Cach su dung matlab

Th.s. NGUYỄN CHÍ NGÔN

Thí nghiệm CAD
(Computer-Aided Design)
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 - 12/2003

Giáo trình thí nghiệm CAD

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: ncngon@ctu.edu.vn
URL: http://www.cit.ctu.edu.vn/department/ac/ncngon.html

© TcAD - 2003 2


Mục lục
Lời nói đầu 2
Mục lục 3
BÀI 1: THAO TÁC TRONG CỬA SỔ LỆNH CỦA MATLAB 5
I. Mục tiêu....................................................................................................................5
II. Tham khảo...............................................................................................................5
III. Thực hành ..............................................................................................................5
III.1 Ma trận ..........................................................................................................5
III.2 Vectơ .............................................................................................................6
III.3 Các đa thức....................................................................................................7
III.4 Đồ họa ...........................................................................................................7
IV. Tự chọn................................................................................................................12
BÀI 2: HÀM VÀ SCRIPT FILES 13
I. Mục tiêu..................................................................................................................13
II. Tham khảo.............................................................................................................13
III. Thực hành ............................................................................................................13
III.1 Script files ...................................................................................................13
III.2 Sử dụng các hàm xây dựng sẵn...................................................................15
III.3 Xây dựng hàm.............................................................................................17
IV. Tự chọn................................................................................................................21
BÀI 3: SYMBOLIC VÀ SIMULINK 22
I. Mục tiêu..................................................................................................................22
II. Tham khảo.............................................................................................................22
III. Thực hành ............................................................................................................22
III.1 Symbolic ......................................................................................................22
III.2 Simulink.......................................................................................................24
IV. Tự chọn................................................................................................................30
BÀI 4: MÔ HÌNH HỆ THỐNG VIỄN THÔNG 32
I. Mục tiêu..................................................................................................................32
II. Tham khảo.............................................................................................................32
III. Thực hành ............................................................................................................32
III.1 Hệ thống thông tin liên tục (Analog Communications) ..............................34

© TcAD - 2003 3


III.2 Hệ thống thông tin rời rạc (Digital Communications).................................36
IV. Tự chọn................................................................................................................37
BÀI 5: MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 38
I. Mục tiêu..................................................................................................................38
II. Tham khảo.............................................................................................................38
III. Thực hành ............................................................................................................38
III.1 Hàm truyền và phương trình trạng thái của hệ thống ..................................39
III.2 Bộ điều khiển PID........................................................................................42
III.3 Hiệu chỉnh thông số của bộ điều khiển PID ................................................45
IV. Tự chọn................................................................................................................47
BÀI 6: TẠO GIAO DIỆN TRONG MATLAB 49
I. Mục tiêu..................................................................................................................49
II. Tham khảo.............................................................................................................49
III. Thực hành ............................................................................................................49
IV. Tự chọn................................................................................................................55
BÀI 7: THIẾT KẾ – MÔ PHỎNG MẠCH VÀ VẼ MẠCH IN 57
I. Mục tiêu..................................................................................................................57
II. Tham khảo.............................................................................................................57
III. Thực hành ............................................................................................................57
III.1 Multisim.......................................................................................................57
III.2 OrCAD.........................................................................................................59
IV. Tự chọn................................................................................................................64

© TcAD - 2003 4


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 6.5 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]. http://www.facstaff.bucknell.edu/maneval/help211/exercises.html
[6]. http://www.glue.umd.edu/~nsw/ench250/matlab.htm

III. Thực hành
Từ cửa sổ lệnh của Matlab, sinh viên lần lượt thực hiện các thao tác sau:
III.1 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)
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.

© TcAD - 2003 5


b. Tạo ma trận B bằng 2 dòng cuối cùng của A.
c. Tính tổng các phần tử trên các cột của A. (gợi ý: tính tổng các phần
tử trên cột 1: sum(A(:,1))).
d. Tính tổng các phần tử trên các dòng của A.
Cho ma trận A=[2 7 9 7; 3 1 5 6; 8 1 2 5], sinh viên giải thích kết quả của
các lệnh sau:
a. A'
b. A(:,[1 4])
c. A([2 3],[3 1])
d. reshape(A,2,6)
e. A(:)
f. [A A(end,:)]
g. A(1:3,:)
h. [A ; A(1:2,:)]
i. sum(A)
j. sum(A')
k. [ [ A ; sum(A) ] [ sum(A,2) ; sum(A(:)) ] ]
⎡1 0 − 1⎤ ⎡1 ⎤
⎢2 5
Giải hệ phương Ax=b, với: A= ⎢ 3⎥⎥ và b= ⎢ 1 ⎥ . Gợi ý: x=Ab.
⎢ ⎥
⎢3 − 1 0 ⎥
⎣ ⎦ ⎢ − 2⎥
⎣ ⎦
III.2 Vectơ
Vectơ thực chất cũng là ma trận có kích thước (n x 1) hay (1 x n), nên ta
có thể tạo ra vectơ như cách tạo ra ma trận. Ngoài ra, có thể dùng một số
cách sau:
>>x=0:0.1:1
>>y=linspace(1, 10, 20) % vecto 20 phan tu cach deu nhau tu 1 den 10
>>z=rand(10,1)
Cho vectơ x = [3 1 5 7 9 2 6], giải thích kết quả của các lệnh sau:
a. x(3)
b. x(1:7)
c. x(1:end)
d. x(1:end-1)
e. x(6:-2:1)
f. x([1 6 2 1 1])
g. sum(x)
Sinh viên hãy tạo một vectơ x có 100 phần tử, sao cho:

© TcAD - 2003 6


(−1) n +1
xn = .
(2n − 1)
Gợi ý: Tạo vectơ n có 100 phần tử từ 1 đến 100, dùng toán tử dấu chấm
(.) để xác định x.
III.3 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 = s4-s3+4s2-5s-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)
Cho phương trình x2-4x+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=5
>>x1=(-b+sqrt(b^2-4*a*c))/(2*a)
>>x2=(-b-sqrt(b^2-4*a*c))/(2*a)
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.
Giải phương trình x3- 2x2+4x+5=0. Kiểm chứng kết quả thu được bằng
hàm polyval. Sinh viên có nhận xét gì về kết quả kiểm chứng.
Lặp lại câu cho phương trình x7-2=0.
Sinh viên thử dùng hàm poly để tạo đa thức từ các nghiệm cho trước.
>>help poly
III.4 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.

© TcAD - 2003 7


III.4.1. Đồ họa 2 D
Đồ họa 2D chủ yếu dựa trên lệnh plot. Để được giúp đỡ, ta gõ:
>>help plot
Vẽ đồ thị hàm số y1=sinx.cos2x và hàm số y2=sinx2 trong [0-2π], trên
cùng hệ trục tọa độ, ta lần lượt thực hiện như sau:
>>x=0:0.01:2*pi;
>>y1=sin(x).*cos(2*x); %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 4*pi –1.25 1.25]) %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.cos2x and y2=sin(x^2)’)
>>legend(‘sinx.cos2x’,’sinx^2’)
y1=sinx.cos2x and y2=sinx 2

1 sinx.cos2x
sinx 2
0.5
Amplitude

0

-0.5

-1

0 1 2 3 4 5 6
Time

Hình 1.1 – Biểu diễn đồ thị các hàm số trên cùng hệ trục tọa độ

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:

© TcAD - 2003 8


>>set(h)
Bây giờ ta thử đặt một số thuộc tính đồ họa cho h.
>>set(h,’Color’, ‘r’) %dat lai mau do
>>set(h,'LineWidth',6) %dat do rong duong
>>set(h,'Marker','v','MarkerSize',6)
5

4

3

2

1

0
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Hình 1.2 – Thay đổi thuộc tính đường biểu diễn

Dữ liệu dùng để vẽ được đặt trong ‘XData’ và ‘YData’.
>> set(h,'XData',[0 1 1 3])
>>set(h,'YData',[0 3 5 1])
Từ kết quả này, ta nhận thấy nếu dữ liệu trong ‘XData’ và ‘YData’ biến
thiên theo thời gian, thì trên cửa sổ đồ họa (figure) ta sẽ thấy hình ảnh
sinh động kiểu ‘animation’.
5

4

3

2

1

0
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Hình 1.3 - Thay đổi dữ liệu trong cửa sổ đồ họa

Tương tự như hàm plot, sinh viên thử dùng các hàm semilogx, semilogy
và loglog cho trường hợp trục tọa độ phi tuyến.
Ngoài các lệnh biểu diễn đường cong trong tọa độ Descartes, Matlab
cũng hổ trợ việc vẽ đồ thị hàm số trong hệ tọa độ cực bằng hàm polar.
>>theta=0:0.05:2*pi;
>>r=sin(5*theta);
>>polar(theta,r)

© TcAD - 2003 9


90 1
120 60

150 0.5 30

180 0

210 330

240 300
270

Hình 1.4 – Biểu diễn đồ thị hàm số trong hệ tọa độ cực

III.4.2. 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).

