Lighting Seminar 1 • Nội dung – C1 Vai trò của mô hình hóa hệ thống – C2 Khái niệm cơ bản về mô hình hóa hệ thống – C3 Phương pháp mô phỏng – C4 Mô phỏng hệ thống liên tục – C5 Mô hình hóa các hệ ngẫu[.]
MƠ HÌNH HĨA • Nội dung – C1: Vai trị mơ hình hóa hệ thống – C2: Khái niệm mơ hình hóa hệ thống – C3: Phương pháp mô – C4: Mô hệ thống liên tục – C5: Mơ hình hóa hệ ngẫu nhiên – C6: Mô hệ thống hàng đợi – Ứng dụng Matlab Simulink mô hệ thống điều khiển tự động CHƯƠNG 2: KHÁI NIỆM CƠ BẢN MHH 2.1 Nguyên lý tiếp cận hệ thống MHH - Phương pháp tiếp cận hệ thống dùng để phân tích tổng hợp hệ thống lớn Ta từ việc phân tích chung tồn hệ thống đến chức nhiệm vụ phần tử cụ thể mơi trường chứa phần tử - Hệ thống S tập hợp số đối tượng cần nghiên cứu có mối quan hệ với - Môi trường xung quanh E tập hợp thực thể ngồi hệ thống có tác động qua lại với hệ thống - Tuỳ thuộc vào mục đích nghiên cứu mà ta lựa chọn hệ thống S môi trường E tương ứng •Khách hàng •(Đơn đặt hàng Số lượng, quy cách…) •Nguyên liệu •Điều khiển sản xuất •Sản phẩm •Vật tư •Sản xuất •Bao gói •Vận chuyển •Hình 11: Hệ thống sản xuất •Tồn nhà máy •Xưởng A •CNC •Xưởng B •Robodrill •Washing •Plating •Hình 10: Mơ hình hố hệ thống 2.1 Ngun lý tiếp cận hệ thống MHH (Cont) VD: Mơ hình hố hệ thống điều khiển nhà máy mạ kim loại: -> Xác định mục tiêu mơ hình hố – Mơ hình hố hệ thống để kiểm tra theo dõi thông số kỹ thuật tồn nhà máy (Do khơng thể dừng toàn nhà máy thời gian dài gây thiệt hại kinh tế… -> Xác định hệ thống S: Các dây truyền sản xuất nhà máy -> Xác định môi trường E: Môi trường ảnh hưởng lẫn dây truyền với môi trường xung quanh -> Xác định mơ hình M: Mơ hình M mơ hình tồn nhà máy thu nhỏ dạng mơ hình thật kích thước nhỏ hay phần mềm chứa thơng số có quan hệ với -> Xác định cấu trúc hệ thống: Đi sâu phân tích thơng số kỹ thuật dây truyền 2.2 Đặc điểm MHH Tính mục tiêu: Tuỳ thuộc vào yêu cầu nghiên cứu mà mơ hình hố hệ thống thực có nhiệm vụ cụ thể hay phục vụ nhiều mục đích nghiên cứu hệ thống thực Độ phức tạp: Thể cấu trúc phân cấp mơ hình, mối quan hệ phần tử hệ thống S hay hệ thống với mơi trường Hành vi mơ hình: Phương pháp để mơ hình đạt mục tiêu nghiên cứu đề Tính thích nghi: Là khả mơ hình phản ánh tác động mơi trường tới hệ thống khả giữ ổn định mơ hình tác động thay đổi 2.2 Đặc điểm MHH(Cont) Tính điều khiển được: Người dùng sử dụng biện pháp lập trình người ta điều khiển mơ hình theo mục tiêu định trước Thực trao đổi thơng tin người với mơ hình để thu nhận thông tin đưa định điều khiển Khả phát triển mơ hình: Khi tiến hành mơ hình hố hệ thống xuất toán nghiên cứu phát triển tương lai mơ hình phải có khả mở rộng phát triển Độ xác, tin cậy: Mơ hình hố việc thay đối tượng thực mơ hình để thuận tiện cho việc nghiên cứu mơ hình cần phản ánh xác tượng xảy đối tượng Các kết thu từ mơ hình cần đảm bảo độ xác đề nghiên cứu Vì phương pháp xử lý kết thực nghiệm, đánh giá sai số quan trọng việc mơ hình hố với mơ hình ngẫu nhiên dùng phương pháp mơ Do người nghiên cứu phải nắm đối tượng thực có kinh nghiệm thu thập xử lý số liệu 2.3 Phân loại MHH Có nhiều phương pháp để phân loại mơ hình hố hệ thống: • Mơ hình hệ thống phân thành cặp sau: - Mơ hình tiền định – mơ hình ngẫu nhiên - Mơ hình tĩnh – mơ hình động - Mơ hình tuyến tính – mơ hình phi tuyến - Mơ hình liên tục – mơ hình gián đoạn - Mơ hình vật lý – mơ hình tốn học - Mơ hình giải tích – mơ hình mơ ………… 2.3 Phân loại MHH •Mơ hình hệ thống •Mơ hình tiền định •Mơ hình ngẫu nhiên •Mơ hình tĩnh •Mơ hình động •Mơ hình gián đoạn •Mơ hình gián đoạn liên tục •Mơ hình trừu tượng •Mơ hình liên tục •Mơ hình hiện thực •Mơ hình tốn học •Giải tích •Tổ hợ p •Mơ •Mơ hình tự nhiên •Mơ hình vật lý •Hình 1 – 1: Phân loại mơ hình - Mơ hình tiền định