MatLab与控制系统仿真重点编程.docx
《MatLab与控制系统仿真重点编程.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《MatLab与控制系统仿真重点编程.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
MatLab与控制系统仿真重点编程
第4章MatLab的程序设计
MatLab是一个工具、开发平台，同时它也是一门编程语言。
与在命令窗口用交互的方式工作相比，通过程序运行来解决实际问题，其效率更高，因此，凡是复杂的、大型的应用都是以程序的方式执行。
相对其它高级语言，MatLab更简单、编程的效率更高、调试过程也更容易。
MatLab中的程序文件是以m为后缀，所以通常将MatLab的程序文件称为m文件。
MatLab提供了两种形式的m文件，即：
脚本（Script）式m文件（就简称m文件）、函数型m文件。
在MatLab中已经嵌入了一个功能强大的集成开发环境——m文件编辑器，用它来进行程序的编辑、修改、调试、运行等，完成应用开发工作。
4.1MatLab程序设计基础
通过前面内容的学习，大家对MatLab已经有了一个初步的认识和印象，到目前为止，我们都是在“命令”窗口中，以交互的方式运行，完成我们的工作。
实际上简单的m文件，就是一个批处理程序，它是若干条命令的集合。
例：
4.1.1M文件规则和属性
函数M文件必须遵循一些特定的规则。
除此之外，它们有许多的重要属性，这其中包括：
1.函数名和文件名必须相同。
例如，函数fliplr存储在名为fliplr.m文件中。
2.MATLAB头一次执行一函数个M文件时，它打开相应的文本文件并将命令编辑成存储器的内部表示，以加速执行以后所有的调用。
如果函数包含了对其它函数M文件的引用，它们也同样被编译到存储器。
普通的脚本M文件不被编译，即使它们是从函数M文件内调用；打开脚本M文件，调用一次就逐行进行注释。
3.在函数M文件中，到第一个非注释行为止的注释行是帮助文本。
当需要帮助时，返回该文本。
例如，»helpfliplr返回上述前八行注释。
4.第一行帮助行，名为H1行，是由lookfor命令搜索的行。
5.函数可以有零个或更多个输入参量。
函数可以有零个或更多个输出参量。
6.函数可以按少于函数M文件中所规定的输入和输出变量进行调用，但不能用多于函数M文件中所规定的输入和输出变量数目。
如果输入和输出变量数目多于函数M文件中function语句一开始所规定的数目，则调用时自动返回一个错误。
相对于函数m文件，脚本式m文件就简单多了，它没有严格的格式要求，只要将有关的命令或函数一一敲入即可，但是还是有几个问题需要注意：
1.m文件的名称不得与MatLab的内部函数同名、第一个字符不得为数字（这点与变量的命名规则相同）；
2.最好在文件的头部加上注释，对该m文件的作用、功能作一个简要说明，而在一些重要命令行后也加上注释行，以方便使用者阅读、查找；
3.要特别注意m文件的保存路径或位置，如果不是保存在MatLab默认的路径下，可以使用addpath函数来设置、添加路径，否则，m文件不能运行。
脚本式m文件与函数m文件还有一个重要区别：
脚本式m文件中的变量均为全局变量，而函数m文件中的变量则是局部变量。
这可以从这两种程序文件运行后在Workspace中留下痕迹看出。
当然，在函数m文件中也可以专门将某些变量定义为全局变量（关键字是：
global）。
不过，在使用全局变量（函数m文件中）时应特别注意：
①.全局变量需要函数体的变量赋值语句之前定义或说明；
②.全局变量名最好是大写，而且要尽量长，能反映它本身的含义；
③.实际编程时，全局变量也要尽可能少用，因为一旦它在一个地方被改变，那么其它包括该变量的函数中都得改变，有时可能会出现意想不到情况。
4.1.2M文件的组成
函数M文件实例：
functionf=fact（n）%函数定义行
%Computeafactorialvalue%H1行
%FACT（N）returnthefactorialofN，
%usuallydenotedbyN%帮助文本
%Putsimply，FACT（N）isPROD（1:
N）%注释
f=prod（1:
N）;%函数体
一个完整的函数M文件通常包括：
①.函数定义行：
定义函数名以及输入、输出变量的数目和顺序；
②.H1行：
对该函数进行概括性的描述（可用help和Lookfor命令调出此行）；
