Báo cáo nhập môn ngành điện nhóm 3 tìm hiểu về matlab

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BÁO CÁO NHẬP MÔN NGÀNH ĐIỆN NHÓM 3 TÌM HIỂU VỀ MATLAB Giảng viên hướng dẫn Cao Thành Trung Sinh viên thực hiện Phùng Văn Khoa – 20222310 Trần Minh Kỳ 202[.]

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BÁO CÁO NHẬP MƠN NGÀNH ĐIỆN NHĨM 3: TÌM HIỂU VỀ MATLAB Giảng viên hướng Cao Thành Trung dẫn: Sinh viên thực Phùng Văn Khoa – 20222310 : Trần Minh Kỳ - 20222574 Nguyễn Nhật Huy – 20222554 Tơ Duy Hướng – 20222293 Lê Việt Hồng - 20222131 MATLAB LÀ GÌ? MATLAB là phần mềm cung cấp mơi trường tính tốn số và lập trình, cơng ty MathWorks thiết kế MATLAB cho phép tính tốn số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thơng tin, thực hiện thuật tốn, tạo giao diện người dùng liên kết với những chương trình máy tính viết nhiều ngơn ngữ lập trình khác Với thư viện Toolbox, MATLAB cho phép mơ tính tốn, thực nghiệm nhiều mơ hình thực tế kỹ thuật Lịch sử Matlab viết tắt từ "MATrix LABoratory", được Cleve Moler phát minh vào cuối thập niên 1970, sau chủ nhiệm khoa máy tính tại Đại học New Mexico MATLAB, nguyên sơ viết ngơn ngữ Fortran, cho đến 1980 nó phận dùng nội của Đại học Stanford Năm 1983, Jack Little, người học ở MIT và Stanford, viết lại MATLAB ngơn ngữ C và xây dựng thêm các thư viện phục vụ cho thiết kế hệ thống điều khiển, hệ thống hộp công cụ (tool box), mô Jack xây dựng MATLAB trở thành mơ hình ngơn ngữ lập trình trên sở ma trận (matrix-based programming language) Steve Bangert người viết trình thơng dịch cho MATLAB Cơng việc kéo dài gần 1½ năm Sau này, Jack Little kết hợp với Moler và Steve Bangert quyết định đưa MATLAB thành dự án thương mại công ty The MathWorks đời thời gian - năm 1984 Phiên MATLAB 1.0 dời năm 1984 viết C cho MSDOS PC phát hành tại IEEE Conference on Design and Control (Hội nghị IEEE về thiết kế điều khiển) tại Las Vegas, Nevada Ban đầu Matlab phát triển để hỗ trợ sinh viên sử dụng hai thư viện LINPACK và EISPACK dùng cho đại số tuyến tính (viết Fortran) mà khơng cần biết lập trình Fortran Năm 1986, MATLAB đời hỗ trợ UNIX Năm 1987, MATLAB phát hành Năm 1990 Simulink 1.0 phát hành gói chung với MATLAB Năm 1992 MATLAB thêm vào hỗ trợ 2-D và 3-D đồ họa màu ma trận truy tìm Năm cho phát hành phiên bản MATLAB Student Edition (MATLAB ấn cho học sinh) Năm 1993 MATLAB cho MS Windows ra đời Đồng thời cơng ty có trang web là www.mathworks.com Năm 1995 MATLAB cho Linux ra đời Trình dịch MATLAB có khả chuyển dịch từ ngôn ngữ MATLAB sang ngôn ngữ C phát hành dịp Năm 1996 MATLAB bao gồm thêm các kiểu liệu, hình ảnh hóa, bộ truy sửa lỗi (debugger), tạo dựng GUI Năm 2000 MATLAB cho đổi môi trường làm việc MATLAB, thay LINPACK EISPACK LAPACK và BLAS.[2] Năm 2002 MATLAB 6.5 phát hành cải thiện tốc độ tính toán, sử dụng phương pháp dịch JIT (Just in Time) tái hỗ trợ MAC Năm 2004 MATLAB phát hành, có khả xác đơn kiểu nguyên, hỗ trợ hàm lồng nhau, cơng cụ vẽ điểm, có mơi trường phân tích số liệu tương tác Đến tháng 12, 2008, phiên 7.7 phát hành với SP3 cải thiện Simulink với 75 sản phẩm khác Năm 2009 cho đời phiên 7.8 (R2009a) 7.9 (R2009b) Năm 2010 phiên 7.10 (R2010a) phát hành Matlab dùng rộng rãi giáo dục, phổ biến giải các bài toán số trị (cả đại số