第五讲 Matlab 的程序设计

1. 第五讲　 Matlab的程序设计 —— Matlab语言称为第四代编程语言，程序简洁、可读性很强而且调试十分容易, 是Matlab重要组成部分。要充分体现和发挥Matlab的能力，必 须掌握Matlab程序设计

2. 包括以下内容： • M文件的功能和特点 • M文件的形式 • 数据结构和全局变量 • 程序结构 • 程序流控制 • 字符与字符串 • 函数调用及变量传递 • M文件的调试

3. 一、m文件的功能和特点 • 用户如想灵活应用Matlab去解决实际问题，充分调用Matlab的科学技术资源，就需要编辑m文件 • 包含Matlab语言代码的文件称为m文件，其扩展名为.m。 • 编辑m文件可使用各种文本编辑器。

4. 二、Matlab的工作方式 • 指令行操作方式  通常Matlab以指令驱动模式工作，即在Matlab 窗口下当用户输入单行指令时，Matlab 立即处理这条指令，并显示结果，这就是Matlab命令行方式。  命令行操作时，Matlab窗口只允许一次执行一行上的一个或几个语句。

5. 　在Matlab窗口输入数据和命令进行计算时，当处理复杂问题和大量数据时是不方便的。因此应编辑m文件。　在Matlab窗口输入数据和命令进行计算时，当处理复杂问题和大量数据时是不方便的。因此应编辑m文件。 • 　命令行方式程序可读性差，而且不能存储，对于复杂的问题，应编写成能存储的程序文件。

6. m文件的编程工作方式 • 将Matlab语句构成的程序存储成以m为扩展名的文件，然后再执行该程序文件，这种工作模式称为程序文件模式。 • 程序文件不能在指令窗口下建立，因为指令窗口只允许一次执行一行上的一个或几个语句。

7. 三、 m文件的形式 m文件的语法类似于c语言，但又有其自身特点。它只是一个简单的ASCII码文本文件，执行程序时逐行解释运行程序，Matlab是解释性的编程语言。 m文件有两类 独立的m文件 —称命令文件 可调用m文件 —称函数文件 (1). 命令文件 —简单的m文件 命令文件实际上是一串指令的集合，与在命令窗口逐行执行文件中的所有指令，其结果是一样的。没有输入输出参数。

8. %一个用以绘制花瓣（flower petal)图案的命令文件 theta=-pi:0.01:pi; rho(1,:)=2*sin(5*theta).^2; rho(2,:)=cos(10*theta).^3; rho(3,:)=sin(theta).^2; rho(4,:)=5*cos(3.5*theta).^3; for i=1:4 polar(theta,rho(i,:)); pause end

9. 说明： • 符号%引导的是注释行，不予执行. • 不需要end作为M文件的结束标志. • 若把untitle.m存放在自己的工作目录中，那么在运行untitle.m之前，就使自己的工作目录处于Matlab的搜索路径上。 • 文件运行后，存放在内存的变量可以通过whos指令看到，也可在workspace中看到。

10. (2) Matlab内置函数文件 Matlab自定义的函数文件称内置函数文件. 调用内置函数的方法：使用函数名并给出相应的入口、出口参数即可。 例如：sin.m函数——用type sin查不到。 调用格式：y=sin(2*x) 实际应用中： x=0:2*pi/180:2*pi; y=sin(2*x) plot(x,y)

11. 又如 sqrt(x) ——求x的平方根 abs(x)——求x的绝对值 det(a)——求行列式的值 等等。 Matlab拥有大量的内置数学函数，供我们在数值运算和符号运算中调用。

12. (3) 函数m文件—需要输入变量，返回输出变量 • Matlab用户可以根据需要编辑自己的m文件，它们可以像库函数一样方便的调用，从而极大地扩展了 • 对于某一类特殊问题，如创建了许多m函数文件，则可形成新的工具箱。 • 这种用Matlab语言创建定义新的Matlab函数的功能，正体现了Matlab语言强大的扩展功能。