③.帮助文本：
这是比H1行更详细的帮助信息，使用help命令时与H1行一起显示；
④.函数体：
这是函数M文件的主要部分，程序的功能都在此部分实现；
⑤.注释：
对程序行的意义进行解释（与H1行一样都是用%开头）。
有的函数M文件还包含return语句！
4.1.3M文件编辑器介绍
1.m文件编辑器的启动
★在命令窗口中敲入：
edit
★点击工具栏中的新建图标
★从菜单file/new/M-file中启动
2.m文件编辑器的界面
★菜单栏
★工具栏
★编辑窗口
3.m文件的运行
★在m文件编辑器内
★在命令窗口中运行
在命令窗口直接输入m文件名，回车即可，但函数m文件通常还必须带参数才能运行，也可以利用feval函数来运行函数m文件，其格式如下：
feval（'functionname',arg1,arg2,...）
对于脚本式m文件，还可以用run函数在命令窗口中运行存在的m文件。
格式：
run‘m文件名’（不必带文件的后缀）
4.1.4对函数M文件的调用
凡是以函数m文件形式保存的程序文件，均可以被其它函数m文件或脚本m文件所调用。
例：
①先定义一个函数m文件：
%计算阶乘
functiony=jiech（n）
y=1;
fori=1:
n
y=y*i;
end
②编写m文件实现对上述函数m文件的调用：
functionz=dy（n）
z=log（jiech（n））;
4.1.5数据类型与结构
MatLab的数据类型前面已经介绍，下面是它们之间的关系图：
MatLab中结构（教材中称构架）的概念和C语言中的类似，它也包含一个或多个域（数据容器），每个域可以包含任何类型的数据（这一点与单元数组又相似），且相互独立。
下面通过实例来说明如何建立并访问结构。
用结构建立学生的数据记录。
1.例1：
在命令窗口直接创建（或用m文件编辑器）创建。
student.num=20070135;
student.name='李四';
student.age=20;
student.weight=67;
student.height=1.68;
student.test=[90857663885479];
从这个例子可以看出结构建立的方法：
直接建立结构和各个域，同时给各域赋值（也可以不赋值），结构和域之间用点“.”连接。
2.用关键字“struct”创建，格式如下：
s=struct（'field1',values1,'field2',values2,...）
例2：
用关键字“struct”创建。
student=struct（'num',20070135,'name','zhangsan','weight',1.68,'height',75,'test',…
[9887659578]）
3.结构的操作
★结构域的访问
★结构域的添加、修改
直接添加或用函数setfield（）添加；
直接修改或用函数setfield（）修改。
★结构域的删除
用函数rmfield（）删除某个域。
格式：
s=rmfield（s,'fieldname'）
4.2MatLab程序的控制
程序的流程控制是高级语言中必不可少、也是非常重要的部分，要编写出高质量的程序，实现对复杂系统的控制、仿真，这一点也是必须掌握的。
MatLab提供了多种控制结构，包括：
顺序结构、选择（分支）结构以及循环结构，每种结构都有各自的控制机制，利用它们及其它们的组合可以实行功能强大的、复杂的应用。
4.2.1顺序结构
顺序结构最简单，它是一种最基础的程序结构，也是最遵循逻辑思路的程序代码结构，批处理文件就是典型的顺序语句文件。
这种语句不需要任何特殊的流控制，按照语句的排列顺序，一条一条的执行，直至结束。
例：
4.2.2选择（或分支）结构
如果程序中需要根据一定条件来执行不同的操作时，可以使用条件语句来构成选择或分支结构。
在MatLab中可利用if语句来实现这种结构。
if语句的结构通常有以下三种形式：
1.单分支结构：
这种分支结构最简单，格式为：
if表达式
语句
end
它只有一个判断语句，当表达式为真时，就执行语句，否则就不执行。
例：
functionf=ifone（x）
ifx>=0
fprintf（'%fisaPositivenumber.\n',x）;
end
2.双分支结构：
此时，采用if-else-end结构，语法是：
if表达式
语句1
else
语句2
end
即：
表达式为真，系统执行语句1，否则将转入语句2执行。
