ỨNG DỤNG MATLAB TRONG PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN TỬ

ỨNG DỤNG MATLAB TRONG PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN TỬ

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM ĐỖ DUY MẠNH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ỨNG DỤNG MATLAB TRONG PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN TỬ NGÀNH:KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG; MÃ SỐ: D52027 CHUYÊN NGÀNH : ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Người hướng dẫn: Th.S Vũ Đức Hoàn HẢI PHÒNG - 2015 LỜI CẢM ƠN Em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy ThS Vũ Đức Hoàn tận tình hướng dẫn em suốt trình viết đồ án tốt nghiệp Đồng thời, em chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại Học Hàng Hải Việt Nam tận tình truyền đạt kiến thức năm em học tập Tuy thời gian có hạn, kinh nghiệm hạn chế nên đồ án tốt nghiệp không tránh khỏi thiếu sót, hạn chế định Vì vậy, em mong nhận bảo, đóng góp ý kiến Thầy, Cô để em có điều kiện bổ sung, nâng cao kiến thức Em kính chúc quý Thầy, Cô dồi sức khỏe thành công nghiệp cao quý Hải Phòng, ngày tháng Sinh viên thực Đỗ Duy Mạnh năm 2015 LỜI CAM ĐOAN Em cam đoan kết nghiên cứu đưa đồ án dựa kết thu trình nghiên cứu riêng em, không chép kết nghiên cứu tác giả khác Nội dung đồ án có tham khảo sử dụng số thông tin, tài liệu từ nguồn sách liệt kê danh mục tài liệu tham khảo Em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm chấp nhận hình thức xử lý Nhà trường vi phạm Luật sở hữu trí tuệ Quyền tác giả Hải Phòng, ngày tháng Sinh viên thực Đỗ Duy Mạnh năm 2015 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iv LỜI NÓI ĐẦU viii CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN 1.1 Những khái niệm mạch điện 1.1.1 Các thông số tác động 1.1.2 Các thông số thụ động: R, L, C, M .3 1.1.3 Biểu diễn số phức dao động điều hòa 1.1.4 Trở kháng dẫn nạp 1.2 Các phương pháp phân tích mạch điện 1.2.1 Các yếu tố hình học mạch điện .6 1.2.2 Tính tuyến tính, bất biến nhân mạch điện 1.2.3 Các định luật Kirchhoff .8 1.2.4 Phương pháp điện áp nút phương pháp dòng điện vòng 10 1.3 Phương pháp toán tử Laplace 14 1.3.1 Định nghĩa biến đổi Laplace .14 1.3.2 Công thức Heaviside 15 1.4 Ứng dụng giải toán độ mạch RLC .18 1.4.1 Khái niệm trình độ 18 1.4.2 Các toán độ bước giải toán độ 19 CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA PHẦN MỀM MATLAB 22 2.1 Những thao tác MATLAB 22 2.2 Các thao tác ma trận mảng .23 2.2.1 Các thao tác ma trận 23 2.2.2 Các thao tác mảng 25 2.3 Số phức toán tử dấu hai chấm .25 2.3.1 Số phức 25 i 2.3.2 Toán tử dấu hai chấm 26 2.4 Cấu trúc tập tin M-File định nghĩa hàm Matlab 27 2.4.1 Hàm M-File .27 2.4.2 Cấu tạo M-File 27 2.4.3 Tạo hàm M-File 28 2.5.1 Đặc điểm SIMULINK 29 2.5.2 Sử dụng SIMULINK 29 2.6 Lập trình giao diện GUI MATLAB .31 2.6.1 Các đặc điểm GUI 31 2.6.2 Thiết kế giao diện tương tác lệnh GUI 32 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN TỬ BẰNG PHẦN MỀM MATLAB 35 3.1 Phân tích đặc tính số mạch điện sử dụng Diode 35 