Giáo trình Tin học Kỹ thuật HUTECH - MATLAB, GUI, Simulink và Toolboxes

• Tác giả: ThS. Phạm Hùng Kim Khánh
• Trường học: Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Tin học kỹ thuật
• Đề tài: Tin học kỹ thuật
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình tin học kỹ thuật HUTECH

Giáo trình tin học kỹ thuật HUTECH là tài liệu học tập chính thức do ThS. Phạm Hùng Kim Khánh biên soạn, xuất bản năm 2019 bởi Đại học Công nghệ TP.HCM. Đây là môn học cơ sở dành cho sinh viên ngành Kỹ thuật, cung cấp nền tảng vững chắc về lập trình và ứng dụng công nghệ thông tin trong kỹ thuật. Nội dung giáo trình bao gồm năm bài học chính, bắt đầu từ cơ sở về MATLAB, tiếp theo là giao diện đồ họa GUI, các hàm toán học, mô phỏng hệ thống bằng Simulink và các toolbox hỗ trợ. Môn học yêu cầu sinh viên có kiến thức tiền đề về tin học cơ bản. Phương pháp đánh giá gồm 50% điểm quá trình và 50% điểm thi thực hành trong 90 phút. Giáo trình được thiết kế theo hướng ứng dụng thực tiễn, giúp sinh viên nắm vững công cụ MATLAB phục vụ cho các bài toán kỹ thuật phức tạp trong quá trình học tập và nghiên cứu sau này.

1.1. Mục tiêu và đối tượng của giáo trình

Giáo trình tin học kỹ thuật HUTECH hướng đến đối tượng chính là sinh viên các ngành kỹ thuật tại trường. Mục tiêu cung cấp kiến thức nền tảng về MATLAB, thiết kế giao diện đồ họa và các công cụ mô phỏng hệ thống. Sinh viên cần có kiến thức tiền đề về tin học cơ bản trước khi tiếp cận môn học. Giáo trình yêu cầu học viên tham dự đầy đủ các buổi lên lớp, hoàn thành bài tập tại nhà. Cách tiếp cận nội dung khuyến khích đọc trước bài mới, ôn tập bài đã học và tìm hiểu thêm thông tin liên quan đến từng chủ đề cụ thể trong chương trình đào tạo.

1.2. Cấu trúc tổng thể của giáo trình

Giáo trình gồm năm bài học được sắp xếp logic từ cơ bản đến nâng cao. Bài 1 giới thiệu cơ sở về MATLAB gồm các phép toán, lệnh thường dùng, lập trình và đồ họa. Bài 2 trình bày giao diện đồ họa GUI. Bài 3 tập trung vào các hàm toán học bao gồm đạo hàm, vi phân, giải phương trình. Bài 4 hướng dẫn mô phỏng hệ thống bằng Simulink với các mô hình liên tục và phi tuyến. Bài 5 giới thiệu các toolbox hỗ trợ như Control System Toolbox phục vụ thiết kế hệ thống điều khiển. Mỗi bài đều có câu hỏi ôn tập để củng cố kiến thức.

II. Phân tích nội dung chính giáo trình tin học kỹ thuật

Nội dung giáo trình tin học kỹ thuật HUTECH được phân bổ thành các chủ đề trọng tâm. Bài 1 về cơ sở MATLAB chiếm phần lớn nội dung, bao gồm các phép toán cơ bản, toán tử, lệnh thường dùng trong môi trường dòng lệnh. Sinh viên học cách lưu biến vào file, lấy nội dung biến từ file và lập trình trong MATLAB. Phần tạo hình vẽ rất chi tiết với nhiều loại đồ thị: đường vẽ 2D, đường cong 3D, vẽ với hai trục y, đồ hoạ đặc biệt. Bài 2 về GUI giúp sinh viên hiểu các đối tượng đồ hoạ và viết mã lệnh trong file giao diện. Bài 3 xử lý các hàm toán học nâng cao gồm đạo hàm, vi phân, hàm ngược, giải phương trình và hệ phương trình. Bài 4 mô phỏng hệ thống bằng Simulink với nhiều loại mô hình từ đơn giản đến phức tạp.

