数据及函数的可视化公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx

第三章 数据和函数的可视化仿真技术第三章 数据及函数可视化本章主要内容下列：3.1 可视化基本环节3.2 二维曲线绘图3.3 三维曲线绘图3.4 图形窗功效简介 数据可视化是数据分析、系统分析一个主要办法。MATLAB含有丰富且易于理解和使用绘图指令，数据和函数可视化是MATLAB主要构成部分。第1页第1页第三章 数据和函数的可视化仿真技术第2页第2页第三章 数据和函数的可视化仿真技术3.1 可视化基本环节1.曲线数据准备（以二维图形为例）：n选取一个参变量采样向量n计算各坐标数据向量2.选定图形窗及子图位置；3.调用曲线绘图指令；4.设置轴范围5.图形注释（图名、坐标名、图例、文字阐明）。第3页第3页第三章 数据和函数的可视化仿真技术例用图形表示 y=sin(t)sin(9t).t=(0:100)/100*pi;y=sin(t).*sin(9*t);subplot(2,1,1),plot(t,y,r.),axis(0,pi,-1,1),title(子图1)subplot(2,1,2),plot(t,y),axis(0,pi,-1,1),title(子图2)%产生参变量采样向量%产生数据向量%拟定子图、线%型、注释等第4页第4页第三章 数据和函数的可视化仿真技术3.2 二维曲线绘图3.2.1 plot基本调用格式a)plot(X,s)nX为实向量时，以该向量元素下标为横坐标，元素值为纵坐标画一条连续曲线。nX为实矩阵时，则按列绘制每列元素值相对其下标曲线，图中曲线数等于X阵列数。nX为复数矩阵时，则按列绘制每列以元素实部和虚部为横、纵坐标绘制多条曲线。n用来指定线型、色彩等，缺省时为MATLAB默认设置。第5页第5页第三章 数据和函数的可视化仿真技术【例3-1】二维曲线绘图基本指令演示一。t=(0:pi/50:2*pi);k=0.4:0.1:1;Y=cos(t)*k;plot(Y)%生成(101*1)时间采样列向量%生成(1*7)行向量%生成(101*7)矩阵第6页第6页第三章 数据和函数的可视化仿真技术3.2 二维曲线绘图3.2.1 plot基本调用格式b)plot(X,Y,s)nX、Y是同维向量时，绘制X、Y元素为横、纵坐标曲线。nX是列向量，Y是与X等行矩阵时，以X为横坐标，按Y列数绘制多条曲线。nX是矩阵，Y是向量时，以Y为纵坐标按X列数绘制多条曲线。nX、Y是同维矩阵时，以X，Y相应列元素为横、纵坐标分别绘制曲线，曲线条数等于矩阵列数ns意义与其在plot(X，s)中相同。第7页第7页第三章 数据和函数的可视化仿真技术【例3-2】二维曲线绘图基本指令演示二：plot(t,Y)、plot(Y,s)所绘图形比较。t=(0:pi/50:2*pi);k=0.4:0.1:1;Y=cos(t)*k;plot(t,y)%生成(101*7)矩阵%生成(1*7)行向量%生成(101*1)列向量第8页第8页第三章 数据和函数的可视化仿真技术3.2 二维曲线绘图3.2.2 曲线色彩、线型和数据点形a)色彩和线型线型符号-：-.-含义实线虚线点划线双划线色彩符号bgrcmykw含义蓝绿红青品红黄黑白 【说明】当s缺省时，默认设置为 曲线一律用“实线”线型。不同曲线按表中所给前七种颜色次序着色,依次为蓝、绿、红等.第9页第9页第三章 数据和函数的可视化仿真技术【例3-3】二维曲线绘图基本指令演示三：色彩和线型。用图形表示连续调制波形 及其包络线。t=(0:pi/100:pi);y1=sin(t)*1,-1;y2=sin(t).*sin(9*t);plot(t,y1,r:,t,y2,b)axis(0,pi,-1,1)%生成（101*1）时间采样列向量%生成（101*2）矩阵（包络线函数值）%生成（101*1）调制波列向量%用红虚线绘y1，用蓝实线绘y2第10页第10页第三章 数据和函数的可视化仿真技术3.2 二维曲线绘图3.2.2 曲线色彩、线型和数据点形b)数据点形n数据点形用来标志数据点，既可单独使用也可与色彩、线型组合使用。符 号含 义符 号含 义.实心黑点d菱形符+十字符h六角星符朝上三角符o空心圆符朝右三角符s方块符v朝下三角符x叉字符第11页第11页第三章 数据和函数的可视化仿真技术【例3-4】二维曲线绘图基本指令演示四：数据点形(函数与例3-3相同)。