VII. Nội dung của luận văn
2.2 Cơng cụ Matlab – Simulink dùng để mơ phỏng
2.2.1 Ý nghĩa của mơ hình mơ phỏng
Mơ hình mơ phỏng là một ngành khoa học giúp con người hiểu biết thêm về sự tương tác giữa các yếu tố cấu thành một hệ thống, cũng như tồn bộ hệ thống. Mơ phỏng là sự vận động của một mơ hình như cách hoạt động theo thời gian và khơng gian như trong hệ thống thực mà mơ hình này đại diện. Vì vậy, mơ phỏng cho phép nhận biết được tác động qua lại bên trong hệ thống thực nhờ sự tách biệt theo thời gian hoặc khơng gian. Việc xây dựng một mơ hình mơ phỏng càng được sử dụng nhiều để phân tích và đốn trước những đáp ứng, diễn biến của một hệ thống kỹ thuật.
2.2.2 Phần mềm MATLAB - SIMULINK 2.2.2.1 Matlab
Matlab là một chương trình viết cho máy tính PC nhằm hỗ trợ cho các tính tốn khoa học và kỹ thuật với các phần tử cơ bản là ma trận trên máy tính cá nhân do cơng ty “The Mathworks” viết ra.
Thuật ngữ MATLAB cĩ được là do hai từ MATRIX và LABORATOR ghép lại. Đây là phần mền tương tác dựa trên cơ sở các phép tốn ma trận ở mức cao và rất hiệu quả để giải và minh họa các bài tốn về khoa học và kỹ thuật. Phiên bản MATLAB đầu tiên do Cleve Moler viết bằng ngơn ngữ Fortran trong nhiều năm. Chương trình MATLAB hiện nay được viết bằng ngơn ngữ C bởi MathWorks Inc.
MATLAB được viết nguyên bản để cung cấp dễ dàng quyền truy cập đến phần mền ma trận bởi những dự án LINKPACCK và EISPACK.
MATLAB rất dễ sử dụng vì một số vấn đề và các giải thuật được diễn tả bằng biểu thức tốn học, khơng cần phải lập trình phức tạp như các ngơn ngữ khác. Các ứng dụng điển hình của MATLAB, bao gồm:
- Tốn học và các phép tính. - Phát triển thực tốn.
- Thu thập dữ liệu.
- Lập mơ hình và mơ phỏng.
- Phân tích dữ liệu và các phép tính số học. - Nghiên cứu khoa học và kỹ thuật đồ họa.
- Các ứng dụng bao gồm việc xây dựng giao diện người sử dụng dạng đồ thị.
MATLAB được điều khiển bởi các tập lệnh, tác động qua bàn phím. Nĩ cũng cho phép một khả năng lập trình với cú pháp thơng dịch lệnh cịn gọi là Script file. Các lệnh hay bộ lệnh của Matlab lên đến số hàng trăm và ngày càng được mở rộng bởi các phần Toolbox hay thơng qua các hàm ứng dụng được xây dựng từ người sử dụng. MATLAB cĩ hơn 25 Toolbox để trợ giúp cho việc khảo sát những vấn đề cĩ liên quan, các hợp cơng cụ này rất quan trọng đối với hầu hết người sử dụng MATLAB. Các hợp cơng cụ này bao gồm xử lý tính hiệu, thiết kế hệ thống điều khiển, tái tạo hệ thống động lực, nhận dạng hệ thống và các lĩnh vực khác. Toolbox Simulink là phần mở rộng của MATLAB, sử dụng để mơ phỏng các hệ thống động học một cách nhanh chĩng và tiện lợi.
Hệ thống MATLAB gồm 5 phần chính:
- Mơi trường làm việc của MATLAB: đây là tập hợp các cơng cụ và
phương tiện trợ giúp người sử dụng để sử dụng các hàm và tập tin của MATLAB. Rất nhiều trong số những cơng cụ này là giao diện người sử dụng dạng đồ thị. Nĩ bao gồm màn hình nền, cửa sổ lệnh, soạn thảo, sửa lỗi, trình duyệt các tập tin và cơng cụ tìm kiếm.
- Thư viện hàm tốn học của MATLAB: đây là tập hợp rất lớn các giải
số học phức tạp hơn như nghịch đảo ma trận, hàm Bessel, phép biến đổi Fourier.
- Ngơn ngữ MATLAB: đây là ngơn ngữ ma trận ở mức cao với đặc
điểm lệnh điều khiển, hàm, cấu trúc dữ liệu, vào ra, và lập trình hướng đối tượng.
