Phần II SIMULINK TRONG MATLAB

Từ cửa sổ lệnh ta thấy được các khối thư viện: Khối nguồn Sources, khối đầu đoSinks, khối phi tuyến nonlinear, khối tuyến tính Continuous, khối đầu nối SignalRouting………… Để vẽ sơ đồ mô p

Phần II SIMULINK TRONG MATLAB

I KHAÙI NIEÄM VEÀ SIMULINK:

Simulink laứ moọt phaàn meàm mụỷ roọng cuỷa MATLAB (1 Toolbox cuỷa Matlab) duứng ủeồ

moõ hỡnh hoaự, moõ phoỷng vaứ phaõn tớch moọt heọ thoỏng ủoọng Thoõng thửụứng duứng ủeồ thieỏt keỏ heọthoỏng ủieàu khieồn, thieỏt keỏ DSP, heọ thoỏng thoõng tin vaứ caực ửựng duùng moõ phoỷng khaực

Simulink laứ thuaọt ngửừ moõ phoỷng deó nhụự ủửụùc gheựp bụỷi hai tửứ Simulation vaứ Link.Simulink cho pheựp moõ taỷ heọ thoỏng tuyeỏn tớnh,heọ phi tuyeỏn, caực moõ hỡnh trong mieàn thụứi gianlieõn tuùc, hay giaựn ủoaùn hoaởc moọt heọ goàm caỷ lieõn tuùc vaứ giaựn ủoaùn

ẹeồ moõ hỡnh hoaự, Simulink cung caỏp cho baùn moọt giao dieọn ủoà hoùa ủeồ sửỷ duùng vaứ xaõydửùng moõ hỡnh sửỷ duùng thao taực "nhaỏn vaứ keựo" chuoọt Vụựi giao dieọn ủoà hoùa ta coự theồ xaõy moõhỡnh vaứ khaỷo saựt moõ hỡnh moọt caựch trửùc quan hụn ẹaõy laứ sửù khaực xa caực phaàn meàm trửụực ủoựmaứ ngửụứi sửỷ duùng phaỷi ủửa vaứo caực phửụng vi phaõn vaứ caực phửụng trỡnh sai phaõn baống moọtngoõn ngửừ laọp trỡnh

ẹieồm nhaỏn maùnh quan troùng trong vieọc moõ phoỷng moọt quaự trỡnh laứ vieọc thaứnh laọp ủửụùcmoõ hỡnh ẹeồ sửỷ duùng toỏt chửụng trỡnh naứy, ngửụứi sửỷ duùng phaỷi coự kieỏn thửực cụ baỷn veà ủieàukhieồn, xaõy dửùùng moõ hỡnh toaựn hoùc theo quan ủieồm cuỷa lyự thuyeỏt ủieàu khieồn vaứ tửứ ủoự thaứnhlaọp neõn moõ hỡnh cuỷa baứi toaựn

II TèM HIEÅU VEÀ SIMULINK VAỉ CAÙC BLOCKS LIBRARY:

II.1 CAÙCH KHễÛI TAẽO SIMULINK VAỉ VEế Sễ ẹOÀ MOÂ PHOÛNG:

II.1.1 Khụỷi taùo SIMULINK:

Để vào Simulink trong Matlab, dùng biểu tợng trên thanh công cụ hoặc ta từ

cửa sổ lệnh của Matlab đánh dòng lệnh:

Từ cửa sổ lệnh ta thấy được các khối thư viện: Khối nguồn (Sources), khối đầu đo(Sinks), khối phi tuyến (nonlinear), khối tuyến tính (Continuous), khối đầu nối (SignalRouting)…………

Để vẽ sơ đồ mô phỏng cũng như xây dựng mô hình như thế nào.Việc xây dựng mô hìnhvà các thao tác để xây dựng mô hình Ta thử thiết kế mô phỏng ví dụ sau (Hình 2.7) để biếtđược việc vẽ và mô phỏng sơ đồ:

Để vẽ được mô hình này ta phải làm các thao tác sau:

1.Từ cửa sổ Matlab đánh lệnh simulink Cửa sổ thư viện các khối sẽ xuất hiện

2.Từ cửa sổ thư viện ta nhấp chuột vào File/New/Model hoặc nhấn Ctrl+ N Màn hình cửa sổ mô hình mới Untitled được mở ra (Hình2.2).Từ đó ta bắt đầu xây dựng mô hình.

3 Chọn các block ở các thư viện thích hợp:

Hình 2.3 : Mô hình phân tích sóng hình sin

H×nh 2.4: Chọn vẽ một Model (Scheme) mới

Trong sơ đồ này chọn các khối từ các thư viện:

+ Thư viện các nguồn tín hiệu (Sources): Chọn Sin wave

+ Thư viện các khối nhận tín hiệu (Sinks): Chọn Scope

+ Thư viện các hàm tuyến tính (Continuous): Chọn Integrator

+ Thư viện các đầu nối ( Signal Routing): Chọn Mux

Để chọn một thư viện trong Simulink ta nhấp kép (Double Click) vào khối (icon) đó.

