luan van tot nghiep tim hieu simulink trong matlab 20120825103456 31

Luận án tốt nghiệp Trang 1

CHƯƠNG I

GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ MATLAB

I.TÌM HIỂU VỀ CÔNG TY MATHWORKS:

Công ty MathWorks được thành lập vào năm 1984 là một công ty hàng đầu về việc cung cấp và phát triển phần mềm kĩ thuật cho máy tính. Công ty có hơn 500 nhân viên đang làm việc cho hai văn phòng chính ở Mỹ và Anh quốc.

Mọi chi tiết về việc tổ chức, nhân sự và đào tạo phát triển xin xem thêm tại điạ chỉ WebSite : http:/ www.Mathworks.com/

II.GIỚI THIỆU CƠ SỞ MATLAB:

II.1. Giới thiệu chương trình MATLAB:

Chương trình MATLAB là một chương trình viết cho máy tính PC nhằm hỗ trợ cho các tính toán khoa học và kĩ thuật với các phần tử cơ bản là ma trận trên máy tính cá nhân do công ty "The MATHWORKS" viết ra.

Thuật ngữ MATLAB có được là do hai từ MATRIX và LABORATORYghép lại. Chương trình này hiện đang được sử dụng nhiều trong nghiên cứu các vấn đề tính toán của các bài toán kĩ thuật như: Lý thuyết điều khiển tự động, kĩ thuật thống kê xác suất, xử lý số các tín hiệu, phân tích dữ liệu, dự báo chuổi quan sát, v.v…

MATLAB được điều khiển bởi các tập lệnh, tác động qua bàn phím. Nó cũng cho phép một khả năng lập trình với cú pháp thông dịch lệnh - còn gọi là Script file. Các lệnh hay bộ lệnh của MATLAB lên đến số hàng trăm và ngày càng được mở rộng bởi các phần TOOLS BOX( thư viện trợ giúp) hay thông qua các hàm ứng dụng được xây dựng từ người sử dụng. MATLAB có hơn 25 TOOLS BOX để trợ giúp cho việc khảo sát những vấn đề có liên quan trên. TOOL BOX SIMULINK là phần mở rộng của MATLAB, sử dụng để mô phỏng các hệ thống động học một cách nhanh chóng và tiện lợi.

MATLAB 3.5 trở xuống hoạt động trong môi trường MS-DOS.MATLAB 4.0, 4.2, 5.1, 5.2, … hoạt động trong môi trường

WINDOWS. Các version 4.0, 4.2 muốn hoạt động tốt phải sử dụng cùng với WINWORD 6.0. Hiện tại đã có version 5.31 (kham khảo từ Website của công ty). Chương trình Matlab có thể chạy liên kết với các chương trình ngôn ngữ cấp cao như C, C++, Fortran, … Việc cài đặt MATLAB thật dễ

GVHD : NGUYỄN MINH TÂM SVTH :NGUYỄN THANH DUẪN


dàng và ta cần chú ý việc dùng thêm vào các thư viện trợ giúp hay muốn liên kết phần mềm này với một vài ngôn ngữ cấp cao.

Còn các version MATLAB khác thì làm việc với hệ điều hành UNIX.

Hình 1.1 : Khởi động MATLAB từ môi trường WINDOWS

Hình 1.2 : Giao diện biểu tượng của MATLAB (Version 5.1)



Việc khởi động MATLAB trên mỗi hệ thống khác nhau. Trong môi trường WINDOWS hay MACINTOSH, chương trình thường được khởi động thông qua việc nhắp chuột trên các icon hay còn gọi là biểu tượng. Còn với môi trường UNIX, MS-DOS ,việc khởi động thông qua dòng lệnh: :\ MATLAB

Giao diện của MATLAB sử dụng hai cửa sổ: cửa sổ lệnh (command window) và cửa sổ đồ thị (Figure window).

Hình 1.3 : Giao diện cửa sổ lệnh của MATLAB khi khởi động xong

- Cửa sổ lệnh dùng để đưa lệnh và dữ liệu vào đồng thời in ra kết quả.- Cửa sổ đồ thị trợ giúp cho việc truy xuất đồ họa để thể hiện những lệnh hay kết quả đầu ra dưới dạng đồ họa.



Hình 1.4 : Giao diện cửa sổ đồ thị của MATLAB

Việc ngắt chương trình đang thực hiện hoặc các chương trình không đúng theo yêu cầu đều được thông qua phím nóng Ctrl + C.

Để thoát khỏi chương trình MATLAB ta có thể dùng lệnh>> exit hoặc >> quit ( : nhấn ENTER)

hoặc từ menu thả xuống hoặc nhấn vào trên góc phải màn hình của cửa sổ chính MATLAB.

MATLAB được điều khiển bằng những câu lệnh được kết hợp theo một trật tự nhất định và gọi đó là chương trình. Chương trình chứa nhiều câu lệnh và những hàm chức năng để giải những bài toán lớn hơn.

Các câu lệnh trong MATLAB rất mạnh và có những vấn đề chỉ cần một câu lệnh là đủ giải quyết bài toán. Mô phỏng trong MATLAB sẽ cho ta hình ảnh tọa độ không gian hai chiều (2D) và ba chiều(3D).

II.2. Các phím chức năng đặt biệt (chuyên dùng) và các lệnh dùng cho hệ thống:

Ctrl + P hoặc

Ctrl + n hoặc

Ctrl + f hoặc

Ctrl + b hoặc

Ctrl + l hoặc Ctrl +

Ctrl + r hoặc Ctrl +

Ctrl + a hoặc HOME

Ctrl + k Gọi lại lệnh vừa thực hiện trước đó từ của sổ lệnh của MATLAB

Gọi lại lệnh đã đánh vào trước đó

Chuyển con trỏ sang phải một kí tự



Chuyển con trỏ sang trái một kí tự.

Chuyển con trỏ sang phải một từ

Chuyển con trỏ sang trái một từ

Chuyển con trỏ về đầu dòng.

Xoá cho đến dòng cuối cùng

Các lệnh hệ thống :

Các lệnh trên cũng như sau này được viết từ cửa sổ lệnh của MATLAB

Casesen off

Casesen on

Clc

Clf

computer

exit hoặc quit

Ctrl + C

help

input

load

pause

save

Demo



Edit Bỏ thuộc tính phân biệt chữ hoa và chữ thường

Sử dụng thuộc tính chữ hoa và chữ thường.

