第8章MATLAB程序設(shè)計(jì)

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1、第8章 MATLAB程序設(shè)計(jì) 8.1腳本文件和函數(shù)文件 M文件有兩種形式：M腳本文件和M函數(shù)文件。 8.1.1 M文本編輯器 MATLAB的M文件是通過M文件編輯／調(diào)試器窗口(Editor／Debugger)來創(chuàng)建的。 圖8.1 M文件編輯/調(diào)試器窗口 單擊MATLAB桌面上的圖標(biāo)，或者單擊菜單“File”——“New”——“M-file”，可打開空白的M文件編輯器，也可以通過打開已有的M文件來打開M文件編輯器。如圖8.1所示為打開已創(chuàng)建的M文件。 8.1.2 M文件的基本格式 下面介紹繪制二階系統(tǒng)時(shí)域曲線的M文件，欠阻尼系統(tǒng)的時(shí)域輸出y與x的關(guān)系為，【例8.1】為M腳本文件

2、，【例8.2】為M函數(shù)文件。 【例8.1】用M腳本文件繪制二階系統(tǒng)時(shí)域曲線。 %EX0801 二階系統(tǒng)時(shí)域曲線 %畫阻尼系數(shù)為0.3的曲線 x=0:0.1:20; y1=1-1/sqrt(1-0.3^2)*exp(-0.3*x).*sin(sqrt(1-0.3^2)*x+acos(0.3)) plot(x,y1,r) 【例8.2】創(chuàng)建一個(gè)畫二階系統(tǒng)時(shí)域曲線的函數(shù)，阻尼系數(shù)zeta為函數(shù)的輸入?yún)?shù)。 function y=Ex0802(zeta) % EX0802 Step response of quadratic system. % 二階系統(tǒng)時(shí)

3、域響應(yīng)曲線 % zeta 阻尼系數(shù) % y 時(shí)域響應(yīng) % % copyright 2003-08-01 x=0:0.1:20; y=1-1/sqrt(1-zeta^2)*exp(-zeta*x).*sin(sqrt(1-zeta^2)*x+acos(zeta)) plot(x,y) M函數(shù)文件的基本格式： 函數(shù)聲明行 H1行(用%開頭的注釋行) 在線幫助文本(用%開頭) 編寫和修改記錄(用%開頭) 函數(shù)體 例如，在命令窗口輸入help和lookfor命令查看幫助信息： help Ex0802 EX0802 S

4、tep response of quadratic system. 二階系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)曲線 zeta 阻尼系數(shù) y 時(shí)域響應(yīng) lookfor 二階系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng) Ex0802.m: %二階系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng) 8.1.3 M腳本文件 腳本文件的特點(diǎn)： (1) 腳本文件中的命令格式和前后位置，與在命令窗口中輸入的沒有任何區(qū)別。 (2) MATLAB在運(yùn)行腳本文件時(shí)，只是簡(jiǎn)單地按順序從文件中讀取一條條命令，送到MATLAB命令窗口中去執(zhí)行。 (3) 與在命令窗口中直接運(yùn)行命令一樣，腳本文件運(yùn)行產(chǎn)生的變量都是駐留在MATLAB的工作空間(workspace)中，可以很

5、方便地查看變量，除非用clear命令清除；腳本文件的命令也可以訪問工作空間的所有數(shù)據(jù)，因此要注意避免變量的覆蓋而造成程序出錯(cuò)。 【例8.1續(xù)】在M文件編輯／調(diào)試器窗口中編寫M腳本文件繪制二階系統(tǒng)的多條時(shí)域曲線。 (1) 單擊MATLAB桌面上的圖標(biāo)打開M文件編輯器。 (2) 將命令全部寫入M文件編輯器中，為了能標(biāo)志該文件的名稱，在第一行寫入包含文件名的注釋。保存文件為Ex0801.m。 %EX0801 二階系統(tǒng)時(shí)域曲線 x=0:0.1:20; y1=1-1/sqrt(1-0.3^2)*exp(-0.3*x).*sin(sqrt(1-0.3^2)*x+acos(0.3))

6、plot(x,y1,r) %畫阻尼系數(shù)為0.3的曲線 hold on y2=1-1/sqrt(1-0.707^2)*exp(-0.707*x).*sin(sqrt(1-0.707^2)*x+acos(0.707)) plot(x,y2,g) %畫阻尼系數(shù)為0.707的曲線 y3=1-exp(-x).*(1+x) plot(x,y3,b) %畫阻尼系數(shù)為1的曲線 圖8.2 運(yùn)行界面 (3) 選擇M文件編輯器菜單“Debug”——“Run”，就可以在圖形窗中看到如圖8.2所示的曲線。 查看工作空間的變量： whos Name

7、 Size Bytes Class x 1x201 1608 double array y1 1x201 1608 double array y2 1x201 1608 double array y3 1x201 1608 double array Grand total is 804 elements using

8、6432 bytes 8.1.4 M函數(shù)文件 函數(shù)文件的特點(diǎn)： (1) 第一行總是以“function”引導(dǎo)的函數(shù)聲明行； 函數(shù)聲明行的格式： function [輸出變量列表] = 函數(shù)名(輸入變量列表) (2) 函數(shù)文件在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的變量都存放在函數(shù)本身的工作空間； (3) 當(dāng)文件執(zhí)行完最后一條命令或遇到“return”命令時(shí)，就結(jié)束函數(shù)文件的運(yùn)行，同時(shí)函數(shù)工作空間的變量就被清除； (4) 函數(shù)的工作空間隨具體的M函數(shù)文件調(diào)用而產(chǎn)生，隨調(diào)用結(jié)束而刪除，是獨(dú)立的、臨時(shí)的，在MATLAB運(yùn)行過程中可以產(chǎn)生任意多個(gè)臨時(shí)的函數(shù)空間。 【例8.2續(xù)】在M文件編輯／調(diào)試

