Khối Sequence Viewer hiển thị các thông báo, sự kiện, trạng thái, chuyển tiếp và chức năng giữa các khối nhất định trong q trình mơ phỏng. Các khối mà bạn có thể hiển thị được gọi là các khối cứu sinh (lifeline blocks) và bao gồm:
Các hệ thống con;
Mơ hình tham khảo;
Các khối chứa tin nhắn, chẳng hạn như biểu đồ Stateflow;
Khối chức năng cuộc gọi hoặc tạo ra các sự kiện, chẳng hạn như Function Caller, Function-Call Generator và MATLAB Function blocks;
Khối có chứa chức năng, chẳng hạn như Function-Call Subsystem and Simulink Function blocks.
1.3 Simscape
1.3.1 Tổng quan về Simscape
Simscape là mơ hình và mơ phỏng các hệ thống vật lý đa miền, là một thư viện mở rộng của Simulink. Nó bao gồm mợt tập hợp các thư viện khối và các tính năng mơ phỏng để mơ hình hóa các hệ thống vật lý. Simscape cung cấp mơi trường để mơ hình hóa và mơ phỏng các hệ thống vật lý trong các lĩnh vực như động cơ điện, chỉnh lưu cầu, bộ truyền động thủy lực và hệ thống lạnh bằng cách lắp ráp các thành phần cơ bản thành sơ đồ. Các sản phẩm bổ sung Simscape cung cấp các thành phần phức tạp hơn và khả năng phân tích.
Simscape giúp bạn phát triển các hệ thống điều khiển và kiểm tra hiệu năng cấp hệ thống. Bạn có thể tạo các mơ hình thành phần tùy chỉnh bằng ngôn ngữ Simscape dựa trên MATLAB , cho phép tác giả dựa trên văn bản của các thành phần mơ hình vật lý, miền và thư viện. Bạn có thể tham số hóa các mơ hình của mình bằng các biến và biểu thức MATLAB và thiết kế các hệ thống kiểm soát cho hệ thống vật lý của bạn trong Simulink. Để triển khai các mơ hình của bạn đến các mơi trường mô phỏng khác, bao gồm các hệ thống vòng lặp phần cứng (HIL), Simscape hỗ trợ tạo mã C.
Sự khác nhau giữa Simscape và Simulink:
Simscape: Là mơ hình thuần vật lý (liên kiết giữa các block là các kết nối vật lý). Simulink: Là mơ hình thuần tốn học (gồm nhiều phép toán để xử lý đưa ra kết quả).
Trong mơ hình Simulink, các mối quan hệ toán học được mơ hình hóa bằng cách sử dụng các khối được kết nối bởi liên kết mang tín hiệu. Các khối thực hiện các chức năng toán học cụ thể.
Cịn trong mơ hình Simscape, sử dụng các khối đại diện cho các đối tượng vật lý và các khối này sao chép các quan hệ cấu thành chi phối hành vi của đối tượng vật lý được đại diện bởi khối. Mơ hình Simscape là mợt mạng đại diện của hệ thống đang được thiết kế, dựa trên cách tiếp cận mạng vật lý.
Ưu điểm của Simscape:
Có thể phát triển các hệ thống điều khiển và kiểm tra hiệu năng của hệ thống;
Dễ tiếp cận, dễ sử dụng cho người dùng;
Mơ hình hóa được nhiều hệ thống vật lý (cơ học, điện, thủy lực,…);
Có thể tham số hóa các mơ hình của mình bằng các biến và biểu thức MATLAB và thiết kế các hệ thống kiểm soát cho hệ thống vật lý của mình trong Simulink;
Simscape có thể hỗ trợ tạo mã C, được dùng để mô phỏng các mơ hình vật lý ở mơi trường mơ phỏng khác, bao gồm các hệ thống vịng lặp phần cứng (HIL).
