Tài Liệu Học Tập Mô Hình Hóa Và Mô Phỏng Hệ Thống Điều Khiển.pdf

Më ®Çu BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP KHOA ĐIỆN TÀI LIỆU HỌC TẬP MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Lưu hành nội bộ LỜI GIỚI THIỆU Mô hình hoá là một phương pháp n[.]

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ - KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP KHOA ĐIỆN TÀI LIỆU HỌC TẬP MÔ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Lưu hành nội LỜI GIỚI THIỆU Mơ hình hố phương pháp nghiên cứu khoa học ứng dụng rộng rãi: từ nghiên cứu, thiết chế tạo, vận hành Ngày nhờ trợ giúp máy tính có tốc độ tính nhanh, nhớ lớn mà phương pháp mơ hình hố phát triển mạnh mẽ đưa lại hiệu lớn Mơ hình hố mô ứng dụng vào lĩnh vực khoa học, cơng nghệ mà cịn ứng dụng có hiệu vào nhiều lĩnh vực khác quân sự, kinh tế xã hội v.v Ngày mơ hình hố mơ cơng cụ mạnh cán nghiên cứu, cán kỹ thuật để giải tốn kỹ sư Giáo trình mơ hình hố mô hệ thống điều khiển giảng dạy cho sinh viên ngành công nghệ kỹ thuật điều khiển tự động hố, ngành cơng nghệ kỹ thuật điện - điện tử, đồng thời làm tài liệu tham khảo cho sinh viên cán kỹ thuật ngành có liên quan Bài giảng biên soạn theo chương trình đào tạo quy định cách trình bày Nhà Trường Nội dung giảng gồm chương chương bao gồm phần nội dung chủ yếu sau: - Mục tiêu chương - Nội dung phần thảo luận - Tóm tắt nội dung cốt lõi - Bài tập ứng dụng liên hệ thực tế - Hướng dẫn tự học nhà Do thời gian trình độ có hạn nên giảng khó tránh khỏi thiếu sót định Chúng tơi ln mong nhận góp ý bạn đọc để giảng tái hoàn thiện lần sau Xin chân thành cám ơn! Nhóm biên soạn Võ Thu Hà – Chủ biên Nguyễn Thị Thành Phạm Văn Huy CHƯƠNG VAI TRỊ CỦA MƠ HÌNH HỐ HỆ THỐNG MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG - Hiểu rõ khái niệm đặc điểm vai trị mơ hình hóa hệ thống mô - Nắm triển vọng phát triển phương pháp mơ hình hóa hệ thống - Về thái độ: Học sinh, Sinh viên hiểu rõ khái niệm đặc điểm vai trị mơ hình hóa hệ thống mơ nắm triển vọng phát triển phương pháp mơ hình hóa hệ thống 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG Ngày khó tìm thấy lĩnh vực hoạt động người mà khơng sử dụng phương pháp mơ hình hoá mức độ khác Điều đặc biệt quan trọng lĩnh vực điều khiển hệ thống (kỹ thuật, xã hội), điều kiển q trình thu nhận thơng tin từ hệ thống, nhận dạng hệ thống theo mơ hình đưa định điều khiển thích hợp Quá trình tiếp diễn liên tục nhằm đưa hệ thống vận động theo mục tiêu định trước Quá trình phát triển khoa học kỹ thuật theo bước sau: Quan sát  thực nghiệm  nghiên cứu lý thuyết  tổ chức sản xuất Mơ hình hố phương pháp khoa học trợ giúp cho bước nói Phương pháp mơ hình hố mơ phát triển từ đại chiến giới lần thứ hai vào năm 40 kỷ 20 Lúc người ta ứng dụng phương pháp mơ hình hố mơ để nghiên cứu phản ứng hạt nhân nhằm chế tạo bom nguyên tử Ngày nay, nhờ có máy