Termin 4: Programmieren in MATLAB
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- Damian Dittmar
- vor 8 Jahren
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1 Termin 4: Programmieren in MATLAB Währ dieses Termins werden Sie die Gelegenheit haben, sich am PC in die Grundlagen der Programmierung in MATLAB einzuarbeiten. Sie werden zwei mögliche Programmformen kennenlernen: Skripte und Funktionen. Außerdem werden wir auf die Datenstrukturen, die Kontrollstrukturen und einige nützliche Befehle eingehen. Bearbeiten Sie die unten aufgelisteten Aufgaben in der dargestellten Reihenfolge und nutzen Sie die Möglichkeit, den Betreuern/innen Fragen zu stellen. Währ der Übung am PC: Bearbeiten Sie Abschnitt 2 Lösen Sie die Aufgabe 2.2 Lösen Sie die Zusatzaufgaben 1 bis 3 (aus der Präsentation) Sollte Ihnen noch Zeit bleiben: Lösen Sie die Aufgabe 2.1 Lösen Sie die Zusatzaufgabe 4 aus der Präsentation Betreuung Martín Chávez Murielle Epal Sebastian Stinner m.chavez@irt.rwth-aachen.de F.Epal@irt.rwth-aachen.de S.Stinner@irt.rwth-aachen.de
2 TREFFPUNKT MATLAB Programmieren in Matlab Dipl.-Ing. Martín Chávez TPM, Programmieren mit Matlab 1 Gliederung 1 Kontrollstrukturen 2 Skripte und Funktionen 3 Nützliche Befehle 4 Strukturen 5 Programmieren mit Vektoren TPM, Programmieren in MATLAB 2
3 Kontrollstrukturen Alternation: If elseif else Ausführung einer oder mehrerer Anweisungen in Abhängigkeit von einer Bedingung Für die Argumente der if-anweisungen werden in der Regel logische Ausdrücke verwet. a <= b ist a kleiner gleich b? a == b ist a gleich b? a ~= b ist a ungleich b? Isempty(a) ist die Variable a leer? ischar(a) ist a ein Zeichen? isnumeric(a) ist a eine Zahl? exist(a) ist die Variable, Datei, etc. vorhanden? if(bedingung_1) anweisung_1 elseif (Bedingung_2) anweisung_2... elseif (Bedingung_n) anweisung_n else anweisung 3 Kontrollstrukturen Logische Operationen Die logischen Operationen spielen eine wichtige Rolle, was das Stellen der Bedingungen angeht. Sie ermöglichen es, logische Verknüpfungen zwischen den Ausdrücken zu realisieren. If(a<b c>a) a=b+c; elseif(a==b && a>=c) a=b*c; else a= 0 == ~= &&, ~ gleich ungleich AND, OR NOT Warnung: && und sind nicht gleich mit & und. Die beiden letzten Operatoren sind für elementweise Operationen mit Vektoren und Matrizen reserviert. z.b. [1 2 3]&[0 3 0] 4
4 Kontrollstrukturen switch case otherwise. Formulierung von mehrfachen Verzweigungen, bei denen das Ergebnis eines Ausdruckes den Codeabschnitt bestimmt, der ausgeführt wird. switch(ausdruck) case konst_1 Code_1 case konst_2 Code_2... case konst_n Code_n otherwise Code 5 Kontrollstrukturen: Schleifen Eine Schleife im Programm sorgt dafür, dass ein Teil des Codes so lange wiederholt wird, wie eine Laufbedingung gültig ist (for-schleife) oder bis eine Abbruchbedingung eintritt (while-schleife). Wenn die Bedingung immer erfüllt ist, spricht man von Endlosschleifen. for Variable = Anfangswert : Schrittweite : Endwert Code for i = 0:1:5 y=i+3 while(bedingung) Code a =.7 while( a > 0.1 ) a=a*a 6
