Sử dụng MATLAB tạo ra hộp công cụ dùng để giải các bài toán trong tự động điều khiển

Sử dụng MATLAB tạo ra hộp công cụ dùng để giải các bài toán trong tự động điều khiển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VỆT NAM ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT ---o Oo --- TP. HỒ CHÍ MINH    KHOA ĐIỆN BỘ MÔN ĐIỆN – ĐIỆN TỬ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Họ và tên : Lê Trung Hiền MSSV : 95101051 Lớp : 95KĐĐ Ngành : Kỹ thuật Điện – Điện Tử * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 1. Tên đề tài: Sử dụng MATLAB tạo ra hộp công cụ dùng để giải các bài toán trong tự động điều khiển. 2. Nội dung các phần thuyết minh.  Chương I : Giới thiệu những ưu điểm hiện có của MATLAB khi ứng dụng trong tự động điều khiển.  Chương II :  Tìm hiểu cách nhập xuất và tính toán các biến trong MATLAB.  Tạo một hàm trong tự động điều khiển.  Vẽ đồ thò.  Chương III :  Miêu tả các biến trạng thái, ma trận chuyển đổi,cực,zero trong hệ thống LTI (Linear Time Invariant).  Xây dựng những câu lệnh trong tự động điều khiển ở cửa sổ soạn thảo.  Xét tính ổn đònh của hệ thống .  Chương IV : Dùng MATLAB viết chương trình tạo ra hộp công cụ.  Chương V : Kết quả chạy chương trình. 3. Các bản vẽ : Trình bày các giao diện chạy trong MATLAB. GVHD :Th.S Lê Cảnh Trung Ngày giao nhiệm vụ : 23/12/1999 Ngày hoàn thành : 28/3/2000 GVHD SVTH Thông qua bộ môn Chủ nhiệm bộ môn Lê cảnh Trung Lê Trung Hiền THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN BẢN NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN * * *  * * *  Họ và tên : Lê Trung Hiền  Lớp : 95KĐĐ  MSSV : 95101051  GVHD : Th.S Lê Cảnh Trung  Tên đề tài: Sử dụng MATLAB tạo ra hộp công cụ dùng để giải các bài toán trong tự động điều khiển.  Lời nhận xét của cán bộ hướng dẫn: ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- Thành Phố ngày tháng năm 2000 Cán bộ hướng dẫn Th.S Lê Cảnh Trung THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN BẢN NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN * * *  * * *  Họ và tên : Lê Trung Hiền  Lớp : 95KĐĐ  MSSV : 95101051  GVHD :Th.S Lê Cảnh Trung  Tên đề tài: Sử dụng MATLAB tạo ra hộp công cụ dùng để giải các bài toán trong tự động điều khiển.  Lời nhận xét của cán bộ phản biện: ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- ---------------------------------------------------- Thành Phố ngày tháng năm 2000 Cán bộ phản biện THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN ới tấm lòng tôn sư trọng đạo, chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô đã tận tình dạy bảo cho chúng em trong những năm vừa qua,và truyền đạt cho chúng em những kiến thức q báo để làm hành trang cho em bước vào đời. Xin ghi nhớ công ơn của cha mẹ đã không quản mọi gian lao khó nhọc , và cả sự hy sinh cao cả để cho con được như ngày hôm nay. Xin chân thành cảm ơn các thầy cô trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật đã tận tình chỉ bảo chúng em trong suốt khóa học vừa qua. Xin cảm ơn thầy Lê Cảnh Trung đã tận tình hướng dẫn và cung cấp cho em những tài liệu quý báo để hoàn thành luận văn này, cũng như truyền thụ những kinh nghiệm quý báotrong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu đề tài. Một lần nữa xin gởi đến những người thân yêu, bạn, các anh chò . Đã góp ý giúp đở về tinh thần cũng như về kinh nghiệm, kiến thức . một lời biết ơn sâu sắc nhất TP. HỒ CHÍ MINH ngày 20 tháng 2 năm 2000 Sinh viên thực hiện Lê Trung Hiền V Xin tri ân và tưởng nhớ đến Thầy Th.S Trần Sum THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN TÀI LIỆU THAM KHẢO    1. Điều khiển tự động 1,2 Pts : Nguyễn Thò Phương