1、第一章 基础准备及入门matlab基础教程第 1 章 基础准备及入门 本章有三个目的：一是讲述MATLAB正常运行所必须具备的基础条件；二是简明地介绍MATLAB及其操作桌面Desktop的基本使用方法；三是全面介绍MATLAB的帮助系统。 本章的前两节讲述：MATLAB的正确安装方法和MATLAB 环境的启动。因为指令窗是MATLAB最重要的操作界面，所以本章用第 1.3、1.4 两节以最简单通俗的叙述、算例讲述指令窗的基本操作方法和规则。这部分内容几乎对MATLAB各种版本都适用。第1.5到第1.8节专门介绍MATLAB最常用的另五个交互界面：历史指令窗、当前目录浏览器、工作空间浏览器、数
2、组编辑器、M文件编辑器。 鉴于实际应用中，帮助信息和求助技能的重要性。本章专设第1.9节专门叙述MATLAB的帮助体系和求助方法。 作者建议：不管读者此前是否使用过MATLAB，都不要忽略本章。.1 MATLAB的安装和工具包选择 MATLAB只有在适当的外部环境中才能正常运行。因此，恰当地配置外部系统是保证MATLAB运行良好的先决条件。MATLAB本身可适应于许多机种和系统，如 PC机 和 Unix 工作站等。但本节只针对我国使用最广的PC机系统给予介绍。 对PC机用户来说，常常需要自己安装MATLAB。MATLAB R2007a （即旧编号MATLAB7.4）版要求Win2000或Win
3、XP平台。下面介绍从光盘上安装MATLAB的方法。一般说来，当MATLAB光盘插入光驱后，会自启动“安装向导”。假如自启动没有实现，那么可以在或中双击setup.exe应用程序，使“安装向导”启动。安装过程中出现的所有界面都是标准的，用户只要按照屏幕提示操作，如输入用户名、单位名、口令等就行。 在安装MATLAB.R2007a时，会出现一个界面，该界面上有两个选项：Typical和Custom。假如你不熟悉MATLAB，或假如你机器的硬盘的自由空间远大于3G，或假如你需要用到光盘上MATLAB的所有功能及工具包，那么你就点选“Typical”。否则，点选“Custom”。 在点选“Custom
4、”后，会引出如图1.1-1的界面。你可以根据需要，在“Select products to install”栏中勾选相应的组件。注意：MATLAB软件光盘总包含很多工具包，它们有的是通用的，有的则专业性很强。对一般用户来说，完全不必采取全部安装，而应根据需要有所选择。否则将占据很多硬盘空间。表1.1-1对各组件的描述供用户选择时参考。图 1.1-1 MATLAB组件选择界面表1.1-1 MATLAB各组件的功用组 件 名 称功 用1必须选择的本原性组件MATLAB这是最核心的部分。没有它就没有MATLAB环境。有了它，就可以对各类数据（除符号类数据以外）进行操作、运算和可视化。2最常选的通用性
5、工具包组件Symbolic Math Toolbox符号类数据的操作和计算。Extended Symbolic Math Toolbox更丰富的符号计算函数和指令3其他通用性工具包组件Simulink不用编写程序，利用方块图实现建模和仿真；主要用于研究微分和差分方程描写的非线性动态系统。Optimization Toolbox包含求函数零点、极值、规划等优化程序。Matlab Compiler把MATLAB的M文件编译成独立应用程序。Matlab builder for Excel与MATLAB Compiler配合使用，生成Excel插件。4常用专业性工具包组件Control System
6、ToolboxMATLAB涉及控制的工具包有10多个，而本栏工具包是最基本的，是解决控制问题所必选的。至于其他控制工具包则是用户根据需要选择的。Signal Processing Toolbox是MATLAB信号处理中的基本工具包。Spline Toolbox内含样条和插值函数。Statistics Toolbox包含进行复杂统计分析所需的程序。5其他专业性工具包组件（举例）Stateflow与Simulink配合使用，主要用于较大型、复杂的（离散事件）动态系统的建模、分析、仿真。System Identification Toolbox动态系统辨识。.2 Desktop操作桌面的启动.2.1