Xóa cửa sổ dòng lệnh

Xó cửa sổ đồ họa

Lệnh in ra một xâu kí tự cho biệt loại máy tính.

Thoát khỏi chương trình MATLAB

Dừng chương trình khi nó rơi vào tình trạng lặp không kết thúc .

Xem trợ giúp

Nhập dữ liệu từ bàn phím.

Tải các biến đã lưu trong một file đưa vào vùng làm việc.

Ngừng tạm thời chương trình.

Lưu giữ các biến vào file có tên là matlab.mat

Lệnh cho phép xem các chương trình mẫu (minh họa khả năng làm việc của MATLAB).

Lệnh để vào cửa sổ soạn thảo (dùng để viết một chương trình)

II.3.Biến trong Matlab :

Tên các biến trong MATLAB có thể dài 19 kí tự bao gồm các chữ cái cùng các chữ số cũng như một vài kí tự đặc biệt khác nhưng luôn phải bắt đầu bằng chữ cái. Tên các hàm đã được đặt cũng có thể được sử dụng làm tên của biến với điều kiện hàm này sẽ không được sử dụng trong suốt quá trình tồn tại của biến cho đến khi có lệnh clear xoá các biến trong bộ nhớ hay clear + tên của biến.

Bình thường Matlab có sự phân biệt các biến tạo bởi chữ cái thường và chữ cái hoa.Các lệnh trong Matlab nói chung thường sử dụng chữ cái thường. Việc phân biệt đó có thể đươc bỏ qua nếu chúng ta thực hiện lệnh.>> casensen off % bỏ thuộc tính phân biệt chữ hoa và chữ thường.



Việc kiểm tra sự tồn tại của các biến trong bộ nhớ thông bộ qua lệnh.who

whos

who global

exist(namesrt) Hiển thị danh sách các biến đã được định nghĩa.

Hiển thị các biến đã được định nghĩa cùng kích thước của chúng và thông báo chúng có phải là số phức không.

Hiển thị các biến cục bộ.

Hiển thị các biến phụ thuộc vào cách các biến được định nghĩa trong chuỗi namestr. Hàm sẽ trả lại giá trị sau:Nếu namestr là tên của một biến.Nếu namestr là tên của một file.m.Nếu namestr là tên của một Mex fileNếu namestr là tên của hàm dịch bởi Simulink.Nếu namestr là tên của hàm được định nghĩa trước bởi Matlab.

Độ lớn của biến

Độ lớn hay chiều dài của biến vector cũng như ma trận có thể được xác định thông qua một số hàm có sẵn của Matlab.

size (A)

[ m n] = size(A)

size(A ,p)

size (x)



lengh(x)

lengh(A)Cho ra một vector chứa kích thước ma trận A. Phần tử đầu tiên của vector là số hàng của ma trận, phần tử thứ hai là số cột của matrận.

Trả giá trị độ lớn của ma trận A vào vector xác định bởi hai biến m và n .

Đưa ra số hàng của ma trận A nếu p=1 và số cột của A nếu p 2

Đưa ra vector mô tả độ lớn của vector x. Nếu x là vector hàng m phần tử thì giá trị đầu của vector là m và giá trị thứ hai là 1. Trường hợp x là vector cột n thì giá trị thứ nhất sẽ là 1 và thứ hai là n.

Trả giá trị chiều dài của vector x

Trả giá trị chiều dài cuả ma trận A . Giá trị thu được sẽ là m nếu m>n và ngược lại sẽ là n nếu n>m.

II.4.Các lệnh thông dụng trong đồ họa Matlab:

Matlab rất mạnh trong việc xử lý đồ họa, cho hình ảnh minh họa một cách sinh động và trực quan trong không gian 2D và 3D mà không cần đến nhiều dòng lệnh.

plot (x,y)Vẽ đồ thị trong tọa độ (x,y)

plot (x,y,z)Vẽ đồ thị theo tọa độ ( x,y ,z)

titleĐưa các tiêu đề vào trong hình vẽ.

xlabelĐưa các nhãn theo chiều x của đồ thị.

ylabelĐưa các nhãn theo chiều y của đồ thị.

zlabelĐưa các nhãn theo chiều z của đồ thị.grid Hiển thị lưới trên đồ thị

plot (y)Vẽ đồ thị theo y bỏ qua chỉ số theo y.Nếu y là số phức (complex) thì đồ thị được vẽ là phần thực và phần ảo của y



plot (x,y,S)Vẽ theo x,y ; S: là các chỉ số về màu sắc và kiểu đường theo biến str của các đường trên đồ thị được liệt kê ở dưới.

plot(x,y,z…,S)Vẽ theo x,y,z…; S: là các chỉ số về màu sắc và kiểu đường theo biến str của các đường được liệt kê ở dưới.

polar (x,y)

Vẽ đồ thị theo hệ trục tọa độ cựcbar Vẽ đồ thị dạng cột

Các chỉ số về màu sắc:Giá trị cuả biến Str trong hàm plot về màu sắc hay kiều dáng

của đường được liệt kê theo bảng dưới đây.Kiểu đườngMàu sắc. : Điểm* : SaoX : Chữ cái xO : Chữ cái o + : Dấu cộng- : Đường liền nét-- : Đường đứt nét-. : Đường chấm gạch: : Đường chấm

Y: vàngG : xanh lá câyM : đỏ tươiB : xanh lamC : xanh lá mạ.W : màu trắngR : đỏK : đen

Ví dụ về đồ họa bề mặt (3D)



Ngoài các lệnh cơ bản trên còn có các lệnh liên quan đến vẽ đồ thị Vector, vẽ đồ thị theo hệ trục loga,các lệnh liên quan đến đồ họa bề mặt (3D) ,các lệnh liên quan đến việc kiểm soát đồ thị…

II.5 .Các dạng file sử dụng trong MATLAB:

II.5 .1. Script file (M-files):

Các chương trình do người sử dụng soạn thảo ra được lưu trữ trong các file có phần mở rộng là *.m. File dạng này còn được gọi là Script file. File được dưới dạng kí tự ASCII và có thể sử dụng trong các chương trình soạn thảo nói chung để tạo nó.