Simulink sẽ hiển thị một cửa sổ chứa tất cả các khối của thư viện đó Trong thư viện nguồntín hiệu chứa tất các khối đều là nguồn tín hiệu Thư viện nguồn tín hiệu được trình bày nhưhình 2.5

Người sử dụng thêm vào sơ đồ của mình bằng cách ghép khối đó từ thư viện hay từ mô hình bất kì nào khác Trong ví dụ này ta chọn khối phát sóng hình sin Đặt con trỏ chuột

lên khối ấn và giữ phím trái chuột, kéo khối tới cửa sổ vẽ sơ đồ Untitled.

Khi di chuyển khối ta có thể thấy khối và tên của nó di chuyển cùng với con trỏ chuột

Hình 2.5 : Cửa sổ thư viện Phầàn Nguồn tín hiệu (SOURCES)

Hình 2.6 : Khối và tên di chuyển cùng khối Khi con trỏ chuột di chuyển tới nơi bạn cần đặt khối trong sơ đồ bằng cách nhả phím chuột, một bản copy của khối đã ở trong màn hình mô phỏng Khi ta không vừa ý chỗ đặt ta

có thể di chuyển khối bằng cách như trên Theo cách này chép những khối còn lại vào trongmàn hình mô phỏng để tiếp tục xây dựng sơ đồ Muốn copy tiếp một khối Sin nữa trong mộtmột sơ đồ, ta làm bằng cách giữ phím Ctrl + phím trái chuột và di chuyển tới điểm cần đặtkhối, lúc đó một khối đã được copy Với tất cả các khối đã chép vào cửa sổ màn hình môphỏng sẽ được hiển thị như trên hình 2 7

Nếu xem kĩ từng khối, chúng ta thấy dấu > ở bên phải của khối là dâú đầu nối dànhcho ngõ ra của tín hiệu, còn dấu > ở bên trái là dấu đầu nối dành cho ngõ vào Tín hiệu đitừ đầu ra của một khối tới đầu vào của khối khác theo một đường nối giữ hai khối Khi mộtkhối đã được nối thì biểu tượng > cũng mất đi

Hình 2.7 Cửa sổ sơ đồ với các khối đã được copy.

Hình 2.8 Đầu vào - ra của một khối

PORT

Từ hình 1.11 ta thấy khối Mux có ba cổng vào nhưng ta cần có hai cổng nên ta phải

thay đổi thông số của Mux, bằng cách nhấp kép lên khối Mux và thay đổi giá trị thông số

"Number of Input" là 2 (hình 2.9).Sau đó nhấn phím Apply và đó cửa cửa sổ Mux Simulink sẽ điều chỉnh số cổng vào theo giá trị đã nhập

Hình 2.9 Cửa sổ thông số khối Mux.

Bây giờ ta có thể nối các khối lại với nhau Đầu tiên hãy nối đầu ra khối phát Sin tínhiệu tới đầu vào trên khối Mux Công việc thực hiện nối các khối, nói chung không theo thứtự bắt buộc nào cả Công việc thực hiện nối các sơ đồ cũng giống như các phần mềm thiết kế

điện tử nào đó là đặt con trỏ chuột tại đầu nối (ra) của khối này (con trỏ chuột biến thành dấu cộng), giữ trỏ chuột và kéo tới đầu nối (vào) của khối khác Trong quá trình nối, đưòng

nối có hình nét đứt và con trỏ sẽ thay đổi thành dấu cộng kép khi lại gần khôí cần nối

Hình 2.10 Cửa sổ mô hình trước khi nối dây.

Hình 2.11 Cửa sổ mô hình khi đang nối dây.

Ta có thể nối bằng cách nhả phím chuột khi con trỏ ở bên trong khối Khi đó đường nối sẽ nối vào cổng gần vị trí con trỏ nhất.

Hình 2.12 Hình khôí Sin đã nối vào trên khối Mux.

Phần lớn các đường nối đi từ đầu ra của một khối tới đầu vào của một khối khác Cóđường nối từ một đường nào đó đi tới đầu vào của một khối ta gọi đó là đường rẽ nhánh Việc vẽ đường rẽ nhánh có sự khác biệt so với vẽ đường nối chính Để vẽ được rẽnhánh ta thực việc như sau:

1 Đặt con trỏ vào điểm cần vẽ đường rẽ nhánh

Hình 2.13 Con trỏ đặt vào điểm cần rẽ nhánh.

