|SetPath命令，进入路径搜索对话框。
路径设置函数
path命令
在命令窗口中输入path命令可以查看MATLAB中的搜索路径：
>>path
MATLABPATH
C:
\MATLAB\R2006a\toolbox\matlab\general
C:
\MATLAB\R2006a\toolbox\matlab\ops
C:
\MATLAB\R2006a\toolbox\matlab\lang
C:
\MATLAB\R2006a\toolbox\matlab\elmat
……
path（'newpath'）命令改变搜索路径
2）MATLAB的搜索顺序
当在命令窗口中或者一个M文件中输入一个元素名称时，MATLAB按照下面的顺序
搜索该元素的意义，以元素foo为例：
1）查找工作区中是否存在名为foo的变量；
2）在当前路径中查找是否存在名foo.m的文件；
3）按照顺序查找搜索路径中是否存在该文件。
如果存在多个名为foo.m的文件，则调用首先查到的文件。
因此，在为变量和函数命名时，需考虑MATLAB的路径搜索顺序，合理为变量和函数命名，保证程序的正确运行
3．基本规则
1）一般MATLAB命令格式为
[输出参数1，输出参数2，……]=（命令名）（输入参数1，输入参数2，……）
输出参数用方括号，输入参数用圆括号如果输出参数只有一个可不使用括号。
2）%后面的任意内容都将被忽略，而不作为命令执行，一般用于为代码加注释。
3）可用↑、↓键来重现已输入的数据或命令。
用←、→键来移动光标进行修改。
4）所有MATLAB命令都用小写字母。
大写字母和小写字母分别表示不同的变量。
5）常用预定义变量，如pi、Inf、NaN、ans
6）矩阵的输入要一行一行的进行，每行各元素用空格或“，”分开，每行用“；”分开。
7）需要显示命令的计算结果时，则语句后面不加“；”号，否则要加“；”号。
8）当输入语句过长需要换行时，应加上“…”后再回车，则可续行输入。
4．文件管理常用命令
1）帮助（HELP）命令
MATLAB有很多命令，因此很不容易记忆。
使用HELP命令可以得到有关命令的屏幕帮助信息。
如在MATLAB环境下直接运行HELP命令就会在屏幕上给出MATLAB的基本命令以及相关的工具箱软件命令（请自行验证）。
而下面的格式可以得到指定命令的帮助信息，和详细说明。
help命令名
2）save命令
该命令存储定义的变量或演算结果，也可以用来存储指定的变量。
命令格式为：
save文件名[变量名表][-append][-ascii]
3）what命令
该命令可以在当目录下显示MATLAB文件和MAT数据文件
4）dir命令
显示当前目录下的所有文件.
5）clear命令
如果输入calearabc，则表示清除工作空间中指定变量a,b,c；如果仅仅输入clear命令，则清除整个工作空间。
四、实验注意事项
1．实验开始前，应先检查本组电脑设备是否工作正常，matlab软件工作是否正常；
2．实验时每位同学应独立完成实验任务，避免抄袭；
3．实验后及时将实验数据进行记录，避免因电脑故障或其它原因造成实验数据的丢失；
4．实验结束后，将实验记录结果交指导老师查看并认为无误后，方可关掉电脑离开；
5．自觉遵守学校和实验室管理的其它有关规定。
五、实验预习要求
1．实验前，学生须仔细阅读本实验指导书的相关内容，明确实验目的、要求；
2．复习与实验内容有关的理论知识。
六、实验内容及步骤
1．熟悉MATLAB主界面，工具栏及各窗口；
2．完成MATLAB的路径搜索；
3．完成以下各题，将步骤命令写入实验报告，并在机器上运行结果验证。
1）输入A=[715；256；315]，B=[111;222;333]，在命令窗口中执行下列表达式，掌握其含义：
A（2,3）A（:
2）A（3,:
）A（:
1:
2:
3）A（:
3）.*B（:
2）A（:
3）*B（2,:
）A*BA.*BA^2A.^2B/AB./A
2）输入C=1:
2:
20，则C（i）表示什么？
其中i=1,2,3,…,10；
七、实验报告要求
1.实验目的
2.实验内容
3.实验程序（命令）清单
4．运行结果，保存截屏
5．实验收获与体会
八、思考题
实验二MATLAB基本运算实训
一、实验目的