13. 函数m文件的格式： function返回变量=函数名（输入变量） 注释说明语句段 程序语句段 特定规则： • 函数m文件第一行必须以单词function作为引导词，必须遵循如下形式： function <因变量>=<函数名>(<自变量>) • m文件的文件名必须是<函数名> .m。 • 程序中的变量均为局部变量，不保存在工作空间中。其变量只在函数运行期间有效。当函数文件执行完后，这些内部变量将被清除。

14. 例2：计算向量元素的平均值 （1）建立函数文件，内容如下： function y=everage(x) %向量元素的平均值 %语法：average(x)，其中x为输入向量 %当输入非向量时，给出错误信息 [m,n]=size(x); if(~((m==1)|(n==1))|(m==1&n==1)) error('input must be a vector'); end y=sum(x)/length(x);

15. （2）将文件average.m存盘，该文件定义了名为average的新函数。（2）将文件average.m存盘，该文件定义了名为average的新函数。 （3）在指令窗中运行以下指令，可以求得1到100的平均值 >> everage(1:100) ans = 50.5000

16. 说明 • 第一行指令的作用：指明该文件是函数文件；定义函数名、输入参数和输出参数。 • 变量x对函数文件everage.m来说是局部的，当该函数被调用结束后，变量x不再存在，这可以用who验证。 • 在m文件前面连续几行带符号%的注释行有两个作用：一是起注释作用；二是起help指令联机查询用。如：help everage

17. (4). 系统文件——s函数 用于描述系统运动的专用函数，是特殊的 m 文件。 s 函数有3类：  由simulink结构图自动创建  可用c语言程序设计mex文件直 接定义  用函数m文件编写 s函数一旦创建，即可在框图中使用，也可在文件中调用。

18. 用户定义的系统 当前输入值 S函数的调用格式 [sys, x0]=sfunction( t, x, u, flag) S函数与函数m文件类似，只是输入、输出变量是限定的。 状态初值 系统状态 当前时刻 标志量 当前状态值

19. 三、数据结构和全局变量 数组(array) 数值型(numeric) 字符型 (char) 结构型 (struct) 单元型 (cell) 整型(storage) (int8,uint8,int16,uint16,int32,uint32) 双精度型 (double) 图：Matlab的数据结构

20. 数值变量的类型可以用file菜单中preference子菜单中的general命令或format指令控制。数值变量的类型可以用file菜单中preference子菜单中的general命令或format指令控制。 isstr可用以检测变量是否为字符型，返回值为1，则是字符型；0则不是. 对于其他变量可以用class(V)来得到其变量的类型。

21. 在Matlab中全局变量用global定义，全局变量可以被所有定义该变量为全局变量的函数使用。全局变量的的作用域是整个Matlab的工作区，即全程有效，所以的函数都可以对他进行存取和修改。在Matlab中全局变量用global定义，全局变量可以被所有定义该变量为全局变量的函数使用。全局变量的的作用域是整个Matlab的工作区，即全程有效，所以的函数都可以对他进行存取和修改。 如：global XYZ,则将X，Y，Z定义为全局变量。 　　　在程序设计中，全局变量可以带来一些数据传递的方便，但是也破坏了函数对变量的封装，降低了程序的可读性和可靠性。 　 函数文件的内部变量是局部的，与其他函数文件及Matlab内存相互隔离。

22. 下面为一个使用全局变量的例子。 函数文件weight_add.m： function all=weight_add(x,y) %两个不同权系数的变量相加 global ALPHA BETA all=ALPHA*x+BETA*y; 命令文件： global ALPHA BETA ALPHA=1; BETA=2; all=weight_add(1,1) 结果：all=3

