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1、MATLAB 语言及其应用授课教师:刘晨晨单位：网络工程与信息安全系email: Application of Matlab Languagen课程的作用课程的作用n课程的目的课程的目的n课程的特点课程的特点n课程安排课程安排 9/12/20242Application of MatlabLanguage课程的作用课程的作用 在欧美各在欧美各高等学校高等学校，MatlabMatlab成为线性代数、自动控制理论、成为线性代数、自动控制理论、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真、图像处理等数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真、图像处理等诸多课程的基本教学工具，成为诸多课程的基本教学工具，成

2、为本科生、硕士生和博士生的本科生、硕士生和博士生的必须掌握的基本技能。必须掌握的基本技能。在在设计研究单位和工业部门设计研究单位和工业部门，MatlabMatlab已被广泛地用于研究已被广泛地用于研究和和解决各种具体的工程问题解决各种具体的工程问题。可以预见，可以预见，MatlabMatlab将在我国科学研究和工程应用中发挥越将在我国科学研究和工程应用中发挥越来越大的作用。来越大的作用。9/12/20243Application of MatlabLanguage 讲授讲授MATLABMATLAB语言基础入门知识语言基础入门知识，介绍，介绍MATLABMATLAB产品的体系、产品的体系、MAT

3、LABMATLAB桌面工具桌面工具的使用方法，的使用方法，重点介绍重点介绍MATLABMATLAB的数据可视化、的数据可视化、数值计算数值计算的基本步骤的基本步骤以及以及如何使如何使用用MATLABMATLAB语言编写整洁、高效、规范的程序。语言编写整洁、高效、规范的程序。并涉及到一些具体的并涉及到一些具体的专业应用工专业应用工具箱具箱（如：信号处理工具箱、图像处理工具箱等）。（如：信号处理工具箱、图像处理工具箱等）。通过本课程的学习，通过本课程的学习，了解、熟悉、掌握了解、熟悉、掌握 MATLABMATLAB的基本编程方法的基本编程方法，并具有初并具有初步的利用计算机处理、解决实际问题的能力

4、步的利用计算机处理、解决实际问题的能力，为进一步学习后续的专业课程做，为进一步学习后续的专业课程做好准备。好准备。本课程的目的本课程的目的（Objectives of This CourseObjectives of This Course ）本课程的特点本课程的特点（Features of This CourseFeatures of This Course ）交叉性课程，是交叉性课程，是计算机技术计算机技术、数学理论数学理论知识以及诸多知识以及诸多工程理论工程理论知识的综合。知识的综合。实践性课程。实践性课程。内容多，课时少，要求同学上课认真听讲，要充分利用上机实践消化、理解、内容多，课时

5、少，要求同学上课认真听讲，要充分利用上机实践消化、理解、掌握课上讲解内容。掌握课上讲解内容。9/12/20244Application of MatlabLanguage课程安排课程安排n课堂教学：共课堂教学：共2424学时；学时；（1-121-12周）周）n上机试验：共上机试验：共2424学时。学时。（2-132-13周，周二周，周二7-87-8节，九实节，九实401401、402402、403403）p学习成绩：学习成绩：1)上机实验成绩占上机实验成绩占30%;30%;2)考勤考勤 10%;10%;3)考试考试60%60%（随堂考试）（随堂考试）。主要参考书主要参考书精通精通MATLAB

6、6.5MATLAB 6.5张志涌张志涌 等编著，北航出版，等编著，北航出版，20032003年年高等应用数学问题的高等应用数学问题的MatlabMatlab求解求解 薛定宇等著，清华大学出薛定宇等著，清华大学出版社，版社，20042004年年MatlabMatlab程序设计与应用程序设计与应用 刘卫国主编，高等教育出版社刘卫国主编，高等教育出版社 9/12/20245Application of MatlabLanguage授课宗旨授课宗旨 讲授讲授MATLAB的通用功能。的通用功能。寓教于例，由浅入深。寓教于例，由浅入深。关于科学计算，着重强调理论概念、算法和实际计算三者关于科学计算，着重强

7、调理论概念、算法和实际计算三者之间的关系。之间的关系。9/12/20246Application of MatlabLanguage第一讲第一讲 Matlab概述n前言前言nMatlabMatlab软件概述软件概述nMatlabMatlab的桌面环境及入门知识的桌面环境及入门知识 9/12/20247Application of MatlabLanguage1 1 MatlabMatlab概述概述n内容内容nMatlabMatlab发展历史发展历史nMatlabMatlab产品家族产品家族(MatlabMatlab family of productsfamily of products)体系

