MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG VỚI MATLAB/SIMULINK doc

1 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG VỚI MATLAB/SIMULINK Mô hình hóa và mô phỏng thiết bị điện – dành cho sinh viên chuyên ngành TBĐ-ĐT Soạn bởi: Trần Vĩnh Thái B/m Thiết bị điện – điện tử ĐHBK Hà nội ĐHBK Hànội B/m Thiết bị điện – điện tử 2 NỘI DUNG  Vai trò của mô hình hóa và mô phỏng  Mô hình toán và phương pháp số  Mô hình toán của hệ vật lý  Phương pháp số giải phương trình vi phân  Công cụ MATLAB/Simulink  MATLAB  Simulink  Phân tích, mô phỏng một số mô hình thiết bị điện với MATLAB/Simulink ĐHBK Hànội B/m Thiết bị điện – điện tử 3 Yêu cầu với sinh viên  Tham dự lớp đầy đủ  Làm các bài tập về nhà  Hoàn thành bài tập lớn  Thi cuối học kỳ ĐHBK Hànội B/m Thiết bị điện – điện tử 4 1. Vai trò của mô hình hóa và mô phỏng  Mô hình –dạng biểu diễn đơn giản hóa của một hệ vật lý. Chương trình này giới hạn mô hình ở dạng thức mô tả toán học, mô hình toán .  Mô hình hóa và mô phỏng –làkỹ thuật cho phép xây dựng mô hình của hệ vật lý và thực hiện thực nghiệm trên mô hình đó. Môn học này sử dụng công cụ MATLAB/Simulink để biểu diễn mô hình toán của hệ trên máy tính số và cho phép phân tích, nghiên cứu nó .  Vai trò của mô hình hóa và mô phỏng  Được sử dụng khi hệ vật lý không tồn tại, tốn kém và/hoặc tốn thời gian xây dựng…  Cho phép quan sát quá trình, đáp ứng động của hệ thống thiết kế trước khi thực nghiệm trên thiết bị thực  Là công cụ hữu hiệu với chi phí thấp cho nghiên cứu, dễ sử dụng, dễ dàng thay đổi phương án… ĐHBK Hànội B/m Thiết bị điện – điện tử 5 2. Mô hình toán và phương pháp số  Phân loại mô hình toán  Mô hình tuyến tính, phi tuyến  Mô hình thông số tập trung, thông số rải  Mô hình tĩnh, động  Mô hình liên tục, gián đoạn  Mô hình xác định, bất định  Trình tự xây dựng mô hình  Xác định mục tiêu và điều kiện của bài toán  Đặt giả thiết đơn giản hóa và loại bỏ các yếu tố không quan trọng  Xác định các tham số cho mô hình theo mục tiêu và điều kiện  Kiểm chứng mô hình về mức độ phù hợp với hệ thống vật lý ĐHBK Hànội B/m Thiết bị điện – điện tử 6 2. Mô hình toán và phương pháp số  Mô tả toán học thường gặp  Phương trình vi phân  Hàm truyền  Không gian trạng thái ĐHBK Hànội B/m Thiết bị điện – điện tử 7 2. Mô hình toán và phương pháp số  Phương trình vi phân – Thí dụ 1: Phân tích mạch điện trên hình vẽ. Nguồn DC 1 V, điều kiện đầu i(0) = 0 A, u c (0) = 0 V. Xác định quá trình quá độ của i(t), u c (t) khi đóng công tắc. wBTVN: Xây dựng mô hình toán động cơ DC kích thích độc lập. ĐHBK Hànội B/m Thiết bị điện – điện tử 8 2. Mô hình toán và phương pháp số  Hàm truyền  Định nghĩa: The transfer function of a linear, time-invariant, differential equation system is defined as the ratio of the Laplace transform of the output variable to the Laplace transform ofthe input variable, with all initial conditions assumed to be zero.  