Hà Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật Năm 1996 2. Bài Tập Điều khiển tự động 1,2 Pts : Nguyễn Thò Phương Hà Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật Năm 1996 3. Điều khiển tự động Lương Văn Lăng Nhà Xuất Bản Giáo Dục Năm 1996 4. Giáo Trình Lý Thuyết Điều khiển tự động Phần I,II Th.s : Trần Sum Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật 5. Xử Lý tín hiệu Và Lọc Số Nguyễn Quốc Trung Nhà Xuất Bản Khoa Học Và Kỹ Thuật Năm 1998 6. Tiểu Luận Môn Điều Khiển Học Kỹ Thuật Th.s : Lê Cảnh Trung 7. Using Matlab Simulink And Control System Toolbox Alberto Cavallo Roberto Setola Francesco Vasca NXB Prentice Hall 8. Using Matlab To Analyze And Design Control System Naomi Ehrich Leonard – Princeton University William S. Levine - University of Maryland 9. The Matlab 5 Handbook Darren Redfern Colin Campbell NXB Springer THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay đất nước ta đang trên đà phát triển về mọi mặt để hòa nhập vào nền văn minh trong các nước tiên tiến ở khu vực và thế giới. Do đó cần sự có mặt của ngành tự động điều khiển để thực hiện công việc với độ chính xác và an toàn cao, một phần nào đó cũng làm giảm bớt sự lao động chân tay của con người. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành kỹ thuật máy tính và công nghệ thông tin, thì việc ứng dụng máy tính vào để giải những bài toán phức tạp trong hệ thống tự động điều khiển - như hệ thống nhiều ngõ vào và nhiều ngõ ra (MIMO)- thì không khó khăn lắm , mà độ chính xác lại cao hơn hẳn từ đó dẫn đến việc thiết kế và tính toán trở nên dễ dàng trong thời gian ngắn. Để đóng góp một phần nào đó và tuân theo mục tiêu đào tạo của trường ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT, người viết đi vào tìm hiểu một phần mềm được ứng dụng khá phổ biến trong nhiều lónh vực, trong đó có lónh vực tự động điều khiển, đó là MATLAB. Matlab là một phần mềm rất được ưa chuộng cho các lập trình tính toán trong kỹ thuật hiện nay. Nó hầu như được phổ biến rộng khắp trong các trường đại học ở nhiều nước.Với Matlab công việc tính toán trở nên đơn giản và nhẹ nhàng hơn so với nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhờ đã thiết kế sẵn các toolbox giúp cho người sử dụng:  Control System Tollbox: là nền tảng của họ toolbox thiết kế điều khiển bằng Matlab. Nó chứa các hàn cho việc mô phỏng, phân tích và thiết kế các hệ thống trong tự động điều khiển.  Frequency Domain System Identification Tollbox: Bao gồm các M-file giúp cho việc mô phỏng các hệ thống tuyến tính trên cơ sở phép đo đáp ứng tần số của hệ thống.  Fuzzy Logic Tollbox: Cung cấp một tập hợp đầy đủ các công cụ cho việc thiết kế, mô phỏng và phân tích các hệ thống logic mờ (Fuzzy Inferencs).  Higher Order Spectral Analysis Toolbox: cung cấp các công cụ cho việc xử lý tín hiệu dùng phổ bậc cao. Các phương này đặc biệt hữu dụng cho phân tích các tín hiệu có nguồn gốc từ một quá trình phi tuyến hay bò nhiễu phi Gaussian ( non-Gaussian noise) xâm nhập.  Image Processing Toolbox: chứ các công cụ cho việc sử lý ảnh. Nó bao gồm các công cụ cho việc thiết kế các bộ lọc và lưu trữ ảnh, nâng cấp ảnh, phân tích và thống kê.  Model Predictive Control Tollbox: đặc biệt hữu dụng cho các ứng dụng điều khiển với nhiều biến ngõ vào (input) và ngõ ra (output) mà phần lớn có các giới hạn nhất là trog kỹ thuật hóa chất.  Mu-Analysis And Syntheris Tollbox: chứa các công cụ chuyên môn hóa cho điều khiển tối ưu hóa ; Đặc biệt trong lónh vực robot cao cấp và các hệ thống đa biến tuyến tính. THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN  Signal Processing Tollbox: chứa các công cụ xử lý tín hiệu. Các ứng dụng bao gồm: Audio (Đóa compact, băng digital), video (digital HDTV, xử lý và nén ảnh), viễn thông (fax, telephone), y học, đòa lý.  