第7章程序設計

MATLAB7.0從入門到精通哈爾濱工業(yè)大學(威海)汽車工程學院2/5/20231課程主要內容第1章MATLAB簡介第2章數值運算第3章單元數組和結構第4章字符串第5章符號運算第6章MATLAB繪圖基礎第7章程序設計第8章計算方法的MATLAB實現第9章優(yōu)化設計第10章SIMULINK仿真初探2/5/20232第7章程序設計MATLAB作為一種廣泛應用于科學計算的工具軟件，不僅具有強大的數值計算、符號計算、矩陣運算的能力和豐富的繪圖功能，還可以像C語言、FORTRAN等計算機高級語言一樣進行程序設計，編寫擴展名為.m的M文件，實現各種復雜的運算，同時MATLAB自帶的許多函數就是M文件函數，用戶也可以利用M文件來生成和擴充自己的函數庫。2/5/202337.1腳本和函數所謂M文件，簡單來說就是用戶把要實現的命令寫在一個以.m作為擴展名的文件中，然后由MATLAB系統(tǒng)進行解釋，最后運行出結果。M文件有函數和腳本兩種格式。兩者只是在語法和使用上有些不同。腳本式M文件沒有輸入參數或輸出參數，而函數式M文件有輸入參數和輸出參數；函數可以有零個或多個輸入或輸出變量。2/5/202347.1.1腳本腳本是一個擴展名為.m的文件，其中包含了MATLAB的各種命令，與批處理文件很類似，在MATLAB命令窗口下直接輸入此文件的主文件名，MATLAB可逐一執(zhí)行在此文件內的所有命令，和在命令窗口逐行輸入這些命令一樣。腳本式M文件運行產生的所有變量都是全局變量，運行腳本后，所產生的所有變量都駐留在MATLAB基本工作空間，只要用戶不使用clear命令加以清除，且MATLAB指令窗口不關閉，這些變量將一直保存?；究臻g隨MATLAB的啟動而產生，在關閉MATLAB軟件時該基本空間被刪除。例：huitu0.m2/5/20235huitu0程序結果2/5/202367.1.2函數MATLAB中許多常用的函數都是函數式M文件，使用時，MATLAB獲取傳遞給它的變量，利用操作系統(tǒng)所給的輸入，運算得到要求的結果，然后返回這些結果。函數文件類似于一個黑箱，由函數執(zhí)行的命令以及這些命令所創(chuàng)建的中間變量都是隱含的。運算過程中的中間變量都是局部變量(除特別聲明外)，存放在函數本身的工作空間內，不會和MATLAB基本工作空間的變量相互覆蓋，對用戶來說，可見的只是輸入和輸出，因此易于使程序模塊化，特別適合于大型程序代碼。例：huitu.m2/5/20237huitu(1,2,3)程序結果2/5/202387.2M文件的程序結構程序結構一般分為順序結構、循環(huán)結構、分支結構三種。理論上講，只要有以上三種結構就可以構造功能強大的程序。與大多數計算機語言一樣，MATLAB也提供了上述三種程序結構。雖然MATLAB沒有C語言那樣具有豐富的控制結構，但是MATLAB自身的強大功能彌補了這個不足，使用戶在編程時幾乎感覺不到困難。下面分別對這三種結構進行介紹。2/5/202397.2.1順序結構順序結構就是依次順序地執(zhí)行程序的各條語句。順序結構一般不含有其他子結構或控制語句，批處理文件就是典型的順序結構的文件。例：jizhi.m2/5/202310jizhi程序結果2/5/2023117.2.2循環(huán)結構在實際計算中，經常會碰到許多有規(guī)律的重復計算，此時就要對某些語句進行重復執(zhí)行。一組被重復執(zhí)行的語句稱為循環(huán)體，每個循環(huán)語句都要有循環(huán)條件，以判斷循環(huán)是否要繼續(xù)進行下去。MATLAB中的循環(huán)語句包括for循環(huán)與while循環(huán)。2/5/2023121、for循環(huán)for循環(huán)允許一組命令以固定的和預定的次數重復執(zhí)行，for循環(huán)的一般形式如下所示：for循環(huán)變量=數組循環(huán)體(執(zhí)行語句)；end在for與end語句之間的執(zhí)行語句是按矩陣(或數組)中的每一列執(zhí)行一次，即在每一次循環(huán)中，矩陣(或數組)元素一個一個地被賦給循環(huán)變量，然后由執(zhí)行語句執(zhí)行。例：for1.m，specmat.m2/5/202313程序結果>>for1x=Columns1through72.03041.80081.51311.41651.71832.51113.7462Columns8through105.26206.85878.38912/5/202314>>specmat(6)ans=1111111234561361015151410101515151515151516151515152/5/202315用for循環(huán)語句需要注意以下事項：(1)不能在for循環(huán)體內重新對循環(huán)變量n賦值來終止循環(huán)的執(zhí)行。(2)for循環(huán)可以進行嵌套循環(huán)。(3)循環(huán)語句內的“;”可防止中間變量的輸出。2/5/2023162、while循環(huán)與for循環(huán)固定的次數求一組命令的值相反，while循環(huán)以不定的次數來求一組命令的值。while循環(huán)的一般形式如下：while表達式循環(huán)體()；n+1；(自增)end只要表達式中的元素為真，就執(zhí)行while和end語句之間的命令。通常，表達式給出的是一個標量值，但數組(或矩陣)同樣有效。若為數組(或矩陣)，則要求所有的元素都必須為真。例：while1.m2/5/202317程序結果>>while1a=2.46192/5/202318程序實例問題描述：根據統(tǒng)計學的基礎知識分析樣本的平均值和標準差。