Thiết kế ToolBox phục vụ thí nghiệm ĐKQT 1 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 2 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 3 1.1 Giới thiệu chung về Matlab 3 1.2 Giới thiệu về Simulink 4 1.3 Giới thiệu về giao diện GUI. 6 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA ĐỐI TƯỢNG 11 2.1. Phân tích hệ thống bình nhiệt và nhận biết các biến quá trình 11 2.2. Xây dựng các phương trình mô hình cho bình nhiệt 12 2.3. Phân tích cơ cấu chấp hành 14 2.4. Phương trình vi phân hệ thống 15 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG TOOLBOX 16 3.1 Giới thiệu về hàm S-function và cách xây dựng hàm bằng C-mex-file. 16 3.2 Xây dựng khối mô hình thí nghiệm. 21 3.2.1 Sử dụng khối SubSystem. 21 3.1.2 Sử dụng khối S-function 24 3.1.3 Sử dụng khối S-function với khối Subsystem. 29 3.1.4 Tạo file nguồn. 30 3.2 Mô phỏng kiểm chứng 34 3. 3 Xây dựng khối giao diện GUI. 36 3.3.1 Xây dựng khối Tank-GUI. 36 3.3.2 Xây dựng giao diện GUI. 37 CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN 41 4.1 Đánh giá 41 4.2 Kết luận 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 Thiết kế ToolBox phục vụ thí nghiệm ĐKQT 2 LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây khoa học công nghệ phát triển hết sức nhanh chóng, đặc biệt là trong lĩnh vực và truyền thông, tin học ứng dụng… Máy tính càng trở nên phổ biến và thiết yếu đối với mọi người nhất là sinh viên. Trong chương trình học của sinh viên ĐH Bách khoa thì phần mềm không thể thiếu là Matlab.Nó giúp chúng ta tối ưu hoá trong việc tính toán, vẽ hình và mô phỏng các quá trình công nghệ.Vì thế hiểu và ứng dụng Matlab trong học tập giúp chúng ta rất nhiều. Đồ án II bọn em được giao là “Ứng dụng Matlab và Simulink vào xây dựng bài toán điều khiển nhiệt độ”. Đề tài này rất mới và thú vị. Nó giúp chúng em ôn lại và ứng dụng những kiến thức vừa học như điều khiển quá trình, lý thuyết điều khiển vào thực tiễn mà còn giúp chúng em hiểu biết rất nhiều thêm về Matlab và Simulink. Chúng em xin trân trọng cảm ơn Thầy giáo Đặng Văn Mỹ, Thầy đã tận tính hướng dẫn chúng em từng điều nhỏ nhất để chúng em tạo ra sản phẩm cuối cùng. Sản phẩm làm ra chắc chắn sẽ có những điểm yếu, cũng như báo cáo này chắc chắn không thể tránh khỏi sai sót, mong các thầy cô cũng như các bạn có những góp ý để sản phẩm của nhóm hoàn thiện hơn Các thành viên của nhóm: Trần Đình Thiêm Phạm Quang Việt Thiết kế ToolBox phục vụ thí nghiệm ĐKQT 3 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung về Matlab MATLAB là 1 phần mềm ứng dụng chạy trong môi trường Windows do hãng MathWorks sản xuất và cung cấp, nó tích hợp các công cụ rất mạnh phục vụ tính toán, lập trình, thiết kế, mô phỏng, v.v Trong một môi trường rất dễ sử dụng trong đó các bài toán và các lời giải được biểu diễn theo các ký hiệu toán học quen thuộc. Có thể nói Matlab là ngôn ngữ của kỹ thuật, đang được rất nhiều các nhà khoa học, các cán bộ kỹ thuật, giảng viên và sinh viên các trường đại học kỹ thuật ứng dùng. Các ứng dụng điển hình là: - Toán học và tính toán. - Phát triển thuật toán. - Tạo mô hình, mô phỏng và tạo giao thức. - Khảo sát, phân tích số liệu. - Đồ hoạ khoa học kỹ thuật. - Phát triển ứng dụng, gồm cả xây dựng giao diện người dùng đồ hoạ GUI. - Thiết kế các hệ thống điều khiển trong thời gian thực Matlab cung cấp một họ các phương pháp theo hướng chuyên dụng hóa được gọi là các Toolbox (hộp công cụ). Các Toolbox cho phép người sử dụng học và áp dụng các kỹ thuật chuyên dụng cho một lĩnh vực nào đó. Toolbox là một tập hợp toàn diện các hàm của Matlab (M-file hặc C-file) cho phép mở rộng môi trường Matlab để giải các lớp bài toán cụ thể. Các lĩnh vực trong đó có sẵn các Toolbox bao gồm: Xử lý tín hiệu, hệ thống điều khiển, logic mờ, mạng nơron, mô phỏng Hệ thống Matlab gồm có 5 phần chính: - Ngôn ngữ Matlab: Là một ngôn ngữ ma trận, mảng cấp cao với các câu 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, từ các ứng dụng đơn giản đến các ứng dụng phức tạp. - Môi trường làm việc của Matlab: Đây là một bộ các công cụ và phương tiện mà bạn sử dụng với tư cách là người dùng hoặc người lập trình Matlab. Nó bao Thiết kế ToolBox phục vụ thí nghiệm ĐKQT 4 gồm các phương tiện cho việc quản lý các biến trong không gian làm việc Workspace cũng như xuất nhập khẩu dữ liệu. Nó cũng bao gồm các công cụ để 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 phép bạn tùy biến giao diện đồ họa cũng như đi xây dựng một giao diện đồ họa hoàn chỉnh cho ứng dụng Matlab của mình. - Thư viện toán học Matlab: Đây là một tập hợp khổng lồ các thuật toán tính toán từ các hàm cơ bản như: cộng, trừ, nhân, chia, sin, cos, tang, số học phức tới các hàm phức tạp hơn như: nghịch đảo, ma trận, tìm trị riêng của 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. 1.2 Giới thiệu về 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 Ngoài ra chúng ta có thể tự lập trình để tạo ra những khối riêng theo mong muốn thông qua S-fuction. Đối với các hệ thống phức tạp, phi tuyến, ngẫu nhiên, các tham số biến đổitheo thời gian, phương pháp giải tích truyền thống không thể cho ta lời giải chính xác được. Lúc này, phương pháp mô hình hóa và mô phỏng phát huy thế mạnh của mình và trong nhiều trường hợp nó là giải pháp duy nhất để nghiên cứu các hệ thống phức tạp. Sau khi đã xây dựng mô hình của hệ thống cần nghiên cứu , bằng cách ghép các khối cần thiết thành sơ đồ cấu trúc của hệ, ta có thể khởi động quá trình mô phỏng. Trong quá trình mô phỏng ta có thể trích tín hiệu tại bất kỳ vị trí nào của sơ đồ quá trình cấu trúc và hiển thị đặc tính của nó trên màn hình. Hơn thế nữa nếu có nhu cầu ta có thể cất giữ các đặc tính vào môi trường nhớ. Việc nhập hoặc thay đổi các thong số Thiết kế ToolBox phục vụ thí nghiệm ĐKQT 5 của các khối cũng có thể thực hiệnđơn giản bằng cách nhập trực tiếp hoặc thông qua Matlab. Để khảo sát hệ thống ta có thể sử dụng thêm các toolbox như Signal Processing (xử lý tín hiệu), Optimization( tối ưu) hay Control System ( hệ thống điều khiển). Mỗi khối có 1 hay nhiều đầu vào/ra (trừ TH các khối Sources và Sinks), có tên và ở trung tâm của hình khối chữ nhật có biểu tượng (hàm truyền đạt, đồ thị đặc tính hay tên file) thể hiện đặc điểm riêng của khối. Người sử dụng có thể tuỳ ý thay đổi tên của khối tuy nhiên mỗi tên chỉ có thể sử dụng 1 lần duy nhất trong phạmvi cửa sổ mô phỏng. Khi nháy kép phím chuột trái trực tiếp các khối ta sẽ mở cửa sổ tham số Block Parameter và có thể nhập thủ công các tham số đặc trưng của khối. Nháy kép phím chuột trái vào nút Help ta sẽ mử cửa sổ tiện ích giúp trực tuyến. SIMULINK phân biệt 2 loại khối chức năng: Khối ảo và khối thực. Các khối thực đóng vai trò quyết định khi chạy mô phỏng SIMULINK. Việc thêm hay bớt 1 khối thực sẽ thay đổi đặc tính động học của hệ thống đang được mô hình SIMULINK mô tả. Có thể nêu rất nhiều. VD như: khối tích phân Intergrator hay khối hàm truyền đạt Transfer Fcn… Ngược lại các khối ảo không có khả năng thay đổi đặc tính của hệ thống, chúng chỉ có nhiệm vụ thay đổi giao diện đồ hoạ của mô hình. Đó là các khối như Mux, Demux hay Enable. Ngoài ra SIMULINK cũng chia làm các thư viện con: • Sources ( các khối nguồn TH) • Sinks ( các khối xuất TH) • Math ( các khối toán học) • Signal & System ( các khối TH và hệ con) • Continuos ( các khối liên tục) • Nonlinear ( các khối phi tuyến ) • Function & Table • Dicrete ( các khối gián đoạn) Trong SIMULINK phần được ứng dụng nhiều nhất trong xây dựng bài toán là S- function. Khối S-function được tạo điều kiện để người ta ghép hàm S (s-function) hoặc viết dưới dạng MATLAB Script (m-file) hoặc dưới dạng MATLAB Excuteable File ( C-mex-file, ngôn ngữ C) vào một sơ đồ khối SIMULINK. Ngoài ra ta có thể chuyển thêm cho S-function 1 số tham số tại ô S-funcion parameters.Ưu điểm của S-function Thiết kế ToolBox phục vụ thí nghiệm ĐKQT 6 viết bằng c-file là khả năng truy cập vào phần cứng điều không thể thực hiện với m- file. Thêm vào đó S-fuction viết bằng C-mex-file sẽ tăng tốc độ tính toán lên rất nhiều cho phép ta rút ngắn thời gian mô phỏng những hệ thống lớn- phức tạp. Vì thế trong bài toán này chúng em sẽ sử dụng c-mex-file cho khối S-function để xây dựng bài toán. 1.3 Giới thiệu về giao diện GUI. Một giao diện đồ hoạ người dùng (GUI- Graphic users interface) là một màn hình hiển thị đồ họa trong một hoặc nhiều cửa sổ bao gồm phần điều khiển và các bộ phận cấu thành, nó cho phép người dùng thực hiện nhiệm vụ tương tác. Người sử dụng của giao diện không cần phải tạo ra một mã hay gõ lệnh để thực hiện các nhiệm vụ. Không giống như mã hóa chương trình để thực hiện nhiệm vụ, người sử dụng một giao diện không cần phải hiểu được chi tiết như thế nào nhiệm vụ được thực hiện. Các bước xây dựng giao diện Guide đơn giản. • Bước 1: gõ lệnh sau vào Command Window hoặc nhấn vào nút trên thanh công cụ, hộp thoại xuất hiện. Hinh 1.1: Cửa sổ GUIDE Quick Start Trong cửa sổ GUIDE Quick Start có nhiều lựa chọn theo một trong các khuân Thiết kế ToolBox phục vụ thí nghiệm ĐKQT 7 mẫu sau:  Create New GUI: Tạo một hộp thoại GUI mới theo một trong các loại sau + Blank GUI (Default): Hộp thoại GUI trống không có một điều khiển uicontrol nào cả. + GUI with Uicontrols: Hộp thoại GUI với một vài uicontrol như button, Chương trình có thể chạy ngay. + GUI with Axes and Menu: Hộp thoại GUI với một uicontrol axes và button, các menu để hiển thị đồ thị. +Modal Question Dialog: Hộp thoại đặt câu hỏi Yes, No.  Open Existing GUI: mở một project có sẵn. • Bước 2: Cửa sổ GUI hiện ra. Hình 1.2: Cửa sổ giao diện GUI Giao diện rất giống với các chương trình lập trình giao diện như Visual Basic, Visual C++, ta di chuột qua các biểu tượng ở bên trái sẽ thấy tên của các điều khiển. Xin nói qua một vài điều khiển hay dùng: + Push Button: giống như nút Command Button trong VB. Là các nút bấm như nút OK, Cancel mà ta vẫn bấm. + Slider : Thanh trượt có một con trượt chạy trên đó. Thiết kế ToolBox phục vụ thí nghiệm ĐKQT 8 + Radio Button : Nút nhỏ hình tròn để chọn lựa + Check Box + Edit Text + Static Text + Pop-up Menu + List Box + Axes + Panel + Button Group + ActiveX Control + Toggle Button Còn menu thì quan trọng nhất là menu Tools có:  Run (Ctr + T) : nhấn vào để chạy chương trình mà ta đã viết. Có lỗi là hiện ra ngay.  Align Object: dùng để làm cho các điều khiển sắp xếp gọn đẹp theo ý mình như cùng căn lề bên trái,  Grid and Rulers : dùng để cấu hình về lưới trong giao diện vì nó sẽ coi giao diện như một ma trận các ô vuông nhỏ, ta sẽ thay đổi giá trị này để cho các điều khiển có thể thả ở đâu tùy ý cho đẹp.  Menu Editor : trình này để tạo menu cho điều khiển  Tab Order Editor : sắp xếp Tab order là thứ tự khi ta nhấn phím Tab  Gui Options : lựa chọn cho giao diện GUI. • Bước 3: Kéo thả các điều khiển. Hãy kéo vào trong giao diện 2 edit box, 2 static box và 1 Push Button. Thiết kế ToolBox phục vụ thí nghiệm ĐKQT 9 Hình 1.3: Giao diện GUI thực hiện chức năng Chương trình có chức năng khi nhấn vào nút bấm thì kết quả của phép tính cộng giữa 2 số được gõ vào 2 ô sẽ hiện lên trong Static Text . • Bước 4: Thay đổi các thuộc tính của điều khiển. + Click đúp vào Edit Text bên trái để xuất hiện cửa sổ các thuộc tính của điều khiển. Có thể sắp xếp theo chức năng hoặc theo thứ tự A-Z của tên thuộc tính bằng nút hiện ở gõ bên trái. Hình 1.4: Cửa sổ Properties của đối tượng Thuộc tính quan trọng của Edit Box bao gồm: Thiết kế ToolBox phục vụ thí nghiệm ĐKQT 10  Tag: đây là thuộc tính giống như Caption trong Visual Basic để đặt tên điều khiển. Dùng tên này có thể thao tác đến các thuộc tính của đối tượng. Mình đặt tên là: editStr1.  String : là xâu kí tự hiện lên Edit Box. Các bạn xóa cái này đi. Tương tự, thay đổi thuộc tính tag của Edit Box thứ 2 thành editStr2. Static Box cũng tương tự thành staticStr3. Push Button: thuộc tính tag = buttonCalculate, string = calculate. • Bước 5: Viết lệnh cho chương trình Chương trình có tác dụng khi nhấn vào nút Push Button sẽ hiện lên kết quả ở Static Box. Vì thế nên sẽ phải viết vào hàm nào mà khi nhấn vào Push Button sẽ gọi. Chính là hàm Callback. Điều khiển nào cũng có hàm callback, như hàm ngắt trong vi điều khiển vậy. Click chuột phải vào nút Calculate chọn View Callbacks\Callback ta được: Dưới đây là đoạn code chương trình: function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles) so1 = get(handles.edit1,'string'); so2 = get(handles.edit2,'string'); so1 = str2num(so1); so2 = str2num(so2); so3 = so1 + so2; set(handles.text3,'string',num2str(so3)); Nhấn nút run để kiểm tra: Ta được GUI tính tổng 2 chữ số. Hình 1.5: Kết quả mô phỏng ví dụ cộng 2 số [...]...Thi t k ToolBox ph c v thí nghi m ĐKQT CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA ĐỐI TƯỢNG Mô hình là một hình thức mô tả khoa học và cô đọng các khía cạnh thiết yếu của một hệ thống thực Phân tích và thiết kế trên cơ sở mô hình là phương pháp làm việc không thể thiếu được của người kỹ sư Một mô hình phản ánh hệ thống thực từ một góc nhìn nào đó phục vụ hữu ích cho mục đích sử dụng Mô hình... 33 Thi t k ToolBox ph c v thí nghi m ĐKQT Hình 3.10: Chú thích cho khối block Sauk hi nhấn Apply => OK ta thu được Hình 3.11: Giao diện khối Block sau khi chú thích 3.2 Mô phỏng kiểm chứng Chạy mô phỏng của đối tượng với 2 khối Subsystem và S-function ta vừa làm được Giả sử tín hiệu vào của 2 Van đều là tín hiệu step, khi đó ta có: - Khối Subsystem: 34 Thi t k ToolBox ph c v thí nghi m ĐKQT Hình 3.12:... những giúp ta hiểu rõ hơn về thế giới thực, mà còn cho phép thực hiện được một số nhiệm vụ phát triển mà không cần sự có mặt của quá trình và hệ thống thiết bị thực Trong bài toán phát triển một toolbox thí nghiệm thì công việc mô hình hóa đối tượng càng có vai trò đặc biệt quan trọng, bởi vì các sinh viên thí nghiệm không tiếp xúc với đối tượng thực mà là với đối tượng “ảo” trên máy tính Đối tượng... ݀‫ݐ‬ (2.4) 2.4 Phương trình vi phân hệ thống Kết hợp các phương trình (2.1) với (2.3) và (2.4) ta được hệ phương trình vi phân mô tả hệ thống như sau: ݀ܶ 1 1 1 ‫= ۓ‬ ߩଵ ܶଵ ‫ܨ‬ଵ + ߩଶ ܶଶ ‫ܨ‬ଶ − ܶ(‫ܨ‬ଵ + ‫ܨ‬ଶ ) ߩܸ ܸ ۖ ݀‫ܸߩ ݐ‬ ݀‫ܨ‬ଶ ߬௩ଶ + ‫ܨ‬ଶ = ݇௩ଶ ‫ݑ‬ଶ ‫۔‬ ݀‫ݐ‬ ݀‫ܨ‬ଵ ۖ ߬௩ଵ + ‫ܨ‬ଵ = ݇௩ଵ ‫ݑ‬ଵ ‫ە‬ ݀‫ݐ‬ 15 Thi t k ToolBox ph c v thí nghi m ĐKQT CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG TOOLBOX 3.1 Giới thiệu về hàm S-function và... trạngthái liên tục, các trạ thái giánđoạn, hoặc ng thể ạng một sự kết hợp của cả hai Các mối quan hệ toán học giữa các y tố đầu vào, kết quả a yếu ái ình đầu ra, và các trạngthái được thể hiện bằng các phương trình sau đây: ‫݂ = ݕ‬଴ (‫ݑ ,ݔ ,ݐ‬ሻ ‫ݔ‬ሶ ௖ ൌ ݂ௗ ሺ‫ݑ ,ݔ ,ݐ‬ሻ (đ u ra) (đ o hàm) ‫ݔ‬ௗೖశభ ൌ ݂௨ ሺ‫ݑ ,ݔ ,ݐ‬ሻ , 17 Thi t k ToolBox ph c v thí nghi m ĐKQT Một C mex -File định nghĩa một khối S -Function phải... phương trình hàm truyền đạt với giả thiết hệ số khuếch đại có thể kết hợp với hệ số khuếch đại của bình nên có thể cho ݇௩ଵ = ݇௩ଶ = 1 Hai van có hằng số thời gian là bằng nhau ߬௩ଵ = ߬௩ଶ = ܶ3 3.2.1 Sử dụng khối SubSystem a, Xây dựng mô hình hàm truyền của các đầu ra theo các đầu vào: - Dòng vào valve 1: ‫ܨ‬ଵ (‫= )ݏ‬ 1 ܷ (‫)ݏ‬ ܶଷ ‫ 1 + ݏ‬ଵ 21 Thi t k ToolBox ph c v thí nghi m ĐKQT - Dòng vào valve 2: ‫ܨ‬ଶ... tạo nên mô hình hệ thống 2.1 Phân tích hệ thống bình nhiệt và nhận biết các biến quá trình Xét hệ thống thiết bị gia nhiệt tiếp xúc trực tiếp gắn động cơ khuấy (hay nói ngắn gọn là hệ thống bình nhiệt) trên hình 2.1 Hình 2.1 Thiết bị gia nhiệt tiếp xúc trực tiếp 11 Thi t k ToolBox ph c v thí nghi m ĐKQT Các ký hiệu sử dụng trên hình: F1, F2, F – lưu lượng thể tích của các dòng vào và dòng ra (m3/s hoặc... Khối model ví dụ dùng khối Subsystem - Khối S-function: Hình 3.13: Khối model ví dụ dùng khối S-function Với các thông số là: Hình 3.14: Thiết lập thông số cho các tham số mô phỏng 35 Thi t k ToolBox ph c v thí nghi m ĐKQT Đáp ứng của các khối đều là: Hình 3.15: Kết quả mô phỏng 3 3 Xây dựng khối giao diện GUI 3.3.1 Xây dựng khối Tank-GUI Khối block GUI xây dựng nhằm dùng trong mô phỏng để truyền dữ... + Sử dụng phương pháp lập trình C Kết hợp sử dụng khối S-function và Subsystem Ở đây ta sẽ xây dựng hộp toolbox của ta theo 2 cách đầu là sử dụng khối Subsystem và sử dụng S-function theo phương pháp lập trình C-file Mục đích của 2 cách làm đó là để so sánh các kết quả thu được của mô hình tạo thành Còn phương pháp thứ 3 cũng gần tương tự như phương pháp thứ 2 * Giả thiết: Từ hệ phương trình vi phần... k ToolBox ph c v thí nghi m ĐKQT Bắt đầu mô phỏng mdlInitializeSizes mdlInitializeSampleTimes mdlOutputs mdlTerminate Hình 3.2: Một cơ cấu C mex-File đơn giản S-Function Routine Mô tả SIMULINK gọi chương trình này khi chỉnh sửa mdlInitializeSizes các mô hình để xác định số đầu vào, đầu ra SIMULINK cũng gọi nó để xác định kích thước các cổng và bất kì đối tượng khác SIMULINK gọi chương trình này để thiết . giao diện GUI. 37 CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN 41 4.1 Đánh giá 41 4.2 Kết luận 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 Thiết kế ToolBox phục vụ thí nghiệm ĐKQT 2 LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm. 1.5: Kết quả mô phỏng ví dụ cộng 2 số Thiết kế ToolBox phục vụ thí nghiệm ĐKQT 11 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA ĐỐI TƯỢNG Mô hình là một hình thức mô tả khoa học và cô đọng các khía cạnh thiết. box và 1 Push Button. Thiết kế ToolBox phục vụ thí nghiệm ĐKQT 9 Hình 1.3: Giao diện GUI thực hiện chức năng Chương trình có chức năng khi nhấn vào nút bấm thì kết quả của phép tính