MATLAB程序设计与典型应用.pdf

MATLAB 仿真与应用系列丛书 MATLAB 程序设计 与典型应用 张德丰 编著 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 内 容 简 介 MATLAB 语言是现今在工程研究领域应用范围很广的一门计算机语言。本书讲解了 MATLAB 语言运算、程序设计、图形表示，同时对 MATLAB 语言在工程中的经典应用进行了详细介绍。本书共分 11 章，包括 MATLAB 简介、MATLAB 数值计算及应用、符号运算及应用、MATLAB 程序设计技术、MATLAB 绘图功能、MATLAB 在模糊控制系统中的应用、MATLAB 在人工神经网络中的应用、MATLAB 在自动控制中的应用、MATLAB 在数字信号中的应用、MATLAB 外部程序接口应用、MATLAB 在其他领域的应用等内容。本书结构清晰、内容丰富、论述翔实，适合学习 MATLAB 的本科生、研究生阅读，也可作为广大科研工作人员的参考用书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 MATLAB 程序设计与典型应用张德丰编著.北京：电子工业出版社，2009.6（MATLAB 仿真与应用系列丛书）ISBN 978-7-121-08874-2 IM 张 计算机辅助计算软件包，MATLAB程序设计 TP391.75 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2009）第 077720 号 策划编辑：陈韦凯 责任编辑：李雪梅 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871092 1/16 印张：22.25 字数：570 千字 印 次：2009 年 6 月第 1 次印刷 印 数：4 000 册 定价：39.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。服务热线：（010）88258888。前 言 MATLAB 是 Matrix Laboratory（“矩阵实验室”）的缩写，是由美国 MathWorks 公司开发的集数值计算、符号运算和图形可视化三大基本功能于一体的，功能强大、操作简单的语言，是国际公认的优秀数学应用软件之一。“从工程师和科学家的角度来看，MATLAB 有许多的优点，是它的同类产品中最好的软件”。随着 MATLAB 在各个工程领域应用的日益广泛，专家学者们相继推出了控制系统工具箱（Control Systems Toolbox）、模糊逻辑工具箱（Fuzzy Logic Toolbox）、虚拟现实工具箱（Virtual Reality Toolbox）、数字信号处理模块库（DSP Blockset）、神经网络模块库（Neural NetWork Blockset）和航天器控制模块库（Aerospace Blockset）等简单实用的工具箱和模块库，这些工具箱给各个领域的研究和工程应用提供了强有力的工具，而且这些工具箱还在不断增加。目前推出的 MATLAB R2008 不但扩展和完善了某些工具箱的功能，还添加了新的工具箱。因此，借助于日渐完善的 MATLAB 软件，各个领域的研究人员可以直观、方便地进行分析、计算和设计工作，大大节省了时间，提高了工作效率。此外，在 MATLAB 中，所有的分析工具都可以立即获得，因此可以很方便地看到运行结果、分析这些结果，并且使结果可视化。MATLAB 具有其他高级语言难以比拟的一些优点，编写简单，编程效率高，易学易懂，因此 MATLAB 语言也被通俗地称为演算纸式的科学算法语言。在控制、通信、信号处理及科学计算等领域中，MATLAB 都被广泛地应用，已经被认可为能够有效提高工作效率、改善设计手段的工具软件，掌握了 MATLAB 就好比掌握了开启这些专业领域大门的钥匙。本书是在充分体现应用型教育特点，提高学生分析问题及解决问题能力的基础上编写的，具有以下特点：（1）精选内容，条理清晰。全书以基础知识为主，科学新成果与发展新动向相结合，系统地展开介绍 MATLAB 的编程基础与典型应用。（2）重点突出，目的明确。立足基本理论、面向应用技术，以必须、够用为尺度，以掌握概念、强化应用为重点，加强理论知识和实际应用的统一。（3）注重实用，强化实践。以 MATLAB 为编程工具，通过大量典型实例的分析和实践，使读者较快地认识到 MATLAB 软件可以方便、快捷地编程，以及 MATLAB 在各个领域中的典型应用。全书共分 11 章。第 1 章介绍了 MATLAB 基础知识，包括 MATLAB 启动与安装、MATLAB的开发环境、MATLAB 帮助系统等内容；第 2 章介绍了 MATLAB 数值计算及应用，MATLAB的数组、矩阵运算、MATLAB多项式及其运算等内容；第3章介绍了符号运算及应用，MATLAB符号微积分运算、复变函数运算的 MATLAB 实现等内容；第 4 章介绍了 MATLAB 程序设计技术，包括 MATLAB 的控制语句、M 文件编程等内容；第 5 章介绍了 MATLAB 绘图功能，包括二维图形绘制、三维图形绘制、图形颜色的应用等内容；第 6 章介绍了 MATLAB 在模糊控制系统中的应用，包括模糊系统的 MATLAB 实现、MATLAB 模糊逻辑工具箱命令函数等内容；第 7 章介绍了 MATLAB 在人工神经网络中的应用，包括感知器、BP 网络、径向基网络等内容；第 8 章介绍了 MATLAB 在自动控制中的应用，包括控制系统模型、系统校正等内容；第 9 章 介绍了 MATLAB 在数字信号中的应用，包括数字信号知识、离散时间傅里叶变换、数字滤波器的分析与实现等内容；第 10 章介绍了 MATLAB 外部程序接口应用，包括 MATLAB 数据接口、MATLAB 编译器的配置等内容；第 11 章介绍了 MATLAB 的其他领域应用，包括 MATLAB在电路中的应用、MATLAB 在优化设计中的应用等内容。