BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG MÁY TÍNH TRONG MÔ PHỎNG HỘP SỐ TỰ ĐỘNG TRÊN Ô TÔ NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS NGUYỄN TRỌNG HẢI Sinh viên thực hiện MSSV Lớp Hoàng Ngọc Tài 1711251485 17DOTA3 Trịnh Công Thành 1711251508 17DOAT3 Tp Hồ Chí Minh, ngày 26 tháng 09 năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG MÁY TÍNH TRONG MÔ PHỎNG HỘP SỐ TỰ ĐỘNG TRÊN Ô TÔ NGÀNH CÔNG N.
GIỚI THIỆU
Matlab và Simulink
Matlab là một môi trường lập trình và tính toán số được phát triển bởi công ty MathWorks, cho phép người dùng thực hiện các phép toán với ma trận, vẽ đồ thị và biểu đồ thông tin, cũng như phát triển thuật toán và giao diện người dùng Matlab hỗ trợ liên kết với các chương trình viết bằng nhiều ngôn ngữ lập trình khác, giúp đơn giản hóa quá trình giải quyết các bài toán kỹ thuật so với các ngôn ngữ lập trình truyền thống như C và C++.
Với thư viện Toolbox, Matlab cho phép mô phỏng tính toán, thực nghiệm nhiều mô hình trong thực tế và kỹ thuật
Ngôn ngữ lập trình dùng trong hệ tính toán số cũng có tên gọi là Matlab Nó thuộc kiểu lập trình thủ tục
1.1.1.2 Phạm vi ứng dụng của Matlab
Các ứng dụng điển hình là:
Toán học và tính toán;
Tạo mô hình mô phỏng và tạo giao thức;
Khảo sát phân tích số liệu;
Đồ họa khoa học kỹ thuật;
Phát triển ứng dụng gồm cả xây dựng giao diện người dùng;
Thiết kế các hệ thống điều khiển trong thời gian thực
1.1.1.3 Một số thao tác cơ bản trong Matlab
In MATLAB, the menu bar varies depending on the selected window; however, the File, Desktop, Window, and Help menus are consistently present across most menu bars.
New: Tạo một đối tượng mới (biến, m-file, figure, model, GUI);
Open: Mở một file theo định dạng của MATLAB (*.m, *.mat, *.mdl);
Import data: Nhập dữ liệu từ các file khác vào MATLAB;
Save workspace: Lưu các biến trong MATLAB vào file *.mat;
Set path: Khai báo các đường dẫn của các thư mục chứa các m-file;
Preferences: Thay đổi các định dạng về font, font size, color cũng như các tùy chọn cho Editor, Command Window v.v;
Page Setup: Định dạng trang in;
Desktop layout: Sắp xếp các cửa sổ trong giao diện;
Save layout: Lưu cách sắp xếp cửa sổ
Simulink là một môi trường mô phỏng và thiết kế dựa trên mô hình, cho phép người dùng tạo sơ đồ khối với các khối đại diện cho các bộ phận của hệ thống Mỗi khối có thể biểu thị một thành phần vật lý, một hệ thống nhỏ hoặc một chức năng cụ thể, với mối quan hệ đầu vào - đầu ra đặc trưng cho từng khối.
Vòi nước làm đầy xô là một quá trình trong đó nước chảy vào xô với một tốc độ dòng chảy nhất định, khiến cho xô trở nên nặng hơn Trong mô hình này, khối lượng nước có thể được coi là thùng chứa, với tốc độ dòng chảy là đầu vào và trọng lượng của xô là đầu ra.
Khi bạn sử dụng một cái loa để nghe giọng nói của mình, âm thanh được tạo ra ở một đầu loa sẽ được khuếch đại ở đầu kia Loa hoạt động như một khối thống nhất, trong đó đầu vào nhận sóng âm từ nguồn và đầu ra phát ra sóng âm mà bạn nghe thấy.
Khi bạn đẩy xe hàng, xe sẽ di chuyển nhờ vào lực tác dụng của bạn, trong đó xe hàng được xem như một khối Đầu vào là lực bạn tác động, còn đầu ra là vị trí của xe đẩy Định nghĩa của một khối chỉ được coi là hoàn chỉnh khi các đầu vào và đầu ra của nó được xác định rõ ràng, điều này liên quan mật thiết đến mục tiêu của mô hình.
Bật lò sưởi không làm thay đổi ngay lập tức nhiệt độ, mà thực chất là cung cấp dữ liệu cho một phương trình vi phân Lịch sử nhiệt độ, như một trạng thái, cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Khi mô phỏng yêu cầu giải một phương trình vi phân hoặc sai phân, Simulink sử dụng bộ nhớ và bộ giải số để tính toán giá trị trạng thái cho từng bước thời gian Simulink xử lý dữ liệu trong ba danh mục khác nhau.
Tín hiệu: Khối đầu vào và đầu ra, được tính toán trong quá trình mô phỏng;
Kỳ: Các giá trị bên trong, đại diện cho động lực của khối, được tính toán trong quá trình mô phỏng;
Tham số: Giá trị ảnh hưởng đến hoạt động của khối, do người dùng kiểm soát
1.1.2.2 Một số thư viện công cụ trong Matlab Simulink
Chạy mô phỏng từng bước để xác định vấn đề, tiến hoặc lùi về một thời điểm cụ thể trong thời gian mô phỏng
- Log signals (ghi lại tín hiệu):
Simulink sẽ hiển thị kí hiệu báo tín hiệu đã ghi, cho mỗi tín hiệu
- Add viewer (thêm công cụ quan sát):
Viewer là một công cụ hữu ích cho việc tạo và trực quan hóa tín hiệu, giúp người dùng mô phỏng và quan sát tín hiệu một cách rõ ràng mà không cần sử dụng các khối hiển thị tín hiệu trong Library Browser.
Xem chẩn đoán của mô hình, định cấu hình và tùy chỉnh kiểm tra chẩn đoán
Bạn có khả năng tùy chỉnh các thông báo chẩn đoán và điều kiện mà phần mềm kiểm tra, nhằm tạo ra lỗi hoặc cảnh báo theo ý muốn.
Hình 1.1: Biểu tượng Diagnostic Viewer
- Trace Signal (theo dõi tín hiệu):
Bạn có thể theo dõi tín hiệu của mô phỏng xác định nguồn hoặc đích đến của tín hiệu đó bằng cách dùng Trace Signal
Hình 1.2: Hình biểu tượng Trace signal
Comment Out cho phép bạn bỏ qua một hoặc nhiều phần của mô phỏng khi bạn không muốn mô phỏng toàn bộ hoặc chỉ muốn tập trung vào một hệ thống cụ thể trong mô hình.
Hình 1.3: Biểu tượng Comment Out
Simulink cho phép hiển thị giá trị tín hiệu đầu ra của các khối có tín hiệu mang dữ liệu dưới dạng nhãn giá trị trên sơ đồ khối, cả trong quá trình mô phỏng và sau khi hoàn tất Những nhãn này cung cấp thông tin về các giá trị đầu ra khi Simulink thực hiện các phương thức đầu ra của khối, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và phân tích kết quả mô phỏng.
Hình 1.4: Biểu tượng Output Value
Tạo một điểm ngắt có điều kiện sẽ kích hoạt khi một biểu thức cụ thể được đánh giá trên tín hiệu Khi điểm ngắt này được kích hoạt, mô phỏng sẽ tạm dừng.
Để cấu hình mô hình của bạn trong Simulink, hãy mở hộp thoại "Configuration Parameter" bằng cách nhấp vào "Model Settings" trên tab "Modelling" trong Simulink Editor.
Hình 1.5: Hộp thoại Configuration Parameter
Sử dụng Model Explorer để xem, sửa đổi và thêm các phần tử của mô hình Simulink, biểu đồ Stateflow® và các biến workspace
Model Explorer giúp bạn dễ dàng tập trung vào các phần tử cụ thể như khối, tín hiệu và thuộc tính mà không cần phải điều hướng qua mô hình hoặc biểu đồ.
Hình 1.6: Hộp thoại Model Explorer
Stateflow
Stateflow là một ứng dụng phần mềm được phát triển bởi MathWorks tương thích với hầu hết các hệ điều hành như Windows, MacOS, Linux,… trên nền tảng x64 bit
Stateflow là công cụ mạnh mẽ trong MATLAB, cho phép mô tả thuật toán và thiết kế đồ họa tương tác với Simulink để xây dựng mô hình hệ thống phản ứng, hay còn gọi là hệ thống hướng sự kiện Với ngôn ngữ đồ họa đa dạng, Stateflow hỗ trợ người dùng tạo sơ đồ chuyển trạng thái, biểu đồ luồng, bảng chuyển trạng thái và bảng xác thực Trình soạn thảo đồ họa của Stateflow cho phép kéo thả các đối tượng từ bảng thiết kế, giúp dễ dàng xây dựng các finite state machines một cách trực quan và hiệu quả.
Stateflow nâng cao tính dễ dàng của mô hình thông qua việc bổ sung các yếu tố như phân cấp, song song, sự kiện, hành động và lịch sử Các khối Stateflow được coi là các khối Simulink tiêu chuẩn, cho phép tích hợp mượt mà vào các mô hình Simulink.
Stateflow thường được sử dụng để thiết lập bộ điều khiển rời rạc trong mô hình hệ thống kết hợp, trong đó động lực liên tục được mô phỏng bằng Simulink.
