Báo Cáo Tìm Hiểu Phần Mềm Matlab Và Mô Phỏng Mạch Rlc Bằng Phần Mềm Matlab Simulink.docx

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN ***** BẢN BÁO CÁO TÌM HIỂU VỀ PHẦN MỀM MATLAB VÀ MÔ PHỎNG MẠCH RLC BẰNG SIMULINK CỦA MATLAB Giảng viên hướng dẫn Đặng Văn Mỹ Sinh viên MSSV Lớp HÀ NỘI 1/2021[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN

*****

BẢN BÁO CÁO TÌM HIỂU VỀ PHẦN MỀM MATLAB VÀ

MÔ PHỎNG MẠCH RLC BẰNG SIMULINK CỦA MATLAB

Giảng viên hướng dẫn: Đặng Văn Mỹ

Sinh viên: MSSV: Lớp:

HÀ NỘI 1/2021

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay trên con đường phát triển đất nước không chỉ ở Việt Nam mà trên toàn

thế giới thì nền móng để các quốc gia phát triển mạnh được hay không đó là nhờ vào

nền công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước mà trong đó “ Tự động hóa” chính là chìa

khóa cho cách mạng 4.0 hiện nay, là tiền đề để phát triển cho nền công nghiệp hiện

đại hóa của các quốc gia Hầu hết chúng ta mỗi khi nhắc đến Tự động hóa thì chúng

ta đều nghĩ đến những dây chuyền sản xuất, hay những gì có thể tự hoạt động mà

không cần sự tác động của con người Tự động hóa giúp nâng cao sản xuất, năng xuất

được gia tăng, tăng độ chính xác của sản phẩm, có thể tạo ra những mặt hàng đòi hỏi

sự tỉ mỉ cao, rút ngắn thời gian sản xuất , làm những công việc nguy hiểm mà con

người chưa từng làm được và có thể tiết kiệm nguồn nhân lực và chi phí

Đề tài bản báo cáo của em là “ Tìm hiểu về phần mềm Matlab và ứng dụng của

Matlab trong giải mạch điện” Như chúng ta đã biết, Matlab là một phần mềm được

ứng dụng rất đa dạng và ngành Tự động hóa cũng không ngoại lệ Bởi vì Matlab có

những ưu điểm như cung cấp một công cụ tính toán, lập thình bậc cao và than thiện

tăng hiệu suất công việc và dễ sử dụng Matlab có rất nhiều các hộp công cụ

(Toolbox) được viết sẵn để giải quyết các vấn đề thuộc các ngành khác nhau Do vậy

Matlab ngày nay đã trở lên thông dụng và là một công cụ trợ giúp hữu hiệu cho các

kỹ sư, cán bộ kĩ thuật, các nhà chuyên môn và sinh viên theo học tại các trường đại

học…

Em xin cảm ơn thầy Đăng Văn Mỹ đã hướng dẫn và giúp đỡ em để em có thể

hoàn thành bài báo cáo đầu tiên trong năm học đầu tiên của em tại trường Đại học

Bách Khoa Hà Nội Em cũng cảm ơn những thầy cô trong bộ môn Kĩ thuật điều

khiển – Tự động hóa đã tạo điều kiện và giúp em hoàn thành bài báo cáo này

Hà Nội, ngày 6 tháng 1 năm 2021 Sinh viên

1 GIỚI THIỆU VỀ MATLAB

1.1 Khái niệm Matlab

MATLAB viết tắt từ “MATrix LABoratory” được Cleve Moler phát minh vào cuối thập niên 1970 Matlab là phần mềm cung cấp môi trường tính toán số và lập trình,

do công ty MathWorks thiết kế Matlab cho phép tính toán số đối với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện người dùng liên kết với những chương trình máy tính, viết trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác

Với thư viện Toolbox, MATLAB cho phép mô phỏng tính toán, thực nghiệm nhiều

mô hình trong thực tế và kỹ thuật

1.2 Các phép tính toán của Matlab

MATLAB được sử dụng rộng rãi trong mọi khía cạnh tính toán Dưới đây là một số phép tính toán MATLAB được sử dụng phổ biến nhất:

 Giải quyết các vấn đề về ma trận và mảng

 Đồ thị 2-D, 3-D

 Đại số tuyến tính

 Phương trình đại số

 Các hàm phi tuyến tính

 Số liệu thống kê

 Phân tích dữ liệu

 Giải tích và phương trình vi phân

 Tính toán số

 Tích phân

 Chuyển đổi

 Hồi quy

 Các hàm đặc biệt khác

1.3 Các tính năng của Matlab

Dưới đây là các tính năng cơ bản của Matlab:

- Matlab là ngôn ngữ lập trình bậc cao, cho phép chúng ta tính toán, hình dung và phát triển ứng dụng

- Cung cấp môi trường để khảo sát thiết kế và giải quyết các vấn đề

- Cung cấp thư viện lớn các hàm toán học cho đại số tuyến tín, thống kê, phân tích Fourier, bộ lọc, tối ưu hóa, tích phân và giải các phương trình vi phân bình thường

- MATLAB cung cấp các đồ thị được tích hợp sẵn để hiển thị hình ảnh dữ liệu và các công cụ để tạo đồ thị tùy chỉnh

- Giao diện lập trình của MATLAB cung cấp các công cụ phát triển để nâng cao

khả năng bảo trì chất lượng mã và tối đa hóa hiệu suất

- Cung cấp các công cụ để xây dựng các ứng dụng với các giao diện đồ họa tùy

chỉnh

- Cung cấp các hàm để tích hợp các thuật toán dựa trên MATLAB với các ứng

dụng bên ngoài và các ngôn ngữ khác như C, Java, NET và Microsoft Excel.

1.4 Hệ thống Matlab

Hệ thống Matlab gồm 5 phần chính:

1) Ngôn ngữ Matlab

Đây là ngôn ngữ mảng/ma trận bậc cao với các lệnh điều khiển, hàm, cấu trúc

dữ liệu, đầu vào.đầu ra và các đặc điểm của lập trình hướng đối tượng Nó cho phép “lập trình quy mô nhỏ: nhanh chóng tạo và bỏ đi các phần mềm, cũng

như “lập trình quy mô lớn” để tạo các chương trình lớn, phức tạp

2) Môi trường làm việc Matlab

Đây là bộ công cụ bạn sẽ dùng khi là người dùng hay lập trình viên MATLAB, gồm các công cụ quản lý biến trong môi trường làm việc, nhập - xuất dữ liệu Ngoài ra nó cũng có các công cụ phát triển, quản lý, sửa lỗi, tạo hồ sơ cho

M-file và các ứng dụng MATLAB

3) Xử lý đồ họa

Đây là hệ thống đồ họa của MATLAB, gồm các lệnh cấp cao để hình ảnh hóa

dữ liệu thành 2 chiều và 3 chiều, xử lý hình ảnh, hiệu ứng, hiển thị đồ họa Nó

cũng có các lệnh cấp thấp cho phép tùy biến cách hiển thị đồ họa, xây dựng

giao diện đồ họa người dùng GUI trên các ứng dụng MATLAB của mình

4) Thư viện hàm tính toán Matlab

Đây là bộ sưu tập các thuật toán điện toán, từ các hàm cơ bản như sum, sine, cosine và tính toán số học phức tạp cho tới các hàm phức tạp như đảo ngược

ma trận, trị riêng, véc-tơ riêng của ma trận, hàm Bessel và biến đổi Fourier

nhanh.

5) MATLAB API

Đây là thư viện cho phép viết các phần mềm C và Fortran tương tác với

MATLAB Nó gồm công cụ để gọi các quy trình lặp đi lặp lại (routine) trong

MATLAB (liên kết động), dùng MATLAB như một công cụ điện toán để đọc

và viết M-file.

1.5 Ứng dụng của Matlab

Matlab được sử dụng như là một công cụ tính toán trong các lĩnh vực khoa học và

kĩ thuật, bao gồm các lĩnh vực vật lý, hóa học, toán học và công nghệ Matlab được

sử dụng hầu hết trong các việc:

 Xử lý tín hiệu và hệ thống

 Xử lý hình ảnh và video

 Hệ thống điều khiển

 Kiểm tra và đo lường

 Tính toán tài chính

 Tính toán sinh học

1.6 Tìm hiểu về Command window, M-Files, Simulink

- Command window

Command window là nơi để người dùng gõ lệnh, và cũng là nơi nhận kết quả tính toán của Matlab

Hình 3: Giao điện của Command Window

Đây là cửa sổ làm việc chính của MATLAB Tại đây ta thực hiện toàn bộ việc nhập dữ liệu và xuất kết quả tính toán

Command Window Matlab là công cụ chính giúp chúng ta gõ lệnh, gọi hàm

hoặc giao diện Gui, bạn có thể tính toán cộng trừ nhân chia, giải phương trình bậc n,… Dấu nháy >> báo hiệu chương trình sẵn sàng cho việc nhập dữ liệu Ta kết thúc việc nhập dữ liệu bằng cách nhấn phím Enter MATLAB sẽ thực thi

dòng lệnh mà ta nhập vào Command Window và trả kết quả trong Command

Window.

