Báo cáo tiểu luận kết thúc học phần môn học mô hình hóa và mô phỏng hệ thống

- Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống là quá trình tạo ra một phiên bản đại diệnảo của một hệ thống thực tế, với mục đích nắm bắt, mô tả và đánh giá các khíacạnh quan trọng của hệ thố

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

TRUNG TÂM ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

-BÁO CÁO TIỂU LUẬN KẾT THÚC HỌC PHẦN

MÔN HỌC: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG

MỤC LỤC

PHẦN 1 TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH

HÓA VÀ MÔ PHỎNG TRONG LĨNH VỰC CƠ KHÍ 5

1.1.Cơ sở về mô hình hoá và mô phỏng hệ thống 5

1.1.1 Khái niệm về mô hình hoá và mô phỏng 5

1.1.2 Vai trò của phương pháp mô hình hoá 5

1.1.3 Phân loại mô hình hệ thống 6

1.1.4 Xây dựng mô hình 7

1.1.5 Phương pháp mô phỏng 8

1.1.6 Những lĩnh vực ứng dụng của phương pháp mô phỏng 8

1.1.7 Các giai đoạn ứng dụng của phương pháp mô phỏng 8

1.1.8 Quá trình nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng 9

1.1.9 Các bước nghiên cứu mô phỏng 9

1.2.Ứng dụng phương pháp mô hình hóa và mô phỏng trong cơ khí 10

1.2.1 Thiết kế sản phẩm và tối ưu hóa 10

1.2.2 Phân tích và mô phỏng cơ học 11

1.2.3 Mô phỏng dòng chảy và nhiệt độ 11

1.2.4 Mô phỏng quá trình gia công và kiểm tra chất lượng 11

PHẦN 2.PHƯƠNG PHÁP KHAI TRIỂN TAYLOR XUNG QUANH ĐIỂM LÀM VIỆC TĨNH ĐỂ TUYẾN TÍNH HÓA HỆ THỐNG QUANH ĐIỂM LÀM VIỆC 12  Phân tích toán học 12

PHẦN 3 ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP BOND GRAPH ĐỂ XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TWIN ROTOR VÀ THỰC HIỆN CÁC PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG 15

3.1.Tổng quan về hệ thống Twin Rotor 15

3.2.Mô tả về thiết lập Twin Rotor 16

3.2.1 Xây dựng mô hình cấu tạo của hệ thống Twin Rotor 16

3.2.2 Cấu tạo của động cơ DC trong Twin Rotor 16

3.2.3 Điện áp trong Twin Rotor 18

3.2.4 Lực đẩy khí động học 19

3.3.Mô hình hóa động lực học Twin Rotor 20

3.4.Mô hình Bond Graph của hệ thống Twin Rotor 21

3.5.Mô hình hóa các khớp nối 23

3.6.Đối trọng Rotor chính, phụ, và động cơ DC 25

3.7.Kết luận 27

DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ mô hình hệ thống 8

Hình 1.2 Sơ đồ quá trình nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng 9

Hình 1.3 Các bước nghiên cứu mô phỏng 10

Hình 3.1 a Hệ thống Twin Rotor Hình 3.1 b.Mặt chiếu đứng của hệ thống 15

Hình 3.2.Mô hình thí nghiệm hệ thống Twin Rotor và Mô hình tọa độ CAD 16

Hình 3.3 Sơ đồ mạch động cơ DC 18

Hình 3.4 Điện áp đầu vào của động cơ chính và động cơ phụ 18

Hình 3.5.Mối quan hệ giữa Um và Ut ,Vm và Vt 19

Hình 3.6.Bố trí để ước tính lực đẩy, lực cản và độ cứng phi tuyến tính 19

Hình 3.7.Lực đẩy của cánh quạt chính Hình 3.8.Lực đẩy của cánh quạtphụ 20

Hình 3.9.Mô hình Bond Graph của hệ thống Twin Rotor 22

Hình 3.10 Các vật thể i và j có khớp quay tại điểm chung S 23

Hình 3.11 Mô hình hệ thống Bond Graph 24

Hình 3.12 Mô hình hệ thống Bond Graph của dầm đỡ 25

Hình 3.13 Mô hình Bond Graph của đối trọng Twin Rotor với khớp 25

Hình 3.14 Mô hình Bond Graph của a tấm chắn cánh quạt phụ TRMS có khớp nối 26

Hình 3.15.Mô hình Bond Graph của a tấm chắn cánh quạt chính TRMS có khớp nối 26

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời đại công nghệ hiện đại, mô hình hóa và mô phỏng hệ thống đã trởthành công cụ không thể thiếu trong nghiên cứu, phát triển và quản lý các hệ thốngphức tạp Bằng cách tạo ra các đại diện ảo của hệ thống thực tế, chúng ta có thểhiểu rõ hơn về hoạt động, tương tác và ảnh hưởng của các yếu tố trong hệ thống

