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Polycopie TP : SIMULINK ESTG 2019/2020 M.AJAAMOUM Page 1 Travaux pratiques : SI

Polycopie TP : SIMULINK ESTG 2019/2020 M.AJAAMOUM Page 1 Travaux pratiques : SIMULINK - Introduction : Présentation Simulink - TP 01 : Simulation d’un signal sinusoïdal. - TP 02 : Modélisation et simulation d’un circuit électrique simple. - TP 03 : Modélisation et simulation d’une cellule photovoltaïque. - TP 04 : simulation d’un système en boucle ouverte versus boucle fermée. Polycopie TP : SIMULINK ESTG 2019/2020 M.AJAAMOUM Page 2 - Introduction : Présentation Simulink 1. OBJECTIFS Les objectifs de ce TP sont : - de prendre en main le logiciel de simulation SIMULINK de Matlab ; - de simuler et de comparer les performances d’un système en boucle ouverte et en boucle fermée. 2. PRESENTATION ET PRISE EN MAIN DE SIMULINK 2.1. GENERALITES SUR LES LOGICIELS DE SIMULATION La simulation permet de reproduire, approximativement, le comportement de systèmes de traitement (filtres, ...) et de visualiser notamment l’évolution temporelle de différentes variables représentatives. Pour exploiter un logiciel de simulation, il faut établir ou déterminer un modèle du système étudié. Celui-ci est généralement constitué de blocs simples (fonction de transfert, comparateur, caractéristique non-linéaire,...) élaborés à partir de lois scientifiques connues (modélisation). Les modèles utilisés représentent généralement le comportement dynamique des systèmes à temps continu et sont donc régis par des équations différentielles. C’est pourquoi les logiciels de simulation utilisent les méthodes d’analyse numérique permettant de calculer l’évolution temporelle du signal de sortie à partir des valeurs du signal d’entrée et de l’équation différentielle. Parmi ces méthodes on peut citer les algorithmes de Runge-Kutta et d’Euler. Même si les logiciels de simulation sont de plus en plus puissants, il ne faut pas oublier qu’un simulateur repose sur des modèles qui ne sont qu’une approximation du système réel et que ceux-ci ne sont généralement valables que dans une certaine plage de fonctionnement de système étudié. Divers logiciels sont aujourd’hui disponibles. Ces logiciels permettent : - l’analyse des systèmes continus (réponses temporelle et fréquentielles, stabilité, pôles et zéros), - la conception et l’analyse de filtres analogiques ou numériques, - la simulation des systèmes bouclés,… Les développements permettent d’établir une chaîne complète depuis l’acquisition des données, la modélisation du système, l’implantation et la simulation sous Simulink jusqu’à la génération du code implanté et embarqué sur un DSP (Digital Signal Processor). Nous allons dans le cadre de ces TP utiliser Simulink. Il faut cependant savoir qu’il existe une boîte à outils Matlab dédiés aux télécoms (Communications toolbox). Elle permet la conception, la simulation et le prototypage de systèmes de télécommunications, systèmes de vidéo-conférence, modems, transmission par satellites, etc. Celle-ci utilise à la fois le langage de programmation de Matlab ainsi qu’une interface graphique de type schémas-blocs très proche de Simulink. Cette boîte à outils contient de nombreuses fonctions ou blocs qui permettent de simuler les principes utilisés en télécoms et réseaux tels que la modulation, le codage, le filtrage des signaux,... 2.2. PRESENTATION DE SIMULINK SIMULINK est une extension du logiciel Matlab. C’est un logiciel de simulation de systèmes dynamiques muni d’une interface graphique qui facilite les deux phases d’utilisation du logiciel : - saisie du modèle, - simulation du modèle. Polycopie TP : SIMULINK ESTG 2019/2020 M.AJAAMOUM Page 3 2.3. DECOUVERTE DE SIMULINK Pour utiliser SIMULINK, il faut lancer dans un premier temps MATLAB puis taper simplement la commande simulink dans la fenêtre de commande MATLAB. Après avoir obtenu la fenêtre principale, sélectionnez New...Model dans le menu File. Une fenêtre s’ouvre dans laquelle vous allez pouvoir saisir vos schémas-blocs. Pour construire votre schéma- bloc, il suffit d’aller chercher les blocs désirés à partir de la fenêtre principale de Simulink présentant les différentes bibliothèques disponibles. Ces blocs peuvent être insérés dans votre fenêtre de travail soit en utilisant la méthode du « copier- coller » soit en faisant glisser le bloc d’une fenêtre à une autre à l’aide de la souris. Pour relier deux blocs il vous faut pointer avec la souris sur la pointe du bloc et en laissant enfoncer le bouton droit de la souris un trait apparaîtra. Vous pointerez alors sur la face gauche du second bloc au niveau d'une flèche, vous pourrez alors relâcher le bouton de votre souris, si vous avez bien suivi ces instructions un trait entre les deux blocs indiquera que vous avez réussi votre connexion. Comment lancer la simulation ? Attention, avant de lancer la simulation, il faut impérativement définir les