giáo trình Tin hoc ky thuat

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM TIN HỌC KỸ THUẬT Biên soạn: ThS Phạm Hùng Kim Khánh Tin học kỹ thuật Ấn 2019 MỤC LỤC I MỤC LỤC MỤC LỤC I HƯỚNG DẪN IV CÁC TỪ VIẾT TẮT VI BÀI 1: CƠ SỞ VỀ MATLAB 1.1 GIỚI THIỆU 1.2 CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN 1.2.1 Các phép toán toán tử 1.2.2 Khai báo biến 1.2.3 Các lệnh thường dùng 1.2.4 Lưu biến vào file lấy nội dung biến từ file 1.2.5 Ma trận 1.2.6 Đa thức 12 1.2.7 Lập trình MatLab 13 1.2.8 Các file hàm 16 1.3 ĐỒ HOẠ 22 1.3.1 Các lệnh vẽ 22 1.3.2 Tạo hình vẽ 22 1.3.3 Kiểu đường vẽ 22 1.3.4 Vẽ với hai trục y 24 1.3.5 Vẽ đường cong 3D 24 1.3.6 Vẽ nhiều trục toạ độ 25 1.3.7 Đặt thông số cho trục 26 1.3.8 Giới hạn trục chia vạch trục 27 1.3.9 Ghi nhãn lên trục toạ độ 27 1.3.10 Đồ hoạ đặc biệt: 31 1.3.11 Đồ hoạ 3D 36 TÓM TẮT 38 CÂU HỎI ÔN TẬP 38 BÀI 2: GIAO DIỆN ĐỒ HỌA -GUI (GRAPHIC USER INTERFACE) 41 2.1 Tạo GUI 41 2.2 Các đối tượng đồ hoạ 43 2.3 Tạo menu 45 2.4 Viết mã lệnh file m 46 2.5 Ví dụ tạo GUI 47 TÓM TẮT 51 CÂU HỎI ÔN TẬP 51 BÀI 3: SYMBOLIC 54 3.1 Đạo hàm vi phân 55 3.2 Tích phân 56 II MỤC LỤC 3.3 Hàm ngược 57 3.4 Vẽ đồ thị 57 3.5 Định dạng biểu thức 59 3.6 Giải phương trình hệ phương trình 60 3.7 Tìm giới hạn 64 TÓM TẮT 65 CÂU HỎI ÔN TẬP 66 BÀI 4: SIMULINK 67 4.1 Cơ sở Simulink 69 4.1.1 Các khối 69 4.1.2 Các thư viện khối 73 4.1.3 Các đường 73 4.1.4 Ghi 74 4.1.5 Làm việc với loại liệu 74 4.1.6 Làm việc với tín hiệu phức 75 4.1.7 Tạo hệ thống 76 4.2 Mơ hình hố 77 4.2.1 Mơ hình hố phương trình 77 4.2.2 Mơ hình hố hệ phương trình tuyến tính 79 4.2.3 Giải phương trình bậc cao: 79 4.2.4 Mơ hình hoá hệ thống liên tục đơn giản 80 4.2.5 Mơ hình hố hệ phương trình vi phân bậc cao 81 4.2.6 Mơ hình hố hệ có điều kiện đầu khác khơng 82 4.2.7 Mơ hình hóa hệ cho sơ đồ khối 84 4.2.8 Mơ hình hố hệ phi tuyến 84 4.2.9 Ví dụ 87 TÓM TẮT 90 CÂU HỎI ÔN TẬP 90 BÀI 5: CÁC TOOLBOX HỖ TRỢ 93 5.1 Communication 93 5.1.1 Hàm 93 5.1.2 Simulink 111 5.1.3 Ví dụ 122 5.2 Simscape Multibody 130 5.2.1 Bodies 130 5.2.2 Joints 137 5.2.3 Constraints & Drivers 147 5.2.4 Sensors & Actuators 151 5.2.5 Force & Elements 157 5.2.6 Ví dụ 158 5.3 Control System 168 5.3.1 Mơ hình hệ thống 169 5.3.2 Phân tích hệ thống 173 5.3.3 PID Tuning 178 MỤC LỤC III 5.3.4 Thiết kế hệ thống điều khiển dùng Control System Designer 190 TÓM TẮT 195 TÀI LIỆU THAM KHẢO 196 IV HƯỚNG DẪN HƯỚNG DẪN MÔ TẢ MÔN HỌC Tin học kỹ thuật môn học sở cho sinh viên ngành Kỹ thuật Môn học giới thiệu MatLab, thiết kế giao diện công cụ hỗ trợ NỘI DUNG MÔN HỌC − Bài Cơ sở MatLab − Bài GUI − Bài Simulink − Bài Symbolic − Bài Các toolbox hỗ trợ KIẾN THỨC TIỀN ĐỀ Mơn học Tin học kỹ thuật địi hỏi sinh viên có tảng Tin học YÊU CẦU MÔN HỌC Người học phải dự học đầy đủ buổi lên lớp làm tập đầy đủ nhà CÁCH TIẾP NHẬN NỘI DUNG MÔN HỌC Để học tốt môn này, người học cần ôn tập học, trả lời câu hỏi làm đầy đủ tập; đọc trước tìm thêm thơng tin liên quan đến học Đối với học, người học đọc trước mục tiêu tóm tắt học, sau đọc nội dung học Kết thúc ý học, người đọc trả lời câu hỏi ôn tập kết thúc toàn học, người đọc làm tập PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ MƠN HỌC Mơn học đánh giá gồm: HƯỚNG DẪN − Điểm trình: 