1．掌握数组的创建方法、掌握数组子数组的寻访和赋值方法；
2．掌握数组的各种运算，理解数组运算和矩阵运算的区别；
3．掌握标准数组的生成方法和相关数组操作函数的使用方法；
4．了解数组关系运算和逻辑运算的含义和应用；
5．掌握字符串在MATLAB中的表达方式和创建方法；了解字符串转换函数和操作函数及其使用方法；
6．掌握使用MATLAB进行多项式曲线拟合和插值、各种不同的运算。
二、实验仪器、设备
安装MATLAB6.0或以上版本的计算机。
三、实验原理
1.向量、矩阵及其运算
1）向量的点乘、叉乘和混合积
①向量的点乘
向量的点乘又称为内积，是两个向量的模和两个向量之间的夹角余弦三者的乘积。
MATLAB中，实现点乘的函数是dot。
dot函数的用法为dot（x1,x2），其中x1和x2的维
数必须相同。
②向量的叉乘
向量乘法除点乘之外还有叉乘。
两个向量叉积的几何意义是指以两个向量模的乘积为
模，方向和两个向量构成右手坐标系的向量。
向量的叉乘不可交换。
在MATLAB中函数cross用于实现向量的叉乘。
③向量的混合积
向量的混合积的几何意义是：
它的绝对值表示以三个向量为楞的平行六面体的体积，符
号由右手法则确定。
上面介绍了向量的点乘和叉乘，向量的混合积由点乘和叉乘逐步实现。
2）矩阵的基本运算
①矩阵与常数之间的四则运算
矩阵与常数的运算与数组运算相同
②矩阵和矩阵之间的四则运算
矩阵和矩阵之间的加减运算与数组运算相同
设A是一个m×n矩阵，B是一个p×q矩阵，当n＝p时，两个矩阵可以相乘，乘
积为m×q矩阵。
矩阵乘法不可逆。
在MATLAB中，矩阵乘法由“*”实现。
矩阵除法在实际中主要用于求解线性方程组
③矩阵转置
符号“’”实现矩阵的转置操作。
对于实数矩阵，“’”表示矩阵转置，对于复数矩阵，
“’”实现共轭转置。
对于复数矩阵，如果想要实现非共轭转置，可以使用符号“.’”。
3）稀疏矩阵
一个矩阵中如果包含很多元素值为0，则此矩阵可以只存储少量的非0元素，这个矩阵称为稀疏矩阵（SparseMatrix）。
创建稀疏矩阵，sparse函数的语法格式如下：
sparse（i,j,s,m,n）%直接创建稀疏矩阵；
sparse（p）%由全元素矩阵p转换为稀疏矩阵。
2.数组的创建方法
1）一维数组的创建
要想在MATLAB中创建一个一维数组，用户只需先输入一个左方括号，然后输入每个数值并用逗号（或者空格）隔开，最后用一个右方括号结束。
2）二维数组的创建
创建二维数组与创建一维数组的方式类似。
在创建二维数组时，用逗号或者空格区分同一行的不同元素，用分号或者软回车（Shift+Enter）区分不同行。
3）复数数组的创建
在MATLAB中，空格的功能为分隔数组元素，在其他情况下，MATLAB通常不解析空格。
因此，如果数组中包含复数元素，这些元素中不能间杂空格，如果存在空格则需要用括号扩起来。
4）用其他方式生成数组
等差数组的生成
在MATLAB中，可以利用冒号生成等差数组。
格式为：
数组名=[开始数字:
公差:
结束
数字]，公差默认为1。
用数组生成函数生成数组
eye：
生成单位矩阵
linspace：
生成线性分布的向量
rand：
生成随机数组，数组元素值均匀分布
3.数组的寻址与排序
1）数组的寻址
数组中总是包含多个元素，因此在对数组的单个元素或者多个元素进行访问时，需要对数组进行寻址运算。
在MATLAB中，数组寻址是通过对数组下标的访问来实现的。
如果需要访问数组种的多个数据，可以通过下标数组进行
当下标数组为利用冒号表示的等差数组时，可以省略下标数组的中括号
2）数组的排序
在很多时候我们需要对一个给定的数据向量进行排序。
为完成这一操作，MATLAB提
供了sort函数，该函数将任意给定的序列进行排序。
sort函数的调用格式有：
B=sort（A）
B=sort（A,dim）
B=sort（...,mode）
[B,IX]=sort（...）
其中的B为保存结果的数组；A为待排序的数组，当A为多维数组时，用dim指定需要排序的维数（默认为1）；mode为排序的方式，可以取值“ascend”和“descend”，分别表示升序和降序，默认为升序；IX用于存储排序后的下标数组。
4.数组的运算