tuyến tính lẫn giải tích) nhiều lĩnh vực kĩ thuật Ngơn ngữ lập trình Ngơn ngữ lập trình dùng hệ tính tốn số có tên gọi là MATLAB Nó thuộc kiểu lập trình thủ tục (với số đặc điểm của lập trình hướng đối tượng mới bổ sung phiên gần Các kiểu liệu MatLab có đầy đủ kiểu liệu đơn giản như: số nguyên, số thực, ký tự, logic (boolean) Chuỗi ký tự đặt dấu nháy đơn nháy kép, chẳng hạn "Viet Nam" Kiểu dãy (sequence) có dạng  dau:buoc:cuoi  bao gồm véc-tơ gồm phần tử số  dau  tăng dần theo từng  buoc  cho đến (không vượt quá) số  cuoi Kết cho véc-tơ hàng: 1.2:0.2:1.7 %chú thích: tương đương với [1.2 1.4 1.6] 1.2:0.2:1.8 %chú thích: tương đương với [1.2 1.4 1.6 1.8] Kiểu ma trận đóng vai trị trung tâm MatLab Ví dụ ma trận hai hàng ba cột sau (hết hàng cần dấu chấm phẩy để phân tách, khơng thiết xuống dịng): [ -3 5.2; 2.1 -8 7.6 ] MatLab cịn có số kiểu liệu khác cao cấp hơn: kiểu cell, kiểu struct (bản ghi) Các phép tính với ma trận Các phép cộng trừ hai ma trận kích thước thực bình thường Đặc biệt với phép nhân, MatLab phân biệt hai toán tử:  *  dành cho phép nhân ma trận và  *  dành cho nhân cặp phần tử tương ứng hai ma trận >> a = [2 3; 4] >> a * a % bình phương ma trận A 10 18 12 22 >> a.* a % bình phương TỪNG PHẦN TỬ A 16 Với phép tính lũy thừa tương tự Chẳng hạn, với ví dụ ta viết là  a^2  và  a.^2 Cú pháp Trước MatLab không phân biệt chữ in, chữ thường (giống như Fortran) Các phiên gần lại có phân biệt (theo ngơn ngữ C) Các từ khóa đều viết chữ thường  Lệnh gán có dạng giống nhiều ngơn ngữ lập trình khác:  tên_biến = giá_trị_biểu thức Thông thường máy in kết biến sau gán, ta không kết thúc lệnh gán dấu  ; Ví dụ t = * % thị t = t = t + 1; % t có giá trị khơng hiển thị lên hình  Khai báo hàm số (ví dụ hàm bình phương tên tham số vào là  x , tên tham số là  y : function y = binhPhuong(x) y = x * x; end  Cấu trúc rẽ nhánh, lặp: for i = 1:3 % ý vòng lặp theo dạng dãy disp(1/i) end i = while i < i = i + 1; disp(i) end % không cho hiển thị hình % hiển thị giá trị i Cú pháp đặc biệt (syntactic sugar) Để tăng tốc độ lập trình, thao tác từ dấu nhắc lệnh, MatLab cho phép nhiều kiểu cú pháp viết tắt Chẳng hạn để xem hướng dẫn lệnh  plot  thì hai câu lệnh sau tương đương: doc('plot') doc plot % thích: cách viết gọn, đồng thời bỏ dấu ngoặc trịn dấu nháy Một ví dụ số một véc-tơ hàng khơng cần có dấu phẩy ngăn cách v1 = [2, 3, 4] v2 = [5 7] % hợp lệ! Và cách gọi file lệnh từ dấu nhắc dạng rút gọn đặc biệt Chẳng hạn ta cần chạy file  tinhtong.m  trong thư mục hành: >> tinhtong Tính vẽ đồ thị Vẽ đồ thị là tính trau chuốt MatLab; với nhiều kiểu đồ thị khác biểu đồ dạng đường, biểu đồ chấm điểm, lớp màu (patch) hai chiều, đường đồng mức và các đường cong, mặt cong ba chiều Ngoài MatLab cung cấp giao diện để người dùng trực tiếp biên tập hình vẽ, điền vào ghi theo ý muốn Vẽ đồ thị dạng đường Giả sử có dãy số liệu V đo theo thời gian t Trong MatLab, V và t đều có dạng vec tơ có độ dài Khi lệnh vẽ đồ thị với trục hồnh là t và trục tung là V có dạng: plot(t, V) xlabel('t (s)') % viết tiêu đề trục ylabel('V (m/s)') Vẽ đồ thị dạng lớp màu Một cách hiệu để biểu thị các trường vật lý trong không gian hai chiều dùng lớp màu Chẳng hạn T là ma trận chiều lưu giữ giá trị nhiệt độ kim loại hình chữ nhật, việc hiển