8、体系nMatlabMatlab 语言的特点。语言的特点。n目的目的n全面了解全面了解 MatlabMatlab软件包软件包n激发对激发对MatlabMatlab软件的学习兴趣。软件的学习兴趣。9/12/20248Application of MatlabLanguage1.1 MATLAB的历史及影响的历史及影响 7070年代中期年代中期，Cleve Cleve MolerMoler博土及其同事在美国国家基金会博土及其同事在美国国家基金会的帮助下，开发了的帮助下，开发了LINPACKLINPACK和和EISPACKEISPACK的的FORTRANFORTRAN语言语言子程序库，子程序库，这两个

9、程序库代表了当时矩阵运算的最高水平。这两个程序库代表了当时矩阵运算的最高水平。到了到了7070年代后期年代后期，身为美国新墨西哥州大学计算机系系主，身为美国新墨西哥州大学计算机系系主任的任的CIeveCIeve MolerMoler，在给学生上线性代数课时，为了让学生，在给学生上线性代数课时，为了让学生能使用这两个子程序库，同时又不用在编程上花费过多的能使用这两个子程序库，同时又不用在编程上花费过多的时间，开始着手用时间，开始着手用FORTRANFORTRAN语言为学生编写使用语言为学生编写使用LINPACKLINPACK和和EISPACKEISPACK的接口程序，他将这个程序取名为的接口程序

10、，他将这个程序取名为MATLABMATLAB，其名称是由其名称是由MATrixMATrix和和 LABoratoryLABoratory（矩阵实验室）（矩阵实验室）两个单词的前三个字母所合成两个单词的前三个字母所合成。在在19781978年年，MalabMalab就面世了。这个程序获得了很大的成功，就面世了。这个程序获得了很大的成功，受到了学生的广泛欢迎。在以后的几年里，受到了学生的广泛欢迎。在以后的几年里，MatlabMatlab在多所在多所大学里作为教学辅助软件使用，并作为面向大众的免费软大学里作为教学辅助软件使用，并作为面向大众的免费软件广为流传。件广为流传。CleveMoler 9/1

11、2/20249Application of MatlabLanguage 将将MATLABMATLAB商品化的不是商品化的不是Cleve MolerCleve Moler,而是一个名叫而是一个名叫Jack LittleJack Little的人。当免费的的人。当免费的MATLABMATLAB软件到软件到StanfordStanford大学，大学，Jack LittleJack Little正在该正在该校主修校主修控制控制，便接触到了当时，便接触到了当时MATLABMATLAB，直觉告诉他，这是一个，直觉告诉他，这是一个具有巨大发展潜力的软件。因此他在毕业沒多久，就开始具有巨大发展潜力的软件。因

12、此他在毕业沒多久，就开始用用C C语语言重新编写了言重新编写了MATLABMATLAB的核心。的核心。在在MolerMoler的协助下，于的协助下，于19841984年成立年成立MathWorksMathWorks公司，首次推出公司，首次推出MATLABMATLAB商用版。在其商用版推出的商用版。在其商用版推出的初期，初期，MATLABMATLAB就以其优秀的品质（就以其优秀的品质（高效的数据计算能力和开放高效的数据计算能力和开放的体系结构的体系结构）占据了大部分数学计算软件的市场，原来应用于控）占据了大部分数学计算软件的市场，原来应用于控制领域里的一些封闭式数学计算软件包（如英国的制领域里的

13、一些封闭式数学计算软件包（如英国的UMISTUMIST、瑞典、瑞典的的LUNDLUND和和SIMNONSIMNON、德国的、德国的KEDDCKEDDC）就纷纷被淘汰或在）就纷纷被淘汰或在MATLABMATLAB上重建。上重建。Jack Little 9/12/202410Application of MatlabLanguage Cleve MolerCleve Moler至今仍是该公司的首席科学家至今仍是该公司的首席科学家，他以，他以6060多多岁的高龄，还常常亲自进行撰写岁的高龄，还常常亲自进行撰写程序的工作，非常令人佩服。如果你有数值运算方面的高水平问题，寄到程序的工作，非常令人佩服。如