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

40 1000

20 500

0 0
1 1
1 1
0 0 0 0
-1 -1 -1 -1

Hình 1.5 – Vẽ đồ thị 3D bằng hàm plot3

Vẽ mặt paraboloid z=x2+y2 trong không gian 3 chiều:
>>close all

>>t=-5:0.1:5;

>> [x,y]=meshgrid(t); %dinh luoi ve

>>z=x.^2+y.^2;

>> subplot(2,2,1), mesh(z) %ve mat luoi 3D

© TcAD - 2003 10


>> 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 1.6 - Vẽ mặt paraboloid

Vẽ mặt z =
(
sin x 2 + y 2 ) trong không gian 3 chiều:
x 2 + y2

>>x=-8:0.5:8;
>>y=x;
>>[x,y]=meshgrid(x,y);
>>r=sqrt(x.^2+y.^2);
>>z=sin(r)./r;
>>surf(x,y,z)

1

0.5

0

-0.5
10
10
0 0
-10 -10

Hình 1.7 – Một biểu diễn đồ thị 3D khác

© TcAD - 2003 11


Sinh viên thử vẽ mặt trụ z = x 4 + y 2 bằng hàm mesh và hàm surf.

IV. Tự chọn
Giải hệ phương trình sau:
2x1 + 4x2 + 6x3 – 2x4 = 0
x1 + 2x2 + x3 + 2x4 = 1
2x2 + 4x3 + 2x4 = 2
3x1 - x2 + 10x4 = 10.
Chứng tỏ rằng (A+B)C=AC+BC, với:
⎡10 − 2⎤ ⎡ 3 1⎤
A=
⎢20 4 ⎥ , B= ⎢− 10 2⎥ và C= ⎡− 3 4⎤ .
⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢ 6 1⎥
⎢3 6 ⎥ ⎢ 0 5⎥ ⎣ ⎦
⎣ ⎦ ⎣ ⎦

Sinh viên thử vẽ hình sau (Hình 1.8):

(Hình 1.8)

Từ cửa sổ lệnh của Matlab, nhập: demos. Chọn MATLAB → Graphics
→ 3D-plots. Chạy chương trình demo này.

© TcAD - 2003 12


Bài 2

HÀM VÀ SCRIPT FILES
I. Mục tiêu
Bài 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.
[3]. Nguyễn Công Định, Phân tích và tổng hợp các hệ thống điều khiển bằng
máy tính, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2002.
[5]. http://www.mines.utah.edu/gg_computer_seminar/matlab/
[6]. http://www.glue.umd.edu/~nsw/ench250/matlab.htm

III. Thực hành
Hàm 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.1 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:

© TcAD - 2003 13


% ------------------------------------------------------------------------------------------
% 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

Hãy khởi động Matlab Editor và tạo một script file có tên bai21.m, 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',[0.01 .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

© TcAD - 2003 14


% ket thuc script file

Sau khi lưu file này, từ cửa sổ lệnh của Matlab, sinh viên hãy nhập:
>>help bai21
Để thi hành script file vừa soạn, hãy nhập:
>>bai21

Soạn thảo script file có tên bai22.m để lập biểu đồ tổng số sinh viên
Điện Tử - Tin học tốt nghiệp tại khoa Công nghệ Thông tin, Đại học Cần
thơ từ năm 1996 đến 2001 với dữ liệu như sau:
Năm Kỹ sư Điện tử Kỹ sư Tin học
1996 38 48
1997 33 54
1998 36 120
1999 31 92
2000 60 110
2001 70 131

Nội dung của script file như sau:
%
% Lap bieu do tong so sinh vien Dien tu – Tin hoc tot nghiep tại
% Khoa Cong nghe Thong tin, Dai hoc Can tho, tu 1996-2001
%
svdt=[38 33 36 31 60 70]; % sinh vien Dien tu
svth=[48 54 120 92 110 131]; %sinh vien Tin hoc
nam=1996:2001;
subplot(211), bar(nam,svdt);
title('Sinh vien Dien tu tot nghiep tu 1996-2001');
subplot(212), bar(nam,svth);
title('Sinh vien Tin hoc tot nghiep tu 1996-2001');
Colormap(cool);
%

Thi hành file này từ cửa sổ lệnh. Sinh viên có thể dùng lệnh help bar để
biết các thông số của hàm này và hiệu chỉnh (tùy thích) một số chức
năng hiển thị của hàm bar trong file bai22.m.
Sinh viên hãy tạo một script file có tên bai23.m để vẽ các đồ thị trên
hình 2.1.
III.2 Sử dụng các hàm xây dựng sẵn
Matlab hổ trợ một thư viện hàm rất phong phú, xây dựng trên các giải
thuật nhanh và có độ chính xác cao. Ngoài các hàm cơ bản của Matlab,
tập hợp các hàm dùng để giải quyết một ứng dụng chuyên biệt nào đó gọi

© TcAD - 2003 15


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 2.1 – dùng cho câu III.1.3)

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.

© TcAD - 2003 16


Hàm Y=exp(X), tính eX, kết quả trả về cho Y.
>>help exp
>>x=0:0.05:1;
>>y=exp(x);
>>stem(x,y) % giong ham plot nhung ve cho tin hieu roi rac
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=0.2*sin(2*pi*t) với t:0:0.01:10
- 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 2.2:
0.4

0.2

0

-0.2

-0.4
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Hình 2.2 – Tín hiệu thu được sau khi điều chế biên độ

III.3 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 quả1 %kết quả trả về của hàm
out2=kết quả2
…

© TcAD - 2003 17


% Các hàm con (nếu có)
[ function [subout1,subout2,…]=tenhamcon(subin1,subin2,…)
<Các câu lệnh của hàm con>
end ] %từ khóa end khong can doi voi Matlab Version 6.x
Xây dựng hàm gptb2 để giải phương trình bậc hai ax2+bx+c=0. Nội
dung hàm như sau:

function [x1,x2]=gptb2(a,b,c)
% Giai phuong trinh bac hai ax^2+bx+c=0
% [x1,x2]=gptb2(a,b,c)
% Trong do: x1,x2 nghiem thuc hoac phuc
% a,b,c la 3 he so cua phuong trinh
%
% Vi du: [x1,x2]=gptb2(1,-3,2)
%
% Copyright 2003 Nguyen Chi Ngon TcAD - CIT - Cantho University
% Email: ncngon@cit.ctu.edu.vn

if nargin<3
error('Vui long nhap du 3 he so cua phuong trinh')
elseif a==0
x1=-c/b;
x2=[];
else
D = b^ 2 - 4*a*c;
x1 = (-b+sqrt(D))/(2*a);
x2 = (-b-sqrt(D))/(2*a);
end

Sau khi lưu file này với tên gptb2.m, sinh viên thử kiểm chứng kết quả:
>>help gptb2
>>[x1,x2]=gptb2(1,6,-7)
>>[x1,x2]=gptb2(2,7,14)
>>[x1,x2]=gptb2(0,4,3)
>>[x1,x2]=gptb2(1,6)
Cho biết ý nghĩa của từ khóa nargin?
Sinh viên hãy viết lại hàm này để kết quả chỉ trả về nghiệm số thực.

Xây dựng hàm vdcongdb(a,m,method) để vẽ một số đường cong đặc
biệt trong hệ tọa độ cực, với a là bán kính và m là số đường cong vẽ trên
cùng trục tọa độ. Trường hợp này hàm không trả về giá trị nên ta không
cần biến ngõ ra.
Tuỳ theo giá trị của tham số ‘method’ mà ta vẽ đồ thị tương ứng:

© TcAD - 2003 18


Nếu method = ’Becnulli’: Vẽ đường Lemniscat Becnulli: r = a 2 cos 2θ

sin 3θ
Nếu method = ’Astroit’: Vẽ đường Astroit: r = a 1 −
4
Nếu method = ‘Xoanoc’: Vẽ đường xoắn ốc: r = cos θ + 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=a*sqrt(abs(2*cos(2*theta)))
% 'Astroit' - Ve duong Astroit:
% r=a*sqrt(abs(1-sin(3*theta)/4))
% 'Xoanoc' - Ve duong xoan oc:
% r=a*cos(theta)+1
% Voi: a-ban kinh; m-so duong cong ve tren cung he truc
% Vi du: vdcongdb(0.5, 4, 'Becnulli')
%
% Copyright 2003 Nguyen Chi Ngon, TcAD - CIT - CTU
% Email: ncngon@cit.ctu.edu.vn

if nargin<3
error('Vui long nhap du 3 thong so cua ham')
else
theta=0:0.01:2*pi; method=upper(method);
switch method
case 'BECNULLI'
r=a*sqrt(abs(2*cos(2*theta)));
case 'ASTROIT'
r=a*sqrt(abs(1-sin(3*theta)/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);

© TcAD - 2003 19


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’)
>> ….
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: ncngon@ctu.edu.vn

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'])

% subfunction --------------
function mat = tungxx()
mat=floor(6*rand(1,1))+1;
% end

Sinh viên thử sử dụng hàm này và cho biết sự khác nhau giữa script file
và hàm không có tham số vào.

© TcAD - 2003 20


IV. Tự chọn
Viết chương trình tìm nghiệm thực của phương trình bậc 2.
Viết chương trình in tam giác Pascal n dòng trong màn hình đồ họa với n
được nhập từ bàn phím.

