Matlab应用课程设计课程设计说明书Matlab运算与应用设计

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1、 课程设计任务书学生姓名: 专业班级: 电信0804 指导教师: 工作单位: 信息工程学院 题 目: Matlab运算与应用设计7 初始条件： 1.Matlab6.5以上版本软件； 2.课程设计辅导资料：“Matlab语言基础及使用入门”、“数字信号处理原理与实现”、“Matlab及在电子信息课程中的应用”等； 要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1. 本课程设计统一技术要求：研读辅导资料对应章节，对选定的设计题目进行理论分析，针对具体设计部分的原理分析、建模、必要的推导和可行性分析，画出程序设计框图，编写程序代码（含注释），上机调试运行程序，记录

2、实验结果（含计算结果和图表），并对实验结果进行分析和总结。具体设计要求包括： 初步了解Matlab、熟悉Matlab界面、进行简单操作； MATLAB的数值计算：创建矩阵、矩阵运算、多项式运算、线性方程组、数值统计； 基本绘图函数：plot, plot3, mesh, surf等，要求掌握以上绘图函数的用法、简单图形标注、简单颜色设定等； 使用文本编辑器编辑m文件，函数调用； 能进行简单的信号处理Matlab编程；2. 课程设计说明书按学校“课程设计工作规范”中的“统一书写格式”撰写，具体包括： 目录； 与设计题目相关的理论分析、归纳和总结； 与设计内容相关的原理分析、建模、推导、可行性分析；

3、 程序设计框图、程序代码（含注释）、程序运行结果和图表、实验结果分析和总结； 课程设计的心得体会（至少500字）； 参考文献；其它必要内容等。时间安排：指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日Matlab运算与应用设计目 录 课程设计任务书.11 Matlab 软件简介.32 设计题目.53 设计内容.64 课程设计心得.185 参考文献.196 本科生课程设计成绩评定表.20 1 Matlab 软件简介 MATLAB是美国MathWorks公司生产的一个为科学和工程计算专门设计的交互式大型软件，是一个可以完成各种精确计算和数据处理的、可视化的、强大的计算工具。它集图示

4、和精确计算于一身，在应用数学、物理、化工、机电工程、医药、金融和其他需要进行复杂数值计算的领域得到了广泛应用。它不仅是一个在各类工程设计中便于使用的训算工具，而且也是一个在数学、数值分析和工程计算等课程教学中的优秀的教学工具，在世界各地的高等院校中十分流行，在各类工业应用中更有不俗的表现。MATLAB可以在几乎所有的PC机和大型计算机上运行，适用于Windows、UNIX等多种系统平台。1.1 MATLAB产生的历史背景 MATLAB名称是由两个英文单词Maix和Laboratory的前二个字母组成。20世纪70年代后期，美国新墨西哥大学计算机系主任CleveMoler教授为了便于教学，减轻学

5、生编写Fortran程序的负担，为两个矩阵运算软件包Linpack和Eispack编写了接口程序，这也许就算MATLAB的第一个版本。1984年，在JackLittle(也称JohnLittle)的建议推动下，由Little、Moler、SteveBangert三人合作，成立rMathWorks公司，同时把MATLAB正式推向市场。从那时开始，MATLAB的源代码采用C语言编写，除加强了原有的数值计算能力外，还增加了数据图形的可视化功能。1993年，MathWorks公司推出了MATLAB的40版本，系统平台由DOS改为Windows，推出了功能强大的、可视化的、交互环境的用于模拟非线性动态系

6、统的工具Simulink，第一次成功开发出了符号计算工具包Symbolic Math Toolbox 10，为MATLAB进行实时数据分析、处理和硬件开发而推出了与外部直接进行数据交换的组件，为MATLAB能融科学计算、图形可视、文字处理于一体而制作了Notebook，实现了MATLAB与大型文字处理软件Word的成功对接。至此，MathWorks使MATLAB成为国际控制界公认的标准计算软件。 1997年，MathWorks公司推出了MATLAB的50版本，紧接着产生了51、52版本，至1999年MATLAB发展到53版本。MATLAB拥有了更丰富的数据类型和结构，更好的面向对象的快速精美的