t=(0:pi/100:pi);y2=sin(t).*sin(9*t);t1=pi*(0:9)/9;y3=sin(t1).*sin(9*t1);plot(t,y2,b,t1,y3,bp)axis(0,pi,-1,1)%用蓝实线绘y2,用对y3进行标志%生成（1*10）数据标志点采样向量%生成（1*10）数据标志点数据第12页第12页第三章 数据和函数的可视化仿真技术3.2 二维曲线绘图3.2.3 图形控制n在普通绘图时可采用MATLAB缺省设置，也能得到满意画面，但用户也可依据需要改变缺省设置。a)坐标控制指 令含 义指 令含 义axis auto使用缺省设置axis equal纵、横轴为等长刻度axis ij矩阵式坐标axis normal缺省矩形坐标系axis xy普通直角坐标axis square正方形坐标系axis(V)V=x1,x2,y1,y2V=x1,x2,y1,y2,z1,z2人工设定坐标范围。设定值：二维，4个；三维，6个.axis tight坐标范围为数据范围axis image纵、横轴为等长刻度,且坐标框紧贴数据范围第13页第13页第三章 数据和函数的可视化仿真技术3.2.3 图形控制b)分格线和坐标框ngrid on 画出分格线ngrid off 不画分格线nbox on 使当前坐标呈封闭形式nbox off 使当前坐标呈启动形式n【阐明】缺省时，不画分格线；坐标呈封闭形式。第14页第14页第三章 数据和函数的可视化仿真技术3.2.3 图形控制c)图形标识ntitle(S)书写图名nxlable(S)横坐标轴名nylable(S)纵坐标轴名ntext(xt,yt,S)在(xt,yt)处写字符注释nlegend(s1,s2,)在图右上角建立图例n【阐明】S为带单引号英文或中文字符串。x=0:0.1:1;y=x.*exp(-x);plot(x,y);xlabel(x),ylabel(y)%图形标识title(y=x*exp(-x)%图形标识【例3-6】二维曲线绘图基本指令演示：图形标识图形标识第15页第15页第三章 数据和函数的可视化仿真技术3.2 二维曲线绘图 利用精细指令能够对图形进行精细控制，比如在图形指定位置显示各种字符，公式等。3.2.3 图形控制c)图形标识n精细指令形式第16页第16页第三章 数据和函数的可视化仿真技术3.2 二维曲线绘图3.2.3 图形控制c)图形标识n精细指令形式指 令字符指 令字符指 令含义arg取值举例alphaomegaarg上标任何合法字符ite-alphatbetaOmega _arg下标任何合法字符rmt_sxineqarg风格bf(黑体)it(斜体)rm(正体)inttimesfontsizearg大小正整数(缺省值为10)fontsize12sin示例结果:(1);(2)ts ;(3)sin第17页第17页第三章 数据和函数的可视化仿真技术t=pi*(0:1/100:1);beta=asin(1);y=1-exp(-2*t).*sin(5*t+beta);plot(t,y)text(3.0,1.14,bfalpha=2)text(3.0,1.10,rmomega=5)xlabel(fontsize14bft)ylabel(fontsize14y)title(rm y=1-e-alphatsin(omegat+beta)例3-6 精细指令示例第18页第18页第三章 数据和函数的可视化仿真技术3.2.3 图形控制双纵坐标图 把同一自变量两个不同量纲、不同数量级函数绘制在同一张图上，即为双纵坐标图。plotyy(X1,Y1,X2,Y2)以左右不同纵轴绘制X1-Y1,X2-Y2两条曲线。plotyy(X1,Y1,X2,Y2,FUN)以左右不同纵轴把X1-Y1,X2-Y2绘制成FUN指定形式两条曲线。plotyy(X1,Y1,X2,Y2,FUN1,FUN2)以左右不同纵轴把X1-Y1,X2-Y2绘制成FUN1,FUN2指定不同形式两条曲线。【阐明】1)轴范围、刻度自动产生。2)FUN,FUN1,FUN2为MATLAB中所有接受X-Y数据正确二维绘图指令.