9、器窗口編寫計(jì)算二階系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)的M函數(shù)文件，并在MATLAB命令窗口中調(diào)用該文件。 創(chuàng)建M函數(shù)文件并調(diào)用的步驟如下： (1) 編寫函數(shù)代碼 function y=Ex0802(zeta) %EX0802 畫二階系統(tǒng)時(shí)域曲線 x=0:0.1:20; y=1-1/sqrt(1-zeta^2)*exp(-zeta*x).*sin(sqrt(1-zeta^2)*x+acos(zeta)) plot(x,y) (2) 將函數(shù)文件保存為“Ex0802.m”。 (3) 在MATLAB命令窗口輸入以下命令，則會(huì)出現(xiàn)f的計(jì)算值和繪制的曲線： f=Ex0802(0.3) 程序分析：

10、第一行指定該文件是函數(shù)文件，文件名為“Ex0802”，輸入?yún)?shù)為阻尼系數(shù)zeta，輸出參數(shù)為時(shí)域響應(yīng)y。 當(dāng)函數(shù)文件調(diào)用結(jié)束，查看x、y： x ??? Undefined function or variable x. y ??? Undefined function or variable y. 注意：M腳本文件和M函數(shù)文件的文件名及函數(shù)名的命名規(guī)則與MATLAB變量的命名規(guī)則相同。 8.2程序流程控制 8.2.1 for ... end循環(huán)結(jié)構(gòu) 語法： for 循環(huán)變量=array 循環(huán)體 end 說明：循環(huán)體被循環(huán)執(zhí)行，執(zhí)行的次數(shù)就是ar

11、ray的列數(shù)，array可以是向量也可以是矩陣，循環(huán)變量依次取array的各列，每取一次循環(huán)體執(zhí)行一次。 【例8.3】使用for ... end循環(huán)的array向量編程求出 1+3+5...+100 的值。 % EX0803 使用向量for循環(huán) sum=0; for n=1:2:100 sum=sum+n; end sum sum = 2500 計(jì)算的結(jié)果為：sum =2500。 程序說明：循環(huán)變量為n，n對(duì)應(yīng)為向量1:2:100，循環(huán)次數(shù)為向量的列數(shù)，每次循環(huán)n取一個(gè)元素。 【例8.4】使用for ... end循環(huán)的arr

12、ay矩陣編程將單位陣轉(zhuǎn)換為列向量。 % EX0804 使用矩陣for循環(huán) sum=zeros(6,1); for n=eye(6,6) sum=sum+n; end sum sum = 1 1 1 1 1 1 程序分析：循環(huán)變量n對(duì)應(yīng)為矩陣eye(6,6)的每一列，即第一次n為[1;0;0;0;0;0]，第一次n為[0;1;0;0;0;0]；循環(huán)次數(shù)為矩陣的列數(shù)6。 8.2.2 while ... end循環(huán)結(jié)構(gòu) 語法： while 表達(dá)式 循環(huán)體 en

13、d 說明：只要表達(dá)式為邏輯真，就執(zhí)行循環(huán)體；一旦表達(dá)式為假，就結(jié)束循環(huán)。表達(dá)式可以是向量也可以是矩陣，如果表達(dá)式為矩陣則當(dāng)所有的元素都為真才執(zhí)行循環(huán)體，如果表達(dá)式為nan，MATLAB認(rèn)為是假，不執(zhí)行循環(huán)體。 【例8.5】與【例8.3】相同，計(jì)算1+3+5...+100 的值。 % EX0805 使用while循環(huán) sum=0; n=1; while n<=100 sum=sum+n; n=n+2 ; end sum n sum = 2500 n = 101 程序分析：可以看出while ... end循

14、環(huán)的循環(huán)次數(shù)由表達(dá)式來決定，當(dāng)n=101就停止循環(huán)。 8.2.3 If…else…end條件轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu) 語法： if 條件式1 語句段1 elseif 條件式2 語句段2 ... else 語句段n+1 end 說明：當(dāng)有多個(gè)條件時(shí)，條件式1為假再判斷elseif的條件式2，如果所有的條件式都不滿足，則執(zhí)行else的語句段n+1，當(dāng)條件式為真則執(zhí)行相應(yīng)的語句段；If…else…end結(jié)構(gòu)也可以是沒有elseif和else的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。 【例8.6】用If結(jié)構(gòu)執(zhí)行二階系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)，根據(jù)阻尼系數(shù)0

15、同的時(shí)域響應(yīng)表達(dá)式。 function y=Ex0806(zeta) % EX0806 使用if結(jié)構(gòu)的二階系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng) x=0:0.1:20; if (zeta>0)&(zeta<1) y=1-1/sqrt(1-zeta^2)*exp(-zeta*x).*sin(sqrt(1-zeta^2)*x+acos(zeta)); elseif zeta==1 y=1-exp(-x).*(1+x); end plot(x,y) 8.2.4 switch…case開關(guān)結(jié)構(gòu) 語法： switch 開關(guān)表達(dá)式 case 表達(dá)式1 語句段1

16、case表達(dá)式2 語句段2 ... otherwise 語句段n end 說明： (1) 將開關(guān)表達(dá)式依次與case后面的表達(dá)式進(jìn)行比較，如果表達(dá)式1不滿足，則與下一個(gè)表達(dá)式2比較，如果都不滿足則執(zhí)行otherwise后面的語句段n；一旦開關(guān)表達(dá)式與某個(gè)表達(dá)式相等，則執(zhí)行其后面的語句段。 (2) 開關(guān)表達(dá)式只能是標(biāo)量或字符串。 (3) case后面的表達(dá)式可以是標(biāo)量、字符串或元胞數(shù)組，如果是元胞數(shù)組則將開關(guān)表達(dá)式與元胞數(shù)組的所有元素進(jìn)行比較，只要某個(gè)元素與開關(guān)表達(dá)式相等，就執(zhí)行其后的語句段。 【例8.7】用switch…case開關(guān)結(jié)構(gòu)得出各月份的

17、季節(jié)。 % EX0807 使用switch結(jié)構(gòu) for month=1:12; switch month case{3,4,5} season=spring case{6,7,8} season=summer case{9,10,11} season=autumn otherwise season=winter end end season = winter season = winter season = spring seas

18、on = spring season = spring season = summer season = summer season = summer season = autumn season = autumn season = autumn season = winter 程序分析：開關(guān)表達(dá)式為向量1:12，case后面的表達(dá)式為元胞數(shù)組，當(dāng)元胞數(shù)組的某個(gè)元素與開關(guān)表達(dá)式相等，就執(zhí)行其后的語句段。 8.2.5 try... catch... end試探結(jié)構(gòu) 語法： try 語句段1 catch 語句段2

