Sử dụng matlab để giải một số bài toán mạch điện một pha

TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG KHOA SƯ PHẠM BỘ MƠN VẬT LÝ TRẦN NGỌC TIỀN LỚP DH5L KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC SƯ PHẠM NGÀNH VẬT LÝ SỬ DỤNG MATLAB ĐỂ GIẢI MỘT SỐ BÀI TOÁN MẠCH ĐIỆN MỘT PHA Cán hướng dẫn: ThS HUỲNH ANH TUẤN Long Xuyên, tháng năm 2008 # " Qua bốn năm học tập rèn luyện trường, dạy tận tình q thầy trường Đại học An Giang Nhân dịp em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến q thầy Lời em xin cảm ơn Ban Giám Hiệu nhà trường, Ban Chủ Nhiệm Khoa Sư Phạm hết lòng quan tâm giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho em học tập thực khóa luận tốt nghiệp Em xin nói lời cảm ơn sâu sắc với thầy cô Bộ Mơn Lý tận tình dạy dỗ, truyền đạt kiến thức chuyên môn kinh nghiệm quý báu nghiệp vụ Đó hành trang quý giá cho em sau Tiếp theo em xin nói lời cảm ơn chân thành với Huỳnh Anh Tuấn giáo viên hướng dẫn cho em thực khóa luận tốt nghiệp Trong suốt thời gian làm khóa luận hết lịng hướng dẫn, dạy để em hồn thành khóa cách tốt thầy thầy luận Cuối em xin cảm ơn tất quý thầy cô trường Đại Học An Giang Xin chân thành cảm ơn ! Mục Lục Trang PHẦN MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài 2 Đối tượng nghiên cứu Mục đích-Nhiệm vụ nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Giả thuyết khoa học Đóng góp đề tài Phương pháp nghiên cứu Cấu trúc khóa luận PHẦN NỘI DUNG Chương 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT I Lý thuyết chung Mạch điện, cấu trúc mạch điện 1.1 Mạch điện 1.2 Cấu trúc mạch điện Các đại lượng đặc trưng mạch điện 2.1 Dòng điện 2.2 Điện áp 2.3 Công suất Các loại phần tử mạch 3.1 Nguồn điện áp 3.2 Nguồn dòng điện 3.3 Điện trở R 3.4 Điện cảm L 3.5 Điện dung C Hai định luật Kirchhoff 4.1 Định luật Kirchhoff 4.2 Định luật Kirchhoff II Giới thiệu sơ lược phương pháp giải mạch điện Phương pháp vectơ Phương pháp số phức 11 2.1 Phương pháp biến đổi tương đương 13 2.1.1 Ghép tổng trở nối tiếp Công thức chia áp 13 2.1.2.Ghép tổng trở song song Cơng thức chia dịng 14 2.2 Phương pháp dòng điện nhánh: 16 2.3 Phương pháp dòng điện vòng (dòng mắt lưới) 18 2.4 Phương pháp điện áp nút 20 III Tìm hiểu phần mềm Matlab 22 Giới thiệu Matlab 22 1.1 Các phép toán đơn giản 23 1.2 Không gian làm việc Matlab 23 1.3 Biến 23 1.4 Câu giải thích (comment) chấm câu 24 1.5 Số phức 24 Một số vấn đề việc tính tốn Matlab 24 2.1 Các hàm toán học thông thường 24 2.2 Toán tử quan hệ, toán tử logic 25 2.3 Hàm quan hệ, hàm logic 25 2.4 Vòng lập for, vòng lập while, cấu trúc if-else-end 26 2.5 Giải phương trình, hệ phương trình đại số - hàm solve 27 2.5.1 Giải phương trình 27 2.5.2 Giải hệ phương trình 27 2.6 Đồ thị mặt phẳng – hàm plot 27 Giao diện đồ họa đơn giản Matlab 28 