2.1. Phần cơ sở MATLAB và lập trình

Phần cơ sở MATLAB trong giáo trình HUTECH bao gồm nhiều nội dung thiết yếu. Các phép toán và toán tử được giới thiệu đầu tiên, tiếp theo là các lệnh thường dùng trong cửa sổ lệnh. Sinh viên học cách lưu biến vào file.mat và truy xuất nội dung biến từ file. Phần lập trình trong MATLAB trình bày script file và function file. Script file chứa các lệnh thực thi tuần tự như ví dụ tạo dãy Fibonacci. Function file có định nghĩa hàm với đối số vào ra, dòng trợ giúp và thân hàm. Biến trong hàm là biến địa phương, muốn chia sẻ cần khai báo global.

2.2. Phần đồ họa và mô phỏng hệ thống

Phần đồ họa trong giáo trình rất phong phú với nhiều kỹ thuật vẽ. Sinh viên học tạo hình vẽ cơ bản, thiết lập kiểu đường vẽ, vẽ đồ thị với hai trục y và đường cong 3D. Các kỹ thuật nâng cao bao gồm vẽ nhiều trục toạ độ, đặt thông số cho trục, giới hạn trục, chia vạch và ghi nhãn. Đồ hoạ đặc biệt mở rộng khả năng trực quan dữ liệu. Phần mô phỏng Simulink hướng dẫn mô hình hoá phương trình vi phân, hệ phương trình tuyến tính, hệ liên tục và phi tuyến. Sinh viên còn học tạo hệ thống con và làm việc với tín hiệu phức trong môi trường Simulink.

III. Phương pháp học tập giáo trình tin học kỹ thuật hiệu quả

Để học tốt giáo trình tin học kỹ thuật HUTECH, sinh viên cần áp dụng phương pháp học tập chủ động và có hệ thống. Trước mỗi buổi học, người học đọc trước mục tiêu và tóm tắt bài học để nắm tổng thể nội dung. Trong quá trình đọc nội dung bài học, sinh viên thực hành song song trên phần mềm MATLAB để củng cố lý thuyết. Kết thúc mỗi phần lý thuyết, việc trả lời câu hỏi ôn tập giúp đánh giá mức độ hiểu bài. Cuối mỗi bài học, sinh viên hoàn thành đầy đủ các bài tập thực hành. Giáo trình cung cấp nhiều ví dụ cụ thể như tạo dãy Fibonacci, vẽ hàm số trong tọa độ cực, giải phương trình bậc hai. Việc xây dựng hàm riêng như gptb2 hay vdcongdb giúp rèn luyện kỹ năng lập trình. Ôn tập thường xuyên và tìm hiểu thêm tài liệu tham khảo là yếu tố quan trọng để đạt kết quả cao.

3.1. Chiến lược tiếp cận từng bài học

Chiến lược học từng bài trong giáo trình HUTECH tuân theo trình tự rõ ràng. Bước đầu đọc mục tiêu bài học để xác định kiến thức cần đạt được. Tiếp theo đọc tóm tắt bài để có cái nhìn tổng quan. Khi đọc nội dung chi tiết, sinh viên ghi chú các lệnh quan trọng và thực hành ngay trên MATLAB. Mỗi ý trong bài học đều có câu hỏi ôn tập đi kèm, sinh viên nên trả lời ngay để kiểm tra hiểu biết. Cuối bài là các bài tập tổng hợp đòi hỏi vận dụng nhiều kiến thức. Cách học này đảm bảo tiếp thu kiến thức từ cơ bản đến nâng cao một cách có hệ thống.

3.2. Thực hành và ứng dụng vào bài tập

Thực hành là phần không thể thiếu khi học giáo trình tin học kỹ thuật. Sinh viên cần dành thời gian gõ lại các ví dụ trong sách để hiểu cách hoạt động của từng lệnh MATLAB. Các bài tập cuối bài như lấy dòng ma trận, tính tổng phần tử, vẽ hàm số cực yêu cầu kết hợp nhiều kỹ năng. Việc xây dựng hàm mới như hàm giải phương trình bậc hai giúp hiểu cấu trúc function file. Bài tập vẽ đường Becnulli, Astroit và xoắn ốc trong hệ toạ độ cực đòi hỏi kỹ năng lập trình nâng cao. Sinh viên nên thử nghiệm tham số khác nhau để khám phá thêm ứng dụng của các hàm đã học.