19、end 說明：首先試探性地執(zhí)行語句段1，如果在此段語句執(zhí)行過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，則將錯(cuò)誤信息賦給保留的lasterr變量，并放棄這段語句，轉(zhuǎn)而執(zhí)行語句段2中的語句，當(dāng)執(zhí)行語句段2又出現(xiàn)錯(cuò)誤，則終止該結(jié)構(gòu)。 【例8.8】用try... catch... end結(jié)構(gòu)來進(jìn)行矩陣相乘運(yùn)算。 % EX0808 try結(jié)構(gòu) n=4; a=magic(n); m=3; b=eye(3); try c=a*b catch c=a(1:m,1:m)*b end lasterr c = 16 2 3 5 11

20、10 9 7 6 ans = Error using ==> * Inner matrix dimensions must agree. 程序分析：試探出矩陣的大小不匹配時(shí)，矩陣無法相乘，則再執(zhí)行catch后面的語句段，將a的子矩陣取出與b矩陣相乘?？梢酝ㄟ^這種結(jié)構(gòu)靈活地實(shí)現(xiàn)矩陣的乘法運(yùn)算。 8.2.6流程控制語句 1. break命令 break命令可以使包含break的最內(nèi)層的for或while語句強(qiáng)制終止，立即跳出該結(jié)構(gòu)，執(zhí)行end后面的命令，break命令一般和If結(jié)構(gòu)結(jié)合使用。 【例8.9】將【例8.5】增加條件用If與break命令結(jié)

21、合，停止while循環(huán)。計(jì)算1+3+5...+100 的值，當(dāng)和大于1000時(shí)終止計(jì)算。 % EX0809 用break終止while循環(huán) sum=0; n=1; while n<=100 if sum<1000 sum=sum+n; n=n+2; else break end end sum n sum = 1024 n = 65 程序分析：while…end循環(huán)結(jié)構(gòu)嵌套If…else…end分支結(jié)構(gòu)，當(dāng)sum為1024時(shí)跳出while循環(huán)結(jié)構(gòu)

22、，終止循環(huán)。 2. continue命令 continue命令用于結(jié)束本次for或while循環(huán)，只結(jié)束本次循環(huán)而繼續(xù)進(jìn)行下次循環(huán)。 【例8.10】將If命令與continue命令結(jié)合，計(jì)算的1～100中所有素?cái)?shù)的和，判斷是否為素?cái)?shù)是將100以內(nèi)的每個(gè)數(shù)都被2～整除，不能被整除的就是素?cái)?shù)。 % EX0810 用continue終止while循環(huán) sum=2;ss=0; for n=3:100 for m=2:fix(sqrt(n)) if mod(n,m)==0 ss=1; %能被整除就用ss為1表示

23、 break; %能被整除就跳出內(nèi)循環(huán) else ss=0; %不能被整除就用ss為0表示 end end if ss==1 continue; %能被整除就跳出本次外循環(huán) end sum=sum+n; end sum sum = 1060 程序分析：fix(sqrt(n))是將取整；本程序?yàn)殡p重循環(huán)，兩個(gè)for循環(huán)嵌套還嵌套一個(gè)if結(jié)構(gòu)；當(dāng)mod(n

24、,m)==0時(shí)就用break跳出判斷是否為素?cái)?shù)的內(nèi)循環(huán)，并繼續(xù)用continue跳出求素?cái)?shù)和的外循環(huán)而繼續(xù)下次外循環(huán)。 3. return命令 return命令是終止當(dāng)前命令的執(zhí)行，并且立即返回到上一級(jí)調(diào)用函數(shù)或等待鍵盤輸入命令，可以用來提前結(jié)束程序的運(yùn)行。 注意：當(dāng)程序進(jìn)入死循環(huán)，則按Ctrl+break鍵來終止程序的運(yùn)行。 4. pause命令 pause命令用來使程序運(yùn)行暫停，等待用戶按任意鍵繼續(xù)。 語法： pause %暫停 pause(n) %暫停n秒 5. keyboard命令 keyboard命令用來使程序暫停運(yùn)行，等待鍵盤命令

25、，執(zhí)行完自己的工作后，輸入return語句，程序就繼續(xù)運(yùn)行。 6. input命令 input命令用來提示用戶應(yīng)該從鍵盤輸入數(shù)值、字符串和表達(dá)式，并接受該輸入。 a=input(input a number:) %輸入數(shù)值給a input a number:45 a = 45 b=input(input a number:,s) %輸入字符串給b input a number:45 b = 45 input(input a number:) %將輸入值進(jìn)行運(yùn)算 input a number:2+3 ans = 5 8.3函數(shù)

26、調(diào)用和參數(shù)傳遞 8.3.1子函數(shù)和私有函數(shù) 1. 子函數(shù) 在一個(gè)M函數(shù)文件中，可以包含一個(gè)以上的函數(shù)，其中只有一個(gè)是主函數(shù)，其它則為子函數(shù)。 (1) 在一個(gè)M文件中，主函數(shù)必須出現(xiàn)在最上方，其后是子函數(shù)，子函數(shù)的次序無任何限制； (2) 子函數(shù)不能被其它文件的函數(shù)調(diào)用，只能被同一文件中的函數(shù)(可以是主函數(shù)或子函數(shù))調(diào)用； (3) 同一文件的主函數(shù)和子函數(shù)變量的工作空間相互獨(dú)立； (4) 用help和lookfor命令不能提供子函數(shù)的幫助信息。 【例8.11】將【例8.2】畫二階系統(tǒng)時(shí)域曲線的函數(shù)作為子函數(shù)，編寫畫多條曲線的程序。 function Ex0811() % EX

27、0811 使用函數(shù)調(diào)用繪制二階系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng) z1=0.3; Ex0802(z1); %調(diào)用Ex0802 hold on z1=0.5 Ex0802(z1) %調(diào)用Ex0802 z1=0.707; Ex0802(z1) %調(diào)用Ex0802 function y=Ex0802(zeta) %子函數(shù)，畫二階系統(tǒng)時(shí)域曲線 x=0:0.1:20; y=1-1/sqrt(1-zeta^2)*exp(-zeta*x).*sin(sqrt(1-zeta^2)*x+acos(zeta)) plot(x,y) 程序分析：主函數(shù)是Ex0811，子函數(shù)是Ex

