《MATLAB图形绘制》PPT课件.ppt

2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 1 MATLAB图形绘制 蔺勇智制作2008 4 9 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 2 本次课程主要介绍内容 基本图形绘制 平面 三维图像绘制特殊图形绘制MATLAB编程绘制曲线仿真系统分析图形绘制 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 3 1 绘制3条普通的正弦曲线 区间为0 2 步长为 100 命令为 t 0 pi 100 2 pi y sin t y2 sin t 0 25 y3 sin t 0 5 plot t y t y2 t y3 如果想指定线形 则进行如下操作 plot t y t y2 t y3 绘制图形如图所示 基本图形绘制 返回 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 4 2 数据点绘制随意定义2个矢量 如下面所示命令为 x 0 pi 15 4 pi y exp 2 cos x plot x y r r表示颜色为红色 表示点的形状 绘制图形如图所示 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 5 三维图形绘制 准备绘图数据 数据可以是实际工作中采集的数据 也可以由各种命令或函数创建 如峰形函数peaks来生成实验数据 创建出图形窗口 可以用figure函数创建 也可以由灰图函数自动创建窗口 调用二维绘图命令 例如plot mesh surf等函数 当然 也可以自己编写灰图函数命令 根据需要绘制图形 修饰图形 例如标注轴 设置视角 设置光源 改变着着色模式等 当然 也可以使用MATLAB提供的默认值 下面将以创建一幅三维图形进行说明 具体步骤如下 返回 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 6 plot3函数一般的语法调用格式为 plot3 x y z 调用该命令后 将在三维空间产生一条曲线 该曲线上的点的坐标分别为矢量x y z的相应元素 同时 MATLAB还为该三维曲线生成二维投影 例如 以下程序代码将绘制一条三维螺旋线 绘制结果如下所示t 0 pi 50 10 pi plot3 sin t cos t t axissquare gridon 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 7 三维绘图指令示例 subplot 221 x 6 rand 100 1 3 x为 3 3 间的100点随即数y 6 rand 100 1 3 y为 3 3 间的100点随即数z peaks x y z为peaks指令产生的100点输出 X Y meshgrid 3 0 1 3 网格点输出Z griddata x y z X Y cubic 曲面网格点插值输出mesh X Y Z 绘制立体网状图holdon 在当前坐标轴图形里添加绘制图形plot3 x y z MarkerSize 16 绘出100点采样值holdoff 重置坐标系 绘制新图形 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 8 axistight 设置坐标数值范围为当前数据范围subplot 2 2 2 ezsurfc sin x y x y 精确绘制带有等高线的曲面图subplot 2 2 3 t linspace 0 10 pi 501 plot3 t sin t t cos t t t sin t t cos t t 同时绘制两条曲线subplot 2 2 4 X Y Z peaks 30 waterfall X Y Z 水流效果 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 9 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 10 特殊图形绘制 面域图 直方图 饼图 等高线 相量图 散点图等均属于特殊图形的范畴 现在详细介绍如下其绘制方法 1 面域图 直方图 饼图直方图和面域图主要用于在一定时域内比较不同数据集的结果 并且显示这些数据的总和 直方图用于离散数据的显示 而面域图显示连续数据的显示 饼图用来显示数据元素在总体中所占的百分比的情况 排列图是相量按递减顺序的直方图 它反映出递减数据百分比的变化情况 这四种图形直观体现了数据间的大小关系或比例情况 返回 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 11 area函数的示例如下 Y 1 5 3 3 2 7 曲线一 1312 1 5 3 曲线二 6568 1312 5256 2 6 1 曲线三 91299 6568 3731 subplot 221 area Y 依次列项相加绘制曲线 如上面的三个曲线相量 并填充曲线中的区域gridonsubplot 222 Y rand 3 5 h bar Y 1 subplot 223 Y cool 7 bar3 Y stacked subplot 224 bar3h Y 0 25 detached 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 12 绘制结果如下所示 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 13 饼图pie函数有多种格式 在pie X 中X可以是相量也可以是矩阵 如果X中各个元素的和大于等1 则绘制出来的饼图中每个切片占整个饼图的百分比为这个元素在X的元素值和中的百分比 如果X中各个元素的和小于1 则绘制的是一个不完整的饼图 每个切片占整个饼图的百分比就是对应于这这个元素的值 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 14 pie X explode 中的参数explode的维数须和X的维数一致 explode中非零元对应的切片就是分离的切片 pareto Y 中的条形长度对应于Y元素的数值 Y递减顺序的下标作为x轴的数值 这里Y只能是相量 pareto Y names 中的参数names元素作为每个条形x轴标注 pareto Y X 中的X参数元素值作为对应Y元素的x轴标注 