Tiếp theo thí dụ 1 –mô tả bài toán ở dạng hàm truyền sC Vv dt di LRi =++ sC CC Vv dt vd LC dt dv RC =++ 2 2 Biểu thức: )( )( )( sV sV sY S C = wBTVN: Chuyển mô hình toán động cơ DC kích thích độc lập về dạng hàm truyền. Điều kiện: Mạch từ tuyến tính, kích thích không đổi. ĐHBK Hànội B/m Thiết bị điện – điện tử 9  Mô tả không gian trạng thái  Dạng thức  Tiếp theo thí dụ 1 –mô tả bài toán ở dạng thức không gian trạng thái  Đặt  Từ đótìm được ma trận A, B, C, D 2. Mô hình toán và phương pháp số wBTVN: Chuyển mô hình toán động cơ DC kích thích độc lập về mô hình không gian trạng thái. Điều kiện: Mạch từ tuyến tính, kích thích không đổi. ĐHBK Hànội B/m Thiết bị điện – điện tử 11 2. Mô hình toán và phương pháp số  Phương pháp số giải phương trình vi phân  Phương pháp Euler: Giải phương trình y’ = f(t,y) trong khoản [a,b], với y(a) = y(0) = y 0 : – Chia đoạn [a,b] thành n khoảng h đủ nhỏ – Giá trị của y tại y(k) được tính theo giá trị đã biết y(k-1) và hàm f(t k , y k ) theo biểu thức: ),(. 111 −−− + = kkkk ytfhyy với k = 1 n ĐHBK Hànội B/m Thiết bị điện – điện tử 12 Thí dụ về ph.pháp Euler viết trong MATLAB ĐHBK Hànội B/m Thiết bị điện – điện tử 13 Sai số của phương pháp Euler w Sai số tỉ lệ với h 2 . ĐHBK Hànội B/m Thiết bị điện – điện tử 14 2. Mô hình toán và phương pháp số  Các phương pháp số khác  Phương pháp Runge-Kutta bậc 2 – trong MATLAB là ODE23  Phương pháp Runge-Kutta bậc 4 – trong MATLAB là ODE45  Phương pháp chuỗi Taylor  Các phương pháp Predictor-Correctors  … wThí dụ ODE45: ĐHBK Hànội B/m Thiết bị điện – điện tử 15 Thí dụ: Runge-Kutta Order 4 ĐHBK Hànội B/m Thiết bị điện – điện tử 16 3. MATLAB/Simulink  Tại sao chọn MATLAB/Simulink? Đây là một công cụ:  Mạnh cho việc thực hiện mô phỏng các mô hình toán  Dễ học, dễ sử dụng Æ tốn ít thời gian đầu tư cho công cụ  Các công cụ khác  Dymola với ngôn ngữ Modelica  20-Sim với phương pháp Bond Graph  Maple, Mathematica, ACSL, Saber, Dynast…  Tài liệu tham khảo  MATLAB/Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động – Nguyễn Phùng Quang  … ĐHBK Hànội B/m Thiết bị điện – điện tử 17 MATLAB  Môi trường MATLAB, demo và help  Tạo biến trong MATLAB  Thao tác với ma trận, toán tử logic và các hàm toán học  Công cụ hiển thị  M-file  Viết chương trình trong MATLAB  Lưu biến và buổi làm việc; thư mục và đường dẫn  GUI  Giải hệ phương trình vi phân với MATLAB  … ĐHBK Hànội B/m Thiết bị điện – điện tử 18 Môi trường MATLAB To get started, select "MATLAB Help" from the Help menu. ĐHBK Hànội B/m Thiết bị điện – điện tử 19 » a = 2; » b = 5; » a^b ans = 32 » x = 5/2*pi; » y = sin(x) y = 1 » z = asin(y) z = 1.5708 » a = 2; » b = 5; » a^b ans = 32 » x = 5/2*pi; » y = sin(x) y = 1 » z = asin(y) z = 1.5708 Tạo biến trong môi trường MATLAB Kết quả được gán cho “ans” nếu không đặt tên