Laboratorium MATLA. Ćwiczenie 6 i 7. Mała aplikacja z GUI

Transkrypt

1 Laboratorium MATLA Ćwiczenie 6 i 7 Mała aplikacja z GUI Opracowali: - dr inż. Beata Leśniak-Plewińska dr inż. Jakub Żmigrodzki Zakład Inżynierii Biomedycznej Instytut Metrologii i Inżynierii Biomedycznej Wydział Mechatroniki Politechniki Warszawskiej Warszawa, 2017

2 Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest wykorzystanie dotychczas poznanej wiedzy i nabytych umiejętności do zaprojektowania i zaimplementowania małej aplikacji obliczeniowej z zapewnieniem jej obsługi w trybie tekstowym (w Oknie Poleceń) jak i za pomocą z GUI. Dodatkowo, należy wykorzystać funkcje związane z tworzeniem graficznej ilustracji wyników. Ćwiczenie 5 2/6

3 Poniższy rysunek przedstawia prosty układ prostownika jedno-połówkowego z filtrem Napięcie źródła określone jest zależnością gdzie ω=2 π f, a f jest częstotliwością sygnału źródła. Działanie układu jest zilustrowane przebiegami napięć, przy czym linią przerywaną oznaczono przebieg napięcia źródła, natomiast linią ciągłą przebieg napięcia na rezystorze R (obciążeniu). W początkowej fazie dioda jest włączona (spolaryzowana w kierunku przewodzenia) - od chwili t=0 do chwili t=t A. W chwili t A dioda zostaje wyłączona, a przez rezystor R płynie prąd powstały w procesie rozładowywania się kondensatora C. W chwili t=t B dioda ponownie zostaje włączona i pozostaje w takim stanie do chwili t=t D. Ten cykl powtarza się wielokrotnie, tak długo jak długo pozostaje włączone źródło sygnału v S. W uproszczonej analizie tego układu, dioda jest traktowana jako idealna, a kondensator C jako nieposiadający ładunku początkowego (w chili czasowej t=0 ). Kiedy dioda jest włączona, spadek napięcia na rezystorze R ( v R ) i prąd płynący przez rezystor R ( i R ) są określone zależnościami: i v s (t)=v 0 sin (ωt) v R (t)=v 0 sin (ω t) i R (t)=v 0 sin (ωt)/ R Prąd kondensatora C (i C ) określony jest zależnością: i C (t )=ωc v 0 cos(ωt) Kiedy dioda jest wyłączona, spadek napięcia na rezystorze R jest określony zależnością: t A t RC v R (t)=v 0 sin (ωt A )e Chwile czasowe, kiedy dioda jest wyłączana ( t A, t D, itd.) są wyznaczane z warunku: i R + i C 0. Dioda jest włączana, kiedy napięcie źródła przekroczy wartość równą spadkowi napięcia na rezystorze R : v s v R (chwila t B, t E itd.). (1) (2) (3) (3) (4) Ćwiczenie 5 3/6

