本节书摘来自异步社区《MATLAB/Simulink系统仿真超级学习手册》一书中的第2章，第2.6节，作者：MATLAB技术联盟 , 石良臣著，更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看

2.6 MATLAB的图形绘制

MATLAB/Simulink系统仿真超级学习手册

MATLAB除了强大的数值分析功能外，还具有方便的绘图功能。利用MATLAB丰富的二维、三维图形函数和多种修饰方法，只要指定绘图方式并提供绘图数据，就可以绘制出理想的图形。由于MATLAB的图形系统是建立在诸如线、面等图形对象的集合基础之上，因此用户可以对任何一个图形元素进行单独的修改，而不影响图形的其他部分。

2.6.1 二维图形的绘制

1．基本绘图命名

MATLAB中最常用的绘图函数为plot()，它是用于绘制二维曲线的，根据函数输入参数不同，常用的几种调用格式如表2-12所示。其中，’option’用来设置曲线属性的选项，其内容主要包括诸如颜色、线型、标记类型等曲线属性。’option’选项并不是必需项，若缺少该项，MATLAB将按系统默认格式统一安排各条曲线的属性值。

MATLAB提供了三种’option’选项以供修改：Line style线类型，Marker symbol标记符号，Color颜色。表2-13列出了’option’选项的属性。

【例2-20】用三种不同的线型、标记符号和颜色分别绘制三条不同相位的正弦曲线。

(1)新建脚本文件ep2_20.m，输入下面的绘图命令，并保存；

figure

t = 0:pi/20:2*pi;

y1 = sin(t);

y2 = sin(t-pi/2);

y3 = sin(t-pi);

plot(t,y1,t,y2,t,y3)

(2)在MATLAB命令窗口中调用文件ep2_20，出现如图2-18所示的绘图结果。

注意：

(1)用来绘制图形的数据必须已经存储在工作空间中，也就是说在执行plot()命令之前，当前工作空间里必须有可用来绘制图形的数据；

(2)对应的x轴和y轴的数据长度必须相同；

(3)如果省略选项’option’，系统将按默认的格式绘制曲线；

(4)’option’中的属性可以多个连用，如选项’--b’表示绘制蓝色的虚线；

(5)执行Figure命令时，绘图结果将出现在一个新的窗口中。如图2-18所示，Figure 1显示的是例2-20绘制的结果，如一般的窗口，它有自己的菜单栏和工具栏；

(6)如果读者对已绘制的图形不满意，提出更具体的要求，如坐标轴范围，绘制网格等，在MATLAB命令窗口中输入下面的命令，Figure 1中的图形会有如图2-19所示的变化。

>> axis([0 10 -2 2])

>> grid on

2．图形修饰

有时读者会对图形的绘制进行一些修饰，MATLAB提供了多种图形函数，用于图形的修饰。常用的图形修饰函数名称及其功能说明如表2-14所示。

【例2-21】对例2-20的图形进行修饰，实现以下要求：

(1)将图形的x轴大小范围限定在[0, 2π]之间，y轴的大小范围限定在[-1,1]之间；

(2)x、y轴分别标注为“弧度值”、“函数值”；

(3)图形标题标注为“三个不同相位的正弦曲线”；

(4)添加图例标注，标注字符分别为y1，y2，y3；

(5)给三条曲线分别添加属性'-.r*'，'--mo'，':bs'；

(6)在三条曲线上分别标注文本y1=sin(t)，y2=sin (t - {raise0.5exhbox{$\scriptstyle \pi $}kern-0.1em/kern-0.15emlower0.25exhbox{$\scriptstyle 2$}})，y3= sin (t - pi )；

(7)给图形添加网格。

在文本文件ep2_20.m的基础上，添加如下命令，并另存为ep2_21.m。

% 图形绘制

figure

t = 0:pi/20:2*pi;

y1=sin(t);

y2=sin(t-pi/2);

y3=sin(t-pi);

plot(t,y1,'-.r*',t,y2,'--mo',t,y3,':bs')

% 图形修饰

axis([0,2*pi,-1,1])

xlabel('弧度值')

ylabel('函数值')

title('三个不同相位的正弦曲线')

legend('y1','y2','y3')

grid

gtext('y1=sin(t)')

gtext('y2=sin(t-pi/2)')

gtext('y3=sin(t-pi)')