7、 MATLAB的启动（1）方法一 当MATLAB安装到硬盘上以后，一般会在Windows桌面上自动生成MATLAB程序图标。在这种情况下，只要直接点击那图标即可启动MATLAB，打开如图1.2-1的MATLAB操作桌面（Desktop）。注意：本书作者建议用户优先采用启动“方法一”。（2）方法二 假如Windows桌面上没有MATLAB图标，那么点击matlab 文件夹下的快捷方式图标。（3）方法三 点击matlabbinwin32文件夹中的matlab.exe（它的图标是），也会自动创建类似图1.2-1所示的Desktop操作桌面。唯一的区别是：采用这种方式创建的MATLAB工作环境以MAT
8、LAB所在的根目录为当前目录。.2.2 Desktop操作桌面简介MATLAB R2007a版的Desktop操作桌面，是一个高度集成的MATLAB工作界面。其默认形式，如图1.2-1所示。该桌面的上层铺放着三个最常用的界面：指令窗（Command Window）、当前目录（Current Directory）浏览器、历史指令（Command History）窗。在当前目录窗的后面还铺放一个MATLAB内存工作空间（Workspace）浏览器。图1.2-1 Desktop操作桌面的默认外貌 指令窗该窗是进行各种MATLAB操作的最主要窗口。在该窗内，可键入各种送给MATLAB运作的指令、函数、
9、表达式；显示除图形外的所有运算结果；运行错误时，给出相关的出错提示。 历史指令窗该窗记录已经运作过的指令、函数、表达式，及它们运行的日期、时间。该窗中的所有指令、文字都允许复制、重运行及用于产生M文件。 当前目录浏览器 在该浏览器中，展示着子目录、M文件、MAT文件和MDL文件等。对该界面上的M文件，可直接进行复制、编辑和运行；界面上的MAT数据文件，可直接送入MATLAB工作内存。此外，对该界面上的子目录，可进行Windows平台的各种标准操作。 工作空间浏览器该浏览器默认地位于当前目录浏览器的后台。该窗口罗列出MATLAB工作空间中所有的变量名、大小、字节数；在该窗中，可对变量进行观察、图
10、示、编辑、提取和保存。 捷径（Start）键引出通往本MATLAB所包含的各种组件、模块库、图形用户界面、帮助分类目录、演示算例等的捷径，以及向用户提供自建快捷操作的环境。.3 Command Window运行入门 MATLAB的使用方法和界面有多种形式。但最基本的，也是入门时首先要掌握的是：MATLAB指令窗（Command Window）的基本表现形态和操作方式。本书作者相信，通过本节的文字解释，读者将对MATLAB使用方法有一个良好的初始感受。.3.1 Command Window指令窗简介 MATLAB指令窗默认地位于MATLAB桌面的右方（见图1.2-1）。假如，用户希望得到脱离操作
11、桌面的几何独立指令窗，只要点击该指令窗右上角的键，就可获得如图1.3-1所示的指令窗。图 1.3-1 几何独立的指令窗说明 图1.3-1指令窗表现了例1.3-1运行的情况。 若用户希望让独立指令窗嵌放回桌面，则只要点击Command Window右上角的按钮，或选中指令窗菜单 Desktop：Dock Command Window 便可。.3.2 最简单的计算器使用法 为易于学习，本节以算例方式叙述，并通过算例归纳一些MATLAB最基本的规则和语法结构。建议读者，在深入学习之前，先读一读本节。【例1.3-1】求的算术运算结果。本例演示：最初步的指令输入形式和必需的操作步骤。（1）用键盘在MAT
12、LAB指令窗中输入以下内容 (12+2*(7-4)/32 （2）在上述表达式输入完成后，按 Enter 键，该指令被执行，并显示如下结果。ans = 2 说明 本例在指令窗中实际运行的情况参见图1.3-1。 指令行“头首”的“ ”是“指令输入提示符”，它是自动生成的。本书在此后的输入指令前将不再带提示符“ ”。理由是：（A）为使本书简洁；（B）本书用MATLAB的M-book写成，而在M-book中运行的指令前是没有提示符的。 MATLAB的运算符（如+、- 等）都是各种计算程序中常见的习惯符号。 一条指令输入结束后，必须按 Enter 键，那指令才被执行。 由于本例输入指令是“不含赋值号的表