Stateflow cho phép thiết kế và phát triển các giải pháp cho kiểm soát giám sát, lập lịch tác vụ, quản lý lỗi, giao thức truyền thông, giao diện người dùng và hệ thống kết hợp một cách hiệu quả.
Với Stateflow, bạn có thể mô hình hóa các quyết định kết hợp và tuần tự một cách logic, tích hợp chúng vào mô hình Simulink hoặc sử dụng như một đối tượng trong MATLAB Tính năng hoạt hình đồ họa giúp phân tích và gỡ lỗi logic trong quá trình thực thi Việc kiểm tra thời gian chỉnh sửa và thời gian chạy đảm bảo rằng thiết kế của bạn nhất quán và đầy đủ trước khi triển khai.
Sự khác nhau giữa Simulink và Stateflow:
Simulink là một công cụ mô hình hóa toán học, cho phép thực hiện nhiều phép toán để xử lý và đưa ra kết quả, nhằm đáp ứng hiệu quả với các thay đổi liên tục trong các hệ thống động.
Simulink cho phép chúng ta tạo mô hình mô phỏng hệ thống thông qua việc vẽ sơ đồ khối Tuy nhiên, nó thiếu cơ sở logic có điều kiện, dẫn đến việc sử dụng cấu trúc if nhiều lần trở nên lộn xộn và phức tạp.
Các hệ thống trong thực tế phải đáp ứng với cả những thay đổi liên tục và tức thời
Sử dụng cả Simulink và Stateflow để bạn có thể sử dụng đúng công cụ cho đúng công việc
Hệ thống truyền động của ô tô được mô hình hóa động lực học bằng Simulink, trong khi bộ điều khiển chuyển số được thể hiện qua Stateflow.
Mô hình mô phỏng có thể bao gồm các khối Simulink, khối Toolbox và khối Stateflow, trong đó sơ đồ Stateflow kết hợp các đối tượng đồ họa và phi đồ họa.
1.2.2 Các đối tượng có trong Stateflow
Hình 1.24: Các đối tượng có trong Stateflow
Một state trong hệ thống phản ứng mô tả chế độ hoạt động của nó Trong biểu đồ Stateflow, các state được sử dụng để xây dựng các biểu đồ chuyển đổi trạng thái, với khả năng hoạt động hoặc không hoạt động Tình trạng hoạt động của một state có thể thay đổi dựa trên các sự kiện và điều kiện khác nhau.
Các state có nhãn cho phép xác định trình tự thực hiện các hành động dựa trên loại hành động cụ thể Các loại hành động bao gồm entry, during, exit và on.
1.2.2.2 Hệ thống phân cấp trong state Để quản lý độ phức tạp của các state nhiều cấp, hãy sử dụng hệ thống phân cấp trong biểu đồ Stateflow của bạn Với hệ thống phân cấp, bạn có thể biểu diễn nhiều cấp thành phần con trong một hệ thống
Trong hình, State A sẽ là state nguồn của hai state con là StateA1 và StateA2
Hình 1.25: Phân cấp trong Stateflow
1.2.2.3 Sự phân chia trạng thái (State Decomposition)
Phân chia trạng thái có thể là kiểu độc nhất (OR) hoặc kiểu song song (AND)
Trạng thái độc nhất (OR)
Các trạng thái con với đường viền liền khối thể hiện trạng thái độc nhất (OR), cho phép mô tả các chế độ hoạt động loại trừ lẫn nhau Khi có sự phân chia kiểu OR, chỉ một trạng thái con có thể hoạt động tại một thời điểm.
Hình 1.26: Vị dụ trang thái độc nhất (OR)
Trạng thái song song (AND)
Các trạng thái con với đường viền đứt nét thể hiện sự phân chia song song (AND), cho phép mô tả các chế độ hoạt động đồng thời Khi một trạng thái có sự phân chia này, tất cả các trạng thái con sẽ hoạt động cùng lúc.
Hình 1.27: Ví dụ trạng thái song song (AND)
Nhãn cho một trạng thái xuất hiện ở góc trên cùng bên trái của hình chữ nhật trạng thái với định dạng chung sau:
on event_name:on event_name actions;
on message_name:on message_name actions;
Hình 1.28: Ví dụ State labels
Bạn có thể nhập các câu lệnh hành động tùy chọn cho trạng thái, sử dụng các từ khóa để xác định loại hành động Có thể chỉ định không, một số hoặc tất cả các từ khóa này.