tính điện tử mà phương pháp mơ hình hố mơ phát triển nhanh chóng ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật ngành khoa học xã hội khác Nhờ có phương pháp mơ hình hố mơ phỏng, người ta phân tích, nghiên cứu hệ thống phức tạp, xác định đặc tính, hành vi hoạt động hệ thống Các kết mô dùng để thiết kế, chế tạo xác định chế độ vận hành hệ thống Đối với hệ thống phức tạp, phi tuyến, ngẫu nhiên, tham số biến đổi theo thời gian, phương pháp giải tích truyền thống khơng thể cho ta lời giải xác Lúc phương pháp mơ hình hố mơ phát huy sức mạnh nhiều trường hợp giải pháp để nghiên cứu hệ thống phức tạp 1.2 MỘT SỐ ĐỊNH NGHĨA CƠ BẢN: - Đối tượng (object) tất vật, kiện mà hoạt động người có liên quan tới - Hệ thống (System) tập hợp đối tượng (con người, máy móc), kiện mà chúng có mối quan hệ định - Trạng thái hệ thống (State of system) tập hợp tham số, biến số dùng để mô tả hệ thống thời điểm điều kiện định - Mơ hình (Model) sơ đồ phản ánh đối tượng, người dùng sơ đồ để nghiên cứu, thực nghiệm nhằm tìm quy luật hoạt động đối tượng hay nói cách khác mơ hình đối tượng thay đối tượng gốc để nghiên cứu đối tượng gốc - Mơ hình hoá (Modelling) thay đối tượng gốc mơ hình nhằm thu nhận thơng tin quan trọng đối tượng cách tiến hành thực nghiệm mơ hình Lý thuyết xây dựng mơ hình nghiên cứu mơ hình để hiểu biết đối tượng gốc gọi lý thuyết mơ hình hố Nếu q trình xảy mơ hình đồng (theo tiêu định trước) với trình xảy đối tượng gốc người ta nói mơ hình đồng với đối tượng Lúc người ta tiến hành thực nghiệm mơ hình để thu nhận thơng tin đối tượng - Mơ (Simulation, Imitation) phương pháp mơ hình hố dựa việc xây dựng mơ hình số (Numerical model) dùng phương pháp số (Numerical method) để tìm lời giải Chính máy tính số cơng cụ hữu hiệu để thực việc mô hệ thống Lý thuyết thực nghiệm chứng minh rằng, xây dựng mơ hình gần với đối tượng mà thơi, q trình mơ hình hố phải chấp nhận số giả thiết nhằm giảm bớt độ phức tạp mơ hình, để mơ hình ứng dụng thuận tiện thực tế Mặc dù vậy, mơ hình hố ln ln phương pháp hữu hiệu để người nghiên cứu đối tượng, nhận biết trình, quy luật tự nhiên Đặc biệt, ngày với trợ giúp đắc lực khoa học kỹ thuật, khoa học máy tính công nghệ thông tin, người ta phát triển phương pháp mơ hình hố cho phép xây dựng mơ hình ngày gần với đối tượng nghiên cứu, đồng thời việc thu nhận, lựa chọn, xử lý thơng tin mơ hình thuận tiện, nhanh chóng xác Chính vậy, mơ hình hố phương pháp nghiên cứu khoa học mà tất người làm khoa học, đặc biệt kỹ sư phải nghiên cứu ứng dụng vào thực tiễn hoạt động 1.3 HỆ THỐNG VÀ MƠ HÌNH HỆ THỐNG Đầu tiên xem xét mơt số ví dụ hệ thống tương đối đơn giản Hình 1.1 trình bày hệ thống tự động điều khiển tốc độ động Tín hiệu vào hệ thống tốc độ đặt mong muốn nđ(t), tín hiệu hệ thống y(t) tốc độ thực tế động Sai lệch tốc độ e(t) = nđ(t) – y(t) đưa vào điều khiển để tạo tín hiệu điều khiển u(t) tác