数组的数值运算有加减法、乘除法及乘方：
1）数组的加减法
数组加减法为数组元素的加减法，与矩阵加减法相同。
利用运算符“+”和“-”实现该运算。
需要注意的是相加或相减的两个数组必须有相同的维数，或者是数组与数值相加减。
2）数组的乘除法
数组乘除为元素的乘除，通过运算符“.*”和“./”来实现。
运算时需要两个数组有相同的
维数，或者数组与数值相乘除。
注意：
在进行除法操作时，作为分母的数组中不能包含0元素。
3）数组的乘方
数组乘方用符号“.^”实现。
数组乘方运算以三种方式进行。
底为数组，指数为标量的形式。
这种形式的结果是将数组的每个元素进行指数相同的乘方。
返回的结果为与底维数相同的数组，结果数组的每个元素为底中相应元素的乘方。
底为标量，指数为数组的形式。
该形式返回的结果为数组，维数与指数数组相同。
结果数组的每个元素为底以指数数组相应元素为指数做乘方的结果。
底和指数都是数组的形式。
此时两个数组需要有相同的维数。
返回结果为一个数组，维数与前面两个数组相同，每个元素为底数数组和指数数组做乘方的结果
5．创建字符串
字符串由多个字符组成，是1×n的字符数组；每一个字符都是字符数组的一个元素，
以ASCII码的形式存放并区分大小，而显示的形式则是可读的字符。
1）创建字符串
用单引号（''）括起字符来直接赋值创建字符串。
MATLAB在存储字符串时，每一个字符以ASCII码的形式存放，占用两个字节。
2）字符串合并
strcat函数用于将字符串水平连接合并成一个新字符串，合并的同时会将字符串尾的空格删除。
语法格式如下：
strcat（s1,s2,…）%将s1，s2…合并成一个长字符串
char（s1,s2,…）%将s1，s2…合并成一个字符数组
strvcat（s1,s2,…）%将s1，s2…合并成一个字符数组
3）字符串与数值的转换
abs将字符串转换为ASCII码数值
str2num将字符串转换为数值
str2double将元胞字符串数组转换为数值
4）字符串的其他操作
MATLAB7.3还可以对字符串进行比较、查找、运行等操作。
6．元胞数组
元胞数组是常规数值数组的扩展，其基本元素是元胞，每一个元胞可以看成是一个单元（Cell），用来存放各种不同类型不同尺寸的数据，如矩阵、多维数组、字符串、元胞数组和结构体。
元胞数组可以是一维、二维或多维，使用花括号（{}）表示，每一个元胞以下标区分，下标的编码方式也与矩阵相同，分为单下标方式和全下标方式。
1）创建元胞数组
cell函数创建元胞数组的语法格式：
A=cell（m,n）%创建m×n元胞数组
2）元胞数组的操作
①用{}取元胞数组的元素内容
②用（）取元胞数组的元素
③用deal函数取多个元胞元素的内容
7．结构体
结构体的基本组成是结构，每一个结构都包含多个字段（Fields），结构体只有划分了字段以后才能使用。
1）创建结构体
①直接创建
直接使用赋值语句创建结构体，用“结构体名.字段名”的格式赋值。
>>ps
（1）.name='曲线1';
②利用struct函数创建
struct（'field1',值1,'filed2',值2,…）%创建结构体将值赋给各字段
2）获取结构体内部数据
①使用“.”符号获取
②用getfield函数获取
getfield（A,{A_index},'fieldname',{field_index}）
③使用fieldnames函数获取结构体的所有字段
fieldnames（array）%获取结构体的所有字段
④使用“[]”合并相同字段的数据
3）结构体的操作函数
①删除结构体的字段
rmfield（A,'fieldname'）%删除字段
②修改结构体的数据
setfield（A,{A_index},'fieldname',{field_index},值）
③结构体转换为元胞数组
>>ps=setfield（ps,{1},'color','green'）;
8．关系及逻辑运算
关系运算允许常量（或矩阵中的元素与元素）之间的比较.如果比较结果为真,则答案为1,否则为0.常用的关系运算符如下:
<小于,>大于,==等于
<=小于等于,>=大于等于,~=不等于
对于复数”==”和”~=”既比较实部也比较虚部,而其它运算仅比较实部。
MATLAB有三个逻辑运算符.
