Matlab仿真及其應(yīng)用主講：陳孝敬E-mail:chenxj9@163.com主要內(nèi)容：二維和三維繪圖；圖形處理；MAT文件應(yīng)用；文件I/O；第5章數(shù)據(jù)顯示與存取5.1二維繪圖5.1.1函數(shù)plot()1.繪制單根二維曲線plot函數(shù)的基本調(diào)用格式為：plot(x,y)其中x和y為長(zhǎng)度相同的向量，分別用于存儲(chǔ)x坐標(biāo)和y坐標(biāo)數(shù)據(jù)。例5-3

在0≤x≤2區(qū)間內(nèi)，繪制曲線

y=2e-0.5xcos(4πx)x=0:pi/100:2*pi;y=2*exp(-0.5*x).*cos(4*pi*x);plot(x,y)例5-1

用函數(shù)plot繪制雙向量x=0:0.1:10;y=sin(x)+2;plot(x,y)例5-2

用函數(shù)plot繪制雙向量和矩陣x=0:0.1:10;y=[sin(x)+2;cos(x)+1];plot(x,y)例5-4

繪制曲線。程序如下：t=0:0.1:2*pi;x=t.*sin(3*t);y=t.*sin(t).*sin(t);plot(x,y);2.plot函數(shù)最簡(jiǎn)單的調(diào)用格式是只包含一個(gè)輸入?yún)?shù)：plot(x)在這種情況下，當(dāng)x是實(shí)向量時(shí)，以該向量元素的下標(biāo)為橫坐標(biāo)，元素值為縱坐標(biāo)畫出一條連續(xù)曲線，這實(shí)際上是繪制折線圖。例5-5

用函數(shù)plot（）繪制向量和矩陣。t=1:0.1:10a=[0,1,2;2,3,4;5,6,7];y=sin(t);plot(y)，figure，plot（a）;3.plot(x,y,s)參數(shù)x和y的含義同plot(x,y)中的相同，參數(shù)s請(qǐng)參見書P79表5-1；

例5-6

用函數(shù)plot（）繪制雙向量，其中數(shù)據(jù)點(diǎn)選為菱形，連接曲線選為紅色點(diǎn)劃線表示。x=0:0.5:20y=sin(x);plot(x,y,’-.rd);%plot(x,y,’:.mx);4．含多個(gè)輸入?yún)?shù)的plot函數(shù)調(diào)用格式為：plot(x1,y1,x2,y2,…,xn,yn)當(dāng)輸入?yún)?shù)都為向量時(shí)，x1和y1，x2和y2，…，xn和yn分別組成一組向量對(duì)，每一組向量對(duì)的長(zhǎng)度可以不同。每一向量對(duì)可以繪制出一條曲線，這樣可以在同一坐標(biāo)內(nèi)繪制出多條曲線。當(dāng)輸入?yún)?shù)有矩陣形式時(shí)，配對(duì)的x,y按對(duì)應(yīng)列元素為橫、縱坐標(biāo)分別繪制曲線，曲線條數(shù)等于矩陣的列數(shù)。例5-7

分析下列程序繪制的曲線。x1=linspace(0,2*pi,100);x2=linspace(0,3*pi,100);x3=linspace(0,4*pi,100);y1=sin(x1);y2=1+sin(x2);y3=2+sin(x3);x=[x1;x2;x3]';y=[y1;y2;y3]';plot(x,y,x1,y1-1)

5.1.2函數(shù)fplot()功能：對(duì)函數(shù)自適應(yīng)采樣的繪圖函數(shù)fplot函數(shù)的調(diào)用格式為：fplot(fname,lims,tol,選項(xiàng))其中fname為函數(shù)名，以字符串形式出現(xiàn)，lims為x,y的取值范圍，tol為相對(duì)允許誤差，其系統(tǒng)默認(rèn)值為2e-3。選項(xiàng)定義與plot函數(shù)相同。例5-9