第19页第19页第三章 数据和函数的可视化仿真技术【例3-7】已知系统单位阶跃响应和单位脉冲响应分别为t=0:0.02:3;xi=0.5;wn=5;sxi=sqrt(1-xi2);sita=atan(sxi/xi);wd=wn*sxi;y1=1-exp(-xi*wn*t).*sin(wd*t+sita)/sxi;y2=wn*exp(-xi*wn*t).*sin(wd*t)/sxi;plotyy(t,y1,t,y2)其中,.用双纵坐标图画出这两个函数在区间0,4上曲线.第20页第20页第三章 数据和函数的可视化仿真技术3.2 二维曲线绘图3.2.3 图形控制e)多子图 MATLAB允许用户在同一个图形窗里布置几幅独立子图。nsubplot(m,n,k)使(mn)幅子图中第k幅成为当前图.nsubplot(position,left bottom widt hight)在指定位置开辟子图，并成为当前图.【阐明】1)subplot(m,n,k)表示图形窗有(mn)幅子图,k是子图编号。序号编排原则是:左上方为第一幅,向右向下依次排号。2)subplot(position,left bottom widt hight)产生子图位置由人工指定，指定位置四元组采用归一化标称单位，即认为图形窗高、宽取值范围都是0，1。第21页第21页第三章 数据和函数的可视化仿真技术【例3-8】二维曲线绘图基本指令演示：多子图多子图t=(pi*(0:1000)/1000);y1=sin(t);y2=sin(10*t);y12=sin(t).*sin(10*t);subplot(2,2,1),plot(t,y1);axis(0,pi,-1,1)subplot(2,2,2),plot(t,y2);axis(0,pi,-1,1)subplot(position,0.2,0.05,0.6,0.45)plot(t,y12,b-,t,y1,-y1,r:);axis(0,pi,-1,1)子图一子图二子图三第22页第22页第三章 数据和函数的可视化仿真技术3.3 三维曲线绘图3.3.1 plot3基本调用格式nplot3在三维曲线绘图指令中是最易理解，其使用格式与plot十分相同。详细下列：nplot3(X,Y,Z,s)nplot3(X1,Y1,Z1,s1,X2,Y2,Z2,s2,)【阐明】1)X,Y,Z为同维向量时,绘制以X,Y,Z元素为x,y,z坐标三维曲线。2)X,Y,Z为同维矩阵时，以X,Y,Z相应列元素为x,y,z坐标分别绘制曲线，曲线条数等于矩阵列数。3)s,s1,s2意义与二维情况完全相同，能够缺省。4)(X1,Y1,Z1,s1),(X2,Y2,Z2,s2)结构和作用与(X,Y,Z,s)相同。第23页第23页第三章 数据和函数的可视化仿真技术【例3-13】三维曲线绘图基本指令演示一：plot3t=(0:0.02:2)*pi;x=sin(t);y=cos(t);z=cos(2*t);plot3(x,y,z,b-,x,y,z,bd)box onlegend(链,宝石)三维曲线绘图（蓝实线和蓝菱形）在右上角建立图例第24页第24页第三章 数据和函数的可视化仿真技术3.3 三维曲线绘图3.3.2 三维网线图和曲面图nplot3只能绘制单参数三维曲线图，而三维网线图和曲面图则比较复杂，主要表现于绘图数据准备，图形色彩、明暗、光照和视点处理。1.数据准备 画函数 z=f(x,y)所代表三维空间曲面，需要做下列数据准备：a)拟定自变量x,y取值范围和取值间隔。x=x1:dx:x2;y=y1:dy:y2第25页第25页第三章 数据和函数的可视化仿真技术3.3.2 三维网线图和曲面图1.数据准备b)构成xy平面上自变量“格点”阵。X,Y=meshgrid(x,y)c)计算在自变量采样“格点”上函数值，即 Z=f(X,Y)n【阐明】X由x按行复制而成，其行数为y元素个数；Y由y按列复制而成，其列数为x元素个数。x=-4:4y=0:4第26页第26页第三章 数据和函数的可视化仿真技术3.3 三维曲线绘图3.3.2 三维网线图和曲面图2.网线、曲面图基本指令格式a)网线图nmesh(Z)以Z矩阵列、行下标为x，y轴自变量，画网线图.nmesh(X,Y,Z)最惯用网线图调用格式。nmesh(X,Y,Z,C)最完整调用格式，画由C指定用色网线图。【阐明】a)在最完整调用格式中，四个输入宗量都是维数相同矩阵。