例：for2.m和while2.m2/5/202319程序結果>>for2Enterthenumberofthepoints:6Enterthevalue:1Enterthevalue:3Enterthevalue:5Enterthevalue:7Enterthevalue:9Enterthevalue:0Themeanofthisdatasetis:4.166667Thestandarddeviationis:3.488075Thenumberofdatais:62/5/202320>>while2Enterthefirstvalue:1Enterthefirstvalue:3Enterthefirstvalue:5Enterthefirstvalue:7Enterthefirstvalue:9Enterthefirstvalue:0Enterthefirstvalue:-1Themeanofthisdatasetis:4.166667Thestandarddeviationis:3.488075Thenumberofdatais:62/5/2023217.2.3分支結構在程序設計中，經常要根據一定的條件來執(zhí)行不同的語句。當某些條件滿足時，只執(zhí)行其中的某個語句或某些語句。在這種情況下，分支結構就會是很好的選擇了。在MATLAB中的分支結構語句包括if-else-end語句與switch-case-otherwise語句。2/5/2023221、if-else-end選擇語句if-else-end選擇語句的結構如下所示：if條件式1表達式1；elseif條件式2表達式2；...else表達式n；end哪一個if后的表達式中值為真，就執(zhí)行該if后的表達式，否則跳過該表達式進行其它判斷。例：ff.m2/5/202323程序結果>>ff(-1)ans=1>>ff(2)ans=0.5000>>ff(8)ans=0.9894>>ff(16)ans=42/5/202324采用plot(x,ff(x))繪分段函數圖。x1=-2:0.01:0;x2=0.5:0.01:5;x3=5.01:0.01:10;x4=10.01:0.01:12;plot(x1,ff(x1))holdonplot(x2,ff(x2))holdonplot(x3,ff(x3))holdonplot(x4,ff(x4))gridon2/5/202325程序結果2/5/202326MATLAB中的選擇語句switch-case-otherwise，是特別讓熟悉C等高級語言的用戶方便地編寫M文件而專門添加的。switch-case-otherwise語句的通用格式如下：swithexpressioncasevalue1statements1；...casevaluenstatementsn；otherwisestatements；end2、switch-case-otherwise分支語句2/5/202327其中，switch-expression給出了開關條件，當有case-expression與之匹配時，就執(zhí)行其后的語句，如果沒有case-expression與之匹配，就執(zhí)行otherwise后面的語句。在執(zhí)行過程中，只有一個case命令被執(zhí)行，當執(zhí)行完命令后，程序就跳出分支結構，執(zhí)行end下面的語句。例：fm.m2/5/202328程序結果>>fm(0)ans=20>>fm(1)ans=40>>fm(2)ans=60>>fm(3)ans=80>>fm(5)ans=1002/5/202329工程實例問題描述：向上斜拋的小球，具有如下的運動模型，仿真小球的運動軌跡。例：ball.m2/5/202330程序結果>>ballEntertheinitialvelocity:20Rangeversusangletheta:00.000057.07321013.93161520.36662026.18282531.20343035.27603538.27674040.11442/5/2023314540.73325040.11445538.27676035.27606531.20347026.18287520.36668013.9316857.0732900.0000Maxrangesis40.7332at45degrees.2/5/202332圖形結果2/5/2023337.3程序流控制在許多程序設計語言中，經常要碰到提前終止循環(huán)、跳出程序、顯示出錯信息等，此時就需要用到控制程序流的命令。在MATLAB中，同樣有這樣的程序控制流命令。下面逐一介紹MATLAB中的程序流的控制命令。2/5/2023341、continue命令continue命令經常與for或while語句一起使用，其作用是結束本次循環(huán)，即跳過循環(huán)體中下面尚未執(zhí)行的語句，接著進行下一次是否執(zhí)行循環(huán)的判斷。注：當條件滿足時，continue語句才被調用，跳出后面的語句，循環(huán)繼續(xù)，條件不滿足則繼續(xù)執(zhí)行后面的程序。例：continue1.m2/5/202335程序結果>>continue1357911468101257911136810121479111315810121416911131517101214161811131517191214161820