用fplot函數(shù)繪制f(x)=cos(tan(πx))的曲線。[x,y]=fplot('cos(tan(pi*x))',[0,1],1e-4);size(x)fplot('cos(tan(pi*x))',[0,1],1e-4)例5-8

用fplot函數(shù)繪制sin(x)的曲線。[x,y]=fplot(@sin,[-pipi],2e-4);size(x)fplot(@sin,[-pipi],2e-4);Matlab提供了一個(gè)ezplot函數(shù)繪制隱函數(shù)圖形，下面介紹其用法。(1)對(duì)于函數(shù)f=f(x)，ezplot函數(shù)的調(diào)用格式為：ezplot(f)：在默認(rèn)區(qū)間-2π<x<2π繪制f=f(x)的圖形。ezplot(f,[a,b])：在區(qū)間a<x<b繪制f=f(x)的圖形。(2)對(duì)于隱函數(shù)f=f(x,y)，ezplot函數(shù)的調(diào)用格式為：ezplot(f)：在默認(rèn)區(qū)間-2π<x<2π和-2π<y<2π繪制f(x,y)=0的圖形。ezplot(f,[xmin,xmax,ymin,ymax])：在區(qū)間xmin<x<xmax和ymin<y<ymax繪制f(x,y)=0的圖形。ezplot(f,[a,b])：在區(qū)間a<x<b和a<y<b繪制f(x,y)=0的圖形。5.1.3隱函數(shù)繪圖(3)對(duì)于參數(shù)方程x=x(t)和y=y(t)，ezplot函數(shù)的調(diào)用格式為：ezplot(x,y)：在默認(rèn)區(qū)間0<t<2π繪制x=x(t)和y=y(t)的圖形。ezplot(x,y,[tmin,tmax])：在區(qū)間tmin<t<tmax繪制x=x(t)和y=y(t)的圖形。例5-10

隱函數(shù)繪圖應(yīng)用舉例。程序如下：subplot(2,2,1);ezplot('x^2+y^2-9');axisequalsubplot(2,2,2);ezplot('x^3+y^3-5*x*y+1/5')subplot(2,2,3);ezplot('cos(tan(pi*x))',[0,1])subplot(2,2,4);ezplot('8*cos(t)','4*sqrt(2)*sin(t)',[0,2*pi])5.2三維繪圖plot3函數(shù)與plot函數(shù)用法十分相似，其調(diào)用格式為：plot3(x1,y1,z1,選項(xiàng)1,x2,y2,z2,選項(xiàng)2,…,xn,yn,zn,選項(xiàng)n)其中每一組x,y,z組成一組曲線的坐標(biāo)參數(shù)，選項(xiàng)的定義和plot函數(shù)相同。當(dāng)x,y,z是同維向量時(shí)，則x,y,z對(duì)應(yīng)元素構(gòu)成一條三維曲線。當(dāng)x,y,z是同維矩陣時(shí)，則以x,y,z對(duì)應(yīng)列元素繪制三維曲線，曲線條數(shù)等于矩陣列數(shù)。5.2.1三維曲線例5-11

繪制三維曲線。程序如下：t=0:pi/100:20*pi;x=sin(t);y=cos(t);z=t.*sin(t).*cos(t);plot3(x,y,z);title('Linein3-DSpace');xlabel('X');ylabel('Y');zlabel('Z');gridon;產(chǎn)生三維數(shù)據(jù)在MATLAB中，利用meshgrid函數(shù)產(chǎn)生平面區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格坐標(biāo)矩陣。其格式為：x=a:d1:b;y=c:d2:d;[X,Y]=meshgrid(x,y);語(yǔ)句執(zhí)行后，矩陣X的每一行都是向量x，行數(shù)等于向量y的元素的個(gè)數(shù)，矩陣Y的每一列都是向量y，列數(shù)等于向量x的元素的個(gè)數(shù)。5.2.2三維曲面繪制三維曲面的函數(shù)surf函數(shù)和mesh函數(shù)的調(diào)用格式為：mesh(x,y,z,c)surf(x,y,z,c)一般情況下，x,y,z是維數(shù)相同的矩陣。x,y是網(wǎng)格坐標(biāo)矩陣，z是網(wǎng)格點(diǎn)上的高度矩陣，c用于指定在不同高度下的顏色范圍。例5-12