Các bước giải tập mạch điện Matlab 29 Chương 2: MỘT SỐ MẠCH ĐIỆN MỘT PHA THÔNG DỤNG 31 Mạch gồm hai nhánh R, L, C mắc song song 31 Mạch gồm hai nhánh R, L, C mắc song song mắc nối tiếp với nhánh R, L, C 32 Mạch hai nút-ba vòng 33 Mạch bốn nút-bảy vòng 34 Mạch gồm nhiều nhánh mắc song song 36 Mạch cầu 37 Chương 3: SỬ DỤNG MATLAB ĐỂ HỖ TRỢ GIẢI MẠCH ĐIỆN MỘT PHA 39 Mạch gồm hai nhánh R, L, C mắc song song 42 Mạch gồm hai nhánh R, L, C mắc song song mắc nối tiếp với nhánh R, L, C 47 Mạch hai nút-ba vòng 48 Mạch bốn nút-bảy vòng 49 Mạch gồm nhiều nhánh mắc song song 50 Mạch cầu 51 PHẦN KẾT LUẬN 53 Kết nghiên cứu 54 Đóng góp đề tài 54 Hạn chế đề tài 54 Hướng phát triển tương lai 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Trần Ngọc Tiền Trang Khóa luận tốt nghiệp Lý chọn đề tài Trong năm gần khoa học-kỹ thuật phát triển nhanh chóng, đặc biệt lĩnh vực truyền thông tin học ứng dụng Những thiết bị nghe nhìn, thiết bị kỹ thuật số, máy tính,… trở thành phương tiện phổ biến xã hội, máy tính Có thể nói máy tính phương tiện thiết yếu tất người Ngồi việc mơ vấn đề, tượng, trình bày tài liệu,… máy tính cịn giúp người học tìm kết cách nhanh chóng xác phép tính số học phức tạp Do việc sử dụng máy tính để phục vụ cho việc Dạy-Học cần thiết Trong trình học tập giảng đường Đại học phải thường xuyên đối mặt với phép tính, phương trình, hệ phương trình phức tạp phải nhiều thời gian để giải toán Trong học phần học nhận thấy giải tập mạch điện thời gian, phải đối mặt với nhiều phương trình, hệ phương trình khó giải Ngồi ra, u cầu người học việc giải mạch điện kiểm tra lại kết tìm hay sai Vì việc sử dụng máy tính để làm cơng việc thích hợp Hiện có nhiều phần mềm hỗ trợ để tính tốn với nhiều tính ứng dụng khác Maple, Mathematical, Matlab,… Trong Matlab phần mềm có khả ứng dụng cao Matlab cơng cụ hỗ trợ cho việc tính tốn, làm thay cho người học vấn đề khó khăn, bên cạnh Matlab cịn mơ biểu đồ, đồ thị hữu hiệu Việc mô nội dung học máy tính tạo hứng thú học tập cho học sinh, giúp em có cách nhìn khái qt tổng thể học Từ giúp cho học sinh phát triển tư sáng tạo rèn luyện kỹ năng-kỹ xảo Với lý định nghiên cứu đề tài “Sử dụng Matlab để giải số toán mạch điện pha” Đối tượng nghiên cứu ƒ Ngơn ngữ lập trình Matlab ƒ Ứng dụng Matlab để giải mạch điện pha Mục đích-Nhiệm vụ nghiên cứu 3.1 Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu ngơn ngữ lập trình Matlab để xây dựng chương trình giải toán mạch điện pha 3.2 Nhiệm vụ nghiên cứu ƒ Trình bày sơ lược phương pháp giải mạch điện pha ƒ Tìm hiểu Matlab, giao diện đồ họa Matlab ứng dụng ƒ Lập trình phần mềm ƒ Đánh giá kết thu sau nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu SVTH: Trần Ngọc Tiền Trang Khóa luận tốt nghiệp Do khuôn khổ đề tài, quỹ thời gian không lớn hạn chế