Ta có thể chạy các file giống như các lệnh, thủ tục của MATLAB. Tức là gõ tên file không cần có phần mở rộng sau đó Enter. Khi sử dụng nội dung của file không được hiển thị trên màn hình.

Trong Simulink sơ đồ mô phỏng cũng được lưu dưới dạng *.m (trong các version 5.x trở lên thì được lưu dưới dạng * .mdl) nhưng được gọi là S-function.

Một số lệnh hệ thống tương tác với *.m files thường gặp

echo Lệnh cho phép xem các lệnh có trong *.m files khi chúng được thực hiện.

type Lệnh cho phép xem nội dung,ngầm định file ở dạng M-file

what Lệnh này cho biết tất cả các file M -file và Mat-file có trong vùng làm việc hiện hành hay không.

Một ví dụ về Script file:



II.5.2.Files dữ liệu:

Các ma trận biểu diễn thông tin được lưu trữ trong các files dữ liệu. Matlab phân biệt hai loại file dữ liệu khác nhau Mat- files và ASCII files.

Mat - files lưu trữ các dữ liệu ở dạng số nhị phân, còn các ASCII- files lưu các dữ liệu dưới dạng các kí tự. Mat-file thích hợp cho dữ liệu được tạo ra hoặc được sử dụng bởi chương trình MATLAB. ASCII- files được sử dụng khi các dữ liệu được chia xẻ (export -import) với các chương trình của MATLAB .

ASCII- files có thể được tạo bởi các chương trình soạn thảo nói chung hay các chương trình soạn thảo bằng ngôn ngữ máy. Nó có thể được tạo ra bởi chương trình Matlab bằng cách sử dụng câu lệnh sau đây:

>> save <tên file>.dat <tên ma trận>./ascii;

Nhìn chung Mat lab rất mạnh trong việc mô phỏng cho các bài toán kĩ thuật. Phần mềm Matlab hiện nay đã trở nên thông dụng và là công cụ đắc lực cho việc giảng dạy, ứng dụng trong nghiên cứu ở các trường đại học.



CHƯƠNG II

CÁCH KẾT NỐI VÀ CÁC THUỘC TÍNH CỦA BLOCKS

I. KHÁI NIỆM VỀ SIMULINK:

Simulink là một phần mềm mở rộng của MATLAB (1 Toolbox của Matlab) dùng để mô hình hoá, mô phỏng và phân tích một hệ thống động. Thông thường dùng để thiết kế hệ thống điều khiển, thiết kế DSP, hệ thống thông tin và các ứng dụng mô phỏng khác.

Simulink là thuật ngữ mô phỏng dễ nhớ được ghép bởi hai từ Simulation và Link. Simulink cho phép mô tả hệ thống tuyến tính,hệ phi tuyến, các mô hình trong miền thời gian liên tục, hay gián đoạn hoặc một hệ gồm cả liên tục và gián đoạn.

Để mô hình hoá, Simulink cung cấp cho bạn một giao diện đồ họa để sử dụng và xây dựng mô hình sử dụng thao tác "nhấn và kéo" chuột. Với giao diện đồ họa ta có thể xây mô hình và khảo sát mô hình một cách trực quan hơn. Đây là sự khác xa các phần mềm trước đó mà người sử dụng phải đưa vào các phương vi phân và các phương trình sai phân bằng một ngôn ngữ lập trình.

Điểm nhấn mạnh quan trọng trong việc mô phỏng một quá trình là việc thành lập được mô hình. Để sử dụng tốt chương trình này, người sử dụng phải có kiến thức cơ bản về điều khiển, xây dựng mô hình



toán học theo quan điểm của lý thuyết điều khiển và từ đó thành lập nên mô hình của bài toán.

II. TÌM HIỂU VỀ SIMULINK VÀ CÁC BLOCKS LIBRARY:

II.1 CÁCH KHỞI TẠO SIMULINK VÀ VẼ SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG:

II.1.1 Khởi tạo SIMULINK:

Để vào Simulink trong Matlab, ta từ cửa sổ lệnh của Matlab đánh dòng lệnh:

>> simulink Khi khởi động Simulink xong ta được màn hình cửa sổ Simulink.

Cửa sổ này hoạt động liên kết với cửa sổ lệnh MATLAB.Ta thấy cửa sổ Simulink có nhiều khối chức năng (blocks

library), trong đó có nhiều khối chức năng cụ thể.

Hình 2.5 : Cách vào toolbox SIMULINK trong MATLAB

Từ cửa sổ lệnh ta thấy được các khối thư viện: Khối nguồn (Sources), khối đầu đo (Sinks), khối phi tuyến (nonlinear), khối tuyến tính (linear), khối đầu nối (Connections)…………



Hình 2.6 : Màn hình cửa sổ thư viện SIMULINK

Thư viện của Simulink bao gồm các khối chuẩn trên, người sử dụng cũng có thể thay đổi hay tạo ra các khối cho riêng mình. Simulink cũng giống như các phần mềm mô phỏng thiết kế mạch điện tử như : MicroSim Eval, EWB, Circuit Maker….

Để vẽ sơ đồ mô phỏng cũng như xây dựng mô hình như thế nào.Việc xây dựng mô hình và các thao tác để xây dựng mô hình. Ta thử thiết kế mô phỏng ví dụ sau (Hình 2.7) để biết được việc vẽ và mô phỏng sơ đồ:

Để vẽ được mô hình này bạn phải làmm các thao tác sau:1.Từ cửa sổ Matlab đánh lệnh simulink. Cửa sổ thư viện các

khối sẽ xuất hiện 2.Từ cửa sổ thư viện ta nhấp chuột vào File/New/Model hoặc nhấn Ctrl+ N. Màn hình cửa sổ mô hình mới Untitled được mở ra(Hình 8).Từ đó ta bắt đầu xây dựng mô hình.

3 . Chọn các block ở các thư viện thích hợp:

Hình 2.7 : Mô hình phân tích sóng hình sin



Hỉnh 2.8 : Chọn vẽ một Model (Scheme) mới

Trong sơ đồ này chọn các khối từ các thư viện:+ Thư viện các nguồn tín hiệu (Sources): Chọn Sin wave.+ Thư viện các khối nhận tín hiệu (Sinks): Chọn Scope.+ Thư viện các hàm tuyến tính (Linear): Chọn Integrator.+ Thư viện các đầu nối ( Connections): Chọn Mux.