繪制三維曲面圖z=sin(x+sin(y))-x/10。程序如下：[x,y]=meshgrid(0:0.25:4*pi);z=sin(x+sin(y))-x/10;mesh(x,y,z);axis([04*pi04*pi-2.51]);此外，還有帶等高線的三維網(wǎng)格曲面函數(shù)meshc和帶底座的三維網(wǎng)格曲面函數(shù)meshz。其用法與mesh類似，不同的是meshc還在xy平面上繪制曲面在z軸方向的等高線，meshz還在xy平面上繪制曲面的底座。例5-13

在xy平面內(nèi)選擇區(qū)域[-8,8]×[-8,8]，繪制4種三維曲面圖。程序如下：[x,y]=meshgrid(-8:0.5:8);z=sin(sqrt(x.^2+y.^2))./sqrt(x.^2+y.^2+eps);subplot(2,2,1);mesh(x,y,z);title('mesh(x,y,z)')subplot(2,2,2);meshc(x,y,z);title('meshc(x,y,z)')subplot(2,2,3);meshz(x,y,z)title('meshz(x,y,z)')subplot(2,2,4);surf(x,y,z);title('surf(x,y,z)')標(biāo)準(zhǔn)三維曲面sphere函數(shù)的調(diào)用格式為：[x,y,z]=sphere(n)cylinder函數(shù)的調(diào)用格式為：[x,y,z]=cylinder(R,n)Matlab還有一個(gè)peaks函數(shù)，稱為多峰函數(shù)，常用于三維曲面的演示。例5-14

繪制標(biāo)準(zhǔn)三維曲面圖形。程序如下：t=0:pi/20:2*pi;[x,y,z]=cylinder(2+sin(t),30);subplot(2,2,1);surf(x,y,z);subplot(2,2,2);[x,y,z]=sphere;surf(x,y,z);subplot(2,1,2);[x,y,z]=peaks(30);surf(x,y,z);圖形坐標(biāo)和圖形標(biāo)題有關(guān)圖形標(biāo)注函數(shù)的調(diào)用格式為：title(圖形名稱)xlabel(x軸說明)ylabel(y軸說明)zlabel(z軸說明)5.3圖形處理5.3.1圖形標(biāo)注例5-15

在0≤x≤2區(qū)間內(nèi)，繪制曲線y1=2e-0.5x和y2=cos(4πx)，并給圖形添加圖形標(biāo)注。程序如下：x=0:pi/100:2*pi;y1=2*exp(-0.5*x);y2=cos(4*pi*x);plot(x,y1,x,y2)title('xfrom0to2{\pi}','fontsize',12,'fontweight','bold');%加圖形標(biāo)題xlabel('VariableX');%加X軸說明ylabel(‘VariableY’,‘fontweight’,‘bold’);%加Y軸說明文本標(biāo)注和圖列標(biāo)注text(x,y,圖形說明)gtext({‘string1’,’string2’,’string3’,....,});legend(圖例1,圖例2,…)函數(shù)中的說明文字，除使用標(biāo)準(zhǔn)的ASCII字符外，還可使用LaTeX格式的控制字符，這樣就可以在圖形上添加希臘字母、數(shù)學(xué)符號(hào)及公式等內(nèi)容。例如，text(0.3,0.5,‘sin({\omega}t+{\beta})’)將得到標(biāo)注效果sin(ωt+β)。其中，gtext可以用鼠標(biāo)來(lái)選擇標(biāo)注的位置例5-16

