Utilities library (Thư viện tiện ích)

Chương 1 : GIỚI THIỆU

1.3 Simscape

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 mơ 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 đợ 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 độ 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 cộng 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 bộ 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 đợ trên đường ống được tính tốn từ chênh lệch nhiệt độ 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 mô 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 hoàn chỉnh, bao gồm tất cả khối lượng, khối lượng, khớp nối, ràng buộc và hình học 3D, vào mơ hình của mình. Hoạt ảnh 3D được tạo tự đợng cho phép bạn hình dung các đợng 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 một 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 một 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 một 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:

Hình 2.2: Kết quả mơ phỏng

Kết quả cho ta thấy được giữa tốc đợ vịng quay và vận tốc tỉ lệ thuận bậc nhất với nhau được thể hiện qua đường tuyến tính trên đồ thị, khi tốc đợ vịng quay tăng thì vận tốc cũng tăng theo ứng với phương trình: v=C.rpm/60.

- Xây dựng mơ hình tốn học bằng Simulink

 Phát biểu bài toán thực tế:

Trong ví dụ này, chúng ta sẽ xét mợt đồn tàu đồ chơi bao gồm mợt đợng cơ và một toa. Giả sử rằng đồn tàu chỉ di chuyển theo mợt chiều (dọc theo đường ray), chúng ta muốn áp dụng điều khiển cho đồn tàu để nó khởi động và dừng lại một cách trơn tru và để nó có thể chuyển đợng với sai số tối thiểu ở trạng thái ổn định.

Hình 2.3: Hình ảnh minh họa

 Mơ hình hóa bài tốn:

Khối lượng của động cơ và ô tô sẽ được biểu thị bằng M1 và M2. Hơn nữa, động cơ và xe được kết nối thơng qua mợt khớp nối có đợ cứng k. Khớp nối được

mơ hình như mợt lị xo với hằng số lò xo k. Lực F đại diện cho lực tạo ra giữa các bánh xe của động cơ và đường ray, với  đại diện cho hệ số ma sát lăn.

Bước đầu tiên để suy ra các phương trình tốn học của mợt hệ thống vật lý là vẽ các biểu đồ vật thể tự do biểu diễn hệ thống.

Hình 2.4: Mơ hình hố bài tốn

Từ định luật II Newton, chúng ta biết rằng tổng các lực tác dụng lên một vật bằng tích khối lượng của vật đó và gia tốc của nó. Trong trường hợp này, các lực tác dụng lên động cơ M1 theo phương ngang là lực lò xo, lực cản lăn và lực sinh ra tại mặt phân cách bánh xe - đường ray. Các lực tác dụng lên toa tàu M2 theo phương ngang là lực lò xo và lực cản lăn. Theo phương thẳng đứng, các trọng lượng cân bằng bằng các lực pháp tuyến tác dụng lên mặt đất N = mg. Do đó, sẽ khơng có gia tốc theo phương thẳng đứng.

Chúng ta sẽ mơ hình hóa lị xo khi tạo ra một lực tỷ lệ thuận với độ biến dạng của lị xo, k (x1 - x2), trong đó x1 và x2 lần lượt là chuyển vị của động cơ và xe. Ở đây, giả định rằng lò xo không được định dạng khi x1 và x2 bằng 0. Các lực cản lăn được mơ hình hóa là tỷ lệ thuận với tích của các vận tốc tương ứng và các lực pháp tuyến (bằng với các lực trọng lượng).

Áp dụng định luật II Newton theo phương nằm ngang dựa trên các sơ đồ vật tự do ở trên dẫn đến các phương trình điều chỉnh sau đây cho hệ thống xe lửa.

 Xây dựng mơ hình Simulink:

Chúng ta sẽ xây dựng biểu thức tổng quát: F = ma  a = F / m . Đầu

tiên, mở Simulink và mở mợt cửa sổ mơ hình mới. Sau đó, kéo hai khối Sum (từ thư viện Math operations library) vào cửa sổ mơ hình của bạn và đặt chúng gần đúng như thể hiện trong hình bên dưới.