- Đồ họa: đây là phương tiện mở rộng để hiển thị Vectơ và ma trận ở
dạng đồ thị, cũng như chú thích và in những đồ thị này. Nĩ bao gồm những hàm cao cấp dùng để hiển thị dữ liệu hai chiều và ba chiều, xử lý ảnh, hoạt hình, và trình diễn đồ họa. Nĩ cũng cĩ những hàm cấp thấp cho phếp người sử dụng tùy biến hình dạng các đồ thị cũng như xây dựng hồn chỉnh các ứng dụng giao diện người sử dụng dạng đồ thị.
- Giao diện ứng dụng chương trình trên MATLAB: đây là các phương
tiện dùng để gọi thủ tục của MATLAB, đọc và viết tập tin MAT, gọi MATLAB như là phương tiện tính tốn. Ngồi ra, các phương tiện này cịn cho phép người sử dụng viết những chương trình C và Fortran cĩ khả năng tương tác với MATLAB.
2.2.2.2 Các hộp cơng cụ Matlab
Một trong những đặc tính quan trọng của MATLAB trong mơ phỏng là người mơ phỏng cĩ quyền truy cập thẳng đến phạm vi rộng của những cộng cụ MATLAB cơ bản để tổng hợp, phân tích và tiến hành tối ưu hĩa trong lúc mơ phỏng. Những cơng cụ này bao gồm các hộp cơng cụ ứng dụng của MATLAB. Đây là tập hợp những tập tin cĩ phần mở rộng.
Tất cả các hộp cơng cụ được xây dựng trực tiếp bằng cách sử dụng MATLAB. Điều này cĩ một vài liên hệ rất quan trọng cho người sử dụng:
- Mỗi hộp cơng cụ xây dựng trên những con số chắc chắn, độ chính xác cao và những năm kinh nghiệm trong MATLAB.
- Người sử dụng nhận được sự giao tiếp trực tiếp và sự tích hợp nhanh chĩng với cơng cụ Simulink với bất kỳ hộp cơng cụ khác mà tự bạn cĩ thể.
- Vì tất cả các hộp cơng cụ được viết trong mã của MATLAB nên cĩ những thuận lợi của hệ thống mở của MATLAB. Người sử dụng cĩ thể kiểm tra những tập tin cĩ phần mở rộng.
- Mỗi hộp cơng cụ đều cĩ thể sử dụng trên bất kỳ máy tính nào, mà ở đĩ đã chạy chương trình MATLAB.
Một vài hộp cơng cụ chuyên dùng cĩ liên quan đến kỹ thuật như: Simulink, SimPowerSystem, The Partial Differential Equation Toolbox, Communication, The Control System Toolbox, The Optimization Toolbox, The Signal Processing Toolbox, The Statistics Toolbox, Digital Siginal Processing Blockset, Image Processing Toolbox…
2.2.2.3 Giới thiệu cơng cụ SIMULINK 2.2.2.3.1 Giới thiệu
Simulink là phần chương trình mở rộng của MATLAB nhằm mục đích mơ hình hĩa, mơ phỏng và khảo sát các hệ thống động học. Giao diện đồ họa trên màn hình của Simulink cho phép thể hiện hệ thống dưới dạng sơ đồ tín hiệu với các khối chức năng quen thuộc. Simulink cung cấp cho người sử dụng một thư diện rất phong phú, cĩ sẵn với số lượng lớn các khối chức năng cho các hệ tuyến tính, phi tuyến và gián đoạn. Hơn thế, người sử dụng cũng cĩ thể tạo nên các khối riêng của mình.
Sau khi đã xây dựng mơ hình của hệ thống cần nghiên cứu, bằng cách ghép các khối cần thiết thành sơ đồ cấu trúc của hệ, cĩ thể khởi động quá trình mơ phỏng. Trong quá trình mơ phỏng, cĩ thể trích tín hiệu tại vị trí bất kỳ của sơ đồ cấu trúc và hiển thị đặt tính của tính hiệu đĩ trên màn hình. Hơn thế nữa, nếu cĩ nhu cầu, cĩ thể cất giữ các đặc tính đĩ vào mơi trường nhớ việc nhập hoặc thay đổi tham số của tất cả các khối cũng cĩ thể thực hiện rất đơn giản bằng cách nhập trực tiếp hay thơng qua MATLAB.
Simulink được tích hợp trong MATLAB, cung cấp cho người sử dụng khả năng truy cập trực tiếp đến một dãy các cơng cụ phân tích để hồn thiện thiết kế của mình.