IV. Ứng dụng thực tế và giá trị giáo trình HUTECH

Giáo trình tin học kỹ thuật HUTECH mang lại giá trị thực tiễn cao cho sinh viên kỹ thuật. Kiến thức MATLAB được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như xử lý tín hiệu, điều khiển tự động, mô phỏng hệ thống và phân tích dữ liệu. Các toolbox hỗ trợ trong giáo trình như Control System Toolbox giúp sinh viên thiết kế bộ điều khiển PID, phân tích đáp ứng tần số và độ ổn định hệ thống. Phần Simulink cho phép mô hình hoá hệ thống vật lý thực như mạch điện, hệ cơ khí và hệ thống điều khiển công nghiệp. Kiến thức về giao diện GUI giúp sinh viên xây dựng ứng dụng có giao diện thân thiện người dùng. Giáo trình cũng giới thiệu các từ viết tắt kỹ thuật quan trọng như AWGN, BPSK, BER phục vụ lĩnh vực truyền thông số. Nền tảng từ giáo trình này giúp sinh viên tự tin tham gia các dự án nghiên cứu, đồ án tốt nghiệp và đáp ứng yêu cầu công việc trong ngành kỹ thuật hiện đại.

4.1. Ứng dụng trong lĩnh vực kỹ thuật

MATLAB và Simulink từ giáo trình HUTECH được ứng dụng rộng rãi trong ngành kỹ thuật. Trong xử lý tín hiệu, sinh viên sử dụng MATLAB để phân tích tín hiệu số, lọc nhiễu và điều chế. Lĩnh vực điều khiển tự động sử dụng Simulink để mô phỏng bộ điều khiển PID, phân tích đáp ứng động và thiết kế hệ thống ổn định. Truyền thông số áp dụng kiến thức về điều chế BPSK, CPFSK và tính toán tỷ số lỗi bit BER. Các kỹ năng lập trình GUI giúp xây dựng phần mềm giám sát và điều khiển có giao diện trực quan. Nền tảng này phục vụ hiệu quả cho đồ án tốt nghiệp và công việc thực tế.

