lap trinh MATLAB ỨNG DỤNG MALAP LÊ BÁ D

- Cất 1 file: Vào menu File → Save Save As: Các file mặc định đuôi .mdl - Xây dựng một sơ đồ khối tín hiệu: Nháy kép chuột trái vào một trong các thư viện con của cửa sổ Simulink Librar

Ch¬ng 1 Giíi thiÖu vÒ phÇn mÒm MATLAB & SIMULINK 1.1 Sơ lược về MATLAB:

1.1.1 Khởi động và kết thúc chương trình MATLAB ( MATrix LABoratory): Các phép

toán thực hiện trên trường vectơ và ma trận

- Khởi động chương trình:

+ Cách 1: Chọn Start → Programs → Matlab 6.5

+ Cách 2: Nháy đúp vào biểu tượng Matlab trên màn hình

- Kết thúc chương trình:

+ Cách 1: Nhấn nút close ở góc phải thanh tiêu đề

+ Cách 2: Gõ lệnh quit, exit trên cửa sổ lệnh Command Windows:

+ Cách 3: Nhấn tổ hợp phím Ctr +q

1.1.2 Các cửa sổ lệnh:

- Cửa sổ lệnh Workspace: Tất cả các biến, hàm trong môi trường công tác được hiển thị đầy

đủ thông tin ở đây: Tên, kích cỡ, loại biến/hàm, kích cỡ, …

- Cửa sổ lệnh Command Window: Nhập dữ liệu và hiển thị kết quả tính toán.

Ví dụ: >> 3*2*exp(2)+7

ans =

51.3343

>>

Mỗi lần nhập xong dữ liệu, gõ ↵

- Cửa sổ các câu lệnh quá khứ Command History: Hiển thị lại tất cả các lệnh được dùng trong Command Window Tại đây, có thể thực hiện sao chép, cắt, dán, xóa từng lệnh hay nhóm

lệnh

- Cửa sổ thư mục hiện tại Current Directory Browser: Hiển thị các thông tin về các file, nó

giúp người dùng nhanh chóng mở được file, đổi tên, tạo thư mục mới…

- Có thể hiển thị hoặc không hiển thị các cửa sổ lệnh nhờ vào………

1.1.3 Phần trợ giúp Help: gõ câu lệnh trực tiếp trong cửa sổ Command Window ( help,

helpwin…) hoặc mở trực tiếp trên thanh menu

1.1.4 Mở một cửa sổ mới: Vào File → New → M-File.

1.2 Khảo sát SIMULINK:

* SIMULINK là phần mở rộng của MATLAB được xây dựng để mô hình hóa, mô phỏng và dựa trên cơ sở đó, khảo sát các đặc tính động học của hệ thống Nó rất hữu ích cho chúng ta

trước khi bắt tay vào thiết kế hệ thống thực SIMULINK có thư viện các khối chức năng rấtphong phú Ngoài ra, người dùng có thể tự tạo thêm các khối theo mong muốn.

1.2.1 Khởi động SIMULINK:

- Khởi động MATLAB

- Khởi động SIMULINK: Gõ lệnh ‘’simulink’’ trong cửa sổ Command Window, xuất hiện

cửa sổ thư viện của SIMULINK: Simulink Library Browser.

1.2.2 Cửa sổ mô phỏng SIMULINK:

1.2.1.1 Soạn thảo 1 file:

- Tạo mới 1 file: Từ cửa sổ Simulink Library Browser: Vào menu File → New → Model

- Mở 1 file đã có sẵn: Vào menu File → Open

- Cất 1 file: Vào menu File → Save ( Save As): Các file mặc định đuôi mdl

- Xây dựng một sơ đồ khối tín hiệu: Nháy kép chuột trái vào một trong các thư viện con của

cửa sổ Simulink Library Browser, được cửa sổ mới chứa các khối thuộc thư viện con đó.

- Thao tác với các khối:

+ Sao chép: Nhấn và giữ phím chuột trái (hoặc phải), gắp và thả một khối từ thư viện con sang

cửa sổ SIMULINK

+ Di chuyển: Kích chuột trái vào phần cửa sổ của khối, giữ và rê chuột.

