Quản lý khơng gian làm việc của Matlab
Hình 2.3 Khơng gian làm việc của Matlab
Khơng gian làm việc của Matlab gồm có các phần cơ bản sau:
*Nút start: Ở góc dưới bên trái màn hình, cho phép chạy các ứng dụng mẫu (demos), các công cụ và cửa sổ chưa hiển thị khi khởi động Matlab
*Cửa sổ lệnh: Qúa trình khởi động đưa người dùng đến cửa sổ lệnh, nơi các dòng lệnh được biểu thị bằng dấu ‘>>’. Đây là dấu hiệu cho thấy Matlab đang chờ đánh một (câu) lệnh. Có thể xóa trắng tồn bộ cửa sổ lệnh bằng lệnh : >> clc hoặc
vào Edit/Clear command Window. Khi thực hiện lệnh này, tồn bộ các biến hiện có khơng thay đổi hay bị mất đi.
*Cửa sổ không gian làm việc (Workspace): Nơi lưu giữ các biến và dữ liệu do người dùng nhập vào ngoại trừ những biến cục bộ thuộc về một M-file.
Dùng lệnh ‘who’ hoặc ‘whos’ để liệt kê các biến hiện có trong khơng gian làm việc. Để biết giá trị của biến, ta gõ tên biến tại dấu nhắc lệnh. Để xóa một hàm hoặc biến khỏi khơng gian làm việc, sử dụng lệnh ‘clear’. Cú pháp: >> clear tên_biến;
*Cửa sổ biên tập mảng (ma trận nói chung): Khi đã có một mảng, có thể chỉnh sửa, biên tập lại bằng Array Editor. Cơng cụ này làm việc như một bảng tính (spreadsheet) cho ma trận.
*Cửa sổ địa chỉ thư mục hiện thời: Thư mục hiện thời là nơi chương trình Matlab sẽ tìm các M-file, và các file khơng gian làm việc (.mat file) đã tải và lưu lại.Để tạo một file.m trong thư mục làm việc ta có thể thực hiện :
Nhấp vào biểu tượng hoặc vào File\New\M-File:
Hình 2.4 Tạo mới một chương trình trong M-File
*Cửa sổ soạn thảo xuất hiện, gõ chương trình cần thiết vào file. Sau khi hoàn tất nhấn vào biểu tượng để lưu vào thư mục hiện tại.
Các thành phần của Matlab
Ngôn ngữ Matlab: là một ngôn ngữ ma trận/mảng cấp cao với các lệnh,
hàm, cấu trúc dữ liệu, vào/ra, các tính năng lập trình hướng đối tượng. Nó cho phép lập trình các ứng dụng từ nhỏ đến các ứng dụng lớn và phức tạp.
Môi trường làm việc Matlab: Đây là một bộ các công cụ và phương tiện mà
ta sử dụng với tư cách là người dùng hoặc người lập trình Matlab. Nó bao gồm các phương tiện cho việc quản lý các biến trong không gian làm việc Workspace cũng
như xuất nhập khẩu dữ liệu cho việc quản lý các biến trong không gian làm việc Workspace cũng như xuất nhập dữ liệu. Nó cũng bao gồm các cơng cụ phát triển, quản lý, gỡ rối và định hình M-file, ứng dụng của Matlab
Xử lý đồ họa: Đây là một hệ thống đồ họa của Matlab. Nó bao gồm các lệnh
cao cấp cho trực quan hóa dữ liệu hai chiều và ba chiều, xử lý ảnh, ảnh động,...Nó cũng cung cấp các lệnh cấp thấp cho phếp bạn tùy biến giao diện đồ họa cũng như xây dựng một giao diện đồ họa hồn chỉnh cho ứng dụng Matlab.
Thư viện tốn học Matlab: Đây là một tập hợp khổng lồ các thuật toán từ
các hàm cơ bản như cộng, sin, cos, số học phức... tới các hàm phức tạp hơn như nghịch đảo ma trận, phép biến đổi Fourier nhanh.