13、达式”，所以计算结果被赋给MATLAB的一个默认变量“ans”。它是英文“answer”的缩写。【例1.3-2】“续行输入”法。本例演示：或由于指令太长，或出于某种需要，输入指令行必须多行书写时，该如何处理。S=1-1/2+1/3-1/4+ .1/5-1/6+1/7-1/8 S = 0.6345 说明 MATLAB用3个或3个以上的连续黑点表示“续行”，即表示下一行是上一行的继续。 本例指令中包含“赋值号”，因此表达式的计算结果被赋给了变量S。 指令执行后，变量S被保存在 MATLAB 的工作空间（Workspace）中，以备后用。如果用户不用 clear 指令清除它，或对它重新赋值，那么该变
14、量会一直保存在工作空间中，直到本MATLAB 指令窗被关闭为止。.3.3 数值、变量和表达式 前节算例只是表演了“计算器”功能，那仅是MATLAB全部功能中小小一角。为深入学习MATLAB，有必要系统介绍一些基本规定。本节先介绍关于变量的若干规定。10 一 数值的记述 MATLAB的数值采用习惯的十进制表示，可以带小数点或负号。以下记述都合法。3 -99 0.001 9.456 1.3e-3 4.5e33 在采用IEEE浮点算法的计算机上，数值通常采用“占用64位内存的双精度”表示。其相对精度是 eps （MATLAB的一个预定义变量），大约保持有效数字 16位。数值范围大致从到。10 二 变
15、量命名规则 变量名、函数名是对字母大小写敏感的。如变量myvar和MyVar表示两个不同的变量。sin是MATLAB定义的正弦函数名，但SIN,Sin等都不是。 变量名的第一个字符必须是英文字母，最多可包含63个字符（英文、数字和下连符）。如myvar201是合法的变量名。 变量名中不得包含空格、标点、运算符，但可以包含下连符。如变量名my_var_201是合法的，且读起来更方便。而my,var201由于逗号的分隔，表示的就不是一个变量名。10 三 MATLAB默认的预定义变量在MATLAB中有一些所谓的预定义变量（Predefined Variable），见表1.3-1。每当MATLAB启动
16、，这些变量就被产生。这些变量都有特殊含义和用途。建议：用户在编写指令和程序时，应尽可能不对表1.3-1所列预定义变量名重新赋值，以免产生混淆。表1.3-1 MATLAB中最常用的预定义变量预定义变量含 义预定义变量含 义ans计算结果的默认变量名NaN 或 nan不是一个数（Not a Number），如0/0， eps机器零阈值Inf或inf无穷大，如1/0nargin函数输入宗量数目i 或 j虚单元nargout函数输出宗量数目pi圆周率realmax最大正实数realmin最小正实数说明 假如用户对表中任何一个预定义变量中进行赋值，则那个变量的默认值将被用户新赋的值“临时”覆盖。所谓“临
17、时”是指：假如使用clear指令清除MATLAB内存中的变量，或MATLAB指令窗被关闭后重新启动，那么所有的预定义变量将被重置为默认值，不管这些预定义变量曾被用户赋过什么值。 在遵循IEEE算法规则的机器上，被 0 除是允许的。它不会导致程序执行的中断，只是在给出警告信息的同时，用一个特殊名称（如Inf，NaN）记述。这个特殊名称将在以后的计算中以合理的形式发挥作用。【例1.3-3】运用以下指令，以便初步了解预定义变量。本例演示：预定义变量已经存在的事实；若干预定义变量的数量级概念。format longrealmaxans = 1.797693134862316e+308 realmin
18、ans = 2.225073858507201e-308 eps ans = 2.220446049250313e-016 pi ans = 3.141592653589793 10 四 运算符和表达式（1）经典教科书上的算术运算符在MATLAB中的表达方式，见表1.3-2。表 1.3-2 MATLAB表达式的基本运算符数学表达式矩阵运算符数组运算符加a + ba + b减a - ba - b乘a * ba .* b除a / b 或 b aa ./ b 或 b . a幂a ba . b圆括号( )( )( )说明 因为MATLAB面向复数设计，其所有运算定义在复数域上。所以对于方根问题，运算只