为方便读者阅读，书中部分字母、符号等采用正体。由于时间仓促，加之作者水平有限，所以错误和疏漏之处在所难免。在此，诚恳地期望得到各领域专家和广大读者的批评指正。作 者 2009 年 3 月 目 录 第 1 章 MATLAB 简介.1 1.1 MATLAB 概述.1 1.2 MATLAB 环境.1 1.2.1 MATLAB 安装.1 1.2.2 MATLAB 启动与退出.4 1.3 MATLAB 的开发环境.5 1.3.1 工作界面.5 1.3.2 命令窗口.6 1.3.3 当前目录浏览器窗口.8 1.3.4 工作空间浏览器窗口.9 1.3.5 历史命令窗口.10 1.3.6 数组编辑器窗口.11 1.4 MATLAB 帮助系统.11 1.4.1 帮助命令.11 1.4.2 帮助窗口.12 1.4.3 演示系统.13 第2章 MATLAB 数值计算及应用.15 2.1 MATLAB 的数值计算基础.15 2.1.1 数据类型.15 2.1.2 常量和变量.18 2.1.3 数值计算应用的示例.19 2.2 MATLAB 的数组、矩阵运算.20 2.2.1 数组与矩阵的概念.20 2.2.2 数组或矩阵元素的标识.21 2.2.3 数组与矩阵的输入.23 2.2.4 数组与矩阵的算术运算.25 2.2.5 向量及其运算.32 2.2.6 矩阵的特殊运算.35 2.2.7 数组的运算.44 2.2.8 字符串.47 2.3 MATLAB 多项式及其运算.47 2.3.1 多项式求值.48 2.3.2 多项式求根.48 2.3.3 部分分式展开.49 2.3.4 多项式乘除.50 2.3.5 多项式的微积分.50 X2.4 插值与拟合.51 2.4.1 一维插值问题.51 2.4.2 二维插值问题.52 2.4.3 曲线拟合.56 2.5 线性方程组求解.58 2.5.1 方程组解法.58 2.5.2 求线性方程组的通解.65 2.6 非线性方程与最优化问题.67 2.6.1 非线性方程数值求解.67 2.6.2 无约束最优化问题求解.69 2.6.3 有约束最优化问题求解.71 第3章 符号运算及应用.73 3.1 MATLAB 符号运算基础.73 3.1.1 符号表达式.73 3.1.2 符号表达式的操作及代数运算.75 3.2 MATLAB 符号微积分运算.82 3.2.1 符号极限运算.82 3.2.2 符号函数微分运算.82 3.2.3 符号函数积分运算.83 3.2.4 符号求和函数与级数展开函数.84 3.3 复变函数运算的 MATLAB 实现.86 3.3.1 复数的概念.86 3.3.2 复变量的函数.86 3.3.3 复数的生成及其矩阵创建.87 3.3.4 复数的几何意义.88 3.3.5 MATLAB 在复数代数运算中的实现.90 第4章 MATLAB 程序设计技术.93 4.1 MATLAB 的控制语句.93 4.1.1 条件控制.93 4.1.2 循环控制.96 4.1.3 错误控制.98 4.2 M 文件编程.99 4.2.1 M 文件的分类介绍.99 4.2.2 函数调用和变量传递.101 4.2.3 数据导入与导出.107 4.2.4 示例分析.111 4.3 函数类型.118 4.3.1 主函数.118 4.3.2 子函数.119 4.3.3 私有函数.119 XI4.3.4 嵌套函数.120 4.3.5 重载函数.124 4.4 调试程序.124 4.4.1 调试程序介绍.124 4.4.2 MATLAB 调试菜单.125 4.4.3 调试命令.126 第5章 MATLAB 绘图功能.129 5.1 二维图形绘制.129 5.1.1 绘制二维曲线的常用函数.129 5.1.2 绘制图形的辅助操作.132 5.1.3 绘制二维图形的其他函数.137 5.2 三维图形绘制.141 5.2.1 绘制三维曲线的常用函数.141 5.2.2 三维曲面图绘制.142 5.2.3 其他三维图形绘制.146 5.2.4 透明度作图.147 5.2.5 立体可视化.148 5.3 图形颜色映像的应用.151 5.4 光照和材质处理.153 5.4.1 光照处理.153 5.4.2 材质处理.154 5.5 图像显示技术.156 5.5.1 图像简介.156 5.5.2 图像的读取.157 5.5.3 图像的显示.159 5.6 动画制作技术.159 第6章 MATLAB 在模糊控制系统中的应用.161 6.1 模糊系统的 MATLAB 实现.161 6.1.1 模糊集简介.161 6.1.2 模糊推理系统与 MATLAB 应用.166 6.1.3 模糊推理系统的 MATLAB 模糊工具箱的图形界面实现法.166 6.2 MATLAB 模糊逻辑工具箱命令函数及示例.173 6.3 MATLAB 模糊逻辑工具箱命令函数应用示例.193 第7章 MATLAB 在人工神经网络中的应用.197 7.1 人工神经网络介绍.197 7.2 感知器.197 7.2.1 感知器原理.198 7.2.2 感知器相关函数.199 7.2.3 感知器的 MATLAB 实现.202 7.3 线性神经网络.203 XII7.3.1 线性神经网络原理.204 7.3.2 线性神经网络相关函数.204 7.3.3 线性神经网络的 MATLAB 实现.206 7.4 BP 网络.207 7.4.1 BP 网络原理.207 7.4.2 BP 网络相关函数.208 7.4.3 BP 网络的 MATLAB 实现.217 7.5 径向基网络.218 7.5.1 径向基网络原理.218 7.5.2 径向基网络相关函数.219 7.5.3 径向基网络应用示例.222 7.6 回归网络.223 7.6.1 回归网络相关函数.223 7.6.2