- Nếu cài trên Win 98, chạy M-file Editor có báo lỗi: “MEDITOR caused a stack fault in module KERNEL32.DLL at 0167:bff724cl". Còn chạy Matlab thì không chạy được. Show -Nếu cài trên Win 2K thì có thông báo “failure loading desktop class”. Quá trình cài đặt là như nhau. Thậm chí tôi đã cài lại Win và format lại ổ cứng nhiều lần nhưng vẫn không chạy được. Được biên soạn trong khuôn khổ dự án ASVIET002CNTT ”Tăng cường hiệu quả đào tạo và năng lực tự đào tạo của sinh viên khoa Công nghệ Thông tin - Đại học Cần thơ” ĐẠI HỌC CẦN THƠ - 12/Lời nói đầu Cùng với sự phát triển nhanh chóng của máy tính, CAD (Computer-Aided Desgin) được xây dựng ngày càng hoàn thiện và ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực khoa học kỹ thuật. Đối với chuyên ngành Điện tử, nhiều phần mềm CAD cho phép thiết kế mạch, mô phỏng và vẽ mạch in một cách nhanh chóng và hiệu quả như OrCAD/Pspice, Multisim (Electronics WorkBench), MicroSim, ExpeditionPCB, ... Tuy nhiên, đây là các phần mềm đóng gói chỉ được ứng dụng trong chuyên môn hẹp là Điện tử, nó không cho phép lập trình mô phỏng các hệ thống động (Dynamic systems) bất kỳ khác. Vì vậy, chương trình đào tạo môn CAD cho sinh viên Điện tử chuyên ngành Viễn thông và Tự động hóa đã hướng tới phần mềm Matlab. Đây là một ngôn ngữ lập trình cấp cao dạng nguồn mở, nó hổ trợ rất nhiều thư viện chức năng chuyên biệt từ Toán học, Kinh tế, Logic mờ, Truyền thông, Điều khiển tự động, ... đến điều khiển phần cứng cho các thiết bị. Đồng thời, nó cho phép người sử dụng bổ sung các công cụ tự tạo làm phong phú thêm khả năng phân tích, thiết kế và mô phỏng các hệ thống động liên tục và rời rạc, tuyến tính và phi tuyến bất kỳ. Với những ưu điểm nổi bậc của mình, Matlab đã được nhiều trường Đại học hàng đầu trên thế giới áp dụng và giảng dạy. Tham vọng thì nhiều nhưng trong phạm vi 30 tiết thực hành, chúng ta chỉ có thể đề cập đến những vấn đề cơ bản nhất. Hy vọng từ đó sinh viên tự nghiên cứu, học hỏi để có thể thiết kế và mô phỏng các mô hình Hệ thống Viễn thông hay các Hệ điều khiển tự động. Đồng thời cũng nắm sơ lược về các phần mềm mô phỏng mạch và vẽ mạch in như Multisim, OrCad,... Giáo trình này gồm 7 bài, mỗi bài 5 tiết. Sinh viên chọn 6 bài để thực tập: 1. Thao tác trong cửa sổ lệnh của Matlab. 2. Hàm và Script files. 3. Symbolic và Simulink. 4. Mô hình hệ thống Viễn thông. (sinh viên chuyên ngành VT) 5. Mô hình hệ thống Điều khiển tự động. (sinh viên chuyên ngành ĐKTĐ) 6. Tạo giao diện trong Matlab. 7. Thiết kế - Mô phỏng và vẽ mạch in (các sinh viên không chọn bài 4 hoặc 5) Mặc dù đã hết sức cố gắng, song do trình độ hạn chế của người viết mà nhiều vấn đề chắc chưa được trình bày tốt cũng như chưa bố cục hợp lý. Xin chân thành cảm ơn mọi ý kiến đóng góp của sinh viên và các bạn đồng nghiệp. TcAD, tháng 11 năm 2003 Nguyễn Chí Ngôn Địa chỉ liên hệ: Bộ môn Viễn thông và Tự động hóa Khoa Công nghệ Thông tin, Đại học Cần thơ 01 Lý Tự Trọng, Tp. Cần thơ, tỉnh Cần thơ Tel: (71) 831301 Fax: (71) 830841 Email: [email protected] URL: cit.ctu.edu/department/ac/ncngon.html III Hệ thống thông tin rời rạc (Digital Communications).................................IV. Tự chọn................................................................................................................