7、图形界面，更多的数学和数据分析资源，MATLAB工具也达到了25个，几乎涵盖了整个科学技术运算领域。在大部分大学里，应用代数、数理统计、自动控制、数字信号处理、模拟与数字通信、时间序列分析、动态系统仿真等课程的教材都把MATLAB作为必不可少的内容。在国际学术界，MATLAB被确认为最准确可靠的科学计算标准软件，在许多国际一流的学术刊物上都可以看到MATLAB在各个领域里的应用。 MATLAB当前推出的最新版本是70版(R14)，本书无特殊注明均指70版。12 MATLAB的语言特点和开发环境 MATLAB作为一种科学计算的高级语言之所以受欢迎，就是因为它有丰富的函数资源和工具箱资源，编程人员

8、可以根据自己的需要选择函数，而无需再去编写大量繁琐的程序代码，从而减轻了编程人员的工作负担。被称为第四代编程语言的MATLAB最大的特点就是简洁开放的程序代码和直观实用的开发环境。具体地说MATLAB主要有以下特点： (1)库函数资源丰富 数百种库函数大大减轻了用户子程序的编写工作量，也避免了一些不必要的错误，因而用户也不必担心程序的可靠性问题。 (2)语言精炼，代码灵活 MATLAB的编程语言符合人们的思维习惯，对代码的书写也没有特别严格的控制，语言精炼，程序的亢余度非常小。 (3)运算符多而灵活 MATLAB的内核是用c语言编写的，它为用户提供了和C语言一样多的运算符，用户运用这些运算符可

9、以使程序更加简炼。 (4)面向对象，控制功能优良 MATLAB在5x各版本中优化了数据结构，使得程序的结构化控制更精良，面向对象的功能更加友善。特别是当前的70版，在可视化编程方面比以前的版本又有了更大的提高，使界面编程更方便、自由。 (5)程序设计自由 MATLAB70版支持长变量名达到63个字符，用户可以不对矩阵进行预定义就使用，变量和数组的应用也有了很大的扩展，这为用户编写程序提供了更大的自由度，使编程更加简单、方便。 (6)图形功能强大 在很多程序语言中，绘制图形是一件很麻烦的事情。但在MATLAB中，只需调用相应的绘图函数即可，既方便又迅速。随着硬件的发展和MATLAB70推出，MA

10、TLAB的图形功能更好，可视化编程能力得到更进一步的提高。 (7)程序的兼容性好 MATLAB可以在各种PC机、大型计算机和各种操作系统上运行。 (8)源代码开放 MATLAB的最重要的特点是源代码的开放性，除了内部函数，所有的MATLAB核心文件和工具箱文件都完全开放，都可渎可改。用户对源文件修改就可以生成适合自己的源代码文件。 (9)形形色色的工具箱 凡有工具箱的软件大都分为两大部分，就是核心部分和形形色色的工具箱。MATLAB有数百个核心内部函数，数十个形形色色的工具箱。工具箱大致可以分为两大类，类是学科性工具箱，另一类是功能性工具箱。学科性工具箱大都涵盖了本学科所有的已有的基本概念和基

11、本运算，大都十分专业。如符号数学工具箱，简直就是一个高等数学、工程数学解题器。极限、导数、微分、积分、级数运算与展开、微分方程求解、Laplace变换等应有尽有。还有控制系统、信号处理、模糊逻辑、神经网络、小波分析、统计；优化、金融预测等工具箱，无一不是非常优秀的运算工具。这些工具箱都可以添加自己根据需要编写的函数，用户可以不断更新自己的工具箱，使之更适合于自己的研究和计算 1.3 基本语法1.3.1变量1、变量的命名：变量的名字必须以字母开头（不能超过19个字符），之后可以是任意字母、数字或下划线；变量名称区分字母的大小写；变量中不能包含有标点符号。2、一些特殊的变量：ans：用于结果的缺省