5 Skripte und Funktionen Programmdatei erstellen Programmeditor Programmdateien en mit.m Es gibt zwei Arten von Programmen: Skripte und Funktionen Skripte Reihe von auszuführen Befehlen Keine Argumente Variablen werden auf dem Workspace gespeichert Funktionen wie gewöhnliche Matlab-Funktionen (z.b. sin(.)) Ein- und Ausgangsargumente Variablen nur in der Funktion sichtbar function [Aus] = funktionsname(ein) 7 Funktionen function [Ausgangsargumente] = Funktionsname( Eingangsargumente ) % Beschreibung der Funktion (Hilfe) Liste der funktionseigenen Befehle return; % Nicht notwig am Ende der Funktion function c = Funktion( a, b ) % Multiplikation von Vektoren c = a.*b; >> help Funktion Multiplikation von Vektoren >> Funktion([1 2],[3 4]) ans = [3 8] Hinweis: Obwohl die Variablen vom Base-Workspace in der Funktion nicht sichtbar sind, kann mit Hilfe der Befehle assignin und evalin auf diese zugegriffen werden. 8
6 Berechnung der Fakultät einer ganzen Zahl Skript Funktion >> Fakultaet % Ausführen 120 >> y=factorial(5) % Aufrufen y = 120 >> z=factorial(4) z = 24 viel flexibler als die Skript- Ausführung 9 Funktionen nargin, nargout nargin nargout Anzahl der Eingangsargumente der Funktion. Anzahl der Ausgangsargumente der Funktion function [x0, y0] = myplot(x, y, npts, angle, subdiv) % MYPLOT(x, y, npts, angle, subdiv) % Die ersten zwei Eingangsargumente sind in jedem Fall erforderlich if nargin == 5, disp('fall 1'); if nargin== 4, disp('fall 2'); if nargin== 3, disp('fall 3');.. if nargout == 0 plot(x, y); % Wenn kein Ausgangsargument -> plot else x0 = x; y0 = y; % Sonst werden als Ausgänge die Eingangsvektoren gesetzt 10
7 Nützliche Befehle disp Um Text oder Zahlen im Command Window auszugeben, kann der Befehl disp verwet werden. >> disp('guten Tag') Guten Tag >> disp(15) >> 15 fprintf Der Befehl fprintf arbeitet ähnlich wie in C. Man kann die formatierte Information im Command Window zeigen, in Dateien speichern oder in Form einer Zeichenkette einer Variable zuweisen. >> fprintf('jan ist %i Jahre alt', 20); Jan ist 20 Jahre alt 11 Nützliche Befehle input Fordert den Benutzer mit einer Nachricht auf, eine Zahl einzugeben, die einer Variablen zugewiesen werden kann. Soll keine Zahl, sondern ein Zeichen oder eine Zeichenkette (string) eingegeben werden, muss der Parameter 's' hinzugefügt werden. >>Age= input ('Geben Sie Ihr Alter ein: ') Geben Sie Ihr Alter ein: 23 Age = 23 antwort= input('abbrechen? [j/n]:','s') Abbrechen? [j/n]: j antwort = j 12
8 Nützliche Befehle msgbox, uiwait msgbox zeigt Nachrichten in einem separaten Fenster. uiwait blockiert die Durchführung weiterer Operationen und wartet, bis das Fenster h geschlossen wird. Syntax h = msgbox(message) h = msgbox(message,title) h = msgbox(message,title,icon) Syntax uiwait(h) msgbox('willkommen im Treffpunkt MATLAB','IRT') 13 Nützliche Befehle menu Der Befehl menu zeigt ein Menü mit Knöpfen und Überschrift. Die Information über den gedrückten Knopf wird als Ausgabe geliefert. k = menu ('Wählen Sie eine Farbe aus ', 'Rot', 'Grün', 'Blau') Sie können z.b. die Ausgabe dafür verwen, die Farbe einer Abbildung festzustellen. color = ['r','g','b']; plot (1:10, (1:10).^2, color(k)) ; 14
9 Nützliche Befehle DOS ähnliche Befehle pwd gibt das aktuelle Verzeichnis als Zeichenkette aus. mkdir legt ein leeres Verzeichnis an. mkdir('tpm') cd gibt den aktuellen Pfad aus und ermöglicht, zu einem anderen Verzeichnis (inkl. Laufwerk) zu wechseln. cd('c:\')! und system( Befehl ) führen externe (DOS) Befehle bzw. Programme aus. system('dir'),!dir 15 Strukturen Definition Strukturen sind Sammelvariablen, die es ermöglichen, mehrere Felder unterschiedlicher Typen in einer einzigen Variablen zusammen zu fassen. Syntax variablename.feldname = element_zu_speichern student.vorname = 'Martin'; student.nachname = 'Müller'; student.matrikel = 17458; disp(student); 16