© TcAD - 2003 21


Bài 3

SYMBOLIC VÀ SIMULINK
I. Mục tiêu
Hiểu một cách cơ bản về hai công cụ mạnh và hữu hiệu của Matlab, đó là
Symbolic và Simulink, để từ đó sinh viên có thể tự mình phát huy các
chức năng cao hơn của hai công cụ này trong tính toán và mô phỏng hệ
thống.

II. Tham khảo
[3]. Nguyễn Chí Ngôn, Bài thí nghiệm Kỹ thuật mô phỏng trong Điều khiển
tự động, Bộ môn Viễn Thông & Tự động hóa, khoa Công nghệ thông tin,
Đại học Cần thơ, 2002.
[4]. Nguyễn Công Định, Phân tích và tổng hợp các hệ thống điều khiển bằng
máy tính, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2002.
[5]. http://www-h.eng.cam.ac.uk/help/tpl/programs/Matlab/Symbolic.html

III. Thực hành
Symbolic và Simulink đều chứa thư viện chức năng rất phong phú, bài
thí nghiệm này chỉ có thể đề cập đến những gì gọi là cơ bản nhất. Từ đó,
sinh viên có thể tự mình nghiên cứu và phát triển tiếp.
III.1 Symbolic
Phiên bản mới nhất của Symbolic toolbox được Mathworks giới thiệu
trong Matlab 6.5 vào tháng 6-2003. Đó là một thư viện toán học kiểu ký
tự, được phát triển từ Symbolic Maple của trường Đại học Waterloo,
Canada. Để có cái nhìn tổng quát về các chức năng của Symbolic, sinh
viên hãy gõ:
>>help symbolic
Một số hàm thông dụng của Symbolic:

Tên hàm Chức năng Tên hàm Chức năng
diff Đạo hàm fourier Biến đổi Fourier
int Tích phân ifourier Biến đổi Fourier ngược
taylor Khai triển Taylor laplace Biến đổi Laplace
det Định thức của ma trận laplace Biến đổi Laplace ngược

© TcAD - 2003 22


numden Tử và mẫu của phân số ezplot Vẽ hàm, ≡ plot
subs Thay biến sym bằng trị số ezpolar Vẽ hàm, tọa độ cực ≡ polar
dsolve Giải phương trình vi phân ezmesh Vẽ mặt lưới ≡ mesh
solve Giải phương trình đại số ezsurf Vẽ mặt ≡ surf

Để biến đổi một số, một biến hay một đối tượng nào đó thành kiểu
Symbolic ta có thể sử dụng một trong các cách sau:
>>s=sym(A)
>>x=sym(x)
>>syms x y z % khai báo kết hợp → x, y và z là biến symbolic

Tính đạo hàm bằng hàm diff của symbolic: Nếu S là biểu thức symbolic
thì:
diff(S) đạo hàm của S theo biến tự do
diff(S,’v’) đạo hàm của S theo biến v
diff(S,’v’,n) đạo hàm cấp n của S theo v.
Ví dụ: Tính đạo hàm của y = sinx3.
>> syms x % khai bao x la bien kieu symbolic
>> y=sin(x^3);
>> z=diff(y) % dao ham cua y
z=
3*cos(x^3)*x^2 % sinh vien kiem tra ket qua
>>pretty(z) % hien thi dang quen thuoc
3 cos(x3) x2
>>ezplot(x,y) % ve y theo x

x = x, y = sin(x 3 )

1

0.5
0
y

-0.5
-1
0 1 2 3 4 5 6
x

Hình 3.1 – Vẽ đồ thị hàm symbolic

Tính vi phân bằng hàm int - Nếu S là biểu thức Symbolic thì:
int(S) tích phân không xác định của S theo biến mặc nhiên (muốn
biết biến mặc nhiên này ta dùng hàm findsym).
int(S,v) tích phân không xác định của S theo v.
int(S,a,b) tích phân xác định của S trên cận [a,b]
int(S,v,a,b) tích phân xác định của S theo v trên cận [a,b]

© TcAD - 2003 23


1
(
2x 2 19 + 12x 2)
Ví dụ: Tính ∫ 7 x 2 + 1 dx
0 ( )
>>syms x
>>S=2*x^2*(19+12*x^2)/(7*(x^2+1))
>>y=int(S,x,0,1) % tích phân S theo x trên cận [0,1]
>>subs(y) % đổi sang kiểu số

Giải hệ phương trình bằng hàm solve:
>>help solve
>>syms x y
>>[x,y]= solve('x^2*sin(x^2)-3*y=7','x+y=1')
Sau khi thu được nghiệm x và y, sinh viên hãy thay vào 2 phương trình
trên và nhận xét kết quả.
y
Vẽ mặt 3D bằng hàm ezsurf: Ví dụ vẽ mặt S = f ( x , y) = trên
1+ x + y2
2

miền xác định: -5<x<5; -2π<y<2π.
>>syms x y
>>S=y/(1+x^2+y^2)
>>ezsurf(S, [-5 5 –2*pi 2*pi])

Hình 3.2 – Vẽ đồ thị 3D cho hàm số symbolic

III.2 Simulink
Simulink 5.0 (Simulation and Link - R13) được MatWorks giới thiệu vào
tháng 6 năm 2003. Nó cho phép phân tích, mô hình hóa và mô phỏng các
hệ thống động tuyến tính và phi tuyến, liên tục và rời rạc một cách trực
quan trong môi trường giao tiếp đồ họa, bằng các thao tác chuột đơn
giản. Có thể nói, không tận dụng được Simulink là một thiệt thòi lớn cho
người làm công tác mô phỏng!
Khởi động Simulink bằng một trong các cách sau:
nhập: >>simulink

© TcAD - 2003 24


hoặc nhấp chuột vào trên menubar của Matlab
Thư viện simulink hiện ra như hình 3.3:
Trước tiên, sinh viên hãy nhấp chuột vào các thanh cuộn của thư viện để
có cái nhìn thân thiện về simulink.
Từ đây, để có thể tạo mô hình bằng simulink, hãy:
nhấp chuột vào biểu tượng của thư viện simulink
chọn: File – New – Model trong Menu của thư viện Simulink
chọn: File – New – Model trong cửa sổ lệnh của Matlab

Hình 3.3 – Cửa sổ chính của thư viện Simulink

Hình 3.4 – Môi trường soạn thảo của Simulink

Cửa sổ này (hình 3.4) cho phép ta ‘nhấp - kéo - thả’ vào từng khối chức
năng trong thư viện simulink. Ví dụ, đặt vào đây khối ‘Sine Wave’ trong
thư viện của (hình 3.5):

© TcAD - 2003 25


Hình 3.5 – Lấy một khối từ thư viện
Sau khi đặt tất cả các khối cần thiết của mô hình, ta nối chúng lại bằng
cách ‘nhấp - giữ’ và kéo một đường từ ngõ ra của khối này đến ngõ vào
của khối khác rồi thả phím trái chuột, một kết nối sẽ được thiết lập.
Xây dựng mô hình hệ thống xe tải:

Hình 3.6 – Mô hình xe tải
dv dv 1
cho bởi phương trình: m = u − bv hay = (u − bv) .
dt dt m
Trong đó m là khối lượng xe, u là lực tác động của động cơ (ngõ vào của
mô hình), b là hệ số ma sát và v là vận tốc đạt được (ngõ ra của mô
hình).
Xuất phát điểm của việc xây dựng các mô hình hệ thống từ các phương
trình vi phân tương ứng là các khối tích phân (Integrator). Nếu trong
phương trình mô tả hệ thống có vi phân bậc n thì ta sẽ đặt vào mô hình
dv
n khối tích phân, do quan hệ ∫ dt = v.

Mở một cửa sổ mô hình mới.
Đặt vào mô hình khối ‘Integrator’ từ thư viện ‘Continuous’ và kẻ các
đường thẳng nối đến ngõ vào và ngõ ra của khối này.
Đặt nhãn ‘vdot’ (dv/dt) cho cho đường nối đến ngõ vào và ‘v’ cho
đường nối đến ngõ ra bằng cách nhấp đúp chuột ngay phía trên
các đường này.

© TcAD - 2003 26


Từ phương trình hệ thống ta thấy dv/dt (vdot) bằng tích của thành phần
(1/m) và thành phần tổng (u-bv), nên ta thêm khối 1/m ngay trước khối
tích phân:
Đặt vào khối ‘Gain’ trong thư viện .
Nhấp đúp chuột vào khối này để thay đổi độ lợi thành 1/m.
Đặt nhãn ‘inertia’ cho khối này để tượng trưng cho quán tính của xe
(nhấp đúp vào nhãn ‘Gain’ bên dưới khối).

Bây giờ ta đặt khối tổng với 2 ngõ vào ‘+-‘, ngõ vào ‘+’ sẽ được nối với
u, ngõ vào ‘-’ sẽ được nối với thành phần bv để được (u-bv)
Đặt vào khối ‘Sum’ trong thư viện
Nhấp đúp vào khối này để đổi ngõ vào từ ‘++’ sang ‘+-’

Để được thành phần bv ta chỉ cần đặt thêm khối ‘Gain’ với độ lợi b:
Đặt khối ‘Gain’ có độ lợi b
Đặt nhãn là ‘damping’ tượng trưng cho thành phần lực cản của xe.

