Ứng dụng matlab trong xây dựng thư viện một số hàm hỗ trợ giải bài tập lý thuyết mạch

Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học bách khoa hà nội - F G - Luận văn thạc sĩ khoa học ứng dụng matlab xây dựng th viện số hàm hỗ trợ giải tập lý thuyết mạch Ngành: M số: đo lờng hệ thống điều khiển Phan văn phùng Ngời hớng dẫn khoa học: PGS.TSKH Trần Hoài Linh Hà Nội - 2009 Luận văn thạc sỹ khoa học Ngành: Đo lờng & Các hệ thống điều khiển Mc lc Mc lc Li núi u Chng I C s Matlab 1.1.Tng quan v cu trỳc d liu ca Matlab, cỏc ng dng 1.1.1.D liu 1.1.2.ng dng 1.1.3.Toolbox l mt cụng c quan trng ca Matlab 1.2 H thng Matlab 1.3 Mt s lnh c bn Matlab 1.3.1 Cỏc phộp toỏn c bn 1.3.2 Cỏc bin (khai bỏo v s dng) 1.3.3 Cỏc hm c bit 10 1.3.4 Cỏc cu trỳc d liu c bn 10 1.3.5 Cỏc hm phc 12 1.3.6 Cu trỳc lnh c bn 13 1.4 Lp trỡnh trờn m.file 15 1.5 Giao din ngi dựng (GUI Graphical User Interfaces) 17 1.5.1 Cỏc thnh phn iu khin ca GUI (uicontrol objects) 18 1.5.2 Lp trỡnh iu khin vi GUI 21 Chng II ng dng Matlab gii mt s dng bi toỏn lý thuyt mch in 23 2.1 Biu din s phc v nh phc ca tớn hiu xoay chiu iu hũa 23 2.1.1 Hm chuyn i gia hai dng c bn mụ t tớn hiu hỡnh sin, nh phc 23 2.1.2 Cng, tr, nhõn, chia s phc dng le 24 2.1.3 Gii h phng trỡnh phc 25 2.2 Gii mch in bng SCAM (Symbolic Circuit Analysis in MatLab) 26 2.2.1 C s lý thuyt 26 2.2.2 Bi toỏn 29 2.3 Mng hai ca tuyn tớnh khụng ngun 38 HV: Phan Văn Phùng Ngời hớng dẫn khoa học: PGS.TSKH Trần Hoài Linh Luận văn thạc sỹ khoa học Ngành: Đo lờng & Các hệ thống điều khiển 2.3.1 H phng trỡnh dng [A],[B] 38 2.3.2 H phng trỡnh dng [Z],[Y] 39 2.3.3 H phng trỡnh dng [H], [G] 39 2.3.4 Mi quan h gia cỏc h phng trỡnh: [A],[B],[Z],[Y],[H],[G] 40 2.3.5 Xõy dng mng hỡnh T v t thụng s mng hai ca 43 2.4 H tr gii mch bng nh Laplace 51 2.4.1 Bin i thun 51 2.4.2 Bin i ngc 52 2.4.3 Mt s nh lý v nh-gc: 52 2.4.4 Gii mch bng phng phỏp toỏn t: 54 2.5 ng dõy di 58 2.5.1 Tớnh toỏn cỏc thụng s c bn cho ng dõy 58 2.5.2 H phng trỡnh hyperbolic ca ng dõy di 59 2.5.2 Tớnh toỏn truyn cụng sut 60 2.5.3 nh Petersen (Quỏ trỡnh quỏ ) 61 Chng III Kt qu 65 3.1 Giao din tớnh toỏn s phc 65 3.1.1 Giao din ban u 65 3.1.2 Giao din sau ó nhp s liu 65 3.1.3 Giao din sau ó cú kt qu: 66 3.2 Giao din nh phc ca tớn hiu hỡnh sin 67 3.2.1 Giao din ban u 67 3.2.2 Giao din sau nhp s liu 68 3.2.3 Giao din kt qu 69 3.3 Giao din tớnh toỏn quan h gia cỏc ma trn ca mng ca 70 3.3.1 Giao din ban u 70 3.3.2 Giao din sau nhp s liu 70 3.3.2.Giao din sau nhp s liu 71 3.4 Giao din tớnh toỏn quỏ trỡnh quỏ 72 3.4.1 Giao din ban u 72 HV: Phan Văn Phùng Ngời hớng dẫn khoa học: PGS.TSKH Trần Hoài Linh Luận văn thạc sỹ khoa học Ngành: Đo lờng & Các hệ thống điều khiển 3.4.2 Giao din sau nhp s liu 72 3.4.3 Giao din kt qu 73 3.5 Giao din tớnh toỏn cỏc thụng s c bn ca ng dõy di 73 3.5.1 Giao din ban u 73 3.5.2 Giao din sau nhp s liu 74 3.5.3 Giao din kt qu 74 3.6 Giao din tớnh toỏn truyn cụng sut ng dõy di 75 3.6.1 Giao din ban u 75 3.6.2 Giao din sau nhp s liu 76 3.6.3 Giao din kt qu 77 3.7 Giao din tớnh toỏn theo mụ hỡnh Petersen 77 3.7.1 Giao din ban u 77 3.7.3 Giao din sau nhp s liu 78 3.7.3 Giao din kt qu 79 Chng IV: Kt lun v hng phỏt trin ca lun 80 4.1 Kt lun 80 4.2.Hng phỏt trin 80 Ti liu tham kho 81 HV: Phan Văn Phùng Ngời hớng dẫn khoa học: PGS.TSKH Trần Hoài Linh Luận văn thạc sỹ khoa học Ngành: Đo lờng & Các hệ thống điều khiển Li núi u t nc ta ang quỏ trỡnh hi nhp, s cnh tranh vi cỏc nc trờn th gii tt cỏc lnh vc rt quyt lit, ũi hi cỏc ngnh, cỏc cp phi i mi phng phỏp qun lý, ỏp dng cụng ngh tiờn tin, hin i, nõng cao cht lng v hiu qu i vi ngnh giỏo dc cng vy, cnh tranh c phi nõng cao cht lng o to, gi vng thng hiu Mun vy, cỏc trng hc, c bit l cỏc trng i hc v cao ng, ngoi yu t nng lc ca ging viờn, giỏo viờn, nh trng cn phi chỳ trng n vic s dng phng tin dy hc hin i, ng dng cỏc phn mm phc v cho quỏ trỡnh ging dy cỏc mụn hc Qua ú sinh viờn tip cn vi cụng ngh tiờn tin giỳp cỏc em nõng cao nng lc nhn thc, nng lc t duy, k nng ng dng, gii quyt tt nhim v m mụn hc yờu cu Cỏc ngnh hc núi chung, ngnh in núi riờng, vic gii bi cỏc mụn hc, nht l mụn hc Lý Thuyt Mch mt mt lng thi gian khỏ ln Mụn Lý Thuyt Mch khụng i sõu vo vic gii thớch cỏc hin tng vt lý, m mụn hc chỳ ý nhiu n tinh toỏn v ng dng k thut, phc v cho chuyờn ngnh v cỏc lnh vc khoa hc k thut khỏc liờn quan n k thut in T trc n phng phỏp gii cỏc bi v lý thuyt mch thng l: t s mch in lp cỏc phng trỡnh, h phng trỡnh, sau ú tin hnh gii cỏc phng trỡnh, h phng trỡnh tỡm kt qu Gp nhng mch in cú nhiu phộp tớnh v phng trỡnh phc tp, nht l vic gii cỏc bi mch in nhiu nhỏnh, mch in ch quỏ , ng dõy di mt rt nhiu thi gian gii quyt ny, chỳng ta cn phi ng dng mt phn mm no ú Cú rt nhiu phn mm tớnh toỏn vi kh nng ng dng cao nh: Maple, Mathcad, Athematica, MatlabTrong ú Matlab l phn mm cú kh nng ng dng cao v tin ớch Vi ni dung bn lun : ng dng Matlab xõy dng th vin mt s hm h tr gii bi lý thuyt mch Qua ú, vic thc hin lp cỏc hm h tr v vic mụ phng cỏc bi v mch in dựng phn mm Matlab trờn mỏy tớnh giỳp cho sinh viờn tin hnh gii cỏc bi mt cỏch nhanh chúng, chớnh xỏc v hiu qu Ni dung bn lun ny gm cỏc phn nh sau: Chng I - C s Matlab: Gii thiu tng quan v phn mm Matlab, mt s c im v kh nng ng dng c bn gii cỏc bi toỏn k thut HV: Phan Văn Phùng Ngời hớng dẫn khoa học: PGS.TSKH Trần