GIÁO TRÌNH, TIN HỌC ỨNG DỤNG, CHO NGÀNH CƠ KHÍ, ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GTVT
MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU Chương TỔNG QUAN VỀ MATLAB 1.1 Giới thiệu chung MATLAB chữ viết tắt cụm từ MATrix LABoratory Đây phần mềm tính tốn thiết kế mơ dựa sở tính tốn tốn học MATLAB ngơn ngữ lập trình thực hành bậc cao sử dụng để giải toán kỹ thuật Hàng triệu kỹ sư nhà khoa học giới sử dụng MATLAB ® để phân tích thiết kế hệ thống sản phẩm làm thay đổi giới MATLAB có hệ thống an tồn chủ động tơ, tàu vũ trụ, máy bay, thiết bị theo dõi sức khỏe, lưới điện thông minh mạng di động LTE Nó sử dụng để mơ phỏng, xử lý tín hiệu, xử lý hình ảnh, thị giác máy tính, truyền thơng, tài tính tốn, thiết kế điều khiển, robot, nhiều Nền tảng MATLAB tối ưu hóa để giải vấn đề khoa học kỹ thuật MATLAB tích hợp việc tính tốn, thể kết quả, cho phép lập trình, giao diện làm việc dễ dàng cho người sử dụng Cốt lõi chương trình phép tính véc tơ ma trận MATLAB giúp Người học đưa ý tưởng Người học vượt ngồi máy tính Người học chạy phân tích tập liệu lớn mở rộng theo cụm đám mây Các mã MATLAB tích hợp với ngơn ngữ khác, cho phép Người học triển khai thuật toán ứng dụng web, doanh nghiệp hệ thống sản xuất Một số đặc điểm phần mềm MATLAB kể đến sau: Ngôn ngữ cấp cao cho khoa học máy tính kỹ thuật; Mơi trường máy tính điều chỉnh để lặp lại, thiết kế giải vấn đề; Đồ họa để hiển thị liệu công cụ để tạo ô tùy chỉnh; Ứng dụng điều chỉnh, phân loại liệu, phân tích tín hiệu, điều chỉnh hệ thống điều khiển nhiều tác vụ khác; Toolbox hỗ trợ cho nhiều ứng dụng khoa học kỹ thuật; Công cụ xây dựng ứng dụng với giao diện Người học dễ dàng thực hiện; Kết nối với với C/C++, Java®,.NET, Python, SQL, Hadoop Microsoft ® Excel® Các lệnh MATLAB mạnh hiệu cho phép giải dạng toán khác đặc biệt hiệu cho hệ phương trình tuyến tính thao tác tốn ma trận Khơng MATLAB hữu hiệu việc trợ giúp thao tác truy xuất đồ hoạ không gian 2D, 3D khả tạo hoạt cảnh cho việc mơ tả tốn cách sinh động MATLAB có đến hàng ngàn lệnh hàm tiện ích Ngồi hàm cài sẵn ngơn ngữ lập trình, MATLAB cịn có lệnh hàm ứng dụng chun biệt Toolbox để mở rộng môi trường MATLAB nhằm giải toán thuộc phạm trù riêng Các Toolbox quan trọng tiện ích cho Người học tốn sơ cấp, xử lý tín hiệu số, xử lý ảnh, xử lý âm thanh, ma trận, logic mờ… Cùng với nhiều Toolbox khác nhau, MATLAB đưa đến cho người sử dụng lựa chọn hoàn chỉnh phong phú công cụ trợ giúp đắc lực cho lĩnh vực khác đường nghiên cứu Phần mềm MATLAB gồm phần sau: - Các biến: Thực chất thơng số cần chương trình tính tốn mơ Bản thân biến có biến cục biến tồn bộ; - Các hằng: Là thơng số khơng đổi Ví dụ thơng số kết cấu, hàng số vật lý ; - Các thủ tục (Scripts): khối câu lệnh thực cách ta gọi tên thủ tục Scripts khơng thực chương trình Các thủ tục không bao gồm biến vào (inputs) biến (outputs) - Các hàm m.file (Function): Đây