Đến đây việc xây dựng mô hình xe tải với ngõ vào u và ngõ ra v coi như
hoàn thành. Tuy nhiên, để mô phỏng mô hình này, ta cần đặt thêm khối
‘Step’ vào u và hiển thị v trên khối ‘Scope’
Đặt khối ‘Step’ trong thư viện biên độ u ngay ngõ vào.
Đặt khối ‘Scope’ trong thư viện ngay ngõ ra v.

© TcAD - 2003 27


Nhớ rằng m, b và u là các biến cần được gán trị trước khi mô phỏng.
>>m=1000
>>b=50
>>u=500
Thời gian mô phỏng hệ thống tùy thuộc vào thông số ‘Stop time’ trong
menu ‘Simulation→Simulation paramrters’, giả sử đặt 120 (Hình 3.7).

Để chạy mô phỏng, ta có thể thực hiện bằng 1 trong các cách:
nhấp chuột vào biểu tượng trên menubar của mô hình
chọn: Simulation → Start
Ctrl-T
Nhấp đúp vào ‘Scope’ để xem kết quả mô phỏng.

Hình 3.7 – Thay đổi thông số mô phỏng

Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển vị trí motor DC cho bởi phương
trình vi phân sau:
d 2θ 1 ⎛ dθ ⎞
2
= ⎜ K ti − b ⎟
dt J⎝ dt ⎠
di 1 ⎛ dθ ⎞
= ⎜ − Ri + V − K e ⎟
dt L ⎝ dt ⎠
Trong đó:
J = 0.01 Kgm2/s2 là moment quán tín của rotor
b = 0.1 Mms là hệ số ma sát của các bộ phận cơ khí
K = Ke = Kt = 0.01 Nm/A là hằng số sức điện động
R = 10 ohm là điện trở dây quấn
L = 0.5 H là hệ số tự cảm

© TcAD - 2003 28


V là điện áp đặt lên cuộn dây của motor
θ là vị trí trục quay (ngõ ra của mô hình)
i là dòng điện chạy trong cuộn dây của motor.

Hình 3.8 – Mô hình toán hệ điều khiển vị trí motor DC
Quan sát từng phương trình mô tả hệ thống ta thấy cấu trúc của chúng
cũng tương tự như phương trình của câu . Sinh viên lần lượt thực hiện
trên từng phương trình để được (hình 3.9):

(Hình 3.9)
Kết hợp 2 phương trình:

(Hình 3.10)

© TcAD - 2003 29


Đặt vào mô hình khối ‘Step’ để làm tín hiệu tham khảo, khối ‘Scope’ để
quan sát đáp ứng. Sinh viên hãy gán trị cho tất cả các thông số của mô
hình, thực hiện mô phỏng và quan sát đáp ứng (Hình 3.11).
Hãy thay đổi ngõ vào mô hình bằng khối tạo xung vuông. Mô phỏng,
quan sát kết quả và nhận xét.

IV. Tự chọn
Sinh viên hãy tính đạo hàm cấp 2 của hàm y = xe (1− x ) bằng tay và kiểm
2

chứng kết quả bằng symbolic.
∞
Tính tích phân sau và kiểm chứng kết quả bằng symbolic: ∫ e − x
2

0

Hình 3.11 - Mô hình Simulink hoàn chỉnh của hệ điều khiển vị trí motor DC

Xây dựng mô hình hệ thống xe lửa cho bởi phương trình:
d 2 x1 dx
M1 2
= F − k ( x 1 − x 2 ) − μM 1g 1
dt dt
2
d x2 dx
M2 2
= k ( x 1 − x 2 ) − μM 2 g 2
dt dt

(Hình 3.12 Photo courtesy: Dr. Howard Blackburn)
Trong đó các thông số tượng trưng như sau:
M1=1 kg là khối lượng toa kéo;
M2=0.5 kg là khối lượng toa khách;

© TcAD - 2003 30


k=1 N/sec là độ cứng lò xo kết nối giữa 2 toa;
F=1 N là lực tác động của đầu máy (ngõ vào mô hình);
μ=0.002 sec/m là hệ số ma sát lăn;
g = 9.8 m/s^2 là gia tốc trọng trường
x1, x2 vị trí 2 toa (ngõ ra).

Hình 3.13 – Mô hình toán của hệ thống xe lửa

© TcAD - 2003 31


BÀI 4

MÔ HÌNH HỆ THỐNG VIỄN THÔNG
I. Mục tiêu
Bài thí nghiệm này tìm hiểu phương pháp mô hình hóa một hệ thống
thông tin đơn giản như hình 4.1:

Hình 4.1 - Một mô hình truyền tin tiêu biểu

Chúng ta sẽ xử lý tín hiệu nguồn (mã hóa, kiểm soát lỗi, điều chế) và
truyền qua một kênh truyền có nhiễu sau đó khôi phục tín hiệu nhận
được (giải điều chế, giải mã) và xác định xác suất lỗi tín hiệu.

II. Tham khảo
[1]. The Mathworks Inc., Matlab User’s Guide – Communications Toolbox,
2003.
[3]. http://murray.newcastle.edu.au/uers/staff/eemf/ELEC352/notes.htm

III. Thực hành
Để có thể thực tập tốt bài thí nghiệm, sinh viên cần có kiến thức về Xử
lý số tín hiệu (Digital Signal Processing), Truyền dữ liệu (Data
transmittion) và Cơ sở Viễn thông. Do đó, bài thí nghiệm này không bắt
buộc đối với sinh viên chuyên ngành Tin học (nếu có) và sinh viên Điện
tử hướng ĐKTĐ. Trong trường hợp đó, sinh viên có thể chọn bài 5 hoặc
bài 7 để thực tập.

© TcAD - 2003 32


Xây dựng mô hình hệ thống thông tin nói chung là một việc rất lớn, với
nhiều vấn đề cần giải quyết. Do đó trong phạm vi bài thí nghiệm này
chúng ta chỉ có thể khảo sát một số khâu trong tổng thể của một hệ thống
truyền thông.

© TcAD - 2003 33


III.1 Hệ thống thông tin liên tục (Analog Communications)
Trong phần này chúng ta sẽ tìm hiểu các phương pháp điều chế và giải
điều chế tín hiệu liên tục (Analog Modulation and Demodulation).
Điều chế biên độ sóng mang bị nén hai băng cạnh (Double-Sideband
Suppressed Carrier Amplitude Modulation – DSB-SC): Phương pháp
điều chế này dựa theo công thức sau:
y(t) = m(t)cos(2πfct+φc)
Trong đó: m(t) là tín hiệu hạ tần (thông tin) dùng để điều chế sóng mang
tần số cao c(t) = cos(2πfct+φc) để thu được tín hiệu điều chế y(t).

Hình 4.2 – Nguyên tắc điều chế biên độ

Ta có thể thực hiện phương pháp điều chế này trong Matlab như sau
(sinh viên nên ghi trong file .m để thuận tiện cho việc sử dụng lại ở các
câu sau):

>>Fc=10; % tần số sóng mang [Hz]
>>Fs=60; % tần số lấy mẫu để mô phỏng
>>Fm=1; % tần số tín hiệu hạ tần
>>t=[0:1/Fs:3]; % time window
>>c=cos(2*pi*Fc*t); % tín hiệu sóng mang
>>m=sin(2*pi*Fm*t); % tin hiệu hạ tần 1Hz
>>subplot(311), plot(t,m) % vẽ tín hiệu hạ tần
>>subplot(312), plot(t,c) % vẽ sóng mang
>>y=m.*c; % điều chế
>>subplot(312), plot(t,y) % vẽ tín hiệu điều chế
>>z=abs(fft(y)); % phổ tín hiệu điều chế
>>z=z(1:length(z)/2+1); % lấy 1/2
>>frq=[0:length(z)-1]*Fs/length(z)/2; % frequency window
>>figure % new figure
>>plot(frq,z); % vẽ phổ

Sinh viên hãy quan sát phổ tín hiệu điều chế, và hãy so sánh với tần số
sóng mang.
Thử dùng hàm amod của Communications toolbox thực hiện công
việc trên.
>>help amod

© TcAD - 2003 34


>>Y=amod(m, Fc, Fs, 'amdsb-sc'); % điều chế
>>subplot(313),plot(t,Y)

1
0

m
-1
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
1
0

c
-1
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
1
0
x

-1
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Hình 4.3 – Tín hiệu điều chế biên độ

Tương tự như trên, sinh viên hãy thực hiện điều chế biên độ sóng
mang bị nén đơn băng cạnh (Single-Sideband Suppressed Carrier
Amplitude Modu-lation – SSB-SC). So sánh với phương pháp điều chế
biên độ DSB-SC.