1.3.2 Thư viện của Simscape
1.3.2.1 Foundation library ( Thư viện nền tảng )
Thư viện chứa các yếu tố vật lý cơ bản và các khối xây dựng, cũng như các nguồn và cảm biến, được tổ chức thành các thư viện con theo kỷ luật kỹ thuật và chức năng được thực hiện.
Các thư viện của Simscape Foundation chứa mợt tập hợp tồn diện các yếu tố cơ bản và các khối xây dựng được tổ chức theo miền vật lý: điện, cơ học quay và tịnh tiến, chất lỏng đẳng nhiệt, khí, v.v. Trong mỗi miền, các khối được nhóm thành các yếu tố, nguồn và cảm biến. Trong mỗi miền chất lỏng, thư viện con tiện ích chứa các khối chỉ định các tḥc tính chất lỏng.
Một số khối cơ bản:
Thư viện con Mechanical Sensor:
Ideal Force Sensor: Cảm biến lực trong hệ thống tịnh tiến cơ học;
Ideal Rotational Motion Sensor: Cảm biến chuyển động trong hệ thống quay cơ học;
Ideal Torque Sensor: Cảm biến momen xoắn trong hệ thống quay cơ học;
Ideal Translational Motion Sensor: Cảm biến chuyển động trong hệ thống tịnh tiến cơ học.
Thư viện con Mechanical Sources:
Ideal Angular Velocity Source: Nguồn vận tốc góc lý tưởng trong hệ thống quay cơ học;
Ideal Force Source: Nguồn năng lượng cơ học lý tưởng tạo ra lực tỷ lệ với tín hiệu đầu vào;
Ideal Torque Source: Nguồn năng lượng cơ lý tưởng tạo ra momen xoắn tỷ lệ thuận với tín hiệu đầu vào;
Ideal Translational Velocity Source: Nguồn vận tốc lý tưởng trong hệ thống tịnh tiến cơ học.
Hình 1.39: Một số khối trong thư viện con Mechanical Sources Thư viện con Translational Elements: Thư viện con Translational Elements:
Mass: Khối lượng tịnh tiến cơ học lý tưởng;
Mechanical Translational Reference: Kết nối tham chiếu cho các cổng tịnh tiến cơ học;
Translational Damper: Van điều tiết nhớt trong hệ thống tịnh tiến cơ học (ống giảm chấn trong ô tô);
Translational Free End: Bộ kết thúc cổng tịnh tiến với lực bằng không.
Translational Hard Stop: Điểm dừng tịnh tiến hai vật thể;
Translational Spring: Lò xo lý tưởng trong hệ thống tịnh tiến cơ học;
Translational Friction: Ma sát tiếp xúc giữa các các vật thể chuyển động;
Translational Inerter: Quán tính hai cổng trong hệ thống tịnh tiến cơ học.
Hình 1.40: Mợt số khối trong thư viện con Translation Elements Thư viện con Rotational Elements:
Inertia: Quán tính quay cơ học lý tưởng;
Mechanical Rotational Reference: Kết nối tham chiếu cho các cổng xoay cơ học;
Rotational Damper: Van điều tiết nhớt trong hệ thống quay cơ học (bộ giảm chấn);
Rotational Free End: Đầu cuối cổng quay với momen xoắn bằng không;
Rotational Friction: Ma sát tiếp xúc giữa các vật thể quay;
Rotational Hard Stop: Điểm dừng của hai vật thể quay;
Rotational Inerter: Quán tính hai cổng trong hệ thống quay cơ học;
Rotational Spring: Lò xo lý tưởng trong hệ thống quay cơ học.
Hình 1.41: Mợt số khối trong thư viện con Rotational Elements
1.3.2.2 Utilities library (Thư viện tiện ích)
Chứa các khối mơi trường thiết yếu để tạo các mơ hình mạng vật lý, chứa các khối tiện ích, các khối chuyển đổi và tham dị tín hiệu.
Một số khối cơ bản
Tên khối Hình ảnh Chức năng
Simulink – PS converter
Chuyển đổi tín hiệu từ mơi trường Simulink signal sang Physical signal.