23. 运算符 逻辑操作符

24. 例：表示不连续信号 x=linspace(0,5,100);%0到5中间产生100个数据点 y=cos(x); z=(y>=0).*y;%将cos函数的负数置为零　 z=z+0.3*(y<0);%将cos函数的负数值增加0.3 z=(x<=4).*z;%将x超过4时z的值置为零 plot(x,z) xlabel('x');ylabel('z=f(x)');title('一个不连续信号');

26. 四、Matlab的程序结构 Matlab语言的程序结构与其它高级语言是一致的，分为顺序结构，循环结构，分支结构。 (1).顺序结构——依次顺序执行程序的各条语句

27. (2).循环结构—— 被重复执行的一组语句，循环是计算机解决问题的主要手段。Matlab提供了两种循环方式：for-end 循环和while-end循环。 • for — end 语法为： for i = 表达式 （表达式为一个向量） 可执行语句 end

28. 例：利用for循环求1！+2！+3！+  +5！的值 sum=0; for i=1:5 pdr=1; for k=1:i pdr=pdr*k; end sum=sum+pdr; end sum = 153

29.  while — end 循环 while循环将循环体中的语句循环执行不定次数。 语法为：while 表达式 循环体语句 end 表达式一般是由逻辑运算和关系运算以及一般运算组成的，以判断循环的进行和停止；只要表达式的值 非0，继续循环；直到表达式值为0，循环停止。

30. 例：用while循环求1~100间整数的和 sum=0; i=1; while i<=100 sum=sum+i; i=i+1; end sum sum = 5050

31. (3). 分支结构——根据一定条件来执行的各条语句。 if — else — end语句有3种形式  if 表达式 执行语句 end  if 表达式 ———是 语句1 else ————否 语句2 end

32.  if 表达式1 ———多分支 语句1 elseif 表达式2 语句2 elseif 表达式3 语句3 · · · else 语句n end 这种结构实现了一种多路选择，比较复杂。可替代一般高级语言中的switch-case-end语句

33. 在条件表达式中，通常都是由 关系操作符 >, < ,<=, >=, = =, ~= 等 逻辑操作符 &，| ，~等 逻辑函数：isequal ——若是相等则为真 isempty ——若是空矩阵则为真 isstr ——若是字符串则为真

34. 例：折扣问题 apples=10; cost=apples*2.5; if apples>5 cost=0.8*cost; end; cost

35. 例：编写m函数，计算函数值 x (x<1) 2x-1 (1<x<10) 3x-11 (x>=10) function value=calculate(x) if x<1 value=x; elseif x<10 value=2*x-1; else value=3*x-11; end

36. 五、Matlab程序流的控制 Matlab的控制语句同c语言有相似之处, 但没有c 语言复杂、灵活和多变。因而语法比较简单，容易掌握。 • echo 指令—用来控制m文件在执行过程中是否 显示 echo on—打开所有命令文件的显示方式 echo off—关闭所有命令文件的显示方式 echo—在以上两者间切换

37. echo对于命令文件函数文件有所不同，命令文件用法简单，echo对所有命令起作用；函数文件用法较复杂，具体请help查询。echo对于命令文件函数文件有所不同，命令文件用法简单，echo对所有命令起作用；函数文件用法较复杂，具体请help查询。 echo file on —打开file函数文件的显示方式 echo file off —关闭file函数文件的显示方式 echo file —切换file函数文件的显示方式 echo on all —打开所有函数文件的显示方式 echo off all —关闭所有函数文件的显示方式

38. input ——提示用户从键盘输入数值、字符串、表达式。 例：n=input('How many apples= ') How many apples= 5 n = 5 • pause ——暂停，等待用户响应 可令m文件执行暂停，并在继续执行前按任一个键 。

39. keyboard ——与input类似，功能更强 keyboard 调用键盘与调用m文件一样，当keyboard在m文件中出现时，它停止文件的执行并控制键盘，用于修改程序。 • break ——中断 break 中断for, while循环语句的执行，在嵌套循环结构中， break进从最里层循环推出。 • menu ——产生一个用户可选择输入的菜单 格式：k=menu( ‘标题’，‘菜单1’，‘菜单2’…）