Giải điều chế biên độ: Có nhiều phương pháp giải điều chế biên độ. Ở
đây ta xét phương pháp giải điều chế đồng bộ (Synchronous
Demodulation), áp dụng cho phương pháp điều chế biên độ với sóng
mang bị nén SC (Suppressed Carrier) và phương pháp điều chế biên độ
với sóng mang được truyền TC (Transmission Carrier), theo mô hình
sau:

Hình 4.4 – Nguyên tắc giải điều chế biên độ

Thực hiện giải điều chế như sau (phải đảm bảo rằng tín hiệu điều chế y
còn trong WorkSpace của Matlab):
>>y_mix=y.*c; % trộn tín hiệu điều chế với sóng mang
>>[num,den]=butter(3, (Fc/2)/(Fs/2)); % low-pass filter tần số cắt Fc/2
>>m_r=filter(num,den,y_mix); % cho tín hiệu đã trộn qua bộ lọc
>>close all %
>>plot(t,m) % vẽ tín hiệu hạ tần ban đầu
>>hold on %
>>plot(t,m_r,'r') % vẽ tín hiệu hạ tần vừa hồi phục

Giải thích vì sao ta dùng bộ lọc thông thấp với tần số cắt Fc/2.

© TcAD - 2003 35


Sinh viên hãy quan sát và so sánh sự khác biệt giữa tín hiệu giải điều
chế và tín hiệu hạ tần ban đầu. Giải thích.
Thử dùng hàm ademod của Communications toolbox để giải điều
chế:
>>help ademod
>>M_R=ademod(y,Fc,Fs,'amdsb-sc'); % giải điều chế
>>plot(t,M_R,'g')

III.2 Hệ thống thông tin rời rạc (Digital Communications)
Trong phần này, chúng ta sẽ thực hiện mô hình một hệ thống truyền
thông rời rạc như sơ đồ sau:

Hình 4.5 – Mô hình một hệ thống truyền tin rời rạc

Sinh viên cần đọc phần help của từng lệnh hiểu và biết cách sử dụng.
Tạo tín hiệu nguồn:
>>clear
>>close all
>>K=11; % chiều dài từ tin (message length)
>>msg=randint(K*2,1); % tạo tín hiệu nguồn (digital message)
>>subplot(411),stem(msg,’.’) % vẽ tín hiệu nguồn
>>ylabel(‘digital message’)

Mã hóa BCH:
>>N=15; %chiều dài từ mã (codeword length)
>>code = encode(msg,N,K,'bch'); %mã hóa BCH
>>subplot(412), stem(code,’.’)
>>ylabel(‘BCH’)

Điều chế QASK: Sử dụng bộ điều chế số M-QASK với M=16 (sinh viên
cần xem lại lý thuyết về bộ điều chế này)
>>M=16; % multiple number
>>Fd=1; % tốc độ nguồn tin
>>Fc=10; % tần số sóng mang
>>Fs=30; % tần số lấy mẫu
>>modu = dmod(code,Fc,Fd,Fs,'qask',M); % điều chế M-QASK
>>subplot(413),plot(modu) % vẽ tín hiệu điều chế
>>ylabel(‘QASK’)
Kênh truyền có nhiễu: Tín hiệu sau khi điều chế được truyền trên kênh
truyền có nhiễu trắng Gaussian công suất 0.1W.

© TcAD - 2003 36


>>std_value=0.1; % cong suat nhieu
>>modu_noise = modu+randn(length(modu),1)∗std_value; % add noise
Giải điều chế QASK:
>>demo = ddemod(modu_noise,Fc,Fd,Fs,'qask', M); % giải điều chế
Giải mã BCH:
>>msg_r = decode(demo,N,K,'bch'); % tín hiệu thu
>>subplot(414), stem(msg_r,’.’) % vẽ tín hiệu số thu được
>>ylabel(‘received message’)
1
Trans. msg

0.5

0
0 5 10 15 20 25
1
BCH

0.5

0
0 5 10 15 20 25 30
2
QASK

0

-2
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
1
Rec. msg

0.5

0
0 5 10 15 20 25

Hình 4.6 – So sánh tín hiệu truyền/nhận

Xác định lỗi:
>>rate=biterr(msg,msg_r,M)
Sinh viên hãy dùng hàm channel của Communications toolbox để mô
hình hóa kênh truyền ở bước . Lặp lại các quá trình giải điều chế và
giải mã, so sánh kết quả (lưu ý: băng thông của kênh truyền phải đủ lớn).

IV. Tự chọn
Thực hiện điều chế và giải điều chế tần số FM với Fm, Fc, Fs ở câu
III.1. .
Thực hiện mô hình Digital Communications như hình sau:

msg Mã hóa Điều chế Kênh truyền Giải điều chế Giải mã msg_r
Hamming FSK FSK Hamming

© TcAD - 2003 37


Bài 5

MÔ HÌNH HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
I. Mục tiêu
Trong bài thí nghiệm này chúng ta sẽ tìm hiểu phương pháp mô hình hóa
một hệ điều khiển tự động, bao gồm:
Hàm truyền và phương trình trạng thái của hệ thống
Đáp ứng vòng hở và đáp ứng vòng kín của hệ thống
Xây dựng bộ điều khiển PID
Chỉnh định thông số của bộ đỉều khiển và khảo sát đáp ứng của hệ
thống.

Hình 5.1 – Một mô hình hệ thống điều khiển tiêu biểu

II. Tham khảo
[1]. The Mathworks Inc., Matlab Notebook User’s Guide – Control toolbox,
2003.
[2]. Phạm Văn Tấn, Bài giảng môn Cơ sở Tự động học, Bộ môn Viễn Thông
và Tự động hóa, khoa Công nghệ Thông tin, Đại học Cần Thơ, 2001.
[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]. http://www.engin.umich.edu/group/ctm
[5]. http://www.shu.ac.uk/schools/eng/teaching/rw/pidtutorial.htm

III. Thực hành
Để có thể thực hiện tốt bài thí nghiệm, sinh viên cần nắm vững các kiến
thức cơ bản về Điều khiển tự động (Cơ sở tự động học). Do đó, bài này
không bắt buộc đối với các sinh viên Tin học (nếu có) và các sinh viên
Điện tử theo hướng Viễn thông. Trong trường hợp đó, có thể sinh viên đã
thực tập bài 4 hoặc sinh viên có thể chuyển sang bài 7.

© TcAD - 2003 38


III.1 Hàm truyền và phương trình trạng thái của hệ thống
Trong điều khiển tự động, người ta thường biểu diễn một hệ thống vật lý
bằng hàm truyền (transfer function) hay phương trình trạng thái (state-
space equation) của nó (đối với các hệ phi tuyến, để đạt được điều này,
người ta phải dùng phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn).
Giả sử có hệ thống điều khiển tốc độ motor DC như hình vẽ 5.2 [4].
Trong đó:
J = 0.01 kgm2/s2 là moment quán tính của rotor
b = 0.1 Nms hệ số ma sát
K=Ke=Kt=0.01 Nm/Amp các hằng số sức điện động
R = 1 ohm điện trở
L = 0.5 H điện cảm
I: dòng điện chạy trong cuộn dây của motor
V: điện áp trên hai đầu cuộn dây motor – ngõ vào
θ: vị trí trục – ngõ ra

Hình 5.2 – Mô hình toán một hệ điều khiển tốc độ motor DC

Phương trình vi phân mô tả hệ thống như sau:
d 2θ dθ
J 2
+b = Ki
dt dt
di dθ
L + Ri = V − K
dt dt

Hàm truyền: Biến đổi Laplace 2 vế của phương trình trên ta được:
s( Js + b)Θ(s) = KI(s)
( Ls + R )I(s) = V − KsΘ(s)
•

[ ]
Suy ra: (Ls + R )(Js + b) + K sΘ = KV hay
2 θ
=
K
V (Ls + R )(Js + b) + K 2
Biểu diễn hàm truyền này trong Matlab ta thực hiện như sau (sinh viên
nên lưu thành file.m):
>>J=0.01;
>>b=0.1;
>>K=0.01;
>>R=1;
>>L=0.5;
>>num=K; % tử số của hàm truyền

© TcAD - 2003 39


>>den=[(J*L) ((J*R)+(L*b)) ((b*R)+K^2)]; % mẫu số hàm truyền
>>hamtruyen = tf(num,den)
Đáp ứng bước vòng hở:
>>step(num,den) % hoac
>>step(hamtruyen)
Step Response

0.1

0.08

Amplitude
0.06

0.04

0.02

0
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
Time (sec)

Đáp ứng xung vòng hở:

>>impulse(hamtruyen)

Impulse Response
0.14

0.12

0.1
Amplitude

0.08

0.06

0.04

0.02

0
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
Time (sec)

Phương trình trạng thái: Dạng tổng quát:
•
X = AX + BU
Y = CX + DU
với X là véctơ trạng thái, U là véctơ tín hiệu vào và Y là véctơ tín hiệu ra.
Biến trạng thái và phương trình trạng thái: Từ phương trình vi phân
•
mô tả hệ thống, nếu đặt x 1 = θ và x 2 = i , ta có:

© TcAD - 2003 40


• b K
x 1 = − x 1 + x 2 + 0V ⎡ b K ⎤
J J • ⎢− J ⎡0⎤
J ⎥X + ⎢ 1 ⎥V
X=⎢
K R 1 R⎥
•
x 2 = − x1 − x 2 + V hay K ⎢L⎥
L L L ⎢− − ⎥ ⎣ ⎦
⎣ L L⎦
Y = x1 + 0 x2 + 0 V
Y = [1 0]X
Biểu diễn phương trình trạng thái trong Matlab như sau:
>>J=0.01;
>>b=0.1;
>>K=0.01;
>>R=1;
>>L=0.5;
>>A = [-b/J K/J; -K/L -R/L];
>>B = [0;1/L];
>>C=[1 0];
>>D=0;
Đáp ứng bước vòng hở:
>>step(A,B,C,D)
Đáp ứng xung vòng hở:
>>impulse(A,B,C,D)