在MATLAB命令窗口运行ep2_21.m，运行结果如图2-20所示。

标注文本。如图2-20所示，脚本文件ep2_20.m在执行第一个gtext命令时，需要在图形窗口Figure 1中确定该文本的位置。

Figure 1上可以看到一个跟随鼠标移动的十字形指针，将鼠标拖动到对应曲线附近，然后单击鼠标，字符串y1=sin(t)即可添加到此处。

同理，在执行第二个、第三个gtext命令时，仍需要进行类似的操作，依次将字符串y2=sin (t - {raise0.5exhbox{$\scriptstyle \pi $}kern-0.1em/kern-0.15emlower0.25exhbox{$\scriptstyle 2$}})和y3= sin (t - pi )添加到图形中，如图2-21所示。

3．特殊二维曲线绘制

除了标准的二维曲线绘制之外，MATLAB还提供了多种具有特殊意义的图形绘制函数，其常用调用格式如表2-15所示。其中，参数x和y分别表示x轴、y轴绘图数据。

这些特殊图形绘制函数适用于不同的场合，具有不同的意义。

【例2-22】已知，分别用表2-15中的六种绘图方式显示x和y的关系。

编写脚本文件，输入下面的语句，保存为ep2_22.m。

x=-4:0.5:4;

y=exp(x);

figure(1)

bar(x,y)

title('bar(x,y)')

figure(2)

stem(x,y)

title('stem(x,y)')

figure(3)

stairs(x,y)

title('stairs(x,y)')

figure(4)

polar(x,y)

title('polar(x,y)')

figure(5)

loglog(x,y)

title('loglog(x,y)')

figure(6)

area(x,y)

title('area(x,y)')

在MATLAB命令窗口中运行脚本文件ep2_22.m，程序运行结果如图2-22所示。

4．图形窗口控制

MATLAB提供了一系列专门的图形窗口控制函数，通过这些函数，可以创建或者关闭图形窗口，可以同时打开几个窗口，也可以在一个窗口内绘制若干子图。这些函数及其功能说明如表2-16所示。

注意：

(1)第一个绘图命令(如plot)运行后，将自动创建一个名为Figure 1的图形窗口。这个窗口将被当作当前窗口，接下来的所有绘图命令(包括绘图修饰和再一次的plot等命令)均在该图形窗口中执行，后续绘图指令会覆盖原图形或者叠加在原图形上。

(2)使用subplot命令时，各个绘图区域以“从左到右、先上后下”的原则来编号。MATLAB允许每个绘图区域以不同的坐标系单独绘制图形。

【例2-23】取三个不同的t，t1=0:π/20:π，t2=π/2:π/20:3π/2，t3=π:π/20:2π，在同一坐标系下绘制y1=sin(t1)， y2=sin (t - {raise0.5exhbox{$\scriptstyle \pi $}kern-0.1em/kern-0.15emlower0.25exhbox{$\scriptstyle 2$}}) ，y3=sin(t3-π)，其他修饰效果要求与例2-22相同。

编写脚本文件，输入下面的语句，保存为ep2_23.m。

% 图形绘制

figure

t1 = 0:pi/20:pi;

t2 = pi/2:pi/20:3*pi/2;

t3 = pi:pi/20:2*pi;

y1=sin(t1);

y2=sin(t2-pi/2);

y3=sin(t3-pi);

hold on

plot(t1,y1,'-.r*')

plot(t2,y2,'--mo')

plot(t3,y3,':bs')

hold off

% 图形修饰

axis([0,2*pi,-1,1])

xlabel('弧度值')

ylabel('函数值')

title('三个不同相位的正弦曲线')

legend('y1','y2','y3')

grid

gtext('y1=sin(t)')

gtext('y2=sin(t-pi/2)')

gtext('y3=sin(t-pi)')

在MATLAB命令窗口中运行脚本文件ep2_23.m，程序运行结果如图2-23所示。

注意：脚本文件ep2_23中，绘制三条曲线的命令与脚本文件ep2_21的不同之处在于使用了配对的hold on和hold off，然后分别使用了三次plot函数。这与直接使用plot绘制三条曲线效果一致，只需这样写即可plot(t1,y1,t2,y2,t3,y3,’option’)。如果去掉hold on会得到如图2-24的结果，只显示最后一个plot绘制的结果，也就是y3。