Non-linear Control Design Tollbox: cho phép thiết kế các hệ thống điều khiển tuyến tính và phi tuyến, sử dụng kỹ thuật tối ưu hóa trên cơ sở miền thời gian.  Optimization Tollbox: Các lệnh dùng cho sự tối ưu hóa các hàm tuyến tính và phi tuyến tổng quát.  Symbolic Match Toolbox: Bao gồm các công cụ cho việc tính toán trên các biểu thức.  System Identification Toolbox: Tập hợp các công cụ cho ước lượng và nhận dạng (tìm mô hình toán học cho một hệ thống vật lý).  Robust Control System: Các công cụ cho phép phân tích và tổng hợp các hệ thống điều khiển bằng robot. Ngoài ra còn có các toolbox khác như NAG Foundation Toolbox, Quantitative Feedback Workshop, Spline Toolbox, Statics Toolbox. Một khả năng khác cần phải nhắc đến của Matlab là biểu diễn data bằng đồ thò hai chiều, ba chiều bằng các lệnh (hàm) khá đơn giản. Màn hình giới thiệu Matlab 5.3 THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN Màn hình DEMO của Matlab THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN I . Chương mở đầu ---oOo--- I . Giới thiệu chung Ngày nay tự động điều khiển đóng vai trò quan trọng trong đời sống và công nghiệp. Lónh vực này hiện hữu khắp nơi từ hệ thống phi thyền không gian, hệ thống điều khiển tên lửa, máy bay không người lái,robot .Hoặc trong các quy trình công nghệ sản xuất hiện đại và ngay cả trong đời sống hằng ngày như : Điều khiển nhiệt độ, độ ẩm. Phát minh đầu tiên đánh dấu bước mở đầu cho sự phát triển của lónh vực điều khiển tự động là bộ điều tốc ly tâm để điều chỉnh tốc độ máy hơi nước của James Watt (1874). Năm 1922, Nynorsky thực hiện hệ thống điều khiển các con tàu và chứng minh tính ổn đònh của hệ thống có thể xác đònh bằng phương trình vi phân mô tả hệ thống. Cũng ở thời điểm này Nyquist đã đưa ra một nguyên tắc tương đối đơn giản để xác dònh tính ổn đònh của hệ thống vòng kín dựa trên cơ sở đáp ứng vòng hở đối với tín hiệu vào hình sin ở trạng thái xác lập. Năm 1934 Hazen đã giới thiệu thuật ngữ điều chỉnh cơ tự động (Servo mechanism) cho những hệ thống điều khiển đònh vò và thảo luận đến việc thiết kế hệ thống rơle điều chỉnh cơ tự động với tín hiệu ngõ vào thay đổi. Trong suốt thập niên 40 của thế kỷ XX, phương pháp đáp ứng tần số đã giúp cho các kó sư thiết kế các hệ thống vòng kín tuyến tính thỏa các yêu cầu chất lượng điều khiển. Từ cuối thập niên 40 đến đầu thập niên 50 phương pháp quỹ đạo nghiệm của Evans được phát triển khá hoàn thiện. Với phương pháp quỹ đạo ngiệm và đáp ứng tần số được xem là cốt lỏi của lý thuyết điều khiển cổ điển cho phép chúng ta thiết kế những hệ thống ổn đònh và thỏa các chỉ tiêu chất lượng điều khiển. Những hệ thống này được chấp nhận nhưng chưa phải là tối ưu, hoàn thiện nhất. Khi các hệ thống máy móc hiện đại ngày càng phức tạp với nhiều tín hiệu ngỏ vào và ngỏ ra thì việc mô tả hệ thống hiện đại này đòi hỏi một lượng rất lớn các phương trình. Lý thuyết điều khiển cổ điển liên quan đến hệ thống một ngỏ vào một ngỏ ra trở nên bất lực để phân tích hệ thống nhiều đầu vào và nhiều đầu ra. Kể từ năm 1960, nhờ máy tính số cho phép ta phân tích các hệ thống phức tạp trong miền thời gian, lý thuyết điều khiển hiện đại được phát triển để đối phó với sự phức tạp của các hệ thống hiện đại. Lý thuyết điều khiển hiện đại dựa trên phân tích trong trong miền thời gian và tổng hợp dùng các biến trạng thái, cho phép giải quyết các bài toán điều khiển có yêu cầu chặt chẻ về độ chính xác, trọng lượng và giá thành của hệ thống trong lónh vực kỹ nghệ, không gian và quân sự. THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN II . Mục