Ta có thể chuyển đổi qua lại giữa hàm truyền và phương trình trạng thái
bằng lệnh sau:
>>[num,den]=ss2tf(A,B,C,D) % từ PT trạng thái sang hàm truyền
>>[A,B,C,D]=tf2ss(num,den) % từ hàm truyền sang PT trạng thái

Khảo sát đáp ứng vòng hở của hệ thống đối với tín hiệu bất kỳ

(Hình 5.3)

Phải đảm bảo rằng trong Workspace còn biến hamtruyen của câu ,
sinh viên có thể dùng lệnh lsim để khảo sát đáp ứng của hệ đối với tín
hiệu bất kỳ. Giả sử đó là tín hiệu sin:
>>close all

>>t=0:0.1:2*pi;

>>u=sin(pi/4*t);

>>lsim(hamtruyen,u,t) % mo phong dap ung voi tin hieu vao u

© TcAD - 2003 41


Linear Simulation Results
0.1

0.05

Amplitude
0

-0.05

-0.1
0 1 2 3 4 5 6 7
Time (sec)

III.2 Bộ điều khiển PID
Cấu trúc một hệ thống điều khiển PID như hình sau:

Hình 5.4 – Sơ đồ khối hệ điều khiển PID
K K s 2 + K Ps + K I
Trong đó hàm truyền của khâu PID là: K P + I + K D s = D
s s
với: KP là độ lợi của khâu tỉ lệ (Proportional gain)
KI là độ lợi của khâu tích phân (Integral gain)
KD là độ lợi khâu vi phân (Derivative gain)

Việc hiệu chỉnh phù hợp 3 thông số KP, KI và KD sẽ làm tăng chất lượng
điều khiển. Ảnh hưởng của 3 thông số này lên hệ thống như sau:

Đ. ứng vòng kín T. gian tăng Vọt lố T. gian quá độ Sai số xác lập
(C.L. response) (Rise time) (Overshoot) (Settling time) (Steady-state err.)

KP Giảm Tă ng Ít thay đổI Tă ng
KI Giảm Tăng Tăng Không xác định
KD Ít thay đổi Giảm Giảm Thay đổi ít

© TcAD - 2003 42


Step Response
1.5

Overshoot
1.05
1
0.95
0.90
S-S error

0.5 settling time

rise time
0.1
0
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
Time (sec)

Bộ điều khiển tỉ lệ P:

Hình 5.5 – Bộ điều khiển tỉ lệ P

Thực hiện trong Matlab: Ta có hàm truyền của motor DC như III.1. :
>>J=0.01;
>>b=0.1;
>>K=0.01;
>>R=1;
>>L=0.5;
>>num=K;
>>den=[(J*L) ((J*R)+(L*b)) ((b*R)+K^2)];

Khi thêm vào khâu tỉ lệ P, ta có hàm truyền vòng hở:

>>Kp=100;
>>numa=Kp*num;
>>dena=den;

Xác định hàm truyền vòng kín của hệ thống ta dùng lệnh cloop:
>>[numac,denac]=cloop(numa,dena)

© TcAD - 2003 43


Đáp ứng Step vòng kín của bộ điều khiển tỉ lệ như sau:
>>t=0:0.01:2;
>>step(numac,denac)

Step Response
1.4

1.2

1

Amplitude
0.8

0.6

0.4

0.2

0
0 0.5 1 1.5 2

Time (sec)

Sinh viên hãy so sánh với đáp ứng của hệ khi chưa có bộ điều khiển tỉ
lệ, ở câu III.1. (lưu ý đến các thông số: thời gian lên, độ vọt lố, thời
gian quá độ).
Tương tự, sinh viên hãy so sánh với đáp ứng xung.

Bộ điều khiển Vi tích phân tỉ lệ PID:

Hình 5.6 – Bộ điều khiển PID

Khi thêm bộ điều khiển PID, hàm truyền hở của hệ thống là:

>>Kp=100;
>>Ki=1;
>>Kd=1;
>>numc=[Kd, Kp, Ki];
>>denc=[1 0];
>>numa=conv(num,numc); % tích chập tử số
>>dena=conv(den,denc); % tích chập mẫu số

Hàm truyền vòng kín hồi tiếp âm đơn vị:

© TcAD - 2003 44


>>[numac,denac]=cloop(numa,dena);

Đáp ứng Step của hệ điều khiển PID:
>>step(numac,denac)

Sinh viên so sánh với đáp ứng của bộ điều khiển tỉ lệ P ở câu , nhận
xét.
Dựa vào bảng tổng kết ảnh hưởng của KP, KD và KI đối với hệ thống
điều khiển, sinh viên hãy thay đổi 3 thông số này và kiểm chứng đáp
ứng của hệ thống.

Step Response
1

0.8
Amplitude

0.6

0.4

0.2

0
0 50 100 150 200 250 300 350
Time (sec)
III.3 Hiệu chỉnh thông số của bộ điều khiển PID
Một phương pháp cổ điển nhưng đơn giản và hiệu quả để chỉnh định 3
thông số KP, KI và KD của bộ điều khiển PID là phương pháp Ziegler-
Nichols (Ziegler Nichols Tuning Method). Thủ tục chỉnh định như sau:
1. Chỉ điều khiển hệ thống bằng bộ điều khiển tỉ lệ KP (đặt KI=KD=0).
2. Tăng KP đến giá trị KC mà ở đó hệ thống bắt đầu bất ổn (bắt đầu xuất
hiện sự giao động - điểm cực của hàm truyền kín nằm trên trục ảo jϖ).
Xác định tần số ϖc của giao động vừa đạt.
Từ 2 giá trị KC và ϖc vừa đạt, các thông số số KP, KI và KD được xác
định như bảng sau:

Bộ điều khiển KP KI KD
P (tỉ lệ) 0.5 KC
PI (tích phân tỉ lệ) 0.45 KC 0.191KPϖc
PID (vi tích phân tỉ lệ) 0.6 KC 0.318KPϖc 0.785KP/ϖc
PID với một ít vọt lố 0.33 KC 0.318KPϖc 2.07KP/ϖc
PID không vọt lố 0.2 KC 0.53KPϖc 3.14KP/ϖc

3. Tinh chỉnh lại 3 thông số này để đạt được đáp ứng như mong muốn.

Ví dụ: Giả sử cần thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống sau:

© TcAD - 2003 45


Bước 1: Điều khiển hệ thống chỉ với bộ điều khiển tỉ lệ:

Bước 2: Xác định KC và ϖc mà ở đó hệ thống bắt đầu giao động -
dùng hàm rlocus của Matlab (sinh viên nên lưu thành file .m hoặc thao
tác trong Matlab Editor sau đó copy và dán vào Workspace cả đoạn lệnh
để dễ dàng cho việc hiệu chỉnh các thông số ở phần sau):
>>close all
>>num=5;
>>den=[1 10 100 0];
>>[numc,denc]=cloop(num,den);
>>htkin=tf(numc,denc) % ham truyen vong kin
>>rlocus(htkin); %ve qui dao nghiem
>> axis([-10 10 -15 15])

Root Locus
15

10

5
Imag Axis

0

-5

-10

-15
-10 -5 0 5 10
Real Axis

Xác định Kc và ϖc bằng hàm rlocfind:
>>[Kc,Omegac] = rlocfind(htkin)
Nhấp chuột vào điểm giao nhau giữa quĩ đạo nghiệm và trục ảo của đồ
thị, trong WorkSpace ta được:
Kc =
199.5793
Omegac =
-10.0145
0.0072 +10.0072i
0.0072 - 10.0072i

© TcAD - 2003 46


Như vậy ta được KC=200 và ϖc = 10. Suy ra thông số của bộ điều khiển
PID:
KP = 0.6KC = 120
KI = 0.318KPϖc = 381.6
KD = 0.785KP/ϖc = 9.4
Thử đáp ứng của hệ:
>>Kp=120; Ki=381.5; Kd=9.4;
>>numc=[Kd, Kp, Ki];
>>denc=[1 0]; % ham truyen cua PID
>>[numac,denac]=cloop(conv(num,numc),conv(den,denc))
>>step(numac,denac)

Bước 3: Thực hiện tương tự như III.2. , sinh viên hãy điều chỉnh một
lượng nhỏ 3 thông số KP, KD và KI để được đáp ứng tốt hơn.
Step Response
1.5

1
Amplitude

0.5

0
0 0.5 1 1.5 2 2.5
T im e (sec)

Sinh viên hãy thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống sau:

IV. Tự chọn
Sinh viên hãy thiết kế bộ điều khiển Vi phân tỉ lệ (Proportional-
Derivative controller):

Sinh viên hãy thiết kế bộ điều khiển Tích phân tỉ lệ (Proportional-
Integral controller):

© TcAD - 2003 47


Bài 6

TẠO GIAO DIỆN TRONG MATLAB
I. Mục tiêu
Bài thí nghiệm này trang bị cho sinh viên một số kiến thức cơ bản để xây
dựng giao diện người dùng trong môi trường Matlab, nhằm hoàn thiện
một chương trình ứng dụng nhất định.

