Matlab 之使用與應用

本書簡介：

原書號：SIM-250

由於電腦之相關硬體與週邊設備的進步快速，造就了各種大型應用軟體的篷勃發展。而在程式設計的要求上，也由於電腦相關硬體的進步快速，對系統效率與速度的需求，已經變的不那麼重要了。然而，取而代之的是：使用者的使用方便性與系統的可維護性。

MATLAB 軟體的流行已近十年了，從早期非常陽春的版本到現在的：功能多樣化、操作介面人性化的視窗版軟體。MATLAB 軟體可謂在一些從事系統分析、模擬、設計與規劃的人員的心中，留下深深的腳印。然而，國內卻一直缺乏有關 MATLAB 軟體之使用與應用的較完整之中文書籍，寫作動機於焉產生。

MATLAB 軟體是一個非常方便且實用的軟體語言，它的應用領域非常的廣。從簡單的日常應用到複雜的系統設計，它都是人們最方便的實用工具。

在本書中，本人嘗試著以最簡單清楚的文字，來說明MATLAB 軟體的用法，以便讀者除了能夠迅速學會之外，並了解MATLAB 軟體的最佳用法。在本書的最後，並以硬式磁碟機之讀寫伺服系統之設計來實際說明MATLAB 軟體的綜合性應用。本人並深深希望經由此書的介紹，能讓讀者了解到 MATLAB 軟體的全貌，喜歡上 MATLAB 軟體之使用，並在使用 MATLAB 軟體的同時，將本書放在身邊隨時參考。

本書幾經校對、更正，然而疏漏與錯誤可能難以避免。讀者諸君如發現錯誤之處，或有其它很好的建議，請不吝賜教指正，本人由衷的感謝。

本書於 96 年出版後，受到相當的回響。顯示有關 Matlab 之使用與應用的知識與內容，的確有其需要。而根據本人的觀察，這二年來 Matlab 以更為迅速的速度在國內普遍了起來。包括相關書籍的出版、學校中的課程教授、學生繳報告與研究生作論文的輔助與使用、及工業界在工程設計上的問題分析與設計分析輔助等。

本書主要增加了一些新版 Matlab 的新增功能的使用說明與應用，如 4.2 版、5.0 版、5.1 版等。每一個章節都略有增修，並增加一些實例說明，期望讀者能夠更為輕易的了解。

