4.2. Thư viện của Simscape
4.2.1. Foundation library (Thư viện nền tảng)
Các thư viện con của Simscape Foundationlibrary chứa một tập hợp toàn 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.
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 mô men xoắn trong hệ thống quay cơ học.
Ideal Translational Motion Sensor: cảm biến chuyển động trong hệ thống tịnh tiến cơ học.
91 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 tỉ lệ với tín hiệu đầu vào.
Ideal Torque Source: nguồn năng lượng cơ lý tưởng tạo ra mô men xoắn tỉ lệ thuận với tín hiệu đầu vào.
Ideal Translational Velocity Source: nguồn vận tốc lý tưởng trong hệ thống tịnh tiến cơ học.
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 vật thể chuyển động.
Translational Inerter: quán tính hai cổng trong hệ thống tịnh tiến cơ học.
92 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 mô men 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.
Ví dụ: Sử dụng Simscape Foundation để mô phỏng hệ thống xe lửa Phát biểu bài toán thực tế
93 Trong ví dụ này, chúng ta sẽ xét một hệ thống chuyển động gồm một động cơ và một toa được nối phía sau. Giả sử rằng đoàn tàu chỉ di chuyển theo một chiều (dọc theo đường ray), chúng ta muốn áp dụng điều khiển cho đoàn tàu để nó khởi động và dừng lại một cách trơn tru và để nó có thể chuyển động với sai số tối thiểu ở trạng thái ổn định.
Đây là một cách để sửa dụng thư viện Simscape mô phỏng hệ thống xe lửa. Các khối trong thư viện Simscape đại diện cho các thành phần vật lý thực tế do đó, các mô hình phức tạp có thể được xây dựng mà không cần phải xây dựng các phương trình toán học từ các nguyên lý vật lý như đã được thực hiện ở trên bằng cách áp dụng các định luật Newton.
Hình 4.1. Mô hình một hệ thống xe lửa Xây dựng mô hình vật lý
Khối lượng của động cơ và toa được kéo lần lượt được biểu thị bằng M1 và M2.
Động cơ và toa được kéo được nối với nhau bằng một khớp nối có độ cứng k. Lực F đại diện cho lực sinh ra giữa bánh đà và đường ray và là hệ số cản lăn.
Hình 4.2. Mô hình vật lý một hệ thống xe lửa Các thông số của hệ thống như sau:
Khối lượng của động cơ M1: 1kg Khối lượng toa được kéo M2: 0.5kg
94 Độ cứng của lò xo k: 1 N/m
Hệ số cản lăn : 0.02 Lực kéo: 1N
Gia tốc trọng trường g: 9.8 m/s2
Các bước cần thiết để xây dựng một mô hình vật lý:
Bước 1: Tạo mô hình mới bằng ssc_new
Nhập lệnh ssc_new ở cửa sổ lệnh của Matlab để mở Simscape, một model mới được mở và có các khối thường dùng có sẵn trong model.
Các thành phần của model là:
Khối cấu hình bộ giải thuật Solver Configuration.
Khối PS-Simulink Converter và Simulink- PS Converter.
Khối đầu ra Scope được kết nối với khối PS-Simulink Converter.
Hình 4.3. Mở một mô hình Simscape mới Bước 2: Lắp ráp mạng vật lý
Để lập mô hình hệ thống, cần thêm các khối từ thư viện Simscape vào một mô hình, sau đó kết nối chúng thành một mạng vật lý.
95 Hình 4.4. Mô hình vật lý chuyển thành mô hình Simscape
Sử dụng thư viện Simscape Foundation để chọn các khối cần thêm hoặc có thể sử dụng chèn nhanh để thêm các khối. Nhấp vào sơ đồ và nhập tên của khối. Một danh sách các khối sẽ xuất hiện và bạn có thể chọn khối mình muốn từ danh sách.
Sau khi khối được thêm, một cửa sổ sẽ xuất hiện để bạn nhập tham số.
Để xoay khối hoặc lật khối, nhấp chuột phải vào khối và chọn tùy chọn bạn muốn từ menu Rotate & Flip.
Để hiển thị tham số bên dưới tên khối, hãy đặt thuộc tính chú thích khối trong Simulink documentation.
Ta cần thêm các khối sau để tạo thành mô hình:
2 khối Mass (đổi tên chúng là "M1" và "M2"): đại diện cho hai khối lượng (động cơ, toa tàu).
1 khối Translational Spring (đổi tên thành "spring"): đại diện cho bộ phận khớp nối của xe.
1 khối Mechanical Translational Reference:đại diện cho một điểm tham chiếu, hoặc khung, cho tất cả các cổng tịnh tiến cơ học.
2 khối Translational Damper (đổi tên chúng là "M1 friction" và "M2 friction"): đại diện cho hai bộ phận giảm chấn (động cơ và toa tàu).
Khối Scope: để hiển thị tín hiệu đầu ra (đổi tên thành Velocity).
Kết nối các khối lại với nhau để tạo thành mô hình.
96 Hình 4.5. Lắp ráp các mạng vật lý lại với nhau
Bước 3: Điều chỉnh các tham số khối và biến
Các khối Simscape đại diện cho các thành phần chung có giá trị ban đầu mặc định cho các tham số và biến khối. Bạn có thể điều chỉnh các giá trị này cho phù hợp với ứng dụng của mình hoặc phù hợp với bảng dữ liệu đầu vào cho trước.
Trong mô hình này, bạn sẽ điều chỉnh các thông số kiểm soát khối lượng, độ cứng của lò xo và hệ số giảm chấn.
Bấm đúp vào khối Mass (M1). Đặt khối lượng của nó là 1 kg.
Hình 4.6. Điều chỉnh tham số cho khối Mass (M1)
97 Bấm đúp vào khối Mass (M2). Đặt khối lượng của nó là 0.5 kg.
Hình 4.7. Điều chỉnh tham số cho khối Mass (M2)
Bấm đúp vào khối Spring. Đặt thông số lò xo là 1 N / m.
Hình 4.8. Điều chỉnh tham số cho khối Spring
Bấm đúp vào khối Damper (M1 friction). Đặt hệ số giảm chấn của nó theo công thức vật lý: muy*M1*g = 0.02*1*9.8 N / (m / s).
98 Hình 4.9. Điều chỉnh tham số cho khối Damper (M1)
Bấm đúp vào khối Damper (M2 friction). Đặt hệ số giảm chấn của nó theo công thức vật lý: muy*M2*g = 0.02*0.5*9.8 N / (m / s).
Hình 4.10. Điều chỉnh tham số cho khối Damper (M2) Bước 4: Thêm các nguồn
Bạn có thể điều khiển mô hình Simscape bằng cách sử dụng tín hiệu đầu vào. Kỹ thuật này cho phép bạn biểu diễn các hiệu ứng vật lý, chẳng hạn như lực, điện áp hoặc áp suất, tác động lên hệ thống của bạn. Bạn cũng có thể chỉ định các đại lượng khác chạy
99 qua hệ thống của mình, chẳng hạn như dòng điện, tốc độ dòng chảy khối lượng và thông lượng nhiệt. Bạn thêm các kết nối đầu vào tín hiệu vào mạng vật lý của mình bằng cách sử dụng các khối nguồn Simscape.
Thêm các phần tử sau vào mô hình:
Một khối Ideal Force Source (đổi tên thành "Force Source")
Mechanical Translational Reference Kết nối các khối lại với nhau
Hình 4.11. Thêm các khối nguồn vào mô hình Bước 5: Thêm các cảm biến tín hiệu
Bạn đo các đại lượng bằng cách sử dụng khối cảm biến, mắc nối tiếp hoặc song song tùy thuộc vào giá trị đo. Để đo một đại lượng được xác định bởi biến thông qua (chẳng hạn như dòng điện, tốc độ dòng chảy, lực), hãy kết nối bộ cảm biến theo chuỗi.
Để đo một đại lượng được xác định bởi một biến ngang (chẳng hạn như điện áp, áp suất, vận tốc), hãy kết nối cảm biến song song.
Thêm các phần tử sau vào mô hình:
Ideal Translational Motion Sensor: khối cảm biến chuyển động tịnh tiến.
Mechanical Translational Reference Kết nối các khối lại với nhau
100 Hình 4.12. Thêm các khối cảm biến vào mô hình
Bước 6: Kết nối với Simulink bằng các khối chuyển đổi
Các phương trình trong mô hình Simscape được giải quyết đồng thời, trong khi các khối Simulink được đánh giá tuần tự. Các khối chuyển đổi, chẳng hạn như khối chuyển đổi Simulink-PS và chuyển đổi PS-Simulink, xử lý ranh giới giữa hai quy ước mô hình hóa này. Bạn cần các khối chuyển đổi khi tín hiệu Simulink chỉ định số lượng trong mạng Simscape hoặc khi chuyển số lượng Simscape tới Simulink để thiết kế điều khiển hoặc các mục đích khác.
Thêm khối Signal Generator vào mô hình để thể hiện tín hiệu lực đầu vào (đổi tên thành Force input).
Trong khối Signal Generator, chọn Dạng sóng là "vuông" với biên độ là "-1" và tần số là "0,001 Hz".
101 Hình 4.13. Cài đặt thông số cho khối Signal Generator
Kết nối khối Force input đến cổng đầu vào của khối Bộ chuyển đổi Simulink-PS, nơi nó được chuyển đổi thành tín hiệu vật lý đến khối Force Source.
Cổng ra P của khối Ideal Translational Motion Sensor, dùng để đo vận tốc, kết nối với khối bộ chuyển đổi PS-Simulink. Khối này chuyển tín hiệu vật lý thành tín hiệu Simulink và kết nối với khối Scope để hiển thị kết quả.
Hình 4.14. Hoàn thành mô hình Simscape Foundation
102 Bước 7: Mô phỏng mô hình
Để chạy mô phỏng, hãy nhấp vào nút RUN trên thanh công cụ Simulink.
Nhấp khối scope để kiểm tra đầu ra vận tốc.
Hình 4.15. Kết quả mô phỏng Bước 8: Xem kết quả mô phỏng và phân tích kết quả
Đầu vào là một lực với sóng vuông có hai bước sóng, một dương và một âm. Về mặt vật lý, điều này có nghĩa là đầu tiên động cơ tiến lên, sau đó lùi lại. Đầu ra vận tốc phản ánh điều này.