trình độ thân Đề tài giới thiệu ngơn ngữ lập trình kỹ thuật Matlab, thiết kế giao diện đồ họa đơn giản Matlab ứng dụng Matlab để giải mạch điện pha Giả thuyết khoa học Ngơn ngữ lập trình Matlab khó học, phải tốn nhiều thời gian để nghiên cứu tìm hiểu Nhưng sử dụng tốt phần mềm Matlab hỗ trợ tốt cho việc giải tập mạch điện nói chung, tập mạch điện pha nói riêng Trên sở hỗ trợ tốt cho việc giảng dạy mơn Kỹ thuật điện Đại học Đóng góp đề tài Đây đề tài nghiên cứu khoa học có hệ thống tương đối đầy đủ ngơn ngữ lập trình Matlab việc ứng dụng Matlab để giải tập mạch điện pha Đề tài nêu lên vấn đề việc xây dựng thuật toán sử dụng giao diện đồ họa Matlab cho việc giải tập mạch điện Trên sở mở rộng ứng dụng Matlab cho vấn đề khác trình học tập nghiên cứu q trình dạy học thân tơi sau Do kết nghiên cứu đề tài góp phần đề biện pháp nhằm cải tiến phương pháp nâng cao chất lượng Dạy-Học Đại học Phổ thông Việc tìm hiểu, nghiên cứu ngơn ngữ lập trình Matlab giúp cho thân tơi có cách nhìn khái quát ứng dụng máy tính việc học tập dạy học Từ tơi vận dụng cách linh hoạt chủ động ứng dụng vào cơng việc mình, góp phần nâng cao hiệu chất lượng công việc Phương pháp nghiên cứu Trong trình nghiên cứu đề tài, sử dụng số phương pháp sau ƒ Phương pháp đọc sách tài liệu ƒ Phương pháp phân tích tổng hợp ƒ Tham khảo ý kiến giảng viên hướng dẫn ƒ Phương pháp thực hành thí nghiệm Cấu trúc khóa luận Gồm có ba phần ™ Phần mở đầu ™ Phần nội dung Chương 1: Cơ sở lý thuyết I Lý thuyết chung II Giới thiệu sơ lược phương pháp giải mạch điện ƒ Phương pháp véctơ ƒ Phương pháp số phức • Phương pháp biến đổi tương đương • Phương pháp dịng điện nhánh • Phương pháp dịng điện vịng SVTH: Trần Ngọc Tiền Trang Khóa luận tốt nghiệp • Phương pháp điện áp hai nút III Tìm hiểu phần mềm Matlab ƒ Giới thiệu Matlab ƒ Một số vấn đề việc tính tốn Matlab ƒ Giao diện đồ họa đơn giản Matlab ƒ Các bước giải tập mạch điện Matlab Chương 2: Một số mạch điện pha thông dụng ƒ Mạch gồm hai nhánh R, L, C mắc song song ƒ Mạch gồm hai nhánh R,L,C mắc song song mắc nối tiếp với nhánh R,L,C ƒ Mạch hai nút-ba vòng ƒ Mạch bốn nút-bảy vòng ƒ Mạch gồm nhiều nhánh mắc song song ƒ Mạch cầu Chương 3: Sử dụng Matlab để hỗ trợ giải mạch điện pha ƒ Chọn dạng tập mạch điện pha ƒ Nhập kiện cho tập chọn như: R, L, C, ω, U, ƒ Ra lệnh cho Matlab giải mạch điện để tìm kiện cần tìm tập như: dịng điện nhánh, cơng suất,… ™ Phần kết luận SVTH: Trần Ngọc Tiền Trang Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Trần Ngọc Tiền Trang Khóa luận tốt nghiệp Tiến trình xử lý làm việc chương trình mạch điện chương trình tương tự Do đó, ta cần nắm vững thao tác mạch điện mạch điện khác ta thực tương tự Mạch gồm hai nhánh R, L, C mắc song song Tại giao diện chương trình ta chọn ‘Mạch Số 1’ vùng ‘Tùy Chọn’ để