在0≤x≤2區(qū)間內(nèi)，繪制曲線y1=2e-0.5x和y2=cos(4πx)，并給圖形添加圖形標(biāo)注。程序如下：x=0:pi/100:2*pi;y1=2*exp(-0.5*x);y2=cos(4*pi*x);plot(x,y1,x,y2)title('xfrom0to2{\pi}','fontsize',12,'fontweight','bold');%加圖形標(biāo)題xlabel('VariableX');%加X軸說明ylabel('VariableY','fontweight','bold');%加Y軸說明text(0.8,1.5,'曲線y1=2e^{-0.5x}');%在指定位置添加圖形說明text(2.5,1.1,'曲線y2=cos(4{\pi}x)');legend('y1','y2')例5-17

用函數(shù)gtext()對(duì)圖形進(jìn)行文本標(biāo)注

x=1:0.1*pi:2*pi;y=sin(x);plot(x,y);gtext('y=sin(x)','fontsize',12);例5-18

用函數(shù)plot（）繪制一離散點(diǎn)圖，并標(biāo)上每一個(gè)離散點(diǎn)的序號(hào)。is=1:20;zzz=is;figure,plot(is,zzz,'.');text(is+.01,zzz,num2cell(1:20));例5-19

畫一橢圓th=[0:pi/50:2*pi]';a=[0.5:.5:4.5];x=cos(th)*a;y=sin(th)*sqrt(25-a.^2);plot(x,y),axis('equal'),xlabel('x'),ylabel('y')title('AsetofEllipses');

axis函數(shù)的調(diào)用格式為：axis([xminxmaxyminymaxzminzmax])axis函數(shù)功能豐富，常用的格式還有：axisequal：縱、橫坐標(biāo)軸采用等長(zhǎng)刻度。axissquare：產(chǎn)生正方形坐標(biāo)系(缺省為矩形)。axisauto：使用缺省設(shè)置。axisoff：取消坐標(biāo)軸。axison：顯示坐標(biāo)軸。5.3.2

坐標(biāo)控制給坐標(biāo)加網(wǎng)格線用grid命令來(lái)控制。gridon/off命令控制是畫還是不畫網(wǎng)格線，不帶參數(shù)的grid命令在兩種狀態(tài)之間進(jìn)行切換。給坐標(biāo)加邊框用box命令來(lái)控制。boxon/off命令控制是加還是不加邊框線，不帶參數(shù)的box命令在兩種狀態(tài)之間進(jìn)行切換。例5-20

在同一坐標(biāo)中，可以繪制3個(gè)同心圓，并加坐標(biāo)控制。程序如下：t=0:0.01:2*pi;x=exp(i*t);y=[x;2*x;3*x]';plot(y)gridon;%加網(wǎng)格線boxon;%加坐標(biāo)邊框axisequal%坐標(biāo)軸采用等刻度可用ginput函數(shù)讀取二維圖形的數(shù)據(jù)例5-21用函數(shù)ginput讀取二維圖形的數(shù)據(jù)x=-pi:pi/20:pi;plot(x,cos(x));[x,y]=ginput(1);Error=y-cos(x);5.3.3

圖形數(shù)據(jù)取點(diǎn)holdon/off命令控制是保持原有圖形還是刷新原有圖形，不帶參數(shù)的hold命令在兩種狀態(tài)之間進(jìn)行切換。例5-22

采用圖形保持，在同一坐標(biāo)內(nèi)繪制曲線y1=0.2e-0.5xcos(4πx)和y2=2e-0.5xcos(πx)。程序如下：x=0:pi/100:2*pi;y1=0.2*exp(-0.5*x).*cos(4*pi*x);plot(x,y1)holdony2=2*exp(-0.5*x).*cos(pi*x);plot(x,y2);holdoff5.3.3

