Tài liệu Giáo trình MATLAB - SIMULINK ppt

GIÁO TRÌNH MATLAB - SIMULINK 1 CHƯƠNG 0. TỔNG QUAN VỀ MATLAB 0.1 Cấu trúc chung và các lĩnh vực ứng dụng của MATLAB: MATLAB (viết tắt từ matrix laboratory) được phát triển từ dự án LINPACK & EISPACK nhằm tạo ra thư viện ma trận phục vụ cho tính toán. Qua quá trình phát triển lâu dài, MATLAB được phát triển thành một công cụ rất mạnh, được ứng dụng khá phổ biến trong các trường đại học ở khắp thế giới, đặc biệt là các nước như Mỹ, Bỉ, Canada, như là công cụ không thể thiếu trong các giáo trình từ cơ bản đến nâng cao trong các lĩnh vực: toán học cao cấp, khoa học và kỹ thuật. Trong công nghiệp, MATLAB công cụ lựa chọn cho nghiên cứu nâng cao hiệu quả sản xuất, phân tích đánh giá và ứng dụng. Với MATLAB, bài toán tính toán, phân tích, thiết kế và mô phỏng trở nên dễ dàng hơn trong nhiều lĩnh vực chuyên ngành như: Điện, Điện tử, Cơ khí, Cơ điện tử, Vật lý,  MATLAB là công cụ tính toán rất mạnh dễ dùng, trực quan dễ mở rộng và phát triển.  MATLAB có khả năng liên kết đa môi trường, liên kết dễ dàng với ngôn ngữ lập trình C++, Visual C, FORTRAN, JAVA,  MATLAB có khả năng xử lý đồ hoạ mạnh trong không gian hai chiều và ba chiều.  Các TOOLBOX trong MATLAB rất phong phú, đa năng là công cụ nghiên cứu, thiết kế cực kỳ hiệu quả trong các lĩnh vực chuyên ngành.  Công cụ mô phỏng trực quan SIMULINK chạy trong môi trường MATLAB giúp cho bài toán phân tích thiết kế dễ dàng, sinh động hơn.  MATLAB có kiến trúc mở, dễ dàng trong việc xây dựng thêm các module tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn công nghiệp và truyền thông. MATLAB xây dựng sẵn các phép tính xử lý ma trận, các hàm toán học, các phép xử lý đồ hoạ với thư viện phong phú. Từ đó cho phép người dùng viết các chương trình (m- files), xây dựng các hàm chuyên tính toán cho mỗi lĩnh vực (gọi là các TOOLBOXS) như: Điều khiển tự động, Kỹ thuật điện, Điện tử, truyền thông, xử lý ảnh, xử lý tín hiệu số, tối ưu hoá, mô phỏng các quá trình thực tế Trên cơ sở các thư viện có sẵn, người dùng lập nên các chương trình ứng dụng riêng theo nhu cầu riêng với cấu trúc chương trình dễ hiểu, rõ ràng và tận dụng sức mạnh các công cụ có sẵn, đặc biệt công cụ xử lý ma trận để viết nên các ứng dụng mà thời gian lập trình tiết kiệm rất nhiều. Ngoài ra MATLAB cho phép viết ngôn ngữ C/C++, 2 FORTRAN trong cửa sổ MATLAB và biên dịch chương trình viết bằng MATLAB sang C/C++, FORTRAN. Từ đó ta có thể biên dịch sang chương trình ứng dụng (*.exe) chạy độc lập (stand-alone application). Đặc biệt, ta có thể viết chương trình C/C++, Fortran, LabView, gọi MATLAB chạy ngầm để tính toán sau đó trả kết quả về chương trình. Ngoài ra MATLAB có thể chạy trên các máy tính khác nhau, với các hệ điều hành khác nhau như: MS Windows, X Windows (Unix/Linux) và