目 錄

第一部份 Matlab 之基本操作與使用

第一章  Matlab 軟體之基礎

1.1  什麼是 Matlab？如何使用 Matlab？     1-2

1.2  矩陣的表示法及輸入方式.. 1-6

1.3  敘述與變數     1-10

1.4  數與算術的表示法     1-12

1.5  複變數. 1-13

1.6  Matlab 函式之簡介  1-14

1.7  Matlab 系統之操作、儲存及離開     1-15

1.8  MATLAB 5.X 之系統操作說明  1-18

1.9  MATLAB 的路徑設定說明     1-22

1.10  HELP 功能之使用     1-24

第二章  使用 Matlab 來作矩陣及陣列運算

2.1  矩陣與向量之基本運算  2-2

2.1-1  矩陣的轉置  (Transpose) 運算.. 2-2

2.1-2  矩陣的加、減法運算  2-4

2.1-3  矩陣的乘法運算.. 2-5

2.1-4  矩陣的除法運算.. 2-6

2.2  陣列 (Array) 的基本運算  2-7

2.2-1  陣列的加、減法運算  2-7

2.2-2  陣列的乘、除法運算  2-7

2.2-3  陣列的次方運算.. 2-8

2.2-4  陣列元素的相關運算 (Relational operation)... 2-8

2.2-5  陣列的邏輯運算 (Logical Operation) 2-10

2.2-6  陣列的數學函式. 2-10

2.3  矩陣之基本函式. 2-13

2.3-1  Inv(X) 與 Det(x)  2-13

2.3-2  矩陣的三角分解 (Triangular Factorization)  2-14

2.3-3  矩陣的特徵值，特徵向量  2-15

2.3-4  矩陣函式表示法. 2-17

2.4  矩陣的構成與特殊矩陣  2-18

2.4-1  矩陣及向量的構成法  2-19

2.4-2  特殊矩陣. 2-23

第三章  使用 Matlab 來作資料處理及分析

3.1  矩陣內的資料分析 3-2

3.1-1  常用的資料分析函式  3-2

3.1-2  NaN 變數 3-5

3.1-3  資料之迴歸分析 (Regression Analysis)  3-6

3.1-4  曲線揉合 (Curve Fitting)  3-8

3.2  多項式運算     3-9

3.2-1  多項式之表示法及其基本運算.. 3-9

3.2-2  常用之多項式運算函式. 3-11

3.3  數位訊號處理  3-13

3.3-1  常用之數位訊號處理函式  3-13

3.3-2  離散序列濾波 (資料濾波) 3-14

3.3-3  快速傅立葉轉換 (FFT：Fast Fourier Transform). 3-17

第四章  Matlab 之繪圖功能

4.1  二維 x-y 坐標圖.. 4-2

4.2  三維立體圖     4-6

4.3  條狀圖、階梯圖及等高線圖     4-14

4.4  圖形顯示控制  4-18

4.5  圖形之列印     4-21

4.5-1  Window 版之圖形或命令列印  4-24

4.6  MATLAB 5 所新增的繪圖功能  4-25

4.6-1  坐標軸的設定  4-25

4.6-2  坐標圖內的文字說明  4-30

4.6-3  fplot，繪出函式之圖形  4-33

4.6-4  統計圖 (Histogram) 與離散資料顯示圖 (Stem)  4-33

4.6-5  圓盤圖 (Pie Diagram)  4-36

4.6-6  向量繪圖指令  4-37

4.6-7  plotyy 雙 Y 坐標繪圖指令  4-40

4.6-8  新增的三維立體圖之繪圖指令. 4-42

4.6-9  三維繪圖效果的光源擺置  4-49

第五章  Matlab 程式之撰寫

5.1  Matlab 程式之概觀  5-2

5.2  程式之操作環境與設定  5-4

5.2-1  Matlab 程式之執行與記憶體  5-4

5.2-2  Matlab 系統之設定與控制 5-4

5.2-3  Matlab 之特殊符號及變數名稱.. 5-8

5.3  符號與運算子  5-10

5.4  字串之處理     5-12

5.5  程式流程之控制. 5-16

5.5-1  FOR 迴圈  5-16

5.5-2  While 迴圈  5-18

5.5-3  IF，ELSEIF，ELSE 指令  5-18

5.5-4  Break，Pause 與 Return  5-19

5.5-5  SWITCH 指令  5-21

5.6  輸入與輸出     5-23

5.7  M 檔案與函式  5-28

5.7-1  巨集式的 M 檔案  5-29

5.7-2  函式 M 檔案  5-30

5.8  磁碟檔案操作  5-32

5.8-1  磁碟檔案管理  5-32

5.8-2  利用「！」執行外部作業系統程式. 5-33

5.8-3  Load 與 Save  5-34

5.9  使用 MATLAB 除錯器 (Debugger)   5-35

第二部份  Matlab 在系統模擬及設計上之應用

第六章  Matlab 於訊號處理之應用

6.1  使用向量與矩陣來構成訊號序列  (Signal Sequence)     6-2

6.2  線性系統模型之表示法  6-7

6.2-1  轉移函數.. 6-8

6.2-2  零點－極點－增益模型. 6-10

6.2-3  狀態空間 (state-space) 模型  6-11

6.2-4  部份分式 (Partial Fraction) 表示法  6-13

6.2-5  連續時間系統的模型  6-14

6.3  訊號濾波與濾波器     6-16

6.3-1  頻域分析與頻率響應  6-16

6.3-2  濾波器之時域實現  6-18

6.3-3  濾波器之頻域實現  6-21

6.4  濾波器之設計  6-23

6.4-1  濾波器之性能規格  6-24

6.4-2  標準類比濾波器 (Analog Prototype) 之設計. 6-26

6.4-3  轉換法之 IIR 濾波器設計  6-28

6.4-4  直接法之 IIR 濾波器設計  6-34

6.4-5  直接法之 FIR 濾波器設計  6-36

6.4-6  逆 IIR 濾波器之設計  6-41

6.5  快速傅立葉轉換 (FFT) 與頻譜分析     6-43

6.5-1  快速傅立葉轉換 (FFT)  6-44

6.5-2  訊號之頻譜分析. 6-45

6.6  旋積與相關函數 (Convolution and Correlation Functions)     6-48

6.6-1  旋積 (convolution) 與反旋積 (Deconvolution)  6-48

6.6-2  相關函數之計算. 6-50

6.7  二維訊號處理  6-52

6.8  窗口函式 (windowing function)     6-55

6.9  內差 (Interpolation) 與捨點 (Decimation) 6-57

第七章  Matlab 控制系統之應用

7.1  控制系統之模型表示與轉換 7-2

7.1-1  狀態空間表示法.. 7-2

7.1-2  轉移函數表示法.. 7-4

7.1-3  零點－極點－增益表示法 7-5

7.1-4  離散時間 (Discrete-Time) 系統 7-5

7.1-5  模型間之互換  7-7

7.2  控制系統之分析. 7-11

7.2-1  控制系統之時域響應  7-11

7.2-2  控制系統之頻域響應  7-18

7.3  控制系統之模型特性與連接     7-32

7.3-1  控制系統之模型特性  7-33

7.3-2  控制系統之模型連接  7-35

7.4  控制系統之實現與降階  7-48

7.5  控制系統之設計. 7-51

第八章  動態系統模擬－SIMULINK for Windows

8.1  SIMULINK 的安裝與系統需求  8-2

8.2  開始使用 SIMIULINK   8-4

8.3  利用 SIMULINK 快速分析與設計控制系統     8-25

8.4  MATLAB 5 所內建的系統方塊說明     8-33

8.5  系統模型之分析. 8-39

8.5-1  由 Simulation 選單來作系統模擬. 8-39

8.5-2  用命令視窗 (命令列) 的方式來執行系統模擬. 8-40

8.5-3  檢查訊號之輸出軌跡  8-42

8.5-4  迴路結構. 8-44

8.5-5  模擬之數值方法簡介  8-44

8.5-6  離散時間系統之分析  8-46

8.5-7  系統之線性化