Để chọn một thư viện trong Simulink ta nhấp kép (Double Click) vào khối (icon) đó. Simulink sẽ hiển thị một cửa sổ chứa tất cả các khối của thư viện đó. Trong thư viện nguồn tín hiệu chứa tất các khối đều là nguồn tín hiệu. Thư viện nguồn tín hiệu được trình bày như hình 2.9.

Người sử dụng thêm vào sơ đồ của mình bằng cách ghép khối đó từ thư viện hay từ mô hình bất kì nào khác. Trong ví dụ này ta chọn khối phát sóng hình sin. Đặt con trỏ chuột lên khối ấn và giữ phím trái chuột, kéo khối tới cửa sổ vẽ sơ đồ Untitled.

Khi di chuyển khối ta có thể thấy khối và tên của nó di chuyển cùng với con trỏ chuột.

Hình 2.9 : Cửa sổ thư viện Phần Nguồn tín hiệu. (SOURCES)



Hình 2.10 : Khối và tên di chuyển cùng khối .

Khi con trỏ chuột di chuyển tới nơi bạn cần đặt khối trong sơ đồ bằng cách nhả phím chuột, một bản copy của khối đã ở trong màn hình mô phỏng. Khi ta không vừa ý chỗ đặt ta có thể di chuyển khối bằng cách như trên.

Theo cách này chép những khối còn lại vào trong màn hình mô phỏng để tiếp tục xây dựng sơ đồ.

Muốn copy tiếp một khối Sin nữa trong một một sơ đồ, ta làm bằng cách giữ phím Ctrl + phím trái chuột và di chuyển tới điểm cần đặt khối, lúc đó một khối đã được copy.

Với tất cả các khối đã chép vào cửa sổ màn hình mô phỏng sẽ được hiển thị như trên hình 2. 11.

Nếu xem kĩ từng khối, chúng ta thấy dấu > ở bên phải của khối là dâú đầu nối dành cho ngõ ra của tín hiệu, còn dấu > ở bên trái là dấu đầu nối dành cho ngõ vào. Tín hiệu đi từ đầu ra của một khối tới đầu vào của khối khác theo một đường nối giữ hai khối. Khi một khối đã được nối thì biểu tượng > cũng mất đi.

Hình 2.11. Cửa sổ sơ đồ với các khối đã được copy.



Hình 1.12 .Đầu vào - ra của một khối

Từ hình 1.11 ta thấy khối Mux có ba cổng vào nhưng ta cần có hai cổng nên ta phải thay đổi thông số của Mux, bằng cách nhấp kép lên khối Mux và thay đổi giá trị thông số "Number of Input" là 2 (hình 2.13).Sau đó nhấn phím Apply và đó cửa cửa sổ Mux. Simulink sẽ điều chỉnh số cổng vào theo giá trị đã nhập.

Hình 2.13. Cửa sổ thông số khối Mux.

Bây giờ ta có thể nối các khối lại với nhau. Đầu tiên hãy nối đầu ra khối phát Sin tín hiệu tới đầu vào trên khối Mux. Công việc thực hiện nối các khối, nói chung không theo thứ tự bắt buộc nào cả. Công việc thực hiện nối các sơ đồ cũng giống như các phần mềm thiết kế điện tử nào đó là đặt con trỏ chuột tại đầu nối (ra) của khối này (con trỏ chuột biến thành dấu cộng), giữ trỏ chuột và kéo tới đầu nối (vào) của khối khác. Trong quá trình nối, đưòng nối có hình nét đứt và con trỏ sẽ thay đổi thành dấu cộng kép khi lại gần khôí cần nối.

Hình 2.14. Cửa sổ mô hình trước khi nối dây.



Hình 2.15. Cửa sổ mô hình khi đang nối dây.

Bạn có thể nối bằng cách nhả phím chuột khi con trỏ ở bên trong khối. Khi đó đường nối sẽ nối vào cổng gần vị trí con trỏ nhất.

Hình 2.15. Hình khôí Sin đã nối vào trên khối Mux.

Phần lớn các đường nối đi từ đầu ra của một khối tới đầu vào của một khối khác. Có đường nối từ một đường nào đó đi tới đầu vào của một khối ta gọi đó là đường rẽ nhánh.

Việc vẽ đường rẽ nhánh có sự khác biệt so với vẽ đường nối chính. Để vẽ được rẽ nhánh ta thực việc như sau:1. Đặt con trỏ vào điểm cần vẽ đường rẽ nhánh.



Hình 2.16. Con trỏ đặt vào điểm cần rẽ nhánh.2. An phím Ctrl + giữ phím trái chuột ,kéo con trỏ chuột tới đầu vào của khối.3. Nhả phím chuột, Simulink sẽ vẽ một đường từ điểm bắt đầu tới cổng vào của khối.

Tuy nhiên chúng ta cũng có thể nối dây từ đầu vào (đầu ra) của một khối tới đường nối chính, mà không cần giữ phím Ctrl . Tuy nhiên việc nối dây sẽ bất tiện do mối nối hình thành không theo ý muốn hoặc không nối được.

Hình 2.17.Một đoạn dây không như ý .

Kết thúc việc nối dây, mô hình được hiển thị như trên hình 2.19.

Tuy nhiên trong quá trình nối dây có thể có những đưòng nối dây không như ý ta muốn, ta có thể bỏ đi hoặc sử a chữa lại bằng cách nhấp chuột vào đoạn dây đó, sau đó ta nhấn phín Delete hoặc di chuyển đoạn dây để sửa lại.



Hình 2.18. Một đoạn dây đã được chọn.

Hình 2. 19. Cửa sổ mô hình đã được vẽ xong.

Bây giờ ta mở khối Scope để hiển thị tín hiệu ra và chạy mô phỏng trong 10s. Đầu tiên ta phải đặt thông số mô phỏng bằng lệnh Parameter trong menu Simulation. Đặt thời gian mô phỏng (Stop time) là 10.0. Sau đó nhấn vào Apply để Simulink áp dụng các thông số do ta đặt và đóng hộp hội thoại bằng cách nhấn vào Close.

Hình 2.20 . Hộp hội thoại Parameter của Simulink

Chọn Start trong menu Simulation để chạy mô phỏng và ta Double Click vào khối Scope để xem dạng sóng ra của tín hiệu.