字圖和圖形保持

圖形窗口的分割subplot函數(shù)的調(diào)用格式為：subplot(m,n,p)該函數(shù)將當(dāng)前圖形窗口分成m×n個(gè)繪圖區(qū)，即每行n個(gè)，共m行，區(qū)號(hào)按行優(yōu)先編號(hào)，且選定第p個(gè)區(qū)為當(dāng)前活動(dòng)區(qū)。在每一個(gè)繪圖區(qū)允許以不同的坐標(biāo)系單獨(dú)繪制圖形。x=-pi:pi/20:pi;subplot(2,2,1);plot(x,cos(x));title('First:cos');subplot(2,2,2);plot(x,sin(x));title('First:sin');x=-pi:pi/20:pi;Subplot(2,2,3);plot(x,floor(x));title('Third:floor');subplot(2,2,4);plot(x,round(x));title('Fouth:round');例5-23

在一個(gè)圖形上繪制大小的字圖Matlab在圖形窗口中提供了可視化的圖形編輯工具，利用圖形窗口菜單欄或工具欄中的有關(guān)命令可以完成對(duì)窗口中各種圖形對(duì)象的編輯處理。在圖形窗口上有一個(gè)菜單欄和工具欄。菜單欄包含F(xiàn)ile、Edit、View、Insert、Tools、Window和Help共7個(gè)菜單項(xiàng)，工具欄包含11個(gè)命令按鈕。5.3.4

圖形的可視化編輯5.4MAT文件應(yīng)用擴(kuò)展名是.mat可借助命令save和load實(shí)現(xiàn)讀寫例5-24

用命令save和load實(shí)現(xiàn)Matlab對(duì)數(shù)據(jù)的讀寫程序如下：clearclcx=-pi:pi/3:pi;y=cos(x);savemydatafilex,y;clearloadmydatafilez=y;5.5文件I/O5.5.1打開和關(guān)閉文件matlab文件輸入、輸出（I/O）函數(shù)允許把其它格式的數(shù)據(jù)文件直接讀進(jìn)matlab，它是以c語(yǔ)言文件I/O函數(shù)為基礎(chǔ)的。打開和關(guān)閉文件（fopen,fclose)格式：fid=fopen(‘?dāng)?shù)據(jù)文件’，‘r’)‘r’——讀‘w’——寫‘a(chǎn)’——附加‘rt’——讀寫關(guān)閉文件:status=fclose(fid);例5-25

在某文件不存在的情況下，用函數(shù)fopen按只讀方式打開文件[fid,message]=fopen('test.dat','r');例5-26

在某文件存在的情況下，用函數(shù)fopen按只讀方式打開文件,打開后關(guān)閉[fid,message]=fopen('1.dat','w');[fid,message]=fopen('1.dat','r');stastus=fclose('all');5.5.2存取二進(jìn)制文件用fopen打開文件后，可fread和fwrite對(duì)二進(jìn)制文件進(jìn)行讀寫例5-27

讀取已存在文件aa.m的內(nèi)容fid=fopen('aa.m','r');data=fread(fid);disp(char(data'));例5-28

讀取文件aa.m的部分內(nèi)容fid=fopen('aa.m','r');data1=fread(fid,4);data2=fread(fid,[3,2]);disp(char(data1'));disp(char(data2'));例5-29

將矩陣寫入文件1.txtclearclca=[1,2,3;4,5,6];fid=fopen('1.txt','w');count=fwrite(fid,a,'int32');closestatus=fclose(fid)clearclcfid=fopen('1.txt','r');a=fread(fid,[23],'int32');5.5.3存取文本文件對(duì)于文本文件，可fgetl,fgets和fscanf對(duì)二進(jìn)制文件進(jìn)行讀取,其中，fgetl會(huì)舍棄換行符，則fgets保留換行符,而fscanf將輸入的文件看作是一個(gè)輸入流例5-30

讀取已存在文件aa.m的內(nèi)容fid=fopen('aa.m','