+ Đánh dấu: Nháy chuột trái vào khối hoặc kết hợp kéo chuột để đánh dấu nhiều khối 1 lúc + Xóa: Xóa 1 khối, nhiều khối hoặc đường nối bằng cách đánh dấu chúng, kích chuột phải

hoặc vào menu Edit→ Clear ( Delete, Cut) Có thể cứu vãn bằng Undo Clear, Redo Cut

+Tạo hệ thống con: ( Subsystem): Đánh dấu nhiều khối có quan hệ chức năng, vào menu Edit

→ Create Subsystem, gom chúng lại

+ Nối hai khối: Nháy chuột trái vào đầu ra của 1 khối, di mũi tên chuột (trong khi vẫn nhấn

chuột trái) tới đầu vào của khối cần nối Rẽ nhánh tín hiệu bằng cách nháy chuột phải vàođường nối có trước, giữ chuột rê đến đầu vào của khối cần nối

+ Di chuyển đường nối: Nháy chọn chuột trái vào đường nối, giữ chuột và rê

+ Tạo vectơ đường nối: Để phân biệt giữa các đường nối đơn ( Scalar) và đường nối các tín

hiệu theo định dạng vector, ma trận, mảng, chọn menu Format → Wide nonscalar lines đểtăng kích cỡ đường nối

+Chỉ thị kích cỡ và dạng của tín hiệu: Vào menu Format → Signal dimensions: Kích cỡ của

tín hiệu qua đường nối; Vào Format → Port data type chỉ thị thêm loại dữ liệu của tín hiệu quađường nối

+ Định dạng ( Format cho 1 khối): Nhỏy chuột phải vào khối đú, hiện ra cửa sổ Format Tại

đõy cú thể chọn kiểu và kớch cỡ chữ, vị trớ tờn khối, xoay khối… Cú thể đặt mầu bao quanhhay mầu nền cho khối bằng mục Foreground Color hay Background Color

+ Định dạng cho đường nối: Nhỏy chuột phải vào đường nối, cửa sổ định dạng đường ( cảđường dẫn tới đường nối đú) mở ra, cho phộp cắt, xúa, chộp đường

+ Hộp thoại về đặc tớnh của khối: ( Dialog Box): Vào Edit → Block Properties hoặc chọnBlock Properties của cửa sổ định dạng khối, cho phộp đặt một vài tham số tổng quỏt về đặc

tớnh của khối

+ Hộp thoại về đặc tớnh của tớn hiệu: (Signal Properties): Đỏnh dấu đường nối, vào menu

Edit → Signal Properties, hoặc chọn mục Signal Properties trờn cửa sổ định dạng đường Cú

thể đặt tờn hoặc mụ tả đường hoặc nhỏy kộp chuột trỏi vào đường nối để đặt tờn đường

1.2.1.2 Th viện khối chuẩn của Simulink:

Môi trờng lập trình Simulink đợc tạo nên từ các khối chuẩn trong các th viện củaSimulink, chẳng hạn:

- Step và Ramp: Cỏc hàm tạo tớn hiệu dạng bậc thang hay dốc tuyến tớnh, ở trong thư viện con Sources

+Trong hộp thoại Block Parameters của khối Step : Cú thể khai bỏo giỏ trị đầu, cuối, thời điểm

bắt đầu của tớn hiệu bước nhảy

+ Trong hộp thoại Block Parameters của khối Ramp: Khai bỏo độ dốc, thời điểm, giỏ trị xuất

phỏt của tớn hiệu đầu ra

- Scope: Ở trong thư viện con Sinks Dựng để hiển thị cỏc tớn hiệu của quỏ trỡnh mụ phỏng Kớch kộp chuột vào khối Vào menu Parameter, vào General, Time Range thay đổi cỏc thụng

W( )= Vớ dụ: Cơ cấu cản bằng thủy lực với lượng vào là lực F đặt lờnpittụng, hoặc cỏc động cơ điện núi chung với lượng vào là điện ỏp, lượng ra là gúc quay (bỏqua cỏc hằng số thời gian điện từ và điện cơ)

- Khõu trễ: W(p)=e−τp, y(t) = x(t-τ),cỏc ĐTĐK thuộc khõu chậm trễ là: Băng tải, đường ốngdẫn nhiệt nếu bỏ qua tổn thất