Hình 2.5: Hình ảnh minh hoạ

Kết quả đầu ra của mỗi khối Sum này đại diện cho tổng các lực tác dụng lên mỗi khối lượng. Nhân mỗi tín hiệu đầu ra với 1/M sẽ cho chúng ta gia tốc tương ứng của mỗi khối lượng. Bây giờ kéo hai khối Gain (từ thư viện Math operations library) vào mơ hình và nối với các khối Sum. Gắn nhãn hai tín hiệu này là "Sum_F1" và "Sum_F2" để làm cho mơ hình rõ ràng hơn. Điều này được thực hiện bằng cách nhấp đúp vào khoảng trống phía trên mỗi trong hai đường tín hiệu và nhập nhãn mong muốn.

Các khối Gain này phải chứa 1/M cho mỗi khối lượng. Sẽ xác định các biến M1 và M2 trong không gian làm việc MATLAB, vì vậy có thể chỉ cần nhập tên biến tương ứng trong mỗi khối Gain. Nhấp đúp vào khối Gain phía trên và nhập "1/M1" vào trường Gain. Tương tự, nhập "1/M2" vào trường Gain của khối Gain thứ hai.

Hình 2.7: Hình ảnh minh họa

Đầu ra của các khối khuếch Gain đại này là gia tốc của từng khối lượng (động cơ xe lửa và ơ tơ). Các phương trình điều chỉnh mà chúng ta suy ra ở trên phụ thuộc vào vận tốc và đợ dịch chuyển của các khối lượng. Vì vận tốc có thể được xác định bằng tích phân gia tốc và vị trí có thể được xác định bằng tích phân vận tốc, có thể tạo ra các tín hiệu này bằng cách sử dụng các khối tích phân. Kéo tổng cợng bốn khối tích phân từ thư viện liên tục vào mơ hình, kết nối các khối này và dán nhãn các tín hiệu như hình bên dưới. Cụ thể, bợ tích phân thứ nhất lấy gia tốc của khối lượng 1 ("x1_ddot") làm đầu vào và tạo ra vận tốc của khối lượng 1 ("x1_dot"). Sau đó, bợ tích phân thứ hai lấy vận tốc này và đưa ra độ dịch chuyển của khối lượng thứ nhất ("x1"). Mơ hình tương tự cũng xảy ra đối với các bợ tích phân cho khối lượng thứ hai.

Hình 2.8: Hình ảnh minh họa

Bây giờ, hãy kéo hai Scopes từ thư viện Sinks vào mơ hình của bạn và kết nối chúng với đầu ra của các bợ tích phân này. Gắn nhãn chúng là "x1" và "x2".

Hình 2.9: Hình ảnh minh họa

Bây giờ chúng ta đã sẵn sàng để thêm các lực tác dụng lên mỗi khối lượng. Đầu tiên, chúng ta cần điều chỉnh các đầu vào trên mỗi khối Sum để đại diện cho số lượng lực thích hợp . Vì có tổng ba lực tác dụng lên khối lượng 1 nên nhấp đúp vào khối Tổng tương ứng và thay đổi thành "| +++". Ký hiệu "|" phục vụ như mợt miếng đệm. Chỉ có 2 lực tác dụng lên khối lượng 2, do đó, chúng ta có thể để nguyên khối Sum đó.

Hình 2.10: Hình ảnh minh họa

Lực đầu tiên tác dụng lên khối lượng 1 chỉ là lực đầu vào, F. Kéo khối Signal Generator từ thư viện Sources và kết nối nó với đầu vào trên cùng của khối Sum tương ứng. Gắn nhãn tín hiệu này là "F".

Hình 2.11: Hình ảnh minh họa

Lực tiếp theo tác dụng lên khối lượng 1 là lực cản lăn. Được xác định bằng phương trình :

Để tạo ra lực này, chúng ta có thể khai thác tín hiệu vận tốc và nhân với mợt