Giao diện chương trình ứng dụng Matlab API (Application Program Interface): Đây là một thư viện cho phép bạn viết các chương trình C và Fortran
tương thích với Matlab. Siimulink, một chương trình đi kèm với Matlab, là một hệ thống tương tác với việc mô phỏng các hệ thống động học phi tuyến. Nó là một chương trình đồ họa sử dụng chuột để thao tác cho phép mơ hình hóa một hệ thống bằng cách vẽ một sơ đồ khối trên màn hình. Nó có thể làm việc với các hệ thống tuyến tính, phi tuyến, hệ thống liên tục theo thời gian, hệ gián đoạn theo thời gian, hệ đa biến...
2.2.2 Khái quát về Simulink
Simulink là một công cụ trong Matlab, hỗ trợ đắc lực trong mô phỏng các hệ thống điện bằng công cụ SimpowerSystems, mơ phỏng hệ thống truyền động cơ khí bằng các khối SimDriverline hay sử dụng công cụ Aerospace Blockset dùng cho mô phỏng ngành hàng khơng
Hình 2.5 Ứng dụng của Simulink trong ngành điện
Simulink là một phần quan trọng của Matlab và có thể dễ dàng chuyển đổi qua lại trong q trình phân tích, và vì vậy người dùng có thể tận dụng được ưu thế của cả hai môi trường.
Thanh công cụ trong Simulin
Hình 2.6 Khởi động màn hình làm việc của Simulink
Để khởi động Simulink có 2 cách.
Hình 2.7 Khởi động Simulink từ cửa sổ làm việc Command Window của Matlab
*Cách 2: Click chuột trái vào biểu tượng Simulink trên thanh công cụ. Các thanh công cụ chính trên Simulink.
*
New model: Tạo mới một file mơ phỏng Simulink. Lệnh tắt ”CTRL+N”
Open model:Mở một file mô phỏng bất kỳ trong thư viện lưu trữ. Lệnh tắt ”CTRL+O”
Help: Trợ giúp về hướng dẫn sử dụng trong Simulink. Lệnh tắt ”CTRL+H”
Cửa sổ Libraries:bao gồm tất cả các khối mô phỏng trong Simulink.
Các khối chức năng cơ bản trong Simulink
Tất cả các khối chức năng đều được xây dựng theo một mẫu giống nhau
như sau:
Mỗi khối có một hay nhiều đầu vào/ra (trừ trường hợp ngoại lệ: Các khối thuộc hai thư viện con Sourcevà Sinks), có tên và ở trung tâm của hình khối chữ nhật có biểu tượng thể hiện đặc điểm riêng của khối. Người sử dụng có thể tùy ý thay đổi tên của khối (nháy kép phím chuột trái vào vị trí tên), tuy nhiên, mỗi tên chỉ có thể sử dụng một lần duy nhất trong phạm vi cửa sổ mơ hình mơ phỏng. Khi nháy kép phím chuột trái trực tiếp vào khối ta sẽ mở cửa sổ tham số Block Parameters(trừ các khối Scope, Slider Gain, Subsystem) và có thể nhập thủ cơng các tham số đặc trưng của khối. Khi nhập xong, nháy chuột trái vào nút OK hay nút Apply để Simulink chấp nhận các tham số vừa nhập.
Nếu nháy kép phím chuột trái vào nút “Help” ta sẽ mở cửa sổ của tiện ích trợ giúp trực tuyến. Nháy một lần phím chuột phải trực tiếp vào khối có tác dụng mở menu chứa các lệnh cho phép soạn thảo và lập định dạng khối.
