Chương 1 : GIỚI THIỆU
1.2 Stateflow
1.2.2 Các đối tượng có trong Stateflow
Hình 1.24: Các đối tượng có trong Stateflow 1.2.2.1 State 1.2.2.1 State
Một state mô tả một chế độ hoạt động của một hệ thống phản ứng (reactive system). Trong biểu đồ Stateflow, các state được sử dụng để tạo ra các biểu đồ chuyển đổi trạng thái. Các state có thể hoạt đợng hoặc khơng hoạt đợng. Hoạt đợng hoặc không hoạt động của mợt state có thể thay đổi tùy thuộc vào các sự kiện và điều kiện.
Các state có nhãn có thể chỉ định các hành đợng được thực hiện theo mợt trình tự dựa trên loại hành đợng. Các loại hành động là entry, during, exit và on.
1.2.2.2 Hệ thống phân cấp trong state
Để quản lý độ phức tạp của các state nhiều cấp, hãy sử dụng hệ thống phân cấp trong biểu đồ Stateflow của bạn. Với hệ thống phân cấp, bạn có thể biểu diễn nhiều cấp thành phần con trong mợt hệ thống.
Trong hình, State A sẽ là state nguồn của hai state con là StateA1 và StateA2
Hình 1.25: Phân cấp trong Stateflow 1.2.2.3 Sự phân chia trạng thái (State Decomposition) 1.2.2.3 Sự phân chia trạng thái (State Decomposition)
Phân chia trạng thái có thể là kiểu đợc nhất (OR) hoặc kiểu song song (AND).
Trạng thái độc nhất (OR)
Các trạng thái con có đường viền liền khối biểu thị trạng thái độc nhất (OR). Sử dụng OR để mô tả các chế độ hoạt động loại trừ lẫn nhau. Khi mợt trạng thái có sự phân chia kiểu OR thì chỉ có mợt trạng thái con có thể hoạt đợng tại mợt thời điểm.
Trạng thái song song (AND)
Các trạng thái con có đường viền đứt nét biểu thị sự phân chia song song (AND). Sử dụng sự phân chia này để mô tả các chế độ hoạt động đồng thời. Khi mợt trạng thái có sự phân chia song song (AND), tất cả các trạng thái con đều hoạt động cùng một lúc.
Hình 1.27: Ví dụ trạng thái song song (AND) 1.2.2.4 State labels
Nhãn cho mợt trạng thái xuất hiện ở góc trên cùng bên trái của hình chữ nhật trạng thái với định dạng chung sau:
name;
entry:entry actions;
during:during actions;
exit:exit actions;
on event_name:on event_name actions;
on message_name:on message_name actions;
Hình 1.28: Ví dụ State labels 1.2.2.5 State actions 1.2.2.5 State actions
Bạn nhập các câu lệnh hành đợng tùy chọn cho state với các từ khóa xác định loại hành đợng. Bạn có thể chỉ định khơng, mợt số, hoặc tất cả chúng.
Entry actions: Sẽ được thực thi khi một state hoạt động.
Exit actions: được thực hiện khi một state đang hoạt động và sự chuyển đổi
ra khỏi trạng thái xảy ra.
During actions: được thực thi khi một state đang hoạt đợng, mợt sự kiện nào
đó xảy ra nhưng khơng có chuyển đổi nào hợp lệ sang state khác hoặc state hiện tại đang hợp lệ.
Bind actions: Bạn có thể liên kết dữ liệu và sự kiện với một state bằng cách
sử dụng bind action.
1.2.2.6 Transition
Transition là mợt đường có đầu mũi tên liên kết mợt đối tượng đồ họa này với một đối tượng đồ họa khác. Trong hầu hết các trường hợp, quá trình chuyển đổi thể hiện sự chuyển đổi của hệ thống từ chế độ (trạng thái) này sang chế độ (trạng thái)
khác. Quá trình chuyển đổi thường kết nối đối tượng nguồn và đối tượng đích. Đối tượng nguồn là nơi quá trình chuyển đổi bắt đầu và đối tượng đích là nơi q trình chuyển đổi kết thúc.
Hình 1.29: Ví dụ chuyển đổi giữa StateA1 với StateA2 1.2.2.7 Conditions (Điều kiện) 1.2.2.7 Conditions (Điều kiện)
Một điều kiện là một biểu thức đúng hoặc sai xác định rằng mợt q trình chuyển đổi xảy ra, với điều kiện là biểu thức được chỉ định là đúng. Trong sơ đồ Stateflow tóm tắt thành phần, đại diện cho một biểu thức đúng hoặc sai, phải đúng để q trình chuyển đổi xảy ra.
