PBL 2: MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

PBL 2: MƠ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA
NHĨM 21.05B
Giáo viên hướng dẫn: TS. VÕ NHƯ THÀNH
TS. NGÔ THANH NGHỊ
Sinh viên thực hiện: LÊ TRẦN MINH ĐỨC
LÊ TRỊNH VĨNH TRUNG
Lớp: 21CDTCLC2 (21.05B)

Đà Nẵng, tháng 8/2023

1


MỤC LỤC

Phần I: Tìm hiểu các khối Simulink .....................................................................................3
1. Thư viện Discontinous..................................................................................................3
2. Thư viện Sources........................................................................................................ 11
3. Thư viện Math Operations..........................................................................................30
Phần II: Project 1................................................................................................................. 52
Phần III: Project 2..............................................................................................................116
Phần IV: Project 3..............................................................................................................172
Phần V: Project 4...............................................................................................................172
Phần VI: Project 5..............................................................................................................172
Phần VII: Project 6............................................................................................................ 172
Phần VIII: Project 7...........................................................................................................172
Phần IX: Project 8..............................................................................................................172

Phần X: Project 9...............................................................................................................172

2


PHẦN 1. TÌM HIỂU CÁC KHỐI SIMULINK TRONG THƯ VIỆN
MATLAB
1. Thư viện Discontinuous
1.1. Backlash.
Khối phản ứng ngược.
 Khối phản ứng ngược thực hiện một hệ thống trong đó sự thay đổi ở đầu vào sẽ
gây ra sự thay đổi bằng nhau ở đầu ra, ngoại trừ khi đầu vào thay đổi hướng.
Khi đầu vào thay đổi hướng, sự thay đổi ban đầu của đầu vào không ảnh hưởng
đến đầu ra. Lượng hoạt động song song trong hệ thống được gọi là dải chết.
Dải chết tập trung vào đầu ra. Hình này hiển thị trạng thái ban đầu, với độ rộng
dải chết mặc định là 1 và đầu ra ban đầu là 0.

Hình 1: Ví dụ về khối Backlash.

Hình 1.2. Đồ thị tín hiệu đầu ra.
 Nhận xét: Dải chết ban đầu có tâm xung quanh 0 và có chiều rộng bằng 1, kéo
dài 0,5 theo mỗi hướng. Đầu ra từ khối phản ứng bắt đầu ở 0 và không thay đổi
3


cho đến khi đầu vào chạm đến rìa của vùng chết ở mức 0,5, thì đầu ra sẽ
chuyển động theo chiều dương và thay đổi một lượng bằng đầu vào. Sau khi
đầu vào đạt giá trị 1, nó bắt đầu di chuyển theo hướng âm. Tại thời điểm này,
đầu ra ngắt kết nối và giữ nguyên cho đến khi đầu vào đi qua độ rộng dải chết
là 1. Khi đầu vào đạt đến cuối vùng dải chết ở 0, thì đầu ra sẽ khớp và bắt đầu

di chuyển theo hướng âm với đầu vào.
1.2. Coulomb and Viscous Friction.
Khối ma sát Coulomb và ma sát nhớt.
 Khối ma sát Coulomb (tĩnh) và ma sát nhớt (động). khối mơ hình hóa sự gián
đoạn ở mức 0 và mức tăng tuyến tính ở mặt khác.
� = sign (�) ⋅ ∗ ( Gain .∗ abs (�) + offset )

 Trong đó y là đầu ra, x là đầu vào, mức tăng là mức tăng tín hiệu cho các giá
trị đầu vào khác 0 và offset là ma sát Coulomb.
 Khối chấp nhận một đầu vào và tạo một đầu ra, đầu vào có thể là vơ hướng,
vectơ hoặc ma trận với các phần tử thực và phức tạp.
 Đối với đầu vào vô hướng, độ lợi và độ lệch có thể có các kích thước khác với
đầu vào. đầu ra là vô hướng, vectơ hoặc ma trận tùy thuộc vào kích thước của
độ lợi và độ lệch.
 Đối với đầu vào vectơ hoặc ma trận, độ lợi và độ lệch phải là vơ hướng hoặc có
cùng kích thước với đầu vào. đầu ra là một vectơ hoặc ma trận có cùng kích
thước với đầu vào.

