精通MATLAB R2011a

　　1.编写背景
　　MATLAB（MATrix LABoratory）自20世纪80年代初问世以来，历经30年的实践检验、市场筛选和时间凝炼，已成为科学研究、工程技术等众多领域最可信赖的科学计算环境和标准仿真平台，成为高等教学必须传授的学习和计算软件，成为学术演讲、交流中实验数据和曲线图形的来源。
　　近年我国经济发展迅猛，“便携式个人电脑 + MATLAB”的配置工具在高校、科研院所以惊人的速度迅速普及。这使得理工科高校的每位师生、科研院所的每位研发人员都拥有了前所未有的巨大“计算潜能”。原有的研究方法、设计程式、论文写作方式以及教学内容等都必将受到这种新的“计算潜能”的巨大的冲击。
　　为缓和巨大计算潜能和原有教材之间的矛盾，国内外理工科高校教材几乎都作出了把MATLAB引进教材的努力。这种努力大致可分为两个层面。第一层面，完全不改变原有教材内容，而仅把MATLAB作为“手算的替身”用于相关内容的算例习题解算。第二层面，对原有教材中“那些手算所不能处理”的内容加以改变，而成为由MATLAB实施的新章节；或把原教学大纲中“那些采用硬件设备进行”的实验改成MATLAB仿真。
　　MATLAB对我国高等教学的影响，虽然比国外晚10年左右，但变化之迅速却远非欧美所及。在几乎“人手一机”和MATLAB普及使用的高校里，无论是教师或学生，也不管有意识思考还是无意识感受，都会时时面临一个共同的问题：拥有崭新电脑工具的我们还有必要循着计算尺时代形成的模式去学习分析和综合设计吗？
　　硬件的低成本化、外界的需求又反过来推动MATLAB自身的改变和发展。近30年的历练，MATLAB已经从纯指令操作软件发展为在各种界面进行交互式操作的平台，从单纯的分析、计算软件发展成为集计算、仿真、硬件开发于一体的综合环境，从单一学科辅助工具扩展为多门类多学科的计算资源库。
　　2.编写宗旨及特点
　　本书作者自2000年编写《精通MATLAB 5.3版》和2003年编写《精通MATLAB 6.5版 》以来，主要精力一直投入于以MATLAB为工具的控制、信号处理及智能计算等研究。与此同时，随着MATLAB的不断升级，每年也为《精通》一书写些修订和增补文档，直接服务于面向本校学生的MATLAB课程。在此七、八年期间，本书作者曾多次尝试《精通》一书的修订，但终因时间不足，致半途而废。
　　2008年秋，MATLAB的默认符号计算引擎由Maple更换为MuPAD。这一重大变化促使本书作者下定“重写《精通》”的决心。此后，历时2年多，完成此书初稿，共1150页（A4版面）。这样大的篇幅令人尴尬。一方面，恐因篇幅过大，而束缚对内容深度与广度应有的舒展；另方面，这千余页篇幅，无疑不便于读者使用。经与编辑多次商讨后，决心对MATLAB与C、C++等外部程序关联的内容作“切除留后”处理，对MATLAB“自封闭”内容则进行了削枝强干的调整。
　　现在本书具有如下几个特点。
　　秉承《精通MATLAB 6.5版》的编写宗旨：全面地多层次地描述MATLAB的通用功能。“全面及多层次”表现为：
　　本书对MATLAB本身的入门引导写得相当细腻，即使是对MATLAB一无所知的读者，也可以循着本书的第1章，顺利跨入门槛。
　　对于那些不大熟悉数值、符号、Simulink等计算、建模的读者来说，只要找到相关章节，沿着若干初始算例树立的“路标”，循序渐进，就能很快通过自我学习获得熟练运用的能力。
　　涉及MATLAB较深应用层面，如数值计算泛函指令的参数传递、符号变量的非负、整数域约束及跨空间计算、Simulink的信息流控制、图形用户界面回调函数编写等内容，本书的阐述也都可以为读者解除困惑。
　　本书276个算例中的绝大多数都是相对独立的，都配有可实际运行的完整解算指令。即使MATLAB新手，或对算例所涉及知识不甚了解的读者，只要循序操作算例指令，并阅读指令后的相关解释，也能顺利实践，获得启发后，更可举一反三。
　　继续保持《精通MATLAB 6.5版》的编写传统：在避免囫囵吞枣的限度内，尽可能简明完整地透析MATLAB指令、Simulink模块的数学本质及其应用。例如：
　　依托有限差分、积分等章节的算例，揭示建立在“浮点数系”基础上的数值计算，如何受“精度、空间、时间”等微观、宏观测度有限性的影响。