biến Dấu () để truy cập hàm Tác dụng của dấu “;” MATLAB – máy tính tay Gán các biến trong MATLAB » -5/(4.8+5.32)^2 ans = -0.0488 » (3+4i)*(3-4i) ans = 25 » cos(pi/2) ans = 6.1230e-017 » exp(acos(0.3)) ans = 3.5470 » -5/(4.8+5.32)^2 ans = -0.0488 » (3+4i)*(3-4i) ans = 25 » cos(pi/2) ans = 6.1230e-017 » exp(acos(0.3)) ans = 3.5470 ĐHBK Hànội B/m Thiết bị điện – điện tử 20 Một số lệnh tiện ích  Các lệnh tiện ích  who và whos – liệt kê các biến  clear, clear x, clear all – xóa biến  close – xóa cửa sổ đồ họa hiện hành  cd – đổi thư mục hiện hành  dir –liệt kê nội dung thư mục hiện hành  format – đặt định dạng biến lưu trong môi trường  help “tên hàm” –tra cứu nhanh  clc – xóa màn hình lệnh  … ĐHBK Hànội B/m Thiết bị điện – điện tử 21 Thao tác với ma trận  3 khái niệm trong đại số tuyến tính  Vô hướng – là một số hay một từ (có giá trị đơn nhất)  Véc-tơ –làmảng 1-D chứa một dãy các vô hướng, biến hoặc biểu thức  Ma trận –làmảng n-D chứa các vô hướng, biến hoặc biểu thức  Trong MATLAB  Vô hướng – là ma trận 1x1  Véc-tơ –làma trận 1xn hoặc nx1  Ma trận nxm [...]... Simulink Trình tự xây dựng mô hình (block-diagram) trong Simulink Lập mô hình toán của hệ thống ở dạng phương trình vi phân, hàm truyền, hoặc không gian trạng thái (liên tục hoặc gián đoạn) Xác định dạng đầu vào, đầu ra Sử dụng Simulink Library Browser để chọn các biểu tượng tương ứng với các thông số cần thiết cho mô hình Chọn thời gian chạy mô phỏng và chọn solver cho mô hình Thí dụ 1 xây dựng trong... xoay chieu 5 0 -5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 ĐHBK Hànội B/m Thiết bị điện – điện tử 59 3 Phân tích, mô phỏng TBĐ với Simulink Bài tập 4: Mô phỏng từ trường quay trong máy điện xoay chiều ĐHBK Hànội B/m Thiết bị điện – điện tử 60 3 Phân tích, mô phỏng TBĐ với Simulink Bài tập 5: Mô phỏng hệ điều khiển động cơ điện một chiều Control of DC motor Urout u_SW Reference Voltage u_CW u_CW (-) u_SR... model và sub-model Chạy mô phỏng từ dấu nhắc MATLAB [t, x, y] = sim(model, timespan, option, ut) Dùng chức năng mask cho sub-model Sub-model có điều kiện – Thí dụ với if, enable… ĐHBK Hànội B/m Thiết bị điện – điện tử 57 Simulink Bài tập 1: giải phương trình Bài tập 2: giải mạch RLC Bài tập 3: mô phỏng động cơ DC kích thích độc lập ĐHBK Hànội B/m Thiết bị điện – điện tử 58 3 Phân tích, mô phỏng TBĐ với. .. Frames Axes Checkbox Slider Edit text Radio Buttons Push Buttons ĐHBK Hànội B/m Thiết bị điện – điện tử 48 GUIDE Tạo giao diện với GUIDE Property Inspector Guide Editor Result Figure ĐHBK Hànội B/m Thiết bị điện – điện tử 49 GUIDE Làm việc với m-file Thí dụ tạo GUI và lập trình với m-file handles.a = get(handles.slider_a,'Value'); set(handles.text_a,'String', num2str(handles.a)); % Update handles structure... trị tuyệt đối và dấu sin, cos, asin, acos… – hàm lượng giác exp, log, log10 – hàm mũ e, log tự