Simulink phân biệt hai loại khối chức năng: Khối ảo (vitural) và khối thực (not vitural). Các khối thực đóng vai trị quyết định khi chạy mơ phỏng mơ hình Simulink, việc thêm hay bớt một khối thực sẽ thay đổi đặc tính động học của hệ thống đang được mơ hình Simulink mơ tả. Có thể nêu nhiều ví dụ về khối thực như: Khối Sum hay khối Product của thư viện con Math. Ngược lại các khối ảo khơng có khả năng thay đổi đặc tính của hệ thống, chúng chỉ có nhiệm vụ thay đổi diện mạo đồ hoạ của mơ hình Simulink. Đó chính là các
khối như Mux, Demaux hay Enable thuộc thư viện con Signal & System. Một số khối chức năng mang đặc tính ảo hay thực tuỳ thuộc theo vị trí hay cách thức sử dụng chúng trong mơ hình Simulink.
Thao tác kết nối các khối mơ phỏng
Sao chép: Bằng cách gắp và thả “Drag &Drop” nhờ phím chuột phải là
có thể sao chép một khối từ thư viện con (cũng có thể từ một cửa sổ khác ngồi thư viện)
Đánh dấu: Bằng cách nháy phím chuột trái vào khối ta có thể đánh dấu,
lựa chọn từng khối,hoặc kéo chuột đánh dấu nhiều khối cùng một lúc.
Xóa: Có thể xóa các khối và các đường đẵ bị đánh dấu bằng cách gọi lệnh
menu Edit/Clear. Bằng menu Edit/Undo hoặc tổ hợp phím Ctrl+Z ta có thể quay lại thao tác trước đó.
Hệ thống con: Bằng cách đánh dấu nhiều khối có quan hệ chức năng, sau đó
gom chúng lại thơng qua menu Edit/Create Subsystem, ta có thể tạo một hệ thống con mới.
Nối hai khối: Dùng phím chuột trái nháy vào đầu ra của khối, sau đó đi
chuyển mũi tên đến vị trí cần nối. Có thể rẽ nhánh tín hiệu bắng cách nháy phím chuột phải vào một đường có sẵn và kéo đường nối mới tới đầu vào cần nối.
Hình 2.9 Thao tác nối hai khối mô phỏng
Di chuyển đường nối: Để sơ đồ mơ phỏng thơng thống và dễ theo dõi,
nhiều khi ta phải di chuyển, bố trí lại vị trí các đường nối. Thao tác nhấn dữ chuột trái dịch chuyển đến vị trí mới.
Tạo vector đường nối: Để dễ phân biệt giữa đường nối đơn và đường nối
menu Format/Wide nonscalar lines để tăng bề dầy của đường nối.
Chỉ thị kích cỡ và dạng dữ liệu của tín hiệu: Lệnh chọn qua menu Format/Signal dimensions sẽ hiển thị kích cỡ của tín hiệu đi qua đường nối.
Lệnh menu Format/Port data types chỉ thị thêm loại dữ liệu của tín hiệu qua đường nối.
Định dạng cho một khối: Sau khi nháy phím chuột phải vào khối,cửa sổ
định dạng khối sẽ mở ra. Tại mục Format ta lựa chọn kiểu và kích cỡ chữ, cũng như vị trí của tên khối, có thể lật hoặc xoay khối. Hai thư mục Foreground Color và Background Color cho phép ta đặt chế độ mầu bao quanh cũng như màu nền của khối.
Hình 2.10 Kéo thả khối cần chọn ra cửa sổ mới
Hộp đối thoại về đặc tính của khối: Chọn menu Edit/Block Properties, hoặc chọn mục Block Properties của cửa sổ định dạng khối,ta thu được hộp đối thoại cho phép đặt một vài tham số tổng quát về đặc tính của khối.
Hình 2.11 Hộp đối thoại về đặc tính của khối
Hộp đối thoại về đặc tính của tín hiệu: Có thể tới được hộp thoại Signal
Properies của một đường nối hoặc bằng cách nháy chuột đánh dấu đường nối trên cửa sổ mơ phỏng, sau đó đi theo menu Edit/Signal Properties từ cửa sổ định dạng đường.