28、0802，在主函數(shù)中三次調(diào)用子函數(shù)。程序保存為Ex0811.m文件。 2. 私有函數(shù) 私有函數(shù)是指存放在private子目錄中的M函數(shù)文件，具有以下性質(zhì)： (1) 在private目錄下的私有函數(shù)，只能被其父目錄的M函數(shù)文件所調(diào)用，而不能被其它目錄的函數(shù)調(diào)用，對(duì)其它目錄的文件私有函數(shù)是不可見的，私有函數(shù)可以和其它目錄下的函數(shù)重名； (2) 私有函數(shù)父目錄的M腳本文件也不可調(diào)用私有函數(shù)； (3) 在函數(shù)調(diào)用搜索時(shí)，私有函數(shù)優(yōu)先于其它MATLAB路徑上的函數(shù)。 3. 調(diào)用函數(shù)的搜索順序 在MATLAB中調(diào)用一個(gè)函數(shù)，搜索的順序如下： 查找是否子函數(shù)； 查找是否私有函數(shù)

29、； 從當(dāng)前路徑中搜索此函數(shù)； 從搜索路徑中搜索此函數(shù)。 8.3.2局部變量和全局變量 1. 局部變量 局部變量(Local Variables)是在函數(shù)體內(nèi)部使用的變量，其影響范圍只能在本函數(shù)內(nèi)，只在函數(shù)執(zhí)行期間存在。 2. 全局變量 全局變量(Global Variables)是可以在不同的函數(shù)工作空間和MATALB工作空間中共享使用的變量。 【例8.12】修改【例8.11】在主函數(shù)和子函數(shù)中使用全局變量。 function Ex0812() % EX0812 使用全局變量繪制二階系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng) global X X=0:0.1:20; z1=0.3;

30、 Ex0802(z1); hold on z1=0.5; Ex0802(z1); z1=0.707; Ex0802(z1); function Ex0802(zeta) %子函數(shù)，畫二階系統(tǒng)時(shí)域曲線 global X y=1-1/sqrt(1-zeta^2)*exp(-zeta*X).*sin(sqrt(1-zeta^2)*X+acos(zeta)); plot(X,y); 程序分析：X變量為全局變量，在需要使用的主函數(shù)和子函數(shù)中都需要用global定義；同樣如果在工作空間中定義X為全局變量后也可以使用： global X who Your variables

31、 are: X 注意：由于全局變量在任何定義過的函數(shù)中都可以修改，因此不提倡使用全局變量；必須使用時(shí)應(yīng)十分小心，建議把全局變量的定義放在函數(shù)體的開始，全局變量用大寫字符命名。 8.3.3函數(shù)的參數(shù) 1. 參數(shù)傳遞規(guī)則 function Ex0813() % EX0813 參數(shù)傳遞繪制二階系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng) z1=0.3; [x1,y1]=Ex0802(z1); plot(x1,y1) hold on z1=0.5; [x2,y2]=Ex0802(z1); plot(x2,y2) z1=0.707; [x3,y3]=Ex0802(z1); plot(x3,y3);

32、 function [x,y]=Ex0502(zeta) %子函數(shù)，畫二階系統(tǒng)時(shí)域曲線 x=0:0.1:20; y=1-1/sqrt(1-zeta^2)*exp(-zeta*x).*sin(sqrt(1-zeta^2)*x+acos(zeta)); function [x,y]=Ex0802(zeta) %子函數(shù)，畫二階系統(tǒng)時(shí)域曲線 x=0:0.1:20; y=1-1/sqrt(1-zeta^2)*exp(-zeta*x).*sin... (sqrt(1-zeta^2)*x+acos(zeta)); 圖8.3 參數(shù)傳遞 【例8.13】將【例8.11】畫二階系統(tǒng)時(shí)

33、域的函數(shù)修改，使用輸入輸出參數(shù)來實(shí)現(xiàn)參數(shù)傳遞，如圖8.3所示。 程序分析：主函數(shù)Ex0813調(diào)用子函數(shù)Ex0802，子函數(shù)中的zeta為輸入?yún)?shù)，函數(shù)調(diào)用時(shí)將z1傳遞給子函數(shù)zeta，子函數(shù)計(jì)算后將輸出參數(shù)x和y傳回給主函數(shù)的x1、y1；主函數(shù)調(diào)用子函數(shù)三次，后面兩次參數(shù)的傳遞也是同樣。 2. 函數(shù)參數(shù)的個(gè)數(shù) (1) nargin和nargout變量 函數(shù)的輸入輸出參數(shù)的個(gè)數(shù)可以通過變量nargin和nargout獲得，nargin用于獲得輸入?yún)?shù)的個(gè)數(shù)，nargout用于獲得輸出參數(shù)的個(gè)數(shù)。 語法： nargin %在函數(shù)體內(nèi)獲取實(shí)際輸入變量的個(gè)數(shù) narg

34、out %在函數(shù)體內(nèi)獲取實(shí)際輸出變量的個(gè)數(shù) nargin(’fun’) %在函數(shù)體外獲取定義的輸入?yún)?shù)個(gè)數(shù) nargout(‘fun’) %在函數(shù)體外獲取定義的輸出參數(shù)個(gè)數(shù) 【例8.14】計(jì)算兩個(gè)數(shù)的和，根據(jù)輸入的參數(shù)個(gè)數(shù)不同使用不同的運(yùn)算表達(dá)式。 function [sum,n]=Ex0814(x,y) % EX0814 參數(shù)個(gè)數(shù)可變，計(jì)算x和y的和 if nargin==1 sum=x+0; %輸入一個(gè)參數(shù)就計(jì)算與0的和 elseif nargin==0 sum=0; %無輸入?yún)?shù)就輸出0 else su

