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 øng dơng matlab x©y dùng th− viƯn mét sè 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 khiÓn 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 hịa 23 2.1.1 Hàm chuyển đổi hai dạng mơ 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 khơng nguồn 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 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 Π 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 65 3.1 Giao diện tính tốn số phức 65 3.1.1 Giao diện ban đầu 65 3.1.2 Giao diện sau nhập số liệu 65 3.1.3 Giao diện sau có kết quả: 66 3.2 Giao diện ảnh phức tín hiệu hình sin 67 3.2.1 Giao diện ban đầu 67 3.2.2 Giao diện sau nhập số liệu 68 3.2.3 Giao diện kết 69 3.3 Giao diện tính tốn quan hệ ma trận mạng cửa 70 3.3.1 Giao diện ban đầu 70 3.3.2 Giao diện sau nhập số liệu 70 3.3.2.Giao diện sau nhập số liệu 71 3.4 Giao diện tính tốn q trình q độ 72 3.4.1 Giao diện ban đầu 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 diện sau nhập số liệu 72 3.4.3 Giao diện kết 73 3.5 Giao diện tính tốn thơng số đường dây dài 73 3.5.1 Giao diện ban đầu 73 3.5.2 Giao diện sau nhập số liệu 74 3.5.3 Giao diện kết 74 3.6 Giao diện tính tốn truyền công suất đường dây dài 75 3.6.1 Giao diện ban đầu 75 3.6.2 Giao diện sau nhập số liệu 76 3.6.3 Giao diện kết 77 3.7 Giao diện tính tốn theo mơ hình Petersen 77 3.7.1 Giao diện ban đầu 77 3.7.3 Giao diện sau nhập số liệu 78 3.7.3 Giao diện kết 79 Chương IV: Kết luận hướng phát triển luận văn 80 4.1 Kết luận 80 4.2.Hướng phát triển 80 Tài liệu tham khảo 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 ®iỊu khiĨn Lời nói đầu Đất nước ta trình hội nhập, cạnh tranh với nước giới tất lĩnh vực 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 cơng nghệ tiên tiến giúp em nâng cao lực nhận thức, lực tư duy, kỹ ứng dụng, để giải tốt nhiệm vụ mà môn học yêu 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 khơng 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 vấn đề này, cần phải ứng dụng phần mềm Có nhiều phần mềm tính tốn 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, 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 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 giải số dạng toán lý thuyết mạch điện - tập trung trình bày khả ứng dụng Matlab giải mạch điện tốn: tính tốn số phức, ảnh tín hiệu hình sin, tính tốn quan hệ ma trận mạng cửa, tính tốn q trình q độ, tính tốn thơng số đường dây dài, tính tốn truyền công 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 tốn số phức, giao diện ảnh tín hiệu hình sin, giao diện tính tốn quan hệ ma trận mạng cửa, giao diện tính tốn q 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 cịn tồn đề xuất số hướng phát triển luận văn Do thời gian trình độ có hạn nên luận 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 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: Cơ sở Matlab Matlab ngơn ngữ lập trình thực hành bậc cao sử dụng để giải tốn kỹ thuật Matlab tích hợp việc tính tốn, 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 ƒ Sử dụng hàm có sẵn thư viện, phép tính tốn học thơng thường ƒ Cho phép lập trình tạo ứng dụng ƒ Cho phép mô mô hình thực tế ƒ Phân tích, khảo sát hiển thị liệu ƒ Với phần mềm đồ hoạ cực mạnh ƒ 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 khơng địi hỏi kích thước) Chúng cho phép giải vấn đề liên quan đến lập trình máy tính, đặc biệt phép tính ma trận hay véc tor có sử dụng ngơn ngữ C 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 cơng 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 ( mảng - tổng quát), có kiểu liệu liệt kê sau • Kiểu đơn single, kiểu có lợi nhớ liệu địi hỏi byte nhớ hơn, kiểu liệu không sử dụng phép tính tốn học, độ xác • Kiểu double, kiểu kiểu thông dụng 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 ®iỊu khiĨn • 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 ngơn 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 vấn đề cho riêng Thêm vào Matlab đưa công cụ để giải vấn đề đặc biệt, gọi Toolbox (thư viện cơng cụ) Ví dụ Student Edition Matlab bao gồm Toolbox điều khiển tự động, Toolbox xử lí số liệu, Toolbox tính tốn biến hình thức Ngồi bạn tạo Toolbox cho riêng 1.1.3.Toolbox cơng 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 mơi trường làm việc của: Mạng nơ ron Logic mờ Simulink 1.2 Hệ thống Matlab Hệ thống giao diện Matlab chia thành phần: ¾ Mơi trường phát 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 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 ¾ Thư viện, hàm tốn 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 ¾ Ngơn ngữ Matlab Đó ngơn ngữ cao ma trận mảng, với dòng lệnh, hàm, cấu trúc liệu vào, lập trình hướng đối tượng ¾ Đồ 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 ®iỊu khiĨn Bao gồm câu lệnh thể đồ hoạ mơi trường 2D 3D, tạo hình ảnh chuyển động, cung cấp giao diện tương tác người sử dụng máy tính ¾ Giao tiếp với ngôn ngữ khác Matlab cho phép tương tác với ngôn ngữ khác C, Fortran 1.3 Một số lệnh Matlab 1.3.1 Các phép toán = + Gán giá trị cho biến - * / Các phép toán ^ ; Xuất cuối giá trị, ngầm định giá trị không cho xuất giá trị hình , Ngăn cách phần tử (tương đương dấu cách) Eps Cấp xác tương đối sử dụng giá trị dấu phẩy động I ,j Tốn tử ảo Inf Vơ NaN Not a Number Pi Hằng số pi=3.14 1.3.2 Các biến (khai báo sử dụng) Chế độ mặc định kết biến gán cho ans Nếu sử dụng dấu = ta định nghĩa biến gán giá trị cho biến Khi nhập tên biến mà không gán giá trị, ta thu giá trị biến Tên biến chứa tới 32 chữ cái, gạch ngang thấp chữ số Chữ viết hoa chữ viết nhỏ phân biệt Các giá trị thực thành chuỗi lệnh dòng, cách dấu (;), dùng dấu (,) để tách lệnh giá trị xuất hình Ví dụ: >>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 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 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 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 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 ®iỊu khiĨn 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 Ơle>>đại số) kết hình 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 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 tốn mối quan hệ ma trận A,Z,Y,H,G,B tính tốn thơng số sơ đồ tương đương hình T π mạng hai cửa Giao diện tính tốn 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 lại để hiển thị thông số sơ đồ tương đương dạng hình T π 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 thơng 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 nhập số liệu 3.3.2 Giao diện sau nhập số liệu Sau nhập số liệu, việc bấm chuột vào nút chuyển đổi (>> hay