2.2.3 Khai báo tham số trong Simulink
Trước khi tiến hành mơ phỏng ta phải có những thao tác chuẩn bị nhất định: Đó là khai báo tham số và phương pháp mô phỏng. Các thao tác chuẩn bị được thực hiện tại hộp thoại Simulation Parameters. Tại đó tất cả các tham số đều đã có một giá trị mặc định sẵn, nghĩa là: Có thể khởi động mô phỏng tốt nhất, phải thực hiện chuẩn bị, đặt các tham số phù hợp với mơ hình Simulink cụ thể. [6]
Hình 2.12 Khai báo tham số và phương pháp mơ phỏng
3.1 Thiết lập mơ hình mơ phỏng tốc độ gió
Gió là sự chuyển dịch tuần hồn của khơng khí trong khí quyển gây ra do sự nung nóng khơng đều trên bề mặt Trái đất bởi Mặt trời. Trong những điều kiện thuận lợi nhất định có thể sử dụng nguồn năng lượng này phục vụ nền kinh tế quốc dân nói chung và để phát điện nói riêng.
Đặc tính quan trọng nhất đánh giá động năng của gió là vận tốc, nên có thể coi tốc độ gió là nguồn lực của tua bin gió. Do các tuabin gió thường tiếp nhận năng lượng gió ở độ cao H (tốc độ gió trên cao lớn hơn nhiều dưới mặt đất) với vận tốc v khác nhiều so với vận tốc gió đo được ở độ cao (do các trạm quan trác đo được), nên trong tính tốn người ta thường dùng biểu thức sau để xác định tốc độ gió :
V = (3.1) Trong đó :
là vận tốc gió đo được ở độ cao gần với mặt đất v là vận tốc gió đo được ở độ cao H
là hệ số hiệu chỉnh vận tốc gió ở độ cao H so với vận tốc gió ở độ cao thông thường hệ số này được chọn là 1/7
Để mơ tả chính xác hơn đặc điểm ngẫu nhiên và liên tục của tốc độ gió. Đồ án dựa trên 4 mơ hình thường dùng để phân tích đánh giá tốc độ gió hiện nay , đó là : mơ hình gió cơ bản, mơ hình trận gió, mơ hình gió thay đổi từ từ và mơ hình gió ngâu nhiên.
3.1.1 Gió cơ bản
Gió cơ bản được biểu thị bằng tốc độ gió trung bình theo Weibull tốc độ gió cơ bản được xác định theo biểu thức :
Trong đó :
là vận tốc gió trung bình
tương ứng là hệ số kích thước và hình dạng Weibull cịn gọi là hàm Weibull
Trong thực tế tốc độ gió cơ bản có thể coi là hằng số và bằng với vận tốc gió trung bình đo được
3.1.2 Trận gió
Mơ tả đặc tính tốc độ gió thay đổi đột ngột ( gió giật), thơng thường trận gió được biểu hiện bằng biểu thức :
(3.3) Trong đó :
là tốc độ trận gió tại thời điểm t, nó được xác định theo biểu thức : (3.4) là tốc độ trận gió (m/s);
là thời gian bắt đầu có trận gió ( gió giật ) ( s);
là chu kỳ trận gió ( thời gian tồn tại của trận gió ) (s).