Macintosh mà vẫn giữ nguyên các chương trình và dữ liệu, không cần một sự biến đổi nào. 0.2 Giới thiệu SIMULINK và TOOLBOXS trong MATLAB SIMULINK là công cụ mô phỏng trực quan trong môi trường MATLAB, kết hợp với thư viện TOOLBOXS rất phong phú cho các ngành, các lĩnh vực kỹ thuật, giúp cho bài toán phân tích thiết kế dễ dàng, sinh động hơn. Do đó rất thích hợp cho sinh viên nghiên cứu khoa học, làm báo cáo đồ án môn học, đặc biệt đồ án tốt nghiệp, Các kỹ sư làm việc trong các lĩnh vực nghiên cứu, điều khiển các hệ thống kỹ thuật, phân tích hệ thống, Các Toolboxs: - Control System Toolbox cho lĩnh vực điều khiển - Tự động hoá, Điện tử, Cơ khí. - Power System Toolbox cho chuyên ngành Hệ thống điện, Thiết bị điện, Tự động hoá, Cơ khí. - Nonlinear control Design blocksets để mô phỏng, phân tích, thiết kế tối ưu hệ thống điều khiển phi tuyến. - Signal Processing Toolbox và Image procesing Toolbox dành cho ngành ngành Điện tử viễn thông, Công nghệ thông tin và Cơ điện tử. - Communication Toolbox dành cho ngành điện tử viễn thông- TĐH Đo lường - Data acquisition Toolbox thu thập dữ liệu, xây dựng hệ thu thập dữ liệu vào/ra với thiết bị bên ngoài. - Fuzzy logic và Neural Network Toolbox phân tích thiết kế hệ thống trên cơ sở logic mờ và mạng nơ ron nhân tạo. - Aerospace Toolbox và Math Toolbox cho ngành Cơ khí - Cơ điện tử. 3 CHƯƠNG 1. CÁC THAO TÁC LẬP TRÌNH TRÊN MATLAB 1.1 Các lệnh cơ bản quản lý MATLAB 1.1.1 Quản lý lệnh và các hàm - Cửa sổ MATLAB: bao gồm các phần sau: Từ cửa sổ dòng lệnh, ta có thể gọi lệnh thi hành: »path cho đường dẫn các thư mục trong danh mục tìm kiếm (search path) »addpath <path> Bổ sung các thư mục <path> vào search path của MATLAB »rmpath <path> xoá thư mục <path> khỏi search path của MATLAB »pathtool mở cửa sổ giao diện cho phép xem và sửa đổi đường dẫn tìm kiếm search path giống như editpath (hình 1.2) Hình 2.2 Cửa sổ path Browser soạn đường dẫn tìm kiếm tệp M-file. »ver hiển thị version của MATLAB, Simulink và Toolboxes 4 dòng lệnh(commandline) New (mở cửa sổ soạn thảo mới chương trình) open(mở cửa sổ soạn thảo với chương trình cũ) workspace browser (mở cửa sổ quan sát và sửa chữa các biến trong không gian workspace) path browser (mở cửa sổ quan sát các đường dẫn tìm kiến của MATLAB và có thể xoá hoặc bổ sung đường dẫn tìm kiếm) Simulink (mở cửa sổ soạn thảo chương trình mô phỏng simulink) Hình 2.1 Cửa sổ dòng lệnh MATLAB »help <tênlệnh> hướng dẫn sử dụng <tênlệnh> sau help »helpwin danh sách các lệnh và hướng dẫn sử dụng »helpdesk cửa sổ trợ giúp trong môi trường Internet Explorer »demo chạy các chương trình demo cho nhiều lĩnh vực Hình 2.3 Cửa sổ HelpDesk Hình 2.4 Cửa sổ Helpwin 1.1.2 Quản lý biến, không gian workspace trên cửa sổ lệnh (Command window) 1. who hiển thị danh sách các