2.2.2.3.2 Phương pháp xây dựng mơ hình trong Matlab Giới thiệu một số khối (block) dùng trong mơ hình Khối Inport và Outport
Khối Inport và Outport là các khối đầu vào, đầu ra của một mơ hình mơ phỏng. Tại hộp thoại khối Parameter, cĩ thể điền vào ơ Port khối Inport
và Outport một cách độc lập với nhau, bắt đầu từ 1. Khi bổ sung thêm khối Inport và Outport, khối mới sẽ nhận số thứ tự kế tiếp. Khi xĩa một khối nào đĩ, các khối cịn lại sẽ được tự động đánh số mới. Trong hợp thoại Khối Parameter
của Inport, cịn cĩ ơ Port with dùng để khai báo bề rộng của tín hiệu vào. Khi ghép tín hiệu cĩ bề rộng lớn hoặc bé hơn bề rộng đã khai báo với Inport, ngay lập tức SIMULINK báo lỗi.
Cần lưu tâm đến một vài tham số quan trọng khác của khối Outport. Ví dụ,
Outport when disabled cho hệ thống biết cần xử lý tín hiệu ra như thế nào khi hệ thống mơ phỏng đang ngừng khơng chạy (xĩa về khơng hay giữ nguyên giá trị cuối cùng). Initial Outport cho biết giá trị cần phải lập cho đầu ra.
Thơng qua các khối Inport và Outport thuộc tầng trên cùng (chứ khơng phải thuộc các hệ thống con), cĩ thể cất vào hay lấy số liệu ra khỏi mơi trường
Workspace. Để làm điều đĩ, phải kích hoạt các ơ Input và Outport ở trang
Workspace I/O của hộp thoại Simulation Parameter và khai báo (ở ơ điền chữ bên cạnh) tên của biến cần lấy số liệu vào, hay tên của các biến mà sẽ gởi số liệu tới. Khối Subsystem
Khối Subsystem được sử dụng để tạo hệ thống con trong khuơn khổ của một mơ hình SIMULINK. Việc ghép các mơ hình thuộc các tầng cấp trên được thực hiện nhờ khối Inport (cho tín hiệu vào) và Outport (cho tín hiệu ra). Số lượng đầu vào/ra của khối subsystem phụ thuộc số lượng khối Inport và Outport.
Đầu vào/ra của khối Subsystem sẽ được đặt theo tên mặc định của các khối
Inport và Outport. Nếu chọn Format / Hide Port Labels trên menu của cửa sổ khối
Subsystem, cĩ thể ngăn chặn được cách đặt tên kể trên và chủ động đặt cho Inport
Khối Transfer Fnc
Mặc dầu chức năng của Simulink cĩ thể giải quyết được các bài tốn cĩ xuất hiện vịng lặp đại số nhưng thời gian giải các bài tốn rất chậm. Nhờ khối Transfer Fcn, cĩ thể tránh được vịng lặp bằng cách đưa tín hiệu liên tục về rời rạc với một thời gian trích mẫu phù hợp mà vẫn đảm bảo tính đúng đắn của mơ hình. Ở ví dụ cho khối trên, thời gian trích mẫu là T=0,01µs. Khối look-up Table
Khối Look-up table tạo tín hiệu ra từ tín hiệu vào trên cơ sở thơng tin một bảng tra (Vector of input values x Vector of output values). Nếu giá trị hiện tại của tín hiệu vào trùng với một giá trị thuộc Vector of input values, giá trị tương đương trong bảng thuộc Vector of output values sẽ được đưa tới đầu ra. Nếu giá trị của tín hiệu vào nằm giữa hai giá trị thuộc Vector of input values SIMULINK thực hiện nội suy hai giá trị tương ứng của Vector of outputvalues. Nếu giá trị của tín hiệu vào bé hơn (hay lớn hơn) giá trị đầu tiên /giá trị cuối cùng của Vector of input values, SIMULINK sẽ thực hiện ngoại suy hai giá trị đầu tiên / cuối cùng của Vector of output values.
Vector of input values cĩ thể là một vector hàng hay một vector cột. Khối Controlled Current Source
Khối Controlled Current Source cung cấp một nguồn dịng được điều khiển bởi một tín hiệu Simulink. Chiều dương của dịng điện được biểu diễn theo chiều mũi tên. Giá trị ban đầu của dịng điện được nhập vào hộp thoại khai báo thơng số.
Khối Controlled Voltage Source
Khối Controlled Voltage Source cung cấp một nguồn áp được điều khiển bởi một tín hiệu Simulink. Hai ngõ ra của khối tương ứng với đầu âm và dương của nguồn áp. Giá trị ban đầu của điện áp được nhập vào hộp thoại khai báo thơng số.