2. Ên phím Ctrl + giữ phím trái chuột ,kéo con trỏ chuột tới đầu vào của khối.

3. Nhả phím chuột, Simulink sẽ vẽ một đường từ điểm bắt đầu tới cổng vào của khối.

Tuy nhiên chúng ta cũng có thể nối dây từ đầu vào (đầu ra) của một khối tới đường nối

chính, mà không cần giữ phím Ctrl Tuy nhiên việc nối dây sẽ bất tiện do mối nối hình

thành không theo ý muốn hoặc không nối được

Hình 2.14.Một đoạn dây không như ý

Kết thúc việc nối dây, mô hình được hiển thị như trên hình 2.15

Tuy nhieõn trong quaự trỡnh noỏi daõy coự theồ coự nhửừng ủửoứng noỏi daõy khoõng nhử yự tamuoỏn,

ta coự theồ boỷ ủi hoaởc sửỷ a chửừa laùi baống caựch nhaỏp chuoọt vaứo ủoaùn daõy ủoự, sau ủoự ta nhaỏn

phớn Delete hoaởc di chuyeồn ủoaùn daõy ủeồ sửỷa laùi.

Hỡnh 2.15 Moọt ủoaùn daõy ủaừ ủửụùc choùn.

Hỡnh 2 16 Cửỷa soồ moõ hỡnh ủaừ ủửụùc veừ xong.

Baõy giụứ ta mụỷ khoỏi Scope ủeồ hieồn thũ tớn hieọu ra vaứ chaùy moõ phoỷng trong 10s ẹaàu tieõn

ta phaỷi ủaởt thoõng soỏ moõ phoỷng baống leọnh Parameter trong menu Simulation ẹaởt thụứi gian moõ phoỷng (Stop time) laứ 10.0 Sau ủoự nhaỏn vaứo Apply ủeồ Simulink aựp duùng caực thoõng soỏ do

ta ủaởt vaứ ủoựng hoọp hoọi thoaùi baống caựch nhaỏn vaứo Close.

Hình 2.17 Cửa sổ đặt thông số mô phỏng

Chọn Start trong menu Simulation để chạy mô phỏng và ta Double Click vào khối

Scope để xem dạng sóng ra của tín hiệu

Muốn dừng mô phỏng thì chọn Stop hay Pause từ menu Simulation.

Hình 2.18 Cửa sổ hiển thị tín hiệu ra của sơ đồ.

Để lưu sơ đồ này ta chọn Save từ menu File, nhập tên file File này sẽ chứa mô hình đã vẽ II.2 CÁC BLOCKS LIBRARY:

Sau đây là các BLOCK

LIBRARY của Simulink Giúp

cho có cách nhìn khái quát thư

viện của Simulink

Hình 2.19: Thư viện Phần Rời

Hình 2.20 : Thư viện Đồ thị (SINKS)

Hình 2.21 : : Thư viện Phần Tuyến tính (Continuous)

Hình 2.22: Thư viện Phần phi tuyến (Discontinuties)

Hình 2.23: Thư viện Phần Đầu nối (Signal Routing)

Vµ mét sè th viÖn kh¸c

III THUỘC TÍNH CỦA MỘT BLOCK VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN TRONG SIMULINK.

Như chúng ta đã biết phần tử để xây dựng nên một sơ đồ trong Simulink đó chính làBlock Một Block được quy định bởi hai thuộc tính: Văn phong và cấu trúc

Thuộc tính về văn phong được mô tả trong bản Style:

Style

Drop ShadowsOrientation Title

Font…

Foreground ColorBackground ColorScreen Color

Bao gồm :

• Drop Shadows : Bật tắt bóng của Block

• Orientation : Định hướng chọn Block Sự định hướng này có thể chọn phím nóngCtrl +R để xoay 900 hoặc Ctrl + F để xoay 1800

• Title : Đặt tên cho Block

DisplayedHiddenTop/LeftBottom/Right

Hiện tên BlockẨn tên BlockTên của Block nằm trên đỉnh block hay bên trái

Tên của Block nằm ở dươí block hay bên phải

• Font :Định dạng Font cho Block

•Color : màu nền, khung màu chữ cho Block

Thuộc tính về cấu trúc được mô tả trong hộp hội thoại của Block Mở nó bằng cáchDouble Click chuột vào biểu tượng Block

Trong hộp hội thoại có những thành phần sau:

•Tên khối (block name)

•Mô tả ngắn gọn về đặt điểm của khối (Brief explanation)

•Những mảng thông số (parameters) nếu khối đó cần những thông số

•Giải thích về đặc điểm của khối (Help button)

Những mô tả về những cấu trúc thuộc tính của các blocks trong Simulink sẽ được môtả ë phÇn sau

Hình 2.25: Thuộc tính cấu trúc của một Block

III.2 Các phương pháp giải bài toán mô phỏng trong Simulink :