2/5/2023362、break命令break命令也經常與for或while等語句一起使用，其作用是終止本次循環(huán)，跳出最內層的循環(huán)。使用break命令可以不必等到循環(huán)的自然結束，而是根據條件，強制退出循環(huán)。這在很多情況下是必須的。注：當條件滿足時，break語句才被調用，系統(tǒng)將在循環(huán)尚未結束時跳出當前循環(huán)，條件不滿足則繼續(xù)執(zhí)行后面的程序。例：jitu.m2/5/202337程序結果>>jituThenumberofchickenis22.Thenumberofrabbitis14.2/5/2023383、return命令return命令能使當前正在運行的函數正常退出，并返回調用它的函數，繼續(xù)運行。這個語句經常用于函數的末尾，以正常結束函數的運行。當然，也可用于函數的其他地方，對某些條件進行判斷，如果條件不符合要求，調用return語句終止當前運行，并返回調用它的函數或環(huán)境。實際上，MATLAB中此語句的作用與其他的程序設計語言中的作用相同。例：dreturn.m2/5/202339程序實例>>dreturn('2')ans=5>>dreturn('')ans=5>>dreturn('')ans=12/5/2023404、echo語句通常在MATLAB中執(zhí)行M文件時，在命令窗口是看不到執(zhí)行過程的。但在特殊情況下，比如需要對M文件演示時，要求M文件的每條命令都要顯示出來，此時用echo命令就可以實現這樣的操作。對于腳本式M文件與函數式M文件，echo命令略有不同。對于腳本式M文件，可以用以下方式來實現：echoon%顯示其后所有執(zhí)行的命令文件的指令echooff%不顯示其后所有執(zhí)行的命令文件的指令echo%在上述兩種情況下進行切換對于函數式M文件，可以用以下方式來實現：echofilenameon%使filename指定的M文件的執(zhí)行指令顯示出來echofilenameoff%使filename指定的M文件的執(zhí)行指令不顯示出來echoonall%其后的所有M文件的執(zhí)行指令顯示2/5/2023415、error語句在進行程序設計時，許多情況下有錯誤出現，此時如果能把錯誤信息顯示出來，那樣就會使用戶了解到是什么原因引起錯誤，以采取適合的方式防止錯誤的再次發(fā)生。MATLAB中的error(‘錯誤信息?就用于實現上述功能。此命令能顯示錯誤信息并終止當前函數的運行，將控制信息返回到鍵盤。該指令用來指示出錯信息并終止當前函數的運行。error(‘message’)類似的是warning，區(qū)別是warning之后程序繼續(xù)運行。2/5/2023426、try...catch語句try...catch語句的作用與上面的error語句類似，是用于對異常進行處理的命令。把有可能引起異常的語句放在try控制塊中，這樣當try控制塊中statement語句引起異常時，catch控制塊就可以捕獲它，并針對不同的錯誤類型，進行不同的處理。它與C++程序設計語言中的try...catch命令作用一樣。try...catch命令的調用格式如下：try(commands1),catch(commands2),end組命令1總被執(zhí)行，當執(zhí)行出現錯誤時，catch控制塊就可捕獲它，執(zhí)行組命令2，針對不同錯誤類型進行不同的處理?？捎胠asterr函數查詢出錯原因。注意try和catch控制塊中的語句之間用逗號隔開。例：chucuo.m2/5/202343程序結果>>chucuoa_end=492ans=Attemptedtoaccessa(4,:);indexoutofboundsbecausesize(a)=[3,3].2/5/2023447、input語句input命令用來提示用戶從鍵盤輸入數據、字符串或表達式，并接受輸入值。r=input(‘prompt’)在屏幕上顯示提示信息prompt，等待用戶輸入，并將值賦給r，直接回車則輸出空矩陣。r=input(‘prompt’,’s’)返回的字符串作為文本變量而不作為變量名或者數值。例：test.m2/5/202345程序結果>>testDoyouwantmore?Y/N[Y]:Yyouhaveselectedthefirstcharacter>>testDoyouwantmore?Y/N[Y]:Nyouhaveselectedthesecondone>>testDoyouwantmore?Y/N[Y]:syouhaveselectedthesecondone2/5/2023468、pause命令pause命令用于暫時終止程序的運行，等待用戶按任意鍵繼續(xù)進行。pause暫停M文件的執(zhí)行，按任意鍵繼續(xù)pause(n)終止程序n秒，n是任意實數pauseon允許后面的pause命令起作用pauseoff使后面的pause命令不起作用例：pause1.m2/5/2023477.4腳本文件腳本文件只是逐條的解釋文件中的程序條，與命令窗口直接輸入一樣，只是它具有了存儲能力，且可以方便的多次運行該程序段，在命令窗口中只需輸入存儲的文件名即可，且存儲的文件名沒有特殊要求。腳本文件中可以調用函數，只需調用函數名即可。2/5/2023487.5函數文件函數的格式必須加function，并且M文件的存儲名必須與函數名相同。一般函數都有輸入和輸出。2/5/202349謝謝！