Luälfn tổt nghiệp ĐÈ TÀI TOOL BOX SIMULINK Matlab Giáo viên hướng dẫn Họ tên sinh viên GVHD : NGUYÊN MINH TM SVTH :NGUYỄN THANH DUẪN CHƯƠNG I GIỚI THIỆU Sơ LƯỢC VỀ MATLAB LTÌM HIỂU VỀ CÔNG TY MATHWORKS: Công ty MathWorks thảnh lập vào năm 1984 công ty hàng đầu việc cung cấp phát triển phần mềm kĩ thuật cho máy tính Công ty có 500 nhân viên làm việc cho hai văn phòng Mỹ Anh quốc Mọi chi tiết việc tổ chức, nhân đào tạo phát triển xin xem thêm điạ WebSite : http:/ www.Mathworks.com/ II.GIỚI THIỆU Cơ SỞ MATLAB: II.l Giới thiệu chương trình MATLÁB: Chương trình MATLAB chương trình viết cho máy tính PC nhằm hỗ trợ cho tính toán khoa học kĩ thuật với phần tử ma trận máy tính cá nhân công ty "The MATHWORKS" viết Thuật ngữ MATLAB có hai từ MATRIX LABORATORYghép lại Chương trình sử dụng nhiều nghiên cứu vấn đề tính toán toán kĩ thuật như: Lý thuyết điều khiến tự động, kĩ thuật thống kê xác suất, xử lý số tín hiệu, phân tích liệu, dự báo chuồi quan sát, v.v MATLAB điều khiển tập lệnh, tác động qua bàn phím Nó cho phép khả lập trình với cú pháp thông dịch lệnh gọi Script file Các lệnh hay lệnh MATLAB lên đến số hàng trăm ngày mở rộng phần TOOLS BOX( thư viện trợ giúp) hay thông qua hàm ứng dụng xây dựng từ người sử dụng MÀTLAB có 25 TOOLS BOX đế trợ giúp cho việc khảo sát vấn đề có liên quan TOOL BOX SIMULINK phần mở rộng MATLAB, sử dụng để mô hệ thống động học cách nhanh chóng tiện lợi MATLAB 3.5 trở xuống hoạt động môi trường MS-DOS MATLAB 4.0, 4.2, 5.1, 5.2, hoạt động môi trường WINDOWS Các version 4.0, 4.2 muốn hoạt động tốt phải sử dụng với WINWORD 6.0 Hiện có version 5.31 (kham khảo từ Website công ty) Chương trình Matlab chạy liên kết với chương trình ngôn ngữ cấp cao c, C++, Fortran, Việc cài đặt MATLAB thật dễ dàng ta cần ý việc dùng thêm vào thư viện trợ giúp hay muốn liên kết phần mềm với vài ngôn ngữ cấp cao Còn version MATLAB khác làm việc với hệ điều hành UNIX ! [¡^VietWare ► Lä World Cup 1930-1998 ► ^ M icrosof t Access ! '^Microsoft Binder ^Microsoft Excel 4^ Microsoft Photo Editor l®|Microsoft PowerPoint U3T Microsoft Word ÜMS-DOS Prompt ^Windows Explorer Lä Adobe ► @ Game 2000 ► @Hard2000 ► Igj Matlab ► (â Micros im Eval 6.2 ► QOiCAD Design Desktop ► Protel Design System ► ÜCHESS *> MATL4B ^Notebook Readme ¡^Release Notes Uninstall MATLAB 7-17-199912 Tg Uninstall MATLAB 7-17-1999 I Hình 1.1 : Khởi động MATLAB từ môi trường WINDOWS m IJD Favorites Windows Update Documents jjjsjr]New Office Document £3Open Office Document Retry America Settings 'lý 4.