MATLAB Repetitorium - Programmstrukturen

Autor:	Prof. Dr.-Ing. Schneider
Termin:	31.05.2024

Aufgabe 4.1 - Erzeugen und Lesen von mat-Dateien

1. Schreiben Sie ein Skript, in welchem Sie eine Einheitsmatrix, eine Nullmatrix und ein String mit dem Inhalt „test“ erzeugen.
2. Erstellen Sie in MATLAB^® einen Ordner mit dem Namen: „Daten“ (Befehle: mkdir()).
3. Speichern Sie alle vorher erzeugten Variablen in eine mat-Datei im erzeugten Ordner (Befehle: save())
4. Speichern Sie nur die Matrizen in einer neuen mat-Datei mit den Namen des vorher erzeugten Strings im erzeugten Ordner.
5. Löschen Sie die an Teilaufgabe a) erzeugten Variablen aus dem Workspace und laden Sie die vorher erzeugte „test.mat“ Datei aus dem Ordner (Befehle: load())
6. Nutzen Sie die Benutzeroberfläche (uigetfile), um Daten zu laden.

Nützliche Befehle: clear, close, clc, mkdir, save, load, uigetfile

Musterlösung 4.1 

%% Musterlösung Aufgabe 4.1 - Erzeugen und Lesen von mat-Dateien
clear all; close all; clc;

%4.1.1)
A = eye(10);
B = zeros(20);
name = 'test';

%4.1.2)
foldername = 'Daten';
mkdir(foldername);

%4.1.3)
filename = 'c)';
save([foldername '\' filename]);

%4.1.4)
filename = name;
save([foldername '\' filename],'A','B');

%4.1.5)
clear A B name
load([foldername '\' filename]);

% 4.1.6
[file,path] = uigetfile({'*.mat'});
selectedfile = fullfile(path,file);
load(selectedfile);

Aufgabe 4.2 - Erzeugen und Lesen von txt-Dateien

1. Schreiben Sie ein Skript, in welchem Sie zunächst eine 5x5 Matrix erzeugen, welche zeilenweise aufsteigend die Werte von π bis 25π enthält.
2. Schreiben Sie diese Matrix in eine Textdatei mit den Anforderungen (Befehl: dlmwrite()):
   1. Zahlen in einer Zeile sollen mit einem Tabstopp getrennt werden.
   2. Zeilen sollen mit Zeilenumbrüchen getrennt werden.
   3. Zahlen sollen auf 6 Stellen genau gespeichert werden
3. Laden Sie den Inhalt der Textdatei in eine neue Matrix (Befehl: dlmread())

Nützliche Befehle: dlmwrite(), dlmread()

Musterlösung 4.2 

%% Musterlösung 4.2 - Erzeugen und Lesen von txt-Dateien
clear all;
close all;
clc;

A = ones(5,5);
B = 1:25;
for i=1:25
   A(i) = B(i)*pi;
end
A = A';

filename = 'TextDatei.txt';
dlmwrite(filename,A,'delimiter','\t','precision',6,'newline','pc');

C = dlmread(filename)

Aufgabe 4.3 - Cell Arrays

1. Erzeugen Sie Tabelle 1 als Cell-Array in MATLAB^® (Befehle: cell(), num2cell()).
2. Wandeln Sie das Cell-Array in eine Tabelle um (Befehle: cell2table()).
3. Erzeugen Sie eine Textdatei und speichern Sie dort das erstellte Cell -Array (Befehle: fopen(), fprintf(), fclose()).