Entry actions: Sẽ được thực thi khi một state hoạt động
Exit actions: được thực hiện khi một state đang hoạt động và sự chuyển đổi ra khỏi trạng thái xảy ra
Simscape
Simscape là một thư viện mở rộng của Simulink, cho phép mô hình hóa và mô phỏng các hệ thống vật lý đa miền Nó cung cấp một tập hợp các thư viện khối và tính năng mô phỏng để thiết kế các hệ thống như động cơ điện, chỉnh lưu cầu, bộ truyền động thủy lực và hệ thống lạnh Người dùng có thể lắp ráp các thành phần cơ bản thành sơ đồ để tạo ra mô hình chính xác Ngoài ra, các sản phẩm bổ sung của Simscape còn cung cấp các thành phần phức tạp hơn và khả năng phân tích sâu hơn cho người dùng.
Simscape cho phép phát triển hệ thống điều khiển và kiểm tra hiệu năng ở cấp hệ thống, giúp người dùng tạo mô hình thành phần tùy chỉnh bằng ngôn ngữ Simscape dựa trên MATLAB Người dùng có thể sử dụng văn bản để xây dựng các thành phần mô hình vật lý, miền và thư viện Thêm vào đó, mô hình có thể được tham số hóa bằng các biến và biểu thức MATLAB, đồng thời thiết kế các hệ thống kiểm soát cho hệ thống vật lý trong Simulink Đặc biệt, Simscape hỗ trợ tạo mã C để triển khai mô hình đến các môi trường mô phỏng khác, bao gồm hệ thống vòng lặp phần cứng (HIL).
Sự khác nhau giữa Simscape và Simulink:
Simscape: Là mô hình thuần vật lý (liên kiết giữa các block là các kết nối vật lý)
Simulink: Là mô hình thuần toán học (gồm nhiều phép toán để xử lý đưa ra kết quả)
Trong mô hình Simulink, các mối quan hệ toán học được thể hiện qua các khối được kết nối bằng các liên kết tín hiệu Mỗi khối thực hiện những chức năng toán học cụ thể, giúp mô phỏng và phân tích hệ thống một cách hiệu quả.
Mô hình Simscape sử dụng các khối đại diện cho các đối tượng vật lý, sao chép các quan hệ cấu thành chi phối hành vi của chúng Đây là một mạng đại diện của hệ thống đang được thiết kế, dựa trên cách tiếp cận mạng vật lý Một trong những ưu điểm nổi bật của Simscape là khả năng mô phỏng chính xác và linh hoạt các hệ thống vật lý phức tạp.
Có thể phát triển các hệ thống điều khiển và kiểm tra hiệu năng của hệ thống;
Dễ tiếp cận, dễ sử dụng cho người dùng;
Mô hình hóa được nhiều hệ thống vật lý (cơ học, điện, thủy lực,…);
Bạn có thể tham số hóa mô hình của mình bằng các biến và biểu thức trong MATLAB, đồng thời thiết kế hệ thống kiểm soát cho các hệ thống vật lý thông qua Simulink.
Simscape hỗ trợ tạo mã C, cho phép mô phỏng các mô hình vật lý trong các môi trường mô phỏng khác nhau, bao gồm cả hệ thống vòng lặp phần cứng (HIL).
1.3.2.1 Foundation library ( Thư viện nền tảng )
Thư viện bao gồm các yếu tố vật lý cơ bản, khối xây dựng, nguồn và cảm biến, được phân loại thành các thư viện con theo từng kỷ luật kỹ thuật và chức năng cụ thể.
Thư viện của Simscape Foundation cung cấp một bộ sưu tập toàn diện các yếu tố cơ bản và khối xây dựng được phân loại theo các miền vật lý như điện, cơ học quay và tịnh tiến, chất lỏng đẳng nhiệt, và khí Trong từng miền, các khối được tổ chức thành các yếu tố, nguồn và cảm biến Đặc biệt, trong miền chất lỏng, thư viện con tiện ích bao gồm các khối xác định các thuộc tính của chất lỏng.