chương trình MATLAB, bao gồm tên hàm, biến vào, biến - Các công cụ (Toolbox): Các công cụ giới thiệu mô đun lĩnh vực riêng như: + Control System Toolbox; + Signal Processing Toolbox; + Optimization Toolbox; + Stateflow Blockset; + Power System Blockset; + Real-Time Workshop; + SIMULINK Giáo trình giới thiệu biến, hàm, truy xuất liệu MATLAB trình bày SIMULINK mơ đun hay sử dụng việc tính tốn mơ hệ thống khí nói chung tơ nói riêng 1.2 Giao diện thành phần 1.2.1 Giao diện hình Hình 1.1 Màn hình MATLAB Sau khởi động MATLAB (phiên R2016a) hình mơi trường tích hợp với cửa sổ hình 1.1 Cửa sổ Command Windows (1): Đây cửa sổ MATLAB Tại ta thực tồn cơng việc nhập liệu xuất kết tính tốn Dấu nhấp nháy >> báo hiệu chương trình sẵn sàng hoạt động Một số lệnh ban đầu trình bày bảng đây: Cửa sổ Command History (2): Lưu trữ tất lệnh thực cửa sổ Comman Windows (2) lặp lại lệnh cũ cách nháy đúp chuột vào lệnh Cũng cắt, xố nhóm lệnh lệnh riêng rẽ Cửa sổ Workspace Browser (3): Tất biến, hàm tồn môi trường công tác hiển thị môi trường với đầy đủ thông tin như: tên, loại biến/hàm, kích cỡ tính theo Bytes loại liệu Cửa sổ Editor (4): Cửa sổ soạn thảo chương trình, cửa sổ giúp soạn thảo thủ tục (script) hàm (m.file) dùng MATLAB Nhờ chương trình soạn thảo MATLAB ta viết mới, hay xử lý sửa đổi Scripts hàm Bên cạnh chức soạn thảo, cịn có chức thông thường khác mà môi trường soạn thảo chương trình cần phải có, phục vụ xử lý bước nội dung chương trình, hay để phát lỗi Cửa sổ Current Folder (5): Cửa sổ hiển thị tất file, thư mục có folder chương trình mở Mặc định bắt đầu MATLAB Folder có đường dẫn thể địa chỉ: C:/Program Files/ MATLAB/R2016a/Bin Nhờ cửa sổ này, người sử dụng nhanh chóng nhận biết, chuyển đổi thư mục môi trường công tác, mở File, tạo thư mục Cửa sổ Description (6): Đây cửa sổ thị thích có file folder mà trỏ (5) 1.2.2 Giao diện đồ họa Menu Plots MATLAB bao gồm cách vẽ đồ thị trực tiếp có liệu có Workspace MATLAB cung cấp đa dạng dạng vẽ đồ thị theo yêu cầu cụ thể Hình 1.2 Màn hình PLOTS Ví dụ dạng đồ thị đường (plot), đồ thị nhiều đường (plot as multiple series), stem, stairs, dạng cột (bar), dạng phổ cơng suất (psd)…Ngồi cịn có sẵn cách vẽ đồ thị 3D dạng lưới (mesh) dạng sóng (surf) hay dạng đường đồng mức (contour)…Đối với Người học quen với việc đồ thị hóa thường sử dụng lênh vẽ đồ thị plot, surf…phần giới thiệu phần đồ họa chương 1.2.3 Giao diện ứng dụng Hình 1.3 Màn hình APPS Menu Apps chương trình gom lại theo chủ điểm cơng việc cho App MATLAB Ví dụ nhóm thống kê, tính tốn tối ưu bao gồm App: Curve Fitting, Distribution Fitting, PDE, Otimization…Nhóm phân tích thiết kế hệ thống điều khiển kể đến App: PID Tuner, Fuzzy Logic Designer, Control System Designer, System Identification…Nhóm tạo code kể đến App sau: Fixed-Point Converter, MATLAB Coder, HDL Coder Ngồi cịn nhiều nhóm App khác, Người học tìm hiểu kỹ tốn phù hợp 