PS – Simulink converter
Chuyển ngược tín hiệu từ Physical signal sang Simulink signal. Solver
Configuration
Khối giải thuật cho model, bắt ḅc phải có.
Spectrum Analyzer
Khối Spectrum Analyzer, ở đây được gọi là phạm vi, hiển thị tần số của tín hiệu.
Bảng 1.1: Mợt số khối của thư viện Utilities 1.3.2.3 Simscape Driveline 1.3.2.3 Simscape Driveline
Simscape Driveline (trước đây là SimDriveline ) cung cấp các thư viện thành phần để mơ hình hóa và mơ phỏng các hệ thống cơ học quay và tịnh tiến. Nó bao gồm các mơ hình bánh răng, ốc vít và các bợ phận của xe như động cơ, lốp xe, hộp số và bộ chuyển đổi momen xoắn. Có thể sử dụng các thành phần này để lập mơ hình truyền lực cơ học trong hệ thống truyền động trực thăng, máy móc cơng nghiệp, hệ thống truyền lực ô tô và các ứng dụng khác. Có thể tích hợp hệ thống điện, thủy lực, khí nén và các hệ thống vật lý khác vào mơ hình của mình bằng cách sử dụng các thành phần từ dòng sản phẩm Simscape.
Một số khối cơ bản
Tên khối Hình ảnh Chức năng
Dog Clutch
Khối mô phỏng bánh răng truyền lực chính dùng để truyền lực ra bợ vi sai.
Cone Clutch Khối mô phỏng bộ đồng tốc giúp bánh
răng ăn khớp và quay cùng tốc độ.
Generic Engine
Với đầu vào là tín hiệu Góc mở bướm ga (T), khung sườn (B); đầu ra gồm công suất (P), suất tiêu hao nhiên liệu (FC), lực từ trục khuỷu (F). Có thể chỉnh được cả thơng số cơ bản của động cơ.
Vehicle Body
Khối Thân xe thể hiện thân xe hai trục chuyển đợng dọc. Khối này tính đến khối lượng thân xe, lực cản khí đợng học, đợ nghiêng của đường và phân bổ
trọng lượng giữa các trục do gia tốc và mặt đường.
Planetary Gear
Khối Planetary Gear là mơ hình bánh răng với các bánh răng mặt trời, hành tinh và bánh răng bao. Các cổng C, R và S đại diện cho các trục được kết nối với bộ mang bánh răng hành tinh, bánh răng vành đai và bánh răng mặt trời.
Double-Shoe Brake
Khối phanh thể hiện một phanh ma sát với hai guốc cứng có trục quay ép vào tang trống quay để tạo ra tác động phanh.
Torque Converter
Khối Chuyển đổi momen xoắn có hai cổng bảo tồn quay cơ học được liên kết với bánh cơng tác và tuabin. Khối có thể mơ phỏng các chế độ truyền.
Tire
Khối lốp (tham số ma sát) mơ hình hóa mợt lốp có tham số ma sát dưới dạng hệ số tĩnh và động học. Hệ số ma sát tĩnh xác định momen xoắn tác dụng tại đó lốp mất đợ bám đường và bắt đầu trượt. Disk Friction
Clutch
Khối ly hợp ma sát đĩa đại diện cho một ly hợp ma sát với hai bộ đĩa ma sát phẳng tiếp xúc với nhau để ăn khớp.
1.3.2.4 Simscape Electrical
Hình 1.43: Hình ảnh minh họa
Simscape Electrical (trước đây là SimPowerSystems và SimElectronics) cung cấp các thư viện thành phần để mơ hình hóa và mơ phỏng các hệ thống điện điện tử, cơ điện tử và điện. Nó bao gồm các mơ hình chất bán dẫn, đợng cơ và các thành phần cho các ứng dụng như truyền động cơ điện, lưới điện thông minh và hệ thống năng lượng tái tạo. Bạn có thể sử dụng các thành phần này để đánh giá kiến trúc mạch tương tự, phát triển hệ thống cơ điện tử với ổ điện và phân tích việc tạo ra, chuyển đổi, truyền tải và tiêu thụ năng lượng điện ở cấp lưới.
Một số khối cơ bản
Tên khối Hình ảnh Chức năng
DC Voltage Source
Khối DC Voltage Source thực hiện nguồn điện áp một chiều lý tưởng. Cực dương được biểu diễn bằng dấu cợng và cực âm là dấu trừ. Có thể sửa đổi điện áp bất kỳ lúc nào trong q trình mơ phỏng.
DC Motor Khối Động cơ DC biểu diễn các đặc tính điện và momen của đợng cơ DC.
Current-Sensor
Khối Current-Sensor đại diện cho một cảm biến dòng điện lý tưởng, nghĩa là một thiết bị chuyển đổi dòng điện đo được trong bất kỳ nhánh điện nào thành tín hiệu vật lý tỷ lệ với dòng điện. Incandescent
Lamp
Khối Đèn sợi đốt , đặc điểm chính của nó là điện trở tăng khi dây tóc nóng lên.
Finite-Gain Op- Amp
Khối Op-Amp Finite-Gain, mơ hình mợt bợ khuếch đại hoạt đợng có giới hạn đợ lợi.
Resistor
Khối Resistor mơ hình hóa mợt điện trở tuyến tính, được mơ tả với phương trình sau: V=I·R
1.3.2.5 Simscape Fluids
Hình 1.44: Hình ảnh minh họa
Simscape Fluids (trước đây là SimHydraulics) cung cấp các thư viện thành phần để mơ hình hóa và mơ phỏng các hệ thống chất lỏng. Nó bao gồm các mơ hình máy bơm thủy lực, van, thiết bị truyền động, đường ống và bợ trao đổi nhiệt. Bạn có thể sử dụng các thành phần này để phát triển các hệ thống trợ lực chất lỏng như hệ thống truyền động của bộ tải trước, hệ thống lái trợ lực và thiết bị hạ cánh. Simscape Fluids cũng cho phép bạn phát triển hệ thống làm mát động cơ, bôi trơn hộp số và cung cấp nhiên liệu. Bạn có thể tích hợp các hệ thống cơ, điện, nhiệt và vật lý khác vào mơ hình của mình bằng cách sử dụng các thành phần từ dòng sản phẩm Simscape.
Tên khối Hình ảnh Chức năng
Pipe (TL)
Khối Pipe (TL) mơ hình hóa dịng chất lỏng nhiệt qua đường ống. Nhiệt độ trên đường ống được tính tốn từ chênh lệch nhiệt đợ giữa các cổng, độ cao của ống và bất kỳ sự truyền nhiệt bổ sung nào tại
cổng H.
Fixed – Displacement Pump
(TL)
Dùng đại diện cho một thiết bị lấy năng lượng từ mạng quay cơ học và chuyển nó đến mạng thủy lực (chất lỏng đẳng nhiệt). Dịch chuyển của máy bơm được cố định ở một giá trị không đổi mà bạn chỉ định thông qua tham số
Displacement parameter.
Temperature Control Valve (TL)
Mơ phỏng mợt cơ chế kiểm sốt dịng chảy. Bợ điều nhiệt có chứa mợt cảm biến nhiệt độ và một cơ chế mở van. Với nhiệt độ được đặt trước.
Thermal Liquid Properties (TL)
Đặt các tḥc tính chất lỏng được xác định trước cho mợt mạng chất lỏng nhiệt. Các chất lỏng có sẵn bao gồm nước tinh khiết, hỗn hợp nước, dầu diesel, nhiên liệu hàng không Jet A và SAE 5W-30.
Gas-Charged Accumulator (TL)
Mơ phỏng mợt bình chứa chất lỏng nhiệt có áp suất với mợt lượng khí nén. Bình chứa bao gồm chất lỏng nhiệt và các khoang khí được ngăn cách bởi mợt màng ngăn cách nhiệt và kín.