35、m=x+y; %輸入的是兩個(gè)數(shù)則就計(jì)算和 end n=nargin; 在命令窗口調(diào)用Ex0814函數(shù)，分別使用2個(gè)、1個(gè)和無輸入?yún)?shù)結(jié)果如下： [y,n]=Ex0814(2,3) y = 5 n = 2 [y,n]=Ex0814(2) y = 2 n = 1 [y,n]=Ex0814 y = 0 n = 0 注意：如果輸入的參數(shù)多于輸入?yún)?shù)個(gè)數(shù)，則會(huì)出錯(cuò)。 [y,n]=Ex0814(1,2,3) ??? Error using ==> Ex081

36、4 Too many input arguments. 也可以在工作空間查看函數(shù)體定義的輸入?yún)?shù)個(gè)數(shù)： nargin(Ex0814) ans = 2 【例8.14續(xù)】添加以下程序，查看用nargout變量獲取輸出參數(shù)個(gè)數(shù)。 if nargout==0 %當(dāng)輸出參數(shù)個(gè)數(shù)為0時(shí)，運(yùn)算結(jié)果為0 sum=0; end 在命令窗口調(diào)用Ex0814函數(shù)，當(dāng)輸出參數(shù)格式不同時(shí)，結(jié)果如下： Ex0814(2,3) %當(dāng)輸出參數(shù)個(gè)數(shù)為0時(shí) ans = 0 y=Ex0814(2,3) %當(dāng)輸出參數(shù)個(gè)數(shù)為1時(shí) y =

37、 5 [y,n,x]=Ex0814 %當(dāng)輸出參數(shù)個(gè)數(shù)為太多時(shí) ??? Error using ==> Ex0814 Too many output arguments. 程序分析：當(dāng)輸出參數(shù)個(gè)數(shù)為0時(shí)，即使有兩個(gè)輸入?yún)?shù)，運(yùn)算結(jié)果也為0，結(jié)果送給ans變量；當(dāng)輸出的參數(shù)個(gè)數(shù)太多，也會(huì)出錯(cuò)。 (2) varargin和varargout變量 varargin和varargout可以獲得輸入輸出變量的各元素內(nèi)容。 【例8.15】計(jì)算所有輸入變量的和。 function [y,n]=Ex0815(varargin) % EX0815 使用可變參數(shù)varar

38、gin if nargin==0 %當(dāng)沒有輸入變量時(shí)輸出0 disp(No Input variables.) y=0; elseif nargin==1 %當(dāng)一個(gè)輸入變量時(shí)，輸出該數(shù) y=varargin{1}; else n=nargin; y=0; for m=1:n y=varargin{m}+y; %當(dāng)有多個(gè)輸入變量時(shí)，取輸入變量循環(huán)相加 end end n=nargin; 在MATLAB的命令窗口中輸入不同個(gè)數(shù)的變量調(diào)用函數(shù)Ex0815，結(jié)果如下： [y

39、,n]=Ex0815(1,2,3,4) %輸入4個(gè)參數(shù) y = 10 n = 4 [y,n]=Ex0815(1) %輸入1個(gè)參數(shù) y = 1 n = 1 [y,n]=Ex0815 %無輸入?yún)?shù) No Input variables. y = 0 n = 0 程序分析：n為輸入?yún)?shù)的個(gè)數(shù)；y為求和運(yùn)算的結(jié)果。 8.3.4程序舉例 【例8.16】根據(jù)阻尼系數(shù)繪制不同二階系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)，當(dāng)欠阻尼時(shí)，當(dāng)臨界阻尼時(shí)，當(dāng)過阻尼時(shí)。 M文件的程序代碼如下： f

40、unction y=Ex0816(z1) % EX0816 主函數(shù)調(diào)用子函數(shù)，根據(jù)阻尼系數(shù)繪制二階系統(tǒng)時(shí)域曲線 t=0:0.1:20; if (z1>=0)&(z1<1) y=plotxy1(z1,t); elseif z1==1 y=plotxy2(z1,t); else y=plotxy3(z1,t); end function y1=plotxy1(zeta,x) %畫欠阻尼二階系統(tǒng)時(shí)域曲線 y1=1-1/sqrt(1-zeta^2)*exp(-zeta*x).*sin(sqrt(1-zeta^2)*x+acos(zeta));

41、 plot(x,y1) function y2=plotxy2(zeta,x) %畫臨界阻尼二階系統(tǒng)時(shí)域曲線 y2=1-exp(-x).*(1+x); plot(x,y2) function y3=plotxy3(zeta,x) %畫過阻尼二階系統(tǒng)時(shí)域曲線 y3=1-1/(2*sqrt(zeta^2-1))*(exp(-((zeta-sqrt(zeta^2-1))*x))./(zeta-sqrt(zeta^2-1))... -exp(-((zeta+sqrt(zeta^2-1))*x))./(zeta+sqrt(zeta^2-1))); plot(x,y3)

42、 程序分析：主函數(shù)名為Ex0816，三個(gè)子函數(shù)名分別為plotxy1、plotxy2、plotxy3，文件保存為Ex0816.m。當(dāng)在命令窗口中輸入以下命令： y=Ex0816(0.3); hold on y=Ex0816(0.707); y=Ex0816(1); y=Ex0816(2); 則產(chǎn)生如圖8.4所示時(shí)域響應(yīng)曲線。 圖8.4 不同阻尼系數(shù)的時(shí)域響應(yīng)曲線 【例8.17】編寫M函數(shù)文件，通過流程控制語句，建立如下的矩陣。 function y=Ex0817(m) % EX0817 用循環(huán)流程控制語句創(chuàng)建矩陣 y=0; m=

43、m-1; for n=1:m y=[0,y]; %創(chuàng)建全0行 end for n=1:m a=[1:1:n]; b=a; for k=m:-1:n b=[0,b]; end y=[b;y]; n=n+1; end 程序分析：將矩陣的行列數(shù)用輸入?yún)?shù)m來確定，輸出參數(shù)為矩陣y。使用雙重循環(huán)來創(chuàng)建矩陣，將文件保存為Ex0817.m。 在命令窗口中調(diào)用Ex0817函數(shù)： y=Ex0817(5) y = 0 1 2 3 4