động vào động nhằm trì tốc độ động giá trị mong muốn Hình 1.2 trình bày sơ đồ n (t) e(t) y(t) khối hệ thống điều khiển đ ĐC BĐK trình sản xuất Hệ thống sản xuất bao gồm nhiều hệ chức Hình 1.1- Sơ đồ khối hệ điều khiển tự động như: cung cấp vật tư, lượng, tốc độ động gia cơng, chế biến, lắp ráp, hồn thiện sản phẩm, phân phối, tiêu thụ Điều khiển trình sản xuất trung tâm điều khiển Đầu vào hệ thống đơn đặt hàng khách hàng, đầu hệ thống sản phẩm cuối Đơn đặt hàng Trung tâm điều khiển Nguyên, nhiên, vật liệu Cung ứng vật tư Gia cơng, chế biến Lắp ráp, hồn thiện SP Phân phối sản phẩm SP đầu Hình 1.2- Sơ đồ khối hệ thống điều khiển trình Từ hình 1.1 hình 1.2 ta thấy hệ thống gồm nhiều phần tử thường gọi thực thể (Entity), thực thể lại có thuộc tính (attribute) khác Một trình gây thay đổi hệ thống gọi hoạt động (activity) Một tác động làm thay đổi trạng thái hệ thống gọi kiện (event) Tập hợp biến trạng thái phản ánh trạng thái hệ thống thời điểm gọi biến trạng thái (state variable) Tuỳ theo mục đích nghiên cứu mà hệ thống mô tả với mức độ chi tiết khác Bảng trình bày số hệ thống với đặc tính chúng Bảng Hệ thống Thực thể Thuộc tính Hoạt động Sự kiện Biến trạng thái Tốc độ Số khách chờ Giao thông Xe buýt Lái xe Xe đến bến Khoảng cách bến Khách Kiểm tra tài Rút tiền Số khách Số nhân viên phục Ngân hàng hàng khoản gửi hàng vụ Thông tin Thời lượng Thông tin Số người đợi liên Thông tin Truyền tin liên lạc liên lạc truyền đến lạc Khách Danh mục Tính trả Khách hàng Số khách hàng rời Siêu thị hàng mua sắm tiền đến siêu thị siêu thị Trạm lắp ráp Kích thước, Lắp ráp sản Sản phẩm Số sản phẩm hoàn Sản phẩm sản phẩm trọng lượng phẩm hồn thiện thiện Có hai đường để nghiên cứu hệ thống, nghiên cứu hệ thực nghiên cứu mơ hình thay Rõ ràng nghiên cứu hệ thực cho ta kết trung thực khách quan Tuy nhiên nhiều trường hợp, việc tiến hành nghiên cứu hệ thực gặp nhiều khó khăn, phương pháp tốt nghiên cứu mơ hình Chính vậy, phương pháp mơ hình hố mơ ý nghiên cứu phát triển 1.4 TRIỂN VỌNG PHÁT TRIỂN CỦA PHƯƠNG PHÁP MƠ HÌNH HỐ Trước đây, phương pháp giải tích dùng để mơ hình hố hệ thống Tuy nhiên, xuất máy tính điện tử tạo điều kiện thuận lợi cho q trình tính tốn tăng khối lượng tính tốn, giảm thời gian tính, thân phương pháp giải tích gặp nhiều khó khăn mô tả hệ thống thường phải chấp nhận nhiều giả thiết để đơn giản hố mơ hình, kết nghiên cứu có độ xác khơng cao Ngày nay, bên cạnh phương pháp giải tích nói trên, phương pháp mô phát triển mạnh mẽ ứng dụng rộng rãi Các mơ hình xây dựng dựa phương pháp mô gọi mơ hình mơ Phương pháp mơ cho phép đưa vào mơ hình nhiều yếu tố sát gần vơi thực tế Mặt khác, mơ hình giải máy tính có tốc độ tính tốn nhanh, dung lượng lớn, kết thu có độ xác cao Vì vậy, phương pháp mơ tạo điều kiện để giải toán phức tạp tốn mơ hình hố hệ thống lớn, hệ thống ngẫu nhiên, phi tuyến có thơng số biến thiên