19、返还一个“主解”。要得复数的全部方根，必须专门编写程序（见例1.3-6）。 因为MATLAB面向矩阵/数组设计，标量被看作的矩阵/数组。 数组运算的“乘、除、幂”规则与相应矩阵运算根本不同。前者的算符比后者多一个“小黑点”。（参见例1.3-9，例1.3-10。更详细说明请看第3章） MATLAB用左斜杠或右斜杠分别表示“左除”或“右除”运算。对标量而言，“左除”和“右除”的作用结果相同。但对矩阵来说，“左除”和“右除”将产生不同的结果。（2）MATLAB书写表达式的规则与“手写算式”几乎完全相同。 表达式由变量名、运算符和函数名组成。 表达式将按与常规相同的优先级自左至右执行运算。 优先级的规
20、定是：指数运算级别最高，乘除运算次之，加减运算级别最低。 括号可以改变运算的次序。 书写表达式时，赋值符“=”和运算符两侧允许有空格，以增加可读性。10 五 面向复数设计的运算MATLAB特点之一MATLAB的所有运算都是定义在复数域上的。这样设计的好处是：在进行运算时，不必像其他程序语言那样把实部、虚部分开处理。为描述复数，虚数单位用预定义变量 i 或 j 表示。复数直角坐标表示和极坐标表示之间转换的MATLAB指令如下。real(z) 给出复数的实部。imag(z) 给出复数的虚部。abs(z) 给出复数的模。angle(z) 以弧度为单位给出复数的幅角。【例1.3-4】复数表达，及计算。
21、本例演示：正确的复数输入法；涉及复数表示方式的基本指令。（1）经典教科书的直角坐标表示法z1= 4 + 3i %合法，但建议少用或不用 z1 = 4.0000 + 3.0000i 说明 本书建议读者不要使用这种输入格式。因为这种书写格式，只适用于“数值标量”复数，而不适用于“数值矩阵”。 在这种书写格式中，4i是一个完整的虚数，在4和i之间不许“空格”存在。（2）采用运算符构成的直角坐标表示法和极坐标表示法z2 = 1 + 2 * i %运算符构成的直角坐标表示法z3=2*exp(i*pi/6) %运算符构成的极坐标表示法z=z1*z2/z3 z2 = 1.0000 + 2.0000iz3 =
22、 1.7321 + 1.0000iz = 1.8840 + 5.2631i （3）复数的实虚部、模和幅角计算real_z=real(z)image_z=imag(z)magnitude_z=abs(z)angle_z_radian=angle(z) %弧度单位angle_z_degree=angle(z)*180/pi %度数单位 real_z = 1.8840image_z = 5.2631magnitude_z = 5.5902angle_z_radian = 1.2271angle_z_degree = 70.3048 【例1.3-5】图示复数的和（配图1.3-2）。本例演示：MATLA
23、B的运算在复数域上进行；指令后“分号”的作用；复数加法的几何意义；展示MATLAB的可视化能力（让读者感受，但不要求理解）。z1=4+3*i;z2=1+2*i; %在一个物理行中，允许输入多条指令。%但各指令间要用“分号”或“逗号”分开。%指令后采用“分号”，使运算结果不显示。z12=z1+z2%以下用于绘图clf,hold on %clf清空图形窗。逗号用来分隔两个指令。plot(0,z1,z12,-b,LineWidth,3)plot(0,z12,-r,LineWidth,3)plot(z1,z12,ob,MarkerSize,8)hold off,grid on,axis equalax
24、is(0,6,0,6)text(3.5,2.3,z1)text(5,4.5,z2)text(2.5,3.5,z12)xlabel(real)ylabel(image)shg z12 = 5.0000 + 5.0000i图 1.3-2 两个复数相加【例1.3-6】 用MATLAB计算能得到 2 吗（配图1.3-3）？本例演示：MATLAB运算定义在复数域的实质；指令后“分号”抑制运算结果的显示；MATLAB的方根运算规则；更复杂指令的表示方式；展现MATLAB的图形表现力。（对于本例指令，读者能有体验就可，不必强求理解。）（1）直接计算时，得到处于第一象限的方根。a=-8;r_a=a(1/3)