44、 0 0 1 2 3 0 0 0 1 2 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 8.4 M文件性能的優(yōu)化和加速 8.4.1 P碼文件 1. P碼文件的生成 P碼文件使用pcode命令生成，生成的P碼文件與原M文件名相同，其擴(kuò)展名為“.p”。 語法： pcode Filename.m %在當(dāng)前目錄生成Filename.p pcode Filename.m -inplace %在Filename

45、.m所在目錄生成Filename.p pcode Ex0817.m 則在當(dāng)前目錄就生成了P碼文件Ex0817.p。 2. P碼文件的特點(diǎn) (1) P碼文件的運(yùn)行速度比原M文件速度快 (2) 存在同名的M文件和P碼文件時(shí)則P碼文件被調(diào)用 (3) P碼文件保密性好 用字處理軟件打開Ex0817.p文件，看到的是亂碼。 8.4.2 M文件性能優(yōu)化 1. 使用循環(huán)時(shí)提高速度的措施 循環(huán)語句及循環(huán)體是MATLAB編程的瓶頸問題，改進(jìn)這種狀況有三種方法： (1) 盡量用向量的運(yùn)算來代替循環(huán)操作。 (2) 在必須使用多重循環(huán)的情況下，如果兩個(gè)循環(huán)執(zhí)行的次數(shù)不同，則建議在循環(huán)

46、的外環(huán)執(zhí)行循環(huán)次數(shù)少的，內(nèi)環(huán)執(zhí)行循環(huán)次數(shù)多的，也可以顯著提高速度。 (3) 應(yīng)用Mex技術(shù) 如果耗時(shí)的循環(huán)不可避免，就應(yīng)該考慮用其他語言，如C或Fortran語言，按照Mex技術(shù)要求的格式編寫相應(yīng)部分的程序，然后通過編譯聯(lián)接，形成在MATLAB可以直接調(diào)用的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL)文件，這樣就可以顯著地加快運(yùn)算速度(在8.1.1小節(jié)介紹)。 2. 大型矩陣的預(yù)先定維 給大型矩陣動(dòng)態(tài)地定維是個(gè)很費(fèi)時(shí)間的事。 【例8.18】將【例8.17】中的雙重循環(huán)改為單循環(huán)，并先用zeros函數(shù)定維來提高運(yùn)行速度，創(chuàng)建矩陣。 function y=Ex0818(m) % EX0818 先定維再

47、創(chuàng)建矩陣 m=m-1; y=zeros(m); for n=1:m-1 a=1:m-n; y(n,n+1:m)=a; end y 在命令窗口中分別調(diào)用Ex0817和Ex0818函數(shù)，比較其運(yùn)行速度的不同： y=Ex0817(200) y=Ex0818(200) 3. 優(yōu)先考慮內(nèi)在函數(shù) 矩陣運(yùn)算應(yīng)該盡量采用MATLAB的內(nèi)在函數(shù)，因?yàn)閮?nèi)在函數(shù)是由更底層的C語言構(gòu)造的，其執(zhí)行速度顯然很快。 4. 采用高效的算法 在實(shí)際應(yīng)用中，解決同樣的數(shù)學(xué)問題經(jīng)常有各種各樣的算法。因此，應(yīng)尋求更高效的算法。 5. 盡量使用M函數(shù)文件代替M腳本文件

48、 由于M腳本文件每次運(yùn)行時(shí)，都必須把程序裝入內(nèi)存，然后逐句解釋執(zhí)行，十分費(fèi)時(shí)。 8.4.3 JIT和加速器 1. JIT和加速器的加速范圍 JIT和加速器的應(yīng)用范圍如下： 只對(duì)維數(shù)不超過3的“非稀疏”數(shù)組起作用； 只對(duì)“雙精度”、“整數(shù)”、“字符串”和“邏輯”等四種數(shù)據(jù)類型起作用； 只對(duì)內(nèi)部函數(shù)的調(diào)用起作用，對(duì)用戶的M函數(shù)或MEX文件不起作用； 只對(duì)控制語句for、while、if、elseif、switch中標(biāo)量運(yùn)算的條件表達(dá)式起作用； 當(dāng)一行程序中含有“不可加速的”命令或變量時(shí)，整行都不被加速； 當(dāng)變量改變數(shù)據(jù)類型或維數(shù)，則該語句不被加速； 如果i和j不以

49、虛數(shù)單位形式使用，則該語句不被加速； 在Intel系列CPU硬件上，Windows和Linux系統(tǒng)加速能力最強(qiáng)。 2. 使用程序性能剖析窗口 (1) 打開程序性能剖析窗口 指示燈 命令輸入欄 時(shí)間指示器 開始剖析 圖8.5 程序性能剖析窗口 選擇菜單“View”——“Profiler”；或使用在命令窗口輸入“profile viewer”命令都可以打開程序性能剖析窗口，如圖8.5所示。 (2) 對(duì)MATLAB的命令進(jìn)行剖析 對(duì)MATLAB的命令進(jìn)行剖析有兩種方式： 在上圖中的“命令輸入欄”中輸入需要剖析的命令，然后單擊“Start Profiling”按鈕，則

50、指示燈變?yōu)榫G色，“Start Profiling”按鈕變灰色，時(shí)間指示器的計(jì)時(shí)在累加；當(dāng)命令運(yùn)行結(jié)束時(shí)，狀態(tài)恢復(fù)，并出現(xiàn)剖析報(bào)告。 將“命令輸入欄”清空，然后單擊“Start Profiling”按鈕開始剖析，則“Start Profiling”按鈕變?yōu)椤癝top Profiling”，指示燈變?yōu)榫G色表示啟動(dòng)剖析，時(shí)間指示器的計(jì)時(shí)在累加；然后在MATLAB命令窗口中輸入需要剖析的命令，進(jìn)行剖析；當(dāng)命令運(yùn)行結(jié)束，單擊“Stop Profiling”按鈕停止剖析，則狀態(tài)恢復(fù)，并出現(xiàn)剖析報(bào)告。這種方式的時(shí)間指示器顯示的只是單擊按鈕“Stop Profiling”開始到單擊“Stop Profil