4.2. Giá trị đào tạo và phát triển kỹ năng

Giáo trình tin học kỹ thuật HUTECH mang lại nhiều giá trị đào tạo cho sinh viên. Trước hết, sinh viên phát triển tư duy logic thông qua lập trình MATLAB và xây dựng hàm. Thứ hai, kỹ năng mô phỏng hệ thống bằng Simulink giúp hiểu sâu nguyên lý hoạt động của các hệ thống kỹ thuật. Thứ ba, khả năng trực quan hoá dữ liệu qua đồ họa MATLAB hỗ trợ phân tích và trình bày kết quả nghiên cứu. Thứ tư, kiến thức về toolbox điều khiển mở ra cơ hội nghề nghiệp trong ngành tự động hóa. Cuối cùng, phương pháp học tập có hệ thống trong giáo trình rèn luyện thói quen tự học và nghiên cứu khoa học cho sinh viên.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM TIN HỌC KỸ THUẬT Biên soạn: ThS. Phạm Hùng Kim Khánh Tin học kỹ thuật Ấn bản 2019 MỤC LỤC I MỤC LỤC MỤC LỤC . IV CÁC TỪ VIẾT TẮT . VI BÀI 1: CƠ SỞ VỀ MATLAB .1 Các phép toán và toán tử.3 Các lệnh thường dùng .4 Lưu biến vào file và lấy nội dung biến từ file .7 Lập trình trong MatLab .8 Các file và hàm .2 Tạo hình vẽ .3 Kiểu đường vẽ .4 Vẽ với hai trục y.5 Vẽ đường cong 3D .6 Vẽ nhiều trục toạ độ .7 Đặt các thông số cho trục .8 Giới hạn của trục và chia vạch trên trục .9 Ghi nhãn lên các trục toạ độ .10 Đồ hoạ đặc biệt: . 38 CÂU HỎI ÔN TẬP . 38 BÀI 2: GIAO DIỆN ĐỒ HỌA -GUI (GRAPHIC USER INTERFACE) .2 Các đối tượng đồ hoạ.4 Viết mã lệnh trong file .5 Ví dụ tạo GUI . 51 CÂU HỎI ÔN TẬP .1 Đạo hàm và vi phân . 56 II MỤC LỤC 3.3 Hàm ngược .5 Định dạng biểu thức .6 Giải phương trình và hệ phương trình . 65 CÂU HỎI ÔN TẬP .1 Cơ sở về Simulink .2 Các thư viện khối .5 Làm việc với các loại dữ liệu.6 Làm việc với tín hiệu phức .7 Tạo hệ thống con .2 Mô hình hoá .1 Mô hình hoá một phương trình.2 Mô hình hoá hệ phương trình tuyến tính .3 Giải phương trình bậc cao: .4 Mô hình hoá hệ thống liên tục đơn giản.5 Mô hình hoá hệ phương trình vi phân bậc cao .6 Mô hình hoá hệ có điều kiện đầu khác không .7 Mô hình hóa hệ cho bởi sơ đồ khối .8 Mô hình hoá hệ phi tuyến . 90 CÂU HỎI ÔN TẬP . 90 BÀI 5: CÁC TOOLBOX HỖ TRỢ .1 Mô hình hệ thống .2 Phân tích hệ thống . 178 MỤC LỤC III 5.4 Thiết kế hệ thống điều khiển dùng Control System Designer . 195 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 196 IV HƯỚNG DẪN HƯỚNG DẪN MÔ TẢ MÔN HỌC Tin học kỹ thuật là một trong những môn học cơ sở cho sinh viên ngành Kỹ thuật. Môn học giới thiệu về MatLab, thiết kế giao diện và các công cụ hỗ trợ. NỘI DUNG MÔN HỌC − Bài 1. Cơ sở về MatLab. Các toolbox hỗ trợ. KIẾN THỨC TIỀN ĐỀ Môn học Tin học kỹ thuật đòi hỏi sinh viên có nền tảng về Tin học cơ bản. YÊU CẦU MÔN HỌC Người học phải dự học đầy đủ các buổi lên lớp và làm bài tập đầy đủ ở nhà. CÁCH TIẾP NHẬN NỘI DUNG MÔN HỌC Để học tốt môn này, người học cần ôn tập các bài đã học, trả lời các câu hỏi và làm đầy đủ bài tập; đọc trước bài mới và tìm thêm các thông tin liên quan đến bài học. Đối với mỗi bài học, người học đọc trước mục tiêu và tóm tắt bài học, sau đó đọc nội dung bài học. Kết thúc mỗi ý của bài học, người đọc trả lời câu hỏi ôn tập và kết thúc toàn bộ bài học, người đọc làm các bài tập. PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ MÔN HỌC Môn học được đánh giá gồm: HƯỚNG DẪN V − Điểm quá trình: 50%. Hình thức và nội dung do giảng viên quyết định, phù hợp với quy chế đào tạo và tình hình