Tải bản đầy đủ

Phần II SIMULINK TRONG MATLAB

PhÇn II. SIMULINK TRONG MATLAB

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 dựïng 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:

§Ĩ vµo Simulink trong Matlab, dïng biĨu tỵng trªn thanh c«ng cơ hc ta tõ
cưa sỉ lƯnh cđa Matlab ®¸nh dßng lƯnh:
>> 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 2.1 :
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 (Continuous), khối đầu nối (Signal
Routing)…………

Hình 2.2 : 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 ta phải làm 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 (Hình2.2).Từ đó ta bắt đầu xây dựng mô hình.
3 . Chọn các block ở các thư viện thích hợp:


Hình 2.3 : Mô hình phân tích sóng hình sin

H×nh 2.4: 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 (Continuous): Chọn Integrator.
+ Thư viện các đầu nối ( Signal Routing): Chọn Mux.
Để chọn một thư viện trong Simulink ta nhấp kép (Double Click) vào khối (icon) đó.
Simulink sẽ hiển thò 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 2.5.
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 2.5 : Cửa sổ thư viện Phầàn Nguồn tín hiệu. (SOURCES)

Hình 2.6 : 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 thò như trên hình 2. 7.
Nếu xem kó 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 2.7. Cửa sổ sơ đồ với các khối đã được copy.

OUTPUT
PORT

INPUT PORT

Hình 2.8 .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 trò thông số
"Number of Input" là 2 (hình 2.9).Sau đó nhấn phím Apply và đó cửa cửa sổ Mux. Simulink
sẽ điều chỉnh số cổng vào theo giá trò đã nhập.

Hình 2.9. 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 2.10. Cửa sổ mô hình trước khi nối dây.

Hình 2.11. Cửa sổ mô hình khi đang nối dây.


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

Hình 2.12. 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 2.13. Con trỏ đặt vào điểm cần rẽ nhánh.
2. Ên 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 2.14.Một đoạn dây không như ý .
Kết thúc việc nối dây, mô hình được hiển thò như trên hình 2.15.


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 2.15. Một đoạn dây đã được chọn.

Hình 2. 16. Cửa sổ mô hình đã được vẽ xong.
Bây giờ ta mở khối Scope để hiển thò 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.

H×nh 2.17 Cưa sỉ ®Ỉt th«ng sè m« pháng


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 2.18 . Cửa sổ hiển thò 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 2.19: Thư viện Phần Rời
Rạc (DISCRETE)

Th viƯn Sinks h×nh
2.20 gåm c¸c khèi
xt chn cđa
Simulink. Bªn c¹nh
kh¶ n¨ng hiĨn thÞ
®¬n gi¶n b»ng sè,
cßn cã khèi dao
®éng bÊt kú ®Ĩ biĨu
diƠn c¸c tÝn hiƯu
phơ thc thêi gian


Hình 2.20 : Thö vieän Ñoà thò (SINKS)

Hình 2.21 : : Thö vieän Phaàn Tuyeán tính (Continuous)


Hình 2.22: Thö vieän Phaàn phi tuyeán (Discontinuties)

Hình 2.23: Thö vieän Phaàn Ñaàu noái (Signal Routing)


Vµ mét sè th viÖn kh¸c


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 đònh bởi hai thuộc tính: Văn phong và cấu trúc.
Thuộc tính về văn phong được mô tả trong bản Style:
Style
Drop Shadows
Orientation
Title
Font…
Foreground Color
Background Color
Screen Color
Bao gồm :
• Drop Shadows : Bật tắt bóng của Block.
• Orientation
: Đònh hướng chọn Block. Sự đònh hướng này có thể chọn phím nóng
Ctrl +R để xoay 900 hoặc Ctrl + F để xoay 1800
• Title : Đặt tên cho Block.
Displayed
Hidden
Top/Left
Bottom/Right

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

• Font :Đònh 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 ë phÇn sau


Block name
Brief
explanation

For further information

Parameter

Hình 2.25: 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 bò 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.
IV. øng dơng Simulink trong tÝnh to¸n
1. Ph¬ng tr×nh dao ®éng cđa « t«


Với giả thiết khối lợng của hệ thống treo đợc chia đều cho phần khối lợng
đợc treo v phần khối lợng không đợc treo, mô hình động lực học của hệ thống
treo đơn chỉ gồm phần tử đn hồi (Cs) v phần tử giảm chấn (Ks) thể hiện trên hình 2.26
Phơng trình động lực học của hệ thống:
Trong đó: Zs, Zs- độ dịch chuyển, tốc độ dịch chuyển của điểm liên kết với
khối lợng đợc treo;
Zu, Zu- độ dịch chuyển, tốc độ dịch chuyển của điểm liên
Hình 2.26 mô hình hệ thống treo đơn
kết với khối lợng không đợc treo;
Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống bằng phần mền
Matlab/Simulink