51、ing”按鈕的時(shí)間，并不表示命令的運(yùn)行時(shí)間。 (3) 查看剖析報(bào)告 在程序性能分析窗口中以表格顯示“剖析分析匯總表”(Profile Summary)，從上到下按占用時(shí)間的多少排列。 將第三章的例題進(jìn)行剖析，【例3.24】求微分方程組的解，保存為“Ex0324.m”文件，內(nèi)容如下： %符號(hào)微分方程組求解 [x,y]=dsolve(Dx=y,Dy=-x) [x,y]=dsolve(Dx=y,Dy=-x,t) 圖8.6 剖析報(bào)告 將該文件進(jìn)行剖析，在“命令輸入欄”中輸入“Ex0324”，然后單擊“Start Profiling”按鈕開始剖析，則“剖析分析匯總表”如圖8.6所示，單擊

52、“Ex0324”超鏈接則顯示詳細(xì)的列表： 3. JIT和加速器的開關(guān)函數(shù) 在MATLAB6.5版總是把JIT和加速器置于開啟狀態(tài)，可以使用命令來控制JIT和加速器的開啟和關(guān)閉。 語法： feature JIT on %開啟JIT feature JIT off %關(guān)閉JIT feature accel on %開啟加速器 feature accel off %關(guān)閉加速器 將【例8.18】創(chuàng)建矩陣的程序在開啟或關(guān)閉JIT和加速器時(shí)，查看其運(yùn)行速度。 在圖8.6的“命令輸入欄”中輸入“y=Ex0818(200)” 當(dāng)默認(rèn)狀態(tài)時(shí)JIT和加速器置

53、于開啟狀態(tài)，在程序性能剖析窗口中查看運(yùn)行時(shí)間為0.43；當(dāng)使用“feature JIT off”命令關(guān)閉JIT時(shí)，運(yùn)行時(shí)間為0.451；當(dāng)將JIT和加速器都關(guān)閉時(shí)則運(yùn)行時(shí)間為0.481。 注意：JIT和加速器對(duì)于不同的M文件作用不同，而不同的運(yùn)行環(huán)境、不同軟件、不同機(jī)器都會(huì)得出不同的運(yùn)行時(shí)間，上面的運(yùn)行時(shí)間只作為參考。 8.5內(nèi)聯(lián)函數(shù) 1. 內(nèi)聯(lián)函數(shù)的創(chuàng)建 創(chuàng)建內(nèi)聯(lián)函數(shù)可以使用inline命令實(shí)現(xiàn)。 語法： inline(‘string’,arg1,arg2,…) %創(chuàng)建內(nèi)聯(lián)函數(shù) 說明：’string’必須是不帶賦值號(hào)(“=”)的字符串；arg1和arg2是函數(shù)的輸入變

54、量。 【例8.19】創(chuàng)建內(nèi)聯(lián)函數(shù)實(shí)現(xiàn)。 f=inline(sin(x)*exp(-z*x),x,z) %創(chuàng)建內(nèi)聯(lián)函數(shù) f = Inline function: f(x,z) = sin(x)*exp(-z*x) y=f(5,0.3) %調(diào)用函數(shù)f y = -0.2140 2. 查看內(nèi)聯(lián)函數(shù) MATLAB可以用char、class和argnames命令方便地查看內(nèi)聯(lián)函數(shù)的信息。 語法： char(inline_fun) %查看內(nèi)聯(lián)函數(shù)的內(nèi)容 class(inline_fun)

55、 %查看內(nèi)聯(lián)函數(shù)的類型 argnames(inline_fun) %查看內(nèi)聯(lián)函數(shù)的變量 【例8.19續(xù)】查看內(nèi)聯(lián)函數(shù)的信息。 char(f) ans = sin(x)*exp(-z*x) class(f) ans = inline argnames(f) ans = x z 3. 使內(nèi)聯(lián)函數(shù)適用于數(shù)組運(yùn)算 內(nèi)聯(lián)函數(shù)的輸入變量不能是數(shù)組，但可以使用vectorize命令將內(nèi)聯(lián)函數(shù)適用于數(shù)組運(yùn)算。 語法： vectorize(inline_fun) %使內(nèi)聯(lián)函數(shù)適用于數(shù)組運(yùn)算 【例

56、8.19續(xù)】使內(nèi)聯(lián)函數(shù)適用于數(shù)組運(yùn)算。 ff=vectorize(f) %使內(nèi)聯(lián)函數(shù)f轉(zhuǎn)換為適合數(shù)組運(yùn)算 ff = Inline function: ff(x,z) = sin(x).*exp(-z.*x) x=0:0.1:20; y=ff(x,0.3); 4. 執(zhí)行內(nèi)聯(lián)函數(shù) 內(nèi)聯(lián)函數(shù)還可以直接使用feval命令執(zhí)行。 語法： [y1，y2,…]=feval(inline_fun,arg1,arg2…) 【例8.19續(xù)】執(zhí)行內(nèi)聯(lián)函數(shù)。 x=0:0.1:20; z=0:0.05:10; y=feval(f

57、f,x,z) 8.6利用函數(shù)句柄執(zhí)行函數(shù) 8.6.1函數(shù)句柄的創(chuàng)建 1. 函數(shù)句柄的創(chuàng)建 語法： h_fun=@fun %創(chuàng)建函數(shù)句柄 h_fun=str2func(‘fun’) %創(chuàng)建函數(shù)句柄 h_array=str2func({‘fun1’,’fun2’,…}) %創(chuàng)建函數(shù)句柄數(shù)組 說明：fun是函數(shù)名，h_fun是函數(shù)句柄，h_array是函數(shù)句柄數(shù)組。 【例8.20】創(chuàng)建MATLAB內(nèi)部函數(shù)的句柄。 h_sin=@sin; %創(chuàng)建函數(shù)句柄 h_cos=str2func(cos); %創(chuàng)建函

58、數(shù)句柄數(shù)組 h_array=str2func({sin,cos,tan}) h_array = @sin @cos @tan 2. 使用函數(shù)句柄的優(yōu)點(diǎn) (1) 在更大范圍調(diào)用函數(shù) 函數(shù)句柄包含了函數(shù)文件的路徑和函數(shù)類型，即函數(shù)是否為內(nèi)部函數(shù)、M或P文件、子函數(shù)、私有函數(shù)等，因此無論函數(shù)所在的文件是否在搜索路徑上，是否是當(dāng)前路徑，是否是子函數(shù)或私有函數(shù)，只要函數(shù)句柄存在，函數(shù)就能執(zhí)行。 (2) 提高函數(shù)調(diào)用的速度 不使用函數(shù)句柄時(shí)，對(duì)函數(shù)的每次調(diào)用都要為該函數(shù)進(jìn)行全面的路徑搜索，直接影響了速度。 (3) 使函數(shù)調(diào)用象使用變量一

