MATLAB基础与机械工程应用pdf/txt下载_在线阅读全文

编辑推荐

　　《MATLAB基础与机械工程应用》读者对象是希望学习MATLAB及Simulink和SimMechanics的基础知识以及在机械工程中应用的本科生和研究生。

内容简介

　　《MATLAB基础与机械工程应用》介绍MATLAB基础知识及在机械工程领域的应用。内容分为两大部分：第一部分是MATLAB基础知识，包括MATLAB语法及常用命令、绘图方法、数值计算、符号计算；第二部分是MATLAB及Simulink和SimMechanics在机械工程领域的应用，包括工程问题的优化分析、控制仿真中的应用、机构学及机器人操作臂中的应用、信号处理中的应用。

目　　录

前言
第1章概述
1.1 MATLAB概述
1.2 MATLAB主要功能
1.2.1 数值分析
1.2.2 数据分析和可视化
1.2.3 编程和算法开发
1.2.4 应用程序开发和部署
1.3 MATLAB操作界面
1.3.1 主页/绘图/应用程序菜单
1.3.2 命令行窗口
1.3.3 当前文件夹
1.3.4 工作区
1.3.5 搜索路径设置

前言 
第1章 概述 
1.1 MATLAB概述 
1.2 MATLAB主要功能 
1.2.1 数值分析 
1.2.2 数据分析和可视化 
1.2.3 编程和算法开发 
1.2.4 应用程序开发和部署 
1.3 MATLAB操作界面 
1.3.1 主页/绘图/应用程序菜单 
1.3.2 命令行窗口 
1.3.3 当前文件夹 
1.3.4 工作区 
1.3.5 搜索路径设置 
1.4 MATLAB帮助系统


	 
第2章 语法 
2.1 基本概念 
2.1.1 数据类型 
2.1.2 变量 
2.1.3 基本语句 
2.2 数组的创建 
2.2.1 向量、矩阵与数组 
2.2.2 简单数组创建方式 
2.2.3 特殊数组创建方式 
2.2.4 用M文件创建和保存数组 
2.2.5 用MATLAB编辑器创建数组 
2.2.6 数组的合并 
2.3 数组的寻址与赋值 
2.3.1 数组的寻址 
2.3.2 数组的赋值 
2.4 数组的扩展与删除 
2.4.1 数组的扩展 
2.4.2 数组的删除 
2.5 数组运算和矩阵运算 
2.5.1 数组运算 
2.5.2 矩阵运算 
2.6 矩阵分解 
2.6.1 行列式、逆和秩 
2.6.2 Cholesky分解 
2.6.3 LU分解 
2.6.4 QR分解 
2.6.5 奇异值分解 
2.6.6 特征值分解 
2.7 运算符 
2.7.1 数学运算符 
2.7.2 关系运算符 
2.7.3 逻辑运算符 
2.7.4 位运算符 
2.7.5 集合运算符 
2.7.6 运算符优先级 
2.8 字符与字符串 
2.8.1 字符串的创建、寻访及存储形式 
2.8.2 字符串数组的创建 
2.8.3 字符串的比较 
2.8.4 字符串的查找与替换 
2.8.5 字符串的类型转换 
2.8.6 其他字符串常用函数 
2.9 多项式计算 
2.9.1 多项式的创建 
2.9.2 多项式运算函数 
2.10 M文件 
2.10.1 M文件编辑器 
2.10.2 M脚本文件 
2.10.3 M函数文件 
2.11 流程控制 
2.11.1 顺序结构 
2.11.2 分支结构 
2.11.3 循环结构 
2.11.4 其他结构


	 
第3章 绘图 
3.1 绘制二维图形 
3.1.1 使用plot命令绘制二维曲线 
3.1.2 使用plotyy命令绘制双坐标轴曲线 
3.1.3 fplot命令和ezplot命令 
3.2 图形格式化和注释 
3.2.1 图线样式设置 
3.2.2 多子图输出 
3.2.3 合并输出 
3.2.4 图形标识 
3.2.5 坐标轴设置 
3.3 绘制三维图形 
3.3.1 使用plot3命令绘制三维曲线 
3.3.2 使用mesh命令绘制三维曲面 
3.3.3 mesh相关命令及等高线图绘制 
3.3.4 使用surf命令绘制三维曲面 
3.3.5 简易三维图形命令 
3.4 图形的可视化编辑 
3.4.1 创建图形窗口命令figure 
3.4.2 使用绘图工具绘制和编辑图形 
3.4.3 使用图形工具菜单进行图形数据分析