Hình 1.3. Sơ đồ khối.

4


Hình 1.4. Gía trị bù.
1.3. Deadzone.
Khối vùng chết.
 Khối vùng chết tạo ra đầu ra bằng 0 trong một vùng được chỉ định, được gọi là
vùng chết của nó. Ta chỉ định giới hạn dưới (LL) và giới hạn trên (UL) của
vùng chết là điểm bắt đầu của vùng chết và kết thúc của các tham số vùng chết.
Đầu ra khối phụ thuộc vào đầu vào (U) và các giá trị cho giới hạn dưới và giới

hạn trên.
Input
U>= LL and U<= LL
U> UL
U< LL

Output
Zero
U- UL
U- LL
Bảng 1.3.1. Kết quả của tín hiệu.

Hình 1.5. Ví dụ sơ đồ khối vùng chết.

5


Hình 1.6. Gía trị của vùng chết.
1.4. Rate Limiter.
Khối giới hạn tốc độ.
 Khối giới hạn tốc độ giới hạn đạo hàm bậc nhất của tín hiệu đi qua nó. đầu ra
thay đổi không nhanh hơn giới hạn quy định. đạo hàm được tính bằng phương
trình sau:
rate =

�(�)−�(�−1)
�(�)−�(�−1)

 Trong đó: u(i) và t(i) là đầu vào và thời gian của khối hiện tại, còn y(i-1) và t(i1) là đầu ra và thời gian ở bước trước đó. Đầu ra được xác định bằng cách so
sánh tốc độ với các tham số tốc độ quay tăng và tốc độ quay giảm:

 Nếu tốc độ lớn hơn tham số tốc độ xoay tăng (r), thì đầu ra được tính như sau:
�(�) = Δ� ⋅ � + �(� − 1)

 Nếu tốc độ nhỏ hơn tham số tốc độ xoay giảm (f), thì đầu ra được tính như sau:
�(�) = Δ� ⋅ � + �(� − 1)

 Nếu tốc độ nằm giữa giới hạn của r và f thì sự thay đổi ở đầu ra bằng với sự
thay đổi ở đầu vào:
�(�) = �(�)

6


1.5. Quantizer.
Khối lượng tử hóa.

 Khối lượng tử hóa rời rạc hóa tín hiệu đầu vào bằng thuật tốn lượng tử hóa.

Khối sử dụng phương pháp vịng đến gần nhất để ánh xạ các giá trị tín hiệu tới
các giá trị lượng tử hóa ở đầu ra được xác định bởi khoảng lượng tử hóa. Tín
hiệu đầu vào trơn tru có thể có dạng bậc thang sau khi lượng tử hóa.
 Phương trình này mơ tả một cách tốn học phương pháp làm tròn đến gần nhất:
� = � ∗ round (�/�)

 Trong đó y là đầu ra lượng tử hóa, u là đầu vào và q là khoảng lượng tử hóa.

1.6. Dead zone Dynamic.
Khối động vùng chết.

 Khối động vùng chết tạo ra vùng có đầu ra bằng 0 dựa trên các tín hiệu đầu vào

động xác định giới hạn trên và dưới. Khối đầu ra phụ thuộc vào đầu vào u và
giá trị của tín hiệu đầu vào tăng và giảm.
Input

Output

� > 10 and � <=
up
7

Zero


�
− ��

� > up

� < 10

Bảng 1.6.1. Gía trị tín hiệu đầu vào và đầu ra.

�
− 10

 Khối động vùng chết là một hệ thống con được che giấu và khơng có bất kỳ
tham số nào.
1.7. Rate Limiter Dynamic.

Khối giới hạn tốc độ động.