BÀI 1 THAO TÁC TRONG CỬA SỔ LỆNH CỦA MATLAB I. Mục tiêu..................................................................................................................Bài thí nghiệm này giúp sinh viên làm quen nhanh với Matlab 6 bằng các thao tác đơn giản trên ma trận, vectơ, biểu thức toán học, các lệnh đồ họa, ..., thực hiện ngay trên cửa sổ lệnh (command window) của Matlab. II. Tham khảo.............................................................................................................[1]. Nguyễn Hứa Duy Khang, Bài giảng môn CAD, Bộ môn Viễn thông & Tự động hóa, khoa Công nghệ thông tin, Đại học Cần thơ, 2001. [2]. The Mathworks Inc., Matlab Notebook User’s Guide, 2003. [3]. Nguyễn Hoài Sơn - Đỗ Thanh Việt - Bùi Xuân Lâm, Ứng dụng MATLAB trong tính toán kỹ thuật, Tập 1, NXB ĐHQG Tp. HCM, 2000 [4]. Nguyễn Hữu Tình - Lê Tấn Hùng - Phạm Thị Ngọc Yến - Nguyễn Thị Lan Hương, Cơ sở Matlab & ứng dụng, NXB KH và Kỹ thuật, 1999. [5]. facstaff.bucknell/maneval/help211/exercises.html [6]. glue.umd/~nsw/ench250/matlab III. Thực hành ............................................................................................................Từ cửa sổ lệnh của Matlab, sinh viên lần lượt thực hiện các thao tác sau: III Ma trận Để tạo ma trận trong Matlab ta chỉ cần liệt các phần tử của ma trận trong cặp dấu ngoặc vuông ([...]). Các phần tử trên cùng hàng được phân biệt bởi dấu phẩy (,) hoặc khoảng trắng (space). Các hàng của ma trận, phân cách nhau bởi dấu chấm phẩy (;). Ví dụ, nhập ma trận A có 4 hàng, 4 cột như sau: >> A=[16 3 2 13; 5 10 11 8; 9 6 7 12; 4 15 14 1] >> size(A) Để truy xuất đến từng phần tử của ma trận ta dùng chỉ số phần tử tương ứng. Ví dụ, phần tử ở hàng thứ 2, cột thứ 3 của A là A(2,3). >> A(2,3) c Cho ma trận A=[2 4 1; 6 7 2; 3 5 9], sinh viên dùng các lệnh cần thiết để: a. Lấy dòng đầu tiên của ma trận A. ( 2 1 ) ( 1 ) 1 − −
x n n. Gợi ý: Tạo vectơ n có 100 phần tử từ 1 đến 100, dùng toán tử dấu chấm (.) để xác định x. III Các đa thức Các đa thức trong Matlab được mô tả bằng các vectơ hàng với các phần tử của vectơ chính là các hệ số của đa thức, xếp theo thứ tự số mũ giảm dần. Ví dụ, đa thức m = s 4 -s 3 +4s 2 -5s-1 được biểu diễn là: >>m=[1 -1 4 5 -1] Để xác định giá trị của đa thức, ta dùng lệnh polyval. Ví dụ, xác định giá trị của đa thức tại điểm s=2: >>polyval(m,2) Để xác định nghiệm của đa thức, ta dùng lệnh roots. Ví dụ: >>roots(m) c Cho phương trình x 2 -4x+5=0, giải phương trình theo 2 cách, cách 1 – tính delta theo phương pháp cổ điển, cách 2 – dùng hàm roots, hãy so sánh kết quả. a. Cách1: >>a=1; >>b=-4; >>c= >>x1=(-b+sqrt(b^2-4ac))/(2a) >>x2=(-b-sqrt(b^2-4ac))/(2a) b. Cách 2: >>m=[a b c]; >>x=roots(m) Hãy thay đổi các giá trị khác nhau của a, b và c tương ứng trong 2 cách giải trên. So sánh kết quả và nhận xét. d Giải phương trình x 3 - 2x 2 +4x+5=0. Kiểm chứng kết quả thu được bằng hàm polyval. Sinh viên có nhận xét gì về kết quả kiểm chứng. e Lặp lại câu d cho phương trình x 7 -2=0. f Sinh viên thử dùng hàm poly để tạo đa thức từ các nghiệm cho trước. >>help poly III Đồ họa Matlab hổ trợ chế độ đồ họa rất mạnh, bao gồm đồ họa 2D và 3D, với các