2.9　MATLAB程序设计

2.9　MATLAB程序设计

2.9.1　MATLAB程序类型

MATLAB程序类型包括三种：一种是在命令窗口下执行的脚本M文件；另外一种是可以存取的M文件，即程序文件；最后一种是函数（function）文件。脚本M文件和程序文件中的变量都将保存在工作区中，这一点与函数文件是截然不同的。

脚本M文件

脚本M文件也称命令文件，它在命令窗口中输入并执行；没有输入参数，也不返回输出参数，只是一些命令行的组合；脚本M文件可对工作空间中的变量进行操作，也可生成新的变量；脚本M文件运行结束后，脚本M文件产生的变量仍将保留在工作空间中，直到关闭MATLAB或用相关命令删除。

程序文件

以.m格式进行存取，包含一连串的MATLAB指令和必要的注解。需要在工作空间中创建并获取变量，也就是说处理的数据为命令窗口中的数据，没有输入参数，也不会返回参数。程序运行时只需在工作空间中输入其名称即可。

在MATLAB命令窗口中选定“File”菜单“New””选项“M-file”即可建立M文件。也可选定“Edit”菜单建立M文件，选定“Save”选项即可保存文件。

选定MATLAB命令窗口中的“Edit”菜单可利用键盘编辑键对M文件进行全屏幕编辑。M文件以ASCII编码形式存储，在命令窗口中直接输入文件名就可执行M文件。

函数文件

与在命令窗口中输入命令一样，函数接受输入参数后执行并输出结果。用help命令可以显示它的注释说明。函数文件具有标准的基本结构。

（1）函数定义行（关键字function）。

function[out1, out2,…]=filename(in1, in2,…)

输入和输出（返回）的参数个数分别由nargin和nargout两个MATLAB保留的变量给出。

（2）第一行帮助行，即H1行，以%开头，作为lookfor指令搜索的行。

（3）函数体说明及有关注解以%开头，用以说明函数的作用及有关内容，作为M文件的帮助信息。如果不希望显示某段信息，可在它的前面加空行。

（4）函数体语句：除返回和输入变量这些在function语句中直接引用的变量以外，函数体内使用的所有变量都是局部变量，即在该函数返回之后，这些变量会自动在MATLAB的工作空间中清除。如果希望这些中间变量成为在整个程序中都起作用的变量，则可以将它们设置为全局变量。

2.9.2　MATLAB程序流程控制

MATLAB程序有顺序、分支、循环等程序结构以及子程序结构。

顺序程序结构

顺序程序结构的程序从程序的首行开始，逐行顺序往下执行，直到程序最后一行，大多数简单的MATLAB程序采用这种程序结构。

分支程序结构

分支程序结构的程序根据执行条件满足与否，确定执行方向。在MATLAB中，通过if-else-end结构、while结构、switch-case-otherwise结构来实现。

（1）if，else，elseif语句。

if条件语句用于选择结构。其格式有以下情况：

① if    逻辑表达式
        执行语句
     end
② if    逻辑表达式
        执行语句1
    else
        执行语句2
    end

如果逻辑表达式的值为真，则执行执行语句1，然后跳过执行语句2，向下执行；如果为假，则执行执行语句2，然后向下执行。

③ if    逻辑表达式1
          执行语句1
   elseif   逻辑表达式2
          执行语句2
   end    ...

如果逻辑表达式1的值为真，则执行执行语句1；如果为假，则判断逻辑表达式2，如果为真，则执行执行语句2，否则向下执行。

if条件语句可以嵌套使用，但是，必须注意if语句和end语句成对出现。

【例2-18】　if条件语句使用举例。

解：MATLAB程序代码如下。

n=input('n=')
if n<=0   A= 'negative'     %判断输入数的正负性
elseif  isempty(n)==1     %判断输入是否为空
A= 'empty'
elseif  rem(n, 2)==0       %除2取余数，判断奇偶性
A= 'even'
else
A= 'odd'
end