例：
将上面的例子扩充
functionf=ifone（x）
ifx>=0
fprintf（'%fisapositivenumber.\n',x）;
else
fprintf（'%fisanegativenumber.\n',x）;
end
3.多分支结构：
仍采用if-else-end结构，但语法上略有不同，形式如下：
if表达式1
语句1%表达式1为真执行语句1
elseif表达式2
语句2%表达式2为真执行语句2
elseif表达式3
语句3%表达式3为真执行语句3
……
else
语句n%所有表达式为假执行语句n
end
例：
编写一个成绩打印程序。
functionf=chengji（x）
ifx>=90
fprintf（'%d分，成绩为优\n',x）
elseifx>=80
fprintf（'%d分，成绩为良\n',x）
elseifx>=70
fprintf（'%d分，成绩为中\n',x）
elseifx>=60
fprintf（'%d分，成绩为及格\n',x）
else
fprintf（'%d分，成绩为不及格\n',x）
end
4.2.3开关语句（Switch分支结构）
开关语句实际上也是分支结构的一种，是一种多选择的分支语句，作用与上面介绍的多分支结构相似，这是MatLab6.0以上版本新增加的功能。
该结构的一般调用格式如下：
Switchexpression
Casevalue1
Statements
Casevalue2
Statements
……………….
Otherwise
Statements
end
例：
采用switch结构的一个简单应用。
%提示用户输入数据
input_num=input（'Enteranumber:
'）;
%根据情况判断数值大小，显示数据信息
switchinput_num
case-1
disp（'negativeone'）;
case0
disp（'zero'）;
case1
disp（'positiveone'）;
otherwise
disp（'othervalue'）;%如果不是上面数据，显示“其它数据”
end
4.2.4try-catch结构
try-catch结构（或模块）为用户提供了一种错误捕捉机制，利用该模块，一旦MatLab的编译系统发现错误，就将其捕捉，用户可以控制MatLab去对出现的错误进行相应处理。
它的调用格式如下：
try
语句1
catch
语句2
end
一般来说，语句1中的所有命令都要执行，如果在执行语句1时，没有出现错误，那么在执行语句1之后，就直接跳到end后；但是，如果在执行语句1时，出现了错误，程序立刻转到catch模块中，去执行语句2，并可通过调用lasterr函数查询出错的原因。
例：
见教材中P70例4-4。
4.2.5循环结构
很多程序都可能会出现一些反复运行的部分，前面介绍的这些结构就很难实现了。
同其它高级语言一样，MatLab也提供了循环语句。
在循环语句中，被重复执行的部分称为循环体，控制循环语句是否继续的称为循环条件。
在MatLab中有两种循环结构，即所谓的for循环和while循环。
1.for循环
for循环语句有如下特点：
★它的循环判断条件通常是对循环次数的判断，即它的循环次数是预先设定好的；
★for循环语句可以嵌套使用。
不仅可以对for本身嵌套，还可以对其它的结构形式进行嵌套使用。
for循环的语法：
fori=表达式
语句1，……，语句n；
end
例：
求n个数的平方。
functionx=pfh（n）
fori=1:
n
x（i）=i^2;
end
2.while循环
与for循环不同，while循环的判断控制可以是逻辑判断语句，它的循环次数可以是一个不定数，因此比for循环有更广泛的用途。
while循环的格式：
while表达式
语句
end
在这个循环中只要表达式值不为false，程序就一直运行下去，语句被反复执行。
例1：
求几个数的阶乘。
functionm=jiech（x）
m=1;n=1;%给m和n赋初值
whilen<=x
m=m*n;
n=n+1;%n自增1
end
例2：
Fibonacci数组的元素满足Fibonacci规则：
，
；且
。
现要求该数组中第一个大于10000的元素。
a
（1）=1;a
（2）=1;i=2;
whilea（i）<=10000
a（i+1）=a（i-1）+a（i）;%当现有元素仍小于10000时，继续执行。