trục tọa độ tuyến tính và phi tuyến bất kỳ. III.4. Đồ họa 2 D Đồ họa 2D chủ yếu dựa trên lệnh plot. Để được giúp đỡ, ta gõ: >>help plot c Vẽ đồ thị hàm số y 1 =sinx và hàm số y 2 =sinx 2 trong [0-2π], trên cùng hệ trục tọa độ, ta lần lượt thực hiện như sau: >>x=0:0:2pi; >>y1=sin(x).cos(2x); %nhan tuong tung tung phan tu >>plot(x,y1) >>grid on %hien thi luoi Sau khi thu được đồ thị hàm y1, để vẽ y2 trên cùng đồ thị, ta thực hiện: >>hold on %giu hinh, mac nhien la hold off >>y2=sin(x.^2); %luy thua tung phan tu >>plot(x,y2,’k’) %duong ve co mau den >>axis([0 4pi –1 1]) %dinh lai toa do hien thi Ta có thể đặt nhãn cho các trục cũng như tiêu đề cho đồ thị: >>xlabel(‘Time’) >>ylabel(‘Amplitude’) >>title(‘y1=sinx and y2=sin(x^2)’) >>legend(‘sinx’,’sinx^2’) 0 1 2 3 4 5 6 -0. 0 1 Time Amplitude y1=sinx and y2=sinx 2 sinx sinx 2 Hình 1 – Biểu diễn đồ thị các hàm số trên cùng hệ trục tọa độ d Matlab hổ trợ rất nhiều thuộc tính đồ họa, để có thể kiểm soát các thuộc tính này ta cần dùng đến thẻ đồ họa. Ví dụ: >>close all >>x=[0 1 2 3]; >>y=[0 4 1 5]; >>h=plot(x,y) h chính là thẻ đồ họa của hàm plot, để thấy các thuộc tính đồ hoạ, ta dùng lệnh: 1 30 210 60 240 90 270 120 300 150 330 180 Hình 1 – Biểu diễn đồ thị hàm số trong hệ tọa độ cực III.4. Đồ họa 3 D Matlab cung cấp nhiều hàm vẽ đồ thị 3D, chẳng hạn: plot3 - dùng để vẽ các đường trong không gian 3 chiều; mesh và surf - dùng để vẽ vật thể 3D (gõ help mesh và help surf để biết thêm các hàm 3D có liên quan). c Vẽ đồ thị 3D bằng hàm plot3: >>t=0:pi/50:10*pi; >>x=sin(t); >>y=cos(t); >>z=t; >>subplot(121), plot3(x,y,z) %ve tren o thu nhat >>grid on >>subplot(122), plot3(x,y,t.^2) %ve tren o thu hai >> grid on -1 0 10 1 0 20 40 -1 0 10 1 0 500 1000 Hình 1 – Vẽ đồ thị 3D bằng hàm plot d Vẽ mặt paraboloid z=x 2 +y 2 trong không gian 3 chiều: >>close all \>>t=-5:0:5; \>> [x,y]=meshgrid(t); %dinh luoi ve \>>z=x.^2+y.^2; \>> subplot(2,2,1), mesh(z) %ve mat luoi 3D \>> title('mesh(z)') \>> subplot(2,2,2), meshc(z) %giong mesh nhung co them duong vien \>> title('meshc(z)') \>> subplot(2,2,3), meshz(z) %co them luoi tren mat x,y \>> title('meshz(z)') \>> subplot(2,2,4), waterfall(z) %chi ve luoi theo 1 huong \>> title('waterfall(z)') Hình 1 - Vẽ mặt paraboloid e Vẽ mặt ( ) 2 2 2 2 x y sin x y z +
\>>x=-8:0:8; >>y=x; >>[x,y]=meshgrid(x,y); >>r=sqrt(x.^2+y.^2); >>z=sin(r)./r; >>surf(x,y,z) 0 100 10 -0. 0 1 Hình 1 – Một biểu diễn đồ thị 3D khác Bài 2 HÀM VÀ SCRIPT FILES I. Mục tiêuBài thí nghiệm này giúp sinh viên tiếp cận với kỹ thuật lập trình trong Matlab thông qua việc sử dụng các hàm có sẵn, xây dựng các hàm mới dựa trên các cấu trúc if - for - while và tìm hiểu cách xây dựng script files, làm cơ sở cho việc lập trình mô phỏng các hệ thống Viễn thông và Tự động ở các bài sau. II. Tham khảo[1]. Nguyễn Hứa Duy Khang, Bài giảng môn CAD, Bộ môn Viễn thông & Tự động hóa, khoa Công nghệ thông tin, Đại học Cần thơ, 2001. [2]. The Mathworks Inc., Matlab Notebook User’s Guide, 2003. [3]. Nguyễn Công Định, Phân tích và tổng hợp các hệ thống điều khiển bằng máy tính, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2002. [4]. Nguyễn Hữu Tình - Lê Tấn Hùng - Phạm Thị Ngọc Yến - Nguyễn Thị Lan Hương, Cơ sở Matlab & ứng dụng, NXB KH và Kỹ thuật, 1999. [5]. mines.utah/gg_computer_seminar/matlab/ [6]. glue.umd/~nsw/ench250/matlab III. Thực hànhHàm và Script files trong Matlab đều được quản lý dưới dạng các tập tin có phần mở rộng .m, thường được soạn thảo bởi Matlab Editor. Khởi động Matlab Editor bằng một trong các cách sau: 1. Nhấp chuột vào biểu tượng trên menu bar của cửa sổ lệnh. 2. File → New → M-file 3. Nhấp vào biểu tượng Matlab Editor trên desktop (nếu có). Chúng ta lần lượt khảo sát qui cách xây dựng các hàm và script file. Sinh viên đọc và thực hành lần lượt theo các phần sau. III Script files Tập hợp các dòng lệnh của Matlab được sắp xếp theo một cấu trúc nào đó và lưu thành file có phần mở rộng *.m được gọi là script file (file kịch bản, file chương trình). Ta có thể chạy file này từ cửa sổ lệnh giống hệt như các lệnh của Matlab. Cấu trúc của một script file như sau: % ---------- % Phần viết sau dấu ‘%’ ở đây dùng cho lệnh help % Thông thường phần này mô tả chức năng, cách sử dụng, % ví dụ minh họa hay những lưu ý đặc biệt mà tác giả mong muốn trợ % giúp cho người sử dụng. % --------- [global tênbiến1, tênbiến2,... ] % Khai báo biến toàn cục % (nếu có) <các câu lệnh> % phần trình bày câu lệnh c Hãy khởi động Matlab Editor và tạo một script file có tên bai21, với nội dung như sau: % Doan script file nay hien thi loi chao trong 2s. Sau do % hien thi logo cua matlab mot cach sinh dong roi thoat close all % -- Tao mot cua so do hoa ---- figure('Color',[0 0 0],... 'Name','Welcome to Matlab Experiments',... 'NumberTitle','off',... 'MenuBar','none'); % --- Hien thi loi chao ---- text( 'String','Welcome to MATLAB',... 'Color',[.25 .25 .25],... 'Position',[0 .501],... 'Fontsize',32,... 'FontAngle','italic'); text( 'String','Welcome to MATLAB',... 'Color','w',... 'Position',[0 .5],... 'Fontsize',32,... 'FontAngle','italic'); axis off; pause(2); % dung trong 2 giay % -- Hien thi logo cua Matlab ------ logospin % Thoat - xoa cac bien trong workspace va dong cua so lai - clear close là Toolbox, ví dụ: Xử lý số tín hiệu (Digital Signal Processing), Điều khiển tự động (Control), Mạng Nơron nhân tạo (Neural networks), ... Sinh viên xem lại giáo trình để biết thêm về các hàm. Ngoài ra, có thể dùng lệnh help để biết chức năng của toolbox và hàm cũng như cách thức sử dụng chúng. help <ten toolbox> % chuc nang toolbox >>help control % liet ke ham cua control toolbox help <ten ham> % chuc nang ham >>help plot % chuc nang ham plot Ta có thể tìm kiếm các hàm liên quan bằng cách cung cấp cho hàm lookfor của Matlab một từ khóa: lookfor <tu khoa tim kiem> >>lookfor filter % tìm các hàm liên quan đến mạch lọc (Hình 2 – dùng cho câu III.1) c Hàm [Y I]=max(X) cho biết phần tử lớn nhất của vectơ (mãng) X với chỉ số tương tứng I. >>help max >> x=[1 5 9 7 6 4]; >> [y,i]=max(x) y = 9 i = 3 Nghĩa là phần tử thứ i=3 của vectơ x có giá trị lớn nhất, y=9. d Hàm Y=exp(X), tính eX, kết quả trả về cho Y. >>help exp >>x=0:0:1; >>y=exp(x); >>stem(x,y) % giong ham plot nhung ve cho tin hieu roi rac e Giả sử ta muốn điều chế biên độ sóng mang được truyền hai băng cạnh (Double sideband transmission carrier Amplitude Modulation) với: - Tín hiệu điều chế X=0sin(2pi*t) với t:0:0: - Tần số sóng mang fc=620KHz Sinh viên hãy tìm hàm thích hợp và vẽ tín hiệu thu được sau khi điều chế, có dạng như hình 2: -0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -0. 