25、%求3次根 r_a = 1.0000 + 1.7321i （2）的全部方根计算如下% 先构造一个多项式p=1,0,0,-a; %p是多项式的系数向量 %指令末尾的“英文状态分号”使该指令运行后，不显示结果。R=roots(p) %求多项式的根R = -2.0000 1.0000 + 1.7321i 1.0000 - 1.7321i （3）图形表示MR=abs(R(1); %计算复根的模t=0:pi/20:2*pi; %产生参变量在0到2*pi间的一组采样点x=MR*sin(t); y=MR*cos(t); plot(x,y,b:),grid on %画一个半径为R的圆 %注意“英文状态逗号”在
26、不同位置的作用hold onplot(R(2),.,MarkerSize,30,Color,r) %画第一象限的方根plot(R(1,3),o,MarkerSize,15,Color,b) %画另两个方根axis(-3,3,-3,3),axis square %保证屏幕显示呈真圆hold off 图 1.3-3 （-8）的全部三次方根分布说明 本例有助于理解MATLAB的计算特点。 对复数进行方根运算时，MATLAB只给出处于“第一象限”的那个根。10 六 面向数组设计的运算MATLAB特点之二 在MATLAB中，标量数据被看作的数组（Array）数据。所有的数据都被存放在适当大小的数组中。为
27、加快计算速度（运算的向量化处理），MATLAB对以数组形式存储的数据设计了两种基本运算：一种是所谓的数组运算；另一种是所谓的矩阵运算。在此仅以算例展示MATLAB的计算特点，更详细的叙述请见第3章。【例1.3-7】实数数组的“一行”输入法。本例演示：二维数组的最基本、最常用输入法；二维数组输入的三大要素。（1）在键盘上输入下列内容AR= 1,3;2,4 （2）按 Enter 键，指令被执行。（3）在指令执行后，MATLAB指令窗中将显示以下结果：AR = 1 3 2 4 说明在MATLAB中，不必事先对数组维数及大小做任何说明，内存将自动配置。二维数组输入的三大要素：数组标识符“ ”；元素分隔
28、符空格或逗号“,”；数组行间分隔符分号“;”或“回车键”。注意：所有标点符号都是“英文状态的符号”。 MATLAB对字母大小写是敏感的。比如本例中的数组赋给了变量AR，而不是 Ar, aR, 或ar 。在全部键入一个指令行内容后，必须按下 Enter 键，该指令才会被执行。请读者务必记住此点。出于叙述简明的考虑，本书此后将不再重复提及此操作。【例1.3-8】实数数组的“分行”输入法。AI=5,7 6,8 AI = 5 7 6 8 说明 本例采用这种输入法是为了视觉习惯。当然，对于较大的数组也可采用此法。 在这种输入方法中，“回车”符用来分隔数组中的行。 【例1.3-9】对复数数组进行求实部、虚
29、部、模和幅角的运算。本例演示：复数数组的生成；MATLAB指令对数组元素“并行操作”的实质。（1）创建复数数组AR=1,3;2,4;AI=5,7;6,8;A=AR-AI*i %形成复数矩阵A = 1.0000 - 5.0000i 3.0000 - 7.0000i 2.0000 - 6.0000i 4.0000 - 8.0000i （2）求复数数组的实部和虚部A_real=real(A)A_image=imag(A) A_real = 1 3 2 4A_image = -5 -7 -6 -8 （3）求复数数组中各元素的模和幅角循环法（笨拙！）for m=1:2for n=1:2 Am1(m,n)=abs(A(m,n); Aa1(m,n)=angle(A(m,n)*180/pi; %以度为单位计算幅角 endendAm1,Aa1 Am1 = 5.0990 7.6158 6.3246 8.9443Aa1 = -78.6901 -66.8014 -71.5651 -63.4349 （4）求复数数组中各元素的模和幅角直接法Am2=abs(A)Aa2=angle(A)*180/pi Am2 = 5.0990 7.6158 6.3246 8.9443A