chương trình chuyển sang chế độ xử lý cho mạch điện Sau đó, ta tiến hành nhập giá trị ấn nút lệnh để tìm kết ■ Giao diện ■ Nhập giá trị vào vùng kiện theo mạch điện chọn Đối với giá trị nhập vào, chương trình quy định sau: ● Mạch điện ln phải có đầy đủ nguồn theo hình vẽ ● Đối với thành phần R, L, C thành phần khơng có ta điền Nếu tổng trở nhánh chương trình xem ngắn mạch nhánh SVTH: Trần Ngọc Tiền Trang 42 Khóa luận tốt nghiệp Trong q trình nhập giá trị ta nhấn Tab để di chuyển dấu nhắc ‘|’ qua ô nhập liệu Nếu nhập sai chương trình có thơng báo tùy trường hợp có tác động đến ô nhập liệu ■ Ấn nút lệnh để tìm kết tương ứng ● Tìm trị hiệu dụng dòng điện qua điện trở ● Tìm cơng suất tiêu thụ điện trở mạch ● Tìm dịng điện qua điện trở dạng số phức SVTH: Trần Ngọc Tiền Trang 43 Khóa luận tốt nghiệp ● Tìm biểu thức dòng điện qua điện trở ● Vẽ đồ thị dòng điện Trong menu file ‘Do Thi’ ta thực vẽ đồ thị dòng điện, vẽ tất đồ thị lúc Để tiện lợi cho việc vẽ đồ thị ta sử dụng phím tắt, phím tắt kèm theo bên cạnh lệnh menu file Ngoài lệnh menu file bị mờ trường hợp lệnh khơng thực hiện, tức trường hợp khơng có dịng điện tương ứng với lệnh * Vẽ đồ thị riêng lẻ Đồ thị dòng điện i1 Đồ thị dòng điện i2 SVTH: Trần Ngọc Tiền Trang 44 Khóa luận tốt nghiệp Đồ thị dịng điện i3 (dòng i3 trùng với dòng i) * Vẽ tất đồ thị Đồ thị tất dịng điện Trong vẽ đồ thị Matlab tự động cân chỉnh đồ thị cho phù hợp biên độ dòng điện với độ lớn hình chứa đồ thị, ngồi màu đồ thị thống với màu dịng thích màu đồ thị khác Sau thực xong thao tác ta thu kết tổng thể hình sau: SVTH: Trần Ngọc Tiền Trang 45 Khóa luận tốt nghiệp Trong trường hợp cần xem lại mạch điện ta ấn nút ‘Mạch Điện’ Nếu muốn giải tập dạng với số liệu khác ta ấn nút ‘Làm Mới’ để xóa tập cũ thực lại thao tác Để chuyển sang tập mạch điện khác ta chọn mạch điện vùng ‘Tùy Chọn’ Nếu ta chọn vào mạch điện mà chương trình xử lý xem ta khơng chọn mạch điện cả, chương trình cho thông báo sau: SVTH: Trần Ngọc Tiền Trang 46 Khóa luận tốt nghiệp Mạch gồm hai nhánh R, L, C mắc song song mắc nối tiếp với nhánh R, L, C Tại giao diện chương trình ta chọn ‘Mạch Số 2’ vùng ‘Tùy Chọn’ để chương trình chuyển sang chế độ xử lý cho mạch điện Giao diện chương trình lúc sau: Giả sử chọn tập cho chương trình xử lý, sau thực đầy đủ thao tác ta thu kết tổng thể hình sau: SVTH: Trần Ngọc Tiền Trang 47 Khóa luận tốt nghiệp Mạch hai nút-ba vịng Tại giao diện chương trình ta chọn ‘Mạch Số 3’ vùng ‘Tùy Chọn’ để chương trình chuyển sang chế độ xử lý cho mạch điện Giao diện chương trình lúc sau: Chọn tập cho chương trình xử lý, sau thực đầy đủ thao tác ta thu kết tổng thể sau: SVTH: Trần Ngọc Tiền Trang 48 Khóa luận tốt nghiệp Mạch bốn nút-bảy vịng Tại giao diện chương trình ta chọn ‘Mạch Số 4’ vùng ‘Tùy Chọn’ để