Biểu diễn gần đỳng khõu chậm trễ:

+ Theo khai triển Taylor : Lấy 2 số hạng đầu: W(p)=e− τp ≈1−τp

Ts e

1)

(Các th viện Simulink bao gồm các khối sau:

* Th viện các khối Sources (khối phát tín hiệu, khối nguồn):

Th viện này bao gồm các khối tạo nguồn tín hiệu khác nhau Trong th viện Sources có cáckhối nh sau:

Band_Limited White Noise Đa nhiễu trắng vào hệ

Chirp_signal Tạo sóng sin tần số bất kỳ

Constant Tạo đại lợng không đổi, tín hiệu đầu vào không đổi

Digital Clock Cấp thời gian, với thời gian lấy mẫu

Discrete Pulse Generator Khối phát tín hiệu tạo dao động rời rạc

From Workspace Đọc dữ liệu trong vùng nhớ đệm

Pule Generator Tạo các xung với các chu kỳ khác nhau

Random number Tạo các số ngẫu nhiên phân bố chuẩn

Repeating Sequence Tạo tín hiệu tuỳ ý lặp lại theo chu kỳ

Sign Generator Tạo các dạng tín hiệu khác nhau

Step Tạo tín hiệu dạng hàm bậc thang đơn vị(hàm bớc nhảy)Unifom Radon Number Tạo các số ngẫu nhiên phân bố đều

* Th viện các khối Sink:

ở đây gồm các khối dùng để hiển thị hoặc ghi lại kết quả mô phỏng ở đầu ra một khốitrong hệ thống đợc quan sát Trong th viện Sink gồm các khối sau:

Display Hiển thị tín hiệu dới dạng chữ số

Stop simulation Ngừng quá trình mô phỏng khi lợng đầu vào khác không

To file Ghi dữ liệu vào file

To workspace Ghi dữ liệu vào vùng làm việc

XY graph Hiển thị đồ thị XY của tín hiệu trên cửa sổ đồ thị Matlab

Th viện các khối Discrete (tín hiệu rời rạc hay tín hiệu số Z)

Cấu trúc th viện của Simulink

Th viện này có các khối cơ bản của hệ thống rời rạc, các khối tính toán trong miền thờigian rời rạc Cụ thể bao gồm các khối sau:

Discrete Transfer Ecn Biểu diễn hàm truyền trong hệ rời rạc

Discrete Zero-pole Biểu diễn hàm truyền trong hệ rời rạc thông qua Pole và Zero.Discrete Filter Biểu diễn các bộ lọc HR và FIR

Discrete state-space Biểu diễn hệ thống trong không gian trạng thái rời rạc

Discrete-Time Integrator Biểu diễn tích phân tín hiệu rời rạc theo thời gian

Fist Order Hold Khâu tạo dạng bậc nhất

Unit Display Hiển thị tín hiệu trong một chu kỳ rời rạc

Zero Order Hold Khâu tạo dạng bậc thang không

* Th viện các khối Continuous:

Trong th viện này có các khối của hệ thống liên tục tuyến tính, các khối biểu diễn các hàmtuyến tính chuẩn Th viện Linear gồm các khối sau:

Derivative Tính vi phân theo thời gian của lợng vào(d/dt).

Integrator Tích phân tín hiệu

State-Space Biểu diễn hệ thống trong không gian trạng thái tuyến tính.Transfer Fcn Hàm truyền đạt tuyến tính của các khâu hoặc hệ thống

Transpost Delay Giữ chậm lợng vào theo giá trị thời gian cho trớc

Variable Transpot Delay Giữ chậm lợng vào với khoảng thời gian biến đổi

Zero-pole Hàm truyền theo Pole(điểm cực) và Zero(điểm không)

* Th viện các khối Nonlinear (các khâu phi tuyến):

Dead Zone Mô tả vùng không nhạy(vùng chết)

Quantizer Lợng tử hoá tín hiệu vào trong các khoảng

xác định

Rate Limiter Hạn chế phạm vi thay đổi tín hiệu

Saturation Khâu bão hoà tín hiệu (khâu hạn chế)

* Th viện chứa các khối Singnal & System:

Th viện Singnal & System có các khối biểu diễn tín hiệu và hệ thống Cụ thể bao gồm cáckhối chính nh sau:

Sub & Systems Xây dựng hệ thống con bên trong hệ thống lớn

Demux(phân kênh) Tách các tín hiệu vectơ thành các tín hiệu vô hớng

Mux(dồn kênh) Gộp các tín hiệu thành một vectơ

* Th viện chứa các khối toán học Math:

Th viện Math có các khối biểu diễn hàm toán học Cụ thể bao gồm các khối chính nh sau:

Asb Biểu diễn giá trị tuyệt đối của lợng vào

Combuanatoril logic Biểu diễn bảng chân lý

Dot product Nhân giữ hai vectơ

Product Thực hiện nhân các lợng vào

Matrix gain Bộ khuếch đại có hệ số KĐ là một ma trận

Math function Các hàm toán học

Trigonometric Function Hàm lợng giác

* Th viện chứa các khối Funtion & Tables:

Fcn ứng dụng biểu thức toán nhất định cho lợng vào

Matlab Fcn ứng dụng của hàm Matlab cho lợng vào

Look-up Table2-D Biểu diễn tuyến tính từng đoạn của hai lợng vào

S-Function Đa một S-Funtion vào trong một khối

* Th viện các khối mở rộng của Simulink:

Additional Discrete: Khối mở rộng khối tín hiệu rời rạc

Additional Linear: Khối mở rộng khối tín hiệu tuyến tính

Additional Sinks: Khối mở rộng khối quan sát

Flip Flops: Khối mở rộng chứa khối Trigơ

Linearization: Khối mở rộng tuyến tính hoá

Transformations: Khối mở rộng các khối biến đổi toán học

1.2.1.3 Các trình đơn thông dụng của Simulink (cửa sổ làm việc untitled):

Các trình đơn của Simulink nằm ở phía trên cửa sổ làm việc Khi một mục trong trình đơn

mà theo sau có mũi tên màu đen trỏ sang phải thì sẽ mở ra trình đơn con, còn theo sau là dấu

ba chấm thì sẽ mở ra một hộp thoại Trong phần này chỉ giới thiệu một số trình đơn thông dụng kiểu untitled.

* Trình đơn file:

New:

- New/ untiled:Mở cửa sổ làm việc mới để

xây dựng một hệ thống mới

- New/ Library: mở một cửa sổ để tự

Cấu trúc th viện mở rộng của Simulink

xây dựng một th viện riêng cho ngời

sử dụng

Open: Hiển thị một hộp thoại với các

danh sách đã lu, ta tìm file cần mở rồi

kích vào nút Open để mở file

Close: Đóng cửa sổ đang mở.

Save: Ghi lại nội dung của một file.

Save as: Ghi lại nội dung của một file mới.

Model Properties: Các thông số của mô hình Print : In một sơ đồ khối.

Print Setup : Hiển thị danh sách lựa chọn

máy in và kích thớc giấy

Exit Matlab: Thoát khỏi Matlab.

* Trình đơn Edit:

Cut : Di chuyển các đối tợng từ cửa sổ làm

việc vào vùng nhớ Clipboard

Copy: Sao chép đối tợng vào vùng nhớ

Clipboard

Paste: Dán nội dung từ Clipboard vào vị trí

cần chèn đến

Clear: xoá các đối tợng đã chọn.

Select All: Chọn tất cả các đối tợng trong

cửa sổ hiện hành

Create Subsystem: Tạo một hệ thống con từ

những đối tợng đã chọn trong cửa sổ hiện hành

* Trình đơn View:

Tollbar: Hiển thị thanh công cụ.

Status bar: Hiển thị thanh trạng thái.

Flip Name: Chuyển vị trí tên,

dới tên của khối

Hide Name: Đặt ẩn tên của một khối.

Show Name: Hiện tên của một khối.

Flip Block: Xoay khối một góc 1800

đờng khung các khối.

Background Color: Chọn mầu nền cho các khối.

Screen Color: Chọn mầu nền khung cửa sổ.