Tutorial: MATLAB^®: Export Cell Array to Text File

Tabelle 1: Tabelle als Cell-Array

Name	Alter	Beruf
Walter White	50	Lehrer
Saul Goodman	45	Anwalt
Skyler White	47	Einzelhandelskauffrau
Jesse Pinkman	26	arbeitssuchend

Nützliche Befehle: cell, num2cell, cell2table, fopen, fclose, fprintf

Musterlösung 4.3 

%% Musterlösung Aufgabe 4.3 - Cell Arrays
clear all;
close all;
clc;

%4.3.1)
Header = {'Name','Alter','Beruf'};
Names = {'Walter White';'Saul Goodman';'Skyler White';'Jesse Pinkman'};
Alter = [50; 45; 47; 26];
Beruf = {'Lehrer';'Anwalt';'Einzelhandelskauffrau';'Arbeitslos'};
cellarray = cell(5,3);

cellarray(1,:) = Header;
cellarray(2:5,1) = Names;
cellarray(2:5,2) = num2cell(Alter);
cellarray(2:5,3) = Beruf;

%4.3.2)
table = cell2table(cellarray);

%4.3.3)
filename = 'Teil_3_CellArray.txt';
fileID = fopen(filename,'w');
formatSpecHeader = '%s %s %s\r\n';
formatSpec = '%s %d %s\r\n';

[nrows,ncols] = size(cellarray);
for row = 1:nrows
    if row==1
        fprintf(fileID,formatSpecHeader,cellarray{row,:});
    else
        fprintf(fileID,formatSpec,cellarray{row,:});
    end
end

fclose(fileID);

Aufgabe 4.4 - Programmiergrundlagen - Schleifen und Bedingungen

1. Schreiben Sie ein MATLAB^®-Skript, das mit Hilfe einer for -Schleife die Summe der Zahlen von 1 bis 100000 berechnet (z. B. n=n+1).
2. Schreiben Sie ein MATLAB^®-Skript, das mit Hilfe einer while-Schleife die Summe die Zahlen von 1 bis 100000 berechnet.
3. Schreiben Sie ein MATLAB^®-Skript, das
   1. Einen Vektor X mit 10000 Zufallszahlen zwischen 0 und 1 erzeugt.
   2. Mit Hilfe einer for-Schleife den Index des ersten Elementes in X berechnet, das > 0.9 ist (falls ein solches existiert) und diesen Index in der Variablen $x_1$ speichert.
   3. Mit Hilfe einer while-Schleife den Index des ersten Elementes in X berechnet, das< 0.1 ist (falls ein solches existiert) und diesen Index in der Variablen $x_2$ speichert.
   4. Mit Hilfe von „ logical indexing" das erste Element findet, das echt zwischen 0.5 und 0.55 liegt (falls ein solches existiert) und diesen Index in der Variablen $x_3$ speichert.

Nützliche Befehle: for, if, while, break

Musterlösung 4.4 

%% Aufgabe 4.4 - Schleifen und Bedingungens
clear all
%(a)
Summe1 = 0; 
for i=0:1:100000
    Summe1 = Summe1+i;
end

%(b)
Summe2 = 0;
i = 0; 
while i<=100000
    Summe2 = Summe2+i;
    i = i+1; 
end

clear all
%(c)
VektorX = rand(1,10000);
%Element finden, welches >0.9 ist
for i=1:1:10000
    
    if(VektorX(i)>0.9)
        x1 = i; 
        break;
    end
end

%Element finden, welches <0.1 ist
i=1;
while i<=10000
    
    if(VektorX(i)<0.1)
        x2 = i;
        break;
    end
    i = i+1;
end

%Element finden, welches zwischen 0.5 und 0.55 liegt
%% Möglichkeit 1: Schleife

for i=1:1:10000
    
    if(VektorX(i)>=0.50 && VektorX(i)<=0.55)
        x3 = i;
        break;
    end
end


%% Möglichkeit 2: logical indexing

Logic_Vek = VektorX >= 0.50 & VektorX <= 0.55;
x3_new = find(Logic_Vek,1);

Aufgabe 4.5 - Programmiergrundlagen - Funktionen

1. Recherchieren Sie den Begriff „MATLAB function" und informieren Sie sich, was man darunter versteht.
2. Schreiben Sie das MATLAB^®-Skript aus Aufgabe 4.4.3 zu einer MATLAB^®-Function mit dem Namen analyse um, die
   1. als Eingabeargument die Zahl n bekommt und dann
   2. einen Vektor mit n Zufallszahlen zwischen 0 und 1 erzeugt
   3. Anschließend soll die Funktion genau die Werte $x_1,x_2$ und $x_3$ wie in Aufgabe 4.4.3 berechnen und diese als Rückgabewerte zurückliefern.
   4. Machen Sie sich anhand der Funktion analyse mit dem Setzen von „Breakpoints" und dem MATLAB^®-Debugger vertraut.
3. Schreiben Sie ein kurzes Matlab Skript, mit dem Sie die Funktion analyse aufrufen. Springen Sie dabei mit einem Breakpoint in die Funktion.