chương trình chuyển sang chế độ xử lý cho mạch điện Giao diện chương trình lúc sau: Chọn tập cho chương trình xử lý, sau thực đầy đủ thao tác ta thu kết tổng thể sau: SVTH: Trần Ngọc Tiền Trang 49 Khóa luận tốt nghiệp Mạch gồm nhiều nhánh mắc song song Tại giao diện chương trình ta chọn ‘Mạch Số 5’ vùng ‘Tùy Chọn’ để chương trình chuyển sang chế độ xử lý cho mạch điện Giao diện chương trình lúc sau: Chọn tập cho chương trình xử lý, sau thực đầy đủ thao tác ta thu kết tổng thể sau: SVTH: Trần Ngọc Tiền Trang 50 Khóa luận tốt nghiệp Mạch cầu Tại giao diện chương trình ta chọn ‘Mạch Số 6’ vùng ‘Tùy Chọn’ để chương trình chuyển sang chế độ xử lý cho mạch điện Giao diện chương trình lúc sau: Chọn tập cho chương trình xử lý, sau thực đầy đủ thao tác ta thu kết tổng thể sau: SVTH: Trần Ngọc Tiền Trang 51 Khóa luận tốt nghiệp Trong q trình xử lý tốn chương trình cịn có vài tiện ích khác để người sử dụng kiểm tra họat động Các tiện ích sau: ƒ Ta xem thích nút lệnh vị trí vùng kiện dạng hiển thị nhanh (Tooltip) ta rê chuột đến vị trí ƒ Ta gọi số mặc định chương trình nút lệnh ‘Mặc Nhiên’ ƒ Ta gán số hoàn toàn ngẫu nhiên cho tập cách kéo trượt phía nút lệnh ‘Biểu Thức’ ƒ Để đóng cửa sổ chương trình ta ấn nút ‘Thốt’ phía dãy nút lệnh ƒ Trường hợp muốn chương trình Matlab ta thực lệnh ‘Thoat Matlab’ menu ‘He Thong’ SVTH: Trần Ngọc Tiền Trang 52 Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Trần Ngọc Tiền Trang 53 Khóa luận tốt nghiệp Kết nghiên cứu Matlab ngơn ngữ lập trình với mơi trường tương tác cho phép ta tiến hành nhiệm vụ tính tốn có cường độ lớn, nhanh so với ngơn ngữ lập trình khác Matlab viết tắt cho “Matrix Laboratory” – Phịng thí nghiệm ma trận Matlab cịn phần mềm cho cơng việc tính toán ngành kỹ thuật, phạm vi ứng dụng rộng cho nhiều ngành khoa học lĩnh vực toán học ứng dụng Matlab cho phép người dùng tiến hành nhiều nhiệm vụ, thông thường liên quan tới việc giải vấn đề cách số học Matlab ứng dụng thuật toán xác, kết tính tốn Matlab có độ xác cao Các câu lệnh tính tốn Matlab đơn giản dễ xây dựng, người dùng xây dựng riêng cho hàm tốn học cho ứng dụng đặc biệt Sau thời gian nghiên cứu ngôn ngữ lập trình Matlab viết lập trình để Matlab giải số tốn mạch điện pha, tơi nhận thấy khóa luận hồn thành tốt mục đích nhiệm vụ đề Trên sở tham khảo tài liệu vận dụng lý thuyết học mạch điện, cấu trúc đại lượng đặc trưng mạch điện, định luật phương pháp để giải mạch điện Tôi đưa lý thuyết chung cho vấn đề tập ví dụ minh họa cho vấn đề nêu Ngồi tơi xây dựng bước giải cho số tập mạch điện pha để tìm dịng điện cơng suất điện trở Việc làm quan trọng để tơi xây dựng chương trình cho Matlab giải tập Sau nghiên cứu, tìm hiểu Matlab giới thiệu khái quát Matlab, đồng thời nêu lên nội dung cho việc ứng dụng Matlab để giải tập mạch