输出结果如下：

n =          A =
 []          even
A =          n =
empty        -4
n =          A =
4            negative

（2）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

表达式的值和哪种情况（case）的值相同，就执行哪种情况中的语句，如果不同，则执行otherwise中的语句。格式中也可以不包括otherwise，这时如果表达式的值与列出的各种情况都不相同，则继续向下执行。

循环程序结构

循环程序结构包括一个循环变量，循环变量从初始值开始计数，每循环一次就执行一次循环体内的语句，执行后，循环变量以一定的规律变化，然后再执行循环体内语句，直到循环变量大于循环变量的终止值为止。

常用的循环有while和for循环。while循环和for循环的区别在于：while循环结构的循环体被执行的次数不是确定的，而for结构中循环体的执行次数是确定的。

（1）for循环语句。for语句使用较为灵活，一般用于循环次数已经确定的情况，其格式为：

for   循环变量=起始值：步长：终止值
     循环体
end

步长默认值为1，可以在正实数或负实数范围内任意指定。对于正数，循环变量的值大于终止值时，循环结束；对于负数，循环变量的值小于终止值时，循环结束。循环结构可以嵌套使用。书写格式不必太过于拘泥，在Editor编辑器中会自动进行处理。

for语句允许嵌套。在程序里，每一个“for”关键字必须和一个“end”关键字配对，否则程序执行时出错。

【例2-19】　for循环语句使用举例。

解：MATLAB程序代码如下。

%计算出1～4的乘法表
for n = 1:4
for  m=1:n
r(n,m)=m*n
end
end

输出结果如下：

r =
     1     0     0     0
     2     4     0     0
     3     6     9     0
     4     8    12    16

（2）while循环语句。while语句一般用于事先不能确定循环次数的情况，其基本格式为；

while   表达式
       循环体
end

若表达式为真，则执行循环体的内容，执行后再判断表达式是否为真；若不为真，则跳出循环体，向下继续执行。在while语句的循环中，可用break语句退出循环。

【例2-20】　while循环语句使用举例。

解：MATLAB程序代码如下。

%计算2000以内的fibnacci数
f(1)=1
f(2)=1
i=1
while f(i)+f(i+1)<2000
f(i+2)=f(i)+f(i+1)
i=i+1
end
f

程序的输出结果如下：

i =
    16
f =
Columns 1 through 8
1  1  2  3  5  8  13  21
Columns 9 through 16
34  55  89  144  233  377  610  987
Column 17
1597

2.9.3　MATLAB程序基本设计原则

MATLAB程序的基本设计原则如下所述：

（1）%后面的内容是程序的注解，要善于运用注解使程序更具可读性。

（2）养成在主程序开头用clear指令清除变量的习惯，以消除工作空间中其他变量对程序运行的影响，但注意在子程序中不要用clear。

（3）参数值要集中放在程序的开始部分，以便维护。要充分利用MATLAB工具箱提供的指令来执行所要进行的运算，在语句行之后输入分号使其及中间结果不在屏幕上显示，以提高执行速度。

（4）input指令可以用来输入一些临时的数据；对于大量参数，则通过建立一个存储参数的子程序，在主程序中通过子程序的名称来调用。

（5）程序尽量模块化，即采用主程序调用子程序的方法，将所有子程序合并在一起来执行全部的操作。

（6）充分利用Debugger来进行程序的调试（设置断点、单步执行、连续执行），并利用其他工具箱或图形用户界面（GUI）的设计技巧，将设计结果集成到一起。

（7）设置好MATLAB的工作路径，以便程序运行。

（8）MATLAB程序的基本组成结构如下所示：

%说明
清除命令:清除Workspace中的变量和图形(clear,close)
定义变量:包括全局变量的声明及参数值的设定
逐行执行命令:指MATLAB提供的运算指令或工具箱提供的专用命令
…
控制循环:包含for,if then,switch,while等语句
逐行执行命令
…
end
绘图命令:将运算结果绘制出来

当然，更复杂的程序还需要调用子程序，或者与Simulink及其他应用程序相结合。

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