X、Y是自变量“格点”矩阵，Z是格点上函数矩阵；C是指定各点用色矩阵。C缺省时，默认用色矩阵为Z。b)单输入宗量格式时，Z矩阵列下标为x轴“自变量”；Z行下标为y轴“自变量”。第27页第27页第三章 数据和函数的可视化仿真技术【例3-14a】三维网线绘图指令演示：meshclf,x=-4:4;y=x;X,Y=meshgrid(x,y)Z=X.2+Y.2;mesh(X,Y,Z);colormap(cool)xlabel(X),ylabel(y),zlabel(z)将将 mesh(X,Y,Z)改改 为为mesh(Z)，其其网网线线图图如如左左图图所所表表示示（注注意意X、Y）坐坐标标改变。改变。第28页第28页第三章 数据和函数的可视化仿真技术3.3.2 三维网线图和曲面图2.网线、曲面图基本指令格式b)曲面图n surf(Z)以Z矩阵列、行下标为x,y轴自变量，画曲面图。nsurf(X,Y,Z)最惯用曲面图调用格式。nsurf(X,Y,Z,C)最完整调用格式，画由C指定用色曲面图。相关调用阐明同mesh指令。【例3-14b】三维曲面绘图指令演示：surfx=-4:4;y=x;X,Y=meshgrid(x,y);Z=X.2+Y.2;surf(X,Y,Z);画三维曲面图第29页第29页第三章 数据和函数的可视化仿真技术x=-4:4;y=x;X,Y=meshgrid(x,y);Z=X.2+Y.2;subplot(1,3,1),surf(X,Y,Z);subplot(1,3,2),mesh(X,Y,Z);subplot(1,3,3),plot3(x,y,x.2+y.2),box on绘曲面图绘网线图绘曲线图【例3-14】网线、曲面、曲线图比较网线、曲面、曲线图比较:第30页第30页第三章 数据和函数的可视化仿真技术3.3 三维曲线绘图3.3.2 三维网线图和曲面图3.图形透视n曲面图MATLAB在采用缺省设置画mesh图形时，对叠压在后面图形采用了消隐办法。采用下列指令可控制消隐：n透视被叠压图形nhidden onhidden off消隐被叠压图形%【例3-15】透视演示透视演示clf,x,y=meshgrid(-3:0.1:3,-2:0.1:2);z=(x.2+2*x).*exp(-x.2-y.2-x.*y);subplot(1,2,1),mesh(x,y,z),axis(-3,3,-2,2,-0.5,1.0)hidden offsubplot(1,2,2),mesh(x,y,z)hidden onaxis(-3,3,-2,2,-0.5,1.0)%透视%不透视第31页第31页第三章 数据和函数的可视化仿真技术透视透视不透视不透视第32页第32页第三章 数据和函数的可视化仿真技术【例3-22】零开口四通滑阀流量方程为 ，其中K为阀系数，xv为阀开口量，pl为阀负载压力，ps为阀供油压力。设K=0.01m3.N-1/2.s-1，ps=14MPa,xv和pl改变范围分别为0，2mm 和 0，14MPa，试绘制Ql曲面图。%调整视点,以符合绘制二维流量-压力曲线习惯表示。ClfK=0.01;Ps=14;xv=0:0.05:2;pl=0:1:14;Pl,Xv=meshgrid(pl,xv);Ql=K*Xv.*sqrt(Ps-Pl)/1000;surf(Pl,Xv,Ql)view(43.5,42)%视点调整xlabel(pl/MPa)ylabel(xv/mm)zlabel(Ql/l/min)第33页第33页第三章 数据和函数的可视化仿真技术3.4 图形窗功效简介图形窗功效简介 图形窗除了用于显示图形，还可对所显示图形进行编辑。下图为图形窗工具条上MATLAB所特有七个按键，它们用来对图形进行交互操作。图形对象编辑添加直线添加文字添加箭头放大缩小三维图形旋转第34页第34页第三章 数据和函数的可视化仿真技术下图中左图是图形窗里原始图形，右图是通过图形窗编辑后图形。第35页第35页第三章 数据和函数的可视化仿真技术1.命令窗口中，键入：demo，出现MATLABdemo演示窗口，然后选择：MATLAB下Graphics，依次选取其中Overview of Features(playback)、2-D Plots、3-D Plots两个示例，理解MATLAB相关绘图操作。2.教材64-65页1、2、3题。练 习第36页第36页