Lucrarea 1: Mediul de simulare MATLAB-SIMULINK; bibliotecile standard SIMULINK

7

LUCRAREA NR. 1

MEDIUL DE SIMULARE MATLAB-SIMULINK; BIBLIOTECILE STANDARD SIMULINK

1. Scopul lucrării Lucrarea are ca scop iniţierea în utilizarea mediului de simulare

MATLAB-SIMULINK, familiarizarea cu principalele biblioteci ale acestuia şi realizarea unor modele simple.

2. Noţiuni teoretice Mediul de simulare MATLAB-SIMULINK (MS) este un produs-

program, aplicaţie Windows, cu facilităţi importante, permiţând obţinerea unor modele precise ale unor sisteme complexe. El utilizează„infrastructura” de calcul a MATLAB, respectiv organizarea matriceală avariabilelor. Principalul avantaj al MS este interfaţa comodă cu utilizatorul, acesta având la dispoziţie blocuri ce realizează diferite funcţii: matematice, de conectare, de vizualizare etc. Prin interconectarea acestora, pe baza modelelor matematice ale sistemelor simulate, se construiesc modele complexe. La rândul lor, acestea pot fi grupate, creându-se noi blocuri, ce pot fi în continuare interconectate.

Blocurile sunt organizate în biblioteci (Library) denumite Toolbox sau Blockset.

Descrierea modului de lansare MS şi a componenţei bibliotecilor se va realiza considerându-se varianta MATLAB_Release_11.1 (5.3) şiSIMULINK_3. Deschiderea bibliotecii SIMULINK se face făcând click pe butonul Simulink Library Browser din fereastra Matlab (fig. 1) sau dând comanda simulink în fereastra Matlab (posibilitate de a lansa Simulink şi în versiunile anterioare – Matlab 4.x).

Fig. 1 Fereastra Matlab şi lansarea Simulink

ÎNDRUMAR DE LABORATOR MODELAREA ŞI SIMULAREA SISTEMELOR ELECTROMECANICE

8

Va fi deschisă o nouă fereastră, fig. 2, în care apar toate bibliotecile instalate. Bibliotecile de bază Simulink sunt Simulink şi Simulink Extras.

Detalierea conţinutului fiecărei biblioteci se face fie cu click pe „+”, obţinându-se lista fiecărei biblioteci (fig. 3), fie (recomandabil) cu click-dreapta pe bibliotecă şi deschiderea bibliotecii, obţinându-se o nouăfereastră, fig. 4. Deschiderea unui nou model se face făcând click pe butonul „New” al ferestrei Simulink Browser (fig. 3) sau al oricărei ferestre noi Simulink.

Principalele biblioteci din structura de bază a MATLAB-SIMULINK, ce pot fi accesate prin dublu click cu butonul din stânga al mouse-ului, sunt:

Fig. 2 Fereastra Simulink Browser Fig. 3 Detalierea bibliotecilor şideschiderea unui model nou

Fig. 4 Biblioteca Simulink

Lucrarea 1: Mediul de simulare MATLAB-SIMULINK; bibliotecile standard SIMULINK

9

�Sources - blocuri ce reprezintă surse de semnale (sinusoidal, constant, generator de semnal ş.a.), fig. 5.a;

�Sinks - blocuri de vizualizare a semnalelor (Scope - "Osciloscop", XYGraph - "Osciloscop grafic" etc.), fig. 5.b. Pot fi modificate rezoluţiile pe verticală şi orizontală, în funcţie de domeniile semnalelor vizualizate;

�Continuous - blocuri de calcul continuu, fig. 5.c, cele mai importante fiind Integratorul şi Memory.

�Math - operaţii matematice fig. 5.d, (sumator, produsul a douăvariabile, multiplicare cu o constantă, funcţii trigonometrice, funcţii Matlab ş.a.);

�Signals & Systems - blocuri de conectare fig. 5.e (multiplexor, demultiplexor, selector de semnale, ground-„masă”, terminator-„ieşire neconectată” ş.a.).

Pentru evitarea avertismentelor (Warnings) Matlab la executarea unei simulări, intrările neutilizate ale blocurilor din model trebuie conectate la „masă”, iar ieşirilor li se conectează terminatoare.

Crearea unui model nou se realizează într-o fereastră nouă.Deschiderea unei noi ferestre de modelare se poate face în mai multe moduri echivalente: click pe butonul „New” al ferestrei Simulink Browser sau al oricărui nou model (ferestre noi de modelare), meniul File-New…-Model al oricărei ferestre de bibliotecă, shortcut Ctrl+N în orice fereastră de bibliotecă.

Plasarea blocurilor în noua schemă se realizează prin drag-area = "tragerea" acestora (apăsarea butonului din stânga al mouse-ului pe blocul necesar şi poziţionarea blocului în noua schemă). Unele blocuri au posibilitatea actualizării parametrilor, aceştia având valori implicite pentru blocurile luate din biblioteci. Făcând dublu click pe fiecare bloc, se va deschide o fereastră de dialog în care se introduc noile valori ale parametrilor blocului respectiv.

Interconectarea blocurilor se realizează prin unirea (cu butonul din stânga apăsat) al unei "borne" de ieşire a unui bloc cu o „bornă” de intrare a altui bloc ( urmăriţi modificarea tipului de cursor pentru a vedea când poate fi eliberat butonul mouse-ului). Un punct de conexiune (conectarea unei ieşiri la intrările mai multor blocuri) se realizează făcând click dreapta pe prima legătură şi drag-ând spre celelalte intrări.

ÎNDRUMAR DE LABORATOR MODELAREA ŞI SIMULAREA SISTEMELOR ELECTROMECANICE

10

a)

b) c)

d) e)

Fig. 5 Principalele biblioteci Simulink: a) Sources; b) Sinks; c) Continuous; d) Math; e) Signals & Systems

Lucrarea 1: Mediul de simulare MATLAB-SIMULINK; bibliotecile standard SIMULINK

11

Pentru realizarea unui bloc nou se selectează blocurile ce vor fi grupate (încadrarea într-o fereastră definită cu butonul din stânga apăsat) şiapelarea comenzii corespunzătoare (meniul Edit-Create Subsystem). Noului bloc îi pot fi modificate numele, masca - meniul Edit-Mask Subsystem (nume bloc, numele noilor ferestre de actualizare a parametrilor, asocierea parametrilor formali cu valorile de intrare, textul corespunzător butonului "Help").

După realizarea schemei bloc corespunzătoare modelului matematic se plasează blocurilor de vizualizare (cel mai frecvent Scope-„Osciloscop” din biblioteca Sinks). Acestea trebuie activate (dublu click), deschizându-se fereastra ce conţine ecranul osciloscopului (fig. 6.a), putându-se în acest moment modifica configurarea osciloscopului. Pentru aceasta: • se face click-dreapta în fereastra osciloscopului, deschizându-se o

casetă de dialog în care se selectează Axes properties…, deschizându-se o nouă fereastră (fig. 6.b) în care se pot defini domeniul axei y a osciloscopului şi numele semnalului vizualizat;

• se face click pe butonul Properties (fig. 6.a), deschizându-se fereastra de dialog (fig. 6.c) în care se poate selecta numărul de axe al osciloscopului şi baza de timp (Time range).

În cazul creşterii numărului de axe, blocul Scope din schemă îşi va modifica în mod corespunzător numărul de intrări. În acest caz, fiecare semnal va fi vizualizat în câte un sistem de axe, al aceluiaşi

Fig. 6 Ferestrele osciloscopului: a) fereastra principală; b) Proprietăţi(click dreapta); c) Proprietăţi (butonul Properties)

a)

b)

c)

ÎNDRUMAR DE LABORATOR MODELAREA ŞI SIMULAREA SISTEMELOR ELECTROMECANICE

12

osciloscop. Pentru a vizualiza mai multe semnale în acelaşi sistem de axe, semnalele vor fi multiplexate (conectate la intrările unui bloc Mux, ieşirea acestuia conectându-se la un osciloscop având un singur sistem de axe.

După realizarea modelului se selectează parametrii simulării (meniul

Simulation–Parameters…, fig. 7): momentul începerii simulării (Start time), durata simulării (Stop time), metoda de integrare (Solver options), pasul maxim de integrare (Max step size), eroare (Relative tolerance).

În ceea ce priveşte metoda de integrare, Simulink prezintă iniţial în fereastra de modificare a parametrilor simulării metoda implicit aleasă în funcţie de structura modelului. Aceasta poate fi schimbată, alegându-se între o metodă cu pas variabil de integrare şi una cu pas fix. Metoda de integrare cu pas variabil implicit aleasă este ode45, ceea ce constituie metoda de integrare Runge-Kutta de ordinul 5, ce oferă rezultate bune pentru majoritatea modelelor continui. Metodele de integrare cu pas fix sunt variante ale celor cu pas variabil.

Pentru mai multe detalii privind metodele de integrare, a se vedea manualul Simulink în format PDF „Using Simulink” aflat în MatlabR11\help\pdf_doc\simulink\sl_using.pdf, pag. 4.11.

Lansarea în execuţie se face făcând click pe butonul Start din tool-bar-ul ferestrei modelului, sau din meniul Simulation-Start, sau cu shortcut-ul Ctrl+T.

Salvarea unui model SIMULINK se poate realiza cu comanda din meniul File-Save As..., specificându-se directorul şi numele sub care va fi salvat.

Fig. 7 Fereastra pentru modificarea parametrilor simulării

Lucrarea 1: Mediul de simulare MATLAB-SIMULINK; bibliotecile standard SIMULINK

13

3. Chestiuni de studiat Se vor identifica principalele biblioteci ale Simulink (localizare,

componenţă), modul de modificare a parametrilor impliciţi ai blocurilor şiefectele asupra structurii şi comportamentului unui model.

Se vor realiza modele simple, urmărindu-se familiarizarea cu utilizarea şi configurarea blocurilor de vizualizare.

4. Modul de lucru După lansarea Matlab (Start-Programs�.. sau iconul pe

desktop, se verifică (butonul Path Browser al ferestrei Matlab) existenţa în căile de căutare Matlab (fereastra Path) a directorului propriu de salvare şiselectarea acestei căi drept cale curentă (fereastra Current Directory).

Nu faceţi salvări decât în directorul propriu de lucru! Se deschide Simulink (fig. 1, fig. 4) şi un model nou (fig. 3). A. Se realizează modelul din fig. 8. Localizarea blocurilor este:

o Signal generator – Sources;o Gain – Math;o Integrator – Continuous;o Scope – Sinks.

Se selectează:� din meniul Simulation-Parameters:

� timpul final al simulării (Stop time) [s]: 100; � metoda de integrare: ode45; � pasul maxim de integrare (Max step size) [s]: 0.0001;

� din Scope-Properties:� baza de timp a osciloscoapelor (Time range) [s]: 10.

Fig. 8 Schema L_1 de simulare

ÎNDRUMAR DE LABORATOR MODELAREA ŞI SIMULAREA SISTEMELOR ELECTROMECANICE

14

Se lansează simularea şi se modifică în timpul rulării acesteia, observându-se efectele:

� forma de undă a generatorului de semnal; � amplitudinea semnalului; � unitatea de măsură a frecvenţei semnalului generat; � frecvenţa semnalului; � amplificările blocurilor Gain şi Gain1;� scalarea osciloscoapelor.

Se va modifica schema simulării pentru vizualizarea ambelor semnale în aceeaşi fereastră de osciloscop, utilizând pe rând două sisteme de axe (Scope-Properties…), respectiv un bloc Mux pentru multiplexarea ambelor semnale într-un singur osciloscop cu un canal.

Se vor urmări efectele schimbării proprietăţilor blocurilor cu ajutorul meniului Format (fig. 9):

Font… - tip şi dimensiune caractere Flip Name Hide Name Flip Block Rotate Block Show Drop Shadow Foreground Color – linie contur Background Color – umplere bloc Sample Time Colors Wide Vector Lines Vector Lines Widths Port Data Types

Se va salva modelul realizat. Se urmăreşte funcţionalitatea altor blocuri din bibliotecile Simulik. B. Se va urmări funcţionarea modelelor demonstrative ale Simulink

(Demos-Simple Models şi Complex Models) modificând parametrii blocurilor şi urmărind efectele asupra funcţionării modelelor.

5. Conţinutul referatului

� titlul lucrării; � scopul lucrării; � bibliotecile Simulink şi blocurile utilizate în modelele realizate.

Fig. 9 Meniul „Format”