Khối surge Arrester
Chương 3
MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG CHỐNG SÉT VAN MOV
3.1 Mục đích mơ phỏng
Trước khi xây dựng hệ thống thực, để kiểm tra tính chính xác của hệ thống theo yêu cầu thì mơ hình mơ phỏng là một ngành khoa học giúp con người hiểu biết thêm về sự tương tác giữa các yếu tố cấu thành một hệ thống, cũng như tồn bộ hệ thống. Mơ phỏng là sự vận động của một mơ hình như cách hoạt động theo thời gian và khơng gian như trong hệ thống thực mà mơ hình này đại diện. Vì vậy, mơ phỏng cho phép nhận biết được tác động qua lại bên trong hệ thống thực nhờ sự tách biệt theo thời gian hoặc khơng gian. Một cách tổng quát, mơ phỏng là sự lặp lại và phát triển của mơ hình. Một người xây dựng một mơ hình, mơ phỏng nĩ, nghiên cứu quá trình mơ phỏng, sửa đổi mơ hình và tiếp tục mơ phỏng cho đến khi thu được một mức độ hiểu biết đầy đủ từ mơ hình. Mơ hình mơ phỏng ngày càng được sử dụng nhiều để phân tích và đốn trước những đáp ứng, diễn biến của một hệ thống kỹ thuật.
Trong phạm vi đề tài này, người thực hiện sẽ đề nghị một mơ hình với những ưu điểm được khắc phục từ các nhược điểm của các mơ hình trong chương 2. Sau đĩ tiến hành lập một mơ hình chống sét van cấp phân phối dạng MOV (Metal Oxide Varistor) phụ thuộc tần số trong Matlab7.0. Sau khi hồn chình mơ hình, tiến hành mơ phỏng hành vi của mơ hình chống sét van này dưới tác dụng của các xung sét chuẩn và các xung đầu sĩng tăng nhanh. Độ chính xác các đáp ứng của mơ hình từ các kết quả mơ phỏng so sánh với đặc tính thực của nhà sản xuất. Với mong muốn sẽ tạo một mơ hình chống sét van hồn chỉnh trong thư viện của Matlab với các thơng số được xác định dễ dàng dùng trong nghiên cứu phối hợp cách điện.
3.2 Đánh giá mơ hình chống sét van trong Matlab 3.2.1 Giới thiệu mơ hình 3.2.1 Giới thiệu mơ hình
Mơ hình chống sét van trong Matlab thực chất là một điện trở phi tuyến. Đặc tuyến phi tuyến V-I của mơ hình được thành lập bởi ba đoạn khác nhau của phương trình hàm mũ:
i ref i ref I I k V V 1/ (3.1)
Các giá trị ki và i được khai báo trên hộp thoại. Với mỗi đoạn khác nhau của
phương trình hàm mũ, giá trị k và sẽ khác nhau và như thế quan hệ dịng áp của mơ hình sẽ như hình 3.1
Hình 3.1 Quan hệ dịng điện –điện áp của mơ hình chống sét van 3.2.2 Hộp thoại và các thơng số cần khai báo
Hình 3.2 Hộp thoại của mơ hình chống sét van
Điện áp định mức: Vref (là điện áp quy chuẩn của một đĩa MOV}. Số đĩa trong một chống sét van: n
Dịng điện quy chuẩn trên một đĩa MOV : Iref
Đặc tuyến V-I của đoạn thứ nhất : giá trị k1 và1. Đặc tuyến V-I của đoạn thứ hai : giá trị k2 và2. Đặc tuyến V-I của đoạn thứ ba : giá trị k3 và3.
3.2.3 Nguyên lý làm việc của mơ hình
Mơ hình là một điện trở phi tuyến nên về nguyên lý cĩ chức năng giống như một nguồn dịng được điều chỉnh bởi điện áp đặt vào hai cực.
Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý của mơ hình
Nguyên lý làm việc của mơ hình như sau: điện áp được đưa ngõ vào của mơ hình, giá trị điện áp được lấy giá trị tuyệt đối và đưa vào ba khối Math Functionđược đặt tên lần lượt là segment1, segment2, segment3 cĩ cơng thức:
i a ref i V v p . Các tín hiệu từ đầu ra của các khối Math Function sau đĩ được đưa vào hai khối Switch1 và Switch2. Các khối này sẽ so sánh các giá trị từ segment1, segment2, segment3 với giá trị dịng điện đặt trước nhằm lựa chọn một trong ba dạng hàm mũ, sau đĩ tín hiệu được đưa tới khối nhân để chọn dấu và cuối cùng đưa giá trị của tín hiệu dịng tới ngõ ra của mơ hình.
3.2.4 Đánh giá mơ hình
Như vậy về nguyên lý, mơ hình này cĩ chức năng giống như mơ hình điện trở phi tuyến đã được đề cập ở chương hai. Dưới đây là các mạch mơ phỏng phĩng điện qua mơ hình chống sét van trong Matlab (điện áp định mức 40kV), các nguồn dịng sẽ cĩ cùng biên độ là 10kA nhưng với các dạng sĩng 8/20µs, 4/10µs và 1,2/50µs.