Một số khối cơ bản:
Thư viện con Mechanical Sensor:
Ideal Force Sensor: Cảm biến lực trong hệ thống tịnh tiến cơ học;
Ideal Rotational Motion Sensor: Cảm biến chuyển động trong hệ thống quay cơ học;
Ideal Torque Sensor: Cảm biến momen xoắn trong hệ thống quay cơ học;
Ideal Translational Motion Sensor: Cảm biến chuyển động trong hệ thống tịnh tiến cơ học
Hình 1.38: Một số khối trong thư viện con Mechanical Sensor
Thư viện con Mechanical Sources:
Ideal Angular Velocity Source: Nguồn vận tốc góc lý tưởng trong hệ thống quay cơ học;
Ideal Force Source: Nguồn năng lượng cơ học lý tưởng tạo ra lực tỷ lệ với tín hiệu đầu vào;
Ideal Torque Source: Nguồn năng lượng cơ lý tưởng tạo ra momen xoắn tỷ lệ thuận với tín hiệu đầu vào;
Ideal Translational Velocity Source: Nguồn vận tốc lý tưởng trong hệ thống tịnh tiến cơ học
Hình 1.39: Một số khối trong thư viện con Mechanical Sources
Thư viện con Translational Elements:
Mass: Khối lượng tịnh tiến cơ học lý tưởng;
Mechanical Translational Reference: Kết nối tham chiếu cho các cổng tịnh tiến cơ học;
Translational Damper: Van điều tiết nhớt trong hệ thống tịnh tiến cơ học (ống giảm chấn trong ô tô);
Translational Free End: Bộ kết thúc cổng tịnh tiến với lực bằng không
Translational Hard Stop: Điểm dừng tịnh tiến hai vật thể;
Translational Spring: Lò xo lý tưởng trong hệ thống tịnh tiến cơ học;
Translational Friction: Ma sát tiếp xúc giữa các các vật thể chuyển động;
Translational Inerter: Quán tính hai cổng trong hệ thống tịnh tiến cơ học
Hình 1.40: Một số khối trong thư viện con Translation Elements
Thư viện con Rotational Elements:
Inertia: Quán tính quay cơ học lý tưởng;
Mechanical Rotational Reference: Kết nối tham chiếu cho các cổng xoay cơ học;
Rotational Damper: Van điều tiết nhớt trong hệ thống quay cơ học
Rotational Free End: Đầu cuối cổng quay với momen xoắn bằng không;
Rotational Friction: Ma sát tiếp xúc giữa các vật thể quay;
Rotational Hard Stop: Điểm dừng của hai vật thể quay;
Rotational Inerter: Quán tính hai cổng trong hệ thống quay cơ học;
Rotational Spring: Lò xo lý tưởng trong hệ thống quay cơ học
Hình 1.41: Một số khối trong thư viện con Rotational Elements
Ví dụ: Sử dụng Simscape Foundation để mô phỏng hệ thống xe lửa
1.3.2.2 Utilities library (Thư viện tiện ích)
Chứa các khối môi trường thiết yếu để tạo các mô hình mạng vật lý, chứa các khối tiện ích, các khối chuyển đổi và tham dò tín hiệu
Một số khối cơ bản
Tên khối Hình ảnh Chức năng
Chuyển đổi tín hiệu từ môi trường Simulink signal sang Physical signal
Chuyển ngược tín hiệu từ Physical signal sang Simulink signal
Khối giải thuật cho model, bắt buộc phải có
Khối Spectrum Analyzer, ở đây được gọi là phạm vi, hiển thị tần số của tín hiệu
Bảng 1.1: Một số khối của thư viện Utilities 1.3.2.3 Simscape Driveline
Hình 1.42: Hình ảnh minh họa
Simscape Driveline, trước đây gọi là SimDriveline, cung cấp các thư viện thành phần cho việc mô hình hóa và mô phỏng các hệ thống cơ học quay và tịnh tiến Thư viện này bao gồm các mô hình bánh răng, ốc vít và các bộ phận của xe như động cơ, lốp xe, hộp số và bộ chuyển đổi mô men xoắn Người dùng có thể áp dụng các thành phần này để lập mô hình truyền lực cơ học trong nhiều ứng dụng, bao gồm hệ thống truyền động trực thăng, máy móc công nghiệp và ô tô Ngoài ra, hệ thống điện, thủy lực, khí nén và các hệ thống vật lý khác có thể được tích hợp vào mô hình thông qua các thành phần từ dòng sản phẩm Simscape.
Một số khối cơ bản
Tên khối Hình ảnh Chức năng
Khối mô phỏng bánh răng truyền lực chính dùng để truyền lực ra bộ vi sai
Cone Clutch Khối mô phỏng bộ đồng tốc giúp bánh răng ăn khớp và quay cùng tốc độ
Bài viết trình bày về việc sử dụng tín hiệu góc mở bướm ga (T) và khung sườn (B) làm đầu vào, từ đó cho ra công suất (P), suất tiêu hao nhiên liệu (FC) và lực từ trục khuỷu (F) Đồng thời, hệ thống cũng cho phép điều chỉnh các thông số cơ bản của động cơ.
Khối thân xe là yếu tố quan trọng trong việc thể hiện thân xe hai trục chuyển động dọc, bao gồm khối lượng thân xe, lực cản khí động học, độ nghiêng của đường và sự phân bổ trọng lượng giữa các trục do gia tốc và điều kiện mặt đường.