12、变量名 i、j：虚数单位pi：圆周率 realmin：最小正实数realmax：最大正实数 1.3.2简单的数学运算1、常用的数学运算符：，*（乘），/（左除），（右除），（幂）在运算式中，MATLAB通常不需要考虑空格；多条命令可以放在一行中，它们之间需要用分号隔开；逗号告诉MATLAB显示结果，而分号则禁止结果显示。2、常用数学函数：abs,sin,cos,tan,sqrt,exp,imag,real, rem,1.3.3流程控制语句1、if语句基本格式：if 逻辑表达式 执行语句 End 其执行过程为：当条件成立时，则执行语句组，执行完之后继续执行if语句的后继语句，若条件不成立，则直接

13、执行if语句的后继语句。2、while循环语句基本格式：while 表达式 循环体 End其执行过程为：若条件成立，则执行循环体语句，执行后再判断条件是否成立，如果不成立则跳出循环。 4、switch语句基本格式：switch 表达式（可以是标量或字符串） case 值1 语句1 case 值2 语句2 . otherwise 语句3 End其执行过程为：当表达式的值等于表达式1的值时，执行语句组1，当表达式的值等于表达式2的值时，执行语句组2，当表达式的值等于表达式m的值时，执行语句组m，当表达式的值不等于case所列的表达式的值时，执行语句组n。当任意一个分支的语句执行完后，直接执行swi

14、tch语句的下一句。5、for语句基本格式：for 循环变量=表达式1:表达式2:表达式3 循环体语句 end其中表达式1的值为循环变量的初值，表达式2的值为步长，表达式3的值为循环变量的终值。步长为1时，表达式2可以省略。执行过程是依次将矩阵的各列元素赋给循环变量，然后执行循环体语句，直至各列元素处理完毕。1.3.4特殊矩阵：常用的产生通用特殊矩阵的函数有：zeros：产生全0矩阵(零矩阵)。ones：产生全1矩阵(幺矩阵)。eye：产生单位矩阵。rand：产生01间均匀分布的随机矩阵。randn：产生均值为0，方差为1的标准正态分布随机矩阵。1.3.5函数文件 1、函数文件的基本结构函数文

15、件由function语句引导，其基本结构为：function 输出形参表=函数名(输入形参表) 注释说明部分 函数体语句其中以function开头的一行为引导行，表示该M文件是一个函数文件。函数名的命名规则与变量名相同。输入形参为函数的输入参数，输出形参为函数的输出参数。当输出形参多于一个时，则应该用方括号括起来。2、函数调用函数调用的一般格式是： 输出实参表=函数名(输入实参表)要注意的是，函数调用时各实参出现的顺序、个数，应与函数定义时形参的顺序、个数一致，否则会出错。函数调用时，先将实参传递给相应的形参，从而实现参数传递，然后再执行函数的功能。1.3.6二维数据曲线图 1绘制单根二维曲线

16、 plot函数的基本调用格式为：plot(x,y) 其中x和y为长度相同的向量，分别用于存储x坐标和y坐标数据。 2设置曲线样式MATLAB提供了一些绘图选项，用于确定所绘曲线的线型、颜色和数据点标记符号，它们可以组合使用。例如，“b-.”表示蓝色点划线，“y:d”表示黄色虚线并用菱形符标记数据点。当选项省略时，MATLAB规定，线型一律用实线，颜色将根据曲线的先后顺序依次。要设置曲线样式可以在plot函数中加绘图选项，其调用格式为：plot(x1,y1,选项1,x2,y2,选项2,xn,yn,选项n) 3 图形标注与坐标控制 有关图形标注函数的调用格式为：title( 图形名称)xlabel

17、(x轴说明)ylabel(y轴说明)text(x,y,图形说明)2.设计题目第1套题目：Matlab运算与应用设计11 计算y1=和y2=；2 画出衰减震荡曲线及其他的包络线,t的取值范围是0,4.3 画出所表示的三维曲面。x,y的取值范围是-8，8。4 分析下面每条指令的功能并运行，观察执行结果。（1） X=0:0.1:1;Y=X.*exp(-X);plot(X,Y),xlabel(x), ylabel(y),title(y=x*exp(-x);(2) A=zeros(2,5)A(:)=-4:5L=abs(A)>3islogical(L)X=A(L)(3) A=1:4;5:8pow2(