Khối động giới hạn tốc độ giới hạn tốc độ tăng và giảm của tín hiệu.
Tín hiệu bên ngoài tăng lên sẽ đặt giới hạn trên cho tốc độ tăng của tín hiệu.
Tín hiệu bên ngồi đặt giới hạn dưới cho tốc độ giảm của tín hiệu.
Các nguyên tắc sau khi sử dụng khối động giới hạn tốc độ:

 Đảm bảo rằng kiểu dữ liệu của up và lo giống với kiểu dữ liệu của tín hiệu
đầu vào u.
 Khi giới hạn dưới sử dụng loại có dấu và tín hiệu đầu vào sử dụng loại
khơng dấu, tín hiệu đầu ra sẽ tiếp tục tăng bất kể đầu vào và giới hạn.
 Sử dụng bộ giải bước cố định để mơ phỏng các mơ hình có chứa khối này
bởi vì khối động giới hạn tốc độ chỉ hỗ trợ thời gian lấy mẫu rời rạc.
1.8. Saturation Dynamic.
 Khối động bão hòa.

8


 Khối động bão hịa tạo ra tín hiệu đầu ra là giá trị của tín hiệu đầu vào được
giới hạn với các giá trị bão hòa từ các cổng đầu vào lên và thấp.
Input

Output

10 ≤ Input value ≤
up

Input value < 10

Input value
Lower limit
Upper limit

Input value > up

Bảng 1.8.1. Gía trị của tín hiệu.
1.9. Hit Crossing.
Khối vượt.

 Khối vượt phát hiện khi đầu vào đạt đến giá trị tham số bù lần truy cập theo
hướng được chỉ định bởi thuộc tính hướng cắt ngang lần truy cập, có thể định
cấu hình khối để xuất tín hiệu 1 hoặc 0, tin nhắn hoặc sự kiện gọi hàm.
1.10. PWM.
Khối PWM.

9


 Sử dụng khối pwm để tạo ra tín hiệu điều chế độ rộng xung lý tưởng.
 Điều chế độ rộng xung (pwm) là một kỹ thuật mã hóa tín hiệu tương tự bằng
xung vng. Việc mã hóa này đạt được bằng cách kiểm sốt phần một chu kỳ
của sóng vuông được đặt ở mức cao. Phần này là chu kỳ nhiệm vụ của tín hiệu.
Mối quan hệ giữa tín hiệu điều chế và chu kỳ nhiệm vụ đầu vào có thể được
mơ tả đơn giản như sau:
� = ����� + (1 − �)����

 Trong đó ymax và ymin lần lượt là giới hạn trên và dưới của tín hiệu đầu ra.

Đối với khối PWM, chu kỳ nhiệm vụ bị giới hạn ở [0,1]. Tín hiệu PWM lý
tưởng tỷ lệ thuận với chu kỳ nhiệm vụ d.
1.11. Wrap to zero.

Khối trả về không( Đặt đầu ra về không nếu đầu vào vượt mức).
 Khối trả về 0 đặt đầu ra về 0 khi đầu vào cao hơn giá trị ngưỡng. Khi đầu vào
nhỏ hơn hoặc bằng ngưỡng thì đầu ra bằng đầu vào.
1.12. Relay.
Khối công tắc.

 Đầu ra của khối rơle chuyển đổi giữa hai giá trị được chỉ định. Khi rơle bật, nó
vẫn bật cho đến khi đầu vào giảm xuống dưới giá trị của tham số điểm tắt. Khi
10


rơle tắt, nó vẫn tắt cho đến khi đầu vào vượt quá giá trị của tham số điểm bật
công tắc. Khối chấp nhận một đầu vào và tạo một đầu ra.
1.13. Variable Pulse Generator.

Khối máy phát xung biến đổi.
 Sử dụng khối tạo xung thay đổi để tạo ra các tín hiệu xung được điều chế lý
tưởng.
 Nói chung, xung đầu ra của khối được mô tả bởi:
� � =

1, �� < � < �� + ��
0, ��+1 < � < �� + ��

 Trong đó pw là độ rộng xung đầu ra.
2. Thư viện Sources.