Khối Planetary Gear là mô hình bánh răng với các bánh răng mặt trời, hành tinh và bánh răng bao Các cổng C, R và
S đại diện cho các trục được kết nối với bộ mang bánh răng hành tinh, bánh răng vành đai và bánh răng mặt trời
Khối phanh thể hiện một phanh ma sát với hai guốc cứng có trục quay ép vào tang trống quay để tạo ra tác động phanh
Khối chuyển đổi momen xoắn bao gồm hai cổng bảo toàn quay cơ học, kết nối với bánh công tác và tuabin Thiết bị này có khả năng mô phỏng các chế độ truyền khác nhau.
Khối lốp mô hình hóa một lốp xe với tham số ma sát dưới dạng hệ số tĩnh và động học Hệ số ma sát tĩnh đóng vai trò quan trọng trong việc xác định momen xoắn tại điểm lốp mất độ bám đường và bắt đầu trượt.
Khối ly hợp ma sát đĩa đại diện cho một ly hợp ma sát với hai bộ đĩa ma sát phẳng tiếp xúc với nhau để ăn khớp
Bảng 1.2: Một số khối của thư viện Driveline
Hình 1.43: Hình ảnh minh họa
Simscape Electrical, trước đây là SimPowerSystems và SimElectronics, cung cấp thư viện thành phần cho việc mô hình hóa và mô phỏng các hệ thống điện điện tử, cơ điện tử và điện Thư viện này bao gồm các mô hình chất bán dẫn, động cơ và các thành phần cho ứng dụng như truyền động cơ điện, lưới điện thông minh và hệ thống năng lượng tái tạo Người dùng có thể tận dụng các thành phần này để đánh giá kiến trúc mạch tương tự, phát triển hệ thống cơ điện tử với ổ điện, cũng như phân tích quá trình tạo ra, chuyển đổi, truyền tải và tiêu thụ năng lượng điện ở cấp lưới.
Một số khối cơ bản
Tên khối Hình ảnh Chức năng
Khối nguồn điện áp DC cung cấp nguồn điện áp một chiều lý tưởng, với cực dương được ký hiệu bằng dấu cộng và cực âm bằng dấu trừ Điện áp có thể được điều chỉnh linh hoạt trong suốt quá trình mô phỏng.
DC Motor Khối Động cơ DC biểu diễn các đặc tính điện và momen của động cơ DC
TỔNG QUAN THỰC HIỆN CÁC PHƯƠNG PHÁP TRONG
Matlab và Simulink
- Mô phỏng một bài toán lý thuyết
Yêu cầu: Chuyển đổi đơn vị vận tốc từ vòng trên phút (rpm) sang m/s với công thức v=C.rpm/60 (trong đó C=dπ)
Trước hết ta cần khảo sát các khối cần để tạo mô hình:
Khối Ramp để đưa vào tín hiệu tốc độ vòng quay;
Khối Constant để tạo hằng số pi và 60;
Khối Product để nhân hai đại lượng;
Khối Divide để chia hai đại lượng;
Khối Scope để hiển thị kết quả
Hình 2.1: Mô hình bài toán
Thực hiện mô phỏng ta thu được kết quả:
Hình 2.2: Kết quả mô phỏng
Kết quả cho thấy mối quan hệ tỉ lệ thuận giữa tốc độ vòng quay và vận tốc, được thể hiện qua đường thẳng trên đồ thị Khi tốc độ vòng quay tăng, vận tốc cũng tăng theo, theo phương trình: v = C.rpm/60.
- Xây dựng mô hình toán học bằng Simulink
Phát biểu bài toán thực tế:
Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá một đoàn tàu đồ chơi bao gồm một động cơ và một toa Đoàn tàu chỉ di chuyển theo một chiều dọc theo đường ray Mục tiêu của chúng ta là áp dụng điều khiển cho đoàn tàu để nó có thể khởi động và dừng lại một cách trơn tru, đồng thời duy trì chuyển động với sai số tối thiểu trong trạng thái ổn định.
Hình 2.3: Hình ảnh minh họa
Mô hình hóa bài toán:
Khối lượng của động cơ và ô tô được ký hiệu lần lượt là M1 và M2 Động cơ và xe được kết nối qua một khớp nối có độ cứng k, được mô hình hóa như một lò xo với hằng số lò xo k Lực F thể hiện lực tác động giữa các bánh xe của động cơ và đường ray, trong khi đó, hệ số ma sát lăn được ký hiệu là μ.
Bước đầu tiên trong việc suy ra các phương trình toán học cho một hệ thống vật lý là vẽ biểu đồ vật thể tự do để thể hiện hệ thống đó.
Hình 2.4: Mô hình hoá bài toán
Theo định luật II Newton, tổng lực tác dụng lên một vật bằng tích khối lượng và gia tốc của nó Đối với động cơ M1, các lực tác dụng theo phương ngang bao gồm lực lò xo, lực cản lăn và lực tại mặt phân cách bánh xe - đường ray Còn toa tàu M2 chỉ chịu tác động của lực lò xo và lực cản lăn theo phương ngang Trong phương thẳng đứng, trọng lượng được cân bằng bởi các lực pháp tuyến tác dụng lên mặt đất, N = mg, dẫn đến việc không có gia tốc theo phương thẳng đứng.