18、A)(4) A=zeros(2,3)A(:)=1:6A=A*(1+i)A1=A.;B1=A;(5) A=ones(1,2)B=ones(2)C=eye(3)D=diag(C)E=repmat(C,1,3)5 计算在x=0.1与10处的值。6 求函数1+1/2+1/3+1/n, n=100的值。7 求500个元素的随机数向量A中大于0.5的元素个数。8.求线性方程组AX=b的根。9.画出y=|1000sin(4x)|+1的x轴为对数的图。10用FFT直接计算x=cos(2*pi*40*t)+2sin(2*pi*120*t)+w(t)的功率谱。3.设计内容1. 计算分析：该题为多项式运算，可直接写

19、出Y1,y2的matlab的语言表达形式y1=2*sin(0.3*pi)/(1+ 50.5 ) %产生向量y1y1 = 0.5000 %运算结果y2=2*cos(0.3*pi)/(1+50.5) % 产生向量与y2y2 = 0.3633 %运算结果2. 画出衰减震荡曲线y=exp(-t/3)*sin3t 及其他的包络线y0=exp(-t/3) 的取值范围是0,4.t=0:pi/180:4*pi; %产生向量ty=exp(-t/3).*sin(3*t); %产生向量yplot(t,y) %绘制曲线 （图2-1）t=0:pi/180:4*pi; %产生向量ty0=exp(-t/3); plot(t

20、,y0) %绘制包络线 （图2-2）3.画出所表示的三维曲面。x,y 的取值范围是-8,8 x=-8:0.1:8; %产生向量xy=-8:0.1:8; %产生向量yx,y=meshgrid(x,y); %形成格点矩阵z=sin(sqrt(x.2+y.2)./sqrt(x.2+y.2); %产生向量zsurf(x,y,z); %绘制三维曲面xlabel('x'), ylabel('y'), zlabel('z'); %坐标名 （图3-1）4分析下面每条指令的功能并运行，观察执行结果。（1）X=0:0.1:1 %产生向量X X = Columns 1

21、 through 5 0 0.1000 0.2000 0.3000 0.4000 Columns 6 through 10 0.5000 0.6000 0.7000 0.8000 0.9000 Column 11 1.0000 Y=X.*exp(-X) %产生向量YY = Columns 1 through 5 0 0.0905 0.1637 0.2222 0.2681 Columns 6 through 10 0.3033 0.3293 0.3476 0.3595 0.3659 Column 11 0.3679 plot(X,Y),xlabel('x'),ylabel(

22、9;y'),title('y=x*exp(-x)') %绘制曲线；规定坐标名 （图4-1）（2） A=zeros(2,5) %产生2行5列全为零的矩阵A(:)=-4:5 %A的元素从-4到5共12个元素按照由上到下从左到右排列过去L=abs(A)>3 %标记矩阵A中元素的绝对值大于3的元素,其中大于1是,0就不是islogical(L) %判断L是不是逻辑数X=A(L) % 取出A中绝对值大于3的元素组成一个新的矩阵A = 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0A = -4 -2 0 2 4 -3 -1 1 3 5L = 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1an

23、s = 1X = -4 45 （3）A=1:4;5:8 pow2(A) %分别取A中元素的平方 A = 1 2 3 4 5 6 7 8ans = 2 4 8 16 32 64 128 256 （4）A=zeros(2,3) %产生2行3列全为零的矩阵A = 0 0 0 0 0 0 A(:)=1:6 %1,2,3,4,5,6分别赋给A A = 1 3 5 2 4 6 A=A*(1+i) %A中元素分别与（1+i）相乘 A = Columns 1 through 2 1.0000 + 1.0000i 3.0000 + 3.0000i 2.0000 + 2.0000i 4.0000 + 4.0000

24、i Column 3 5.0000 + 5.0000i 6.0000 + 6.0000i A1=A.' %对A进行非共轭转置A1 = 1.0000 + 1.0000i 2.0000 + 2.0000i 3.0000 + 3.0000i 4.0000 + 4.0000i 5.0000 + 5.0000i 6.0000 + 6.0000i B1=A' %对A进行共轭转置 B1 = 1.0000 - 1.0000i 2.0000 - 2.0000i 3.0000 - 3.0000i 4.0000 - 4.0000i5.00 - 5.0000i 6.0000 - 6.0000i （5）