Hoài Linh Luận văn thạc sỹ khoa học Ngành: Đo lờng & Các hệ thống điều khiển Chng II - ng dng Matlab gii mt s dng bi toỏn lý thuyt mch in - trung trỡnh by v kh nng ng dng Matlab gii mch in c bn nh bi toỏn: tớnh toỏn s phc, nh ca tớn hiu hỡnh sin, tớnh toỏn quan h gia cỏc ma trn ca mng ca, tớnh toỏn quỏ trỡnh quỏ , tớnh toỏn cỏc thụng s ca ng dõy di, tớnh toỏn truyn cụng sut ng dõy di Chng III - Kt qu hm th vin v giao din GUI tng kt mt s kt qu trin khai trờn nn Matlab phn th vin cỏc hm v giao din tớnh toỏn s phc, giao din nh ca tớn hiu hỡnh sin, giao din tớnh toỏn quan h gia cỏc ma trn ca mng ca, giao din tớnh toỏn quỏ trỡnh quỏ , giao din tớnh toỏn cỏc thụng s ca ng dõy di, giao din tớnh toỏn truyn cụng sut ng dõy div mt s giao din GUI h tr khai thỏc cỏc th vin cỏc hm ó vit ChngIV - Kt lun v hng phỏt trin, túm tt li cỏc kt qu ó t c ca lun ỏn ng thi phõn tớch mt s mt cũn tn ti v xut mt s hng phỏt trin ca lun Do thi gian v trỡnh cú hn nờn bn lun khụng trỏnh nhng sai sút v cú nhiu phi hon thin thờm Tụi rt mong nhn c s gúp ý, ch dn ca cỏc thy cụ v cỏc bn ng nghip Xin trõn trng cm n s hng dn tn tỡnh ca PGS TSKH Trn Hoi Linh, thy ó ginh cho em thi gian, kin thc v phng phỏp t quớ bỏu HV: Phan Văn Phùng Ngời hớng dẫn khoa học: PGS.TSKH Trần Hoài Linh Luận văn thạc sỹ khoa học Ngành: Đo lờng & Các hệ thống điều khiển Chng I: C s Matlab Matlab l mt ngụn ng lp trỡnh thc hnh bc cao c s dng gii cỏc bi toỏn v k thut Matlab tớch hp c vic tớnh toỏn, th hin kt qu, cho phộp lp trỡnh, giao din lm vic rt d dng cho ngi s dng D liu cựng vi th vin c lp trỡnh sn cho phộp ngi s dng cú th cú c nhng ng dng sau õy S dng cỏc hm cú sn th vin, cỏc phộp tớnh toỏn hc thụng thng Cho phộp lp trỡnh to nhng ng dng mi Cho phộp mụ phng cỏc mụ hỡnh thc t Phõn tớch, kho sỏt v hin th d liu Vi phn mm ho cc mnh Cho phộp phỏt trin, giao tip vi mt s phn mm khỏc nh C++, Fortran 1.1.Tng quan v cu trỳc d liu ca Matlab, cỏc ng dng Matlab l mt h thng tng giao, cỏc phn t d liu l mt mng ( mng ny khụng ũi hi v kớch thc) Chỳng cho phộp gii quyt cỏc liờn quan n lp trỡnh bng mỏy tớnh, c bit l cỏc phộp tớnh v ma trn hay vộc tor v cú s dng ngụn ng C hoc Fortran lp trỡnh ri thc hin ng dng lp trỡnh ú bng cỏc cõu lnh gi t Matlab Matlab c vit tt t ch matrix laboratory tc l th vin v matrn, t ú phn mm Matlab c vit nhm cung cp cho vic truy cp vo mm ma trn mt cỏch d dng, phn mm ma trn ny c phỏt trin bi cỏc cụng trỡnh Linpack v Eispack Ngy Matlab c phỏt trin bi Lapack v Artpack to nờn mt ngh thut phn mm cho ma trn 1.1.1 D liu D liu ca Matlab th hin di dng ma trn ( hoc mng - tng quỏt), v cú cỏc kiu d liu c lit kờ sau õy Kiu n single, kiu ny cú li v b