Chúng ta mô hình hóa lò xo bằng cách tạo ra lực tỷ lệ thuận với độ biến dạng của nó, được biểu diễn qua công thức k(x1 - x2), trong đó x1 và x2 là chuyển vị của động cơ và xe Giả định rằng lò xo không bị định dạng khi x1 và x2 bằng 0 Lực cản lăn được mô hình hóa tỷ lệ thuận với tích của các vận tốc tương ứng và lực pháp tuyến, tương đương với lực trọng lượng Áp dụng định luật II Newton theo phương nằm ngang dựa trên sơ đồ vật tự do dẫn đến các phương trình điều chỉnh cho hệ thống xe lửa.
Xây dựng mô hình Simulink:
Để xây dựng biểu thức tổng quát cho lực và gia tốc, ta có công thức: a = ΣF / m Đầu tiên, hãy mở Simulink và tạo một cửa sổ mô hình mới Tiếp theo, kéo hai khối Sum từ thư viện Math operations vào cửa sổ mô hình và sắp xếp chúng gần nhau như trong hình minh họa.
Hình 2.5: Hình ảnh minh hoạ
Kết quả đầu ra từ mỗi khối Sum thể hiện tổng lực tác động lên từng khối lượng Bằng cách nhân mỗi tín hiệu đầu ra với 1/M, chúng ta có thể tính toán gia tốc tương ứng cho mỗi khối lượng Tiếp theo, hãy kéo hai khối Gain từ thư viện Math operations vào mô hình và kết nối chúng với các khối Sum Đừng quên gán nhãn cho hai tín hiệu này.
Để làm cho mô hình trở nên rõ ràng hơn, bạn có thể sử dụng "Sum_F1" và "Sum_F2" Việc này được thực hiện bằng cách nhấp đúp vào khoảng trống phía trên mỗi đường tín hiệu và nhập nhãn mà bạn mong muốn.
Hình 2.6: Hình ảnh minh hoạ
Các khối Gain cần chứa 1/M cho mỗi khối lượng Để xác định các biến M1 và M2 trong không gian làm việc MATLAB, bạn chỉ cần nhập tên biến tương ứng vào mỗi khối Gain Để thực hiện điều này, hãy nhấp đúp vào khối Gain phía trên và nhập thông tin cần thiết.
"1/M1" vào trường Gain Tương tự, nhập "1/M2" vào trường Gain của khối Gain thứ hai
Đầu ra của các khối khuếch đại gia tốc trong mô hình là gia tốc của từng khối lượng, bao gồm động cơ xe lửa và ô tô Các phương trình điều chỉnh phụ thuộc vào vận tốc và độ dịch chuyển của các khối lượng Vận tốc có thể xác định thông qua tích phân gia tốc, trong khi vị trí được xác định từ tích phân vận tốc Để tạo ra các tín hiệu này, cần kéo bốn khối tích phân từ thư viện liên tục vào mô hình, kết nối chúng và dán nhãn các tín hiệu tương ứng Cụ thể, bộ tích phân đầu tiên nhận gia tốc của khối lượng 1 ("x1_ddot") làm đầu vào và tạo ra vận tốc của khối lượng 1 ("x1_dot") Tiếp theo, bộ tích phân thứ hai sử dụng vận tốc này để đưa ra độ dịch chuyển của khối lượng thứ nhất ("x1"), và mô hình tương tự cũng áp dụng cho các bộ tích phân của khối lượng thứ hai.
Hình 2.8: Hình ảnh minh họa
Kéo hai Scopes từ thư viện Sinks vào mô hình và kết nối chúng với đầu ra của các bộ tích phân Gán nhãn cho chúng là "x1" và "x2".
Hình 2.9: Hình ảnh minh họa
Chúng ta đã sẵn sàng để thêm các lực tác dụng lên mỗi khối lượng Đầu tiên, cần điều chỉnh các đầu vào trên mỗi khối Sum để phản ánh số lượng lực thích hợp Với ba lực tác dụng lên khối lượng 1, hãy nhấp đúp vào khối Tổng tương ứng và thay đổi thành "| +++" Ký hiệu "|" đóng vai trò như một miếng đệm Đối với khối lượng 2, chỉ có hai lực tác dụng, vì vậy có thể giữ nguyên khối Sum đó.
Hình 2.10: Hình ảnh minh họa
Lực đầu tiên tác động lên khối lượng 1 là lực đầu vào, ký hiệu là F Để thực hiện điều này, kéo khối Signal Generator từ thư viện Sources và kết nối nó với đầu vào trên cùng của khối Sum tương ứng Đừng quên gán nhãn cho tín hiệu này là "F".