　　借助奇异值分解阐述秩、范、子空间等矩阵结构计算的数值本质，借助特征值分解描述矩阵函数的计算本质。
　　鉴于MATLAB R2011a版关于随机流概念的系统归纳和rng新指令的给出，本书用较多篇幅阐述了伪随机流、随机序列的创建、重现控制和独立性控制的多种方法。此外，还简明描述了均值、偏差、斜度、峭度等统计量的几何意义及计算指令。
　　提出求取系统传递函数的代数方程符号法，此法不仅系统性强而不依赖“人工技巧”，而且还原了梅逊信流图法的数学实质。
　　借助积分模块的两种不同数学表述，隐喻Simulink积分解算方式与数值积分指令的本质差异——前者体现“时间流”，后者依赖“数据流”。
　　保持并延伸《精通MATLAB 6.5版》所涉内容的数学知识纵深度，多方位地适应MATLAB用户知识层面的深化和多样化。例如：
　　在数值积分方面，不仅介绍了MATLAB“求面积、求体积”的quad类指令，而且介绍了样条积分、Monte Carlo积分、Simulink积分的基本原理和实现方法。
　　在随机变量和数理统计方面，较大篇幅增添的内容有：全局随机流、随机序列的创建、重现控制和独立性控制，三阶斜度、四阶峭度计算等。
　　在模型拟合和参数估计方面，新增内容——以多项式拟合为算例，描述了拟合参数标准差及置信区间、新观察预测区间等。
　　在优化计算方面，不仅介绍了无约束优化计算，还新增了带约束优化计算及全域寻优算法和思想。
　　推介MATLAB现代计算能力在方法学层面的新表现，描述这种现代计算能力对“计算尺时代”遗留下来的传统概念、方法和技巧的审视和冲击。例如：
　　第5.7.1节利用代数方程求根的现代计算能力和MATLAB的图形表现力，直接根据不同放大倍数下求得的闭环根序列，绘制“精良根轨迹”，并进而借助MATLAB提供的数据探索工具形象、互动地表现放大倍数与闭环根之间的依赖关系。这种新方法概念清晰、操作简单、图形精准。值得指出的是：现今高校教材所教授的传统根轨迹绘制法，乃是建立在“计算尺能力”之上的。
　　第5.7.2节利用求解符号代数方程的现代能力，直接求取“方框图”或“信流图”的系统传递函数。该方法系统性、规范性及计算的简单性远胜于“计算尺时代”的梅逊法。值得指出的是：梅逊法至今仍广泛地存在于我国高校的“信号与系统”“自动控制原理”等教材中。
　　第5.8.3节，借助MATLAB的图形表现力，绘制误差曲面，形象地展示了泰勒近似的“邻域适用性”。
　　第8.7.51小节利用微分方程单步仿真法绘制“状态轨迹”，其对系统性状的描述能力远强于“传统相轨迹”。这种单步状态轨线，不仅能精确地表现稳定平衡点周围的速度场，而且能同样精确地表现不稳定平衡点周围的速度场。
　　第8.7.52小节利用数值优化指令求得的ITAE标准型系统的性能显然优于“模拟机时代”给出的那些传统ITAE标准型系统。
　　本书特别在第6.8节新增3小节用于表述MATLAB的交互式数据探索工具：数据探针、数据刷和数据链。而算例5.7.1则综合地表现了数据探索工具的具体应用。
　　算例4.53、4.121、4.123分别表现了MATLAB图形能力在非线性方程求解、单变量寻优、带约束二元函数寻优等方面的应用价值。
　　本书
　　第9章详细叙述了对研究方法有重大影响的图形用户界面（GUI）的制作方法。该章算例9.21展示了GUI表现二阶系统阶跃响应各种特征时所特有的能力。
　　此外，也对原《精通MATLAB 6.5版》少部分内容进行了删减。
　　完全删去原书中的“MATLAB编译器”、“应用程序接口API”两章。原因是：一，避免因篇幅限制，使其内容显得肤浅；二，避免因外部程序变化，使其内容不稳定。
　　删除原书中“句柄图形”一章。原因是：一，各种图形对象的属性，现已可在MATLAB图形窗中便捷地读取和设置；二，部分常用的图形对象属性的指令设置内容已被融入新书的其他章节。
　　原书中“Notebook”一章，精简后以附录形式出现。
　　3. 内容简介
　　全书由目录、正文、附录和随书光盘组成。正文共9章。
　　第1章基础准备及入门
　　详细讲述MATLAB的工作平台、基本特征和使用方法，讲授如何借助MATLAB的帮助系统解决所遇到的困难。任何MATLAB新手借助本章都可以比较顺利地跨入MATLAB门槛。