điện Cùng với kết nghiên cứu mạch điện pha xây dựng hồn thành chương trình sử dụng Matlab để giải số toán mạch điện pha Chương trình xử lý tốt vấn đề cho kết xác Đóng góp đề tài Đối với tơi việc tìm hiểu, nghiên cứu để hồn thành tốt đề tài tạo nhiều điều kiện thuận lợi ban đầu cho công việc giảng dạy tơi sau Bên cạnh đề tài cịn cho thấy tầm quan trọng, cần thiết việc ứng dụng công nghệ thông tin vào việc dạy học Đối với giáo viên, đề tài xem tài liệu, chương trình tham khảo để hỗ trợ việc giảng dạy Đối với bạn sinh viên dùng đề tài 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 Hạn chế đề tài Tuy đề tài đầu tư nhiều đề tài tồn hạn chế định, cụ thể sau: ƒ Chương trình đề tài dừng lại trường hợp suy biến tải ƒ Chương trình khơng đáp ứng cho trường hợp suy biến dạng mạch điện chọn SVTH: Trần Ngọc Tiền Trang 54 Khóa luận tốt nghiệp Do quỹ thời gian có hạn hạn chế trình độ thân nên đề tài khơng tránh khỏi sai sót định Kính mong q thầy cô Hội đồng thông cảm Hướng phát triển tương lai Trong tương lai có điều kiện tơi tiếp tục nghiên cứu phát triển đề tài để đề tài hồn thiện Tơi viết lập trình tiếp cho trường hợp suy biến toán theo dạng mạch điện chọn Cụ thể sau: ƒ Cho nhập giá trị U ƒ Cho xác lập “ngắn mạch” hay “hở mạch” tất dạng mạch điện chọn SVTH: Trần Ngọc Tiền Trang 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đặng Văn Đào 1997 Kỹ thuật điện, nhà xuất Giáo dục [2] Nguyễn Kim Đính 2003 Bài tập kỹ thuật điện, nhà xuất ĐHQG TP Hồ Chí Minh [3] Nguyễn Hồi Sơn 2000 Ứng dụng Matlab tính tốn kỹ thuật (tập 1), nhà xuất ĐHQG TP Hồ Chí Minh [4] Nguyễn Chí Ngơn 2003 Thí nghiệm CAD (Computer-Aided Design), Đại học Cần Thơ đọc từ nguồn: http://www.cit.ctu.vn/department/ac/ncngon.html [5] Nguyễn Lân Tráng 1999 Kỹ thuật điện 1, nhà xuất Giáo dục [6] Phạm Thế Bảo, Ebook Sử dụng công cụ Guide Layout thiết kế giao diện Matlab đọc từ nguồn: http://www.matlab.com.vn [7] Trương Tri Ngộ 1997 Bài tập kỹ thuật điện, nhà xuất Xây dựng [8] Vương Tấn Sĩ 2000 Giáo trình Matlab, Đại học Cần Thơ [9] Phần mềm Matlab Version 7.0.1 Service Pack MatWork [10] Bài tập đồ họa Matlab lớp cao học vật lý K16 Đại học KHTN TP.Hồ Chí Minh, 2007 ... sử dụng SVTH: Trần Ngọc Tiền Trang 40 Khóa luận tốt nghiệp Mạch điện pha Đây giao diện chương trình, việc giải số toán mạch điện pha thực giao diện Tiến trình sử dụng Matlab để giải số toán mạch. .. Với lý định nghiên cứu đề tài ? ?Sử dụng Matlab để giải số toán mạch điện pha? ?? Đối tượng nghiên cứu ƒ Ngơn ngữ lập trình Matlab ƒ Ứng dụng Matlab để giải mạch điện pha Mục đích-Nhiệm vụ nghiên cứu... song song ƒ Mạch cầu Chương 3: Sử dụng Matlab để hỗ trợ giải mạch điện pha ƒ Chọn dạng tập mạch điện pha ƒ Nhập kiện cho tập chọn như: R, L, C, ω, U, ƒ Ra lệnh cho Matlab giải mạch điện để tìm kiện