	 
第4章 数值计算 
4.1 线性方程组的数值解 
4.1.1 左除法直接求解 
4.1.2 利用逆矩阵求解 
4.1.3 采用矩阵的分解求解 
4.1.4 齐次线性方程组非零解 
4.2 非线性方程(组)的数值解 
4.2.1 使用fzero求解一元非线性方程 
4.2.2 使用solve命令求解非线性方程(组) 
4.2.3 使用roots命令求解多项式方程 
4.2.4 使用fsolve命令求解非线性方程(组) 
4.3 数值微积分 
4.3.1 使用diff命令实现数值微分 
4.3.2 一元函数数值积分 
4.3.3 梯形数值积分命令trapz 
4.3.4 矩形区域二重数值积分命令dblquad 
4.3.5 三重数值积分命令triplequad 
4.4 常微分方程的数值解 
4.4.1 常微分方程初值问题 
4.4.2 一阶常微分方程初值问题的求解 
4.4.3 高阶常微分方程初值问题的求解 
4.4.4 常微分方程边值问题及求解 
4.5 函数插值 
4.5.1 使用interp1命令进行一维插值 
4.5.2 使用interp2命令进行二维插值 
4.5.3 使用spline命令进行样条插值 
4.6 曲线拟合 
4.6.1 使用ployfit命令进行多项式拟合 
4.6.2 非线性最小二乘拟合命令lsqcurvefit 
4.6.3 曲线拟合工具箱


	 
第5章 符号计算 
5.1 使用syms命令创建符号对象 
5.2 使用sym命令创建符号数字 
5.3 化简符号表达式 
5.4 符号表达式的变量替代 
5.5 符号表达式的微积分 
5.6 求解符号方程 
5.7 符号表达式绘图 
5.8 使用MuPAD记事本 
5.8.1 MuPAD语法基础 
5.8.2 MuPAD微积分运算 
5.8.3 MuPAD矩阵运算 
5.8.4 MuPAD符号表达式化简 
5.8.5 MuPAD解方程和解不等式 
5.8.6 MuPAD绘图


	 
第6章 优化工具箱及应用 
6.1 优化工具箱概述 
6.1.1 优化工具箱的功能 
6.1.2 优化工具箱的特色 
6.1.3 优化工具箱函数 
6.2 优化工具箱图形界面GUI 
6.2.1 启动优化工具箱GUI 
6.2.2 优化工具箱GUI介绍 
6.2.3 使用GUI解优化问题的步骤 
6.3 无约束极值问题 
6.3.1 无约束极小值命令fminunc 
6.3.2 无约束极小值命令fminsearch 
6.4 约束极值问题 
6.4.1 一元函数极小值命令fminbnd 
6.4.2 多变量约束极小值命令fmincon 
6.4.3 半无限约束极小值命令fseminf 
6.5 线性规划和混合整数规划 
6.5.1 线性规划命令linprog 
6.5.2 混合整数规划命令intlinprog 
6.6 二次规划 
6.7 最小二乘优化 
6.7.1 约束线性最小二乘优化命令lsqlin 
6.7.2 非线性最小二乘优化命令 
6.8 基于优化工具箱的曲柄摇杆机构设计


	 
第7章 Simulink及控制系统应用 
7.1 Simulink简介 
7.2 Simulink启动 
7.3 Simulink建模基础 
7.3.1 模块的基本操作 
7.3.2 模块的连接 
7.3.3 显示端口数据类型 
7.3.4 模型注释 
7.3.5 Simulink常用模块库 
7.4 Simulink仿真环境的设置 
7.4.1 求解器设置 
7.4.2 仿真数据的输入/输出设置 
7.4.3 诊断设置 
7.5 Simulink建模举例 
7.5.1 简单数学等式的模型建立 
7.5.2 连续系统的模型建立 
7.5.3 最优框图数学模型的建立 
7.6 Simulink的子系统 
7.6.1 子系统的建立 
7.6.2 子系统的封装 
7.6.3 条件子系统 
7.7 Simulink S-函数 
7.7.1 S-函数 
7.7.2 S-函数的工作机理 
7.7.3 S-函数的建立 
7.7.4 用M文件创建S-函数实例 
7.8 控制系统的仿真 
7.8.1 控制系统数学建模 
7.8.2 线性系统的时域分析 
7.8.3 线性系统的根轨迹 
7.8.4 线性系统的频域分析


	 
第8章 Simulink在机构学中的应用 
8.1 机构位置分析 
8.2 机构速度仿真 
8.3 机构加速度仿真 
8.4 机构动力学仿真 
8.5 机构速度控制仿真 
8.6 含电机模型的机构速度控制仿真