　　第2章数值数组及向量化运算
　　介绍MATLAB的两个数据类型（数值数组、逻辑数组），两个特有变量（“非数”及“空”），两个MATLAB指令及编程特征（数组运算和向量化编程）。其中数值数组创建、编址、援引寻访、扩展收缩等所涉的概念和技法也适用于其他数据类型数组。
　　第3章字符串、胞元和构架数组
　　集中介绍字符串、胞元、构架三种数据类型的创建、特点及相互转换。掌握这些数据类型有助于理解MATLAB（方程求解、优化）泛函指令、图形对象、Simulink模型模块等的参数设置和使用。
　　第4章数值计算
　　集中描述MATLAB的数值计算能力，其节次按数学类别划分。所涉数学理论知识大致涵盖理工科本科及研究生知识层面。每个算例都会简明地勾勒问题的来龙去脉，帮助读者克服由于理论数学、计算数学、MATLAB指令间的知识跳跃和交叉引起的困惑。
　　第5章符号计算
　　MATLAB由数值计算引擎驱动，其随带的符号计算引擎是MuPAD。本章内容完全适配MuPAD引擎。该章的解题理念、建模计算、结果表述等都不同于数值计算，而与传统教科书的理论内容相似，因此学生更容易接受并使用。因为该章内容相对独立，所以在内容设计上，安排了从简单入门到跨空间进入MuPAD环境的多层次节次。
　　第6章数据可视及探索
　　系统阐述离散数据绘制成图的基本机理、基本技法、绘图指令的调用和搭配。介绍MATLAB图形窗所具备的“数据——图形双向交互能力”，推介MATLAB最新体现的“交互式数据探索”研究方法。
　　第7章M文件和函数句柄
　　系统介绍MATLAB编程的基本构件、数据流控制、各类子函数、两种函数句柄、泛函计算指令、跨空间调用和赋值等内容，为编写较复杂程序读者所必读。
　　第8章Simulink交互仿真环境
　　Simulink的建模、解算、结果表述既不同于数值计算，也不同于符号计算，相对独立，由浅入深层次分明。第一个算例，非常详尽地描写Simulink的交互式建模步骤、操作要领、注意事项，以使新手可循此例而入门。其他节次则涉及构造并运作复杂Simulink模型所必需的各种连续和离散模块，各种条件控制子系统，各种操作指令。
　　第9章图形用户界面（GUI）
　　重点介绍GUI的GUIDE辅助设计法。算例9.21的细腻叙述，足以帮助对GUI完全陌生的读者，初步掌握创建图形用户界面的全部操作要领。该章内容的重要性在于：GUI不仅使研发过程友善、结果表现形象生动，而且有孕育新研发技术和思维方式的潜能。
　　附录共3个。
　　附录A Notebook
　　简扼介绍Notebook工作环境的创建、组织及应用。该附录将有助于读者创建集文字表述、数学公式、解算指令、计算结果、图形表现于一体的学术演讲稿、教学课件、科研报告、学位论文等。
　　附录 B 光盘使用说明
　　专为随书光盘编写，主要用于：说明光盘mbook目录上所载DOC文件的开启环境和使用方法；说明光盘mfile目录上M、MDL文件的使用。
　　附录 C 索引
　　根据英文字母排列次序，列出了本书叙述文字或算例中所涉及的所有符号、指令、模块和图形对象属性的“英文关键词（或符）”。读者借助该“索引”，可以由“英文关键词（或符）”找到相关的中文说明或使用算例。
　　4. 读者对象
　　MATLAB自身性质决定了本书的主要读者对象是：需要数学建模、研究分析、理论验证、计算机仿真的各类大学生、研究生、教师和科研人员。
　　本书的章节安排、各章内容、276个算例是作者根据MATLAB所跨数学及程序语言两大范畴的内涵融合而成的。与一般程序语言类书籍相比，本书的特点在于：包含了较大篇幅的理论数学、计算数学及其他专业基础方面的理论描述。而与一般的数学教材、计算方法书籍相比，不同之处又在于：本书并不停留于纯推理性阐述，而特别注重于表述完成计算任务的MATLAB指令的使用要旨及注意事项。因此，本书可以用作为MATLAB编程、数学建模、科学计算、数字仿真的综合教学用书和科研参考书。
　　本书在讲述数值建模、符号建模、Simulink建模、及GUI制作等内容时，都专门设计了操作步骤及引导性算例（所涉工具介绍得特别详细），用以帮助初学者顺利地入门，并使他们在阅读指令的注解说明后，可以举一反三。因此，本书也可以供各类研发人员自学使用。