nh d liu vỡ nú ũi hi ớt byte nh hn, kiu d liu ny khụng c s dng cỏc phộp tớnh toỏn hc, chớnh xỏc kộm hn Kiu double, kiu ny l kiu thụng dng nht ca cỏc bin Matlab HV: Phan Văn Phùng Ngời hớng dẫn khoa học: PGS.TSKH Trần Hoài Linh Luận văn thạc sỹ khoa học Ngành: Đo lờng & Các hệ thống điều khiển Kiu Sparse Kiu int8, uint8, int16 Kiu char, vớ d Hello Kiu cell Kiu Structure Trong Matlab kiu d liu double l kiu mc nh s dng cỏc phộp tớnh s hc 1.1.2.ng dng Matlab ng dng rt rng rói nhiu lnh vc v nú s dng rt nhiu cỏc phộp tớnh toỏn hc Vi nhng c im ú v kh nng thõn thin vi ngi s dng nờn nú d dng s dng hn cỏc ngụn ng lp trỡnh khỏc nh: Basic, Pascal, C Matlab cung cp mt mụi trng phong phỳ cho biu din d liu v cú kh nng mnh m v ha, bn cú th to cỏc giao din riờng cho ngi s dng (Graphical User Interface - GUIs) gii quyt nhng cho riờng mỡnh Thờm vo ú Matlab a nhng cụng c gii quyt nhng c bit, gi l Toolbox (th vin cụng c) Vớ d Student Edition ca Matlab bao gm c Toolbox iu khin t ng, Toolbox x lớ s liu, Toolbox tớnh toỏn trờn bin hỡnh thc Ngoi bn cng cú th to Toolbox cho riờng mỡnh 1.1.3.Toolbox l mt cụng c quan trng ca Matlab Cụng c ny c Matlab cung cp cho phộp bn ng dng cỏc k thut phõn tớch, thit k, mụ phng cỏc mụ hỡnh Ta cú th tỡm thy toolbox mụi trng lm vic ca: Mng n ron Logic m Simulink 1.2 H thng Matlab H thng giao din ca Matlab c chia thnh phn: ắ Mụi trng phỏt trin HV: Phan Văn Phùng Ngời hớng dẫn khoa học: PGS.TSKH Trần Hoài Linh Luận văn thạc sỹ khoa học Ngành: Đo lờng & Các hệ thống điều khiển õy l ni t cỏc cụng c, cỏc phng tin giỳp chỳng ta s dng cỏc lnh v cỏc file, ta cú th lit kờ mt s nh sau: + Desktop + Command Window + Command History + Browsers for viewingghelp ắ Th vin, cỏc hm toỏn hc Bao gm cỏc cu trỳc nh tớnh tng, sin, cosin, actan2, etc, cỏc phộp tớnh n gin n cỏc phộp tớnh phc nh tớnh ma trn nghch o, tr riờng, chuyn i furie, laplace, symbolic library ắ Ngụn ng Matlab ú l ngụn ng cao v ma trn v mng, vi cỏc dũng lnh, cỏc hm, cu trỳc d liu vo, cú th lp trỡnh hng i tng ắ ho Matlab HV: Phan Văn Phùng Ngời hớng dẫn khoa học: PGS.TSKH Trần Hoài Linh Luận văn thạc sỹ khoa học Ngành: Đo lờng & Các hệ thống điều khiển Bao gm cỏc cõu lnh th hin ho mụi trng 2D v 3D, to cỏc hỡnh nh chuyn ng, cung cp cỏc giao din tng tỏc gia ngi s dng v mỏy tớnh ắ Giao tip vi cỏc ngụn ng khỏc Matlab cho phộp tng tỏc vi cỏc ngụn ng khỏc nh C, Fortran 1.3 Mt s lnh c bn Matlab 1.3.1 Cỏc phộp toỏn c bn = + Gỏn giỏ tr cho bin - * / Cỏc phộp toỏn ^ ; Xut hin cui mi giỏ tr, ngm nh giỏ tr khụng cho xut hin giỏ tr trờn mn hỡnh , Ngn cỏch gia cỏc phn t (tng ng du cỏch) Eps Cp chớnh xỏc tng i s dng giỏ tr du phy ng I ,j Toỏn