paramètres de votre simulation : instant de début de simulation, instant de fin de simulation, période de simulation, méthode d’intégration numérique utilisée... Pour cela, il faut aller dans le menu « Simulation » puis sur « parameters » et spécifier les paramètres adaptés à votre simulation. Cette étape est cruciale car de mauvaises valeurs peuvent conduire à une simulation complètement erronée. Pour lancer ensuite votre simulation il suffit d’aller dans le menu « Simulation » et de sélectionner « start ».Si des blocs de visualisation (graph, scope, …) apparaissent dans votre schéma-bloc, veillez à paramétrer ceux-ci en fonction des paramètres de votre simulation. Comment arrêter votre simulation ? Si vous avez spécifié un instant de fin de simulation, la simulation prendra fin lorsque cet instant sera atteint. Vous pouvez néanmoins arrêter à tout moment une simulation en cours en allant dans le menu « Simulation » et en cliquant sur « stop » ou en cliquant sur le bouton stop. Polycopie TP : SIMULINK ESTG 2019/2020 M.AJAAMOUM Page 4 TP-1. SIMULATION D’UN SIGNAL SINUSOIDAL Le but ici est de construire le schéma-bloc ci-dessous afin de simuler l’évolution temporelle d’une sinusoïde. Après avoir lancé Simulink, sélectionnez New...Model dans le menu File. Vous créez ainsi une fenêtre de travail dans laquelle vous allez saisir vos schémas-blocs. Pour saisir votre schéma, ouvrez la bibliothèque Sources, sélectionnez l’icône «Signal generator» en «cliquant» une fois dessus, et faîtes glisser celle-ci dans votre fenêtre de travail. Ensuite ouvrez Sinks et sélectionnez l’oscilloscope et faîtes glisser celui-ci dans votre fenêtre de travail. A l’aide de la souris, reliez la sortie du bloc générateur de signal à l’entrée de l’oscilloscope. L’oscilloscope permet de visualiser une partie du signal à l’écran. Paramétrage On souhaite générer une sinusoïde d’amplitude 5 V, de fréquence 1 Hz et de phase nulle à l’origine. Configurer les différents blocs en cliquant deux fois sur chacun d’eux: a) Attention : le bloc « signal generator » permet de définir la pulsation du signal en rad/s ou en Hz. fréquence. b) Configurez l’oscilloscope afin d’y observer quatre périodes du signal d’entrée c) Avant de lancer la simulation, il faut en configurer les paramètres de simulation, en particulier la date de début (souvent 0) et la date de fin. Indiquez cette dernière (4 sec ici) dans la case blanche en dessous du menu Help. Simulation Après cette phase de paramétrage, lancez la simulation à l’aide de la commande Start du menu Simulation ou en cliquant sur la bouton Run. Observer le signal à l’oscilloscope (vérifiez les axes). Vous devez obtenir le résultat ci-après : Polycopie TP : SIMULINK ESTG 2019/2020 M.AJAAMOUM Page 5 Vous pouvez changer les couleurs de graphe et arrière-plan …et si vous cliquez sur bouton droit de la souris sur le graphe vous pouvez changer les propriétés des axes. Modification des paramètres de simulation Si vous trouvez votre tracé du signal sinusoïdal pas assez lisse, il est possible de modifier les paramètres de simulation pour améliorer le tracé. Dans le menu Simulation, sélectionnez Model Configuration Parameters : a) Choisir l’instant de départ : généralement 0 seconde b) Choisir de façon pertinente l’instant de fin de simulation. c) Choisir le type de solver option: fixed-step d) Choisir le solver : ode4 (Runge-Kutta) e) Choisir la pas de simulation (fixed-step size) : 0.01 Après cette phase de paramétrage, lancez à nouveau la simulation à l’aide de la commande Start du menu Simulation. Observer le signal à l’oscilloscope (vérifiez les axes). Vous devez obtenir un tracé plus lisse de la sinusoïde. Choix du pas de simulation : pour bien comprendre l’importance du choix du pas de simulation, augmentez celui-ci à 0.25 seconde et observez le résultat. Que constatez-vous ? En général, le pas de simulation est automatiquement sélectionné et vous n’avez pas besoin de spécifier la méthode de simulation. Polycopie TP : SIMULINK ESTG 2019/2020 M.AJAAMOUM Page 6 Polycopie TP : SIMULINK ESTG 2019/2020 M.AJAAMOUM Page 7 Polycopie TP : SIMULINK ESTG 2019/2020 M.AJAAMOUM Page 8 TP-2. Modélisation et simulation d’un circuit électrique simple Polycopie TP : SIMULINK ESTG 2019/2020 M.AJAAMOUM Page 9 TP-3. Modélisation et simulation d’une cellule photovoltaïque Polycopie TP : SIMULINK ESTG 2019/2020 M.AJAAMOUM Page 10 TP-4. SIMULATION D’UN SYSTEME EN BOUCLE OUVERTE VERSUS BOUCLE FERMEE Ouvrez un nouveau document et construisez un modèle pour avoir la réponse à un échelon en BO et en BF d’un filtre du premier ordre ayant la fonction de transfert suivante : Votre schéma-bloc doit avoir la forme de celui présenté sur la figure ci-dessous : Les éléments de ce schéma-bloc sont : • Step : il se trouve dans Sources, générateur de l’échelon. Choisissez à la date 0 et d’amplitude 1. •Transfert fcn : il uploads/Management/ polycopie-tp-simulink.pdf