3.1.3 Gió có tốc độ thay đổi từ từ
Tốc độ gió của trận gió có tốc độ thay đổi từ từ được xác định từ tốc độ gió trung bình cộng thêm phần thay đổi của tốc độ gió trong trận gió ( cơn gió ). Trong đó được xác định theo biểu thức :
(3.5)
Trong đó:
phần tốc độ gió tăng thêm trong trận gió có tốc độ gió thay đổi từ từ, (m/s);
maxR tốc độ gió lớn nhất trong trận gió có tốc độ gió thay đổi từ từ, (m/s);
tương ứng thời gian bắt đầu, tồn tại kết thúc của trận gió ,(s); phần vận tốc gió tăng thêm trong thời gian tồn tại trận gió có tốc độ gió thay đổi từ từ được xác định theo biểu thức:
- ) ( 3.6)
3.1.4 Gió thay đổi ngẫu nhiên
Tính ngẫu nhiên của tốc độ gió thường được biểu thị bằng phân lượng tiếng gió ồn ,nó được xác định theo biểu thức:
(3.7) (3.8)
(3.9) Trong đó:
là tần số góc ở đoạn thứ i;
là biến lượng ngẫu nhiên của phân bố đều nó nằm trong khoảng 0~2 ; hệ số biểu thị tính nhấp nhơ;
F là phạm vi tồn tại nhiễu loạn
là tốc độ gió trung bình khảo sát (m/s); N là số điểm lấy mẫu phổ tần .
Mơ hình tốn học của tốc độ gió được xác định tổ hợp từ 4 công thức xác định vận tốc gió ở trên cụ thể là:
V = (3.10) Sử dụng phần mềm mơ phỏng Matlab/Simulinhk thiết lập mơ hình mơ phỏng tốc độ gió được thể hiện trên hình 3.1
Hình 3.1 Mơ hình mơ phỏng tốc độ gió
Trong mơ hình mơ phỏng,vận tốc gió được lấy bằng vận tốc gió trung bình thời gian = 3(s) ; = 3 (s); maxG= 4(m/s); = 9(s); = 3(s) và maxR= 2(m/s) và tốc độ gió thay đổi ngẫu nhiên được thay bằng khối Band-Limited White Noise có trong Matlab/Simulink( đặc tính ngẫu nhiên của khối này tương tự như đặc tính thay đổi ngẫu nhiên của tốc độ gió ). Kết quả được hiển thị trên khối Scope.[3]
3.2 Thiết lập mơ hình mơ phỏng động học tuabin gió
Cơng suất tuabin gió được tính theo cơng thức:
( 3.11) Trong đó: Pm: Cơng suất đầu ra của tuabin (W)
Cp(λ,β): Hệ số biến đổi năng lượng (là tỷ số giữa tốc độ đầu cánh λ và góc cánh β)
A: Tiết diện vòng quay của cánh quạt ( )
ρ: Mật độ của khơng khí, ρ = 1.255 (kg/ ).Từ biểu thức (3.11) ta thấy vận tốc gió là yếu tố quan trọng nhất của công suất; công suất đầu ra tăng theo lũy thừa 3 của vận tốc.
Hệ số biến đổi năng lượng Cp(λ, β) của biểu thức (3.11) được tính như sau:
(3.12)
Với
Như ta đã biết tỷ số tốc độ đầu cánh tuabin gió và tốc độ là:
(3.13) trong đó : ω tốc độ quay của tuabin;
R bán kính của tuabin; v vận tốc của gió.
Do vậy mơmen của tuabin gió được tính như sau:
Mặt khác tua bin gió có thể vận hành theo các quy tắc điều khiển khác nhau tùy thuộc vào tốc độ của gió. Đường cong biểu diễn mối quan giữa và tốc độ gió, như hình 3.2. Từ các biểu thức (3.11), (3.12), (3.13), (3.14) đã phân tích ở trên, mơ hình tua bin gió được xây dựng trên Matlab/Simulink với thơng số đầu vào tốc độ gió, tốc độ của máy phát điện và thơng số đầu ra mơmen, như hình 3.4.
Hình 3.2 Đường cong biểu diễn mối quan hệ giữa và
Hình 3.4 Mơ hình động học tuabin gió trên phần mềm Matlab/SimulinkNhận xét: Nhận xét:
+ Nếu rotor quay quá chậm: gió sẽ dễ dàng đi qua mà khơng có tác động lên cánh quạt.
+ Nếu rotor quay quá nhanh: cánh quạt như bức tường chắn gió và tốc độ