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 15 现举例子说明如下 subplot 121 x 130 52 52 explode 01000 pie x explode subplot 122 names 一 二 三 四 五 pareto x names 其绘制结果如下页所示 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 16 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 17 2 等高线的绘制在地理 气象等学科中 我们经常需要反映地理 海流等随经纬度变化的情况 这时就需要绘制等高线 在MATLAB中提供了两类等高线绘制函数 二维等高线函数 contour contourf 和三维等高线函数 contour3 另外contourc函数提供计算数组等高线的功能 现在举一个例子简单说明一下等高线的绘制 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 18 绘制等高线的示例 X Y meshgrid 2 2 2 2 2 3 表面网格函数Z X exp X 2 Y 2 subplot 131 C b contour X Y Z 10 clabel C h 等高线的标注subplot 132 C h contourf peaks 10 绘制等高线并填充 格式与contour函数一致caxis 2020 伪彩色 设置轴参数CLim和CLimModeclabel C h subplot 133 C h contour3 X Y Z 30 绘制三维等高线 格式和contour函数类似 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 19 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 20 3 向量图的绘制在MATLAB中 箭头图通常用来表示方向 二维箭头图quiver X Y U V 在点 X Y 上用箭头绘制具有元素 U V 的速度向量 矩阵X Y U V必须具有相同的大小 其中含有相应的位置和速度向量 quiver scale 中的参数scale代表缩放的比例 scale 0时 向量为默认长度 1 此时自动调整缩放比例 以防止图形交叠 三维箭头图函数的使用办法和二维箭头图函数类似 很容易理解 看下面的实例 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 21 程序如下 X Y meshgrid 2 2 2 Z X exp X 2 Y 2 subplot 121 DX DY gradient Z 2 2 梯度计算contour X Y Z 绘制等高线holdon quiver X Y DX DY 绘制箭头holdoffsubplot 122 U V W surfnorm X Y Z 计算三维表面图的法线quiver3 X Y Z U V W 0 5 绘制三维箭头图holdon surf X Y Z 绘制网格表面图axis 22 22 4 4 holdoff 设定坐标 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 22 绘制结果如图所示 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 23 4 直方图的绘制直方图是通过一组矩形条来反映数据的分布情况 直方图包括笛卡儿坐标系下的直方图和极坐标系下的直方图 hist函数用于绘制笛卡儿坐标系下的直方图 例如 subplot 121 x 2 9 0 1 2 9 y randn 1000 1 生成一个随即数矩阵hist y x 绘制笛卡儿坐标系下的直方图subplot 122 theta 2 pi rand 1 50 rose theta 绘制极坐标系下的直方图 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 24 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 25 5 散点图的绘制在科学和工程计算中 散点图用于大量数据分布情形的统计分析 在MATLAB中用于绘制散点图的函数有三个 scatter函数 scatter3函数 和plotmatrix函数 scatter X Y S C scatter X Y 和scatter X Y S 表示在向量X和Y所在的坐标处绘制一个圆形的图标 参数S定义了圆形图标的大小 可以为向量也可以为一个常数 S为向量时 S长度应该和X Y相同 S为一个常量时 圆形图标具有相同的大小 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 26 参数C定义了每个圆形图标的颜色 当C为向量时 C的长度应该和X保持一致 每个图形图标的颜色由C的元素决定 当C为length X 3的矩阵时 图形图标的颜色由RGB参数定义 C也可以是颜色字符串量 如 r y 等 现在举一个绘制散点图的例子 例子如下 subplot 121 loadseamount 打开海 底 山数据scatter x y 5 z 绘制散点图subplot 122 x y z sphere 16 获取球体的坐标X x Y y Z z 矩阵的转换 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 27 C floor abs Z 255 S floor abs Z 1 50 定义图标大小和颜色与球体的纬度有关scatter3 X Y Z S C filled 绘制三维散点图 填充图标 参数filled表示填充图标 其绘制结果如下图 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 28 散点图的绘制结果 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 29 6 圆柱体 椭圆体 球体和彩带图函数的特殊三维图的绘制圆柱体cylinder函数 椭圆体vellipsoid函数 球体sphere函数和彩带图ribbon函数是一些比较特殊的三维绘图函数 现在简单举例如下 程序 subplot 221 t 0 pi 10 2 pi X Y Z cylinder 2 cos t 绘制圆柱体surf X Y Z axissquaresubplot 222 