+ Phơng trình vi phân mô tả hệ thống hình 2.27:
F(qt)= -m = -mZ
Fc= - c.Z
Fk = - kZ
F(t)

F(t)

F(t)

Z
m

0

-m.Z- kZ cZ + F(t) =0
Z =

Fc

Sơ đồ mô phỏng hệ thống bằng Simulink nh sau:

2.
xe
để khảo sát dao động của khối lợng đợc treo v

Fk
Fqt

C

k

Hình 2.27 mô hình hệ thống treo đơn

Mô hình
dao động
1/4 xe
Mô hình 1/4
đợc dùng


không đợc treo trên một trục khi chúng dao động độc lập, mô hình vật lý dao
động 1/4 xe thể hiện trên hình 2.28
Có thể chia mô hình dao động 1/4 xe thnh các phần tử: bánh xe; khối lợng
không đợc treo; hệ thống treo v phần tử khối lợng đợc treo.
Phần tử bánh xe có hai kích thích đầu vo l dịch chuyển của khối lợng
không đợc treo v chiều cao mấp mô biên dạng đờng. Đầu ra l lực tơng tác
với khối lợng không đợc treo v cũng l lực tơng tác với đờng.

Hình 2.28. Mô hình dao động
Phơng trình động lực học của hệ
thống:
-ms. - Ks(Zs - Zu) -Cs(Zs - Zu)
=
(1)
-mu. + Ks(Zs - Zu) + Cs(Zs - Zu) - Kt(Zu - q) - Ct(Zu - q) = 0 (2)
Từ (1)
Từ (2 )

=
=

Để giải hệ phơng trình vi phân dùng Simulink có các cách sau:
a. Cách 1: Dùng kết nối trực tiếp

1/4 xe
0


KÕt qu¶ m« pháng

b. C¸ch 2: Dïng hÖ thèng con Subsystem
T¸ch hÖ ph¬ng tr×nh thµnh hai hÖ th«ng Subsystem

Sö dông
ph¬ng

Subsystem cho
tr×nh 1:


Sö dông Subsystem1 cho ph¬ng tr×nh 2:
c. C¸ch 3:

Tõ hai ph¬ng tr×nh (1) vµ (2) ta cã thÓ t¸ch thµnh 4 ph¬ng tr×nh nhá:
1.
-ms. – F1= 0
2.
F1 = Ks(Z’s – Z’u) + Cs(Zs - Zu)
3.
-mu. + F1– F2 = 0
4.
F2 = Kt(Z’u – q’) + Ct(Zu - q)
T¬ng øng víi 4 s¬ ®å sau:
(2)

(1)

Zs

F1

Zs
ms

0

Cs

ks
Zu

F1

F1

(4)

F2

F1

(3)

Zu
mu

0

F2

Ct

kt

F2




3. Hệ thống treo bị động (passive suspensions)

H×nh 2.29. Mô hình hệ thống treo bị động
ms- Khối lượng phần được treo
Zs - Dịch chuyển dọc khối lượng được treo
kr - Độ cứng phần tử đàn hồi cầu sau
kf - Độ cứng phần tử đàn hồi cầu trước
br -Hệ số cản giảm chấn cầu sau
bf - Hệ số cản giảm chấn cầu trước
bur - Hệ số cản giảm chấn lốp cấu sau; buf - Hệ số cản giảm chấn của lốp cầu
trước
mur - Khối lượng phần không được treo cầu sau
muf - Khối lượng phần không được treo cầu trước
Zu - dịch chuyển dọc khối lượng không được treo
q- mấp mô biên dạng mặt đường
V – vận tốc chuyển động ôtô ;
J - mômen quán tính của ms
lf - khoảng cách từ trọng tâm đến điểm gi của hệ thống treo trước
lr – khoảng cách từ trọng tâm đến điểm gi của hệ thống treo sau
φ - góc quay của khối lượng được treo
a. Phương trình dao động của khối lượng được treo:
Dịch chuyển thẳng đứng Zsr, Zsf của vị trí A và B được xác định như sau:


(do góc Φ rất nhỏ nên ta có: tan Φ≈ Φ)

Hình 2.30: Mô hình phương trình dao động hệ thống treo bị động
Chuyển động thẳng đứng của khối lượng được treo:

Chuyển động quay:

b. Phương trình dao động khối lượng không được treo cầu trước:


c. Phương trình dao động khối lượng không được treo cầu sau:

Ta có:




Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×