i=i+1;
end;
i,a（i）,
例3：
综合实例，打印九九乘法表（包含for循环的嵌套及if结构）。
clearall
clc
fori=1:
9
forj=1:
i
fprintf（'%d*%d=%d,',j,i,i*j）;
ifj==i
fprintf（'\n'）;
end
end
end
思考题：
如果希望打印任意个数的乘法表怎么实现？
4.2.6输出格式的设置
在上面的程序中已经用到了输出语句fprintf和disp，对于这些函数的使用，一个最重要的内容就是对它们输出格式的设置，MatLab提供了多种可选的输出格式，方便了用户的使用。
下面表4-1就是一些常用输出格式的名称及其作用：
输出格式
说明
%c
输出单个字符（Singlecharacter）
%d
带符号十进制数[Decimalnotation（signed）]
%f
定点数（Fixed-pointnotation）
%e
指数记数制[Exponentialnotation（usingalowercaseeasin3.1415e+00）]
%E
指数记数制[Exponentialnotation（usinganuppercaseEasin3.1415E+00）]
%s
字符串（Stringofcharacters）
%u
无符号十进制数[Decimalnotation（unsigned）]
%i
与%d相同[Decimalnotation（signed）]
表4-1输出格式说明
4.3MatLab的人机交互命令
在MatLab中，还提供了一些特殊的程序控制语句，利用这些语句用可以实现以交互的方式输入/输出数据、提前终止循环、跳出子程序及显示M文件的执行过程等操作，方便用户与计算机之间及时地进行交互。
1.终止命令break和return
这两个命令在使用上的区别：
break是终止循环（专门针对for和while循环），而return是终止程序。
break必须在循环语句内，return可在任何位置。
例：
以只读的方式打开一个m文件（不运行）。
fid=fopen（'fft.m','r'）;%以只读的方式打开fft.m文件
s='';%定义一个空字符串数组
while~feof（fid）
line=fgetl（fid）;
ifisempty（line）,break,end
s=strvcat（s,line）;%将空格与字符串进行垂直连接
end
disp（s）
return函数的使用就不在此举例了。
2.继续命令continue
for或while循环中，一旦遇到continue语句时，程序立即跳到循环的end语句，即跳过在continue与end之间的所有命令。
例：
程序行数的统计。
fid=fopen（'magic.m','r'）;
count=0;
while~feof（fid）
line=fgetl（fid）;
ifisempty（line）|strncmp（line,'%',1）
continue
end
count=count+1;
end
disp（sprintf（'%dlines',count））;
3.等待用户反映命令pause
作用：
程序运行到此暂停，等待用户的响应。
格式：
pause或pause（n），n——暂停的时间。
例：
在九九乘法表程序的第一个fprintf语句后加上pause，看执行的效果。
4.echo命令
控制m文件中的命令在窗口是否显示。
通常m文件在执行过程中并不会在命令窗口中显示。
例：
在m文件中加入echo或echoon。
可以让程序运行到哪里就显示在哪里。
5.请求用户输入命令input
这是人机交互程序中一个非常重要的命令，利用它，程序将以交互的方式接收用户的输入数据或字符。
例：
将九九乘法表程序修改如下：
functionjjb（m）
n=input（'请输入n的值：
'）;
fprintf（'%d*%d的乘法表是：
\n',n,n）;
fori=1:
n
forj=1:
i
fprintf（'%d*%d=%d,',j,i,i*j）;
ifj==i
fprintf（'\n'）;
end
end
end
另外，keyboard命令也可以达到相似的功能。
6.输出命令disp、fprintf
fprintf——格式化数据输出命令，但它的功能有很多。
如将文本或数据输出到设备（屏幕）、串口或子系统中。
disp——显示文本或矩阵，这里的文本包括数学符号、希腊字母等。
例：