theo thời gian Phương pháp mô đặc biệt phát huy hiệu cần mơ hình hố hệ thống lớn mà đặc điểm có cấu trúc phân cấp, cấu trúc hệ con, hệ trung tâm điều khiển có trao đổi thông tin với Phương pháp mô tỏ hữu hiệu mô hệ thống có yếu tố ngẫu nhiên, có thơng tin không đầy đủ, thông tin bổ sung q trình mơ phỏng, q trình trao đổi thông tin người điều khiển đối tượng Phương pháp mơ ứng dụng để mơ hình hố nhiều lĩnh vực khác như: khoa học kỹ thuật, xã hội, sinh học, Tóm lại, mơ hình hoá phương pháp nghiên cứu khoa học phát triển có triển vọng Ở giai đoạn thiết kế hệ thống, mơ hình hố giúp người thiết kế lựa chọn cấu trúc, thông số hệ thống để tổng hợp hệ thống Ở giai đoạn vận hành hệ thống mơ hình hố giúp cho người điều khiển giải toán tối ưu, dự đoán trạng thái hệ thống Đặc biệt trường hợp kết hợp hệ chun gia (Expert system) với mơ hình hố người ta giải nhiều tốn điều khiển, tiết kiệm nhiều thời gian chi phí vật chất tài Phương pháp mơ hình hố thường dùng trường hợp sau: a- Khi nghiên cứu hệ thống thực gặp nhiều khó khăn nhiều nguyên nhân gây sau: - Giá thành nghiên cứu hệ thống thực đắt Ví dụ: Nghiên cứu kết cấu tối ưu, độ bền, khả chống dao động ô tô, tàu thuỷ, máy bay, người ta phải tác động vào đối tượng nghiên cứu lực đủ lớn đến mức phá huỷ đối tượng để từ đánh giá tiêu kỹ thuật đề Như vậy, giá thành nghiên cứu đắt Bằng cách mơ hình hố máy tính ta dễ dàng xác định kết cấu tối ưu thiết bị nói - Nghiên cứu hệ thống thực địi hỏi thời gian q dài Ví dụ: Nghiên cứu đánh giá độ tin cậy, đánh giá tuổi thọ trung bình hệ thống kỹ thuật (thơng thường tuổi thọ trung bình hệ thống kỹ thuật khoảng 30  40 năm), nghiên cứu trình phát triển dân số khoảng thời gian 20  50 năm, Nếu chờ đợi quãng thời gian dài có kết nghiên cứu khơng cịn tính thời Bằng cách mô hệ thống cho “hệ thống” vận hành tương đương với khoảng thời gian nghiên cứu người ta đánh giá tiêu kỹ thuật cần thiết hệ thống - Nghiên cứu hệ thực ảnh hưởng đến sản xuất gây nguy hiểm cho người thiết bị Ví dụ: Nghiên cứu q trình cháy lị nhà máy nhiệt điện, lò luyện clanhke nhà máy xi măng, người ta phải thay đổi chế độ cấp nhiên liệu (than, dầu), tăng giảm lượng gió cấp, thay đổi áp suất lị, Việc làm thí nghiệm cản trở việc sản xuất bình thường, nhiều trường hợp xảy cháy, nổ gây nguy hiểm cho người thiết bị Bằng cách mô hệ thống, người ta cho hệ thống “vận hành” với thông số, chế độ vận hành khác để tìm lời giải tối ưu - Trong số trường hợp không cho phép làm thực nghiệm hệ thống thực Ví dụ: Nghiên cứu hệ thống làm việc môi trường độc hại, nguy hiểm, hầm sâu, đáy biển, nghiên cứu thể người, Trong trường hợp dùng phương pháp mô giải pháp để nghiên cứu hệ thống b- Phương pháp mơ hình hố cho phép đánh giá độ nhạy hệ thống thay đổi tham số cấu trúc hệ thống đánh giá phản ứng hệ thống thay đổi tín hiệu điều khiển Những số liệu dùng để thiết kế hệ thống lựa chọn thông