đích nghiên cứu Trên đà phát triển đó, đồng thời chuẩn bò cho kì thi tốt nghiệp kết thúc giai đoạn học cũng như hoàn tất chương trình học của trường. Người thực hiện đi vào nghiên cứu sự ứng dụng của Matlab trong lónh vực điều khiển tự động, nhằm tạo ra một hộp công cụ mà từ đó ta có thể tính toán hay tìm hiểu các chỉ tiêu về chất lượng, cũng như độ ổn đònh của hệ thống điều khiển. Phần nào cũng giải quyết được những vấn đề gặp khó khăn trên thực tế khi làm bằng tay đối với những hệ thống phức tạp. Cũng qua việc nghiên cứu đề tài này người thực hiện cũng muốn cũng cố lại những kiến thức đã học và tìm hiểu thêm những nét mới từ những kiến thức đó, để sau khi tốt nghiệp có khả năng vận dụng vào cuộc sống thực tiễn. Với đề tài “ SỬ DỤNG MATLAB TẠO HỘP CÔNG CỤ DÙNG ĐỂ GIẢI CÁC BÀI TOÁN TRONG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN“, người viết chia thành năm chương như sau:  Chương I : Giới thiệu chung về Matlab nhằm giúp cho chúng ta hiểu rõ hơn những nét mạnh của phần mềm này. Hầu như nó được ứng dụng trong mọi lónh vực.  Chương II : Các vấn đề cơ bản trong Matlab. Trong chương này chúng ta đi vào tìm hiểu cách nhập xuất, tính toán, tạo hàm trong cửa sổ soạn thảo của Matlab và vẽ đồ thò.  Chương III : Ứng dụng Matlab 5.3 trong tự động điều khiển. Trong chương này người viết trình bày cách thức miêu tả các biến trạng thái, ma trận trạng thái,cực (poles), zero trong hệ thống LTI (Hệ thống tuyến tính bất biến theo thời gian). Cũng như cách tạo ra hàm truyền từ những điều kiện, và từ đó xét tính ổn đònh của hệ thống thông qua việc vẽ giản đồ trong các miền thời gian, tần số, hay quỹ đạo nghiệm.  Chương IV : Sử dụng Matlab 5.3 viết chương trình tạo ra hộp công cụ.  Chương V : Kết quả thực thi chương trình. THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN [...]... chuột để trở về tình trạng ban đầu chức năng zoom off tắt chế độ phóng to Để vẽ một vectơ phức (X) trong mặt phẳng phức ta cũng có thể dùng lệnh plot(X) kết quả cũng giống như lệnh: plot(real(X),imag(X)) THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN III ứng dụng MATLAB trong tự động điều khiển > Trong chương này chúng ta đònh rõ tính chất điều khiển với những lệnh trong hộp công cụ của hệ thống tự động điều khiển. .. “>>” trong Matlab Từ đó ta có thể thực hiện việc tính toán hay thực hiện các câu lệnh một cách dễ dàng Muốn thoát khỏi Matlab, ta có thể thực hiện một trong những cách sau:  Cách 1: vào file menu và click vào Exit MATLAB  cách 2: nhấp vào biểu tượng close ( )trên cửa sổ làm việc của Matlab  Cách 3: dùng tổ hợp phím ctrl+Q II Các biểu thức toán cơ bản trong matlab Làm việc trong môi trường Matlab. .. giá trò của X trong một cột vetơ Hàm expm(X) để tính ex  Chú ý rằng có những chức năng qui đònh việc nhập các đối số vào matrận vuông Để khảo xác thêm vài THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN chức năng khác và học nhiều hơn về cách dùng của những chức năng trên ta dùng lệnh help để diễn tả Matlab cho ta cách dùng các hàm khác nhau để tính toán trên các chuổi thay vì trên các ma trận Ví dụ giả sử ta có một... nghiên cứu thêm về toán tử so sánh bằng cách dùng lệnh help relop hoặc help 55, matlab sẽ cho kết quả t = 0 khi ta sử dụng với hai ma trận, toán tử ma trận sẽ... Một cách khác muốn tạo ra một biến mới nhưng không muốn hiển thò kết quả trong Matlab, bằng cách ta thêm dấu chấm phẩy (;) ở cuối biểu thức ví dụ 2 : khi thực hiện lệnh » B=4+7; Ta không nhận được kết quả trên màn hình.Muốn hiển thò để kiểm tra giá trò của biểu thức ta nhập vào như sau: »B Ta có kết quả: B= 11 Trong Matlab khi một câu lệnh hay biểu thức quá dài ta sử dụng dấu ( ) để nối câu của hàng