&逻辑与|逻辑或~逻辑非
在矩阵运算中,以上命令是将两个矩阵中的对应元素进行运算,得到的结果是具有同样元素的矩阵。
9.多项式的运算
1）多项式求根
使用roots函数来计算多项式的根，多项式的根以列向量的形式表示；反过来，也可以根据多项式的根使用poly函数获得多项式。
2）多项式求值
函数polyval和polyvalm可以用来计算多项式在给定变量时的值。
3）多项式的乘法和除法
多项式的乘法和除法运算分别使用函数conv和deconv来实现。
p=conv（pl,p2）%计算多项式p1和p2的乘积
[q,r]=deconv（pl,p2）%计算多项式p1与p2的商
4）多项式的微积分
使用polyder函数来计算多项式的微分：
polyder（p）%计算p的导数
polyder（a,b）%计算a和b乘积的导数
[q,d]=polyder（b,a）%计算a和b商的导数
MATLAB没有专门的多项式积分函数，但可以通过以下的公式计算完成积分：
[p./（length（p）:
-1:
1）,k]%计算多项式p的积分
5）多项式的拟合与插值
拟合函数
p=polyfit（x,y,n）%由x和y得出多项式p
说明：
x、y向量分别为数据点的横、纵坐标；n是拟合的多项式阶次；p为拟合的多项式，p是n+1个系数构成的行向量。
一维插值是指对一个自变量的插值，interp1函数用来进行一维插值：
yi=interp1（x,y,xi,'method'）
四、实验预习要求
1．实验前，学生须仔细阅读本实验指导书的相关内容，明确实验目的、要求；
2．复习与实验内容有关的理论知识。
五、实验内容及步骤
1.分别创建一个一维，二维及复数数组；对数组进行寻址、排序和简单的运算
2.对向量和矩阵的作运算
3.创建一个元胞数组，对其进行基本的运算
4.创建一个字符串，对其进行基本的运算
5.创建结构体，获取结构体内部数据，对结构体进行基本的函数操作
6．任选一多项式，对进行多项式求根、求值、微积分、拟合和插值的操作
六、实验报告要求
1.实验目的
2.实验内容
3.实验程序（命令）清单
4．运行结果，保存截屏
5．实验收获与体会
七、思考题
实验三MATLAB图形绘制实训
一、实验目的
1.了解MATLAB的图形窗口
2.掌握MATLAB基本二维图形、三维图形的绘制及图形的基本操作
3.掌握MATLAB特殊图形的绘制，如直方图、饼状图
二、实验仪器、设备
安装MATLAB6.0或以上版本的计算机。
三、实验原理
1.MATLAB的图形窗口
1）图形窗口的创建与控制
figure，创建图形窗口；
figure（'PropertyName',PropertyValue,...），按照指定的属性创建图形窗口；
figure（h），如果句柄h对应的窗口已经存在，在该命令使得该图形窗口为当前窗口；
如果不存在，则创建以h为句柄的窗口；
h=figure（...），返回图形窗口的句柄。
在命令窗口中输入命令“figure”，按下回车，生成的图形窗口如图所示。
创建图形窗口后，用户可以对其属性进行编辑。
编辑图形的属性可以通过两种方式进行：
通过属性编辑器
通过set函数
在图形窗口中，选择view菜单中的PorpertyEditor选项，激活属性编辑器，如图所示。
在该窗口中可以设置标题、颜色表等属性。
若要对更多属性进行设置，可以点击More
Properties…，如图所示。
2）图形窗口的菜单栏
①File菜单
File菜单与Windows系统的其他菜单类似，包括“新建”、“保存”、“打开”等命令。
New：
新建。
可以新建M文件（M-File），图形窗口（Figure）、变量（Variable）或图
形用户接口（GUI）。
新建对象时，系统自动打开相应的编辑器。
Open：
打开已有文件。
Close：
关闭当前窗口。
Save：
保存。
SaveAs：
另存为。
GenerateM-File：
生成M文件。
该命令可以将当前图形窗口中的图形自动转化为M文件。
ExportSetup：
导出设置。
可以设置颜色、字体、大小等，可以将图像以多种格式导出，
如emf、bmp、jpg、pdf等
PageSetup：
页面设置。
PrintSetup：
打印设置。
PrintPreview：
打印预览。
Print：
打印。
打开打印对话框。
②Edit菜单
CopyOptions…：
将图形复制到剪切板；
FigureProperties…，点击该选项，弹出窗口如图所示。
在该窗口中可以设置图形的属性，
包括图形窗口的标题、颜色映射表、图形彩色等，另外，点击“MoreProperties…”可以设置
更多属性，点击“ExportSetup…”可以设置图像导出属性。
AxesProperties…，点击该选项弹出窗口如图所示。
在该窗口中可以设置图形坐标系的属性，包括标题、坐标轴标记、范围等。
CurrentObjectProperties…，设置当前对象的属性，即图形中当前选中的对象，包括坐标轴、曲线、图形等。
ColorMap…，用于设置图形的颜色表
③Insert菜单
在图像中插入对象，如箭头、直线、椭圆、长方形、坐标轴等。
Insert中的选项及对应的功能如表所示：
选项
功能
选项
功能
XLabel
插入X轴
Arrow
插入箭头
YLabel
插入
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