biến 2. whos hiển thị danh sách các biến và kích thước của nó 3. workspace hiển thị cửa sổ workspace cho phép xem và chỉnh sửa các giá trị biến 4. clc xoá các dòng text trên màn hình 5. clear xoá tất cả các biến trong workspace 1.1.3 Làm việc với Files môi trường làm việc 1. dir thumuc liệt kê các file trong thumuc chỉ ra 2. edit tenfile soạn thảo mới một M-file 3. open tenfile mở file tenfile để sửa chữa 4. save lưu các biến trong workspace lên đĩa Các cú pháp: save fname lưu các biến vào tệp nhị phân "MAT-file" fname.mat. Nếu không có fname thì mặc nhiên là file matlab.mat. save fname X Chỉ lưu biến X. save fname X Y Z chỉ lưu các biến X, Y, Z. (có thể sử dụng ký tự đại diện '*'). save fname X Y Z -ASCII lưu các biến ASCII 8 bit nhị phân. save fname X Y Z -ASCII -DOUBLE lưu dạng ASCII 16 bit nhị phân. 5 save fname X Y Z -APPEND bổ sung các biến vào tệp MAT-file đã có. Hàm save('fname','var1','var2') khi 'fname','var1','var2' là xâu ký tự. 5. load tải giá trị các biến được lưu ở Files trên đĩa vào workspace. Các cú pháp: load FNAME tải các biến từ MAT-file 'fname.mat' đã có. Nếu không có fname thì mặc nhiên là file matlab.mat. load FNAME X Y Z chỉ tải các biến đá chỉ ra (có thể sử dụng ký tự đại diện '*'). load FNAME.EXT tải file ASCII, trong file có thể có chú thích (bắt đầu bởi %). Kết quả gán cho biến có tên FNAME (không có phần mở rộng) load FNAME -ASCII hoặc load FNAME -MAT. Hàm load('fname') sử dụng khi fname được gán dạng xâu ký tự. 6. pwd hiển thị thư mục hiện hành 7. quit hoặc exit thoát khỏi MATLAB 1.1.4 Các phím thao tác trên cửa số dòng lệnh Home đưa con trỏ về đầu dòng End đưa con trỏ về cuối dòng ↑ hiển thị lại các lệnh đã xoá trước đó ↓ hiển thị lại các lệnh đã nhập trước đó ←, → di chuyển con trỏ Ctrl+k xoá từ vị trí con trỏ đến cuối dòng 1.2 Dữ liệu, hàm và cấu trúc lệnh trong MATLAB 1.2.1 Khái niệm dữ liệu và biến Trong Matlab có các kiểu dữ liệu: (kiểu số, kiểu xâu, kiểu cấu trúc và kiểu files)  Dữ liệu kiểu số: dưới dạng mảng hoặc vectơ các số phức (dạng đại số: a + jb)  Dữ liệu kiểu xâu: dưới dạng các xâu (char) và mảng các xâu ký tự  Dữ liệu kiểu đối tượng: dạng đối tượng hình ảnh, đồ hoạ,  Dữ liệu kiểu cấu trúc: dạng các thành phần (bản ghi và mảng cấu trúc)  Dữ liệu kiểu tệp (files): là các tệp lưu thông tin trên đĩa Với mỗi kiễu dữ liệu, cần chú ý khi làm việc:  Khái niệm kiểu dữ liệu  Làm việc trực tiếp với dữ liệu • Các phép toán khi làm việc (đại số, quan hệ, logic) 6 • Các hàm, lệnh có sẵn trong thư viện • Chuyển đổi kiễu dữ liệu • Vào, ra với dữ liệu Tên (biến, hằng, hàm, ) nói chung theo quy ước giống ngôn ngữ C++ Cụ thể:  Bao gồm: • Các chữ cái hoa ‘A’ ‘B’ ‘Z’, chữ cái thường ‘a’ ‘b’ ‘z’ • Các chữ số ‘0’ ‘1’ ‘9’ • Dấu gạch dưới ‘_’  Ký tự đầu của tên phải bằng chữ cái  Có sự phân biệt chữ cái thường và chữ cái HOA  Độ dài tối đa của tên 31 ký tự (19 ký tự đối với ver. 5.3) Tên các hàm (kể cả m-files) đã được đặt cũng có thể được sử dụng làm tên của biến, như vậy hàm này sẽ không được sử dụng trong quá trình tồn tại của biến, cho đến khi có lệnh xoá các biến đó trong bộ nhớ: lệnh clear hoặc clear <tên biến>.  Các hàm, lệnh trong Matlab sử dụng chữ cái thường. 1.2.2 Các ký hiệu và các toán tử 1.2.2.1 Các ký hiệu , phân cách giữa các tham số của hàm, cột của ma trận hoặc ngăn cách các chỉ số hàng, cột khi truy cập phần tử của ma trận ; đặt sau câu lệnh không cho hiển thị kết quả của lệnh lên cửa sổ hay khai báo thêm 1 hàng mới của ma trận [ ] Dùng để tạo véc tơ, ma trận hoặc khai báo tham số ra của hàm. Cú pháp: Tên ma trận = [a 11 a 12 …a 1n ; a 21 a 22 … a 2n ;…;…] Trong đó: a 11 , a 12 , , a 1n , là các giá trị tại hàng 1 cột 1 đến các giá trị tại hàng 1 cột n, , có m-1 dấu chấm phẩy ‘;’ sẽ có m hàng. Ví dụ: Tạo ma trận gồm 3 hàng và 3 cột với giá trị là 1 2 3 4 5 6 7 8 9 »a = [1 2 3; 4 5 6; 7 8 9] a = 7 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ( ) khai báo tham số vào của hàm hoặc truy cập phần tử ma trận. Ví dụ: A(1,2) truy cập phần tử a 12 Tạo vector đơn gồm có n phần tử. Cú pháp 1: Tênvector = [pt1 pt2 pt3 … ptn] Tênvector = [pt1, pt2, pt3, …, ptn] Trong đó: pt1 pt2 …ptn: là các phần tử của véc tơ. Ví dụ: Tạo vector a gồm có 4 phần tử, với các giá trị là:1, 2, 3, 4 »a = [1 2 3 4] a = 1 2 3 4 Cú pháp 2: Tênvector = gtđầu:gia:gtcuối Trong đó: gtđầu: là giá trị đầu của vector. gia: số gia (có thể âm nếu gtđầu > gtcuối). gtcuối: giá trị cuối. Ví dụ: Tạo vector a có giá trị đầu 0.5, giá trị cuối 1.5, số gia 0.2 »a = 0.5:0.2:1.5 a = 0.50000.70000.90001.10001.30001.5000 dùng để tiếp tục dòng lệnh dài khi xuống hàng. Ví dụ: »set(h,’facecolor’,[0 1], ‘EdgeColor’,’k’,’Linewidth’,2) : Tạo vector hoặc ma trận phụ và lặp đi lặp lại các giá trị. 8 Trong đó: Khai báo Công dụng j : k Tạo ra chuỗi j, j+1, j+2,…., k-1, k j : i : k Tạo ra chuỗi j, j+i, j+2i,….,k-i, k A(: , j) Chỉ cột thứ j của ma trận A A(i , :) Chỉ hàng thứ i của ma trận A(: , :) Chỉ toàn bộ ma trận A A(j : k) Chỉ phần tử A(j), A(j+1)…A(k) (ưu tiên theo cột) A(: , j , k) Chỉ các phần tử A(:, j), A(:, j+1)…A(:, k) A(:) Chỉ tất cả các thành phần của ma trận A % đứng trước các lời chú giải trong các câu lệnh. ' đặt sau trên biến ma trận để chuyển vị phức ma trận. .’ đặt sau trên biến ma trận để chuyển vị ma trận. Ví dụ: nếu A= [ 4.0000 + 2.0000i 3.0000 5.0000 - 7.0000i 3.0000 + 4.0000i] thì A’= 4.0000 - 2.0000i 5.0000 + 7.0000i 3.0000 3.0000 - 4.0000i và A.’