Ví dụ 1: Ta thực hiện một phép tính đơn giản 1+2=3 trên Command window

như sau :

>> 1+2 sau đó ta nhấn “Enter” chương trình sẽ thu được kết quả như sau:

Như vậy trong cửa sổ Command window mình có thể thực hiện phép tính như là một chiếc máy tính cầm tay

Ví dụ 2:

Vẽ đồ thị của hàm y=x2 bằng lệnh plot trong command window

- Script file (M-files)

Các chương trình, thủ tục bao gồm các dòng lệnh theo một thứ tự nào đó do

người sử dụng viết ra được lưu trữ trong các files có phần mở rộng là *.m File dạng này được gọi là script file File đươc lưu dưới dạng ký tự ASCII và có thể sử dụng các chương trình soạn thảo nói chung để tạo nó

Ta có thể chạy file này giốn như các lệnh, thủ túc của Matlab Tức là có thể gõ tên file mà không cần có phần mở rộng, sau đó nhấn enter Khi sử dụng, nội dung của M-File không được hiển thị lên màn hình

Trong Simulink sơ đồ mô phỏng cũng được lưu dưới dạng *.m (trong các version 5.x trở lên thì được lưu dưới dạng *.mdl) nhưng được gọi là S-function

Một số lệnh, hệ thống tương tác với *.m files thường gặp:

 echo Lệnh cho phép xem các lệnh trong *.m files khi chúng thực hiện

 type Lệnh cho phép xem nội dung, ngầm định file ở dạng M-file

 what Lệnh này cho biết tất cả các files M-file và MAT-file có trong

vùng làm việc hiện hành hay không

Một script file đang được tạo qua phần Editor của Matlab

- Simulink

Simulink là 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 mô 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 thống gián đoạn theo thời gian, hệ thống đa biến

Hình 4: Giao diện của Simulink

Thư viện tra cứu các block của Simulink

Một ví dụ về mô phỏng mạch RL và hiển thị kết quả đo của Vôn kế

2 ỨNG DỤNG CỦA MATLAB GIẢI MẠCH ĐIỆN

Ta có thể giải mạch điện bằng Matlab cụ thể là Simulink của Matlab Vì Simulnk là một chương trình đồ họa sử dụng chuột để thao tác cho phép mô 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 thống gián đoạn theo thời gian, hệ thống đa biến Thư viện của Simulink cũng bao gồm toàn bộ thư viện các khối nhận tín hiệu, các nguồn tín hiệu, các phần tử tuyến tính và phi tuyến, các đầu nối chuẩn Dĩ nhiên người dùng cũng có thể thay đổi hay tạo ra các khối cho riêng mình Các bộ Scope và các khối hiển thị khác cho phép người sử dụng có thể xem kết quả trong khi đang chạy mô phỏng

Dưới đây là một ví dụ về Ứng dụng của Simulink trong giải mạch điện:

* Đề bài:

Cho mạch RLC như sơ đồ mạch sau:

Với nguồn điện xoay chiều U=220V, f=60Hz, R1=R2=R3=100Ω

L1=L2=L3=10−3H, C1=C2=10−6F Tính số chỉ lớn nhất mà Ampe kế và Vôn kế đo

được

* Giải bài toán bằng Simulink

Đây là Mạch RLC sau khi được mô phỏng bằng các khối của Simulink.

 Kết quả thu được của Ampe kế

Dựa vào bảng kết quả hiển thị trên ta thấy giá trị lớn nhất mà Ampe kế đo được

là Imax= 0,082A

 Kết quả thu được của Vôn kế

Dựa vào bảng hiển thị kết quả trên ta thấy giá trị lớn nhất mà Vôn kế đo được là Umax= 8,2V