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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -    - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ỨNG DỤNG MATLAB TRONG XÂY DỰNG THƯ VIỆN MỘT SỐ HÀM HỖ TRỢ GIẢI BÀI TẬP LÝ THUYẾT MẠCH PHAN VĂN PHÙNG HÀ NỘI - 2009 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -    - LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ỨNG DỤNG MATLAB TRONG XÂY DỰNG THƯ VIỆN MỘT SỐ HÀM HỖ TRỢ GIẢI BÀI TẬP LÝ THUYẾT MẠCH NGÀNH: ĐO LƯỜNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHAN VĂN PHÙNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TSKH TRẦN HOÀI LINH HÀ NỘI - 2009 Mục lục Mục lục Lời nói đầu Chương I Cơ sở Matlab 1.1.Tổng quan cấu trúc liệu Matlab, ứng dụng 1.1.1.Dữ liệu 1.1.2.Ứng dụng 1.1.3.Toolbox công cụ quan trọng Matlab 1.2 Hệ thống Matlab 1.3 Một số lệnh Matlab 1.3.1 Các phép toán 1.3.2 Các biến (khai báo sử dụng) 1.3.3 Các hàm đặc biệt 10 1.3.4 Các cấu trúc liệu 10 1.3.5 Các hàm phức tạp 12 1.3.6 Cấu trúc lệnh 13 1.4 Lập trình m.file 15 1.5 Giao diện đồ họa người dùng (GUI Graphical User Interfaces) 17 1.5.1 Các thành phần điều khiển GUI (uicontrol objects) 18 1.5.2 Lập trình điều khiển với GUI 21 Chương II Ứng dụng Matlab giải số dạng toán lý thuyết mạch điện 23 2.1 Biểu diễn số phức ảnh phức tín hiệu xoay chiều điều hòa 23 2.1.1 Hàm chuyển đổi hai dạng mô tả tín hiệu hình sin, ảnh phức 23 2.1.2 Cộng, trừ, nhân, chia số phức dạng le 24 2.1.3 Giải hệ phương trình phức 25 2.2 Giải mạch điện SCAM (Symbolic Circuit Analysis in MatLab) 26 2.2.1 Cơ sở lý thuyết 26 2.2.2 Bài toán 29 2.3 Mạng hai cửa tuyến tính không nguồn 38 2.3.1 Hệ phương trình dạng [A],[B] 38 2.3.2 Hệ phương trình dạng [Z],[Y] 39 2.3.3 Hệ phương trình dạng [H], [G] 39 2.3.4 Mối quan hệ hệ phương trình: [A],[B],[Z],[Y],[H],[G] 40 2.3.5 Xây dựng mạng hình T  từ thông số mạng hai cửa 43 2.4 Hỗ trợ giải mạch ảnh Laplace 51 2.4.1 Biến đổi thuận 51 2.4.2 Biến đổi ngược 52 2.4.3 Một số định lý ảnh-gốc: 52 2.4.4 Giải mạch phương pháp toán tử: 54 2.5 Đường dây dài 58 2.5.1 Tính tốn thơng số cho đường dây 58 2.5.2 Hệ phương trình hyperbolic đường dây dài 59 2.5.2 Tính tốn truyền cơng suất 60 2.5.3 Ảnh Petersen (Quá trình độ) 61 Chương III Kết 66 3.1 Giao diện tính toán số phức 66 3.1.1 Giao diện ban đầu 66 3.1.2 Giao diện sau nhập số liệu 66 3.1.3 Giao diện sau có kết quả: 67 3.2 Giao diện ảnh phức tín hiệu hình sin 68 3.2.1 Giao diện ban đầu 68 3.2.2 Giao diện sau nhập số liệu 69 3.2.3 Giao diện kết 70 3.3 Giao diện tính toán quan hệ ma trận mạng cửa 71 3.3.1 Giao diện ban đầu 71 3.3.2 Giao diện sau nhập số liệu 71 3.3.2.Giao diện sau nhập số liệu 72 3.4 Giao diện tính toán trình độ 73 3.4.1 Giao diện ban đầu 73 3.4.2 Giao diện sau nhập số liệu 73 3.4.3 Giao diện kết 74 3.5 Giao diện tính toán thông số đường dây dài 74 3.5.1 Giao diện ban đầu 74 3.5.2 Giao diện sau nhập số liệu 75 3.5.3 Giao diện kết 75 3.6 Giao diện tính tốn truyền cơng suất đường dây dài 76 3.6.1 Giao diện ban đầu 76 3.6.2 Giao diện sau nhập số liệu 77 3.6.3 Giao diện kết 78 3.7 Giao diện tính tốn theo mơ hình Petersen 78 3.7.1 Giao diện ban đầu 78 3.7.3 Giao diện sau nhập số liệu 79 3.7.3 Giao diện kết 80 Chương IV: Kết luận hướng phát triển luận văn 81 4.1 Kết luận 81 4.2.Hướng phát triển 81 Tài liệu tham khảo 82 Lời nói đầu Đất nước ta trình hội nhập, cạnh tranh với nước thế giới tất lĩnh vực quyết liệt, đòi hỏi ngành, cấp phải đổi phương pháp quản lý, áp dụng công nghệ tiên tiến, đại, để nâng cao chất lượng hiệu Đối với ngành giáo dục vậy, để cạnh tranh phải nâng cao chất lượng đào tạo, giữ vững