Nützliche Befehle: function

Musterlösung 4.5.1 - Funktion 

%% Aufgabe 4.5 - Funktionen
function[x1 x2 x3] = analyse(n)

    VektorX = rand(1,n);
    
    %Element finden, welches >0.9 ist
    for i=1:1:10000

        if(VektorX(i)>0.9)
            x1 = i; 
            break;
        end
    end

    %Element finden, welches <0.1 ist
    i=1;
    while i<=10000

        if(VektorX(i)<0.1)
            x2 = i;
            break;
        end
        i = i+1;
    end

    %Element finden, welches zwischen 0.5 und 0.55 liegt
    Logic_Vek = VektorX >= 0.50 & VektorX <= 0.55;
    x3 = find(Logic_Vek);
    if ~isempty(x3)
        x3 = x3(1);
    else
        x3 = 0;
    end

end

Musterlösung 4.5.4 - Startskript 

%% Skript testAnalyse ruft die Funktion auf.
n = 1000;

%dbstop in analyse
[x1 x2 x3] = analyse(n)

Aufgabe 4.6 - Programmiergrundlagen - Systematische Programmierung

Erzeugen Sie sich ein Framework für zukünftige Programmierarbeiten mit folgenden Ablauf:

1. Header mit: Programmname, Autor, Änderungsdatum, Erstelldatum, Beschreibung, Input, Output
2. Konsole löschen, Workspace bereinigen, Fenster schließen
3. Initialisierung von Variablen etc.
4. Simulationsschleife/Algorithmus
5. Plots/Ausgabe etc.

Arbeiten Sie dabei mit Ausgaben vor und nach jedem Abschnitt. Bsp.: „Initialisation successful“.

Nützliche Befehle: disp, fprintf

Musterlösung 4.6 

%% Aufgabe 4.6 - Systematische Programmierung
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%                                                                         %                                                                      
% Funktion        : Framework                                             %
%                                                                         %
%                                                                         %
% Eingabe         : /                                                     %
%                                                                         %
%                                                                         %
% Ausgabe         : /                                                     %
%                                                                         %
%                                                                         %
% Autor           : Erika Musterfrau                                      %
%                                                                         %
% Implementation  : MATLAB R2016b                                         %
%                                                                         %
% Bemerkung       :                                                       %
%                                                                         %
% Änderungsdatum  : 09.03.2017                                            %
%                                                                         %
% Erstelldatum    : 09.03.2017                                            %
%                                                                         %
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

% Matlab initialisiern
clear all;
close all;
clc;

%% Initialisierung von Variablen/Konstanten
disp('Starte Initialisierung');


%Hier kommt die Initialisierung hin


disp('Initialisation erfolgreich');
fprintf('\n');

%% Simulationsschleife/Algorithmus
disp('Programmstart');


%Hier kommen die Berechnungen hin


disp('Berechnung beendet');
fprintf('\n');

%% Plots/Ausgabe
figure(1);

%Hier kommen die Ausgabe hin

%% Fenster schließen
close 1

Projekt - Programmiergrundlagen - Funktionen

1. Schreiben Sie die Funktion LeseSpannung, welche normalverteilte Spannungen (Mittelwert: 14,4 V, Standardabweichung: 4 V) simuliert.
2. Nutzen Sie das Startskript startLeseSpannung, um über eine Schleife 50 Messwerte zu simulieren.
3. Zeigen Sie die Messwerte als rote Punkte zyklisch an.
4. Werten Sie den Quelltext mit Header, Kommentaren und Hilfe auf.

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