1.2.4 SIMULINK mơ đun mơ Hình 1.4 Cửa sổ SIMULINK SIMULINK môi trường sơ đồ khối cho mô đa miền thiết kế dựa mơ hình Mơ đun hỗ trợ thiết kế cấp hệ thống, mô phỏng, tạo mã tự động kiểm tra xác minh liên tục hệ thống nhúng SIMULINK cung cấp trình soạn thảo đồ họa, thư viện khối tùy chỉnh giải để mơ hình hóa mơ hệ thống động SIMULINK tích hợp với MATLAB ®, cho phép Người học kết hợp thuật toán MATLAB vào mơ hình xuất kết mơ sang MATLAB để phân tích 10 Hình 5.38 Đồ thị tải trọng thẳng đứng bánh xe cầu sau Với dạng đường ngẫu nhiên ISO C-D tạo hàm for miền chiều dài đường Để đưa vào mơ hình cần tạo véc tơ giá trị chiều cao mấp mô theo thời gian chạy khảo sát tương ứng với vận tốc v=40 km/h Một số kết xuất cho thấy, biến đổi tương ứng với mấp mơ mặt đường trường hợp cụ thể Để khảo sát trường hợp khác Người học mô vận tốc khác mô với dạng mức đường khác để đánh giá c Kết luận Phần hướng dẫn cách xây dựng mơ hình dao động ½ xe tải Với Hệ thống người học sử dụng để tạo mơ hình dao động đối tượng khác phù hợp Khi người học cần xác định liên kết phù hợp với đối tượng nghiên cứu Việc mơ hình hóa mô hệ động lực học theo mô đun xu tất yếu đảm bảo dễ kiểm sốt chương trình tăng khả thư viện hóa hệ động lực học điều khiển Mơ hình động 5.4.1 Phân tích mơ hình vật lý Phần mơ tả khái niệm cách tạo mơ hình động với kỹ thuật quan trọng mơ hình hóa Simulink ® Mơ hình sử dụng khả nâng cao Simulink để ghi lại kiện dựa độ xác cao Trong mơ này, mơ hình hệ thống dạng triggered mơ tả chuyển đổi hỗn hợp nhiên liệu khơng khí từ ống nạp vào xi lanh thông qua 203 van điều khiển gián đoạn Điều diễn đồng thời với q trình liên tục dịng khí nạp, tạo mơ-men xoắn gia tốc Mơ hình dựa kết công bố Crossley Cook (1991) Nó mơ tả mơ động đốt đánh lửa bốn xi-lanh Công việc Crossley Cook cho thấy cách mô dựa mơ hình xác thực liệu thử nghiệm Các phần (được liệt kê bên dưới) phân tích yếu tố mơ hình động Crossley Cook xác định a Bướm ga Thông số đầu vào độ mở bướm ga Mơ hình tốn học viết sau: &ai = f ( θ ) g ( Pm ) m f ( θ ) = 2,821 − 0, 05231θ + 0.10299θ − 0, 00063θ Pm Pamb − Pm2 P amb g ( Pm ) = − Pm Pamb − Pm2 P amb −1 m&ai if Pamb ≤ Pm ≤ Pamb if Pamb ≤ Pm ≤ Pamb if Pm ≥ Pamb (5.4.1) : lưu lượng khí nạp (g/s) θ: Độ mở bướm ga (deg) Pm: Áp suất đường ống nạp (bar) Pamb: áp suất khơng khí (bar) b Đường ống nạp Mơ mơ hình đường ống nạp phương trình vi phân cho áp suất đường ống Sự khác tốc độ dòng chảy đến thể tốc độ thay đổi thực khối khơng khí theo thời gian Đại lượng này, theo định luật khí lý tưởng, tỷ lệ thuận với đạo hàm áp suất nạp (xem phương trình 5.4.2) RT &ai − m &ao ) P& (m m = Vm (5.4.2) R: Hằng số khí 204 T: Nhiệt độ (K) Vm: Thể tích đường ống nạp (m3) &ao m & P m : Lưu lượng khí nạp (g/s) : Tốc độ thay đổi áp suất (bar/s) c Lưu lượng khí nạp Lưu lượng khí nạp khơng khí mà mơ hình bơm vào xylanh từ đường ống nạp mô tả phương trình 5.4.3 phương