thương hiệu Muốn vậy, trường học, đặc biệt trường đại học cao đẳng, yếu tố lực giảng viên, giáo viên, nhà trường cần phải trọng đến việc sử dụng phương tiện dạy học đại, ứng dụng phần mềm phục vụ cho q trình giảng dạy mơn học Qua sinh viên tiếp cận với công nghệ tiên tiến giúp em nâng cao lực nhận thức, lực tư duy, kỹ ứng dụng, để giải quyết tốt nhiệm vụ mà mơn học u cầu Các ngành học nói chung, ngành điện nói riêng, việc giải tập môn học, môn học Lý Thuyết Mạch lượng thời gian lớn Môn Lý Thuyết Mạch không sâu vào việc giải thích tượng vật lý, mà môn học ý nhiều đến tinh toán ứng dụng kỹ thuật, phục vụ cho chuyên ngành lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác liên quan đến kỹ thuật điện Từ trước đến phương pháp giải tập lý thuyết mạch thường là: từ sơ đồ mạch điện lập phương trình, hệ phương trình, sau tiến hành giải phương trình, hệ phương trình để tìm kết Gặp mạch điện có nhiều phép tính phương trình phức tạp, việc giải tập mạch điện nhiều nhánh, mạch điện chế độ độ, đường dây dài… nhiều thời gian Để giải quyết vấn đề này, cần phải ứng dụng phần mềm Có nhiều phần mềm tính toán với khả ứng dụng cao như: Maple, Mathcad, Athematica, Matlab…Trong Matlab phần mềm có khả ứng dụng cao tiện ích Với nội dung luận văn : Ứng dụng Matlab xây dựng thư viện số hàm hỗ trợ giải tập lý thuyết mạch Qua đó, việc thực lập hàm hỗ trợ việc mô tập mạch điện dùng phần mềm Matlab máy tính giúp cho sinh viên tiến hành giải tập cách nhanh chóng, chính xác hiệu Nội dung luận văn gồm phần sau: Chương I - Cơ sở Matlab: Giới thiệu tổng quan phần mềm Matlab, số đặc điểm khả ứng dụng giải toán kỹ thuật Chương II - Ứng dụng Matlab giải số dạng toán lý thuyết mạch điện - tập trung trình bày khả ứng dụng Matlab giải mạch điện toán: tính toán số phức, ảnh tín hiệu hình sin, tính toán quan hệ ma trận mạng cửa, tính toán trình độ, tính tốn thơng số đường dây dài, tính tốn truyền cơng suất đường dây dài Chương III - Kết hàm thư viện giao diện GUI – tổng kết số kết triển khai Matlab phần thư viện hàm giao diện tính toán số phức, giao diện ảnh tín hiệu hình sin, giao diện tính toán quan hệ ma trận mạng cửa, giao diện tính toán trình q độ, giao diện tính tốn thơng số đường dây dài, giao diện tính tốn truyền cơng suất đường dây dàivà số giao diện GUI hộ trợ khai thác thư viện hàm viết ChươngIV - Kết luận hướng phát triển, tóm tắt lại kết đạt luận án đồng thời phân tích số mặt còn tồn tại đề xuất số hướng phát triển luận văn Do thời gian trình độ có hạn nên ḷn văn khơng tránh khỏi sai sót có nhiều vấn đề phải hồn thiện thêm Tơi mong nhận góp ý, dẫn thầy cô bạn đồng nghiệp Xin trân trọng cảm ơn hướng dẫn tận tình PGS – TSKH Trần Hoài Linh, thầy giành cho em thời gian, kiến thức phương pháp tư quí báu Chương I: Cơ sở Matlab Matlab ngôn ngữ lập trình thực hành bậc cao sử dụng để giải toán kỹ thuật Matlab tích hợp việc tính toán, thể kết quả, cho phép lập trình, giao diện làm việc dễ dàng cho người sử dụng Dữ liệu với thư viện lập trình sẵn cho phép người sử dụng có ứng dụng sau  Sử dụng hàm có sẵn thư viện, phép tính tốn học thơng thường  Cho phép lập trình tạo ứng dụng  Cho phép mô mô hình thực tế  Phân tích, khảo sát hiển thị liệu  Với phần mềm đồ hoạ cực mạnh  Cho phép phát triển, giao tiếp với số phần mềm khác C++, Fortran… 1.1.Tổng quan cấu trúc liệu Matlab, ứng dụng Matlab hệ thống tương giao, phần tử liệu mảng ( mảng không đòi hỏi kích thước) Chúng cho phép giải quyết vấn đề liên quan đến lập trình máy tính, đặc biệt phép tính ma trận hay véc tor có sử dụng ngơn ngữ C hoặc Fortran lập trình thực ứng dụng lập trình câu lệnh gọi từ Matlab Matlab viết tắt từ chữ matrix laboratory tức thư viện matrận, từ phần mềm Matlab viết nhằm cung cấp cho việc truy cập vào mềm ma trận cách dễ dàng, phần mềm ma trận phát triển công trình Linpack Eispack Ngày Matlab phát triển Lapack Artpack tạo nên nghệ thuật phần mềm cho ma trận 1.1.1 Dữ liệu Dữ liệu Matlab thể dạng ma trận ( hoặc mảng - tổng quát), có kiểu liệu liệt kê sau  Kiểu đơn single, kiểu có lợi nhớ liệu vì đòi hỏi ít byte nhớ hơn, kiểu liệu không sử dụng phép tính toán học, độ chính xác kém  Kiểu double, kiểu kiểu thông dụng biến Matlab  Kiểu Sparse  Kiểu int8, uint8, int16…  Kiểu char, ví dụ ‘ Hello’  Kiểu cell  Kiểu Structure Trong Matlab kiểu liệu double kiểu mặc định sử dụng phép tính số học 1.1.2.Ứng dụng Matlab ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực sử dụng nhiều phép tính tốn học Với đặc điểm khả thân thiện với người sử dụng nên dễ dàng sử dụng ngôn ngữ lập trình khác như: Basic, Pascal, C Matlab cung cấp môi trường phong phú cho biểu diễn liệu có khả mạnh mẽ đồ họa, bạn tạo giao diện riêng cho người sử dụng (Graphical User Interface - GUIs) để giải quyết vấn đề cho riêng Thêm vào Matlab đưa cơng cụ để giải quyết vấn đề đặc biệt, gọi Toolbox (thư viện công cụ) Ví dụ Student Edition Matlab bao gồm Toolbox điều khiển tự động, Toolbox xử lí số liệu, Toolbox tính toán biến hình thức Ngồi bạn tạo Toolbox cho riêng mình 1.1.3.Toolbox công cụ quan trọng Matlab Công cụ Matlab cung cấp cho phép bạn ứng dụng kỹ thuật để phân tích, thiết kế, mơ mơ hình Ta tìm thấy toolbox môi trường làm việc của:  Mạng nơ ron  Logic mờ  Simulink 1.2 Hệ thống Matlab Hệ thống giao diện Matlab chia thành phần:  Môi trường phát triển Đây nơi đặt công cụ, phương tiện giúp sử dụng lệnh file, ta liệt kê số sau: + Desktop + Command Window + Command History + Browsers for viewingghelp  Thư viện, hàm toán học Bao gồm cấu trúc tính tổng, sin, cosin, actan2, etc…, phép tính đơn giản đến phép tính phức tạp tính ma trận nghịch đảo, trị riêng, chuyển đổi furie, laplace, symbolic library  Ngơn ngữ Matlab Đó ngôn ngữ cao ma trận mảng, với dòng lệnh, hàm, cấu trúc liệu vào, lập trình hướng đối tượng  Đồ hoạ Matlab 68 Hình 3.4 Giao diện kết 3.2 Giao diện ảnh phức tín hiệu hình sin 3.2.1 Giao diện ban đầu Trên hình 3.5 bao gồm hai panel nhập số liệu dạng đại số dạng Ơle Kết hiển thị hai dạng đồ thị hình sin đồ thị mặt phẳng phức, dạng phương trình hàm hình sin 69 Hình 3.5 Giao diện ảnh phức tín hiệu hình sin 3.2.2 Giao diện sau nhập số liệu Để nhập số liệu chuyển từ dạng đại số sang dạng Ơle việc nhập phần thực(a), phần ảo (b) sau nhập tần số nguồn (mặc định tần số nguồn f=50 Hz) 70 Hình 3.6 Giao diện kết 3.2.3 Giao diện kết Hình 3.7 Giao diện kết Sau nhập thông số vào ô cần thiết, cần nhấn vào nút chuyển đổi (đại số>>Ơle hoặc Ơle>>đại số) kết hình 3.7 71 3.3 Giao diện tính tốn quan hệ ma trận mạng cửa 3.3.1 Giao diện ban đầu Hình 3.8 Quan hệ ma trận A,Z,Y,H,G,B mạng hai cửa Trên hình 3.8 giao diện dùng để chuyển đổi tính toán mối quan hệ ma trận A,Z,Y,H,G,B tính toán thơng số sơ đồ tương đương hình T  mạng hai cửa Giao diện tính toán bao gồm panel có 15 lựa chọn chuyển đổi qua lại ma trận A,Z,Y,H,G,B đôi Hai panel để nhập số liệu dạng ma trận cần nhập số liệu từ dạng ma trận Hai panel còn lại để hiển thị thông số sơ đồ tương đương dạng hình T  3.3.2 Giao diện sau nhập số liệu Để nhập số liệu trước tiên cần phải lựa chọn 15 lựa chọn chuyển đổi ma trận sau nhập thông số ma trận biết 72 Hình 3.9 Giao diện sau nhập số liệu 3.3.2 Giao diện sau nhập số liệu Sau nhập số liệu, việc bấm chuột vào nút chuyển đổi (>> hay