Ũ Setup GVHDOnline :FindNGUYỄN MATLAB The Lanquaqc of Technical Computinq Version 5.1.0.421 Việc khởi động MATLAB hệ thống khác Trong môi trường WINDOWS hay MACINTOSH, chương trình thường khởi động thông qua việc nhắp chuột icon hay gọi biểu tượng Còn với môi trường UNIX, MSDOS ,việc khởi động thông qua dòng lệnh: :\ MATLAB J Giao diện MATLAB sử dụng hai cửa sổ: cửa sổ lệnh (command window) cửa sổ đồ thị (Figure window) MATLAB Command Window File Edit Window Help D|cg| I '|p| N MffiJ il _zJ To get started, type one of these commands: helpwin, helpdesk, or demo For information on all of the Math Works products, type tour ;; II III II :: GVHD : NGUYÊN iViiiNn 11V1 avin I1 n/VLNn UUA1N m Hình 1.3 : Giao diện cửa sổ lệnh MATLAB khởi động xong Cửa sổ lệnh dùng để đưa lệnh liệu vào đồng thời in kết Cửa sổ đồ thị trợ giúp cho việc truy xuất đồ họa để thể lệnh hay kết đầu dạng đồ họa [T] Figure No File edit Window Help ặm Việc ngắt chương trình thực chương trình không theo yêu cầu thông qua phím nóng Ctrl + c Đe thoát khỏi chương trình MATLAB ta dùng lệnh » exit J » quit J ( J : nhấn ENTER) từ menu thả xuống nhấn vào góc phải hình cửa sổ MATLAB MATLAB điều khiển câu lệnh kết hợp theo trật tự định gọi chương trình Chương trình chứa nhiều câu lênh hàm chức để giải toán lớn Các câu lệnh ừong MATLAB mạnh có vấn đề cần câu lệnh đủ giải toán Mô ừong MATLAB cho ta hình ảnh tọa độ không gian hai chiều (2D) ba chiều(3D) II.2 Các phím chức đặt biệt (chuyên dùng) lệnh dùng cho hệ thống: Ctrl + p T Gọi lại lệnh vừa thực trước từ sổ lệnh MATLAB Ctrl + n ị Gọi lại lệnh đánh vào trước Ctrl + f —» Chuyển ừỏ sang phải kí tự Ctrl + b hoăc casensen off % bỏ thuộc tỉnh phân biệt chữ hoa chữ thường Yiệc kiểm ừa tồn biến ữong nhớ thông qua lệnh, who Hiển thị danh sách biến định nghĩa whos Hiển thị biến định nghĩa kích thước chúng thông báo chúng có phải số phức không who global Hiển thị biến cục exist(namesrt) Hiển thị biến phụ thuộc vào cách biến định nghĩa ữong chuỗi namesữ Hàm ưả lại giá trị sau: Nếu namesữ tên biến Nếu namesữ tên ííle.m Nếu namesữ tên Mex file Neu namestr tên hàm dịch Simulink Neu namestr tên hàm định nghĩa trước Matlab Độ lớn biến Độ lớn hay chiều dài biến vector ma trận xác định thông qua số hàm có sẵn Matlab size (A) Cho vector chứa kích thước ma trận A Phần tử vector số hàng ma trận, phần tử thứ hai số cột matrận [ m n] = size(A) Trả giá trị độ lớn ma trận A vào vector xác định hai biến m vàn size(A Đưa số hàng ma trận A P=1 số cột A p> ,p) Đưa vector mô tả độ lớn vector X Neu X vector hàng m phần tử giá trị đầu vector m giá trị thứ hai Trường hợp X vector cột n giá trị thứ thứ hai n size (x) Trả giá trị chiều dài vector X lengh(x) lengh(A) Trả giá ừị chiều dài cuả ma ừận A Giá ừị thu m m>n ngược lại n n>m II.4 Các lệnh thông dụng đầ họa Matlab: Matlab mạnh ừong việc xử lý đồ họa, cho hình ảnh minh họa cách sinh động trực quan ừong không gian 2D 3D mà không cần đến nhiều dòng lệnh plot (x,y) plot (x,y,z) title xlabel Vẽ đồ thị ừong tọa độ (x,y) Vẽ đồ thị theo tọa độ ( x,y ,z) Đưa tiêu đề vào hình vẽ Đưa nhãn theo chiều Xcủa đồ thị ylabel Đưa nhãn theo chiều