trình dẫn xuất theo kinh nghiệm &ao = −0, 366 + 0, 08979 N Pm − 0, 0337 N Pm2 + 0, 0001N Pm (5.4.3) m N: Tốc độ góc động cơ; Pm: áp suất đường ống nạp Để xác định tổng lượng khơng khí bơm vào xylanh, mơ tích hợp tốc độ dòng chảy từ đường ống nạp lấy mẫu vào cuối hành trình nạp Điều xác định tổng khối lượng khơng khí có xi lanh sau hành trình nạp trước nén d Hành trình nén Trong động xy lanh thẳng hàng, 180 độ trục khuỷu lần đánh lửa xy lanh Trong mô hình này, lần hút, nén, đốt xả khí xảy đồng thời (tại thời điểm nào, xi lanh pha) Để tính tốn q trình nén, buồng cháy lần nạp đặt chậm 180 độ góc quay trục khuỷu từ điểm hành trình nạp e Mơ-men xoắn gia tốc góc Yếu tố cuối mơ mô tả mô-men xoắn tạo động Một mối quan hệ thực nghiệm phụ thuộc vào khối lượng khơng khí nạp, tỷ lệ hỗn hợp khơng khí/nhiên liệu, tia lửa điện tốc độ động sử dụng để tính tốn mơ-men xoắn (xem Cơng thức 5.4.4) 205 A A Teng = −181, + 379, 36ma + 21, 91 ÷− 0,85 ÷ + 0, 26.σ − 0, 0028.σ F F +0, 027.N − 0, 000107 N + 0, 00048 N σ + 2, 55.σ ma − 0, 05.σ ma (5.4.4) ma: Khối lượng lượng khí buồng cháy (g); : tỷ số khí/ nhiên liệu : góc đánh lửa sớm (deg); Teng: mơ men xoắn sinh động (Nm) Tính gia tốc góc động phương trình 5.4.5 JN&= Teng − Tload (5.4.5) J: Mơ men qn tính động (kg.m2) : Gia tốc góc quay động (rad/s2) 5.4.2 Xây dựng mơ hình mơ Mơ hình xây dựng Simulink theo phương trình khối sau: Hình 5.39 Mơ hình mơ động 206 Hình 5.39 Mơ hình bướm ga ống nạp Hình 5.40 Mơ hình bướm ga Hình 5.41 Mơ hình đường ống nạp 207 Các mơ hình Simulink cho hệ thống bướm ga ống nạp thể hình 5.39 Họng hút hoạt động theo phương pháp phi tuyến mơ hình hóa hệ thống với ba đầu vào Simulink thực phương trình riêng lẻ, dạng khối chức Chúng cung cấp cách thuận tiện để mơ tả phương trình phi tuyến số biến Khối Switch xác định xem dịng chảy có phải âm hay không cách so sánh tỷ lệ áp suất với ngưỡng chuyển đổi nó, đặt nửa (cơng thức 5.4.1) Hướng dịng chảy từ áp suất cao đến thấp hơn, xác định khối Sign Khối Min đảm bảo tỷ lệ áp suất luôn thống Khối Valve Timing phát xung tương ứng với góc quay để xác định thời gian nạp nén Các kiện van xảy vòng quay cam, vòng quay trục khuỷu 180 độ Mỗi kiện kích hoạt thực thi hệ thống Compression Đầu khối trigger hệ thống Compression sau đưa trở lại để thiết lập lại Intake Theo cách này, hai kích hoạt mặt khái niệm xảy lúc, đầu tích hợp xử lý khối Compression trước đặt lại Hình 5.42 Mơ hình q trình nén Mơmen xoắn động hàm bốn biến Mơ hình sử dụng khối Mux để kết hợp biến thành véc tơ cung cấp đầu vào cho khối Torque Gen Một khối tính tốn mơ-men xoắn động (được mơ tả theo kinh nghiệm phương trình 5.4.4) Mơmen xoắn tải động cơ, tính chức bước khối Drag Torque 208 Hình 5.43 Mơ hình q trình cháy Hình 5.44 Mơ hình xác định tốc độ quay động Hình 5.45 Mơ hình thời gian đóng mở xúp áp 5.4.3 Kết mơ a Kết Sử dụng đầu vào sau cho mô phỏng: θ=8,97 (deg) t