50% Hình thức nội dung giảng viên định, phù hợp với quy chế đào tạo tình hình thực tế nơi tổ chức học tập − V Điểm thi: 50% Hình thức thi thực hành 90 phút VI CÁC TỪ VIẾT TẮT CÁC TỪ VIẾT TẮT ADS-B - Automatic Dependent Surveillance-Broadcast AM – Amplitude Modulation: điều biên AWGN – Additive White Gaussian Noise: nhiễu trắng Gaussian cộng BER – Bit error rate: tỷ số lỗi bit BPSK – Binary Phase Shift Keying: điều chế pha nhị phân CPFSK – Continuous Phase Frequency Shift Keying: FSK pha liên tục CPM – Continuous Phase Modulation: điều chế pha liên tục CRC – Cyclic Redundancy Check: kiểm tra độ dư vòng DBPSK – Differential BPSK: BPSK vi phân FM – Frequency Modulation: điều tần FSK - Frequency Shift Keying GMSK – Gaussian Minimum-Shift Keying IMC – Internal Model Control: điều khiển mơ hình nội LQG – Linear Quadratic Gaussian: Gauss tuyến tính bậc hai LTE – Long Term Evolution MIMO – Multiple Input Multiple Output OFDM - Orthogonal Frequency-Division Multiplexing: ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OQPSK – Offset QPSK OVSF - Orthogonal Variable Spreading Factor: hệ số trải biến trực giao PAM - Pulse Amplitude Modulation: điều biên xung PID - Proportional Integral Derivative: vi tích phân tỷ lệ PM – Phase Modulation: điều pha QAM – Quadrature Amplitude Modulation: điều chế biên độ vng góc CÁC TỪ VIẾT TẮT QPSK - Quadature Phase Shift Keying: điều chế pha cầu phương SER – Symbol error rate: tỷ số lỗi symbol VII 182 BÀI 5: CÁC TOOLBOX HỖ TRỢ Như vậy, ta thiết kế điều khiển PI với Kp = 0.64362 Ki = 0.30314 Ví dụ 5.32: Thiết kế điều khiển feedback-feedforward để điều chỉnh nhiệt độ lò nhiệt Hình 5.77 – Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ lị nhiệt Hình 5.78 – Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vòng hở hồi tiếp t1 = 21.8; t2 = 36.0; tau = 3/2 * ( t2 - t1 ) theta = t2 - tau; s = tf('s'); BÀI 5: CÁC TOOLBOX HỖ TRỢ 183 Gp = exp(-theta*s)/(1+tau*s) Kc = 0.859 * (theta / tau)^(-0.977) tauc = ( tau / 0.674 ) * ( theta / tau )^0.680 C = Kc * (1 + 1/(tauc*s)); Tfb = feedback(ss(Gp*C),1); step(Tfb), grid on title('Response to step change in temperature setpoint T_{sp}') ylabel('Tank temperature') margin(Gp*C), grid 184 BÀI 5: CÁC TOOLBOX HỖ TRỢ C1 = 0.9 * (1 + 1/(tauc*s)); % giảm Kc từ 1.23 đến 0.9 margin(Gp*C1), grid step(Tfb,'b', feedback(ss(Gp*C1),1),'r') legend('Kc = 1.23','Kc = 0.9') BÀI 5: CÁC TOOLBOX HỖ TRỢ Hình 5.79 – Sơ đồ khối hệ thống điều khiển feedforward Gd = exp(-35*s)/(25*s+1); F = -(21.3*s+1)/(25*s+1) * exp(-25*s); Tff = Gp * ss(F) + Gd; step(Tff), grid Hình 5.80 – Sơ đồ khối hệ thống điều khiển feedforward-feedback 185 186 BÀI 5: CÁC TOOLBOX HỖ TRỢ Gd.u = 'd'; Gd.y = 'Td'; Gp.u = 'V'; Gp.y = 'Tp'; F.u = 'd'; F.y = 'Vf'; C.u = 'e'; C.y = 'Vc'; Sum1 = sumblk('e = Tsp - T'); Sum2 = sumblk('V = Vf + Vc'); Sum3 = sumblk('T = Tp + Td'); Tffb = connect(Gp,Gd,C,F,Sum1,Sum2,Sum3,{'Tsp','d'},'T'); C.u = 'e'; C.y = 'V'; Tfb = connect(Gp,Gd,C,Sum1,Sum3,{'Tsp','d'},'T'); step(Tfb,'b',Tffb,'r '), grid title('Closed-loop response to setpoint and disturbance step change') ylabel('Tank temperature') legend('Feedback only','Feedforward + feedback') bodemag(Tfb,'b',Tffb,'r ',{1e-3,1e1}) legend('Feedback only','Feedforward + feedback') BÀI 5: CÁC TOOLBOX HỖ TRỢ 187 188 BÀI 5: CÁC TOOLBOX HỖ TRỢ Hình 5.81 – Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ Simulink Hình 5.82 – Đáp ứng vòng hở hệ thống điều khiển nhiệt độ BÀI 5: CÁC TOOLBOX HỖ TRỢ 189 Hình 5.83 – Đáp ứng điều khiển feedback hệ thống điều khiển nhiệt độ Hình 5.84 – Đáp ứng điều khiển feedforward hệ thống điều khiển nhiệt độ 190 BÀI 5: CÁC TOOLBOX HỖ TRỢ Hình 5.85 – Đáp ứng điều khiển FB-FF hệ thống điều khiển nhiệt độ 5.3.4 Thiết kế hệ thống điều khiển dùng Control System Designer Control System Designer cho phép: 1) Xác định yêu cầu thiết kế điều khiển thời gian, tần số vẽ đáp ứng cực – không 2) Điều chỉnh bù bằng: Phương pháp thiết kế tự động điều chỉnh PID, IMC, LQG Điều chỉnh điểm cực – không đồ thị dùng biểu đồ Bode quỹ đạo nghiệm số 3) Hiển thị đáp ứng vịng kín vịng hở cách trực quan cho thấy hiệu suất hệ thống điều khiển Ví dụ 5.33: Thiết kế bù cho hệ thống 𝐺(𝑠) = 𝑠+1 BÀI 5: CÁC TOOLBOX HỖ TRỢ 191 Yêu cầu: - Sai số trạng thái xác lập với ngõ vào bước - Thời gian tăng (rise time) đến 80% 1s - Thời gian ổn định(settling time) 2s - Độ vọt lố (overshoot) 20% - Tần số cắt vòng hở nhỏ rad/s G = tf(1,[1,1]); controlSystemDesigner(G); Hình 5.86 – Cửa sổ Control System Designer Nhấn chuột phải vào đồ thị Step Response, chọn Design Requirements > New Nhập thơng số u cầu hình vẽ 192 BÀI 5: CÁC TOOLBOX HỖ TRỢ Hình 5.87 – Các thông số yêu cầu hệ thống Nhấn OK Các thơng số thêm vào hệ thống Hình 5.88 – Đáp ứng bước sau thêm vào yêu cầu BÀI 5: CÁC TOOLBOX HỖ TRỢ 193 Để xác định tần số cắt theo yêu cầu, nhấn chuột phải vào biểu đồ Bode, chọn Design Requirements > New nhập thơng số u cầu thiết kế Hình 5.89 – Thêm yêu cầu tần số cắt Thêm vào bù tích phân để sai số trạng thái xác lập Nhấn chuột phải vào đồ thị Root Locus Editor, chọn Add Pole/Zero > Integrator Để tạo quỹ đạo nghiệm số có dạng mong muốn, thêm vào điểm zero thực gần giá trị -2 cách nhấn chuột phải, chọn Add Pole/Zero > Real Zero, sau nhấn chuột trái đồ thị gần điểm -2 Để tăng thời gian đáp ứng cách tăng độ lợi bù, Bode Editor, nhấn chuột trái đồ thị biên độ (Magnitude) kéo lên nằm vùng loại trừ 194 BÀI 5: CÁC TOOLBOX HỖ TRỢ Hình 5.90 – Hệ thống điều khiển sau hiệu chỉnh BÀI 5: CÁC TOOLBOX HỖ TRỢ 195 TĨM TẮT Trong này, người học tìm hiểu số toolbox thiết kế sẵn MatLab Dựa vào toolbox này, người học thiết kế hay mô hệ thống theo yêu cầu Các toolbox giới thiệu bao gồm: Communication System dùng cho sinh viên ngành Điện tử - Truyền thông, Simscape Multibody dành cho sinh viên Cơ khí Control System dành cho Điều khiển tự động 196 BÀI 5: CÁC TOOLBOX HỖ TRỢ TÀI LIỆU THAM KHẢO Mathworks Inc., MatLab Documentation, 2019 ... hình hố 77 4.2.1 Mơ hình hố phương trình 77 4.2.2 Mơ hình hố hệ phương trình tuyến tính 79 4.2.3 Giải phương trình bậc cao: 79 4.2.4 Mơ hình hố hệ... Editor Sau nhập vào đoạn chương trình sau: % Chuong trinh M-file x= 0:pi/6:2*pi; y=sin(x); plot(x,y); Lưu chương trình với tên file plot_sin.m Thực thi chương trình cửa sổ Command window dịng... lớn 21023 inf vơ lớn NaN Not a number Ví dụ 1.1: Đoạn chương trình giải phương trình bậc 2: a= 1; b=-2; c=1; delta= b^2- 4*a*c; %Tinh delta x1=(-b + sqrt(delta))/(2*a) x2=(-b - sqrt(delta))/(2*a)