y đồ thị zlabcl Đưa nhãn theo chiều z đồ thị grid Hiển thị lưới đồ thị plot (y) Vẽ đồ thị theo y bỏ qua số theo y Nếu y sỗ phức (complex) đồ thị vẽ phần thực phần ảo y plot (x,y,S) Yẽ theo x,y ; S: sỗ màu sắc kiểu đường theo biến str đường đồ thị liệt kê plot(x,y,z Vẽ theo x,y,z S: số màu sắc kiểu đường ,S theo biến str ) đường liệt kê polar (x,y) Yẽ đồ thị theo hệ trục tọa độ cực bar Yẽ đồ thị dạng cột Các số màu sẳc: Giá trị cuả biến Sừ hàm plot màu sẳc hay kiều dáng đường liệt kê theo bảng đây. Kiểu đường Màu sẳc : Điểm Y: vàng * : Sao G : xanh X : Chữ X M: đỏ tươi B : xanh lam : Chữ + : Dấu cộng : xanh ma : Đường liền w: màu trắng — : Đ n g đnứé tt R: đỏ n é t : Đường chấm gạch : : Đường K: đen chấm o c Vỉ dụ đồ họa bề mặt (3D) MAT LAB Picture the Power Ngoài lệnh có lệnh liên quan đến vẽ đồ thị Vector, vẽ đồ thị theo hệ trục loga,các lệnh liên quan đến đồ họa bề mặt (3D) ,các lệnh liên quan đến việc kiểm soát đồ thỊ I Các dạng file sử dụng MATLAB: I.5 Script file (M-files): Các chương trình nguời sử dụng soạn thảo lưu trữ ữong file có phần mở rộng *.m File dạng gọi Script file File dạng kí tụ ASCII sử dụng chương trình soạn thảo nói chung để tạo Ta chạy file giống lệnh, thủ tục MATLAB Tức gõ tên file khôngcần có phần mở rộng sau Enter Khi sử dụng nội dung file không đượchiển thị hình Trong Simulink sơ đồ mô lưu dạng *.m (trong version 5.X trở lên lưu dạng * mdl) gọi S-fiinction Một số lênh hệ thống tương tác với *.m files thường gặp echo Lệnh cho phép xem lệnh có *.m files chúng thực type Lệnh cho phép xem nội dung,ngầm định file dạng M-file what Lệnh cho biết tất file M -file Mat-file có vùng lảm việc hành hay không Một ví dụ Script file: l^mainl m nutdikh; diem=0; 1; n= pause; Hwaitforbuttonpress; %X1n nhan mot phim abcd I.5.2 sosanh; ttdiem; end pause(1); tambiet; Files li Các ma trận biểu diễn thông tín lưu trữ ừong files liệu Matlab phân biệt hai loại file liệu khác Mat- files ASCII files Mat - files lưu trữ liệu dạng số nhị phân, ASCII- files lưu liệu dạng kí tự Mat-file thích hợp cho liệu tạo sử dụng chương trình MATLAB ASCII- files sử dụng liệu chia xẻ (export -import) với chương trình MATLAB ASCII- files tạo chương trình soạn thảo nói chung hay chương trình soạn thảo ngôn ngữ máy Nó tạo chương trình Matlab cách sử dụng câu lệnh sau đây: >> save .dat Jascii; Nhìn chung Mat lab mạnh ữong việc mô cho toán lã thuật Phần mềm Matlab trở nên thông dụng công cụ đắc lực cho việc giảng dạy, ứng dụng ữong nghiên cứu trường đại học CHƯƠNG II CÁCH KÉT NỐI VÀ CÁC THUỘC TÍNH CỦA BLOCKS I KHÁI NỆM VỀ SIMULINK: Simulink phần mềm mở rộng MATLAB (1 Toolbox Matlab) dùng để mô hình hoá, mô phân tích hệ thống động Thông thường dùng để thiết kế hệ thống điều khiển, thiết kế DSP, hệ thống thông tin ứng dụng mô khác Simulink thuật ngữ mô dễ nhớ ghép hai từ Simulation Link Simulink cho phép mô tả hệ thống tuyến tính,hệ phi tuyến, mô hình miền thời gian liên tục, hay gián đoạn hệ gồm liên tục gián đoạn Để mô hình hoá, Simulink cung cấp cho bạn giao diện đồ họa để sử dụng xây dựng mô hình sử dụng thao tác "nhấn kéo" chuột Với giao diện đồ họa ta xây mô hình khảo sát mô hình cách trực quan Đây khác xa phần mềm trước mà người sử dụng phải đưa vào phương vi phân phương trình sai phân ngôn ngữ lập trình Điểm nhấn manh quan trọng việc mô trình việc thành lập mô hình Để sử dụng tốt chương trình này, người sử dụng phải có kiến thức điều khiển, xây dựng mô hình toán học theo quan điểm lý thuyết điều khiển từ thành lập nên mô hình toán II TÌM HIỂU VỀ SIMULINK VÀ CÁC BLOCKS LIBRARY: I CÁCH KHỞI TẠO SIMULINK VÀ VẼ sơ ĐỒ MÔ PHỎNG: n 1.1 Khởi tạo SIMULINK: Để vào Sỉmulỉnk Matlab, ta từ cửa sỗ lệnh Matlab đánh dòng lệnh: » sỉmulỉnk J Khỉ khỏi động Sỉmulỉnk xong ta hình cửa sỗ Sỉmulỉnk Cửa sổ hoạt động liên kết vói cửa sỗ lệnh MATLAB Ta thấy cửa sỗ Sỉmulỉnk có nhiều khối chức (blocks lỉbrary), có nhiều khối chức cụ thể -•} MATLAB Command Window File Edit Window Help JE mal d *fe] »IĨ ona To get started, type one of these commands: helpwin, helpdesk, or demo For information on all of the MathWorks products, type tour r Hình 2.5 : Cách vào toolbox SIMULINK MATLAB Từ cửa sổ lệnh ta thấy khối thư viện: Khối nguồn (Sources), khối đầu đo (Sinks), khối phỉ tuyến (nonlinear), khối tuyến tính (linear), khối đầu (Connections) Luậiĩn tổt nghiệp GVHD : NGUYÊN MINH f M Trang 113 SVTH :NGUYỄN THANH DUẪN Luậiĩn tổt nghiệp Trang 114 Hình 2.29 Sơ đồ hệ thống Điều khiển tự động Trong : u : tín hiệu vào y : tín hiệu X : tín hiệu điều khiển tác động lên đối tuợng e : tín hiệu sai lệch z : tín hiệu phản hồi 1.2 Các nguyên tắc điều khiển bản: Trong điều khiển tự động có nguyên tắc điều khiển sau: • • Nguyên tắc điều khiển sai lệch Nguyên tắc điều khiển theo phương pháp bù nhiểu GVHD : NGUYÊN MINH f M SVTH :NGUYỄN THANH DUẪN Luậiĩn tổt nghiệp Trang 115 • Hỗn hợp hai nguyên tắc Ngoài nguyên tắc có thêm nguyên tắc • • Nguyên tắc điều khiển theo chương trình Nguyên tắc điều khiển thích nghi 1.3 Phân loại hệ thống điều khiển tự động Việc phân loại hệ thống điều khiển tự động theo nhiều nguyên tắc khác Nhưng ta phân loại theo hệ thống sau: • • Hệ thống điều khiển tuyến tính Hệ thống điều khiển phi tuyến GVHD : NGUYÊN MINH f M SVTH :NGUYỄN THANH DUẪN Luậiĩn tổt nghiệp • • • • • 1.4 Trang 116 Hệ thống điều khiển liên tục Hệ thống điều khiển rời rạc hay hệ thống xung số Hệ ngẩu nhiên Hệ tói ưu Hệ thống thích nghi (tự chỉnh) Nhiệm vụ lý thuyết điều khiển tự động Nhiệm vụ lý thuyết điều khiển tự động phân tích hệ thống thiết kế hệ thống II ÁP DỤNG SIMULINK VÀO THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH GVHD : NGUYÊN MINH f M SVTH :NGUYỄN THANH