phản ánh q trình tiền định không chịu tác động yếu tố ngẫu nhiên mơ hình biến biết trước, giải giá trị xác tổng qt Mơ hình ngẫu nhiên phản ánh q trình kiện có tính ngẫu nhiên, biến khơng thể giải giá trị xác mà đánh giá theo xác suất - Mơ hình tĩnh biểu diễn quan hệ đặc tính hệ thống trường hợp hệ thống ổn định trạng thái cân Mô hình động: Phản ánh hành vi đối tượng theo thời gian 10 • Ví dụ: Mạch điện có điện cảm • Sức điện động E biểu diễn phương trình vi phân E = Ri + L.di/dt • Đặc điểm mơ hình động: - Tín hiệu thời điểm t khơng phụ thuộc tín hiệu vào thời điểm t mà phụ thuộc vào đáp ứng (tín hiệu ra) khứ Tức mơ hình động mơ hình có nhớ - Mơ hình biểu diễn phương trình vi tích phân •R •L • E •Hình 2 – 7 : Mạch điện có cảm ứng 11 2.3 Phân loại MHH - Mơ hình liên tục: Phản ánh q trình liên tục Là mơ hình biến liên tục thời gian, mơ hình biểu diễn phương trình vi tích phân Ví dụ: x(t) = f(x(t), u(t)) Mơ hình gián đoạn: Phản ánh q trình gián đoạn Là mơ hình biến nhận giá trị gián đoạn thời gian, mơ hình biểu diễn phương trình sai phân Ví dụ: x(k+1) = t [x(k), u(k) ]; k = 1, 2, Trong thực tế mô hình mang nhiều tính chất ngẫu nhiên, liên tục hay gián đoạn, tĩnh động Mô hình liên tục – gián đoạn: Phản ánh hai trình liên tục gián đoạn xảy hệ thống 12 2.3 Phân loại MHH 13 2.3 Phân loại MHH (Cont) - Mơ hình vật lý MH cấu tạo phần tử vật lý, thuộc tính đối tượng phản ánh định luật vật lý xảy mô hình - MH vật lý thu nhỏ: Có cấu tạo giống đối tượng thực có kích thước nhỏ cho phù hợp với điều kiện phịng thí nghiệm - VD: Chế tạo lò nhà máy nhiệt điện có kích thước nhỏ đặt phịng thí nghiệm để nghiên cứu q trình cháy lị: - Ưu điểm: Loại mơ hình có q trình vật lý xẩy giống trình đối tượng thực đo lường quan sát đại lượng vật lý cách trực quan có độ xác cao - Nhược điểm: Có giá thành cao sử dụng thực cần thiết 14 2.3 Phân loại MHH (Cont) - MH vật lý tương tự: Có cấu tạo phần tử vật lý, không giống đối tượng thực q trình xảy mơ hình tương đương với trình xảy đối tượng thực VD: Có thể nghiên cứu q trình dao động lắc đơn mơ hình tương tự mạch dao động R – L – C Ưu điểm: Giá thành rẻ, khảo sát đặc tính chủ yếu đối tượng thực Nhược điểm: Có độ trực quan khơng cao, tính tốn thơng số 15 2.3 Phân loại MHH (Cont) - MH tốn học loại mơ hình trừu tượng Các thuộc tính phản ánh biểu thức, phương trình tốn học + MH giải tích MH biểu diễn biểu thức giải tích Ưu điểm: Loại mơ hình cho kết rõ ràng, tổng quát Nhược điểm: thường phải chấp nhận số giả thiết đơn giản hóa để biểu diễn đối tượng thực biểu thức giải tích thường dùng cho hệ tiền định tuyến tính VD: MH toán học động điện chiều U I u R E E Ke Md K m I u 16 2.3 Phân loại MHH (Cont) + MH số MH xây dựng theo PP số (các chương trình chạy máy tính số) gọi mơ hình mơ phỏng(simulation model) Ưu điểm: mơ tả yếu tố ngẫu nhiên phi tuyến đối tượng thực VD1: Mô động phần mềm Matlab – Simulink: MH động xây dựng phần mềm mơ hình số hay mơ hình mơ động VD2: Mơ hình mô hệ thống cơ, xương, dây chằng… thể người ĐHBK tpHCM xây dựng phần mềm Mimics nhằm mục đích nghiên cứu tác động lực lên đối tượng 17 2.4 Các tính chất MHH - Tính đồng nhất: Mơ hình phải đồng với đối tượng mà phản ánh theo tiêu chuẩn định trước Tính thực dụng: Có khả nghiên cứu đối tượng thơng qua nghiên cứu thực nghiệm mơ hình 18 2.5 Ngun tắc xây dựng mơ hình Ngun tắc xây dựng sơ đồ khối HT thường lớn, phức tạp Phân chúng thành hệ nhỏ đảm trách vài nhiệm vụ Mỗi hệ nhỏ khối Nguyên tắc thích hợp Tùy thuộc mục đích nghiên cứu mà ta xd mơ hình cho thích hợp tính đồng tính thực dụng Nguyên tắc độ xác Tùy thuộc mục đích nghiên cứu mà ta xd mơ hình có độ xác phù hợp với đối tượng thực Nguyên tắc tổ hợp Tùy thuộc mục đích nghiên cứu mà ta phân chia tổ hợp phận mơ hình với 19