	 
第9章 SimMechanics机械系统仿真 
9.1 SimMechanics常用模块 
9.2 曲柄滑块机构SimMechanics仿真 
9.3 两自由度机器人SimMechanics仿真 
9.4 三自由度机器人点位控制与连续轨迹控制 
9.5 SimMechanics平台与CAD软件关联


	 
第10章 MATLAB在数字信号处理中的应用 
10.1 信号的生成和运算 
10.1.1 模拟信号的生成 
10.1.2 数字信号的生成 
10.1.3 信号的运算 
10.2 信号的频谱分析 
10.2.1 周期信号的分解 
10.2.2 信号的离散傅里叶变换 
10.3 数字音频信号处理 
10.4 数字图像信号处理 
参考文献

显示全部信息

在线试读部分章节

　　第1章概述
　　本章介绍MATLAB软件的特点及主要功能，以及MATLAB的操作界面和帮助系统。
　　1.1 MATLAB概述
　　MATLAB是一款用于数值计算、可视化及编程的高级语言和交互式环境，用于分析数据、开发算法、创建模型的应用程序。MATLAB内置的数学函数用于线性代数、统计、傅里叶分析、筛选、优化、数值积分，以及常微分方程求解、内置图形、创建自定义绘图的工具用于数据可视化。同时，MATLAB可帮助用户构建自定义图形界面应用程序，并借助其语言、工具和内置数学函数，探求多种方法。例如，应用电子表格或传统编程语言(如C/C++或JavaTM)更快地求取结果。
　　MATLAB应用广泛，包括信号处理和通信、图像和视频处理、控制系统、测试和测量、计算金融学及计算生物学等众多应用领域。
　　1.2 MATLAB主要功能
　　1.2.1 数值分析
　　MATLAB提供了一系列用于分析数据、开发算法和创建模型的数值计算方法。MATLAB语言包括用以支持常见的工程设计和科学运算的数学函数。核心的数学函数采用处理器优化库，可以快速地执行数组运算和矩阵运算。具体可采用的方法有：插值与回归、微分与积分、线性方程组、傅里叶分析、特征值与奇异值、常微分方程(ODE)和稀疏矩阵。
　　1.2.2 数据分析和可视化
　　MATLAB提供了用于数据采集、分析和可视化的工具，以便用户能够深入探查数据，而且与使用电子表格或传统编程语言相比，节省了大量的时间。此外，还可以通过绘图、报告或发布MATLAB代码的形式来记录和共享结果。
　　1) 采集数据
　　MATLAB可以从文件、其他应用程序、数据库以及外部设备访问数据；可以从各种常用文件格式(如Microsoft Excel、文本或二进制文件、图像、语音和视频文件)以及科学文件(如netCDF和HDF等)中读取数据。借助文件I/O函数，可以处理任意格式的数据文件。
　　通过将MATLAB与附加产品配合使用，可以从硬件设备(如计算机串口或声卡等)获取数据，并且使实时测量的数据直接导入MATLAB，以便用于分析和可视化处理。此外，还可以实现与各种仪器(如示波器、函数发生器以及信号分析仪)之间的通信。

第1章 概述 
　　本章介绍MATLAB软件的特点及主要功能，以及MATLAB的操作界面和帮助系统。 
　　1.1 MATLAB概述 
　　MATLAB是一款用于数值计算、可视化及编程的高级语言和交互式环境，用于分析数据、开发算法、创建模型的应用程序。MATLAB内置的数学函数用于线性代数、统计、傅里叶分析、筛选、优化、数值积分，以及常微分方程求解、内置图形、创建自定义绘图的工具用于数据可视化。同时，MATLAB可帮助用户构建自定义图形界面应用程序，并借助其语言、工具和内置数学函数，探求多种方法。例如，应用电子表格或传统编程语言(如C/C++或JavaTM)更快地求取结果。 
　　MATLAB应用广泛，包括信号处理和通信、图像和视频处理、控制系统、测试和测量、计算金融学及计算生物学等众多应用领域。 
　　1.2 MATLAB主要功能 
　　1.2.1 数值分析 
　　MATLAB提供了一系列用于分析数据、开发算法和创建模型的数值计算方法。MATLAB语言包括用以支持常见的工程设计和科学运算的数学函数。核心的数学函数采用处理器优化库，可以快速地执行数组运算和矩阵运算。具体可采用的方法有：插值与回归、微分与积分、线性方程组、傅里叶分析、特征值与奇异值、常微分方程(ODE)和稀疏矩阵。 
　　1.2.2 数据分析和可视化 
　　MATLAB提供了用于数据采集、分析和可视化的工具，以便用户能够深入探查数据，而且与使用电子表格或传统编程语言相比，节省了大量的时间。此外，还可以通过绘图、报告或发布MATLAB代码的形式来记录和共享结果。 
　　1) 采集数据 
　　MATLAB可以从文件、其他应用程序、数据库以及外部设备访问数据；可以从各种常用文件格式(如Microsoft Excel、文本或二进制文件、图像、语音和视频文件)以及科学文件(如netCDF和HDF等)中读取数据。借助文件I/O函数，可以处理任意格式的数据文件。 
　　通过将MATLAB与附加产品配合使用，可以从硬件设备(如计算机串口或声卡等)获取数据，并且使实时测量的数据直接导入MATLAB，以便用于分析和可视化处理。此外，还可以实现与各种仪器(如示波器、函数发生器以及信号分析仪)之间的通信。 
　　2) 分析数据 
　　MATLAB可以对数据进行管理、筛选以及预处理；可以执行探索性数据分析，探明趋势，检验假设，并构建描述模型。MATLAB提供了用于滤波和平滑、插值、卷积以及快速傅里叶变换(FFT)的各种函数。附加产品提供了用于曲线和曲面拟合、多元统计、频谱分析、图像分析、系统识别及其他分析任务的多种功能。 
　　3) 实现数据的可视化 
　　MATLAB提供了内置的二维和三维绘图函数，以及立体可视化函数。使用这些函数，可以实现数据可视化，了解数据并交流结果。对绘图进行自定义时既可以采用交互方式，也可以采用编程方式。 
　　1.2.3 编程和算法开发 
　　MATLAB提供了一种高级语言和开发工具，可以迅速地开发并分析算法和应用程序。 
　　1) MATLAB语言 
　　MATLAB语言对向量运算和矩阵运算提供内在支持，这些运算是解决工程和科学问题的基础，能够实现快速开发和执行。 
　　使用MATLAB语言，无须执行诸如声明变量、指定数据类型以及分配内存等低级管理任务，与使用传统语言相比，编程和开发算法的速度大幅提高。 
　　MATLAB提供了传统编程语言的多项功能，包括流控制、错误处理以及面向对象编程(OOP)。既可以使用基本的数据类型或高级数据结构，也可以自定义数据类型。 
　　采用交互方式，一次仅执行一个命令，可以及时生成结果。该方式可以快速试探多个选项，通过反复迭代，找出最佳的解决方案。通过捕获交互式步骤，生成可以重复使用的脚本和函数，并实现任务的自动化。 
　　MATLAB附加产品可针对信号处理和通信、图像和视频处理、控制系统以及许多其他领域提供各种内置算法。通过将这些算法与自己的算法结合使用，可以构建复杂的程序和应用程序。 
　　2) 开发工具 
　　MATLAB内置的各种工具可以实现高效的算法开发，包括以下内容。 
　　(1) 命令行窗口——能够以交互的方式输入数据、执行命令和程序，以及显示结果。 
　　(2) MATLAB编辑器——提供编辑和调试功能，如设置断点及逐步调试各行代码。