số tối ưu để vận hành hệ thống c- Phương pháp mô hình hố cho phép nghiên cứu hệ thống chưa có hệ thống thực Trong trường hợp này, chưa có hệ thống thực việc nghiên cứu mơ hình giải pháp để đánh giá tiêu kỹ thuật hệ thống, lựa chọn cấu trúc thông số tối ưu hệ thống, đồng thời mơ hình dùng để đào tạo huấn luyện NỘI DUNG THẢO LUẬN Nội dung phần thảo luận 1: Khái niệm chung hệ thống mơ hình hệ thống Nội dung phần thảo luận 2: Triển vọng phát triển phương pháp mơ hình hố hệ thống mơ hình hệ thống TÓM TẮT NỘI DUNG CỐT LÕI Hiểu rõ khái niệm đặc điểm vai trị mơ hình hóa hệ thống mơ Nắm triển vọng phát triển phương pháp mơ hình hóa hệ thống BÀI TẬP ỨNG DỤNG, LIÊN HỆ THỰC TẾ Bài tập ứng dụng, liên hệ thực tế Hãy xác định thành phần hệ thống thực thể, thuộc tính, hoạt động, kiện, biến trạng thái cảng biển mô tả sau: tàu đến cảng cập bến chỗ trống, ngược lại phải xếp hàng chờ đến lượt Tàu cần cẩu bốc dỡ hàng hoá Khi hàng bốc xong tàu rời bến Bài tập ứng dụng, liên hệ thực tế Yêu cầu câu hệ thống quán cà phê, trạm rửa xe HƯỚNG DẪN TỰ Ở NHÀ Hãy lấy ví dụ chứng minh khó khăn gặp phải nghiên cứu hệ thực ưu điểm chuyển sang nghiên cứu mơ hình phương pháp mơ CHƯƠNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MƠ HÌNH HỐ HỆ THỐNG MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG - Hiểu rõ khái niệm mơ hình hóa hệ thống - Nắm đặc điểm, phân loại mơ hình hệ thống số nguyên tắc xây dựng mô hình hóa hệ thống - Về thái độ: Học sinh, Sinh viên hiểu rõ khái niệm mô hình hóa hệ thống nắm đặc điểm, phân loại mơ hình hệ thống số ngun tắc xây dựng mơ hình hóa hệ thống 2.1 KHÁI NIỆM CHUNG Ngày để phân tích tổng hợp hệ thống lớn, người ta thường sử dụng phương pháp tiếp cận hệ thống Khác với phương pháp truyền thống trước phân tích từ phần tử đến hệ thống, phương pháp tiếp cận hệ thống từ phân tích chung tồn hệ thống đến cấu tạo phần tử, từ xác định muc tiêu toàn hệ thống đến chức năng, nhiệm vụ phần tử cụ thể, xác định mối tương quan phần tử hệ thống, hệ thống xét với hệ thống khác với môi trường xung quanh Người ta định nghĩa hệ thống (system) S tập hợp phần tử có quan hệ với nhau, đối tượng cần nghiên cứu Mơi trường (Environment) E tập hợp thực thể hệ thống có tác động qua lại với hệ thống xét Tuỳ thuộc vào mục đích nghiên cứu mà người ta xác định hệ thống S môi trường E tương ứng Khi tiến hành mơ hình hố điều quan trọng xác định mục tiêu mơ hình hố, sở xác định hệ thống S, mơi trường E mơ hình (model) M Bước xác định cấu trúc hệ thống, tức tập phần tử mối quan hệ chúng hệ thống Cấu trúc hệ thống xem xét hai phương diện: từ phía ngồi từ phía Từ phía ngồi tức xem xét phần tử cấu thành hệ thống mối quan hệ chúng hay nói cách khác phương pháp tiếp cận cấu trúc Từ phía trong, tức phân tích đặc tính chức phần tử cho phép hệ thống đạt mục tiêu định hay nói cách khác phương pháp tiếp cận chức Khi xem xét vận động