Mô hình hóa là một phương pháp khoa học được ứng dụng rộng rãi trong nhiềulĩnh vực như khoa học, công nghệ, quân sự, kinh tế, và xã hội Nhờ sự hỗ trợ củamáy tính hiện đại, phương pháp này đã phát triển mạnh mẽ và mang lại hiệu quảlớn Trong tiểu luận này, em sẽ tìm hiểu các phương pháp mô hình hóa và môphỏng hệ thống, từ mô hình tĩnh đến mô hình động, cũng như các công cụ và phầnmềm liên quan

Em hy vọng rằng tiểu luận này không chỉ giúp em nắm vững kiến thức về môhình hóa và mô phỏng, mà còn rèn luyện kỹ năng nghiên cứu và giải quyết vấn đề.Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần nâng cao hiểu biết của em về lĩnh vực này

Do còn hạn chế thời gian và kiến thức nên những nghiên cứu, tìm hiểu vẫnmang tính tổng quan, định tính Vậy nên, báo cáo không tránh khỏi còn có nhữngsai sót, nên rất mong nhận được những ý kiến đóng góp để tác giả có thể sửa chữa

và cải tiến, hoàn thiện và làm phong phú thêm nội dung của tiểu luận Em xin trân

thành cảm ơn trân thành nhất đến thầy PGS Nguyễn Anh Tú đã tận tâm hỗ trợ và

hướng dẫn em trong quá trình hoàn thành bài tiểu luận

Em xin chân thành cảm ơn!

Học viên thực hiện

Phạm Phú Dũng

PHẦN 1 TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG TRONG LĨNH VỰC CƠ KHÍ

1.1 Cơ sở về mô hình hoá và mô phỏng hệ thống.

1.1.1 Khái niệm về mô hình hoá và mô phỏng.

- Đối tượng (Object): Là tất cả những sự vật, sự kiện mà hoạt động của conngười có liên quan tới

- Hệ thống (System): Là tập hợp các đối tượng, sự kiện mà giữa chúng có nhữngmối quan hệ nhất định

- Trạng thái của hệ thống (State of system): là tập hợp các tham số, biến số dùng

để mô tả hệ thống tại một thời điểm và trong một điều kiện nhất định

- Mô hình (Model): Là một sơ đồ phản ánh đối tượng, con người dùng sơ đồ đó

để nghiên cứu, thực nghiệm nhằm tìm ra quy luật hoạt động của đối tượng hay nóicách khác mô hình là đối tượng thay thế của đối tượng gốc để nghiên cứu về đốitượng gốc

- Mô hình hóa (Modeling): Là thay thế đối tượng gốc bằng mô hình nhằm tiếnhành thu nhận các thông tin quan trọng về đối tượng bằng cách tiến hành các thựcnghiệm trên mô hình

- Mô phỏng (Simulation, Imitation): Là phương pháp mô hình hóa dựa trên việcxây dựng mô hình số (Numerical model) và dùng các phương pháp số (Numericalmethod) để tìm lời giải

- Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống là quá trình tạo ra một phiên bản đại diệnảo của một hệ thống thực tế, với mục đích nắm bắt, mô tả và đánh giá các khíacạnh quan trọng của hệ thống

- Thực tế chỉ có thể xây dựng các mô hình gần đúng với đối tượng, bởi trong quátrình mô hình hóa bao giờ cũng phải chấp nhận một số giả thiết nhằm giảm bớt độphức tạp của mô hình, để mô hình có thể ứng dụng thuận tiện trong thực tế

1.1.2 Vai trò của phương pháp mô hình hoá.

- Nghiên cứu trên hệ thống thực gặp nhiều khó khăn Phương pháp MHH chophép giảm rủi ro và chi phí trong quá trình phát triển hệ thống Thay vì thử nghiệmtrực tiếp trên hệ thống thực tế, ta có thể thử nghiệm và kiểm tra các giả định, thiết

kế và cải tiến trên mô hình ảo Bên cạnh đó mô hình hóa và mô phỏng cho phép tatối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.

 Giá thành nghiên cứu trên hệ thống thực quá đắt: Đánh giá độ bền, phá hủycủa ô tô, tàu thủy, máy bay

 Nghiên cứu trên hệ thống thực đòi hỏi thời gian quá dài: Đánh giá độ tin cậy,tuổi thọ trung bình của hệ thống kỹ thuật (tuổi thọ trung bình 30- 40 năm)

 Nghiên cứu trên hệ thực ảnh hưởng đến sản xuất hoặc gây nguy hiểm chongười và thiết bị: Nghiên cứu quá trình cháy trong lò hơi nhà máy nhiệt điện  Một số trường hợp không cho phép làm thực nghiệm trên hệ thống thựcNghiên cứu các hệ thống làm việc ở môi trường độc hại, nguy hiểm