0 Hình 2 – Tín hiệu thu được sau khi điều chế biên độ III Xây dựng hàm Việc xây dựng hàm cũng được thực hiện tương tự như script file. Tuy nhiên, đối với hàm ta cần quan tâm đến các tham số truyền cho hàm và các kết quả trả về sau khi thực hiện. Có 3 điểm cần lưu ý: - Tên hàm phải được đặt trùng với tên file lưu trữ. - Phải có từ khóa function ở dòng đầu tiên. - Trong một hàm có thể xây dựng nhiều hàm con (điều này không có trong script file). Kết thúc hàm con phải có từ khóa end (điều này không cần trong hàm ‘cha’). Qui cách xây dựng hàm được mô tả như sau: function [out1,out2,...]=tenham(in1,in2,...) % ----------- % Phần này sẽ hiển thị khi người sử dụng dùng lệnh help tenham % ------------ [global <tênbiến1, tênbiến2, ...>] %khai báo biến toàn cục (nếu có) <Các câu lệnh thực hiện hàm> out1=kết quả 1 %kết quả trả về của hàm out2=kết quả 2 ... Nếu method = ’Becnulli’: Vẽ đường Lemniscat Becnulli: r= a 2 cos 2 θ Nếu method = ’Astroit’: Vẽ đường Astroit: 4 sin 3 1 θ r= a − Nếu method = ‘Xoanoc’: Vẽ đường xoắn ốc: r =cosθ+ 1 Nội dung hàm như sau: function vdcongdb(a,m,method) % Ve duong cong trong toa do cuc: vdcongdb(a,m,method) % method = 'Becnulli' - Ve duong Lemniscat Becnulli: % r=asqrt(abs(2cos(2theta))) % 'Astroit' - Ve duong Astroit: % r=asqrt(abs(1-sin(3theta)/4)) % 'Xoanoc' - Ve duong xoan oc: % r=acos(theta)+ % Voi: a-ban kinh; m-so duong cong ve tren cung he truc % Vi du: vdcongdb(0, 4, 'Becnulli') % % Copyright 2003 Nguyen Chi Ngon, TcAD - CIT - CTU % Email: [email protected] if nargin< error('Vui long nhap du 3 thong so cua ham') else theta=0:0:2pi; method=upper(method); switch method case 'BECNULLI' r=asqrt(abs(2cos(2theta))); case 'ASTROIT' r=asqrt(abs(1-sin(3theta)/4)); case 'XOANOC' r=a*cos(theta)+1; otherwise error('Chon: ''Becnuli'', ''Aristod'' hoac ''Xoanoc''') end % end of switch % ve do thi close all; figure('Color','w'); for k=1:m hold on r1=r*k; mau=[rand(1,1) rand(1,1) rand(1,1)]; h=polar(theta,r1); set(h,'color',mau,'LineWidth',2); axis equal; end % end of for hold off; axis off end % end of if Sinh viên hãy kiểm chứng lại hoạt động của hàm, ví dụ: >>help vdcongdb >>vdcongdb(1,5,’Becnulli’) >>vdcongdb(1,5,’ Astroit’) >>vdcongdb(1,5,’Xoanoc’) >> vdcongdb(1,5,’saikieu’) >> vdcongdb(5,’becnulli’) >> .... e Xây dựng hàm dudoan() để dự đoán kết quả sau mỗi lần tung một xúc xắc đồng nhất, 6 mặt. Nội dung hàm như sau: function dudoan() % Du doan ket qua sau moi lan tung ngau nhien mot xuc xac 6 mat % Chuong trinh lap lai cho den khi nguoi su dung khong doan tiep % % Copyright 2003, Nguyen Chi Ngon TcAD - CIT, Cantho University % Email: [email protected] tiep = 'y'; sai=0; dung=0; disp('Chao mung ban den voi Casino nay!') while(lower(tiep)=='y') doan=input('Moi ban du doan ket qua (1-6):'); kqua=tungxx; if (doan ~= kqua) disp('Xin loi, ban da doan sai!') sai=sai+1; else disp('Xin chuc mung!') dung=dung+1; end tiep=input('Ban muon choi tiep(''y''/''n''):'); end disp(['Dung ' num2str(dung) ' trong tong so ' num2str(sai+dung) ' lan doan']) |