nhiên, log hệ 10 ceil, floor, fix, round – các hàm làm tròn số sqrt – hàm căn bậc hai gcd – ước số chung lớn nhất lcm – bội số chung nhỏ nhất real, img – hàm trả về phần thực, phần ảo của số phức rem, mod – các hàm lấy phần nguyên và phần dư của phép chia max, min, means – các hàm tìm max, min và trị trung... = 0 (root object) ĐHBK Hànội B/m Thiết bị điện – điện tử 46 GUI Thay đổi thuộc tính đối tượng Lấy thuộc tính của đối tượng với hàm get get(h_object) Đặt thuộc tính cho đối tượng với hàm set set(h_object) set(h_object,'PropertyName','New_Value', ) Thay đổi thuộc tính đối tượng với Property Editor ĐHBK Hànội B/m Thiết bị điện – điện tử 47 GUIDE MATLAB hỗ trợ việc tạo giao diện người dùng static text...Thao tác với ma trận » a=[1 2;3 4] » a=[1 2;3 4] a = a = 1 1 3 3 Dùng dấu ngoặc [ ] 2 2 4 4 Tách dòng với dấu (;) » b=[-2.8, sqrt(-7), (3+5+6)*3/4] » b=[-2.8, sqrt(-7), (3+5+6)*3/4] b = b = Tách cột với dấu trống / phảy (,) -2.8000 -2.8000 0 + 2.6458i 0 + 2.6458i » b(2,5) = 23 » b(2,5) = 23 b = b = 10.5000... 1 1 0 0 20 30 130 110 100 80 1 1 70 60 120 3 4 14 15 1 6 10 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 Page N 0 10 0 0 1 0 0 0 0 0 0 20 Page 1 ĐHBK Hànội B/m Thiết bị điện – điện tử 42 Lưu biến và buổi làm việc Lưu các biến trong Workspace Dùng lệnh save và load save fname save fname save fname x y z save fname x y z save fname -ascii save fname -ascii save fname -mat save fname -mat load fname load fname load fname x y z... objects Root object Figure object UIMenu objects Axes object Axes object UIControl objects Surface object Line objects Text objects ĐHBK Hànội B/m Thiết bị điện – điện tử 45 GUI Làm việc với object’s handle Tạo cùng với lệnh handle = plot(x_data, y_data, ) Các hàm tiện ích – 0 – root object handle – gcf – get current figure handle – gca – get current axis handle – gco – get current object handle Hàm... điện – điện tử 25 Thao tác với ma trận Truy cập các thành phần trong ma trận 1 4 4 11 6 16 8 2 1.2 7 9 12 4 17 25 22 3 A(3,1) A(3) 3 6 2 7.2 3 5 7 13 1 18 11 4 0 4 0.5 9 4 14 5 19 56 24 5 A= 2 1 23 5 83 10 1315 0 20 10 25 1 10 1 8 5 21 2 23 A(1:5,5) A(1:end,end) A(:,5) A(:,end) A(21:25) A(21:end)’ A(4:5,2:3) A([9 14;10 15]) ĐHBK Hànội B/m Thiết bị điện – điện tử 26 Thao tác với ma trận Nhân chia ma trận . trò của mô hình hóa và mô phỏng  Mô hình –dạng biểu diễn đơn giản hóa của một hệ vật lý. Chương trình này giới hạn mô hình ở dạng thức mô tả toán học, mô hình toán .  Mô hình hóa và mô phỏng. 1 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG VỚI MATLAB/SIMULINK Mô hình hóa và mô phỏng thiết bị điện – dành cho sinh viên chuyên ngành TBĐ-ĐT Soạn. của mô hình hóa và mô phỏng  Mô hình toán và phương pháp số  Mô hình toán của hệ vật lý  Phương pháp số giải phương trình vi phân  Công cụ MATLAB/Simulink  MATLAB  Simulink  Phân tích, mô