thị phân phối nhiệt độ lớp màu thực dễ dàng: pcolor(T) Vẽ trường vec tơ Cũng đồ thị lớp màu, việc hiển thị trường vec tơ rất cần thiết ngành khoa học - vật lý Để vẽ trường véc-tơ hai chiều ma trận u và v, dùng lệnh: quiver(u,v) Control system toolbox Control System Toolbox thư viện matlab dùng lĩnh vực điều khiển tự động Cùng với lệnh matlab, tập lệnh Control System Toolbox giúp ta thiết kế, phân tích đánh giá tiêu chất lượng hệ thống tuyến tính Control System Toolbox cung cấp thuật toán ứng dụng để phân tích, thiết kế điều chỉnh cách có hệ thống hệ thống điều khiển tuyến tính Ta định hệ thống dạng hàm truyền, không gian trạng thái, độ lợi không cực mơ hình đáp ứng tần số Các ứng dụng chức năng, chẳng hạn biểu đồ phản hồi bước biểu đồ Bode, cho phép ta phân tích trực quan hóa hành vi hệ thống miền thời gian tần số Ta điều chỉnh tham số bù kỹ thuật tương tác định hình vịng lặp Bode phương pháp quỹ tích nghiệm Hộp cơng cụ tự động điều chỉnh bù SISO MIMO, bao gồm điều khiển PID Bộ bù bao gồm nhiều khối điều chỉnh kéo dài qua số vịng phản hồi Ta điều chỉnh điều khiển khuếch đại theo lịch trình định nhiều mục tiêu điều chỉnh, chẳng hạn theo dõi tham chiếu, loại bỏ nhiễu biên độ ổn định Ta xác thực thiết kế cách xác minh thời gian tăng, độ vọt lố, thời gian ổn định, độ lợi biên pha yêu cầu khác Simscape Simscape cho phép nhanh chóng tạo mơ hình hệ thống vật lý môi trường Simulink Với Simscape, ta xây dựng mơ hình thành phần vật lý dựa kết nối vật lý tích hợp trực tiếp với sơ đồ khối mơ hình mơ hình hóa khác Ta lập mơ hình hệ thống động điện, chỉnh lưu cầu, truyền động thủy lực hệ thống làm lạnh cách lắp ráp phận thành sơ đồ Các sản phẩm bổ sung Simscape cung cấp thành phần phức tạp khả phân tích Simscape giúp ta phát triển hệ thống điều khiển kiểm tra hiệu suất cấp độ hệ thống Ta tạo mơ hình thành phần tùy chỉnh ngôn ngữ Simscape dựa MATLAB, ngôn ngữ cho phép tác giả dựa văn thành phần, miền thư viện mơ hình hóa vật lý Ta tham số hóa mơ hình cách sử dụng biến biểu thức MATLAB, đồng thời thiết kế hệ thống điều khiển cho hệ thống vật lý ta Simulink Để triển khai mơ hình ta sang môi trường mô khác, bao gồm hệ thống phần cứng vòng lặp (hardware-in-the-loop hay HIL), Simscape hỗ trợ tạo mã C PID Định nghĩa PID PID kết hợp điều khiển: tỉ lệ, tích phân và vi phân, có khả điều chỉnh sai số thấp có thể, tăng tốc độ đáp ứng, giảm độ vọt lố, hạn chế dao động.  Bộ điều khiển PID hay đơn giản PID kỹ thuật điều khiển trình tham gia vào hành động xử lý “tỉ lệ, tích phân và vi phân“ Nghĩa tín hiệu sai số xảy làm giảm đến mức tối thiểu ảnh hưởng tác động tỉ lệ, ảnh hưởng tác động tích phân và làm rõ tốc độ đạt với tác động vi phân số liệu trước Điều khiển PID kiểu điều khiển có hồi tiếp vịng kín sử dụng rộng rải hệ thống điện, tự động hóa, điện tử,… Tìm hiểu PID Ví dụ: Khi bạn muốn điều khiển lị nung, theo bình thường bạn phải cài đặt mức nhiệt độ 38ºC, đạt ngưỡng 38ºC ngắt nhiệt Nhưng theo cách độ xác 38ºC thấp có sai số lớn Do đó, sử dụng điều khiển PID điều chỉnh giá trị điều khiển ngõ Ouput cho sai lệch giá trị đo hệ thống với giá trị cài đặt nhỏ ( sai số∼0), tạo ổn định có đáp ứng nhanh Một cách đơn giản để hiểu PID sau:  P (Proportional): phương pháp điều chỉnh tỉ lệ,  giúp tạo tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ với sai lệch đầu vào theo thời gian lấy mẫu  I (Integral): tích phân sai lệch theo thời gian lấy mẫu. Điều khiển tích phân phương pháp điều chỉnh để tạo tín hiệu điều chỉnh cho độ sai lệch giảm Từ cho ta biết tổng sai số tức thời theo thời gian hay sai số tích lũy khứ Khi thời gian nhỏ thể tác động điều chỉnh tích phân mạnh, tương ứng với độ lệch nhỏ  D (Derivative): vi phân sai lệch Điều khiển vi phân tạo tín hiệu điều chỉnh cho tỉ lệ với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào Thời gian lớn phạm vi điều chỉnh vi phân mạnh, tương ứng với điều chỉnh đáp ứng với thay đổi đầu vào nhanh Mục tiêu sử dụng điều khiển PID gì? PID coi là điều khiển lý tưởng hệ thống điều khiển quy trình đại Nó sử dụng hầu hết ứng dụng điều khiển q trình tự động cơng nghiệp Để điều chỉnh lưu lượng, nhiệt độ, áp suất, vv…  Giảm sai số xác lập đến mức tối thiểu  Hạn chế độ dao động  Giảm thời gian xác lập độ vọt lố Điều khiển mức nước PID Bộ điều khiển chạy hồn tồn tự động mà khơng cần can thiệp người, cần có điều sau đây:  Bộ điều khiển nhận tín hiệu 4-20mA ngõ PID 4-20mA  Cảm biến đo mức nước 4-20mA  Van điều khiển nước xả tín hiệu 4-20mA – Mức nước đo từ cảm biến, gọi biến trình (PV) – SV giá trị cài đặt cần mong nuốn →Khi SV khác với PV PID tự điều chỉnh để trì mức nước bể cách xác PID TRONG BIẾN TẦN Ví dụ: Có bể chứa dung dịch vừa cần trộn dung dịch vừa điều khiển nhiệt độ 70ºC Để điều khiển tự động với PID, cần có kết hợp thiết bị sau:  Van điều khiển lưu lượng  Cảm biến nhiệt độ  Biến tần điều khiển PID cho động  Bộ điều khiển nhiệt độ PID cho van điều khiển Cảm biến nhiệt độ điều khiển tốc độ biến tần lưu lượng nước qua van điều khiển Nhằm đảm bảo mức độ trộn dung dịch nhệt độ bể Việc tăng hay giảm nhiệt độ phụ thuộc vào lưu lượng dung dịch qua van điều khiển Còn trộn dung dịch hay không lại phụ thuộc vào biến tần Điều khiển tín hiệu PID q trình phức tạp Để điều khiển xác đối tượng: nhiệt độ, độ ẩm, chiều dài, mực nước, lưu lượng, áp suất,…Cần phải thiết kế PID độc lập cho đối tượng Các loại điều khiển  Bộ điều khiển tỉ lệ – P (Proportional Controller)  PI (Proportinal and Integral Controller) gọi điều khiển tỉ lệ tích phân  PD (Proportional and Derivative (PD) Controller) gọi điều khiển đạo hàm  PID (Proportional, Integral, and Derivative (PID) Controller) điều khiển tỉ lệ – tích phân- đạo hàm (vi phân) Nguyên lý hoạt động điều khiển PID gì? Hệ thống điều khiển PID tự động bao gồm:   Thiết bị điều khiển cài đặt (PLC, HMI)  Cơ cấu chấp hành (thiết bị gia nhiệt)  Thiết bị hồi tiếp (cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất)  ... thống điện, tự động hóa, điện tử,… Tìm hiểu PID Ví dụ: Khi bạn muốn điều khiển lị nung, theo bình thường bạn phải cài đặt mức nhiệt độ 38 ºC, đạt ngưỡng 38 ºC ngắt nhiệt Nhưng theo cách độ xác 38 ºC... bản? ?MATLAB Student Edition  (MATLAB ấn cho học sinh) Năm 19 93? ?MATLAB cho MS Windows ra đời Đồng thời công ty có trang web là www.mathworks.com Năm 1995? ?MATLAB cho Linux ra đời Trình dịch MATLAB. .. Năm 1986, MATLAB đời hỗ trợ UNIX Năm 1987, MATLAB phát hành Năm 1990 Simulink 1.0 phát hành gói chung với MATLAB Năm 1992? ?MATLAB thêm vào hỗ trợ 2-D và? ?3- D đồ họa màu ma trận truy tìm Năm cho