40. 六、字符与字符串 在Matlab中关于字符串有以下几点规则： • 在Matlab中所有字符串都用单引号界定后输入或赋值。 如：s='hello',的运行结果是 s = hello • 字符串的每个字符(空格也是字符)都是响应矩阵的一个元素。如上s是一个1×5的矩阵。可用size查得。 • 字符以ASCII码存储，用abs 指令可看到字符的ASCII值。 abs(s) ans = 104 101 108 108 111

41. 可用setstr实现ASCII码值向字符的转换。 • 字符串变量也可以用方括号变成更大的“串” 如：s=[s,‘ world’]，得到， s =hello world • 用eval和feval函数将字符变量转换为宏功能。 eval(t)和feval(t)就是运行包含在t 中的内容。

42. 例： n=5; t='1/(i+j-1)'; a=zeros(n); for i=1:n for j=1:n a(i,j)=eval(t); end end a

43. 例： fun=['sin';'cos';'log']; k=input('choose function number:'); x=input('enter value:'); feval(fun(k,:),x)

44. 七、函数调用及变量传递 一个程序可以由若干个函数组成，并通过函数调用来实现控制转移和相互之间的数据传递。 (1)函数调用 在Matlab中函数调用的常用形式是： [输出参数1，输出参数2，…]=函数名(输入参数1，输入参数2，…) 注意：函数调用时各参数出现的顺序，应该与函数定义时的顺序一样，否则出错

45. 例：给定两个实数a、b,一个正整数n,给出k=1,…,n时的所有 和例：给定两个实数a、b,一个正整数n,给出k=1,…,n时的所有 和 (1)建立一个函数文件pow.m function [out1,out2]=pow(a,b,n) out1=(a+b)^n; out2=(a-b)^n; （2）建立调用上述函数文件的命令文件example.m a=input('please input a=:'); b=input('please input b=:'); for k=1:10 [add_pow(k),sub_pow(k)]=pow(a,b,k); end

46. 例：利用递归调用形式计算n的阶乘。 （1）编写递归调用函数文件factor.m function f=factor(n) if n==1 f=1; return; else f=n*factor(n-1); return; end （2）运行函数文件 factor(4)

47. （2）参数的传递 Matlab在函数调用上有一个与众不同的地方：函数所传递的参数具有可调性，凭借这种特性，一个函数可以完成多种功能。 传递参数数目的可调性来源于如下2个永久变量。 nargin函数体内的nargin 给出调用该函数时的输入参数数目。 nargout函数体内的nargout 给出调用该函数时的输出参数数目。

48. function [x0,y0] = myplot(fname,lims,npts,angl,subdiv) % MYPLOT Plot a function. % MYPLOT(fname,lims,npts,angl,subdiv) % The first two input arguments are % required; the other three have default values. ... if nargin < 5, subdiv = 20; end if nargin < 4, angl = 10; end if nargin < 3, npts = 25; end ... if nargout == 0 plot(x,y) else x0 = x; y0 = y; end

49. 八、应用程序接口 应用程序接口——是Matlab的附加组件。是一个 由相关函数组成的接口函数库，可实现与外部程 序的交互。 • MEX文件：是Matlab环境下调用C、FORTRAN 语言编写的应用程序模块。 • Matlab 计算引擎：在使用C、FORTRAN编程时 可调用Matlab函数库进行计算。 • MAT文件：实现Matlab与C、FORTRAN语言程序间的 数据交换

50. 九、M文件的调试 Matlab语言比其他程序设计语言在说明结构上要简单得多，但是用户必须按语法的要求来编写Matlab程序，否则也会产生一些错误。 （1）调试的主要功能 　　　可以发现和更正以下错误：　 • 语法错误 　　主要包括函数名拼写和括号遗漏等，Matlab可以自动检测到，并指出可能出错的行号。