Hình 2.11: Hình ảnh minh họa
Lực cản lăn tác động lên khối lượng 1 được xác định qua phương trình, và để tạo ra lực này, cần khai thác tín hiệu vận tốc và nhân với một độ lợi thích hợp Đầu tiên, kéo khối Gain vào cửa sổ mô hình và kết nối tín hiệu "x1_dot" với đầu vào của khối Gain Sau đó, kết nối đầu ra của khối Gain với đầu vào thứ hai của khối Sum Nhấp đúp vào khối Gain và nhập "muy * g * M1" vào trường Gain Do lực cản lăn tác động theo chiều âm, cần thay đổi dấu của khối Sum thành "| + - +" Cuối cùng, điều chỉnh kích thước khối Gain để hiển thị mức tăng đầy đủ và gán nhãn đầu ra của khối Gain là "Frr1".
Hình 2.12: Hình ảnh minh họa
Lực cuối cùng tác dụng lên vật khối lượng 1 là lực lò xo Được xác định như sau:
Stateflow
Thực hiện một cảnh báo đèn nếu vận tốc quá lớn thì đèn sẽ sáng lên:
Các khối cần để thực hiện:
Khối Constant: đầu vào khối Chart;
Khối Knop: mô phỏng vận tốc xe;
Khối State Chart: nhận tín hiệu xử lý và xuất giá trị;
Khối Lamp: mô phỏng đèn
Thực hiện ví dụ theo các bước như sau:
Bước 1: Kéo khối State từ thanh Explorer
Hình 2.20: Biểu tượng State trên thanh Explorer
Bước 2: Đặt tên cho khối State:
Khối low_speed và high_speed
Hình 2.21: Ví dụ đặt tên cho khối
Bước 3: Nhập lệnh cho khối State:
Khi tốc độ đầu vào vượt quá 50, hệ thống sẽ chuyển từ trạng thái low_speed sang high_speed với đầu ra y = 1 Ngược lại, nếu tốc độ đầu vào nhỏ hơn hoặc bằng 50, trạng thái sẽ chuyển từ high_speed sang low_speed và đầu ra sẽ là y = 0.
Hình 2.22: Nhập lệnh và điều kiện cho State
Bước 4: Khai báo tín hiệu đầu Input và tín hiệu ra Output: v : input; y : output
Hình 2.23: Khai báo dầu vào và đầu ra
Bước 5: Xây dựng mô hình Simulink
Đầu vào v là khối constant kết nối với khối knob để điều chỉnh tốc độ, trong khi đầu ra y là inport kết nối với khối lamp để thông báo trạng thái sáng hoặc tắt.
Hình 2.24: Ví dụ điều chỉnh tốc độ
Để xuất kết quả trong ví dụ này, bạn cần điều chỉnh Stop Time ở chế độ inf để hệ thống hoạt động liên tục Để chạy chương trình, hãy nhấn chuột vào nút Run Để điều chỉnh tốc độ, chỉ cần thay đổi giá trị ở khối Knob Để dừng chương trình, nhấn vào nút Stop.
Hình 2.25: Điều khiển mô hình
Với tốc độ đầu vào được điều chỉnh bằng knob đạt giá trị 35 thì đèn sẽ không sáng
Hình 2.26: Knop đạt giá trị 35 đèn tắt
Với tốc độ đầu vào được điều chỉnh bằng knob đạt giá trị 65 thì đèn sáng
Hình 2.27: Knop đạt giá trị 65 đèn sáng
Để xây dựng một khối State Transition Table nhằm chuyển số khi tốc độ thay đổi và thông báo bằng đèn với từng tay số, cần sử dụng các khối công cụ khác nhau Mỗi tay số sẽ tương ứng với một màu đèn khác nhau để dễ dàng nhận biết trạng thái.
Khối Constant: đầu vào để mô phỏng tốc độ xe;
Khối Knop: mô phỏng tốc độ xe;
Khối State Transition Table: nhận tín hiệu xử lý và xuất giá trị;
Khối Lamp: mô phỏng đèn;
Khối Disphay: để hiển thị tay số
Thực hiện ví dụ theo các bước như sau:
Bước 1: Lấy các khối cần dùng:
Hình 2.28: Hình ảnh minh họa
Bước 2: Thiết lập trạng thái cho khối State Transition Table: Đầu tiên xe ở số 0
Nếu tốc độ >0 km/h thì sẽ lên số 1
Lúc xe đang ở số 1, nếu tốc độ >10 km/h thì sẽ lên số 2 và nếu tốc độ 30 km/h thì sẽ lên số 3 và nếu tốc độ 50 km/h thì sẽ lên số 4 và nếu tốc độ