DUẪN / Luậiĩn tổt nghiệp Trang 117 Trong việc khảo sát ứng dụng ta thử xây sơ đồ mô cho hệ dao động lò xo khói lượng sau : /- A/V m Hệ lò xo khối lượng mô tả phương trình vi phân: mÿ+ky= f GVHD : NGUYÊN MINH f M SVTH :NGUYỄN THANH DUẪN Luậiĩn tổt nghiệp Trang 118 m: khối lượng ; k: độ cứng lò xo Từ ta có sơ đồ khếỉ sau : ' To ỹ ỊTI ý IT Hình 2.30 Stf đề khếỉ hệ dao động Sau ta thử xây dựng sơ đồ mô SIMULINK GVHD : NGUYÊN MINH f M SVTH :NGUYỄN THANH DUẪN Luậiĩn tổt nghiệp Trang 119 □ Sine Wave S u m I n te !Ị rato r In te g \ăio ĩ Scope Hình 2.31 Sơ đô khôi mô hệ khôi lưựng lò xo Scope _|n|x| + Time offset: GVHD : NGUYÊN MINH f M SVTH :NGUYỄN THANH DUẪN Luậiĩn tổt nghiệp Trang 120 Pß>ß GVHD : NGUYÊN MINH f M M aHI SVTH :NGUYỄN THANH DUẪN Hình 232, Dạng sóng ngõ Scope Từ sơ đồ thiết kế ta thêm vào khối để khảo sát hệ như: hệ số cứng (gain), thay đổi dạng sóng Trong sách tập điều khiển tự động có khối đáp ứng hệ Việc dùng SIMULINK để khảo sát thuận tiện chữ việc phân tích toán Ở hình 2.35 2.36 sơ đồ khối động điện đáp úng yận tốc quay GVHD:NGU Đìnnh 236 Đáp ứng vận tốc quay Trong điều khiền tự động thêm vào khâu p, PI, PID làm cho tốt ổn đinh hơĩL hệ thống hoạt động đinh Các sơ đồ điều khiển mô □ Swp« 81 ep RI D Zero-Pole1 20 S»p e1 (s+2X^D.1Xs+10) Sum pID Controller Saturation Hình 2.37 Hệ thống điều khiến rổ khâu PT n Hình 239 Đáp ứng ngõ Hỉnh 1^] Bouncing Ball Display Hinh 2.41 Ket mo pnong ©T0 Workspace Display + Hình 2.41 Mô hình động Ctf DC di chuyển cánh tay Robot Hình 2.42: Stf đồ mô khâu bậc hai Hình 2.43: Đáp ứng khâu bậc hai dưói ngo vao ỉa nam aoc va Dưvc GVE Hình 2.44 Mô hình động Ctf không đồng TtMe(seronil) Dò 00 điệa i - f(t) Tfene(secoiid) Hệ sấ trượt st=f(t) Tkne(secotid) Momeat M = f (t) Tkne(secotid) Ttìcđộ a= Tkne(xecond) Momeat tải Mc — fít) Sd đổ điẻu khiên động cd DC kích từ độc lập béo lài vđi khiu P,PI,PID f (t) X Axfe Đặc tíiih độ 116 It= f(M) Hình 247 Đáp ứng động với khâu F P I SVT# :'nạuitề'n 'mm# vftA'n [...]... BEE3 Hình 2.6 : Màn hình cửa sỗ thư viện SIMULINK Thư viện của Sỉmulỉnk bao gồm các khổỉ chuẩn trên, người sử dụng cũng có thể thay đổi hay tạo ra các khổỉ cho riêng mình Sỉmulỉnk cũng gỉổng như các phần mềm mô phỏng thiết kế mạch điện tử như : Micro Sim Eval, EWB, Circuit Maker Để vẽ SO’ đồ mô phỏng cũng như xây dựng mô hình như thế nào.Vỉệc xây dựng mô hình và các thao tác để xây dựng mô hình Ta... tiên hãy nối đầu ra khối phát Sin tín hiệu tổi đầu vào trên khốỉ Mux Công việc thực hiện nấỉ các khối, nóỉ chung không theo thứ tự bắt buậc nảo cả Công việc thực hiện nối các sơ đồ cũng giếng như các phần mềm thiết kế đỉện tử nào đó là đặt con trỏ chuột tại đầu nối (ra) của khối này (con trỏ chuột bỉến thành dấu cộng), gỉữ trỏ chuột và kéo tới đầu nối (vào) của khếỉ khác Trong quá trình nốỉ, đưòng nối... Discrete Zero-Pole