Muốn dừng mô phỏng thì chọn Stop hay Pause từ menu Simulation.



Hình 2.21 . Cửa sổ hiển thị tín hiệu ra của sơ đồ.

Để lưu sơ đồ này ta chọn Save từ menu File, nhập tên file. File này sẽ chứa mô hình đã vẽ.

II.2 CÁC BLOCKS LIBRARY:

Sau đây là các BLOCK LIBRARY của Simulink. Giúp cho có cách nhìn khái quát thư viện của Simulink.

Hình 2.22: Thư viện Phần Rời Rạc (DISCRETE)



Hình 2.23 : Thư viện Đồ thị (SINKS)

Hình 2.24 : : Thư viện Phần Tuyến tính (LINEAR)

Hình 2.24:Thư viện Phần Phi Tuyến (NONLINEAR)



Hình 2.26: Thư viện Phần Đầu Nối (CONECTIONS)

Hình 2.27: Thư viện BLOCKSETS và TOOLBOXES

III. THUỘC TÍNH CỦA MỘT BLOCK VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN TRONG SIMULINK.

Như chúng ta đã biết phần tử để xây dựng nên một sơ đồ trong Simulink đó chính là Block. Một Block được quy định bởi hai thuộc tính: Văn phong và cấu trúc.

Thuộc tính về văn phong được mô tả trong bản Style:



Style

Drop ShadowsOrientation TitleFont…Foreground ColorBackground ColorScreen Color

Bao gồm :" Drop Shadows : Bật tắt bóng của Block." Orientation : Định hướng chọn Block. Sự định hướng này có thể chọn phím nóng Ctrl +R để xoay 900 hoặc Ctrl + F để xoay 1800" Title : Đặt tên cho Block.

DisplayedHiddenTop/Left

Bottom/Right

Hiện tên BlockẨn tên BlockTên của Block nằm trên đỉnh block hay bên trái.Tên của Block nằm ở dươí block hay bên phải.

" Font :Định dạng Font cho Block" Color : màu nền, khung màu chữ cho Block.

Thuộc tính về cấu trúc được mô tả trong hộp hội thoại của Block. Mở nó bằng cách Double Click chuột vào biểu tượng Block.

Trong hộp hội thoại có những thành phần sau:

" Tên khối (block name)" Mô tả ngắn gọn về đặt điểm của khối (Brief explanation)" Những mảng thông số (parameters) nếu khối đó cần những thông số.



" Giải thích về đặc điểm của khối. (Help button)

Những mô tả về những cấu trúc thuộc tính của các blocks trong Simulink sẽ được mô tả trong chương III.

Hình 2.28: Thuộc tính cấu trúc của một Block

III.2 .Các phương pháp giải bài toán mô phỏng trong Simulink :

Trong Simulink việc giải các bài toán mô phỏng có nhiều phương pháp giải khác nhau. Sau đây là các cách giải được áp dụng trong Simulink.

" Phương pháp Euler : là phưng pháp cổ điển với biến là bước. Phương pháp này khả thi cho bất cứ hệ thống nào có những bước nhỏ. Do đó những bài toán có liên quan đến việc tính toán quá nhiều thì không bao giờ chính xác. Phương pháp này chỉ nên dùng cho việc kiểm tra kết quả." Phương pháp Runge-Kutta 3 và Runge-Kutta 5: Đây là phương pháp thông dụng áp dụng cho mọi loại bài toán và nó có thể đạt chỉ tiêu chất lượng so với các phương pháp đặc biệt khác. Phương pháp này thích hợp cho cho hệ liên tục và hệ phi tuyến. Không làm việc với hệ có ma sát." Phương pháp Adams :là phương pháp tự chỉnh áp dụng cho hệ không có ma sát.



" Phương pháp Gear : là phương pháp tự chỉnh áp dụng cho hệ có ma sát. Phương pháp này không làm việc tốt khi hệ bị rối loạn do ngõ vào thay đổi liên tục." Phương pháp Adams / Gear : Chọn giữa hai phương phápAdams và Gear. " Phương pháp LinSim : là phương pháp dùng cho hệ tuyến tính. Nếu hệ mang tính chất tuyến tính nhưng có vài khối phi tuyến thì hệ cũng làm việc tốt.

CHƯƠNG IIIBLOCKS LIBRARY(Các khối chức năng trong thư viện Simulink)

Những khối của SIMULINK được mô tả trong chương này. Những mô tả trong chương này là những mô tả ngắn gọn giúp ích cho việc tra cứu và sử dụng.

Theo đó, tất cả các khối được xem như có thể làm việc trong môi trường đa biến (có hướng) và vô hướng.

III. 1 . SOURCES:

Đây là nhóm bao gồm các khối phát và nhận tín hiệu .

Màn hình hiển thị

1.CLOCK : Cung cấp vector theo thời gian

Mở trong suốt thời gian mô phỏng, hiển thị thời gian liên tục mà cuộc mô phỏng đang xảy ra. Điểm quan trọng là Clock không phải là khối phát thời gian, mà chỉ là khối hiển thị thời gian mô phỏng. Được phép nối với To Workspace để chuyển vector thời gian vào trong Matlab.



Màn hình cài đặt thông số là hằng số

2. CONSTANT:Phát ra giá trị là hằng số Những thông số : Giá trị constant.

3. Sine Wave:Khối phát ra sóng có dạng sin.Những thông số : Giá trị biên độ, tần số ( rad/s, hezt), pha, thời

gian lấy mẫu (chỉ áp dụng cho hệ gián đoạn).

Màn hình cài đặt thông số cho khối sin

4. Signal Generator:



Cung cấp cho 4 dạng sóng khác nhau (giống như máy phát sóng):

+ Sóng Sin+ Sóng vuông (square)+ Sóng răng cưa (sawtooth)+ Sóng ngẩu nhiên ( random).

Những thông số : Dạng sóng, giá trị biên độ (giá trị đỉnh), tần số, đơn vị tần số.

Nhũng giá trị này có thể thay đổi trong quá trình mô phỏng.

5. Repeating sequency:Lặp lại dạng sóng đã cho một cách tuần tự

Những thông số : vector thời gian và quan hệ giá trị của hàm vector (cùng chiều)

Khi mô phỏng thời gian rơi vào trong phạm vi của vector thời gian của ngõ ra thì nó được xem như From Workspace. Nói cách khác, hàm này là phần mở rộng bởi một dạng sóng cơ bản có chu kì lặp. Tín hiệu được phát ra với chu kì tuần hoàn có biên độ bằng vector.

6. Step input:Phát ra dạng sóng có tính chất hàm bước:



Những thông số : Thời gian chuyển đổi (Steptime), giá trị đầu, giá trị cuối.

Thời gian chuyển đổi có thể âm và điều kiện đầu có thể lớn hơn giá trị cuối 1 đơn vị.

7. Chirp Signal:

Phát ra một tín hiệu mà tần số tăng tuyến tính theo thời gian .

Những thông số : Tần số ban đầu (Hz), thời gian đích cần đặt (s),tần số tại thời

gian đích.

Khối này được dùng trong việc phân tích phổ của hệ không tuyến tính. Tần số đặt

ban đầu có thể lớn hơn tại tần số đặt cuối cùng. Nhưng sau thời gian đích đã đặt tần số bắt đầu tăng lên.

8. Pulse Generator :Phát ra một chuổi xung tuần tự với khoảng thời gian ổn định.

Những thông số : Chu kì xung, độ rộng xung (hệ số chu kì), biên độ xung, thời gian bắt đầu phát xung.



9.Random Number:Bộ phát số ngẫu nhiên (ý nghiã Zero) phân bố chuẩn (Phân bố

Gauss).

Những thông số: Giá trị trung bình, khoảng biến đổi, giá trị bắt đầu phát sinh (seed), thời gian lấy mẫu.

Điểm khác biệt cuả khối này sự khác nhau của giá trị "seed". Giá trị này có thể là một vector.

Trong hệ rời rạc (phụ thuộc vào thời gian) liên quan đến vấn đề số nó thường được dùng hơn khối Band -Limited White Noise.

10.From Workspace: Đọc dữ liệu từ ma trận MATLAB.

Những thông số: bảng ma trận .



Ma trận này phải chứa ít nhất hai cột, cột đầu tiên phải là vector thời gian (nó phải là giá trị tăng đơn điệu). Nếu giá trị ngõ ra cần thời gian tại giữa hai giá trị đã chọn thì ngõ ra phải là nội suy tuyến tính giữa hai giá trị thời gian yêu cầu đặt trong ngoặc.

11. From File:Đọc dữ liệu từ một file.

Những thông số : Tên file.Dữ liệu phải giống như một ma trận. Mỗi cột phải phải có giá trị của

n ngõ vào tại thời điểm cho trước (yếu tố đầu tiên của cột). Sau đó, hàng thứ nhất là một vector thời gian (so với From Workspace hàng và cột ngược nhau).

12. Digital Clock:Cung cấp thời gian cho hệ rời rạc.

Những thông số: thời gian mẫu.



Khối này không giống khối Clock .

13. Band -Limited White Noise:

Phát ra một dãy tín hiệu ồn trắng.

Những thông số : Phổ năng lượng, thời gian mẫu, giátrị "seed".

III.2 .SINKS:

1. Scope:Hiển thị dạng tín hiệu trong suốt thời gian mô phỏng

(giống như Oscilloscope)

Những thông số : Phạm vi trục ngang (thời gian) và trục dọc.Trục ngang có thể cuộn ở mỗi phạm vi.



Màn hình của Scope và bản thuộc tính của nó

2. To Workspace:Lưu trữ dữ liệu dưới dạng một ma trận.

Những thông số:Tên ma trận, số mẫu tối đa(maximum) để xuất ra.



Mỗi một cột ma trận đại diện cho mỗi giá trị khác nhau dữ liệu được

truyền đến MATLAB cho đến khi kết thúc mô phỏng.

Nêú sự mô phỏng cần số bước lớn hơn giá trị maximum một đơn vị thì khối này chỉ lưu giá trị n cuối cùng ,với n là giá trị lấy mẫu maximum đã quy định.

Thông số thứ hai cuả hàng trong maximum là tuỳ ý (timestep: buớc thời gian), Matlab chỉ lưu giá trị n chung. Thường thường vector thời gian không cần khoảng cách đều; thông số thứ ba của maximum cũng tuỳ ý nhưng có đặc điểm là phải phù hợp với thời gian lấy mẫu với dữ liệu được thu thập.

Ví dụ nếu bạn cài đặt thông số cho maximum…

[ 100, 3, 0.4]Ngõ ra của ma trận gồm 100 hàng (số cột tương ứng với chiều của

khối vào) mà giá trị mỗi lần tích trữ T =3 0.4 giây (s) có nghĩ là tại To =0 ,T1=1 3 0.4 =1.2, T2 =2 3 0.4 =2.4 , T3 =3 3 0.4 = 3.6………Tk = k 3 0.4 (s).3. To File:

Lưu trữ dữ liệu dưới dạng file.

Những thông số :Tên file ,tên matrận.

Dữ liệu ở đây là một ma trận, hàngđầu tiên là một vetor thời gian, những

cột khác là biến ngõ ra (so với To Workspace hàng và cột đảo nhau) Hàng đầu tiên luôn là vector thời gian (không cần thiết phải nối đến Clock để hiện ra)

4.XY graph:Hai đồ thị của hai tín hiệu sẽ được vẽ trên cửa sổ đồ họa của Matlab .



Những thông số : biên duới và biên trên của trục

5. Stop Simulation:Ngừng cuộc mô phỏng ngay lậy tức khi ngõ vào bằng không.

Khi nhiều tín hiệu vào là đa biến nếu có một thành phần ngõ vào

bằng không thì cuộc mô phỏng sẽ ngừng ngay lập tức.

6. Graph:Vẽ số liệu trên cửa sổ đồ họa.

Những thông số : phạm vi trục thời gian, biên dưới và biên trên của trục ngang, màu sắc của mỗi đường.

Nếu thời gian mô phỏng vuợt quá thời gian đặt thì đồ thị sẽ bắt đầu được vẽ từ cạnh trái của Graph.

III.3. DISCRETE:

1. Unit Delay :

Ngõ vào bị trễ bởi một chu kì lấy mẫu .

Những thông số : Giá trị đầu (giá trị giả định trong chu kì mô phỏng đầu tiên khi ngõ ra không xác định được), thời gian lấy mẫu.

2 .Discrete Zero -Pole:



Thực hiện một hàm truyền rời rạc (theo thời gian) ở dạng Cực và Zero.

Những thông số : Các zero, Các cực, độ lợi, thời gian lấy mẫu.

3. Discrete State- Space:

Thực hiện một hệ rời rạc dưới dạng hệ phuơng trình trạng thái.Những thông số : Hệ ma trận, điều kiện đầu, thời gian lấy mẫu.



4. Discrete Filter:

Thực hiện lọc IIR và lọc FIR.

Những thông số : Hệ số tử và mẫu của bộ lọc, thời gian lấy mẫu.

5.Discrete Tranfer Fcn:Thực hiện chức năng một hàm truyền rời rạc.

Những thông số : hệ số tử và mẩu của hàm truyền, thời gian lấy mẫu.

6. Zero - Order Hold: (khâu giữ bậc không)

Thực hiện một hàm giữ và lấy mẫu.

Những thông số : thời gian lấy mẫu

7. First - Order Hold: (khâu giữ bậc một)



Những thông số :thời gian lấy mẫuNgõ ra bị trễ một khoảng thời gian khi ngõ ra được đưa vào giữa hai

lần lấy mẫu kế tiếp.



8. Discrete- Time Integrator:Thực hiện hàm tích phân gián đoạn.

Những thông số : Điều kiện đầu, Giới hạn cận dưới và trên, thời gian lấy mẫu.

Nó thực hiện một phép biến đổi hàm truyền Z :

Ở đây Ts là giá trị thời gian lấy mẫu.

1. Sum:Ngõ ra tổng (hiệu) các ngõ vào.

Những thông số : Các dấu của ngõ vào.

Số dấu sẽ cho biết số ngõ vào của khối

2.Gain:Nhân tín hiệu vào với một hằng số.

Nhũng thông số : Giá trị độ lợi



Nếu thông số được dùng trong Gain ở dạng vector thì nội dung để

hiển thị phải ở trong ngoặc đơn.

3.Derivative:

Tín hiệu vào được lấy vi phân theo thời gian.

4. Tranfer Fcn:Thực hiện chức năng một hàm truyền.

Những thông số : Hệ số tử và mẫu của hàm truyền

5. Integrator:



Tín hiệu vào được lấy tích phân.

Những thông số : Điều kiện đầu.

6. State-Space :

7. Zero-pole:Thực hiện hàm truyền dưới dạng cực và zero.



Những thông số : Các Zero, các cực, độ lợi

8. Matrix Gain:Ngõ vào là một vector thì ngõ ra là một ma trận.

Những thông số : Độ lợi ma trận.

9. Inner (dot) product:

Tính tích vô hướng của vector.

10. Slider Gain:



Tương tác độ lợi.

Những thông số : Giá trị gain.

III.5 .NONLINEAR:

1. Abs:Tính giá trị tuyệt đối của ngõ vào.

2.ProductNgõ vào được nhân với nhau (giống SUM).



Những thông số : Số ngõ vào

3.Fcn Tính toán biểu thức.

Ngõ vào phải là một hàm u(I), giá trị phải là đại lượng vô hướng . Khối này khả năng thực hiện cho SISO (single input single output) và MISO (multi input single output).

4.Dead ZoneNgõ ra có giá trị là Zero khi ngõ vào nằm trong vùng chết (tắt).

Ngoài ra ngõ ra sẽ bằng ngõ vào khi ngõ vào không nằm trong đoạn Dead Zone.



6. Backlash : (khâu khe hở)Mô hình xử lý hệ thống có thời gian dự trữ.



Những thông số : Độ rộng Dead Zone, giá trị đầu của ngõ ra và vào.

Ngõ ra là hằng số khi ngõ vào nằm trong đoạn Dead Zone.

6. Saturation :Tính toán một khâu bão hòa, nghĩa là giới hạn biên độ của ngõ ra.

Những thông số : Giá trị trên và dưới của ngõ ra.

7.Switch Ngõ ra sẽ là giá trị của ngõ vào đầu tiên cho đến khi một giá trị thứ hai lớn hơn giá trị ngưỡng thì ngõ ra mang giátrị ngõ vào thứ hai, sau đó ngõ ra lại bằng giá trị thứ ba.

Những thông số : giá trị ngưỡng.



8. Look-Up TableThi hành mẫu đồ thị tuyến tính của ngõ vào.

Những thông số : Giá trị vector của ngõ ra và vào

9. 2-D Look-Up Table.Thi hành mẫu đồ thị tuyến tính trong tọa độ hai chiều.

Những thông số: Giá trị của chỉ số X và Y và quan hệ với giá trị ngõ ra.

10. Rate LimiterGiới hạn tốc độ thay đổi của tính hiệu ngõ vào.



Những thông số: Giá trị tối đa của sự thay đổi.

11. RelayMô phỏng một rơ le.

Những thông số : Giá trị ngưỡng của ngõ ra ở trạng thái ON và OFF.

Sự chuyển đổi của ngõ ra giữa hai giá trị đặc biệt. Khi rơle ở vị trí ON, nó giữ nguyên khi giá trị ngõ vào hạ xuống thấp hơn ngưỡng OFF, ngược lại thì rơle ở vị trí OFF.



12. MATLAB Fcn

Cho phép gọi một hàm MATLAB trong sơ đồ SIMULINK.

Những thông số : Tên hàm, chiều của ngõngõ ra (-1 mang nghĩa là ngõ ra cùng chiều với ngõ vào).

SIMULINK không có khả năng kiểm tra chiều của hàm MATLAB đó là đặc điểm riêng của khối.

13.Quantizer Mô phỏng bộ lượng tử.

Những thông số : Khoảng thời gian lượng tử

14. Coulombic Friction



Mô phỏng ma sát Coulomb.

Những thông số :Giá trị offset ban đầu, tỉ số ma sát thẳng.Lực ma sát có giá trị là zero ở tại thời điểm đặt giá trị offset.

15.Logical OperatorNgõ ra mang giá trị 1 nếu toán tử logic ngõ vào mang giá trị đúng,

ngược lại mang giá trị 0.

Những thông số : Toán tử logic, số cổng vào



Ngõ ra mang giá trị 1 nếu hệ thức cơ bản có giá trị là đúng,ngược lại mang giá trị 0.

Những thông số : Toán tử quan hệ.