4 1. Napisz funkcję prostownik. Funkcja ta ma pobierać jako parametry wejściowe: wartości parametrów dla elementów układu: rezystancji R, pojemności: C, napięcia v 0, częstotliwości f, długość czasu symulacji t max oraz krok Δ t. Funkcja ma zwracać wyznaczone wektory napięć v S i v R oraz prądów i C, i R oraz prąd płynący przez diodę i D i wartości czasu w chwilach t A i t D. Zapewnij kontrolę błędów. 2. Napisz skrypt skrypt_5, który będzie pobierał od użytkowania wartości niezbędnych parametrów i wykorzysta funkcję prostownik do wyznaczenia wektorów napięć v S i v R oraz prądów i C i i R. Zapewnij kontrolę błędów. Następnie, skrypt utworzy w jednym oknie graficznym wykresy ilustrujące w jednym układzie osi przebiegi wektorów napięć v S i v R oraz, w odrębnym układzie osi, przebiegi prądów i C i i R. Na wykresach powinny być zaznaczone chwile czasowe t A i t D. Zadbaj o właściwe opisy osi, tytuły i legendy. Ponadto skrypt ma wyświetlać w Oknie Poleceń informacje o wartościach następujących parametrów napięcia wyjściowego v R : napięcie średnie, amplitudę tętnień U t współczynnik tętnień k t wyznaczonych dla czasu w zakresie od t=t A do t=t D. Jeśli to konieczne, w celu wyznaczenia wartości ww parametrów napięcia wyjściowego v R utwórz odrębne funkcje. 3. Przetestuj działanie skryptu skrypt_5 i funkcji prostownik dla rezystancji R=800 Ω, dwóch wartości pojemności: C=45 μ F i C=10 μ F, napięcia źródła sygnału v 0 =12V i f =50 Hz. Testy wykonaj dla odcinka czasu 0 t 50 ms z krokiem co 50 μ s. W odpowiedniej rubryce Sprawozdania zanotuj wartości podanych parametrów. 4. W układzie prostownika jednopołówkowego w miejscu rezystancji R włączono żarówkę. Skuteczność świetlna żarówki i wynosi 10 [lm/w]. 5. Utwórz funkcję doborc, która, korzystając z funkcji prostownik będzie służyła do doboru, z podanego zakresu wartości (parametr wejściowy), minimalnej wartość pojemności kondensatora C tak, aby stosunek amplitudy szczytowo-siodłowej strumienia świetlnego żarówki do wartości średniej mocy elektrycznej pobieranej przez żarówkę ze źródła (współczynnik tętnień strumienia świetlnego żarówki) był mniejszy niż 5%. Funkcja powinna pobierać wartości: mocy żarówki, zakresu pojemności, amplitudę i częstotliwość napięcia źródła sygnału, wartości chwil wyznaczających odcinek czasu oraz krok obliczeń i zwracać dobraną wartość pojemności oraz współczynnik tętnień strumienia świetlnego żarówki. 6. Utwórz graficzny interfejs użytkownika (GUI), który będzie umożliwiał użytkownikowi komunikację z funkcją doborc. Ponadto GUI będzie ilustrować wykresy przebiegu strumienia świetlnego żarówki oraz mocy pobieranej przez żarówkę ze źródła (w odrębnych Ćwiczenie 5 4/6

5 układach współrzędnych). Na wykresach powinny być zaznaczone chwile czasowe i t D. GUI ma umożliwiać użytkownikowi podawanie za pomocą edytowalnych okien tekstowych wartości parametrów wejściowych funkcji doborc i prostownik: mocy żarówki, zakresu pojemności, amplitudę i częstotliwość napięcia źródła sygnału, wartości chwil wyznaczających odcinek czasu oraz krok obliczeń. Ponadto GUI ma informować o następujących parametrach napięcia wyjściowego v R : napięcie średnie, amplitudę tętnień U t współczynnik tętnień k t wyznaczonych dla czasu w zakresie od t=t A do t=t D. Jeśli to konieczne, w celu wyznaczenia wartości ww parametrów napięcia wyjściowego v R utwórz odrębne funkcje lub wykorzystaj te utworzone w p. 2. Zapewnij kontrolę błędów. Przetestuj działanie GUI dla mocy żarówki P=5W zakresu pojemności C=[ ] μ F napięcia źródła sygnału v 0 =12V i f =50 Hz odcinka czasu 0 t 50ms z krokiem co 50 μ s W odpowiedniej rubryce Sprawozdania zanotuj wartości podanych parametrów. t A Ćwiczenie 5 5/6

6 Sprawozdanie Ćwiczenie 6-7. Mała aplikacja z GUI L.p. Imię i nazwisko Grupa Data Punkt cw./ L. punktów 1 / 3 Realizacja/wynik R=800 Ω v 0 =12V f =50 Hz 0 t 50ms Δ t=50 μ s C=45μ F napięcie średnie = [ ] amplitudę tętnień U t = [ ] Uwagi prowadzącego współczynnik tętnień k t = [ ] chwile czasu: t A = [ ] C=10 μ F t D = [ ] / 2 napięcie średnie = [ ] amplitudę tętnień U t = [ ] współczynnik tętnień k t = [ ] chwile czasu: t A = [ ] t D = [ ] 4 / 2 R=800 Ω v 0 =12V f =50 Hz 0 t 50ms Δ t=50 μ s dobrana wartość pojemności C dobr = [ ] napięcie średnie = [ ] amplitudę tętnień U t = [ ] 5 / 3 współczynnik tętnień napięcia k t = [ ] współczynnik tętnień strumienia świetlnego żarówki = [ ] chwile czasu: t A = [ ] t D = [ ] Ćwiczenie 5 6/6