【例2-24】将例2-22中的六幅图在同一窗口中显示。

编写脚本文件，输入下面的语句，保存为ep2_24.m。

x=-4:0.5:4;

y=exp(x);

subplot(3,2,1);

bar(x,y)

title('bar(x,y)')

subplot(3,2,2);

stem(x,y)

title('stem(x,y)')

subplot(3,2,3);

stairs(x,y)

title('stairs(x,y)')

subplot(3,2,4);

polar(x,y)

title('polar(x,y)')

subplot(3,2,5);

loglog(x,y)

title('loglog(x,y)')

subplot(3,2,6);

area(x,y)

title('area(x,y)')

在MATLAB命令窗口中运行脚本文件ep2_24.m，程序运行结果如图2-25所示。

2.6.2 三维图形的绘制

除了常用的二维图形外，MATLAB还提供了三维数据的绘制函数，可以在三维空间绘制曲线或曲面。

1．三维曲线的绘制

三维曲线的绘制与二维曲线的绘制方法基本一致。常用的调用格式如下：

plot3(x,y,z,’option’)

plot3(x1,y1,z1,’option,x2,y2,z2,’option,…)

其中，x、y、z所给出的数据分别为x、y、z坐标值，’option’为选项参数，plot3命令中参数的含义与plot命令类似，只是多了一个z方向的参数。

【例2-25】绘制三维螺旋线。

编写脚本文件，输入下面的语句，保存为ep2_25.m。

z=0:pi/20:10*pi;

x=sin(z);

y=cos(z);

plot3(x,y,z)

xlabel('sin(z)')

ylabel('cos(z)')

zlabel('z')

grid on

在MATLAB命令窗口中运行脚本文件ep2_25.m，程序运行结果如图2-26所示。

三维曲线修饰与二维图形的图形修饰函数类似，但比二维图形的修饰函数多了一个z轴方向，如axis([Xmin,Xmax,Ymin,Ymax,Zmin,Zmax])。

特殊三维图形绘制与二维图形绘制类似，一般其函数名称为二维图形绘制名称后面加一个3，表示三维图形绘制，如bar3，stem3。

【例2-26】绘制三维火柴杆型螺旋线。

编写脚本文件，输入下面的语句，保存为ep2_26.m。

z=0:pi/20:2*pi;

x=sin(z);

y=cos(z);

stem3(x,y,z)

xlabel('sin(z)')

ylabel('cos(z)')

zlabel('z')

grid on

在MATLAB命令窗口中运行脚本文件ep2_26.m，程序运行结果如图2-27所示。

2．三维曲面的绘制

三维曲面方程存在两个自变量x、y和一个因变量z。因此，绘制三维曲面图形必须先在xy平面上建立网络坐标，每一个网络坐标点，和它对应的z坐标所确定的一组三维数据就定义了曲面上的一个点。三维曲面绘制中，常用的3个函数及其功能说明如表2-17所示。

这里利用实例2-27具体说明三维绘图的机制。

【例2-27】用mesh和surf两个函数分别绘制z=-x2-y2，x的范围限定在[-2,2]，y的范围限定在[-2,2]。

编写脚本文件，输入下面的语句，保存为ep2_27.m。

x=-2:0.1:2;

y=-2:0.1:2;

[X,Y]=meshgrid(x,y);

Z=-(X.^2+Y.^2);

figure(1)

mesh(X,Y,Z)

figure(2)

surf(X,Y,Z)

在MATLAB命令窗口中运行脚本文件ep2_27.m，程序运行结果如图2-28所示。

从脚本文件ep2_27.m的代码中，可以看到绘制三维图形的步骤大致如下。

(1)在使用绘图函数mesh(或surf)之前，需要先对数据对(x,y)进行meshgrid处理，从而得到两个矩阵X和Y。这里meshgrid的作用是，根据数据对(x,y)生成xy网格点坐标数据，例如x=[1,2]，y=[3,4]，生成矩阵X=[1,2;1,2]，Y=[3,4;3,4]。