1.2.1.4 Các bớc thực hiện mô phỏng hệ thống bằng Simulink:

Để hiểu rõ cách thức xây dựng một mô hình và cách thức chạy mô phỏng trong Simulink taxét một ví dụ đơn giản, mô hình có các khối sau:

Signal Generator : Thuộc th viện Sources

Mux : Thuộc th viện Signal & Systems

Scope & To Workspace : Thuộc th viện Sink

Bớc 1: Gọi phần ứng dụng Simulink.

Kích chuột vào biểu tợng Simulink Library Browser

Hoặc từ dấu nhắc lệnh trong cửa sổ Matlab Comman Window ta gõ lệnh Simulink

>> simulink → Simulink Library Browser

Bớc 3: Xây dựng mô hình Simulink.

Các thao tác tìm các khối để xây dựng mô hình Simulink nh sau:

Kích đúp chuột vào th viện chính Simulink

Kích đúp chuột vào th viện Sources

Kích và kéo th viện Sin Wave sang cửa sổ làm việc(untitled)

Cách thức xây dựng các khối còn lại làm tơng tự

Bớc 4: Nối các khối theo sơ đồ cấu trúc.

Sau khi các khối đã đợc đa ra cửa sổ làm việc ta dùng chuột để nối các khối theo đúng sơ đồcấu trúc cần mô phỏng, cách làm nh sau:

- Nối giữa hai khối: đa chuột đến đầu vào hoặc đầu ra của một khối, khi con trỏ suy biến thànhdấu cộng thì kích phím trái chuột rồi kéo trỏ chuột đến đầu vào hoặc đầu ra của khối cần nối.Nếu ta nhả phím chuột trớc đờng nối các khối hoàn thành thì đoạn thẳng sẽ kết thúc bằng mũitên chỉ hớng truyền tín hiệu

-Trích đờng nối giữa các khối: Kích phải chuột vào điểm cần trích rồi kéo chuột ta sẽ đợc một

đờng truyền tín hiệu

- Thay đổi kích thớc các khối: Kích chuột vào khối sau đó đa trỏ chuột vào góc của khối rồikích và kéo theo chiều mũi tên để thay đổi kích thớc

- Di chuyển các khối:

- Copy các khối:

Sau khi thực hiện xong ta có đợc khối sau:

Cách thức tạo cửa sổ làm việc

Các thao tác tìm các khối để xây dựng mô hình

Bớc 5: Mở các khối:

Mở các khối bằng cách kích đúp chuột vào khối đó Lúc này sẽ xuất hiện cửa sổ Block

Parameters…Tại đây ta có thể thay đổi dữ liệu theo mong muốn

Thông số của

khâu khuếch đại

Bớc 6: Thực hiện quá trình mô phỏng bằng các cách sau: chọn các công việc sau trong cửa sổ

làm việc

- Simulation / start

Kích vào biểu tợng Start Simulation

Bớc 7: Ta có thể thay đổi thông số của quá trình mô phỏng:

- Simlation / Configuration Parameters:

Bớc 8: Ghi lại mô hình mô phỏng vừa tạo đợc bằng cách chọn Save as trong menu hoặc kích

vào biểu tợng đĩa mềm trên thanh công cụ của cửa sổ làm việc

* Các ví dụ.

Hộp thoại đặt thông số mô phỏng.

Chơng 2 Các câu lệnh matlab dùng trong đại số sơ đồ khối

Đại số sơ đồ khối là thuật toán để xác định hàm truyền đạt của hệ thống khi biết đợc hàmtruyền đạt của các phần tử thành phần Nó gồm thuật toán để xác định hàm truyền đạt của cácphần tử mắc nối tiếp, mắc song song, mạch phản hồi

2.1 Hệ thống gồm các phần tử mắc nối tiếp:

Các phần tử đợc gọi là mắc nối tiếp nếu tín hiệu ra của phần tử trớc là tín hiệu vào của phần

tử sau Tín hiệu vào của hệ thống là tín hiệu vào của phần tử đầu tiên Tín hiệu ra của phần tửcuối cùng là tín hiệu ra của hệ thống

42)

++

+

=

s s

s s

H

L ệnh ‘’ series’’trong Matlab dùng để nối nối tiếp hai hệ thống

Cú pháp: [a,b,c,d] = series (a1,b1,c1,d1,a2,b2,c2,d2)

[a,b,c,d] = series (a1,b1,c1,d1,a2,b2,c2,d2,outputs1,inputs2)[num,den] = series (num1,den1,num2,den2)

Giải thích: Lệnh [a,b,c,d] = series (a1,b1,c1,d1,a2,b2,c2,d2) nối các ngõ ra của hệ thống1với các ngõ vào của hệ thống 2

Hệ thống nối tiếp

Với ví dụ trên ta thực hiện nh sau:

để tạo thành hệ nối tiếp, ta thực hiện nh sau:

42)

++

+

=

s s

s s

H

Lệnh ‘’ parallel ’’

Công dụng: Nối song song các hệ thống Sử dụng cho cả hệ liên tục và gián đoạn

Cú pháp: [a,b,c,d] = parallel (a1,b1,c1,d1,a2,b2,c2,d2)

[a,b,c,d] = parallel (a1,b1,c1,d1,a2,b2,c2,d2,in1,in2,out1,out2)

[num,den] = parallel (num1,den1,num2,den2)

Giải thích: [a,b,c,d] = parallel (a1,b1,c1,d1,a2,b2,c2,d2) nối song song hai hệ thống tạo thành

hệ thống tổ hợp có ngõ ra là tổng các ngõ ra của hai hệ thống y= y2+y2 và các ngõ vào đợc nốilại với nhau

Hệ thống song song

Với ví dụ trên ta thực hiện nh sau:

Tại dấu nhắc của Matlab ta nhập:

>> h=tf(3,[1 4])

C«ng dông: KÕt nèi håi tiÕp hai hÖ thèng.

Có ph¸p: [a,b,c,d] = feedback (a1,b1,c1,d1,a2,b2,c2,d2)

[a,b,c,d] = feedback (a1,b1,c1,d1,a2,b2,c2,d2,sign)[a,b,c,d] = feedback (a1,b1,c1,d1,a2,b2,c2,d2,inputs1,outputs1)[num,den] = feedback (num1,den1,num2,den2)

[num,den] = feedback (num1,den1,num2,den2,sign)Gi¶i thÝch: [a,b,c,d] = feedback (a1,b1,c1,d1,a2,b2,c2,d2,sign) t¹o ra hÖ thèng kh«ng giantr¹ng th¸i tæ hîp víi kÕt nèi håi tiÕp cña hÖ thèng 1 vµ 2

Sign =1: håi tiÕp d¬ng

Sign = -1: håi tiÕp ©m

NÕu bá qua tham sè sign th× lÖnh sÏ hiÓu lµ håi tiÕp ©m

VÝ dô: KÕt nèi kh©u cã hµm truyÒn

s s s

s s s G

3

152)

2

++

++

= víi kh©u håi tiÕp cã hµm truyÒn

10

510

H theo d¹ng håi tiÕp ©m nh sau:

T¹i dÊu nh¾c cña Matlab:

>> h=tf([2 5 1],[1 1 3 0])

Transfer function:

HÖ thèng håi tiÕp

Bằng hai lệnh isct(sys) và isdt(sys) có thể kiểm tra xem sys là mô hình liên tục hay mô

hình gián đoạn, và lệnh isiso(sys) sẽ cho đáp ứng là mức logic 1nếu sys là một hệ SISO (hệ một

vào/ một ra)

Ví dụ: Cho hàm truyền:

34

12)

Ta kiểm tra xem H(s) là liên tục hay gián đoạn :

Tại dấu nhắc của Matlab ta nhập:

Lệnh c2d chuyển đổi một hệ liên tục sysc sang hệ gián đoạn sysd Trong đó: Ts chum kỳ trích

mẫu, tham số tuỳ chọn method quyết định phơng pháp gián đoạn hoá đợc sử dụng khi chuyển

đổi

Sử dụng ví dụ(a.1):

Tại cửa sổ Matlab ta nhập:

>> sysc=tf([2 1],[4 0 3]) % khai báo hàm

−+

−

=

z z

z z H

Sử dụng chu kỳ trích mẫu Ts= 0.01

Tại dấu nhắc của Matlab:

Có ph¸p : [num,den] = ss2tf(a,b,c,d,iu) ;(ngâ vµo thø iu)

12)

++

+

=

s s

s s

225)

2

+++

++

=

s s s

s s s