II. Tham khảo
(trang 328-344).

III. Thực hành
Cũng như các ngôn ngữ cấp cao khác, Matlab hổ trợ nhiều công cụ chức
năng cho phép lập trình tạo giao diện sử dụng đẹp và nhanh chóng. Ví
dụ, các dạng nút ấn, cửa sổ soạn thảo, các dạng menu, … như hình 6.1.

Hình 6.1 – Các công cụ hổ trợ giao diện

Trong bài thí nghiệm này, sinh viên lần lượt thực hiện các bước được
nêu ra để được một giao diện đơn giản như hình vẽ 6.2. Trong mỗi bước
thực hành, sinh viên hãy quan sát kỹ đáp ứng của chương trình, từ đó tự
mình rút ra kinh nghiệm về việc điều chỉnh các thuộc tính đồ hoạ của
Matlab.

© TcAD - 2003 49


Tạo cửa sổ chính figure – ‘Welcome to User Interface’s Giude’ theo
cách sau:
Mở Matlab Editor
Nhập nội dung sau:

% User Interface's Guide
%
% Matlab Experiments 2003
% TcAD, CIT, Cantho University

% ----------------------------------------------------------------------------------
% Initialize whole figure...
namefig = 'Welcome to User Interface''s Guide';
figpos = get(0,'DefaultFigurePosition'); % lay vi tri mac nhien
figpos(1)= figpos(1)-10; figpos(2)= figpos(2)-10;
figpos(3)= figpos(3)+10; figpos(4)= figpos(4)+10;

% Tao figure
fig=figure( ...
'Name', namefig, ...
'NumberTitle','off', ...
'Position',figpos);

Hình 6.2 – Một giao diện đơn giản

© TcAD - 2003 50


Lưu thành file giaodien.m
>>giaodien < > % thi hanh

Quan sát kết quả trên hình 6.3 (Lưu ý các thuộc tính: Name, Position)

(Hình 6.3)

>>set(fig) % xem thuộc tính của figure trong cửa sổ lệnh

Thêm vào figure một axes cho phép hiển thị đồ họa:
Nhập tiếp nội dung sau vào file giaodien.m

% --------------------------------------------------------------------------------
% main axes
axs=axes('Position',[0.05 0.4 0.65 0.55]);

Lưu và thi hành file này.

(Hình 6.4)

Hiển thị dòng ‘Matlab Experiments’ bên dưới axes:

% --------------------------------------------------------------------------------
% text
txtpos=[10 50 425 50];
txt=uicontrol(...
'Style','text',...
'BackgroundColor',[0.8 0.8 0.8],...
'ForegroundColor',[0.4 0.5 0.3],...
'String','Matlab Experiments',...

© TcAD - 2003 51


'Position',txtpos,...
'Fontname','Courier',...
'FontWeight','Bold',...
'FontSize',26);


(Hình 6.5)

Tạo một frame có shadow bên phải figure để đặt các nút chức năng:

% --------------------------------------------------------------------------------
% Console frames
p1=0.755; p2=0.05; p3=0.2; p4=0.90;
frm1pos = [p1 p2 p3 p4];
frm2pos = [p1-0.005 p2+0.005 p3 p4];

% shadow frame
frm1=uicontrol( ...
'Style','frame', ...
'Units','normalized', ...
'Position',frm1pos, ...
'BackgroundColor',[0.4 0.4 0.4]);

% main frame
frm2=uicontrol( ...
'Style','frame', ...
'Position',frm2pos, ...

© TcAD - 2003 52


'BackgroundColor',[0.65 0.65 0.65]);


(Hình 6.6)

Tạo nút ‘Close’ có chức năng đóng cửa sổ figure hiện hành:

% ----------------------------------------------------------------------------------
% Close button
closeHndl=uicontrol(...
'Style','pushbutton', ...
'Position',[p1+0.01 p2+0.05 p3-0.025 0.05], ...
'String','Close', ...
'Foregroundcolor','b',...
'Fontsize',9,...
'Callback','close');


Vấn đề quan trọng nhất đối với một nút chức năng là thi hành công việc
tương ứng khi người sử dụng thao tác. Thuộc tính ‘CallBack’ cho phép:
thi hành một lệnh của Matlab dưới dạng chuỗi (bao gồm lệnh gọi hàm,
script file, biểu thức toán, …). Sinh viên thử thay lệnh close bằng một
lệnh khác, chẳng hạn demos và quan sát đáp ứng.

© TcAD - 2003 53


Tạo nút Sphere để vẽ một hình cầu 3D:

% ----------------------------------------------------------------------------------
% Sphere button

sph=uicontrol( ...
'Position',[p1+0.01 p4-0.05 p3-0.025 0.05], ...
'String','Sphere', ...
'Fontsize',9,...
'Callback',['[x,y,z]=sphere(35);', 'surfl(x,y,z);', 'axis equal']);


(Hình 6.7)

Tạo nút Picture để hiển thị ảnh màu:

% ----------------------------------------------------------------------------------
% Picture button
pic=uicontrol( ...
'Position',[p1+0.01 p4-0.125 p3-0.025 0.05], ...
'String','Picture', ...
'Fontsize',9,...
'Callback',['imshow(imread(''flowers.tif''))']);

© TcAD - 2003 54



(Hình 6.8)

Sinh viên lưu ý cách biểu diễn nhiều lệnh ở dạng chuỗi cho ‘CallBack’.
Trong trường hợp có quá nhiều lệnh phục vụ chức năng này, ta nên đưa
chúng vào một script file hoặc một hàm khác. Ngoài ra, nếu ta tạo giao
diện dưới dạng một hàm (function) thì thuộc tính ‘CallBack’ cho phép
gọi một hàm con được viết ngay trong file này.
Sinh viên hãy tạo thêm nút ‘About’ sao cho khi người sử dụng ấn nút sẽ
mở cửa sổ mới nằm ngay giữa màn hình 6.9.

(Hình 6.9)

IV. Tự chọn
Sinh viên hãy xem một số file tạo giao diện demo của các toolbox trong
Matlab chẳng hạn: graf3d.m trong toolboxmatlabdemos, để tham
khảo cách xây dựng giao diện theo dạng hàm. Với cách này, thuộc tính
‘CallBack’ trong ‘uicontrol’ cho phép gọi trực tiếp một hàm mà hàm đó
được xây dựng ngay trong file giao diện (nghĩa là không cần tạo một file
*.m khác phục vụ cho ‘CallBack’).

© TcAD - 2003 55


BÀI 7

THIẾT KẾ – MÔ PHỎNG MẠCH VÀ
VẼ MẠCH IN
I. Mục tiêu
Giúp sinh viên bước đầu làm quen với các phần mềm sau: Multisim
V6.20 (Electronics WorkBench) dùng để mô phỏng các mạch tương tự
và mạch số; OrCAD Release 9 dùng để vẽ Schematic, mô phỏng và vẽ
mạch in (PCB).

II. Tham khảo
[1]. OrCAD® Inc., User’s Guide - Capture, 1998.
[2]. OrCAD® Inc., User’s Guide - Layout, 1998.
[3]. http://www.electronicsworkbench.com/tutorial/
[4]. http://www.rit.edu/~labeee/

III. Thực hành
Mặc dù Multisim và OrCAD/Pspice là các phần mềm rất lớn với nhiều
tính năng áp dụng mạnh và phức tạp, nhưng sinh viên chuyên ngành
Điện tử hoàn toàn có thể tự nghiên cứu được. Do đó, bài thí nghiệm này
là không bắt buộc đối với tất cả sinh viên (đặc biệt là sinh viên Tin học,
nếu có).
Trong trường hợp sinh viên không chọn bài thí nghiệm này thì có thể
chọn Control System Toolbox (đối với sinh viên ĐKTĐ) hoặc
Communications Toolbox (đối với sinh viên Viễn Thông) hoặc Image
Processing Toolbox (đối với sinh viên Tin học) của MATLAB để khảo
sát.
Bài thí nghiệm này tương đối dài, sinh viên cần sắp xếp thời gian hợp lý
để thực hiện các công việc sau:
III.1 Multisim
Trong phần này, chúng ta sẽ làm quen với Multisim 6.20 (hiện đã có
Multisim 2001 hoàn thiện hơn), đây là Version mới của Electronics
WorkBench 5.x, nó cho phép sử dụng kết hợp thư viện linh kiện Analog
và Digital với nhiều công cụ thân thiện, hổ trợ tuyệt vời cho việc mô
phỏng các mạch điện tử.

Khởi động Multisim:

© TcAD - 2003 57


Chạy file Multisim.exe từ Start menu của Windows

Nhấp vào biểu tượng trên Desktop.

Sinh viên hãy nhấp chuột vào các thư viện linh kiện của Multisim trên
Menu bên trái của cửa sổ chính để có cái nhìn tổng quát về các linh kiện
chức năng.
Khi muốn đặt linh kiện nào vào không gian thiết kế, chỉ cần nhấp
chuột vào linh kiện đó, rồi chọn thông số phù hợp và đặt vào vị trí
mong muốn.
Để tạo một kết nối giữa 2 điểm, chỉ cần nhấp chuột vào điểm thứ nhất
rồi kéo đến điểm thứ hai và nhấp chuột lần nữa.