16. Combinatorial LogicThực thi một bảng tổ hợp logic.

Những thông số : Bảng sự thật.

Chỉ có phần ngõ ra của bảng sự thật được ghi vào. Ngõ vào phải được hiểu ngầm.

17. Transport DelayNgõ vào bị trễ bởi một thời gian cho trước.

Những thông số: Thời gian trễ, điều kiện đầu (được giả định khi ngõ ra không xác định).

18. Variable Transport Delay



Giới thiệu một biến thời gian trễ: Ngõ vào thứ hai trễ một khoảng thời gian so với ngõ vào thứ nhất



20.MemoryTín hiệu ngõ vào được lâý tích phân từng phần và được lưu giữ

Những thông số : Điều kiện đầu.

Khối này được áp dụng cho việc giải các vòng lượng giác.

21. SignThực thi một hàm dấu.



Đó là những thư viện cơ bản , ngoài ra còn các thư viện khác như :thư viện đầu nối v…v việc tìm hiểu hết các chức năng của chúng cũng rất nhiều khó khăn và cũng không có thời gian để nói ra hết .

Ngoài những thư viện đã có người sử dụng có thể tạo cho mình một thư viện riêng bằng cách ghép nối các khối lại với nhau tạo thành một nhóm (group) hay viết riêng một chương trình (rất khó) (gọi là S-function) để chạy mô phỏng trong SIMULINK. Đây là công việc giống như tạo các linh kiện mới, macro trong các phần mềm vẽ mạch điện tử.

CHƯƠNG IV ỨNG DỤNG

I. GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

Lý thuyết Điều khiển tự động là phần chủ yếu của lý thuyết điều khiển. Lý thuyết điều khiển tự động là kiến thức cơ sở của các ngành kỹ thuật tự động trong lĩnh vực điện tử, điện động lực, cơ khí, hàng hải, quốc phòng.

I.1 . Các phần tử cơ bản của hệ thống Điều khiển tự động:

Hệ thống Điều khiển tự động là hệ thống được xây dựng từ 3 bộ phận chủ yếu:" Thiết bị điều khiển (C)



" Đối tượng điều khiển (O)" Thiết bị đo luờng ( M)

Hình 2.29. Sơ đồ hệ thống Điều khiển tự động.

Trong đó :U : tín hiệu vào y : tín hiệu raX : tín hiệu điều khiển tác động lên đối tượnge : tín hiệu sai lệchZ : tín hiệu phản hồi.

I.2 .Các nguyên tắc điều khiển cơ bản: Trong điều khiển tự động có 3 nguyên tắc điều khiển cơ

bản sau:

" Nguyên tắc điều khiển sai lệch" Nguyên tắc điều khiển theo phương pháp bù nhiểu." Hỗn hợp hai nguyên tắc trên.

Ngoài 3 nguyên tắc trên còn có thêm các nguyên tắc

" Nguyên tắc điều khiển theo chương trình" Nguyên tắc điều khiển thích nghi.

I.3. Phân loại hệ thống điều khiển tự động

Việc phân loại hệ thống điều khiển tự động theo nhiều nguyên tắc khác nhau. Nhưng ta có thể phân loại theo các hệ thống sau:

" Hệ thống điều khiển tuyến tính" Hệ thống điều khiển phi tuyến



" Hệ thống điều khiển liên tục" Hệ thống điều khiển rời rạc hay hệ thống xung -số" Hệ ngẩu nhiên" Hệ tối ưu" Hệ thống thích nghi (tự chỉnh)

I.4. Nhiệm vụ của lý thuyết điều khiển tự động

Nhiệm vụ cơ bản của lý thuyết điều khiển tự động là phân tích hệ thống và thiết kế hệ thống.

II.ÁP DỤNG SIMULINK VÀO THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH

Trong việc khảo sát những ứng dụng ta thử xây sơ đồ mô phỏng cho hệ dao động lò xo khối lượng sau :

Hệ lò xo khối lượng trên được mô tả bởi phương trình vi phân:

m: khối lượng ; k: độ cứng lò xo Từ đó ta có sơ đồ khối sau :

Hình 2.30. Sơ đồ khối hệ dao động

Sau đó ta thử xây dựng sơ đồ mô phỏng trong SIMULINK .



Hình 2.31. Sơ đồ khối mô phỏng hệ khối lượng lò xo.

Hình 2.32. Dạng sóng ngõ ra của Scope

Từ sơ đồ thiết kế ta có thể thêm vào các khối để khảo sát hệ như: hệ số cứng (gain), thay đổi dạng sóng…

Trong các sách bài tập điều khiển tự động có các khối nhưng không biết được đáp ứng của hệ như thế nào. Việc dùng SIMULINK để khảo sát rất thuận tiện cho việc phân tích bài toán

Hình 2.33. Sơ đồ khối của một hệ dưới tác động của đáp ứng bước



Hình 2.34. Đáp ứng của Sơ đồ

Ở hình 2.35 và 2.36 là sơ đồ khối của động cơ điện và đáp ứng vận tốc quay

Hình 2.35 . Sơ đồ khối của động cơ điện



Hìnnh 2.36 .Đáp ứng vận tốc quay

Trong điều khiển tự động thêm vào khâu các P, PI, PID làm cho hệ thống hoạt động tốt và ổn đinh hơn.

Các sơ đồ điều khiển và mô phỏng.

Hình 2.37 .Hệ thống điều khiển có khâu PI.

Hình 2.38 .Đáp ứng tại khâu bão hoà.



Hình 2.39 .Đáp ứng ngõ ra.

Hình 2.40 .Hệ thống mô phỏng của chuyển động rơi quả banh

Hình 2.41 .Kết quả mô phỏng.



Hình 2.41 .Mô hình động cơ DC di chuyển cánh tay Robot

Hình 2.42: Sơ đồ mô phỏng một khâu bậc hai

Hình 2.43: Đáp ứng của khâu bậc hai dưới ngõ vào là hàm dốc và bước



Hình 2.44 . Mô hình động cơ không đồng bộ

Hình 2.45. Kết quả mô phỏng.



Hình 2.46. Sơ đồ điều khiển động cơ DC

Hình 2.47. Đáp ứng của động cơ với khâu P

Hình 2.48. Đáp ứng của động cơ với khâu PI


luan van tot nghiep tim hieu simulink trong matlab 20120825103456 31

Documents