10 Zu beachten bei der Programmierung Wichtigkeit der Programmierung mit Vektoren Vektoroperationen sind in MATLAB optimiert und i.d.r. deutlich schneller als selbst programmierte Operationen für Vektoren. Nutzen Sie diese anstatt von Schleifen und if- Abfragen. 17 Institut für Regelungstechnik Viel Spaß mit Matlab!! Dipl.-Ing. Martín Chávez Murielle Epal Sebastian Stinner Matthias Reiter TPM Programmieren in Matlab 18
11 Schreiben Sie ein Skript, das die Werte der Funktion unten in Abhängigkeit von t=-pi:pi/1e4:4*pi berechnet. Die Werte sollen zunächst mit Hilfe von if und for berechnet und in einem Vektor gespeichert werden. y Zusatzaufgabe 1: Vektoroperationen vs. if und for ( t) 0 = t 0,1 sin ( 2π t) + 1 t< 0 0 t< 1 t 1 In demselben Skript wiederholen Sie jetzt die Aufgabe anhand von Vektoroperationen und ermitteln die benötigte Rechenzeit. Ermitteln Sie die Rechenzeit auch für den Fall ohne Vektoroperationen. Welche Methode ist schneller? Warum? Zusatzaufgabe 2: Eine Funktion mit Argumenten Programmieren Sie eine Funktion, welche die n-te Fibonacci-Zahl fn berechnet. Diese Zahl ist folgermaßen definiert: f0 = f1= 1 f0 = f1= 1 f2 = 1+ 1= 2 f3 = 2+ 1= 3 fn = fn 1+ fn 2 f4 = 3+ 2= Zusatzaufgabe 3: Interaktives Programm Schreiben Sie ein Programm, das die Reaktionszeit einer Person beim Tastrücken misst. Mit Hilfe der Befehle rand und round soll dem Nutzer eine ganze Zahl zwischen 0 und 10 gezeigt werden, welche er sofort auf der Tastatur eingeben soll, währ die vergangene Zeit gemessen wird [tic, toc]. Das Verfahren soll zehnmal wiederholt werden. Der Mittelwert der Reaktionszeit (zw. Zeigen und Eingeben) wird als Ergebnis in einem separaten Fenster [msgbox] dargestellt. Falls die Person eine falsche Eingabe macht, muss das Programm mit einer Nachricht abgebrochen werden. Erweitern Sie das Programm so, dass die Reaktionszeiten pro Versuch geplottet werden. Erweitern Sie das Programm so, dass folge von der Reaktionszeit (Mittelwert) abhängige Nachrichten angezeigt werden: T < 0,5 sek Du bist sehr schnell!! T < 1 sek Du bist schnell!! T < 2 sek Nicht sehr beeindruck!! T > 2 sek Eine Schildkröte wäre schneller als du!! 20
12 Zusatzaufgabe 4: Arbeiten mit Strukturen + Speichern und Laden Es soll eine Software geschrieben werden, um Datenbanken von Personen zu erzeugen. Schreiben Sie dafür ein Programm, bei dem Vorname, Nachname und Alter eingegeben und gespeichert werden können. Diese Information über die Personen soll als Vektor von Strukturen verwaltet werden. Das Programm soll auch in der Lage sein, bei der Eingabe eines Nachnamens die Information zu den entsprechen Personen zu zeigen. Darüber hinaus soll es möglich sein, die vollständige Liste von Personen und Daten der Datenbank im Command Window zu zeigen. Die Datenbank muss in einer Datei auf.\datenbank\liste.mat gespeichert werden, damit diese beim nächsten Start des Programms geladen wird. 21
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