2/5/202350huitu0.mx=-pi:0.01:pi;y=cos(x);plot(x,y);gridon返回2/5/202351huitu.mfunctionf=huitu(a,b,c)x=-pi:0.01:pi;f=a*sin(b*x+c);plot(x,f);gridon返回2/5/202352jizhi.mx=-pi:0.01:pi;y=sin(x)+sin(2*x)-cos(3*x);h=plot(x,y);x=get(h,'XData');y=get(h,'YData');imin=find(min(y)==y);imax=find(max(y)==y);holdontext(x(imin),y(imin),['minimum=',num2str(y(imin))]);text(x(imax),y(imax),['maximum=',num2str(y(imax))]);gridonplot(x(imin),y(imin),'o')plot(x(imax),y(imax),'*')返回2/5/202353for1.mforn=1:10x(n)=exp(n/5)+cos(n*pi/5);endx返回2/5/202354specmat.mfunctionA=specmat(n)A=ones(n);forr=1:nforc=1:nifr>1&c>1s=A(r-1,c)+A(r,c-1);ifs<20A(r,c)=s;elseA(r,c)=max(A(r-1,c),A(r,c-1));endendendend返回2/5/202355while1.mn=1;a=0;whilen<10a=a+log(n)/n;n=n+1;enda返回2/5/202356for2.msum1=0;sum2=0;n=input('Enterthenumberofthepoints:');ifn<2disp('Atleast2valuesmustbeentered.');elsefori=1:nx=input('Enterthevalue:');sum1=sum1+x;sum2=sum2+x^2;endxvar=sum1/n;std_dev=sqrt((n*sum2-sum1^2)/(n*(n-1)));fprintf('Themeanofthisdatasetis:%f\n',xvar);fprintf('Thestandarddeviationis:%f\n',std_dev);fprintf('Thenumberofdatais:%d\n',n);end返回2/5/202357while2.mn=0;sum1=0;sum2=0;x=input('Enterthefirstvalue:');whilex>=0n=n+1;sum1=sum1+x;sum2=sum2+x^2;x=input('Enterthefirstvalue:');endxvar=sum1/n;std_dev=sqrt((n*sum2-sum1^2)/(n*(n-1)));fprintf('Themeanofthisdatasetis:%f\n',xvar);fprintf('Thestandarddeviationis:%f\n',std_dev);fprintf('Thenumberofdatais:%d\n',n);返回2/5/202358ff.mfunctiony=ff(x)ifx<=0y=x.^2;elseif0<x&x<=5y=1./x;elseif5<x&x<=10y=sin(x);elseifx>10y=x./4;end返回2/5/202359fm.mfunctionf=fm(n)switchncase0f=20;case1f=40;case2f=60;case3f=80;otherwisef=100;end返回2/5/202360ball.mconv=pi/180;g=-9.82;v0=input('Entertheinitialvelocity:');range=zeros(1,91);%計算最大的水平距離。fori=1:91theta=i-1;vx0=v0*cos(theta*conv);vy0=v0*sin(theta*conv);maxtime=-2*vy0/g;range(i)=vx0*maxtime;end2/5/202361%顯示計算水平距離的列表。fprintf('Rangeversusangletheta:\n');fori=1:5:91theta=i-1;fprintf('%2d%8.4f\n',theta,range(i));end%計算最大的角度和水平距離。[maxrangeindex]=max(range);maxangle=index-1;fprintf('\nMaxrangesis%8.4fat%2ddegrees.\n',maxrange,maxangle);2/5/202362%繪制軌跡圖形。fori=5:10:80theta=i;vx0=v0*cos(theta*conv);vy0=v0*sin(theta*conv);maxtime=-2*vy0/g;%計算小球軌跡的x,y坐標數值。x=zeros(1,21);y=zeros(1,21);forj=1:21time=(j-1)*maxtime/20;x(j)=vx0*time;y(j)=vy0*time+0.5*g*time^2;endplot(x,y,'g')ifi==5holdon;endend2/5/202363%添加圖形的標題和坐標軸名稱。title('TrajectoryofBallvsInitialAngle\theta');xlabel('x(meters)');ylabel('y(meters)');axis([0max(range)+50-v0^2/2/g]);gridon2/5/202364%繪制最大水平的軌跡圖形。vx0=v0*cos(maxangle*conv);vy0=v0*sin(maxangle*conv);maxtime=-2*vy0/g;x=zeros(1,21);y=zeros(1,21)