t o Inf Vụ cựng NaN Not a Number Pi Hng s pi=3.14 1.3.2 Cỏc bin (khai bỏo v s dng) Ch mc nh kt qu ca cỏc bin c gỏn cho ans Nu s dng du = ta cú th nh ngha mt bin v gỏn giỏ tr cho bin ú Khi nhp tờn ca mt bin m khụng gỏn giỏ tr, ta thu c giỏ tr hin ti ca bin Tờn ca bin cú th cha ti 32 ch cỏi, gch ngang thp cng nh ch s Ch vit hoa v ch vit nh u c phõn bit Cỏc giỏ tr cú th c thc hin thnh mt chui lnh cựng mt dũng, ch cỏch bi du (;), nu dựng du (,) tỏch cỏc lnh thỡ giỏ tr c xut mn hỡnh Vớ d: >>giatri_1=8; giatri_2=4; >>giatri_1=8 giatri_1= >> x=giatri_1 + giatri_2, X= giatri_1 * giatri_2 x= HV: Phan Văn Phùng Ngời hớng dẫn khoa học: PGS.TSKH Trần Hoài Linh Luận văn thạc sỹ khoa học 67 Ngành: Đo lờng & Các hệ thống điều khiển Hỡnh 3.4 Giao din kt qu 3.2 Giao din nh phc ca tớn hiu hỡnh sin 3.2.1 Giao din ban u Trờn hỡnh 3.5 bao gm hai panel nhp s liu dng i s v dng le Kt qu c hin th hai dng th hỡnh sin v th mt phng phc, dng phng trỡnh hm hỡnh sin HV: Phan Văn Phùng Ngời hớng dẫn khoa học: PGS.TSKH Trần Hoài Linh Luận văn thạc sỹ khoa học 68 Ngành: Đo lờng & Các hệ thống điều khiển Hỡnh 3.5 Giao din nh phc ca tớn hiu hỡnh sin 3.2.2 Giao din sau nhp s liu nhp s liu chuyn t dng i s sang dng le ch vic nhp phn thc(a), phn o (b) sau ú cú th nhp tn s ngun (mc nh tn s ngun f=50 Hz) HV: Phan Văn Phùng Ngời hớng dẫn khoa học: PGS.TSKH Trần Hoài Linh Luận văn thạc sỹ khoa học 69 Ngành: Đo lờng & Các hệ thống điều khiển Hỡnh 3.6 Giao din kt qu 3.2.3 Giao din kt qu Hỡnh 3.7 Giao din kt qu Sau nhp cỏc thụng s vo cỏc ụ cn thit, ch cn nhn vo nỳt chuyn i (i s>>le hoc le>>i s) s c kt qu nh trờn hỡnh 3.7 HV: Phan Văn Phùng Ngời hớng dẫn khoa học: PGS.TSKH Trần Hoài Linh Luận văn thạc sỹ khoa học 70 Ngành: Đo lờng & Các hệ thống điều khiển 3.3 Giao din tớnh toỏn quan h gia cỏc ma trn ca mng ca 3.3.1 Giao din ban u Hỡnh 3.8 Quan h gia cỏc ma trn A,Z,Y,H,G,B ca mng hai ca Trờn hỡnh 3.8 l giao din dựng chuyn i tớnh toỏn cỏc mi quan h gia cỏc ma trn A,Z,Y,H,G,B v tớnh toỏn cỏc thụng s ca s tng ng hỡnh T v ca mng hai ca Giao din tớnh toỏn trờn bao gm mt panel cú 15 la chn chuyn i qua li gia ma trn A,Z,Y,H,G,B tng ụi mt Hai panel nhp s liu dng ma trn nhng ch cn nhp s liu t mt dng ma trn Hai panel cũn li hin th thụng s ca s tng ng dng hỡnh T v 3.3.2 Giao din sau nhp s liu nhp s liu trc tiờn cn phi la chn mt 15 la chn chuyn i gia cỏc ma trn sau ú nhp thụng s ca ma trn ó bit HV: Phan Văn Phùng Ngời hớng dẫn khoa học: PGS.TSKH Trần Hoài Linh Luận văn thạc sỹ khoa học 71 Ngành: Đo lờng & Các hệ thống điều khiển Hỡnh 3.9 Giao din sau nhp s liu 3.3.2 Giao din sau nhp s liu Sau nhp s liu, ch vic bm chut vo nỳt chuyn i (>> hay