hệ thống theo thời gian S(t) có nghĩa hệ thống chuyển từ trạng thái sang trạng thái khác không gian trạng thái Z, người ta quan tâm đến chức hoạt động hệ thống Để đánh giá chức hệ thống người ta phải xác định tiêu đánh giá, tập tiêu riêng tiêu tổng hợp cho toàn hệ thống Tiếp cận hệ thống cho phép ta xây dựng mơ hình hệ thống lớn có tính đến nhiều yếu tố tác động nội hệ thống S S với môi trường E Người ta chia q trình mơ hình hố làm hai giai đoạn: Giai đoạn thiết kế tổng thể hay thiết kế tầm vĩ mô (Macro Design) giai đoạn thiết cụ thể hay thiết kế mức đọ vi mô (Micro Design) Trong giai đoạn thiết kế tổng thể, sở liệu hệ thống thực môi trường E người ta xây dựng mơ hình hệ thống mơ hình mơi trường thoả mãn tiêu đánh giá định trước Còn giai đoạn thiết kế cụ thể, sở mô hình lựa chọn, người ta xác định điều kiện ràng buộc, xây dựng chương trình mơ máy tính thực việc mơ để xác định đặc tính kinh tế kỹ thuật hệ thống thực 2.2 ĐẶC ĐIỂM CỦA MƠ HÌNH HOÁ HỆ THỐNG Cùng với phát triển phương pháp lý thuyết, phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu, phân tích, tổng hợp hệ thống ngày hoàn thiện Đối với hệ thống thực nghiệm có hai phương pháp để nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu hệ thực nghiên cứu mơ hình Nghiên cứu thực nghiệm hệ thực cho ta số liệu khách quan, trung thực Ở phải giải vấn đề lấy mẫu thống kê, ước lượng tham số, phân tích xử lý liệu, Tuy nhiên, việc nghiên cứu hệ thực nhiều trường hợp khó khăn, nghiên cứu mơ hình phương pháp có nhiều triển vọng Nhìn chung đối tượng thực có cấu trúc phức tạp thuộc loại hệ thống lớn, mơ hình chúng liệt vào hệ thống lớn có đặc điểm sau: a- Tính mục tiêu Tuỳ theo yêu cầu nghiên cứu có mơ hình có mục tiêu để nghiên cứu nhiệm vụ cụ thể mơ hình đa mục tiều nhằm khảo sát số chức năng, đặc tính đối tượng thực tế b- Độ phức tạp Độ phức tạp thể cấu trúc phân cấp mơ hình, mối quan hệ qua lại hệ với hệ thống S với môi trường E c- Hành vi mơ hình Hành vi mơ hình đường để mơ hình đạt mục tiêu đề Tuỳ thuộc vào việc có yếu tố ngẫu nhiên tác động vào hệ hay khơng mà ta có mơ hình tiền định hay mơ hình ngẫu nhiên Theo hành vi hệ thống phân mơ hình liên tục mơ hình gián đoạn Nghiên cứu hành vi mơ hình biết xu hướng vận động đối tượng thực d- Tính thích nghi 10 ... pháp mô hình hố hệ thống mơ hình hệ thống TĨM TẮT NỘI DUNG CỐT LÕI Hiểu rõ khái niệm đặc điểm vai trị mơ hình hóa hệ thống mô Nắm triển vọng phát triển phương pháp mơ hình hóa hệ thống BÀI TẬP... xây dựng mơ hình hóa hệ thống - Về thái độ: Học sinh, Sinh viên hiểu rõ khái niệm mơ hình hóa hệ thống nắm đặc điểm, phân loại mơ hình hệ thống số ngun tắc xây dựng mơ hình hóa hệ thống 2.1 KHÁI... giải tốn mơ hình hố 2.3 PHÂN LOẠI MƠ HÌNH HỆ THỐNG Có thể vào nhiều dấu hiệu khác để phân loại mơ hình Mơ hình hệ thống Mơ hình vật lý Mơ hình thu nhỏ Mơ hình tốn học Mơ hình tương tự Mơ hình giải