= 4.0000 + 2.0000i 5.0000 - 7.0000i 3.0000 3.0000 + 4.0000i ‘ ‘ mở đầu và kết thúc cho các xâu văn bản (string) { } được dùng trong các câu lệnh gán phần tử mảng, mảng cấu trúc. 1.2.2.2 Các phép toán đại số + cộng 2 ma trận/vectơ hoặc 2 số vô hướng với nhau - trừ 2 ma trận/vectơ hoặc 2 số vô hướng với nhau \ toán tử chia trái ma trận/véc tơ. Ví dụ: A\B tương đương A -1 *B / toán tử chia phải ma trận/véc tơ. Ví dụ: A/B tương đương A*B -1 ./ hoặc .\ chia phải hay chia trái từng phần tử của ma trận * nhân hai ma trận với nhau .* nhân các phần tử tương ứng. Ví dụ: C=A.*B tức là c ij =a ij *b ij ^ luỹ thừa ma trận hay số vô hướng. Ví dụ: a^2 tức là a 2 .^ luỹ thừa từng phần tử của ma trận 9 Ví dụ: Đầu tiên, sử dụng lệnh: format rat Phép toán với véc tơ, ma trận Phép toán với các phần tử 1 x 2 3 4 y 5 6 x’ 1 2 3 y’ 4 5 6 5 x + y 7 9 -3 x – y -3 -3 3 x + 2 4 5 -1 x – 2 -0 1 x * y không thực hiện được 4 x.* y 10 18 x’* y 32 x’.* y không thực hiện được 4 5 6 x * y’ 8 10 12 12 15 18 x.* y’ không thực hiện được 2 x * 2 4 6 2 x.* 2 4 6 x \ y 2.2857 4.0000 x.\ y 2.5000 2.0000 0.5000 2 \ x 1.0000 1.5000 2.0000 2./ x 1.0000 0.6667 0 0 0.1667 x / y 0 0 0.3333 0 0 0.5000 0.2500 x./ y 0.4000 0.5000 0.5000 x / 2 1.0000 1.5000 0.5000 x./ 2 1.0000 1.5000 x ^ y không thực hiện được 1 x.^ y 32 10 [...]... statement; ; statement; end 1.3 Cách viết chương trình và hàm dạng m-files trong MATLAB Files chứa mã chương trình MATLAB gọi là m-files M-files có thể là functions (hàm) yêu cầu phải trả về các tham số đầu ra, hoặc dạng scripts (chương trình) thi hành chuỗi các lệnh của MATLAB MATLAB nhận biết file là M-file qua tên tập tin mở rộng *.m 20  Cách tạo function M-files Định nghĩa hàm: function y = average(x)... 8.2109  So sánh chương trình viết bằng script M-Files và function M-Files script M-Files function M-Files • Không có tham số đầu vào và đầu ra • Có thể có tham số đầu vào và đầu ra • Làm việc với dữ liệu trong workspace • Làm việc với dữ liệu, các biến (local/global) bên trong function và các 21 tham số vào, ra • Thuận lợi cho việc mở rộng ngôn ngữ • Thuận lợi cho việc thực hiện trình tự các dãy lệnh... số: x 3-2 x-5 trong khoảng [0 2] »x =fmin(‘x.^ 3-2 *x-5’,0,2); x= 0.8165 »y = x.^ 3-2 *x-5 y= -6 .0887 34 fzero tìm điểm 0 của hàm số Cú pháp: fzero(‘fun’,x0) Trong đó: Điểm 0 của hàm số là điểm (0,x), đây cũng chính là nghiệm của hàm số Nếu hàm có nhiều nghiệm thì sẽ tìm nghiệm gần giá trị x0 fun: tên hàm số dạng m file Nếu hàm toán học thì thêm @ trước tên hàm 29 Ví dụ: Tìm giá trị 0 của hàm số: x 2-5 x+3... cách cắt bỏ phần thập phân 23 ceil làm tròn số về phía số nguyên lớn hơn Cú pháp: y = ceil(x) 23 Ví dụ: »x = [-1 .9000 -0 .2000 3.4000 5.6000 7.0000]; »y = ceil(x) y= -1 0 4 24 floor 6 7 làm tròn số về phía số nguyên nhỏ hơn Ví dụ: »x = [-1 .9000 -0 .2000 3.4000 5.6000 7.0000]; »y = floor(x) y= -2 -1 3 5 7 25 mod mod(x,y): phần dư phép chia x/y có dấu trùng dấu của y 26 rem rem(x,y): phần dư