59、樣方便、簡(jiǎn)單。 (4) 可迅速獲得同名重載函數(shù)的位置、類型信息。 8.6.2用feval命令執(zhí)行函數(shù) 函數(shù)也可以使用feval命令直接執(zhí)行，feval命令可以使用函數(shù)句柄或函數(shù)名。 語法： [y1,y2,…]=feval(h_fun,arg1,arg2…) [y1,y2,…]=feval(‘funname’,arg1,arg2…) 說明：h_fun是函數(shù)句柄，’funname’是函數(shù)名，arg1、arg2…是輸入?yún)?shù)，y1、y2…是輸出參數(shù)。 【例8.21】將【例8.17】編寫的繪制二階系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)曲線中的調(diào)用各子函數(shù)改為利用函數(shù)句柄實(shí)現(xiàn)。 function y=Ex

60、0821(z1) % EX0821 利用函數(shù)句柄執(zhí)行函數(shù)，二階系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng) t=0:0.1:20; h_plotxy1=str2func(plotxy1) %創(chuàng)建函數(shù)句柄 h_plotxy2=str2func(plotxy2) %創(chuàng)建函數(shù)句柄 h_plotxy3=str2func(plotxy3) %創(chuàng)建函數(shù)句柄 if (z1>=0)&(z1<1) y=feval(h_plotxy1,z1,t); %執(zhí)行函數(shù) elseif z1==1 y=feval(h_plotxy2,z1,t); %執(zhí)行函數(shù) else y=feval(h_plo

61、txy3,z1,t); %執(zhí)行函數(shù) end function y1=plotxy1(zeta,x) %畫欠阻尼二階系統(tǒng)時(shí)域曲線 y1=1-1/sqrt(1-zeta^2)*exp(-zeta*x).*sin(sqrt(1-zeta^2)*x+acos(zeta)); plot(x,y1) function y2=plotxy2(zeta,x) %畫臨界阻尼二階系統(tǒng)時(shí)域曲線 y2=1-exp(-x).*(1+x); plot(x,y2) function y3=plotxy3(zeta,x) %畫過阻尼二階系統(tǒng)時(shí)域曲線 y3=1-1/(2*sqrt(zeta

62、^2-1))*(exp(-((zeta-sqrt(zeta^2-1))*x))./(zeta-sqrt(zeta^2-1))... -exp(-((zeta+sqrt(zeta^2-1))*x))./(zeta+sqrt(zeta^2-1))); plot(x,y3) 程序分析：在主函數(shù)中使用函數(shù)句柄執(zhí)行各子函數(shù)，運(yùn)行的結(jié)果與【例8.17】相同。 在MATLAB的命令窗口調(diào)用該Ex0821函數(shù)有三種格式： (1) 用feval命令利用函數(shù)句柄執(zhí)行 h_Ex0821=str2func(Ex0821) h_Ex0821 = @Ex0821 y=f

63、eval(h_Ex0821,1); h_plotxy1 = @plotxy1 h_plotxy2 = @plotxy2 h_plotxy3 = @plotxy3 (2) 用feval命令利用函數(shù)名執(zhí)行 y=feval(Ex0821,1); (3) 直接調(diào)用函數(shù) y=Ex0821(1); 8.7利用泛函命令進(jìn)行數(shù)值分析 在MATLAB中，所有以函數(shù)為輸入變量的命令，都稱為泛函命令。 常見語法： [輸出變量列表]=函數(shù)名(h_fun,輸入變量列表) [輸出變量列表]=函數(shù)名(‘funname’,輸入

64、變量列表) 說明：h_fun是要被執(zhí)行的M函數(shù)文件的句柄，或者是內(nèi)聯(lián)函數(shù)和字符串；‘funname’是M函數(shù)文件名。 8.7.1求極小值 1. fminbnd函數(shù) fminbnd函數(shù)用來計(jì)算單變量非線性函數(shù)的最小值。 語法： [x,y]=fminbnd(h_fun,x1,x2,options) [x,y]=fminbnd(‘funname’,x1,x2,options) 說明：h_fun是函數(shù)句柄，’funname’是函數(shù)名，必須是單值非線性函數(shù)；options是用來控制算法的參數(shù)向量，默認(rèn)值為0可省略；x是fun函數(shù)在區(qū)間x1

65、的最小值。 【例8.22】用fminbnd求解humps函數(shù)的極小值。 [x,y]=fminbnd(@humps,0.5,0.8) %求在0.5—0.8之間極小值 x = 0.6370 y = 11.2528 程序分析：humps函數(shù)是MATLAB提供的M文件，保存為humps.m文件，@humps 表示humps函數(shù)的句柄，humps的曲線如圖8.7所示，最小值為圖中的圓點(diǎn)(0.6370，11.2528)，誤差小于10-4。 圖8.7 求humps函數(shù)最小值 2. fminsearch函數(shù) fminsearch函數(shù)是求多變量無束縛

66、非線性最小值。 語法： x=fminsearch(h_fun,x0) x=fminsearch(‘funname’,x0) 說明：x0是最小值點(diǎn)的初始猜測(cè)值。 【例8.23】求著名的Banana測(cè)試函數(shù)f(x,y)=100(y-x2)2+(1-x)2的最小值，它的理論最小值是x=1，y=1。該測(cè)試函數(shù)有一片淺谷，很多算法都難以逾越。 fn=inline(100*(x(2)-x(1)^2)^2+(1-x(1))^2 ,x) %用inline產(chǎn)生內(nèi)聯(lián)函數(shù),x和y用二元數(shù)組表示 fn = Inline function: fn(x) = 100*(x(2)-x(1)^2)^2+(1-x(1))^2 y=fminsearch(fn,[0.5,-1]) %從(0.5,-1)為初始值開始搜索求最小值