25、A=ones(1,2) %生成1×2全为1的矩阵 B=ones(2) %生成2×2全为1的矩阵C=eye(3) %产生对角线为1，其余为0的3阶矩阵D=diag(C) %取C中对角线的元素E=repmat(C,1,3) %重新复制矩阵C, 生成3×9的矩阵A = 1 1B = 1 1 1 1C = 1 0 0 0 1 0 0 0 1D = 1 1 1E = Columns 1 through 8 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 Column 9 0 0 1 5.计算在x=0.1与10的值。A=1 0.

26、1 0 0 0 -100; % 将y函数表示成行相量 y=polyval(A,0.1) %求出多项式在x处的值 y = -100.0000 A=1 0.1 0 0 0 -100; %将y函数表示成行向量y=polyval(A, 10) %求出多项式在x处的值y = 100900 6.求函数1+1/2+1/3+1/n, n=100的值。分析：第一次通过for循环n=1，执行y=y+1/n; 第二次，n=2, 执行y=y+1/n; 第100次，n=100, 执行y=y+1/y; 在n=101时，for循环结束，然后执行end语句后面的命令。y=0; for n=1:100 y=y+1/n;endy

27、 y =5.18747求500个元素的随机数向量A中大于0.5的元素个数。分析：流程图为：判断y(n)>0.5是否成立执行i=i+1For循环1500真假endn>500结束forN<500继续for （图7-1）编写程序如下：y=rand(1,500); %求500个随机数赋给yi=0;for n=1:500 %从500个随机数中依次循环 if y(n)>0.5 %判断y(n)是否大于0.5 i=i+1; %成立就执行此语句 end; %一次if结束end %for循环结束 n i n = 500i = 243 8.求线性方程组AX=b的根。A=0.4156 0.23

28、19 0.2024 0.2930 0.3690;0.3206 0.4650 0.5662 0.1812 0.4631; 0.5146 0.3734 0.8315 0.3575 0.6278; 0.7192 0.0500 0.4226 0.9341 0.9445; 0.8420 0.0739 0.8395 0.5894 0.4058 ; b=0.0505;0.4449;0.5959;0.7483;0.8642;X=Ab %A为5×5的矩阵，n=m;因为n=m，且A可逆, 矩阵给出方程的唯一解X = -2.2742 1.4379 1.3890 4.0710 -2.1998 9.画出y=|

29、1000sin(4x)|+1 的x 轴为对数的图。 x0=0:0.01:1000; %产生向量x0;x=log(x0); %产生向量xy=abs(1000*sin(4*x)+1; %产生向量yplot(x,y);xlabel('logx'),ylabel('y') （图9-1）10.用 FFT 直接计算x=cos(2*pi*40*t)+2sin(2*pi*120*t)+w(t)的功率谱。fs=100;N=128; %采样频率和数据点数n=0:N-1;t=n/fs; %时间序列x=cos(2*pi*40*t)+2*sin(2*pi*120*t); %信号y=fft

30、(x,N); %对信号进行快速Fourier变换mag=abs(y); %求得Fourier变换后的振幅f=n*fs/N; %频率序列subplot(2,2,2),plot(f(1:N/2),mag(1:N/2); %绘出随频率变化的振幅xlabel('频率/Hz');ylabel('振幅');title('功率谱');%分别对X,Y轴进行标记 （图10-1）4 课程设计心得 5 参考文献1 谭浩强著.C程序设计（第二版）.北京：清华大学出版社，19992 吴传生主编.经济数学.线性代数（第二版）.北京高等教育出版社，20093 Brian R.Hunt.A Guide to Matlab .Cambridge University Press.20014 亨赛尔.精通matlab 7 .北京：清华大学出版社，20065陈怀琛. MATLAB及在电子信息课程中的应用（第2版）. 北京：电子工业出版社，2003本科生课程设计成绩评定表姓 名 性 别专业、班级课程设计题目：课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日