thực tế tại nơi tổ chức học tập. Hình thức bài thi thực hành trong 90 phút. VI CÁC TỪ VIẾT TẮT CÁC TỪ VIẾT TẮT ADS-B - Automatic Dependent Surveillance-Broadcast AM – Amplitude Modulation: điều biên AWGN – Additive White Gaussian Noise: nhiễu trắng Gaussian cộng BER – Bit error rate: tỷ số lỗi bit BPSK – Binary Phase Shift Keying: điều chế pha nhị phân CPFSK – Continuous Phase Frequency Shift Keying: FSK pha liên tục CPM – Continuous Phase Modulation: điều chế pha liên tục CRC – Cyclic Redundancy Check: kiểm tra độ dư vòng DBPSK – Differential BPSK: BPSK vi phân FM – Frequency Modulation: điều tần FSK - Frequency Shift Keying GMSK – Gaussian Minimum-Shift Keying IMC – Internal Model Control: điều khiển mô hình nội LQG – Linear Quadratic Gaussian: Gauss tuyến tính bậc hai LTE – Long Term Evolution MIMO – Multiple Input Multiple Output OFDM - Orthogonal Frequency-Division Multiplexing: ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OQPSK – Offset QPSK OVSF - Orthogonal Variable Spreading Factor: hệ số trải biến trực giao PAM - Pulse Amplitude Modulation: điều biên xung PID - Proportional Integral Derivative: vi tích phân tỷ lệ PM – Phase Modulation: điều pha QAM – Quadrature Amplitude Modulation: điều chế biên độ vuông góc CÁC TỪ VIẾT TẮT VII QPSK - Quadature Phase Shift Keying: điều chế pha cầu phương SER – Symbol error rate: tỷ số lỗi symbol . BÀI 1: CƠ SỞ VỀ MATLAB 1 BÀI 1: CƠ SỞ VỀ MATLAB Sau khi học xong bài này, người học có thể: − Lập trình cơ bản trên MatLab − Hiểu các lệnh cơ bản, cách xây dựng và thực hiện hàm trên MatLab − Biết cách vẽ các đồ thị cơ bản 2D và 3D.1 GIỚI THIỆU MATLAB (Matrix laboratory) là phần mềm dùng để giải các bài toán kỹ thuật, đặc biệt là các bài toán liên quan đến ma trận. MATLAB cung cấp các toolboxes, tức các hàm mở rộng môi trường MATLAB để giải quyết các vấn đề đặc biệt như xử lý tín hiệu số, hệ thống điều khiển, mạng neuron, fuzzy logic, mô phỏng v. Để khởi động MATLAB ta nhấn đúp vào icon của nó trên màn hình. Cửa sổ biểu tượng của chương trình MatLab: Hình 1.1 – Cửa sổ khởi động của MatLab 2 BÀI 1: CƠ SỞ VỀ MATLAB • Cửa sổ làm việc của MatLab: Thư mục hiện hành Cửa sổ lệnh Các file có trong thư mục hiện hành Hình 1.2 – Cửa sổ làm việc của MatLab • Cửa sổ lệnh Command window: Là cửa sổ giao tiếp chính của Matlab, là nơi nhập giá trị các biến, hiển thị giá trị, tính toán giá trị của biểu thức, thực thi các hàm có sẵn trong thư viện (built- in function), hoặc các hàm do người dùng lập trình ra trong m-files. Các lệnh được nhập sau dấu nhắc ‘>> ‘và thực thi lệnh bằng phím Enter. Gõ các lệnh sau: A = pi/2; B = sin(A) B=1 • Cửa sổ Workspace: Là cửa sổ thể hiện tên các biến bạn sử dụng cùng với kích thước vùng nhớ (số bytes), kiểu dữ liệu (lớp), các biến được giải phóng sau mỗi lần tắt chương trình. Cửa sổ Workspace cho phép thay đổi giá trị của biến bằng cách nhấn phím chuột phải lên các biến và chọn Edit. Để mở chương trình soạn thảo trong MatLab, gõ lệnh: BÀI 1: CƠ SỞ VỀ MATLAB 3 edit Cửa sổ Editor sẽ hiện ra: Hình 1.3 – Cửa sổ Editor Sau đó nhập vào đoạn chương trình sau: % Chuong trinh trong M-file x= 0:pi/6:2*pi; y=sin(x); plot(x,y); Lưu chương trình với tên file plot_sin. Thực thi chương trình trên trong cửa sổ Command window bằng dòng lệnh sau plot_sin • Cửa sổ Editor: Là cửa sổ dùng để soạn thảo chương trình ứng dụng, được khởi động bằng lệnh edit trong Command Window. Chương trình soạn thảo trong cửa sổ edit có 2 dạng: + Dạng Script file : tập hợp các câu lệnh viết dưới dạng liệt kê, không có biến dữ liệu vào và biến ra. + Dạng function: có biến dữ liệu vào và biến ra. 4 BÀI 1: CƠ SỞ VỀ MATLAB 1.1 Các phép toán và toán tử Các phép toán: + , - , * , / , \ (chia trái) , ^ (mũ) , '(chuyển vị hay số phức liên hiệp). Các toán tử quan hệ : < , <= , > , >= , == , ~= Các toán tử logic : & , | (or) , ~ (not) Các hằng: pi 3.14159265 i số ảo j tương tự i eps sai số 2-52 realmin số thực nhỏ nhất 2-1022 realmax số thực lớn nhất 21023 inf vô cùng lớn NaN Not a number Ví dụ 1.1: Đoạn chương trình giải phương trình bậc 2: a= 1; b=-2; c=1; delta= b^2- 4*a*c; %Tinh delta x1=(-b + sqrt(delta))/(2*a) x2=(-b - sqrt(delta))/(2*a) Chú ý : + Các lệnh kết thúc bằng dấu chấm phẩy, Matlab sẽ không thể hiện kết quả trên màn hình. BÀI 1: CƠ SỞ VỀ MATLAB 5 + Các chú thích được đặt phía sau dấu %. + Trong quá trình nhập nếu các phần tử trên một hàng dài quá ta có thể xuống dòng bằng toán tử ba chấm (.2 Khai báo biến - Phân biệt chữ hoa và chữ thường. - Không cần phải khai báo kiểu biến. - Tên biến phải bắt đầu bằng ký tự và không được có khoảng trắng. - Không đặt tên trùng với các tên đặc biệt của MatLab. - Để khai báo biến toàn cục (sử dụng được trong tất cả chương trình con), phải dùng thêm từ khoá global phía trước.3 Các lệnh thường dùng help tên_hàm % tham khảo help của hàm lookfor ‘chuỗi’ %Tìm kiếm clc % Xoá màn hình clear tên_biến % Xoá biến clear all %Xoá tất cả các biến clf %Xoá figure save % Lưu biến vào file load % Lấy nội dung của biến từ file who % liệt kê các biến trong bộ nhớ whos % liệt kê chi tiết các biến trong bộ nhớ which what 1.4 Lưu biến vào file và lấy nội dung biến từ file Dùng lệnh save để lưu nội dung các biến trong MatLab vào file. 6 BÀI 1: CƠ SỞ VỀ MATLAB % Lưu tất cả các biến vào file test.mat: save test.mat % Lưu 2 biến p, q vào file, trong đó tên file là 1 biến: savefile = 'test.mat'; p = rand(1, 10); q = ones(10); save(savefile, 'p', 'q'); % Lưu biến dạng cấu trúc: s1.c = 'Hello!'; save('test.mat', '-struct', 's1'); Khi dùng lệnh save, tất cả các biến trong file cũ sẽ bị mất. Để giữ lại dữ liệu cũ, ta dùng thêm thông số -append. p = rand(1, 10); q = ones(10); save('test.mat', 'p'); % Lưu biến p save('test.mat', 'q'); % Lưu biến q → p bị xóa save('test.mat', 'p',’-append’); % Lưu biến p và không xóa q Dùng lệnh load để lấy nội dung các biến đã lưu vào file.mat'); % Lấy tất cả các biến đã lưu load('test.mat', 'p'); % Lấy biến p trong file test.1 Nhập ma trận Ma trận là một mảng có m hàng và n cột. Trường hợp ma trận chỉ có một phần tử (ma trận 1x1) ta có một số. Ma trận chỉ có một cột hay một hàng được gọi là một vector. Ta có thể nhập ma trận vào MATLAB bằng nhiều cách: • Nhập một danh sách các phần tử từ bàn phím • Nạp ma trận từ file BÀI 1: CƠ SỞ VỀ MATLAB 7 • Tạo ma trận nhờ các hàm có sẵn trong MATLAB • Tạo ma trận nhờ hàm tự tạo Khi nhập ma trận từ bàn phím ta phải tuân theo các quy định sau: • Ngăn cách các phần tử của ma trận bằng dấu “,” hay khoảng trắng. • Dùng dấu “;” để kết thúc một hàng • Bao các phần tử của ma trận bằng cặp dấu ngoặc vuông [ ] Ví dụ 1.