3.1.1 Các đặc tính Diode .35 3.1.2 Phân tích mạch điện Diode 36 3.1.3 Phân tích mạch chỉnh lưu cầu pha .39 3.2 Phân tích đặc tính mạch ứng dụng Transistor .42 3.2.1.Transistor lưỡng cực BJT 42 3.2.2 Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ sử dụng mạch phân cực cố định .42 3.2.3 Mạch khuếch đại tín hiệu nhỏ sử dụng mạch phân áp 46 3.3 Phân tích mạch điện phức tạp 50 3.3.1 Phân tích mạch theo phương pháp điện áp nút 50 3.3.2 Phân tích mạch điện theo phương pháp dòng điện vòng 53 3.4 Phân tích trình độ mạch R-L-C 56 KẾT LUẬN .62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 ii DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Tên bảng Giá trị tương đương phần tử mắc nối tiếp song song Giá trị trở kháng dẫn nạp tương đương phần Bảng 1.2 tử thụ động Bảng 1.1 Bảng 1.3 Bảng biến đổi hàm gốc f(t) sang ảnh Laplace F(p) Bảng 3.1 Bảng 3.2 Bảng 3.3 Bảng 3.4 Bảng 3.5 Bảng 3.6 Bảng 3.7 Chức cách nhập thông số khối sơ đồ hình 3.6 Chức cách nhập thông số khối sơ đồ hình 3.9 Chức cách nhập thông số khối sơ đồ hình 3.15 Chức cách nhập thông số khối sơ đồ hình 3.20 Chức cách nhập thông số khối sơ đồ hình 3.24 Chức cách nhập thông số khối sơ đồ hình 3.29 Chức cách nhập thông số khối mô hình 3.37 iii Trang 6 14 37 39 43 47 50 53 58 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hình Tên hình Trang Hình 1.1 Nguồn áp độc lập Hình 1.2 Nguồn áp nối với tải Hình 1.3 Nguồn dòng độc lập Hình 1.4 Nguồn dòng nối với tải Hình 1.5 Nguồn A-A Hình 1.6 Nguồn A-A Hình 1.7 Nguồn D-A Hình 1.8 Nguồn D-D Hình 1.9 Sơ đồ mạch điện minh họa yếu tố hình học Hình 1.10 Sơ đồ mạch điện phương pháp điện áp nút 10 Hình 1.11 Sơ đồ mạch điện phương pháp dòng điện vòng 12 Hình 2.1 Cửa sổ lệnh MATLAB 21 Hình 2.2 Các hàm trợ giúp gõ lệnh Help 22 Hình 2.3 Cấu trúc hàm f(x) 27 Hình 2.4 Thanh công cụ MATLAB 28 Hình 2.5 Cửa sổ thư viện SIMULINK 28 Hình 2.6 Cửa sổ xây dựng mô hình 29 Hình 2.7 Cách lấy đối tượng từ thư viện cửa sổ mô hình 29 Hình 2.8 Thể cách lưu trữ mô hình 29 Hình 2.9 Thể kết nối tín hiệu 29 Hình 2.10 Mô mô hình Số hình 30 Tên hình iv Trang Hình 2.11 Tín hiệu từ Scope 30 Hình 2.12 Giao diện cửa sổ GUIDE bắt đầu 31 Hình 2.13 Giao diện người sử dụng GUI 31 Hình 2.14 Cách lấy thành phần khu vực thiết kế 32 Hình 2.15 Cửa sổ thuộc tính ô text 32 Hình 2.16 Khu vực thiết kế hoàn thiện 32 Hình 2.17 Thao tác vào File.m để viết lệnh 33 Hình 2.18 Mục nội dung nút ấn button 33 Hình 3.1 (a) Cấu tạo (b) Kí hiệu diode 34 Hình 3.2 Đặc tuyến V/A (vôn/ampe) Diode bán dẫn 34 Hình 3.3 Mạch điện Diode 35 Hình 3.4 Kết code lệnh MATLAB ví dụ 3.1 36 Hình 3.5 Hình 3.4.Kết giải GUI ví dụ 3.1 36 Hình 3.6 Mô hình giải toán SIMULINK ví dụ 3.1 36 Hình 3.7 Kết giải SIMULINK ví dụ 3.1 38 Hình 3.8 Mạch chỉnh lưu cầu pha 38 Hình 3.9 Hình 3.10 Mô mạch điện chỉnh lưu cầu pha SIMULINK Hình 3.10 Kết mô mạch chỉnh lưu cầu pha SIMULINK Hình 3.11 (a) Transistor thuận, (b)Transistor ngược Hình 3.12 (a) Sơ đồ nguyên lý mạch phân cực cố định (b) sơ đồ tương đương mạch phân cực cố định Số hình Hình 3.13 Tên hình Sơ đồ nối tắt nguồn cung cấp tụ sơ đồ tương đương v 39 40 40 41 Trang 41 Hình 3.14 Kết giải GUI ví dụ 3.2 43 Hình 3.15 Mô hình toán giải SIMULINK ví dụ 3.2 43 Hình 3.16 Kết giải SIMULINK ví dụ 3.2 44 Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý mạch phân áp 45 Hình 3.18 Sơ đồ mạnh phân áp sơ đồ tương đương mạch phân áp 45 Hình 3.19 Kết giải GUI ví dụ 3.3 46 Hình 3.20 Mô hình toán giải SIMULINK ví dụ 3.3 47 Hình 3.21 Kết giải SIMULINK ví dụ 3.3 48 Hình 3.22 Sơ đồ mạch điện điện áp nút 48 Hình 3.23 Kết giải GUI ví dụ 3.4 49 Hình 3.24 Mô hình giải SIMULINK ví dụ 3.4 50 Hình 3.25 Kết giải SIMULINK ví dụ 3.4 51 Hình 3.26 Sơ đồ mạch điện dòng điện vòng 51 Hình 3.27 Sơ đồ mạch điện dòng điện vòng với dòng I1, I2, I3 51 Hình 3.28 Kết giải GUI ví dụ 3.5 52 Hình 3.29 Mô hình giải SIMULINK ví dụ 3.5 53 Hình 3.30 Kết giải SIMULINK ví dụ 3.5 54 Hình 3.31 Mạch điện RLC ví dụ 3.6 54 Hình 3.32 Kết giải code MATLAB ví dụ 3.6 55 Hình 3.33 Kết giải GUI ví dụ 3.6 55 Hình 3.34 Mạch điện RLC ví dụ 3.6 56 Số hình Tên hình Trang Hình 3.35 Kết giải code MATLAB ví dụ 3.7 57 Hình 3.36 Kết giải GUI ví dụ 3.7 58 vi Hình 3.37 Mô hình giải SIMULINK ví dụ 3.7 58 Hình 3.38 Kết giải SIMULINK ví dụ 3.7 59 vii 3.3 Phân tích mạch điện phức tạp 3.3.1 Phân tích mạch theo phương pháp điện áp nút Cho mạch điện hình tìm điện áp nút V1, V2 V3 Hình 3.22.Sơ đồ mạch điện theo phương pháp điện áp nút Giải toán sử dụng định luật Kirchhoff I (về dòng điên) ta có hệ phương trình sau:  1 V V + ) − − = I1 V1(  R R R R1  −V1 V 1 + V2 ( + + )− =0  R R3 R R3  R2  −V1 1 + V2 ( ) − V3 ( + ) = I2  R3 R1 R  R1 (3.18) Viết dạng ma trận có:  1 +  R R1  V1   V   −  2  R2  V3     − R1  − R2 1 + + R R3 R − R3   R1   I1     − = R3     I2  1  +  R1 R  − (3.19) Ví dụ 3.4: sơ đồ mạch điện hình 3.22 với giá trị sau: R1= 20 Ω, R2= 10Ω, R3= 40Ω, R4= 50Ω, I1 = 5A, I2 =2A Tìm điện áp V1, V2, V3 Để giải toán sử dụng cách thức thực dựa kết phân tích lý thuyết để tính giá trị điện áp nút từ sử dụng tập lệnh MATLAB để minh họa đồ thị, sử dụng GUI để 50 thiết kế cho phép thay đổi trực tiếp số liệu để đạt kết mong muốn; cách khác sử dụng Simulink với phần tử điện trở, nguồn dòng blog kiểm tra có sẵn để xây dựng cấu hình mô theo mạch với số liệu thiết lập trình chạy chương trình - Giải GUI ta kết hình Hình 3.23.Kết giải GUI ví dụ 3.4 -Mô hình giải SIMULINK 51 Hình 3.24.Mô hình giải SIMULINK ví dụ 3.4 Bảng 3.5 Chức cách nhập thông số khối sơ đồ hình 3.24 Bộ cảm biến điện áp Hiển thị dạng tín hiệu -Kết thu từ SIMULINK 52 Hình 3.25.Kết giải SIMULINK ví dụ 3.4 3.3.2 Phân tích mạch điện theo phương pháp dòng điện vòng Cho sơ đồ mạch điện hình vẽ Hình 3.26.Sơ đồ mạch điện dòng Hình 3.27.Sơ đồ mạch điện dòng điện điện vòng vòng với dòng I1, I2, I3 Giải toán sử dụng định luật Kirchhoff II dòng điện ta có hệ phương trình sau: I1(R1 + R ) − I 2.R1 − I3.R = V  −I1R1 + I (R1 + R + R ) − I3.R = −I R − I R + I (R + R + R ) =  2 3 (3.20) Viết dạng ma trận ta được:  R1 + R  −R   −R −R1 −R R1 + R + R −R 53   I1   V   I  =   −R   2   R + R + R   I3    (3.21) Ví dụ 3.5:Với sơ đồ mạch điện hình 3.27, mạch điện có giá trị cụ thể sau: R1= 10Ω, R2= 30Ω, R3= 5Ω, R4= 15Ω, R5= 30Ω, V = 10V Tìm giá trị dòng điện vòng I1, I2, I3 Để giải toán sử dụng cách thức thực dựa kết phân tích lý thuyết để tính giá trị dòng điện vòng từ sử dụng tập lệnh MATLAB để minh họa đồ thị, sử dụng GUI để thiết kế cho phép thay đổi trực tiếp số liệu để đạt kết mong muốn; cách khác sử dụng Simulink với phần tử điện trở, nguồn điện áp blog kiểm tra có sẵn để xây dựng cấu hình mô theo mạch với số liệu thiết lập trình chạy chương trình -Giải code lệnh MATLAB ta có kết quả: I= 0.4753 0.1975 0.2346 -Giải GUI ta có kết quả: Hình 3.28.Kết giải GUI ví dụ 3.5 54 -Mô hình giải SIMULINK Hình 3.29.Mô hình giải SIMULINK ví dụ 3.5 Bảng 3.6.Chức cách nhập thông số khối sơ đồ hình 3.29 Bộ cảm biến dòng điện Hiển thị dạng tín hiệu -Ta thu kết từ SIMULINK 55 Hình 3.30.Kết giải SIMULINK ví dụ 3.5 3.4 Phân tích trình độ mạch R-L-C Ví dụ 3.6: cho mạch hình 3.31 với R=10Ω, L=1/32H, C=50µF, IS = 2A Hãy tìm điện áp v(t) khóa K đóng thời điểm t=0 Hình 3.31.Mạch điện RLC ví dụ 3.6 Tại thời điểm t < 0, điện áp qua tụ vC (0) = 2.10=20V Ngoài ra, dòng điện chảy qua điện cảm L iL (0) = Tại thời điểm t >0, khóa K đóng thông số mạch giữ trạng thái song song với Sử dụng định luật Kirchhoff (về dòng điện) ta có v(t) dv(t) t IS = +C + ∫ v(τ)dτ + i L (0) R dt L Biến đổi Laplace biểu thức (3.22): Is V(s) V(s) i L (0) = + C[sV(s) − Vc (0)] + + s R sL s Thay số rút gọn ta có biểu thứcV(s) 40000 + 20s 40000 + 20s A B V(s) = = = + s + 2000s + 64 *104 (s + 1600)(s + 400) s + 1600 s + 400 A= lim s →−1600 (3.22) V(s)(s + 1600) = −6.67 56 B = lim V(s)(s + 400) = 26.67 s →−400 v(t) = −6.67e −1600t + 26.67e −400t Để giải toán sử dụng cách thức thực dựa kết phân tích lý thuyết biểu diễn điện áp v(t) từ sử dụng tập lệnh MATLAB để minh họa đồ thị, sử dụng GUI để thiết kế cho phép thay đổi trực tiếp số liệu để đạt kết mong muốn; cách khác sử dụng Simulink với phần tử điện trở, tụ điện, điện cảm blog kiểm tra có sẵn để xây dựng cấu hình mô theo mạch với số liệu thiết lập trình chạy chương trình -Giải code lệnh MATLAB Hình 3.32Kết giải code MATLAB ví dụ 3.6 -Giải GUI ta kết quả: Hình 3.33.Kết giải GUI ví dụ 3.6 57 Cho mạch điện RLC hình Hình 3.34.Mạch điện RLC ví dụ 3.6 di(t) t + ∫ i(τ)dτ + Ri(t) Áp dụng Kirchhoff ta có: vS (t) = L (3.23) dt C −∞ dv (t) d 2i(t) di(t) i(t) Vi phân vế phương trình ta được: S = L + R + dt dt C dt dvS (t) d 2i(t) R di(t) i(t) Chia vế cho L ta được: = + + L dt L dt LC dt Khi vS(t) = số d 2i(t) dt + R di(t) i(t) + =0 L dt LC R ;b = L LC Nguồn gốc phương trình đặc tính xác định giả Phương trình đặc tính λ + aλ + b = a = định λ = α , β nên đồng thức ta có: i h (t) = A1eα1t + A 2eα2 t với A1 A2 số Nếu vS (t) số if (t) = A3 tổng toàn giải pháp ta i(t) = A1eα1t + A 2eα2 t + A Ví dụ 3.7: Cho mạch điện RLC hình 3.34 với L=10H, R=400Ω, di(0) = 15A / s Tìm i(t) C=100µF, vS(t)=0, i(0) = 4A dt Giải toán d i(t) R di(t) i(t) Khi vS(t) = 0, sử dụng công thức + + = ta có: L dt LC dt d 