Local Restriction (TL)
Dùng để mơ phỏng sự giảm áp suất do van từ bình giãn nở đến các ống dẫn.
Tank
Khối bồn chứa mơ hình mợt thùng chứa chất lỏng có áp suất với mức chất lỏng thay đổi. .
Bảng 1.4: Một sô khối cơ bản của Fluids 1.3.2.6 Simscape Multibody 1.3.2.6 Simscape Multibody
Hình 1.45: Hình ảnh minh hoạ
Simscape Multibody (trước đây là SimMechanics) cung cấp môi trường mô phỏng đa người cho các hệ thống cơ học 3D, chẳng hạn như robot, hệ thống treo phương tiện, thiết bị xây dựng và thiết bị hạ cánh của máy bay. Bạn có thể lập mơ hình hệ thống nhiều người bằng cách sử dụng các khối đại diện cho các cơ quan, khớp nối, ràng buộc, các phần tử lực và cảm biến. Simscape Multibody xây dựng và giải các phương trình chuyển đợng cho hệ thống cơ khí hồn chỉnh. Bạn có thể nhập các tổ hợp CAD hồn chỉnh, bao gồm tất cả khối lượng, khối lượng, khớp nối, ràng ḅc và hình học 3D, vào mơ hình của mình. Hoạt ảnh 3D được tạo tự đợng cho phép bạn hình dung các động lực của hệ thống.
Một số khối cơ bản
Tên khối Hình ảnh Chức năng
World Frame
Khối này đại diện cho hệ quy chiếu toàn cục trong mợt mơ hình. Khung này là qn tính và ở trạng thái nghỉ tuyệt đối. Kết nối chặt chẽ với mợt khung với khung
khác làm cho khung đó có qn tính. Các trục khung là trực giao và được sắp xếp
theo quy tắc bàn tay phải.
Rigid Transform
Khối này áp dụng một phép biến đổi bất biến theo thời gian giữa hai khung. Phép biến đổi quay và dịch khung cổng theo
sau (F) đối với khung cổng cơ sở (B). Việc kết nối ngược lại các cổng khung
làm cho quá trình chuyển đổi tự đảo ngược. Các khung vẫn cố định với nhau trong q trình mơ phỏng, chỉ di chuyển như mợt đơn vị duy nhất. Kết hợp các khối Rigid Transform và Solid để tạo mơ
hình cho các khối cứng.
Brick Solid
Khối Brick Solid là mợt hình lăng trụ có tâm hình học trùng với gốc hệ quy chiếu và các mặt lăng trụ pháp tuyến với các
trục x, y, z của hệ quy chiếu. Mechanism
Configuration
Khối này cung cấp các thông số cơ học và mô phỏng cho mợt cơ chế, tức là mợt
nhóm khép kín các khối Simscape Multibody được kết nối với nhau.
Prismatic Joint
Khối này đại diện cho một khớp với một bậc tự do tịnh tiến. Mợt hình lăng trụ nguyên thủy cung cấp bậc tự do tịnh tiến. Khung cơ sở và khung theo sau vẫn song
song trong q trình mơ phỏng.
Chương 2
TỔNG QUAN THỰC HIỆN CÁC PHƯƠNG PHÁP TRONG MATALAB
2.1 Matlab và Simulink
- Mơ phỏng một bài tốn lý thuyết
Yêu cầu: Chuyển đổi đơn vị vận tốc từ vòng trên phút (rpm) sang m/s với cơng thức v=C.rpm/60 (trong đó C=dπ) .
Trước hết ta cần khảo sát các khối cần để tạo mơ hình:
Khối Ramp để đưa vào tín hiệu tốc đợ vịng quay;
Khối Constant để tạo hằng số pi và 60;
Khối Product để nhân hai đại lượng;
Khối Divide để chia hai đại lượng;
Khối Scope để hiển thị kết quả.
Thực hiện mô phỏng ta thu được kết quả: