tổng quan về phần mềm matlab

CHƯƠNG III
TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM MATLAB

3.1.

TỔNG QUAN VỀ MATLAB

3.1.1.

Khái niệm về matlab
MATLAB (viết tắt từ matrix laboratory) được phát triển từ dự án LINPACK &

EISPACK nhằm tạo ra thư viện ma trận phục vụ cho tính toán. Qua quá trình phát triển
lâu dài, MATLAB được phát triển thành một công cụ rất mạnh, được ứng dụng khá phổ
biến trong các trường đại học ở khắp thế giới, đặc biệt là các nước Mỹ, Bỉ, Canada,…
như là công cụ không thể thiếu trong các giáo trình từ cơ bản đến nâng cao trong các lĩnh
vực: toán học cao cấp, khoa học và kỹ thuật. Trong công nghiệp, MATLAB công cụ lựa
chọn cho nghiên cứu nâng cao hiệu quả sản xuất, phân tích đánh giá và ứng dụng.
Với MATLAB, bài toán tính toán, phân tích, thiết kế và mô phỏng trở nên dễ
dàng hơn trong nhiều lĩnh vực chuyên ngành như: Điện, Điện tử, Cơ khí, Cơ điện tử, Vật
lý,…


MATLAB là công cụ tính toán rất mạnh dễ dùng, trực quan dễ mở rộng và
phát triển.



MATLAB có khả năng liên kết đa môi trường, liên kết dễ dàng với ngôn ngữ
lập trình C++, Visual C, FORTRAN, JAVA,…



MATLAB có khả năng xử lý đồ họa mạnh trong không gian hai chiều và ba
chiều.



Các TOOLBOX trong MATLAB rất phong phú, đa năng là công cụ nghiên
cứu, thiết kế cực kỳ hiệu quả trong các lĩnh vực chuyên ngành.



Công cụ mô phỏng trực quan SIMULINK chạy trong môi trường MATLAB
giúp cho bài toán phân tích thiết kế dễ dàng, sinh động hơn,



MATLAB có kiến trúc mở, dễ dàng trong việc xây dựng thêm các module
tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn công nghiệp và truyền thống.


3.1.2.

Khởi động và chuẩn bị thư mục làm việc trong Matlab
Trước khi khởi động Matlab, thì người dùng phải tạo một thư mục làm việc để

chứa file chương trình của mình (ví dụ: D:\mophong).
Matlab sẽ thông dịch các lệnh được lưu trong file có dạng *.m
Sau khi đã cài đặt Matlab thì việc khởi chạy chương trình này chỉ đơn giản là
nhấp vào biểu tượng của nó trên destop

hoặc

vào

Start\All

Programs\

Matlab 7.0\Matlab 7.0

Hình 3-1: Cách khởi chạy chương trình MATLAB

Sau khi khởi động xong Matlab, thì bước kế tiếp là chỉ thư mục làm việc của
mình cho Matlab. Nhấp vào biểu tượng

trên thanh công cụ và chọn thư mục làm việc

của mình (ví dụ: D:\mophong).
Cửa sổ làm việc của Matlab sẽ như hình vẽ bên dưới. Nó bao gồm 3 cửa sổ làm
việc chính: Cửa sổ lệnh (Command Window), cửa sổ thư mục hiện tại (Current
Directory) và cửa sỏ chứa tập các lệnh đã được sử dụng (Command History).


Hình 3-2: Cửa sổ làm việc của MATLAB

Để tạo một file.m trong thư mục làm việc bạn có thể thực hiện:
 Nhấp vào biểu tượng

hoặc vào File\New\M-File

 Cửa sổ soạn thảo xuất hiện, gõ chương trình cần thiết vào file. Sau khi đã
hoàn tất nhấn vào biểu tượng
(D:\mophong).

để lưu vào thư mục hiện tại


Hình 3-3: Cửa sổ soạn thảo chương trình

Để thực thi tập lệnh có trong file.m trong thư mục làm việc thì người dùng chỉ
cần gõ tên file đó trog Matlab sẽ tự động thực thi các dòng lệnh có trong file.m này (ví
dụ để thực thi các lệnh có trong file test.m, chỉ cần gõ lệnh test).
3.2.

CÁC LỆNH THÔNG DỤNG TRONG MATLAB

3.2.1.

Một vài kiểu dữ liệu
Matlab có đầy đủ các kiểu dữ liệu cơ bản, số thực, ký tự, Boolean
Chuổi ký tự được đặt trong nháy kép (“”) ví dụ “mo phong”.
Kiểu dãy có thể được khai báo theo cú pháp “số đầu: bước: số cuối”. Ví dụ 0:

0.2:0.5 (kết quả thu được một chuổi [0 0.2 0.4]
Kiểu ma trận có thể được khai báo như ví dụ sau:
M = [1,2,3;4,5,6;7,8,9]
Ma trận m thu được sẽ là:
A=123
456

789
3.2.2.

Các lệnh điều khiển cơ bản
Lệnh Clear: Xóa tất cả các biến trong bộ nhớ Matlab.
Lệnh clc: Lệnh xóa cửa sổ lệnh (Command window).
Lệnh pause: Chờ sự đáp ứng từ phía người dùng.
Lệnh =: Lệnh gán.
Lệnh %: Câu lệnh sau dấu này được xem là dòng chú thích.
Lệnh input: Lệnh lấy vào một giá trị.
Ví dụ: x = input (‘nhap gia tri cho x:’);
Lệnh help: Lệnh yêu cầu sự giúp đở từ Matlab.
Lệnh Save: Lưu biến vào bộ nhớ.
Ví dụ:Save test A B C (lưu các biến A, B, C vào file test)
Lệnh Load: Load biến từ file hay bộ nhớ


Ví dụ: Load test
Lệnh Rẻ nhánh: Cú pháp như sau:
Lệnh If:
IF expression
Statemenst
ELSEIF expression
Statemenst
ELSE
Statemenst
END
Statemenst
Lệnh Switch:
SWITCH switch_expr

CASE case_expr,
Statemenst,…, Statemenst
CASE {case_expr 1, case_expr 2, case_expr 3,…}
...
OTHERWISE,
Statemenst,…, Statemenst
END

Lệnh lặp: Cú pháp như sau:
Lệnh For:
FOR variable = expr, statement,…, statement END
Lệnh While:
WHILE expression
Statemenst
END
Lệnh Break: Thoát đột ngột khỏi vòng lặp WHILE hay FOR.


Lệnh Continue: Bỏ qua các lệnh hiện tại, tiếp tục thực hiện vòng lặp ở lần lặp
tiếp theo.
Lệnh Return: Lệnh trả về.
Lệnh clf: xóa hình hiện tại.
Lệnh plot (signal): vẽ dạng sóng tín hiệu signal.
Lệnh stairs (signal): vẽ tín hiệu signal theo dạng cầu thang.
Lệnh stem (signal): vẽ chuổi dữ liệu dời rạc.
Lệnh bar (signal): vẽ dữ liệu theo dạng cột.
Lệnh mesh (A): hiển thị đồ họa dạng 3D các giá trị ma trận.

3.3.

GIỚI THIỆU CÁC GIAO DIỆN CỦA MATLAB

3.3.1.

Giao diện chính của matlab

Hình 3-4: Giao diện chính của MATLAB


 Vùng mã click vào để xem các tài liệu hướng dẫn, các demo và các công cụ
của MATLAB.
 Click vào để có được sự giúp đỡ sử dụng MATLAB.
 Vùng đưa các lệnh vào cho MATLAB thực thi.
 Vùng click vào để xem hoặc thay đổi thư mục hiện tại.
 Vùng click vào để di chuyển giao diện Command Window ra ngoài giao diện
của MATLAB.
 Click vào để đóng giao diện Command Window
 Xem hoặc sử dụng các hàm đã được sử dụng ở các lần chạy chương trình
trước.
 Sử dụng các Tab để đi đến giao diện Workspace hoặc giao diện thư mục hiện
tại.
 Rê chuột vào để thay đổi kích thước giao diện của MATLAB.
3.3.2.

Giao diện simulink của MATLAB
Vào File chọn New/Model để mở giao diện tạo mô hình và thực hiện mô phỏng

Hình3-5: Mở giao diện tạo mô hình

Khi ấy giao diện sau sẽ xuất hiện

Hình 3-6: Giao diện tạo mô hình của MATLAB

Sau khi tạo mô hình xong, chúng ta sẽ lưu tập tin này lại dưới dạng file có phần
mở rộng là *.mdl bằng cách vào File chọn Save As …

Hình 3-7: Lưu tập tin *.mdl


3.3.3.

Giao diện thư viện các phần tử mô phỏng (Simulink Library Brower) của
MATLAB
Click vào biểu tượng Simulink

trên thanh công cụ giao diện của MATLAB

để mở thư viện các phần tử phục vụ cho việc xây dựng mô hình.

Hình 3-8: Giao diện Simulink Library Brower

3.3.4.

Thoát khỏi MATLAB
Khi muốn thoát khỏi MATLAB, chúng ta vào File chọn Exit MATLAB hoặc

click vào dấu “x” ở góc phải màn hình.

Hình 3-9: Thoát khỏi MATLAB
CHƯƠNG IV
KHẢO SÁT CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC
CỦA MÁY PHÁT ĐIỆN ĐỒNG BỘ VỚI MATLAB

4.1.

CÁC THƯ VIỆN CƠ BẢN SIMULINK CỦA MATLAB

4.1.1.

AC Voltage Source (Nguồn áp xoay chiều).

Chức năng: Mô hình một nguồn áp hình sin
Thư viện: SimPowerSytems/Electrical Sources
Mô tả: Khối AC Voltage Sounrce mô hình một nguồn áp xoay chiều lý tưởng.
Ngõ ra và ngõ vào của khối tương ứng với các cực dương và cực âm của nguồn. Khối tạo
ra một giá trị điện áp U thông qua mối quan hệ sau:
U = Amplitude x sin (2 x Frequency x t + Phase x /180)
Với:


Amplitude và Phase cho phép các giá trị âm.



Khi Frequency (tần số) bằng không thì tương ứng với nguồn áp DC và
không cho phép giá trị của Frequency là âm.



Có thể thay đổi ba thông số của nguồn (Amplitude, Phase và Frequency)
bất cứ lúc nào trong quá trình thực hiện mô phỏng.

Hộp thoại và các thông số:


Hình 4-1: Hộp thoại nguồn áp xoay chiều

Peak amplitude: Giá trị điện áp dỉnh của nguồn áp (V).
Phase: Giá trị góc pha của điện áp (o).
Frequency: Giá trị tần số của nguồn áp (Hz).
Sample time: Khoảng thời gian lấy mẫu (s). Mặc định là bằng 0 tương ứng với
một nguồn liên tục.
Measurements: Chọn Voltage để đo điện áp rơi trên các đầu cực của nguồn áp.
Đặt khối Multimeter vào sơ đồ mô phỏng để hiển thị các giá trị đo lường được
lựa chọn trong suốt quá trình thực hiện mô phỏng.
4.1.2.

DC Voltage Suorce (Nguồn áp một chiều).

Chức năng: Mô hình nguồn áp một chiều.
Thư viện: SimPowerSytems/Electrical Sources
Mô tả: Khối DC Voltage Source mô hình một nguồn áp DC lý tưởng. Ngõ ra và
ngõ vào của khối tương ứng với các cực dương và cực âm của nguồn. Giá trị điện


áp nguồn được thiết lập trong hộp thoại. Có thể thay đổi giá trị điện áp này bất cứ
thời điểm nào trong quá trình mô phỏng.
Hộp thoại và các thông số:

Hình 4-2: Hộp thoại nguồn áp một chiều
Amplitude: Giá trị biên độ của nguồn áp (V).
Measurements: chọn Voltage để đo giá trị điện áp trên các đầu cực của khối
nguồn DC.
Đặt khối Multiemter vào sơ đồ mô phỏng để hiển thị các giá trị đo lường được
lựa chọn trong suốt quá trình thực hiện mô phỏng.
4.1.3.

Diode.

Chức năng: Mô hình diode
Thư viện: Simpower System/ Power Electronics
Mô tả: Diode là một thiết bị bán dẫn được điều khiển bởi các giá trị điện áp và
dòng điện của chính nó.


Diode được mô hình bao gồm một điện trở, một cuộn dây điện cảm và một
nguồn áp DC (Vf) được nối tiếp với một khóa đóng/ngắt. Khóa đóng/ngắt được
điều khiển bằng điện áp Vak và dòng điện Iak.

Hình 4-3: Nguyên lý hoạt động của diode
Khối Diode cũng bao gồm một mạch giảm sóc Rs – Cs nối tiếp mà có thể được
mắc song song với diode.
4.1.4.

Parallel RLC Branch (Nhánh RLC song song).

Chức năng: Mô hình nhánh RLC song song.
Thư viện: SimpowerSystems/Elements.

Mô tả: Khối Parallel RLC Branch có thể mô hình cho một điện trở, một cuộn
dây điện cảm và một tụ điện một cách độc lập hoặc được liên kết song song với
nhau. Để bỏ qua phần tử điện trở, cuộn dây điện cảm hoặc tụ điện của nhánh thì
các giá trị R, L và C phải thiết lập tương ứng là inf, inf (vô cùng) và 0. Khi ấy các
phần tử tồn tại sẽ được hiển thị trong biểu tượng của khối.
Các giá trị của điện trở, cuộn dây điện cảm và tụ điện có thể là các giá trị âm.
Hộp thoại và các thông số


Hình 4-4: Hộp thoại nhánh RLC song song

Resistance R: Điện trở của nhánh (Ω).
Inductance L: Điện cảm của nhánh (H).
Capacitance C: Điện dung của nhánh (C).
Measurements:


Chọn Branch voltage để đo điện áp trên các đầu cực của khối Parallel
RLC Branch.



Chọn Branch current để đo tổng dòng điện (tổng của các dòng trên R, L
và C) của khối Parallel RLC Branch.



Chọn Branch voltage and current để đo điện áp và dòng điện của khối
Parallel RLC Branch.

Đặt khối Multimeter vào sơ đồ mô phỏng để hiển thị các giá trị đo lường được
chọn trong suôt quá trình thực hiện mô phỏng.


4.1.5.

Parallel RLC Load (Tải RLC song song).

Chức năng: Mô hình một tải RLC song song tuyến tính.
Thư viện: SimpowerSystems/Elements.
Mô tả: Khối Parallel RLC Load mô hình một tải tuyến tính với các phần tử RLC
được kết hợp song song với nhau. Ở một tần số xác định, tải sẽ biểu diễn một
tổng trở hằng và công suất của nó tỉ lệ với bình phương điện áp sử dụng.
Lưu ý: Chỉ có các phần tử tương ứng với công suất khác không mới được hiển
thị trong biểu tượng của khối.
Hộp thoại và các thông số:

Hình 4-5: Hộp thoại tải RLC song song

Nominal voltage Vn: Điện áp định mức của tải (V).
Nominal frequency fn: Tần số định mức (Hz).


Active power P: Công suất tác dụng của tải (W).
Inductive reactive power QL: Công suất phản kháng cuộn dây tự cảm QL
(VAR): xác định một giá trị dương hoặc bằng 0.
Capacitive reactive power QC: Công suất phản kháng tụ điện QC (VAR): xác
định một giá trị dương hoặc bằng 0.
Measurements:


Chọn Branch voltage để đo điện áp trên các cực của khối Parallel RLC
Load.



Chọn Branch current để đo tổng dòng điện (tổng của các dòng trên R, L
và C) của khối Parallel RLC Load.



Chọn Branch voltage and current để đo điện áp và dòng điện của khối
Parallel RLC Load.

Đặt khối Multimeter vào sơ đồ mô phỏng để hiển thị các giá trị đo lường được
lựa chọn trong suốt quá trình thực hiện mô phỏng.
4.1.6.

Series RLC Branch (Nhánh RLC nối tiếp).

Chức năng: Mô hình một nhánh RLC nối tiếp.
Thư viện: SimpowerSystems/Elements.
Mô tả: Khối Series RLC Branch mô hình một điện trở, một cuộn dây điện cảm
hoặc một tụ điện độc lập hoặc nối tiếp với nhau. Để bỏ qua điện trở, cuộn dây
điện cảm hoặc điện dung của một nhánh thì các giá trị của R, L và C phải được
thiết lập tương ứng với các giá trị là 0, 0 và inf. Khi ấy, các phần tử tồn tại sẽ
được hiển thị trong biểu tượng của khối.
Các giá trị của điện trở, cuộn dây điện cảm và tụ điện có thể là các giá trị âm.
Hộp thoại và các thông số:

Hình 4-6: Hộp thoại nhánh RLC nối tiếp
Resistance R: Điện trở của nhánh (Ω).
Inductance L: Điện cảm của nhánh (H).
Capacitance C: Điện dung của nhánh (C).
Measurements:


Chọn Branch voltage để đo điện áp trên các đầu cực của khối Series RLC
Branch.



Chọn Branch current để đo tổng dòng điện (tổng của các dòng trên R, L
và C) của khối Series RLC Branch.



Chọn Branch voltage and current để đo điện áp và dòng điện của khối
Series RLC Branch.

Đặt khối Multimeter vào sơ đồ mô phỏng để hiển thị các giá trị đo lường được
lựa chọn trong suốt quá trình thực hiện mô phỏng.
4.1.7.

Series RLC Load (Tải RLC nối tiếp).

Chức năng: Mô hình một tải RLC nối tiếp tuyến tính

Thư viện: SimpowerSystems/Elements.
Mô tả: Khối Series RLC Load mô hình một tải tuyến tính với các phần tử RLC
được kết hợp nối tiếp nhau. Ở một tần số xác định, tải sẽ biểu diễn một tổng trở
hằng và công suất của nó tỉ lệ với bình phương điện áp sử dụng.
Lưu ý: Chỉ có các phần tử tương ứng với công suất khác không mới được hiển
thị trong biểu tượng của khối.
Hộp thoại và thông số:

Hình 4-7: Hộp thoại tải RLC nối tiếp

Nominal voltage Vn: Điện áp định mức của tải (V).
Nominal frequency fn: Tần số định mức (Hz).
Active power P: Công suất tác dụng của tải (W).
Inductive reactive power QL: Công suất phản kháng cuộn dây tự cảm QL
(VAR): xác định một giá trị dương hoặc bằng 0.


Capacitive reactive power QC: Công suất phản kháng tụ điện QC (VAR): xác
định một giá trị dương hoặc bằng 0.
Measurements:


Chọn Branch voltage để đo điện áp trên các đầu cực của khối Series RLC
Load.



Chọn Branch current để đo tổng dòng điện (tổng của các dòng trên R, L
và C) của khối Series RLC Load.



Chọn Branch voltage and current để đo điện áp và dòng điện của khối
Series RLC Load.

Đặt khối Multimeter vào sơ đồ mô phỏng để hiển thị các giá trị đo lường được
lựa chọn trong suốt quá trình thực hiện mô phỏng.
4.1.8.

Voltage Measurement (Đo điện áp).

Chức năng: Thực hiện đo điện áp của một sơ đồ.
Thư viện: SimpowerSystems/Measurements.
Mô tả: Khối Voltage Measurement thực hiện đo điện áp tức thời giữa 2 nút trong
sơ đồ.
Hộp thoại và các thông số:

Hình 4-8: Hộp thoại đo điện áp


4.1.9.

Hydraulic Turbine and Governor (HTG).



wref: Vận tốc đặt



Pref: Công suất đặt



we: Vận tốc thực



Pe: Công suất thực



dw: Độ lệch tần số



Pm: Công suất cơ



gate: Cổng đóng mở van

Chức năng: Thực hiện mô phỏng tuabin nước và bộ điều tốc
Thư viện: SimpowerSystems/Machines
Mô tả: Khối HTG cấu tạo bở 1 mô hình turbine nước phi tuyến, 1 hệ thống ổn
định PID, và 1 động cơ điều khiển.


Hình 4-9: Cấu tạo khối HTG
Turbine nước được cấu tạo bở hệ thống phi tuyến.

Hình 4-10: Cấu tạo Turbine nước
Cổng động cơ điều khiển được mô hình bởi 1 hệ thống thứ cấp


Hình 4-11: Cổng động cơ điều khiển
Hộp thoại và các thông số:

Hình 4-12: Hộp thoại HTG
Động cơ điều khiển (Servo-motor): Hệ số khuếch đại Ka và thời hằng Ta của hệ
thống thứ nhất đại diện cho động cơ điều khiển (tính bằng giây).
Cổng mở giới hạn (gate opening limits): Giới hạn gmin and gmax (p.u) đặt lên
cổng mở và vgmin và vgmax đặt lên cổng vận tốc.
Độ lệch cố định và máy điều chỉnh (permanent droop and regulator): Hệ số
tĩnh của bộ ổn định cân bằng với hệ số 1/R của vòng hồi tiếp. Máy điều chỉnh
PID có hệ số cân bằng Kp, hệ số tích phân Ki, và hệ số vi phân Kd. Hệ số tần số cao
của PID được giới hạn bởi bộ lọc chậm với thời hằng Td (s).


Turbine nước (Hydraulic turbine): Độ lệch vận tốc làm hoãn xung với hệ số

và

thời gian khởi động nước Tw (s).
So sánh độ lệch (Droop reference): Ngỏ vào đặc biệt của vòng hồi tiếp: vị trí
cổng (ở mức 1) hoặc độ lệch công suất điện (ở mức 0).
Công suất cơ đầu: Công suất cơ đầu Pmo (pu) ở trục máy. Giá trị này được tính
toán bởi dòng tải cung cấp bởi khối Powergui.
4.1.10. Hệ thống kích từ trong Matlab:
Cung cấp hệ thống kích từ cho máy điện đồng bộ và điều chỉnh đầu ra máy phát.



vref: Điện áp đặt đầu ra stator.



vd: Thành phần điện áp ra vd.



vq: Thành phần điện áp ra vq.



vstab: Điện áp ổn định cung cấp từ bộ ổn định hệ thống điện.



vf: Ngỏ ra điện áp kích từ đưa đến ngõ vào 2 của máy điện đồng bộ.

Chức năng: Thực hiện mô phỏng hệ thống kích từ.
Thư viện: SimpowerSystems/Machines.
Mô tả: Khối kích từ trong simulink cung cấp nguồn kích từ một chiều.
Yếu tố cơ bản của khối kích từ là điện áp chính xác và sự kích từ.


Hình 4-13: Sơ đồ khối mô phỏng thành phần kích từ
Hệ thống kích từ được cấu tạo bởi hàm truyền đạt giữa điện áp kích từ Vdf và
ngõ ra ef:

=
Hộp thoại và tham số:


Hình 4-14: Hộp thoại hệ thống kích từ


Hằng số thời gian lọc thấp (low-pass filter constant): Thời hằng Tr của
hệ thống 1 mà được mô tả bởi bộ chuyển đổi điệp áp đầu ra của stator.



Bộ ổn định (regulator): Hệ số Ka và thời hằng Ta được mô tả bởi bộ ổn
định chính. Hệ số Ke và thời hằng Te được mô tả bởi hệ thống kích từ.



Hệ số suy giảm tạm thời của thời hằng (Transient gain reduction time
constant): Thời hằng Tb và Tc được mô tả bởi bộ bù trể.



Bộ lọc (Damping filter): Hệ số Kf và thời hằng Tf được mô tả bởi vòng
hồi tiếp.