disp（'CornOatsHay'）
disp（rand（5,3））
关于fprintf输出格式见前面的5.2.6输出格式的设置。
4.4MatLab的符号计算
MatLab最初将其功能重点放在数值运算、矩阵运算等方面，因此，它的符号计算功能相对薄弱，但是，自从MatLab5.3开始，它这方面已经在有了很大的改进、提高和加强。
由于采用了全新的数据结构、面向对象编程及重载技术，使得MatLab的符号计算与数值计算在形式和风格上浑然统一，7.0以后的版本，符号计算功能更加强大，如提供了SymbolicMathToolbax，这使得MatLab的符号计算的功能可以与符号计算的专用语言Maple、Mathematic等相媲美。
MatLab符号运算方法：
1.MatLab本身已开发了许多符号运算函数，如：
符号表达式、符号矩阵、符号微积分、符号线形方程等；
2.MatLab开发了与其它符号计算语言的接口函数，如：
maple.m和map.m使之可以与Maple进行相互调用，博采众长，这样，MatLab符号计算的功能就进一步加强。
4.4.1符号变量的生成和使用
1.符号变量、符号表达式和符号方程的生成
在进行符号计算之前，首先要生成符号表达式等。
★用sym函数定义符号变量和符号表达式
格式见教材P81。
sym有两种用法：
一是用它定义一个符号变量，二是用它对整个表达式进行定义。
例1：
符号变量的定义。
a=sym
（2）/sym（5）+sym
（1）/sym（3）;
比较b=sqrt
（2）和b=sqrt（sym
（2））两个式子的输出结果。
例2：
符号表达式的定义。
a=sym（‘a’）;
b=sym（‘b’）;
c=sym（‘c’）;
x=sym（‘x’）;
f=a*x^2+b*x+c
或者：
f=sym（'a*x^2+b*x+c'）
★用syms函数定义符号变量和符号表达式
从例2可以看出：
用sym定义符号变量还是比较麻烦，它每次只能定义一个符号变量，像上面有多个变量需要定义的话，不方便。
Syms则方便多了。
其格式为：
symsvar1var2var3……
例：
symsxyz
f=x^2+2*y^2+3*z^2
★符号方程式的生成
方程与函数的区别在于函数是一个由数字和变量组成的代数式，而方程则是由函数和等号组成的等式，但它们的定义却没有什么差别。
例：
equa1=sym（'sin（x）+cos（x）=1'）
2.符号变量的基本操作
★符号变量的寻找（findsym函数的使用）
例：
findsym（equa1）或findsym（f）等。
★符号表达式的精度（digits、vap函数）
digits函数用于显示或设定数值的精度；
例：
digits
digits（100）
vap函数进行可控精度运算，与digits也有些相似。
例：
vpa（pi）
vpa（pi,1000）
★数值型变量符号型变量的转换形式
对于任意数值变量，使用sym函数可以将其转换为4种形式的符号变量，它们是：
有理数形式：
sym（t）或sym（t,'r'）；
浮点数形式：
sym（t,'f'）；
指数形式：
sym（t,'e'）；
数值精度形式：
sym（t,'d'）。
4.4.2符号表达式运算
MatLab提供的符号运算函数很多，如：
四则运算、合并同类项、因式分解、展开、化简等，灵活使用这些函数，可以给我们的工作带来便利。
下面举例说明。
1.符号表达式的四则运算
2.合并符号表达式的同类项（Collect函数）
例：
symsxy;
R1=collect（（exp（x）+x）*（x+2））
R2=collect（（x+y）*（x^2+y^2+1）,y）
R3=collect（[（x+1）*（y+1）,x+y]）
3.符号表达式的因式分解（factor函数）和展开（expand函数）
例1：
factor函数的使用。
factor（x^3-y^3）
例2：
expand函数的使用。
expand（（x-2）*（x-4））
4.符号表达式的简化（simple函数或simplify函数）
例：
Simple函数的使用。
simple（2*cos（x）^2-sin（x）^2）
5.Subs函数的应用
使用subs函数可以将符号表达式中的字符型变量用数值型变量替换。
例：
subs函数的使用（这里用它来代替polyval函数计算多项式的值）。
symsx;
p=[123521];
P=poly2sym（p）;%实际上polyval函
升级会员 