Hình 7.1 – Giao diện chính của MultiSIM

Sinh viên hãy vẽ và mô phỏng mạch điện sau:

Hình 7.2 – Một mạch điện điển hình

© TcAD - 2003 58


Dùng Osilsoscope quan sát dạng tín hiệu ở chân 2-6 và chân 3 của
LM555.
Hãy ước lượng tần số giao động và chu kỳ thao tác của mạch.
Kinh nghiệm: Đôi lúc Multisim đưa ra bảng thông báo lỗi trong quá trình
mô phỏng hay hiệu chỉnh thông số của các linh kiện. Trường hợp đó, ta
gở bỏ khối Osilloscope, hiệu chỉnh và mô phỏng vài lần rồi gắn
Osilloscope trở lại để quan sát dạng tín hiệu. Ngoài ra, nếu trong mạch
có sử dụng các IC số (74xxx, 40xxx, …) ta phải có nguồn Vcc=5V như
hình vẽ trên.
III.2 OrCAD
Các chức năng chính của OrCad gồm: Vẽ sơ đồ mạch (OrCAD Capture),
mô phỏng mạch (OrCAD Pspice) và vẽ mạch in (OrCAD Layout). Tuy
nhiên, trong phần thí nghiệm này chúng ta không đề cập đến OrCAD
Pspice (đây là một trong những chức năng rất mạnh của OrCAD phiên
bản 9.0 trở lên, đề nghị sinh viên tự nghiên cứu).

III.2.1 Vẽ sơ đồ mạch (Schematic)
Khởi động OrCAD Capture bằng một trong các cách sau:
Chọn Capture CIS từ Start Menu của Window

Nhấp vào biểu tượng trên desktop

Để tạo một Project mới cho việc vẽ sơ đồ mạch ta thực hiện:
Chọn File → New Project… hoặc nhấp vào icon trên Menu bar

Khi hộp thoại ‘New Project’ xuất hiện: Chọn ‘Schematic’ và đặt tên
project trong menu ‘Name’ (giả sử là BaiTN7). Có thể chọn thư mục
lưu project này trong menu ‘Location’.

Môi trường vẽ mạch xuất hiện khi ta nhấp đúp vào ‘PAGE1’ (hình 7.3).
Từ đây ta lần lượt đặt các linh kiện vào và kết nối để được sơ đồ mong
muốn.

© TcAD - 2003 59


Hình 7.3 – Môi trường vẽ mạch điện của OrCAD

Sử dụng Menu tắt sau:

(Hình 7.4)
Sinh viên hãy vẽ sơ đồ mạch như hình sau. Trong đó các thư viện linh
kiện được sử dụng như sau:
Discrete: R, Capacitor Pol, Capacitor Non-Pol, Resistor Var, Photo
PNP và Speaker.
Opamp: TL082
Amplifier: LM386
Lưu Schematic vừa vẽ với tên BaiTN7.
+9V -9V +9V +9V

R3 10K

R1 C3 C4 C5
220
U1A U2 .1 .1 .1
4

6
1

C1 R2 TL082 LM386
2 3 C2
+

-
+
1 7 5
+

3 .1 1K 3 + 2 0
-
1

Q1 220 uF
1
VR 2 LS1
8

4
8

10K

TcAD +9V
SPEAKER
3

0

(Hình 7.5)

© TcAD - 2003 60


III.2.2 Tạo Netlist
Sau khi lưu sơ đồ vừa vẽ, để tạo Netlist phục vụ cho việc vẽ mạch in ta
thực hiện như sau:
Đóng cửa sổ ‘Schematic1:Page1’, quay về Project Management
‘BaiTN7’

(Hình 7.6)
Chọn Tools – Annotate… để đánh số thứ tự cho linh kiện.
Chọn Tool – Create Netlist…. để tạo Netlist.
Khi cửa sổ ‘Create Netlist’ xuất hiện, ta chọn layout Tab (file dữ liệu
netlist là BaiTN7.MNL), OK.
Nếu đảm bảo rằng có file BaiTN7.MNL trong thư mục hiện hành thì
thoát khỏi OrCAD Capture để chuẩn bị cho việc vẽ mạch in.

Lưu ý: Trong phần trên chúng ta không đề cập đến chức năng Kiểm tra
mạch của OrCAD và một số chức năng hổ trợ khác.
III.2.3 Vẽ mạch in (Printed Circuit Board-PCB)
Khởi động OrCAD Layout bằng một trong các cách sau:
Chọn Layout Plus trong Start Menu của Window

Nhấp vào biểu tượng trên desktop.

Chọn File → New để tạo một PCB layout mới
Sau thao tác này, cửa sổ ‘Load Template File’ xuất hiện, ta cần đặt
đường dẫn chỉ đến file DEFAULT.tch trong
OrCAD/Layout_plus/DATA. Sau đó thực hiện nạp file Netlist vừa tạo ở
bước III.3.2 (ví dụ: BaiTN7.MNL).
Đặt footprint cho các linh kiện:
Nếu trong quá trình vẽ Schematic ta không chọn footprint cho các linh
kiện mỗi khi đặt vào thì ở bước này OrCAD sẽ yêu cầu chọn kiểu chân
cho các linh kiện theo menu sau:

© TcAD - 2003 61


(Hình 7.7)

Nhấp vào menu ‘Link existing footprint to component …’, chọn lựa
kiểu chân phù hợp cho từng loại linh kiện. Ở bước này, kiểu chân linh
kiện cần chọn đúng kích thước (có thể phải tạo các footprint mới). Đối
với bài thí nghiệm này, sinh viên có thể tham khảo bảng sau:

Linh kiện Footprint Thư viện
R Jumper600 JUMPER
C CPCYL1/D.200/LS.100/.031 TM_CAP_P
Photo NPN TO92 TO
TL082, LM386 DIP.100/8/W.300/LS.100/.425 DIP100T
VR VRES1 VRES
Speaker CYL/D.150/LS.100/.31 TM_CYLND

Sắp xếp linh kiện: Quan sát menu bar, chọn chức năng thích hợp và sắp
xếp các linh kiện trên board mạch. Ở bước này, nếu cần thiết ta có thể
đưa vào thêm các linh kiện mới, chẳng hạn các lỗ (hold) để bắt ốc cho
board mạch.

© TcAD - 2003 62


(Hình 7.8)
Đặt kích thước các đường mạch và khai báo số lớp:
Chọn Options → Global Spacing … để đặt khoảng cách giữa Track, Via
và Pad:

(Hình 7.9)
Chọn Options → Jumper Settings …, OK hoặc View SpreadSheet →
Layer để báo số lớp vẽ. Trong bài thí nghiệm này, ta vẽ board mạch 2
lớp, nên chỉ có TOP và BOTTOM là Routing.

(Hình 7.10)
Chọn View SpreadSheet → Nets để đặt kích thước các đường mạch:

© TcAD - 2003 63


(Hình 7.11)

Vẽ mạch: OrCAD hổ trợ nhiều nhiều chiến lược vẽ mạch. Để khai thác
tốt các chiến lược này đòi hỏi phải có một số kinh nghiệm nhất định.
Thông thường, người ta hay vẽ các đường Nguồn – Mass với các tụ lọc
nguồn thích hợp trước, sau đó thực hiện vẽ tự động từng phần và cuối
cùng kết nối các phần vừa vẽ. Nên nhớ rằng, chế độ vẽ tự động chỉ giúp
giảm thời gian, không có phần mềm nào vẽ mạch tự động tốt hơn tư duy
của con người.

(Hình 7.12)
Một số thông số cần lưu ý (áp dụng cho các sinh viên vẽ và thuê gia công
mạch Luận văn tốt nghiệp tại một số cơ sở ở Tp. HCM):
Đường kính tối thiểu của các lỗ chân cắm và các via xuyên mạch: 55
mils (1000 mils=1 inches). Các lỗ chân linh kiện nên đặt thành hình
oval.
Độ rộng tối thiểu của các đường mạch (track width): 15 mils (hiện nay
tại Tp. HCM một số công ty có thể thực hiện mạch với độ rộng đường
6 mils).
Khoảng cách Track to Track nên >15 mils
Để có thể vẽ xuyên qua giữa 2 chân IC, phải đặt khoảng cách Track
to Pad thích hợp, nên 12 ÷ 15 mils.

IV. TỰ chỌn
Tự thiết kế và mô phỏng một mạch điện tử bằng Multsim
Vẽ mạch in cho mạch vừa thiết kế bằng OrCAD.

© TcAD - 2003 64


Nguyễn Chí Ngôn, ThS., Giảng viên
Bộ môn Viễn Thông - Tự động hóa
Khoa Công nghệ Thông tin, Đại học Cần thơ
Email: ncngon@ctu.edu.vn
Mobile Tel: 0913199766

© TcAD - 2003 65

Cach su dung matlab

More Related Content

What's hot (20)

Viewers also liked (20)

Similar to Cach su dung matlab (20)

Cach su dung matlab