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MATLAB软件简介.doc
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MATLAB软件简介
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附录 MATLAB 软件简介
[1
、
27]
§1 MATLAB 产生的历史背景
在 20 世纪 70 年代中期,Cleve Moler 博士和其同事在美国国家科学基金的资助下开发
了 调 用 EISPACK 和 LINPACK 的 FORTRAN 子 程 序 库 。 EISPACK 是 特 征 值 求 解 的
FORTRAN 程序库,LINPACK 是解线性方程的程序库。在当时,这两个程序库代表矩阵运
算的最高水平。
到 20 世纪 70 年代后期,身为美国 New Mexico 大学计算机系系主任的 Clev e Moler,
在给学生讲授线性代数课程时,想教学生使用 EISPACK 和 LINPACK 程序库,但他发现学
生用 FORTRAN 编写接口程序很费时间,于是他开始自己动手,利用业余时间为学生编写
EISPACK 和 LINPACK 的接口程序。Cleve Moler 给这个接口程序取名为 MATLAB,该名
为矩阵(matrix)和实验室(laboratory)两个英文单词的前三个字母的组合。在以后的数
年里,MATLAB 在多所大学里作为教学辅助软件使用,并作为面向大众的免费软件广为流
传。
1983年春天,Cleve Moler到Stanford大学讲学,MATLAB深深地吸引了工程师John
Little 。John Little 敏锐地觉察 到 MATLAB 在工程 领域的广阔前景。同年 ,他和 Cleve
Moler、Sieve Bangert一起,用C语言开发了第二代专业版。这一代的MATLAB语言同时具
备了数值计算和数据图示化的功能。
1984年,Cleve Moler和 John Lithe成立了MathWorks公司,正式把MATLAB推向市场,
并继续进行MATLAB的研究和开发。
在当今30多个数学类科技应用软件中,就软件数学处理的原始内核而言,可分为两大
类。一类是数值计算型软件,如 MATLAB、Xmath、Gauss等,这类软件长于数值计算,
对处理大批数据效率高;另一类是数学分析型软件,如Mathematica、Maple等,这类软件
以符号计算见长,能给出解析解和任意精度解,其缺点是处理大量数据时效率较低 。
MathWorks公司顺应多功能需求之潮流,在其卓越数值计算和图示能力的基础上,又率先
在专业水平上开拓了其符号计算、文字处理、可视化建模和实时控制能力,开发了适合多
学科、多部门要求的新一代科技应用软件MATLAB。经过多年的国际竞争,MATLAB 已
经占据了数值型软件市场的主导地位。
在 MATLAB 进入市场前,国际上的许多应用软件包都是直接以 FORTRAN 和 C 语言
等编程语言开发的。这种软件的缺点是使用面窄、接口简陋、程序结构不开放以及没有标
准的基库,很难适应各学科的最新发展,因而很难推广。MATLAB 的出现,为各国科学家
开发学科软件提供了新的基础。在 MATLAB 问世不久的 20 世纪 80 年代中期,原先控制领
1
域里的一些软件包纷纷被淘汰或在 MATLAB 上重建。
时至今日,经过 Math Works 公司的不断完善,MATLAB 已经发展成为适合多学科、
多种工作平台的功能强劲的大型软件。在国外,MATLAB 已经经受了多年考验。在欧美等
高校,MATLAB 已经成为线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列
分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具;成为攻读学位的大学生、硕士生、博士
生必须掌握的基本技能。在设计研究单位和工业部门,MATLAB 被广泛用于科学研究和解
决各种具体问题。
§2 MATLAB 的语言特点
一种语言之所以能如此迅速地普及,显示出如此旺盛的生命力,是由于它有着不同于
其他语言的特点。正如同FORTRAN和C等高级语言使人们摆脱了需要直接对计算机硬件资
源进行操作一样,被称作为第四代计算机语言的MATLAB,利用其丰富的函数资源,使编
程人员从繁琐的程序代码中解放出来。MATLAB的最突出的特点就是简洁。MATLAB用更
直观的、符合人们思维习惯的代码,代替了C和FORTRAN语言的冗长代码。MATLAB给
用户带来的是最直观、最简洁的程序开发环境。以下简单介绍一下MATLAB的主要特点。
①语言简洁紧凑,使用方便灵活,库函数极其丰富。MATLAB程序书写形式自由,利
用其丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任务,压缩了一切不必要的编程工作。由于库函
数都由本领域的专家编写,用户不必担心函数的可靠性。可以说,用MATLAB进行科技开
发是站在专家的肩膀上。
具 有 FORTRAN 和 C 等 高 级 计 算 机 语 言 知 识 的 读 者 可 能 已 经 注 意 到 , 如 果 用
FORTRAN 或 C 语言去编写程序,尤其当涉及矩阵运算和画图时,编程会很麻烦。例如,
如果用户想求解一个线性代数方程,就得编写一个程序块读入数据,然后再使用一种求解
线性方程的算法(例如追赶法)编写一个程序块来求解方程,最后再输出计算结果。在求
解过程中,最麻烦的要算第二部分。解线性方程的麻烦在于要对矩阵的元素作循环,选择