phép chia x/y... số đầu ra bởi một giá trị  Gọi hàm thực hiện từ chương trình theo cú pháp: tênhàm(arg1,arg2, ); Ví dụ: Tạo hàm m-file trong cửa sổ soạn thảo có tên myfile và gọi hàm thực hiện - Lưu hàm m-files với tên myfile.m (tên tập tin bắt buộc trùng với tên hàm) vào một đường dẫn thuộc các đường dẫn tìm kiếm của MATLAB - Gọi hàm vừa tạo để chạy dưới cửa sổ MATLAB như sau: myfile.m »a = 7.5;b = 3.342; function... Trong đó: l: biến chứa kết quả s1, s2: chuỗi cần so sánh Ví dụ: »a = MatLab WoRkS’ »b = MatLab WoRkS’ »strcmp(a,b) ans = 1 8 upper cho ra chuỗi ký tự viết hoa Cú pháp: b = upper(s) Trong đó: 31 b: biến chứa kết quả s: tên biến chứa chuỗi ký tự »a = MaTlab WORks’ Ví dụ: »b = upper(a) b= MATLAB WORKS »b = upper( MaTlab WORks’) b= MATLAB WORKS 9 lower cho ra chuỗi ký tự viết thường Cú pháp: b = lower(s)... size(x); if (~((m == 1) | (n == 1)) | (m == 1 & n == 1)) error(’Input must be a vector’) end y = sum(x)/length(x); % Actual computation - Cách làm việc khi gọi m-files trong MATLAB theo trình tự sau: + Tìm xem đó có phải là biến không + Kiểm tra có phải là dạng chương trình đã biên dịch sẵn hay không (*.mex file) + Tìm trong thư mục hiện hành + Tìm trong các thư mục trong search path Chú ý: có thể chuyển... nghĩa name không tồn tại trong vùng làm việc 15 1 2 3 4 5 6 7 name là biến đang tồn tại trong vùng làm việc name đang tồn tại trên đĩa (m-file hoặc file không xác định kiểu) name là MEX-file name là file dịch từ phần mềm Simulink (.mdl) name là hàm của Matlab name là p-file name là thư mục Ví dụ: »e = exist(‘dir’) e= 5 4 Hàm find Tìm phần tử trong vector/cột ma trận theo yêu cầu Cú pháp: i = find(x) [i,j]... f(x); y = x.^ 2-5 *x+3; Sau đó, tạo tập tin gt0.m: x = 0:10; % Giá trị x0 = 0 z = fzero(‘f’,0); sprinf(‘z = %3f’,z) %z = 0.382 % Giá trị x0 = 2 z = fzero(‘f’,2); sprintf(‘z = %.3f’,z) %z = 2.618 z = fzero(‘f’,0); % Vẽ đồ thị hàm số minh họa: fplot(‘f’,[0,5]; grid; hold on; plot(z,0,‘o’); hold off 2.3 Các thao tác trên dữ liệu chuỗi (STRING) 2.3.1 Khái niệm Biến chứa dữ liệu string trong MATLAB giống như... break; end; end; Lệnh global khai báo các biến toàn cục trong chương trình và hàm (dạng m files) Lệnh local khai báo các biến cục bộ trong chương trình và hàm (dạng m files) Lệnh echo on/off có/không hiển thị các lệnh M-files trong khi thi hành lệnh Lệnh try dùng để bẫy lỗi Nếu xảy ra lỗi khi thực hiện các lệnh trong TRY thì chương trình nhảy sang thực hiện các lệnh sau CATCH Cú pháp: try statement; . GIÁO TRÌNH MATLAB - SIMULINK 1 CHƯƠNG 0. TỔNG QUAN VỀ MATLAB 0.1 Cấu trúc chung và các lĩnh vực ứng dụng của MATLAB: MATLAB (viết tắt. statement; end 1.3 Cách viết chương trình và hàm dạng m-files trong MATLAB Files chứa mã chương trình MATLAB gọi là m-files. M-files có thể là functions (hàm)