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 30 xyz ellipsoid 1 2 3 5 1 10 椭圆体数据产生view 3 surface x y z 绘制椭圆 中心为 1 2 3 半径为 5 1 10 subplot 223 sphere axisequal 绘制球体subplot 224 x y meshgrid 3 5 3 3 1 3 z peaks x y ribbon y z 绘制彩带图 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 31 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 32 MATLAB编程绘制曲线 MATLAB也可以运用循环语句来绘制曲线 本节主要介绍如果根据已知数学表达式来运用MATLAB循环语句绘制曲线的方法 现在向大家介绍一个用switch case语句绘制曲线的例子 例 绘制的曲线 程序如下 t 0 0 1 18 forx 0 2 0 2 0 8 返回 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 33 b sqrt 1 x 2 z atan b x y1 t x y2 t b z y 1 exp y1 sin y2 b switchround 10 x 将x圆整成整数case2plot t y r holdon 采用switch结构 根据不同x值 曲线用不同颜色 数据点画出 case4plot t y b holdoncase6plot t y k holdonotherwiseplot t y g holdonendxlabel t 秒 ylabel y title 二阶系统阶跃响应 legend xi 0 2 xi 0 4 xi 0 6 xi 0 8 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 34 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 35 仿真系统分析图形绘制 在介绍此类曲线的绘制之前 先向大家介绍一些这部分的基本知识 1 传递函数模型 对于一个连续单输入单输出 SISO 的LTI系统 设输入量为Xi s 输出量为Xo s 则系统的传递函数G s 可以表示为 返回 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 36 对应的脉冲传递函数为在MATLAB中 传递函数描述法是通过传递函数分子和分母关于s降序排列的多项式系数来表示的 并用向量num和den表示 num b0b1 bm 1bm den a0a1 am 1am 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 37 在本节中 主要向大家介绍一下连续系统频率特性的MATLAB函数 所以这里有必要给大家介绍一下如何运用MATLAB对频率响应函数的计算方法 2 频率响应函数的计算 1 polyval 因为G jw 的分子 分母均为有理多项式 可用多项式计算指令ployval 计算系统的频率响应 其调用格式为Y polyval P X 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 38 说明 P是多项式系数向量 降幂排列 X是自变量 应设为jw Y是返回的计算结果 复数数组 对Y利用abs angle 即可求出系统的幅频特性和相频特性 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 39 例如 绘制系统的幅频特性曲线和相频特性曲线 程序如下 num 1111 den 11540 w 0 05 0 01 0 5 pi 产生频率向量Gw polyval num j w polyval den j w 产生频率特性mag abs Gw 计算幅频特性theta angle Gw 计算相频特性subplot 2 1 1 plot w mag grid title 幅频特性 ylabel G 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 40 subplot 2 1 2 plot w theta grid title 相频特性 xlabel omega rad s ylabel deg 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 41 2 freqs 若已知系统传递函数 还可以用freqs求系统的频率相应 其有以下几种调用格式h freqs b a w 指定实式角频率 返回响应值 h w freqs b a 自动确定200个频率点 返回响应值和对应的角频率向量 h w freqs b a f 指定频率 HZ 向量 返回响应值和对应的角频率向量 freqs b a w 绘制对指定正实角频率向量的幅频和相频特性曲线 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 42 说明 b a均为系统传递函数的分子 分母的系数向量 在返回指令值的指令中 需调用abs 和angle 求取幅频和相频特性 第四种调用可直接绘制系统的幅频和相频特性曲线 其中幅频特性曲线为全对数坐标 而相频特性曲线为半对数坐标 并且可以不指定频率向量 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 43 例子 用freqs 指令重绘上面例子所示系统的频率特性曲线 程序如下 num 1111 den 11540 w 0 05 0 01 0 5 pi 产生频率向量freqs num den w 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 44 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 45 若不指定频率向量w 直接执freqs num den 结果如下所示 显然该指令能够自动确定系统频率响应何时得频率范围 程序如下 num 1111 den 11540 freqs num den 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 46 2020 3 20 哈尔滨理工大学机械动力工程学院蔺勇智制作 47 请大家指正 谢谢