Hình 1.30: Ví dụ điều kiện chuyển đổi 1.2.2.8 Default transitions 1.2.2.8 Default transitions
Các Defaut Transition chỉ định state nào sẽ hoạt đợng khi có sự khơng rõ ràng giữa hai hoặc nhiều state duy nhất ở cùng cấp độ trong hệ thống phân cấp.
Hình 1.31: Biểu tượng Default transitions 1.2.2.9 History junction 1.2.2.9 History junction
History Junction cung cấp phương tiện để chỉ định điểm đến của q trình chuyển đổi dựa trên thơng tin lịch sử trước đó. Nếu state chính có History Junction, thì q trình chuyển đổi sang state con đích được xác định là state con mà đã hoạt động gần đây nhất. History Junction chỉ áp dụng cho state con mà trong đó state chính có History Junction.
1.2.2.10 Connective Junctions
Connective Junctions là các điểm quyết định trong hệ thống. Một Connective Junctions là mợt đối tượng đồ họa giúp đơn giản hóa các biểu diễn sơ đồ Stateflow và tạo điều kiện tạo mã hiệu quả. Connective Junctions cung cấp các cách thay thế để thể hiện hành động hệ thống mong muốn.
Hình 1.33: Ví dụ Connective Junctions 1.2.3 Các khối cơ bản trong Stateflow 1.2.3 Các khối cơ bản trong Stateflow
1.2.3.1 Chart
Chart là một đại diện của hệ thống sự kiện, hệ thống sẽ tương tác với một sự kiện bằng cách thực hiện chuyển đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác. Quá trình chuyển đổi này xảy ra nếu điều kiện đặt ra để thay đổi trạng thái là đúng.
Chart là biểu diễn đồ họa của State Machine. Các State và transitions tạo thành các yếu tố cơ bản của hệ thống. Chằng hạn như có thể sử dụng biểu đồ Stateflow để điều khiển một physical plant để phản ứng với các sự kiện như cảm biến nhiệt độ và áp suất, đồng hồ và các sự kiện do người dùng điều khiển. Ngồi ra, bạn cũng có thể sử dụng máy trạng thái để thể hiện hộp số tự động của ơ tơ. Việc truyền tải có các trạng thái hoạt động: park, reverse, neutral, drive và low. Khi người lái chuyển từ vị trí này sang vị trí khác, hệ thống sẽ thực hiện chuyển đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác, ví dụ từ park sang reverse.
1.2.3.2 State transition table
Thể hiện phương thức logic ở định dạng bảng
Hình 1.35: Biểu tượng State transition table
Sử dụng State Transition Table Editor, có thể:
Thêm trạng thái và nhập hành động trạng thái;
Thêm thứ bậc giữa các trạng thái (hierarchy);
Nhập các điều kiện và hành động để chuyển từ trạng thái sang trạng thái;
Chỉ định chuyển tiếp mặc định, chuyển tiếp bên trong và chuyển tiếp tự lặp (default transitions, inner transitions, and self-loop transitions);
Thêm dữ liệu đầu vào hoặc đầu ra và các sự kiện;
Đặt điểm dừng để gỡ lỗi;
Chạy chuẩn đốn để phát hiện lỗi trình phân tích cú pháp;
1.2.3.3 Truth table
Thể hiện hành vi ra quyết định hợp lý với các điều kiện, quyết định và hành đợng.
Hình 1.36: Biểu tượng Truth table
Khối Truth Table hoạt động với một tập hợp con của ngôn ngữ MATLAB được tối ưu hóa để tạo mã C có thể nhúng. Khối này tạo nội dung dưới dạng mã MATLAB. Do đó, bạn có thể tận dụng các cơng cụ khác để gỡ lỗi khối Truth Table trong quá trình mơ phỏng.
Sử dụng Trình soạn thảo Truth Table, có thể:
Nhập và chỉnh sửa các điều kiện, hành động và quyết định;
Thêm hoặc sửa đổi dữ liệu và cổng trạng thái bằng cách sử dụng trình quản lý dữ liệu và các cổng;
Chạy chẩn đốn để phát hiện lỗi trình phân tích cú pháp;
Xem nội dung được tạo sau khi mô phỏng.
1.2.3.4 Sequence viewer
Hiển thị thông báo, sự kiện, trạng thái, chuyển tiếp và chức năng giữa các khối trong q trình mơ phỏng.
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 môi 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 tốn 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 môi trường mô phỏng khác, bao gồm các hệ thống vòng 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 đợ.
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