14、果你有数值运算方面的高水平问题，寄到 MathWorksMathWorks 后，后，大部份还是会由大部份还是会由 Cleve Cleve MolerMoler亲自回答。在亲自回答。在19941994年，年，PentiumPentium芯片曾发生芯片曾发生FdivFdiv的的bugbug，当时当时Cleve Cleve MolerMoler是第一个以软件方式解决此是第一个以软件方式解决此 bugbug的人，曾一时脍炙人口的人，曾一时脍炙人口。在公司初创的五年，在公司初创的五年，Jack LittleJack Little非常辛苦，常常身兼数职（董事长、总经理、推销、非常辛苦，常常身兼数职（董事长

15、、总经理、推销、程序开发等），但公司一直稳定发展，从当初的一人公司，到程序开发等），但公司一直稳定发展，从当初的一人公司，到19931993年的年的200200人，到人，到20002000年的年的 500500余人，余人，到到20052005年公司员工达到了年公司员工达到了13001300人，人，不但打不但打败败其他竞争软件，而且前景一片欣欣向其他竞争软件，而且前景一片欣欣向荣。根据荣。根据Jack LittleJack Little个人个人说说法，法，MATLABMATLAB早期成功的两大因素是：选用了早期成功的两大因素是：选用了C C语语言及选定言及选定PCPC为主为主要平台，这似乎和微软

16、的成功有相互呼应之妙。要平台，这似乎和微软的成功有相互呼应之妙。MathWorksMathWorks公司，目前仍然是私人企业，并未上市，这和公司，目前仍然是私人企业，并未上市，这和Jack LittleJack Little个人理念有关，个人理念有关，他认为他认为MATLABMATLAB的设计方向应该一直是以顾客的需求与软件的完整性为首要目标的设计方向应该一直是以顾客的需求与软件的完整性为首要目标，而不是以盈，而不是以盈利为主要利为主要目的目的，因此，因此MATLABMATLAB一直是在稳定中求进步，而不会因为上市而遭受股东左右其发展一直是在稳定中求进步，而不会因为上市而遭受股东左右其发展方向

17、。这也是为什么方向。这也是为什么MATLABMATLAB新版本总是新版本总是姗姗来姗姗来迟迟的的原因，因为他们不会因为市场的需求而推原因，因为他们不会因为市场的需求而推出不成熟的产品。此外，由于出不成熟的产品。此外，由于Jack LittleJack Little保守的个性，也使得保守的个性，也使得MathWorksMathWorks不曾跨足不曾跨足MATLAB/SimulinkMATLAB/Simulink以外的行业，当前商场上纷纷扰扰的并购或分家，以外的行业，当前商场上纷纷扰扰的并购或分家，MathWorksMathWorks完全是绝缘体。完全是绝缘体。9/12/202411Applica

18、tion of MatlabLanguage 19921992年，支持年，支持Windows 3.xWindows 3.x的的MATLAB 4.0MATLAB 4.0版本推出，增加了版本推出，增加了SimulinkSimulink，ControlControl，Neural NetworkNeural Network，Signal ProcessingSignal Processing等专用工具箱。等专用工具箱。19931993年年1111月，月，MathWorksMathWorks公司推出了公司推出了MatlabMatlab 4.1 4.1，其中主要增加了符号运算功能。，其中主要增加了符号运

19、算功能。当升级至当升级至MatlabMatlab 4.2c 4.2c，这一功能在用户中得到广泛应用。，这一功能在用户中得到广泛应用。19971997年，年，MatlabMatlab 5.0 5.0版本问世了版本问世了,实现了真正的实现了真正的3232位运算，加快数值计算，图形表现位运算，加快数值计算，图形表现有效。有效。20012001年初，年初，MathWorksMathWorks公司推出了公司推出了MatlabMatlab 6.0 6.0（R12R12）。）。20022002年年7 7月，推出了月，推出了MatlabMatlab 6.5(R13)6.5(R13)，在这一版本中，在这一版本中

20、SimulinkSimulink升级到了升级到了5.05.0，性能有，性能有了很大提高，另一大特点是推出了了很大提高，另一大特点是推出了JITJIT程序加速器，程序加速器，MatlabMatlab的计算速度有了明显的的计算速度有了明显的提高。提高。20052005年年9 9月，推出了月，推出了MAILAB 7.1(Release14 SP3)MAILAB 7.1(Release14 SP3)，在这一版本中，在这一版本中SimulinkSimulink升级到了升级到了6.36.3，软件性能有了新的提高，用户界面更加友好。值得说明的是，软件性能有了新的提高，用户界面更加友好。值得说明的是，Matl

21、abMatlab V7.1 V7.1版版采用了更先进的数学程序库，即采用了更先进的数学程序库，即“LAPACKLAPACK”和和“BLASBLAS”。目前，目前，MatlabMatlab软件支持多种系统平台，如常见的软件支持多种系统平台，如常见的WindowsNTWindowsNT/XP/XP、UNIXUNIX、LinuxLinux等。等。Matlab版本的发展版本的发展 9/12/202412Application of MatlabLanguage MATLABMATLAB就是这样经过了近就是这样经过了近3030年的专门打造、年的专门打造、2020多年的千锤百炼，它以高性能多年的千锤百炼，

22、它以高性能的的数组运算（包括矩阵运算）数组运算（包括矩阵运算）为基础，不仅实现了大多数数学算法的为基础，不仅实现了大多数数学算法的高效运行函数高效运行函数和和数据可视化数据可视化，而且提供了非常高效的，而且提供了非常高效的计算机高级编程语言计算机高级编程语言，在用户可参与的情况，在用户可参与的情况下，下，各种专业领域的工具箱各种专业领域的工具箱不断开发和完善，不断开发和完善，MATLABMATLAB取得了巨大的成功，已广泛应取得了巨大的成功，已广泛应用于用于科学研究、工程应用，用于数值计算分析、系统建模与仿真科学研究、工程应用，用于数值计算分析、系统建模与仿真。早在早在2020世纪世纪9090

23、年代初年代初，欧美等发达国家的大学欧美等发达国家的大学就将就将MATLABMATLAB列为一种必须掌握的列为一种必须掌握的编程语言。近几年来，国内的很多大学也将编程语言。近几年来，国内的很多大学也将MATLABMATLAB列为了列为了本科生本科生必修课程。必修课程。与与MapleMaple、MathematicaMathematica数学计算软件相比，数学计算软件相比，MATLABMATLAB以数值计算见长，而以数值计算见长，而MapleMaple等以符号运算见长，能给出解析解和任意精度解，而处理大量数据的能力远不如等以符号运算见长，能给出解析解和任意精度解，而处理大量数据的能力远不如MATL

24、ABMATLAB。MATLABMATLAB软件功能之强大、应用之广泛，已成为为软件功能之强大、应用之广泛，已成为为2121世纪最为重要的科学计算语世纪最为重要的科学计算语言言。可见学习掌握这一工具的重要性。可见学习掌握这一工具的重要性。9/12/202413Application of MatlabLanguage MATLABMATLAB产品由若干模块组成，不同的模块完成不同的功能，其中有：产品由若干模块组成，不同的模块完成不同的功能，其中有：实际上实际上MATLABMATLAB本身就是一个极其丰富的资源库，那么应该从哪一部分开始着手、学本身就是一个极其丰富的资源库，那么应该从哪一部分开始着

25、手、学习使用习使用MATLABMATLAB呢？这就有必要了解这一软件产品的体系结构呢？这就有必要了解这一软件产品的体系结构 。MATLAB CompilerMATLAB Compiler这种编译器可以将这种编译器可以将MATLABMATLAB程序程序文件编译生成标准的文件编译生成标准的C/C+C/C+语言文件，而生成的语言文件，而生成的标准的标准的C/C+C/C+文件可以被任何一种文件可以被任何一种C/C+C/C+编译器编译器编译生成函数库或可执行文件，以提高程序的运编译生成函数库或可执行文件，以提高程序的运行效率。行效率。1.2 MATLAB1.2 MATLAB产品的产品的体系结构体系结构

26、MATLABMATLABMATLAB ToolboxesMATLAB ToolboxesMATLAB CompilerMATLAB CompilerSimulinkSimulinkSimulinkSimulink BlocksetsBlocksetsReal-Time Workshop(RTW)Real-Time Workshop(RTW)StateflowStateflowStateflowStateflow Coder Coder由这些模块产品之间的关系可以图由这些模块产品之间的关系可以图1.11.1表示。表示。图1.1 MATLAB产品体系结构围绕着围绕着MATLABMATLAB这个计算

27、核心，形成了诸多针对不同这个计算核心，形成了诸多针对不同应用领域的算法程序包，被称为专用工具箱应用领域的算法程序包，被称为专用工具箱（ToolboxToolbox），这些工具箱的列表以及每个工具箱的使），这些工具箱的列表以及每个工具箱的使用详见用详见MATLABMATLAB在线帮助文档。在线帮助文档。MATLABMATLAB本身所提供本身所提供的工具箱大概有的工具箱大概有4040多个，另外还有其他公司或研究单多个，另外还有其他公司或研究单位开发提供的工具箱，这些工具箱的总数已有位开发提供的工具箱，这些工具箱的总数已有100100多个，多个，而且新的工具箱还在不断增加。如果你有特别的应用而且新的

28、工具箱还在不断增加。如果你有特别的应用领域，可以首先到网上查找是否已有相关的工具箱，领域，可以首先到网上查找是否已有相关的工具箱，很可能已有人将你要做的应用程序作成工具箱了。很可能已有人将你要做的应用程序作成工具箱了。SimulinkSimulink是窗口图形方式的、专门用于连续时是窗口图形方式的、专门用于连续时间或离散时间的动态系统建模、分析和仿真间或离散时间的动态系统建模、分析和仿真的核心。的核心。Real-Time WorkshopReal-Time Workshop是一种实时代码生成工具，它能够根据是一种实时代码生成工具，它能够根据SimulinkSimulink模型生成程序源代码，并

29、打包、编译所生成的源代码生模型生成程序源代码，并打包、编译所生成的源代码生成实时应用程序。成实时应用程序。从现有的从现有的SimulinkSimulink 和和StateflowStateflow自动生成自动生成C C语言程序代码的功能、语言程序代码的功能、定点运算模块集（定点运算模块集（Fixed-point Fixed-point BlocksetBlockset）与）与C C语言程序代码到语言程序代码到VHDLVHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Very High Speed Integrated Ci

30、rcuit Hardware Description LanguageLanguage，一种标准的硬件电路设计语言，一种标准的硬件电路设计语言 ）的自动转换功能，可以）的自动转换功能，可以看出，高级的系統仿真或低级的芯片算法设计，都可用看出，高级的系統仿真或低级的芯片算法设计，都可用MATLABMATLAB、SimulinkSimulink、StateflowStateflow及相关的工具箱来完成。及相关的工具箱来完成。StateflowStateflow是基于有限状态机理论针对复杂是基于有限状态机理论针对复杂的事件驱动系统进行建模、仿真的工具。的事件驱动系统进行建模、仿真的工具。Statef

31、lowStateflow Coder Coder是基于是基于StateflowStateflow状态图生成状态图生成高效、优化的程序代码。高效、优化的程序代码。围绕着围绕着SimulinkSimulink仿真核心所开发的应用程序包，仿真核心所开发的应用程序包，称为模块集（称为模块集（BlocksetsBlocksets）,MATLAB,MATLAB产品提供许多产品提供许多专用模块集，如专用模块集，如Communication Communication BlocksetBlockset、DSP DSP BlocksetBlockset、SimPowerSystemSimPowerSystem

32、BlocksetBlockset、Signal Signal Processing Processing BlocksetBlockset等，详见等，详见MATLABMATLAB在线帮助文在线帮助文档。档。MATLABMATLAB是是MATLABMATLAB产品家族的计算产品家族的计算核心与基础，是集高性能数值计算与核心与基础，是集高性能数值计算与数据可视化于一体的高效编程语言。数据可视化于一体的高效编程语言。9/12/202414Application of MatlabLanguage1.3 1.3 MATLABMATLAB编程语言的特点编程语言的特点 语法规则简单语法规则简单。尤其内定的

33、编程规则，与其他编程语言（如尤其内定的编程规则，与其他编程语言（如C C、FortranFortran等）相比更接等）相比更接近于常规数学表示。对于数组变量的使用，不需类型声明，无需事先申请内存空间。近于常规数学表示。对于数组变量的使用，不需类型声明，无需事先申请内存空间。MATLABMATLAB语言主要有以下几个特点：语言主要有以下几个特点：MATLAB基本的语言环境提供了数以千计的计算函数基本的语言环境提供了数以千计的计算函数，极大的提高了用户的编程效率。极大的提高了用户的编程效率。如，一个如，一个fftfft函数即可完成对指定数据的快速傅里叶变换，这一任务如果用函数即可完成对指定数据的快速傅里叶变换，这一任务如果用C C语言来编程语言来编程实现的话，至少要用几十条实现的话，至少要用几十条C C语言才能完成。语言才能完成。因此，因此，MATLABMATLAB是一个简单易用、功能强大的高