Trong Simulink việc giải các bài toán mô phỏng có nhiều phương pháp giải khác nhau.Sau đây là các cách giải được áp dụng trong Simulink

• Phương pháp Euler : là phưng pháp cổ điển với biến là bước Phương pháp này khả

thi cho bất cứ hệ thống nào có những bước nhỏ Do đó những bài toán có liên quanđến việc tính toán quá nhiều thì không bao giờ chính xác Phương pháp này chỉ nêndùng cho việc kiểm tra kết quả

• Phương pháp Runge-Kutta 3 và Runge-Kutta 5: Đây là phương pháp thông dụng

áp dụng cho mọi loại bài toán và nó có thể đạt chỉ tiêu chất lượng so với các

phương pháp đặc biệt khác Phương pháp này thích hợp cho cho hệ liên tục và hệ

phi tuyến Không làm việc với hệ có ma sát

• Phương pháp Adams :là phương pháp tự chỉnh áp dụng cho hệ không có ma sát.

• Phương pháp Gear : là phương pháp tự chỉnh áp dụng cho hệ có ma sát Phương

pháp này không làm việc tốt khi hệ bị rối loạn do ngõ vào thay đổi liên tục

• Phương pháp Adams / Gear : Chọn giữa hai phương phápAdams và Gear

• Phương pháp LinSim : là phương pháp dùng cho hệ tuyến tính Nếu hệ mang tính

chất tuyến tính nhưng có vài khối phi tuyến thì hệ

cũng làm việc tốt

IV øng dơng Simulink trong tÝnh to¸n

Với giả thiết khối l ợng của hệ thống treo đ ợc chia đều cho phần khối l ợng− − −

đ ợc treo v phần khối l ợng không đ ợc treo, mô hình động lực học của hệ thống− μ − −

treo đơn chỉ gồm phần tử đ n hồi (Cs) v phần tử giảm chấn (Ks) thể hiện trên hình 2.26μ μ

Ph ơng trình động lực học của hệ thống:−

Trong đó: Zs, Zs’- độ dịch chuyển, tốc độ dịch chuyển của điểm liên kết với

khối l ợng đ ợc treo;− −

Zu, Zu’- độ dịch chuyển, tốc độ dịch chuyển của điểm liên

kết với khối l ợng không đ ợc treo; − −

không đ ợc treo trên một trục khi chúng dao động độc lập, mô hình vật lý dao−

động 1/4 xe thể hiện trên hình 2.28

Có thể chia mô hình dao động 1/4 xe thμnh các phần tử: bánh xe; khối l ợng−

không đ ợc treo; hệ thống treo v− μ phần tử khối l ợng đ ợc treo.− −

Phần tử bánh xe có hai kích thích đầu vμo lμ dịch chuyển của khối l ợng−

không đ ợc treo v− μ chiều cao mấp mô biên dạng đ ờng Đầu ra l− μ lực t ơng tác−

với khối l ợng không đ ợc treo v− − μ cũng lμ lực t ơng tác với đ ờng.− −

Sö dông Subsystem1 cho ph¬ng tr×nh 2:

F1

F2

Zu(3)

3 Hệ thống treo bị động (passive suspensions)

H×nh 2.29 Mô hình hệ thống treo bị động

ms- Khối lượng phần được treo

Zs - Dịch chuyển dọc khối lượng được treo

kr - Độ cứng phần tử đàn hồi cầu sau kf - Độ cứng phần tử đàn hồi cầu trước

br -Hệ số cản giảm chấn cầu sau

bf - Hệ số cản giảm chấn cầu trước

bur - Hệ số cản giảm chấn lốp cấu sau; buf - Hệ số cản giảm chấn của lốp cầu trước

mur - Khối lượng phần không được treo cầu sau

muf - Khối lượng phần không được treo cầu trước

Zu - dịch chuyển dọc khối lượng không được treo

q- mấp mô biên dạng mặt đường

V – vận tốc chuyển động ôtô ; J - mômen quán tính của ms

lf - khoảng cách từ trọng tâm đến điểm gi của hệ thống treo trước

lr – khoảng cách từ trọng tâm đến điểm gi của hệ thống treo sau

φ - góc quay của khối lượng được treo

a Phương trình dao động của khối lượng được treo:

Dịch chuyển thẳng đứng Zsr, Zsf của vị trí A và B được xác định như sau:

(do góc Φ rất nhỏ nên ta có: tan Φ≈ Φ)

Hình 2.30: Mô hình phương trình dao động hệ thống treo bị động

Chuyển động thẳng đứng của khối lượng được treo:

Chuyển động quay:

b Phương trình dao động khối lượng không được treo cầu trước:

c Phương trình dao động khối lượng không được treo cầu sau:

Ta có: