HƯỚNG DẪN MATLAB SIMULINK

1
Lab – Điều khiển động cơ một chiều
Hướng dẫn về Matlab/Simulink

1. Giới thiệu

MATLAB (Matrix Laboratory) là một phần mềm khoa học được thiết kế để cung cấp
việc tính toán số và hiển thị đồ họa bằng ngôn ngữ lập trình cấp cao. MATLAB cung cấp
các tính năng tương tác tuyệt vời cho phép người sử dụng thao tác dữ liệu linh hoạt dưới
dạng mảng ma trận để tính toán và quan sát. Các dữ liệu vào của MATLAB có thể được
nhập từ "Command line" hoặc từ "mfiles", trong đó tập lệnh được cho trước bởi
MATLAB.
MATLAB cung cấp cho người dùng các toolbox tiêu chuẩn tùy chọn. Người dùng cũng
có thể tạo ra các hộp công cụ riêng của mình gồm các "mfiles" được viết cho các ứng
dụng cụ thể.
Chúng ta có thể sử dụng các tập tin trợ giúp của MATLAB cho các chức năng và các
lệnh liên quan với các toolbox có sẵn (dùng lệnh help).

Ví dụ: Command Window: >> help plot

Màn hình tiêu chuẩn sau khi khởi động Matlab:




Để sử dụng Simulink:
2
Lab – Điều khiển động cơ một chiều


2. Sử dụng Matlab

a/ Định nghĩa biến:
Chúng ta cần hiểu được cách Matlab thao tác với các ma trận. Ví dụ một mảng các giá trị
A = 1, 0, 9, 11, 5 cũng là ma trận 1x5, B = 9 là ma trận 1x1. Để lưu biến A, tại cửa sổ
lệnh, gõ vào lệnh:

Matlab sẽ hiển thị kết quả:

Để không hiển thị kết quả trên màn hình, chúng ta dùng dấu ; tại cuối câu lệnh.
Để xác định kích thước một ma trận hay mảng, dùng lệnh “size”


Trong Matlab, các hàng của ma trận được cách bởi “;” và các cột được ngắt bởi “,”. Ví dụ
ma trận B có các thành phần như sau:
Dòng 1: 1, 0, 9, 4, 3
Dòng 2: 0, 8, 4, 2, 7
Dòng 3: 14, 90, 0, 43, 25
(có thể dùng khoảng trắng thay cho “,” để ngắt cột)

Chúng ta có thể cộng, trừ, nhân, chia các ma trận bằng các toán tử đơn giản +, -, *, / trong
Matlab. Ta cũng có thể tạo ra biến mới từ các ma trận có sẵn, ví dụ như:
(dấu “:” đại diện cho tất cả các cột trong hàng 2)
3
Lab – Điều khiển động cơ một chiều

Hoặc có thể tổ hợp một ma trận mới từ các ma trận có sẵn

Hoặc có thể xóa các hàng hay cột của một ma trận

Một khi các biến được nhập, chúng sẽ được hiển thị trong vùng làm việc. Chúng ta có thể
double click vào tên biến trong vùng làm việc để mở ra cửa sổ Variable Editor, ở đây
chúng ta có thể sửa chữa các giá trị như trong Excel.

4
Lab – Điều khiển động cơ một chiều
b/ Làm việc với mảng
Nhập vào Matlab 2 ma trận A, B
>> A = [1 2 3;4 5 6;7 8 0]
A =
1 2 3
4 5 6
7 8 0
>> B = [2 4 6;0 3 7;9 8 1]
B =
2 4 6
0 3 7
9 8 1
Toán tử Mô tả Ví dụ
+
Phép cộng
>> C=A+B
C =
3 6 9
4 8 13
16 16 1

-
Phép trừ
>> C=A-B

C =
-1 -2 -3
4 2 -1
-2 0 -1
*
Phép nhân
>> C=A*B
C =
29 34 23
62 79 65
14 52 98
.*
Phép nhân phần tử với phần
tử
>> C=A.*B
C =
2 8 18
0 15 42
63 64 0
/
Phép chia theo chiều phải
>> C=A/B
5
Lab – Điều khiển động cơ một chiều
C =
0.5000 0.0000 0.0000
3.6875 -2.2500 -0.3750
-8.3125 6.7500 2.6250
\
Phép chia theo chiều trái

>> C=A\B
C =
-4.5556 -5.3333 -4.5556
5.1111 5.6667 4.1111
-1.2222 -0.6667 0.7778
./
Phép chia phần tử (phải)
>> C=A./B
C =
0.5000 0.5000 0.5000
Inf 1.6667 0.8571
0.7778 1.0000 0
.\
Phép chia phần tử (trái)
>> C=A.\B
C =
2.0000 2.0000 2.0000
0 0.6000 1.1667
1.2857 1.0000 Inf
.^
Element-by-element power
Lấy số mũ phần tử - phần tử
>> C=A.^B
C =
1 16 729
1 125 279936
40353607 16777216 0

c/ M-file
Ngoài phương pháp gõ lệnh trực tiếp ở cửa sổ lệnh, chúng ta còn có thể tạo một script m-

file gồm tập hợp các lệnh gõ ở cửa sổ lệnh. Khi chạy mfile, các lệnh này sẽ được thực
hiện tương tự như ở cửa sổ lệnh.

Menu File  New  Script


6
Lab – Điều khiển động cơ một chiều
3. Simulink

Simulink là một công cụ trong Matlab dùng để mô hình, mô phỏng và phân tích các hệ
thống động với môi trường giao diện sử dụng bằng đồ họa. Việc xây dựng mô hình được
đơn giản hóa bằng các hoạt động nhấp chuột và kéo thả. Simulink bao gồm một bộ thư
viện khối với các hộp công cụ toàn diện cho cả việc phân tích tuyến tính và phi tuyến.
Simulink là một phần quan trọng của Matlab và có thể dễ dàng chuyển đổi qua lại trong
quá trình phân tích, và vì vậy người dùng có thể tận dụng được ưu thế của cả hai môi
trường.

Hướng dẫn sử dụng Simulink:

Có thể mở Simulink bằng 2 cách:
- Click vào biểu tượng như hình dưới (Simulink icon)



- Từ cửa sổ lệnh, đánh lệnh simulink và enter

Cửa sổ thư viện Simulink sẽ hiển thị:

Thư viện
Khung tìm
ki
ế
m

Các khối chức năng
7
Lab – Điều khiển động cơ một chiều

Tạo một mô hình mới bằng cách:
- Click vào icon New model hoặc gõ Ctrl-N



- Menu File New  Model

Cửa sổ xây dựng mô hình xuất hiện:



Tạo các khối: từ thư viện Simulink chọn khối cần dùng, nhấp chuột vào và kéo ra ra cửa
sổ mô hình




Lưu trữ mô hình bằng lệnh Save (File  Save) hoặc nhấp vào icon Save
Vùng làm việc, xây dựng
mô hình
8
Lab – Điều khiển động cơ một chiều



Dịch chuyển các khối đơn giản bằng cách nhấp vào khối đó và kéo thả



Nối tín hiệu: Đưa con chuột tới ngõ ra của khối (dấu “>”), khi đó con chuột sẽ có dạng

“+”. Kéo rê chuột tới ngõ vào của một khối khác và thả ra để kết nối tín hiệu.



Mô phỏng mô hình: Dùng lệnh Start (Menu Simulation  Start) hoặc nhấp chuột vào
icon Start

9
Lab – Điều khiển động cơ một chiều


Xem tín hiệu từ Scope: nhấp đôi vào khối Scope



Chỉnh thông số của một khối bằng cách nhấp đôi vào khối cần chỉnh

Trước khi mô phỏng mô hình Simulink, chúng ta cần đặt các thông số mô phỏng bằng
cách chọn menu Simulation  Configuration Parameters


10
Lab – Điều khiển động cơ một chiều

Ở cửa sổ Configuration Parameters, chúng ta có thể đặt một số thông số như Start
time, Stop time (second – giây), và phương pháp giải Solver, Solver options, sau đó
nhấn nút OK

Tham khảo
1. Tài liệu hướng dẫn của phần mềm Matlab
2.

Tài liệu tự đọc:
Introduction to Simulink with Engineering Applications

Link download:









11
Lab – Điều khiển động cơ một chiều
LAB1: Mô hình động cơ DC và mô hình bộ chỉnh lưu cầu

Mục đích:
- Xây dựng mô hình động cơ DC trong Simulink
- Xây dựng mô hình bộ chỉnh lưu diode và thyristor
- Khảo sát các đặc tính của bộ chỉnh lưu

Phần 1 – Mô hình động cơ DC
Động cơ DC kích từ độc lập:

Động cơ có các số liệu trên nhãn máy và các thông số như sau:
5hp, 1220 rpm, 240V, 16.2A, Ra = 0.6Ω, R
f
= 240Ω, L
a
=
0.012H, L
af
= 1.8H, L
f
= 10H, J = 0.1kg.m
2
, B = 0
(Ke = L
af
.i
f
với L
af
là hỗ cảm giữa 2 cuộn kích từ và phần ứng)


1/ Xây dựng mô hình động của động cơ DC trên. In ra mô hình
bao gồm các sơ đồ bên trong của các subsystem.
2/ Đáp ứng động khi mở máy. Điều chỉnh điện áp Va = 50V và
Vf = 240V đưa vào mô hình động cơ, moment tải bằng không.
- Tìm dòng khởi động Ia max
- Tỉ số giữa dòng Ia,max và dòng định mức, nhận xét về tỉ
số này?

- Vẽ dạng sóng của i
a
, moment điện từ Te, tốc độ n?
- Điện áp 240V được đồng thời đưa vào cuộn phần ứng và
kích từ, tìm giá trị điện trở phụ gắn vào mạch phần ứng
để dòng khởi động được giới hạn bởi giá trị cực đại 30A?
- Điện áp 240V được đồng thời đưa vào cuộn phần ứng và kích từ (chưa có điện trở
phụ). Động cơ đang chạy ở chế độ không tải, giả sử tải tăng đột ngột từ 0 đến giá
trị định mức, vẽ dạng sóng của i
a
, Te, và n. Tìm độ thay đổi tốc độ của động cơ
(n
0
– n
đm
)/n
đm
?

Phần 2 – Bộ chỉnh lưu cầu diode
Mô hình diode lý tưởng dùng bộ so sánh:



Mô hình cầu diode một pha:
12
Lab – Điều khiển động cơ một chiều


Mô hình bộ chỉnh lưu cầu 3 pha:

Gợi ý



Sinh viên tự hoàn
thành dùng Simulink.
13
Lab – Điều khiển động cơ một chiều
1/ Xây dựng mô hình Simulink của bộ chỉnh lưu cầu ba pha diode như hình trên?
2/ Vẽ dạng sóng của v
a
, v
d1
, v
d2
, v
dc
nếu nguồn vào ba pha 220V/50Hz?
3/ Tính giá trị trung bình Vdc dựa trên dạng sóng v
dc
?

Phần 3 – Bộ chỉnh lưu cầu thyristor

a/ Bộ chỉnh lưu cầu một pha:
Điện áp ngõ ra trung bình:
Quan hệ giữa Vdc và góc kích :

Mô hình Simulink dùng khối delay:


Mô hình cầu một pha:
14
Lab – Điều khiển động cơ một chiều




b/ Cầu chỉnh lưu 3 pha
15
Lab – Điều khiển động cơ một chiều

Điện áp ngõ ra trung bình:



1/ Xây dựng mô hình Simulink cho bộ chỉnh lưu cầu 3 pha, giả sử dòng ngõ ra là liên tục
(Gợi ý: dùng các khối Variable Transport Delay thêm vào mô hình cầu diode ba pha ở
phần trước)
2/ Nếu nguồn vào là nguồn ba pha 220V/50Hz. Vẽ dạng sóng của v
a
, v
d1
, v
d2
, v
dc

, và i
dc

với các góc kích là 30deg và 90deg?
3/ Tìm giá trị điện áp ngõ ra trung bình Vdc, so sánh với lý thuyết?

16
Lab – Điều khiển động cơ một chiều
LAB2: Mô hình điều khiển tốc độ động cơ DC


Mục đích:
- Khảo sát các đặc tính của các sơ đồ điều khiển tốc độ khác nhau
- Cách điều chỉnh các tham số của bộ hiệu chỉnh PI

Phần 2 – Điều khiển vòng hở

Sơ đồ điều khiển vòng hở có dạng tương tự như hình sau:



Động cơ kích từ độc lập có các số liệu trên nhãn máy và các thông số như sau: 5hp, 1220
rpm, 240V, 16.2A, Ra = 0.6Ω, R
f
= 240Ω, L
a
= 0.012H, L
af
= 1.8H, L
f

= 10H, J =
0.1kg.m
2
, B = 0. (Ke = L
af
.i
f
với L
af
là hỗ cảm giữa 2 cuộn kích từ và phần ứng)

Nguồn AC Supply: Nguồn 3 pha 220V-50Hz

Bộ chỉnh lưu điều khiển ba pha full-wave SCR Rectifier với dòng dc liên tục

Mạch kích SCR – Firing Circuit – hàm acos() được sử dụng để điện áp ngõ ra Vdc tỉ lệ
với điện áp vào V_alpha (V_alpha có giá trị từ -1 tới 1)



1/ Xây dựng mô hình hệ thống như hình trên
2/ Giả sử nguồn kích từ là 240V, điện áp ngõ vào mạch kích là 0.5V, moment tải định
mức. Giả sử các điện áp và tải được đưa vào động cơ cùng lúc. Mô phỏng hệ thống với
start time = 0 và stop time = 0.4s, solver là ode4 và fixed step size là 0.0001s.
- Tính giá trị đỉnh của dòng mở máy phần ứng (A), moment điện từ (Nm) và tốc độ
(rpm)
- Độ vọt lố tốc độ max (%)
- Độ gợn (ripple) Ia và Te khi xác lập. Làm cách nào để giảm chúng?
- Giá trị trung bình Vdc
17

Lab – Điều khiển động cơ một chiều
- Vẽ dạng sóng của i
a
, Te và n?

Phần 2 – Điều khiển vòng kín với hồi tiếp dòng điện

Sơ đồ điều khiển có dạng tương tự như hình sau:



Hàm truyền khâu PI có dạng

Với x là ngõ vào sai số, K = 0.02 và  = 0.01s, upper limiting level = 1.0, lower limiting
level = 0.0

1/ Xây dựng mô hình hệ thống như hình trên
2/ Giả sử nguồn kích từ là 240V, moment tải định mức, dòng điện đặt là 32.4A (bằng 2
lần dòng định mức). Giả sử các điện áp, moment tải và dòng điện đặt được đưa vào hệ
thống cùng lúc. Mô phỏng hệ thống với start time = 0 và stop time = 1s, solver là ode4 và
fixed step size là 0.0002s.
- Tính giá trị đỉnh của dòng mở máy phần ứng (A), moment điện từ (Nm) và tốc độ
(rpm)
- Trong quá trình khởi động, tốc độ rotor tăng tuyến tính theo thời gian. Giải thích?
- Dòng phần ứng và moment điện từ không có dạng sóng tương tự lúc bắt đầu quá
trinh khởi động. Tại sao?
- Dòng phần ứng được giữ không đổi trong lúc mở máy. Tại sao?
- Nếu moment quán tính tăng gấp đôi, thời gian khởi động có tăng gấp đôi không?

Phần 3 – Điều khiển vòng kín hồi tiếp dòng điện và tốc độ

Thông số khâu PI tốc độ như sau: K = 1.2 và  = 0.3s, upper limiting level = 32.4 (A),
lower limiting level = 0.0
Sơ đồ điều khiển có dạng tương tự như hình sau:

18
Lab – Điều khiển động cơ một chiều


1/ Xây dựng mô hình hệ thống như hình trên
2/ Giả sử nguồn kích từ là 240V, moment tải 10Nm, tốc độ đặt là 63.9rad/s. Giả sử các
điện áp, moment tải và tốc độ đặt được đưa vào hệ thống cùng lúc. Mô phỏng hệ thống
với start time = 0 và stop time = 1s, solver là ode4 và fixed step size là 0.0002s.
- Vẽ dạng sóng dòng phần ứng và tốc độ rotor
- Tính độ vọt lố tốc độ?
- Tìm các thông số bộ hiệu chỉnh PI tốc độ sao cho độ vọt lố tốc độ xấp xỉ 5% và
tốc độ xác lập nhanh nhất có thể?