2i(t) + 400 di(t) + 1000.i(t) = 10 dt dt Phương trình đặc tính: λ + 40λ + 1000 = Tìm nghiệm phương trình MATLAB P=[1 40 1000]; Lambda=roots (P) 58 Lambda = -20.0000 +24.4949i -20.0000 -24.4949i Sử dụng nghiệm ta có i ( t ) = e −20t ( A1.Cos ( 24.4949t ) + A 2.Sin ( 24.4949t ) ) Với i ( ) = e−0 ( A1 + A ( ) ) ⇒ A1 = di(t) = −20e−20t [A1cos(24.4949t) + A sin(24.4949t)] + dt e−20t [-24.4949A1cos(24.4949t) + 24.4949A sin(24.4949t)] di(0) = 24.4949A − 20A1 = 15 dt Vì A1 = suy A2 = 3.8784 ⇒ i(t) = e −20t [4cos(24.4949t) + 3.8784sin(24.4949t)] Để giải toán sử dụng cách thức thực dựa kết phân tích lý thuyết biểu diễn dòng điện i(t) từ sử dụng tập lệnh MATLAB để minh họa đồ thị, sử dụng GUI để thiết kế cho phép thay đổi trực tiếp số liệu để đạt kết mong muốn; cách khác sử dụng Simulink với phần tử điện trở, điện cảm, tụ điện blog kiểm tra có sẵn để xây dựng cấu hình mô theo mạch với số liệu thiết lập trình chạy chương trình -Giải code lệnh MATLAB ta 59 Hình 3.35.Kết giải code MATLAB ví dụ 3.7 - Giải GUI ta kết quả: Hình 3.36.Kết giải GUI ví dụ 3.7 - Mô hình giải SIMULINK Hình 3.37.Mô hình giải SIMULINK ví dụ 3.7 Bảng 3.7.Chức cách nhập thông số khối mô hình 3.37 60 -Kết thu từ SIMULINK Hình 3.38.Kết giải SIMULINK ví dụ 3.7 61 KẾT LUẬN Phần mềm MATLAB phần mềm có nhiều tính trội, có nhiều cách để giải toán mạch điện MATLAB tính toán toán cách nhanh chóng, tự động giúp tiết kiệm thời gian, công sức cho người sử dụng toán có sơ đồ mạch điện cố định thay đổi Phần mềm MATLAB mô mạch điện khối hình giúp người sử dụng thay đổi cách linh hoạt để phù hợp với toán Phần mềm giúp người sử dụng có cách nhìn toàn diện, trực quan toán cần giải Bên cạnh đề tài cho ta thấy tầm quan trọng, cần thiết việc ứng dụng công nghệ thông tin vào việc giảng dạy học tập Đối với giáo viên, đề tài xem đề tàì mở để hướng dẫn sinh viên tìm hiểu học tập.Nếu vận dụng giảng dạy ví dụ trực quan, sinh động giúp cho sinh viên dễ nhớ kiến thức hiểu Đối với sinh viên đề tài dùng để tham khảo nghiên cứu, từ bạn sử dụng để giải tập hay bổ sung, phát triển thêm để hỗ trợ cho việc học tập 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO TS Phạm Hồng Liên, Đặng Ngọc Khoa, Trần Thanh Phương, “Matlab ứng dụng viễn thông”, ĐH BK Hà Nội, 2005 ThS Vũ Đức Hoàn, Bài giảng “Tin học ứng dụng Điện tử - Viễn thông”, Đại học Hàng hải Việt Nam, 2014 PGS.TS Đỗ Huy Giác, Hoàng Văn Sơn, “Lý thuyết mạch tín hiệu”, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội, 2000 Phạm Minh Hà, “Kỹ thuật mạch điện tử”, NXB Khoa học & Kỹ thuật, 2002 The Mathworks, “Communication Toolbox for use with MATLAB”, Version 3.0.1, 2004 O.Atta, John, “Electronics and Circuit Analysis using MATLAB”, America: CRC Press, 1999 63 ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN Đánh giá chất lượng Đồ án/khóa luận tốt nghiệp mặt: thu thập phân tích số liệu ban đầu, sở lý thuyết, vận dụng vào điều kiện cụ thể, chất lượng thuyết minh vẽ, mô hình (nếu có) …: Chấm điểm người phản biện (Điểm ghi số chữ) Hải Phòng, ngày tháng năm 2015 Người phản biện 64