　　除显而易见的简单算例外，本书作者在设计和编写算例时，尽力在理论和编程两方面保持各算例的独立性和完整性，以供各类读者根据需要随时片段地翻阅，掌握具体的算法和指令配合。换句话说，像字典一样，本书可用作查阅算法或MATLAB具体指令调用方法的“手册”。
　　5. 使用建议
　　本书用于教学时，教师可参考本书章节次序安排教学进程。讲授时，不建议使用PowerPoint形式的课件，而建议采用Notebook制作的课件。这是因为，后者可以让听课的学生在Word文字环境中看到MATLAB指令的实时操作和现场显示出的数值或图形结果。本书为教师制作课件方便，在随书光盘里，提供了保持全书章节结构、算例可运行M码的电子文档。
　　本书用于系统自学时，读者可不必循序阅读，也不建议通读。建议先认真阅读并实践入门性算例，而不必强求自己去操练那些数学知识过深或编程过于复杂的算例。此外，再次诚恳地建议：不要采用“复制随书光盘中现成M码”的方法，去实践本书算例，而应采用“自己键入”的方式去实践，以体会编写程序的思路和过程。
　　本书用作“手册”查阅参考时，读者应注意目录、索引、英文关键词的不同检索功用。目录用于“可能模糊的内容”检索；索引用于“已知指令名称”的交叉检索；（本书中出现的）英文关键词专供MATLAB帮助浏览器信息的检索使用。
　　本书所有算例的M码都是可靠且可运行的，所有算例结果也都是可重现的。至于那些无法通过纸质书籍表现的Simulink模型代码和彩色图形，读者都可以在随书光盘中找到相应的MDL文件或电子文档。
　　随书光盘中，还存放有与《精通MATLAB 6.5版》相配的电子文档，以供读者不时之需。
　　6. 致谢
　　本书是作者长年科研和教学积累的结果。本书的成稿得到张昀、阮秀凯、靳种宝、李娟娟、胡丽珍、谢逢博、冯子豪、王贵银、张传飞、朱捷、钱建平、江洁、蒋啸、王担担、张蓉等博士和硕士研究生的帮助和支持，得到我始终一贯的合作者杨祖樱教授的全力支持。借本书出版之际，向他们表示真诚的感谢。
　　最后还要感谢北京航空航天大学出版社长期一贯的支持和合作。
　　本书虽几经反复筛选提炼，但限于作者知识，赘病、错误和偏见仍难避免。在此，恳切各方面专家和广大读者的不吝指教。
　　作者
　　2011年6月初于南京江宁

　　张志涌，籍贯无锡，教授，博士生导师，享受国务院专项津贴；IEEE高级会员、智能自动化专委会委员、机器人竞赛工作委员会委员、江苏省自动化学会常务理事；先后受教育于清华大学、上海交通大学、荷兰王国Eindhoven技术大学。
　　1989年至今，先后用MATLAB 3.0及以后各版本，从事系统辨识、故障诊断、系统仿真、智能计算和控制、无线信道盲辨识及盲均衡、仿真机器人足球和多智能体等方面的研究，先后主持和完成国家自然科学基金、省部基金资助的科研项目10多项，以作者身份发表论文80余篇。
　　1993年起，先后为研究生、本科生讲授模式识别、系统辨识、故障诊断、自控原理、盲系统辨识和盲信号处理、MATLAB与仿真等课程。其中MATLAB与仿真课程，至今已有十多年的持续讲授经验。
　　2003年起，利用MATLAB作为研究基础和仿真平台，从事SCILAB科学计算开放软件和RoboCup 2D/3D仿真足球机器人研究，指导学生在国内外大赛中持续取得包括冠军、世界冠军在内的优异成绩。
　　1992年对MATLAB 3.0实现汉化，并编写相应讲义。1997年出版《掌握和精通MATLAB》；2000年出版《精通MATLAB 5.3版》；2001年出版《MATLAB教程——基于6.x版本》。2003年出版《精通MATLAB 6.5版》；2006年出版《MATLAB教程》的版，该书每年都作更新，以及时适应MATLAB的变化，版已升级至R2011a；2011年出版本书《精通MATLAB R2011a》。

第1章 基础准备及入门
1.1 MATLAB的安装和工具包选择
1.2 Desktop操作桌面的启动
1.2.1 MATLAB的启动
1.2.2 Desktop操作桌面简介
1.3 CommandWindow运行入门
1.3.1 CommandWindow指令窗简介
1.3.2 最简单的计算器使用法
1.3.3 数值、变量和表达式
1.数值的记述
2.变量命名规则
3.MATLAB默认的数学常数