(2)接着，把X和Y对应位置的值代入z关于x、y的表达式中，生成矩阵Z。

(3)使用三维绘图函数。mesh函数，就是把每个点[x(i,j),y(i,j),z(i,j)]用直线相连接，生成三维网格曲面。surf函数，与mesh函数类似，它是通过小平面连接相邻的点构成三维曲面。

注意：

x、y数据之间的步长间隔，决定了绘制出来的三维曲面的网格大小，即精细程度。

2.6.3 PLOT工具栏

节中提到过PLOT工具栏，该工具栏方便读者对工作空间里的变量进行绘图，可以省去部分代码的编写，但前提是要进行绘图的数据已存在于工作空间中。

在MATLAB命令窗口中输入如图2-29所示的命令，工作空间中出现了变量t和y，选中工作空间中的t和y，再单击PLOT工具栏中的图片 30plot绘图按钮，出现了如图2-30所示的绘图结果。

注意：

(1)单击plot绘图按钮，相当于在MATLAB命令窗口输入plot命令，读者可以发现单击plot绘图按钮之后，MATLAB命令窗口自动输入了plot命令。

(2)数据选中顺序会导致绘图结果不同。先选中t再选中y，相当于在MATLAB命令窗口输入plot(t,y)；而先选中y再选中t，相当于在MATLAB命令窗口输入plot(y,t)。

(3)未选中任何数据时，PLOT工具栏中所有按钮都如图2-5所示呈灰色，也就是说必须选中数据才能使用绘图按钮。

2.6.4 图形对象属性设置

1．图形对象及其属性

节和2.6.2节中提及到，任何一个图形元素，读者都可以对其进行单独修改，而不影响图形的其他部分。这种独立的图形元素称为图形对象，图形对象的修改通过调整其属性来完成。

表2-18列出了MATLAB中常用的图形对象及其主要属性。

当调用plot命令绘制二维曲线时，MATLAB的执行过程大致如下：

(1)使用figure命令，在root根对象上生成一个figure图形窗口对象；

(2)使用axis命令，在图形窗口内生成一个绘图区域(axis对象)；

(3)最后用line命令在axis指定的区域内绘制线条(line对象)。

因此，MATLAB所绘制的图形是由基本的图形对象组合而成的，可以通过改变图形对象的属性来设置所绘制的图形，以满足不同的绘图需求。

2．图形可视编辑工具

MATLAB执行绘图函数后，将出现一个图形窗口。该窗口除了简单的显示图形功能外，其本身就是一个功能强大的图形可视编辑工具，可实现的功能主要如下：

(1)通用的图形文件管理功能，如保存、打开、新建图形文件等；

(2)通用的图形效果编辑功能，如图形放大、缩小、旋转、对齐等；

(3)图形对象插入功能，如插入坐标轴名称、图形标题、图例标注、线段、文字等；

(4)独立这是窗口中各图形对象属性功能，如线段的类型、颜色、粗细等。

图形对象插入功能可通过选择菜单命令Insert后，再选择相应的对象选项来完成，如图2-31所示。该功能与节讲的图形修饰函数一致。如，菜单命令Insert→Title与函数title(‘string’)功能一致，菜单命令Insert→legend与函数legend(‘string1’,’string,…)功能一致。

显然，使用菜单命令比在MATLAB命令窗口输入函数命令要简便的多，且更具可视性。

图形对象属性的设置可以通过以下两种方法实现：

(1)选择菜单命令View→Property Editor，如图2-32所示，在图形下方出现了一个Property Editor属性编辑窗口；

(2)选择菜单命令Tools→Edit Plot(或者单击工具栏中的图片 25Edit Plot按钮)，如图2-33所示，鼠标移动到需要修改的对象上双击左键，或者选中后再单击右键，在弹出的菜单中选择Show Properties Editor以显示属性编辑窗口。

这两种方法都可以使图片 23 Edit Plot按钮高亮化，同时图形窗口下方会出现属性编辑窗口。在此属性窗口下，可以进行坐标、线段、标题等项目的颜色、字体、网格、范围的设置。

选中一个对象后，再单击右下角的More Properties更多属性按钮，将出现该对象更加详细的属性编辑窗口，如图2-34所示。