稳定的算法以及代码的调试都不容易。即使有部分源代码,用户也会感到麻烦,且不能保
证运算的稳定性。解线性方程的程序用 FORTRAN 和 C 这样的高级语言编写至少需要好几
十行。再如用双步 QR 方法求解矩阵特征值,如果用 FORTRAN 编写,至少需要四百多行,
调试这种几百行的计算程序可以说很困难。以下为用 MATLAB 编写以上两个小程序的具
体过程。
用MATLAB求解下列方程,并求矩阵A的特征值。
其中:
解为:x=A\b;设A的特征值组成的向量为e,e=eig(A)。
2
可见,MATLAB的程序极其简短。更为难能可贵的是,MATLAB甚至具有一定的智能
水平,比如上面的解方程,MATLAB会根据矩阵的特性选择方程的求解方法,所以用户根
本不用怀疑MATLAB的准确性。
②运算符丰富。由于MATLAB是用C语言编写的,MATLAB提供了和C语言几乎一样
多的运算符,灵活使用MATLAB的运算符将使程序变得极为简短,具体运算符见附表。
③MATLAB既具有结构化的控制语句(如for循环、while循环、break语句和if语句),
又有面向对象编程的特性。
④语法限制不严格,程序设计自由度大。例如,在MATLAB里,用户无需对矩阵预定
义就可使用。
⑤程序的可移植性很好,基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。
⑥MATLAB 的图形功能 强 大 。在 FORTRAN 和C 语言里 , 绘 图 都 很不容易,但 在
MATLAB里,数据的可视化非常简单。MATLAB还具有较强的编辑图形界面的能力。
⑦MATLAB的缺点是,它和其他高级程序相比,程序的执行速度较慢。由于MATLAB
的程序不用编译等预处理,也不生成可执行文件,程序为解释执行,所以速度较慢。
⑧功能强劲的工具箱是MATLAB的另一重大特色。MATLAB包含两个部分:核心部分
和各种可选的工具箱。核心部分中有数百个核心内部函数。其工具箱又可分为两类:功能
性工具箱和学科性工具箱。功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能、图示建模仿真功
能、文字处理功能以及与硬件实时交互功能。功能性工具箱能用于多种学科。而学科性工
具箱是专业 性比较强的,如 control 、toolbox、signal processing toolbox 、communication
toolbox等。这些工具箱都是由该领域内的学术水平很高的专家编写的,所以用户无需编写
自己学科范围内的基础程序,而直接进行高、精、尖的研究。下表列出了MATLAB的核心
部分及其工具箱等产品系列的主要应用领域。
MATLAB 的工具箱及主要应用领域
工 具 箱 名 称
应 用 领 域
系
统
控
制
数
据
分
析
信
号
处
理
通
信
系
统
金
融
系
统
工
程
数
学
土
木
工
程
图
形
可
视
化
MATLAB 核心
● ● ● ● ● ● ● ●
Notebook
● ● ● ● ● ● ● ●
MATLAB Complier
● ● ● ● ● ● ●
MATLAB C Math Library
● ● ● ● ● ●
Simulink
● ● ● ● ● ● ●
Symbolic Math
● ● ● ● ● ● ● ●
Simulink Accelerator
● ● ●
Chemometrics
● ●
Communication
● ● ●
3
Control System
● ● ●
Finance
● ● ●
System Identification
● ●
Fuzzy Logical
● ● ● ●
High-order Spectral Analysis
● ● ●
工 具 箱 名 称
应 用 领 域
系
统
控
制
数
据
分
析
信
号
处
理
通
信
系
统
金
融
系
统
工
程
数
学
土
木
工
程
图
形
可
视
化
Image Processing
● ● ●
Model Predictive Control
● ●
NGA Foundation
●
Neural Network
● ● ●
MMLE3 Identification
●
LMI Control
● ● ●
Model Predictive Control
●
QFT Control Design
●
Robust Control
●
Spline
● ● ● ● ● ● ●
Statistics
● ● ● ● ● ● ● ●
DSP Blockset
● ●
Fixed-Point Blockset
●
Nonlinear Control Design Blockset
●
Real-time Workshop
● ● ●
RTW Ada Extention
● ● ●
Wavelet
● ● ● ● ● ●
Partial Differential Equation
● ● ● ●
Optimization
● ● ● ● ● ● ● ●
Stateflow
● ● ●
Signal Processing
● ● ● ●
Mu Analysis and Synthesis
● ● ●
Frequency Domain Identificaion
● ● ● ●
Map tools
● ● ●
⑨ 源程序的开放性。开放性也许是 MATLAB 最受人们欢迎的特点。除内部函数以外,
所有 MATLAB 的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件,用户可通过对源文件的修
改以及加入自己的文件构成新的工具箱。
§3 基本功能
4
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