2.1. Band-Limited White Noise
Khối mô phỏng tiếng ồn trắng.

 Khối tiếng ồn trắng giới hạn băng tần tạo ra các số ngẫu nhiên được phân phối
bình thường phù hợp để sử dụng trong các hệ thống liên tục hoặc kết hợp.
 Về mặt lý thuyết, nhiễu trắng liên tục có thời gian tương quan bằng 0, mật độ
phổ công suất phẳng (PSD) và tổng năng lượng là vô cực. Trong thực tế, các
hệ thống vật lý không bao giờ bị nhiễu bởi nhiễu trắng, mặc dù nhiễu trắng là
một phép tính gần đúng về mặt lý thuyết hữu ích khi nhiễu có thời gian tương
quan rất nhỏ so với băng thông tự nhiên của hệ thống.
 Trong phần mềm Simulink, bạn có thể mơ phỏng tác động của nhiễu trắng
bằng cách sử dụng chuỗi ngẫu nhiên có thời gian tương quan nhỏ hơn nhiều so
với hằng số thời gian ngắn nhất của hệ thống. Khối tiếng ồn trắng có giới hạn
11


băng tần tạo ra một chuỗi như vậy. Thời gian tương quan của nhiễu chính là
tốc độ lấy mẫu của khối. Để mơ phỏng chính xác, hãy sử dụng thời gian tương
quan nhỏ hơn nhiều so với động lực học nhanh nhất của hệ thống. Bạn có thể
nhận được kết quả tốt bằng cách chỉ định.
1 2�
100 ����
 Trong đó fmax là băng thơng của hệ thống tính bằng rad/giây.
�� ≈

Hình 2.1.1. Thơng số khối.
Trong đó:
+ Intitial frequency (Hz): tần số ban đầu
+ Target time (secs): thời gian mục tiêu
+ Freequency at target time (Hz) : tần số tại thời điểm mục tiêu

Hình 2.1.2. Tín hiệu ra đầu khối.

12


2.2. Chirp Signal.

 Khối Tín hiệu Chirp tạo ra một sóng hình sin có tần số tăng theo tốc độ tuyến
tính theo thời gian. Bạn có thể sử dụng khối này để phân tích quang phổ của
các hệ phi tuyến. Khối tạo ra một đầu ra vô hướng hoặc vector.
Các tham số, Tần số ban đầu, Thời gian mục tiêu và Tần số tại thời điểm mục
tiêu, xác định đầu ra của khối. Bạn có thể chỉ định bất kỳ hoặc tất cả các biến
này dưới dạng vô hướng hoặc mảng. Tất cả các tham số được chỉ định dưới
dạng mảng phải có cùng kích thước. Khối mở rộng các tham số vơ hướng để
có cùng kích thước với các tham số mảng. Đầu ra khối có cùng kích thước với
các tham số trừ khi bạn chọn hộp kiểm Giải thích các tham số vectơ dưới dạng
1-D. Nếu bạn chọn hộp kiểm này và các tham số là vectơ hàng hoặc cột, khối
sẽ xuất ra tín hiệu vectơ (mảng 1-D).

Hình 2.2.1 Sơ đồ khối.

Hình 2.2.2 Ví dụ tần số của sơ đồ khối.

13


Hình 2.2.3 Thơng số của khối.
Trong đó:
+ Intitial frequency (Hz): tần số ban đầu

+ Target time (secs): thời gian mục tiêu
+ Frequency at target time (Hz) : tần số tại thời điểm mục tiêu
2.3. Clock.
Khối giờ.

 Khối Clock xuất ra thời gian mô phỏng hiện tại ở mỗi bước mô phỏng. Khối
này hữu ích cho các khối khác cần thời gian mô phỏng.
Khi bạn cần thời gian hiện tại trong một hệ thống riêng biệt, hãy sử dụng khối
Đồng hồ Kỹ thuật.
2.5.Constant
Khối hằng.

 Khối hằng tạo ra một giá trị hằng số thực hoặc phức tạp.
 Khối tạo ra đầu ra vô hướng, vectơ hoặc ma trận, tùy thuộc vào:
+Chiều của tham số giá trị không đổi.
+Cài đặt tham số vectơ Phiên dịch là tham số 1-D.
+Đầu ra của khối có cùng kích thước và phần tử với tham số Giá trị không đổi.
14


+Nếu chỉ định cho tham số này một vectơ mà bạn muốn khối diễn giải dưới
dạng vectơ, hãy chọn thông số vectơ diễn giải là tham số 1-D. Mặt khác, nếu
chỉ định một vectơ cho tham số Giá trị không đổi, khối sẽ coi vectơ đó là ma
trận.
2.6. Counter Free- Running.
Khối đếm chạy tự do.

 Đếm lên và tràn về 0 sau khi đạt giá trị tối đa cho số bit được chỉ định.
 Khối chạy tự do của bộ đếm đếm tăng dần cho đến khi đạt giá trị tối đa, 2nbits
– 1, trong đó nbits là số bit. Sau đó bộ đếm tràn về 0 và bắt đầu đếm ngược.

 Sau khi tràn, bộ đếm luôn khởi tạo về 0. tuy nhiên, nếu bạn chọn ghi đè nhân
đôi toàn cục, khối chạy tự do của bộ đếm sẽ khơng quay về 0.

Hình 2.6.1. Ví dụ về khối tự do.

Bảng 2.6.2. Thông số khối.
15


2.7. Counter Limited.
Khối đếm giới hạn.

 Khối giới hạn bộ đếm đếm lên cho đến khi đạt đến giới hạn trên được chỉ định.
sau đó bộ đếm quay về 0 và bắt đầu đếm ngược. bộ đếm luôn khởi đầu về 0.

Hình 2.7.1. Thơng số.

Hình 2.7.2. Ví dụ.
2.8. Digital Clock.
Khối đồng hồ điện tử.

16


 Khối đồng hồ kỹ thuật số chỉ xuất ra thời gian mô phỏng ở khoảng thời gian

lấy mẫu được chỉ định. vào những thời điểm khác, khối giữ đầu ra ở giá trị
trước đó. để kiểm sốt độ chính xác của khối này, hãy sử dụng tham số thời
gian mẫu trong hộp thoại khối.
 Sử dụng khối này thay vì khối đồng hồ (xuất ra thời gian liên tục) khi bạn cần

thời gian mô phỏng hiện tại trong một hệ thống rời rạc.

Hình 2.8.1. Ví dụ

Hình 2.8.2. Biểu đồ tín hiệu đầu ra.
2.9. Enumerated Constant.
Hằng số liệt kê.

17


 Khối Hằng số liệt kê xuất ra một đại lượng vô hướng, danh sách hoặc ma trận
các giá trị được liệt kê. Bạn cũng có thể sử dụng khối Hằng để xuất các giá trị
enum, nhưng nó cung cấp các tham số khối khơng có sẵn cho các loại enum,
chẳng hạn như đầu ra tối thiểu và đầu ra tối đa . Sử dụng Hằng số liệt kê thay
vì Hằng số khi bạn cần một mô-đun chỉ xuất ra các giá trị liệt kê không đổi.
2.10. From File.( Tải dữ liệu từ file MAT vào mơ hình Simulink).

 Khối From File đọc dữ liệu vào mơ hình Simulink từ tệp MAT và cung cấp dữ
liệu dưới dạng tín hiệu hoặc bus khơng ảo ở đầu ra khối. Bạn có thể tải dữ liệu
từ tệp MAT nằm trên hoặc ngoài đường dẫn MATLAB . Một mơ hình có thể
chứa nhiều khối From File tải dữ liệu từ cùng một tệp MAT.
 Bạn có thể chỉ định cách khối xây dựng đầu ra từ dữ liệu trong tệp, bao gồm
thời gian mẫu cho đầu ra, hành vi nội suy và ngoại suy cũng như có sử dụng
tính năng phát hiện giao nhau bằng 0 hay không.
 Biểu tượng khối From File hiển thị tên của tệp MAT cung cấp dữ liệu cho
khối. Ví dụ, nếu bạn sử dụng khối From File để tải dữ liệu từ file myData.mat
thì khối này sẽ hiển thị myData.mat.
Khối Từ tệp có thể tải dữ liệu từ tệp MAT được lưu trữ trong một timeseries
đối tượng hoặc trong một mảng trong đó hàng đầu tiên chứa dữ liệu thời gian

và các hàng tiếp theo chứa dữ liệu cho tín hiệu vơ hướng hoặc vectơ. Tải dữ
liệu được lưu trữ trong một timeseries đối tượng hỗ trợ nhiều loại dữ liệu và
đầu ra hơn và yêu cầu tệp MAT là Phiên bản 7.3
Data Consideration timeseries Format
Supported signal data
 Any built-in data types
types
except half, int64,
and uint64