4.运算符和表达式
5.面向复数设计的运算——MATLAB特点之一
6.面向数组设计的运算——MATLAB特点之二
1.4 CommandWindow操作要旨
1.4.1 指令窗的显示方式
1.默认的输入显示方式
2.运算结果显示
3.显示方式的永久设置
1.4.2 指令行中的标点符号
1.4.3 常用控制指令
1.4.4 指令窗中指令行的编辑
1.5 历史指令窗（Command History）
1.5.1 Command History历史指令窗简介
1.5.2 历史指令的再运行
1.6 当前目录浏览器（Current Directory）、路径设置器和文件管理
1.6.1 当前目录浏览器简介
1.6.2 用户目录和当前目录设置
1.6.3 MATLAB的搜索路径
1.6.4 MATLAB搜索路径的扩展
1.何时需要修改搜索路径
2.利用设置路径对话框修改搜索路径
3.利用指令path设置路径
1.7 工作空间浏览器和变量编辑器
1.7.1 工作空间浏览器和变量可视化
1.7.2 工作空间的管理指令
1.查询指令who及whos
2.从工作空间中删除变量和函数的指令clear
3.整理工作空间内存碎片的指令pack
1.7.3 VariableEditor变量编辑器
1.7.4 数据文件和变量的存取
1.借助工作空间浏览器产生保存变量的MAT文件
2.借助输入向导ImportWizard向工作空间装载变量
3.存取数据的操作指令save和load
1.8 Editor/Debugger和脚本编写初步
1.8.1 Editr/DebuggerM文件编辑器简介
1.8.2 M脚本文件编写初步
1.9 帮助系统及其使用
1.9.1 帮助体系的三大系统
1.9.2 常用帮助指令
1.函数搜索指令
2.词条搜索指令
1.9.3 Help帮助浏览器
1.帮助浏览器的导出
2.帮助浏览器界面简介
3.帮助浏览器默认显示的利用

第2章 数值数组及向量化运算
2.1 数值数组的创建和寻访
2.1.1 一维数组的创建
1.递增/减型一维数组的创建
2.其他类型一维数组的创建
2.1.2 二维数组的创建
1.小规模数组的直接输入法
2.中规模数组的数组编辑器创建法
3.中规模的M文件创建法
4.利用MATLAB函数创建数组
2.1.3 二维数组元素的标识和寻访
1.数组的维数和大小
2.数组的标识和寻访
2.1.4 数组的扩缩和特殊操作
1.数组的扩充和收缩
2.数组的特殊操作
3.数组操作函数
2.2 数组运算
2.2.1 数组运算的由来和规则
1.函数关系数值计算模型的分类
2.提高程序执行性能的三大措施
3.数组运算规则
4.数组运算符及数组运算函数
2.2.2 数组运算和向量化编程
2.2.3 数组特殊运算指令汇总
2.3 高维数组
2.3.1 高维数组的创建
2.3.2 高维数组的孤维删除
2.3.3 高维数组的维度重排
2.4 “非数”和“空”数组
2.4.1 非数NaN
2.4.2 “空”数组
2.5 关系操作和逻辑操作
2.5.1 关系操作
2.5.2 逻辑操作
2.5.3 常用逻辑函数

第3章 字符串、胞元和构架数组
3.1 MATLAB的数据类型
3.2 字符串数组
3.2.1 串数组的属性和标识
3.2.2 复杂串数组的创建
1.多行字符串数组的创建
2.利用胞元数组创建复杂字符串
3.2.3 串转换函数
3.2.4 串操作函数
3.3 胞元数组
3.3.1 胞元数组的创建和显示
1.胞元标识寻访和内容编址寻访的不同
2.胞元数组的创建和显示
3.3.2 胞元数组的扩充、收缩和重组
3.3.3 胞元数组内容的获取和配置
3.3.4 胞元与数值数组之间的转换
3.3.5 对胞元数组运算的cellfun指令
3.3.6 胞元数组的操作函数汇总
3.4 构架数组
3.4.1 构架数组的创建和显示
1.直接创建法及显示
2.利用构造函数创建构架数组
3.4.2 构架数组域中内容的调取和设置
3.4.3 构架数组的扩缩、域的增删和域名重排
3.4.4 构架数组和胞元数组之间的转换
3.4.5 对构架域运算的structfun和arrayfun指令
3.4.6 构架数组的操作函数汇总

第4章 数值计算
4.1 MATLAB的浮点数体系
4.2 数值微积分
4.2.1