	　　(3) 代码分析器——自动检查代码是否有问题，并提出修改建议，以最大限度地发挥性能及可维护性。 
　　(4) MATLAB事件探查器——衡量MATLAB程序的性能，并确定需要修改加以改进的代码范围。 
　　3) 与其他语言和应用程序集成 
　　MATLAB应用程序可以与其他语言编写的应用程序集成。在MATLAB中，可以直接调用以C、C++、Java和.NET编写的代码。使用MATLAB引擎库，可从C、C++或Fortran应用程序调用MATLAB代码。 
　　4) 性能 
　　MATLAB采用处理器优化库，可以快速执行矩阵运算和向量运算。对于通用的标量计算，MATLAB使用其即时(JIT)编译技术，提供可与传统编程语言相媲美的执行速度。 
　　1.2.4 应用程序开发和部署 
　　MATLAB 工具盒附加产品提供了一系列开发和部署应用程序的选项，可以与其他MATLAB用户共享各个算法和应用程序。 
　　1) 设计图形用户界面 
　　用户使用GUIDE(图形用户界面开发环境)可以布置、设计和编辑自定义图形用户界面。既可以含带常用控件，如列表框、下拉菜单和按钮，也可以含带MATLAB绘图。此外，还可以使用MATLAB函数以编程的方式来创建图形用户界面。 
　　2) 部署应用程序 
　　若要将一个应用程序直接分发给其他MATLAB用户，可以将其打包为MATLAB应用程序，从而实现单文件分发。应用程序自动安装在MATLAB应用程序库中，以便于访问。 
　　若要与没有MATLAB的其他人分享应用程序，可以使用应用程序部署产品。这些附加产品会自动生成独立应用程序、共享库和软件组件，以便于C、C++、Java、.NET和Excel环境集成。可执行文件和组件可以免特许费分发。 
　　3) 生成C代码 
　　使用MATLAB Coder可以从MATLAB代码生成独立的C代码。 
　　1.3 MATLAB操作界面 
　　MATLAB操作界面是用户和MATLAB进行交互的集成平面，其默认操作界面如图1.1所示，主要包括主页/绘图/应用程序菜单、当前目录设置栏、命令行窗口、当前文件夹和工作区。 
　　图1.1 MATLAB默认操作界面 
　　1.3.1 主页/绘图/应用程序菜单 
　　1)“主页”菜单 
　　“主页”菜单有6个菜单子项：文件、变量、代码、SIMULINK、环境和资源，如图1.2所示。 
　　图1.2 “主页”菜单 
　　“文件”菜单子项用于执行文件的新建、打开、查找和比较。 
　　“变量”菜单子项用于执行变量的新建、打开和编辑、MATLAB工作区变量的保存以及数据的导入。 
　　“代码”菜单子项用于执行代码的分析、修改和运行，以及命令行窗口和命令历史记录的数据清除。 
　　“SIMULINK”菜单子项用于打开Simulink库浏览器，并可进一步打开模型窗口，进行仿真模型的建立。 
　　“环境”菜单子项用于MATLAB操作界面的布局设置、MATLAB的环境设置以及路径设置。 
　　“资源”菜单子项用于查询MATLAB帮助系统。 
　　2)“绘图”菜单 
　　“绘图”菜单用于绘制图形，实现数据的可视化，如图1.3所示。 
　　图1.3 “绘图”菜单 
　　3)“应用程序”菜单 
　　“应用程序”菜单用于查找、创建和分享MATLAB应用程序，如图1.4所示。 
　　图1.4 “应用程序”菜单 
　　1.3.2 命令行窗口 
　　命令行窗口(Command Window)是用于输入数据、运行MATLAB函数和脚本，并显示结果的主要工具之一，如图1.1所示。 
　　命令行窗口中的“>>”为运算提示符，表示MATLAB正处于准备状态。在提示符后面输入命令并按Enter键后，MATLAB将给出计算结果或相应的错误信息，然后再次进入准备状态。每行命令后面可加“%+注释语句”，执行命令时，不执行“%”之后的语句，目的是让用户理解函数语句的意义。 
　　在命令行窗口中所有的结果默认采用short格式显示。用户可以根据需要，使用format函数对显示格式进行设置，常见用法如表1.1所示。 
　　表1.1 常用format函数参数说明 
　　1.3.3 当前文件夹 
　　当前文件夹(Current Folder)在默认情况下和工作区并列于命令行窗口的左侧，如图1.1所示。当前文件夹中所显示的是当前目录窗口所显示路径下的文件列表。用户可以更改当前目录窗口路径，从而更改当前文件夹中所显示的文件列表内容。 
　　1.3.4 工作区 
　　工作区(Workspace)保存着MATLAB程序运行中的变量信息和运算结果，如图1.1所示。可在工作区中新建变量，也可选取工作区中变量，右键显示下拉菜单，对变量进行简单操作，如保存、重命名、编辑值、绘制图形等。 
　　1.3.5 搜索路径设置 
　　当MATLAB工作时，只有在当前文件夹或搜索路径下的文件、函数可以被运行或调用。用户可以设置MATLAB在调用函数过程中的搜索路径。选择“主页→环境→设置路径”，弹出如图1.5所示的“设置路径”对话框，从而可设置MATLAB搜索路径。 
　　图1.5 “设置路径”对话框 
　　用户也可用path命令来设置搜索路径，但需注意的是用path命令设置的搜索路径在MATLAB关闭后会丢失。 
　　1.4 MATLAB帮助系统 
　　MATLAB为用户提供了完善的帮助系统，包括命令行窗口帮助、文档帮助、示例帮助等，能使用户快速地掌握MATLAB应用方法。 
　　用户可以在命令行窗口中输入帮助命令以寻求帮助。具体帮助命令如表1.2所示。

显示全部信息

MATLAB基础与机械工程应用下载

MATLAB基础与机械工程应用

发布书评

相关图书推荐