Array Format
double

 Enumerated data type
 Fixed-point data type
with up to a 32-bit
word length
Signal data
complexity
Signal data
requirements

Real or complex

Real

Must not contain NaN, Inf,
or -Inf values

Must not contain NaN, Inf,

or -Inf values

18


Type of output

Time data
requirements

MAT file version

 Scalar, vector, or
multidimensional
signal
Bus

 Data type must
be double

Values must increase
monotonically
Version 7.3

Scalar or vector si

 Data type must
be double
Values must increase
monotonically

All versions

Bảng 2.10.1. Thông số so sánh giữa các định dạng.
2.11. From spreadsheet.
Đọc dữ liệu từ bảng tính.

 Khối Từ bảng tính đọc dữ liệu từ bảng tính Microsoft Excel (tất cả các nền
tảng) hoặc CSV ( nền tảng Microsoft Windows chỉ cài đặt Microsoft Office )
và xuất dữ liệu dưới dạng tín hiệu. Khối Từ bảng tính khơng hỗ trợ biểu đồ
bảng tính Microsoft Excel .
 Biểu tượng From Spreadsheet hiển thị tên file bảng tính và tên sheet được chỉ
định trong khối tham số File name và Sheet name
2.11. From Workspace.
Tải dữ liệu tín hiệu từ khơng gian làm việc vào mơ hình Simulink.

 Khối From Workspace đọc dữ liệu vào mơ hình Simulink từ không gian làm
việc và cung cấp dữ liệu dưới dạng tín hiệu hoặc bus phi ảo ở đầu ra của
khối. Bạn có thể tải dữ liệu từ khơng gian làm việc cơ sở, khơng gian làm việc
mơ hình hoặc khơng gian làm việc mặt nạ. Bạn có thể sử dụng khối From
Workspace để tải dữ liệu tín hiệu vào bất kỳ mơ hình hoặc hệ thống con nào
19


trong hệ thống phân cấp mơ hình từ một khơng gian làm việc có thể truy cập
được vào mơ hình hoặc hệ thống con được tham chiếu.
 Bạn có thể chỉ định cách khối xây dựng đầu ra từ dữ liệu không gian làm việc,
bao gồm khoảng thời gian mẫu đầu ra, hành vi nội suy và ngoại suy cũng như
liệu có sử dụng tính năng phát hiện giao nhau bằng 0 hay không.
 Biểu tượng khối From Workspace hiển thị giá trị của tham số Data . Ví dụ: nếu
bạn sử dụng khối From Workspace để tải dữ liệu trong biến x , bạn chỉ định x

làm giá trị cho tham số Data và khối hiển thị x.
Data Types

Boolean | bus | double | enumerated | fixed
point[a] | half | integer | single | string

Direct Feedthrough
Multidimensional Signals
Variable-Size Signals
Zero-Crossing Detection

no
yes
yes
yes

Bảng 2.11.1. Thông số.
2.12. Ground.
Khối nối đất.

 Các khối nối đất được kết nối với các khối có cổng đầu vào không được kết nối
với các khối khác.
 Sử dụng kiểu dữ liệu cố định: Khi sử dụng kiểu dữ liệu điểm cố định, có thể
xảy ra trường hợp kiểu dữ liệu điểm cố định khơng thể biểu diễn chính xác số
0. Trong những trường hợp này, khối Ground xuất ra giá trị khác 0 gần nhất có
thể về 0. Hành vi này chỉ áp dụng cho các kiểu dữ liệu điểm cố định có độ lệch
khác 0
Ví dụ:
fixdt(0, 8, 1, 1)- Kiểu dữ liệu 8 bit khơng dấu có độ dốc 1 và độ lệch 1
fixdt(1, 8, 6, 3)- kiểu dữ liệu 8 bit có dấu với độ dốc 6 và độ lệch 3

Sử dụng kiểu dữ liệu liệt kê: khi sử dụng kiểu dữ liệu liệt kê, khối Ground xuất
ra giá trị mặc định của kiểu liệt kê. Hành vi này có được áp dụng hay khơng
tùy thuộc vào:
+ Liệu enum có thể đại diện cho số khơng
20