- Phương pháp MHH cho phép đánh giá độ nhạy của hệ thống khi thay đổi thamsố hoặc cấu trúc hệ thống cũng như đánh giá phản ứng của hệ thống khi thay đổi tínhiệu điều khiển Những số liệu này dùng để thiết kế hệ thống

- Phương pháp MHH cho phép thiết kế hệ thống ngay cả khi chưa có hệ thốngthực, khi đó việc nghiên cứu trên mô hình là giải pháp duy nhất để đánh giá cáctiêu chí kỹ thuật của hệ thống, lựa chọn cấu trúc và thông số tối ưu của hệ thống

- Phương pháp MHH cho phép dự báo và đánh giá tương lai của hệ thống Bằngcách thay đổi các tham số và điều kiện đầu vào, ta có thể đánh giá các kịch bảnkhác nhau và tìm ra những cách cải thiện hiệu suất hoặc đối phó với các tình huốngkhó khăn

- Mô hình hóa và mô phỏng cung cấp một công cụ hữu ích để hỗ trợ quyết định.Bằng cách tạo ra các mô hình ảo, ta có thể đánh giá các kịch bản khác nhau và đưa

ra quyết định dựa trên dữ liệu và thông tin đã mô phỏng

- Bằng cách sử dụng mô hình hóa và mô phỏng, ta có thể nắm bắt được các khíacạnh quan trọng của hệ thống và đưa ra các quyết định thông minh để cải thiệnhiệu suất và đạt được kết quả tốt hơn

1.1.3 Phân loại mô hình hệ thống.

- Mô hình có thể hiểu là mối quan hệ theo giả thuyết của các tín hiệu quan sátđược của hệ thống Do đó có nhiều dạng khác nhau nên được nhóm thành các bậckhác nhau của mô hình toán Tùy vào mục đích sử dụng mà mức độ phức tạp của

mô hình sẽ được lựa chọn

- Trong một số hệ thống cụ thể, có thể dùng các bảng số hoặc các hình vẽ để môtả đặc tính phù hợp (các mô hình đó còn gọi là graphical model).

- Các mô hình toán được đặc trưng bởi các đặc tính như: liên tục hay rời rạc, tậptrung hay phân bố, xác định hay ngẫu nhiên, tuyến tính hay phi tuyến

Mô hình vật lý là mô hình được cấu tạo bởi các phần tử vật lý, các thuộc tính

của đối tượng phản ánh các định luật vật lý xảy ra trong mô hình

Mô hình toán học thuộc loại mô hình trừu tượng, các thuộc tính được phản ánh

bằng các biểu thức, phương trình toán học

Mô hình giải tích: Được xây dựng bởi các biểu thức giải tích, cho kết quả rõ

ràng, tổng quát nhưng thường phải chấp nhận một số giả thiết đơn giản hóa để cóthể biểu diễn đối tượng thực bằng các biểu thức giải tích, do đó thường dùng chocác hệ tiền định và tuyến tính

Mô hình số: Được xây dựng theo phương pháp số tức là bằng các chương trình

chạy trên máy tính số Có thể mô tả các yếu tố ngẫu nhiên và tính phi tuyến của đốitượng thực do đó gần với đối tượng thực

Hình TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA VÀ

MÔ PHỎNG TRONG LĨNH VỰC CƠ KHÍ.1 Sơ đồ mô hình hệ thống

1.1.4 Xây dựng mô hình.

- Một cách cơ bản, một mô hình được xây dựng dựa trên những dữ liệu quan sátđược Các mental model được xây dựng từ kinh nghiệm, graphical model đượcthiết lập từ các đo lường

- Các mô hình toán được xây dựng theo 02 cách (hoặc kết hợp cả hai):

- Chia hệ thống thành các hệ thống con mà các đặc tính của nó đã biết trước (dựavào các empirical work) Sau đó các hệ thống con được liên kết toán học với nhau

để tạo thành hệ thống tổng thể, phương pháp này được gọi là mô hình hóa(modeling) và không cần thực hiện các thí nghiệm trên hệ thống thực.

 Phương pháp thường dùng là xây dựng sơ đồ khối trong đó các khối là cácphần tử đơn giản Việc xây dựng sơ đồ khối ngày nay thường được xây dựng trênmáy tính nên còn được gọi là mô hình phần mềm

 Phương pháp thứ hai để xây dựng mô hình toán cũng như mô hình đồ họa làdựa trực tiếp vào các thí nghiệm, các đầu vào và đầu ra được lưu trữ để phục vụphân tích và suy ra mô hình (nhận dạng hệ thống)

1.1.5 Phương pháp mô phỏng.

- Mô phỏng là quá trình xây dựng mô hình toán học của hệ thống thực và sau đótiến hành tính toán thực nghiệm trên mô hình để mô tả, giải thích và dự đoán hành

vi của hệ thống thực Ba điểm cơ bản của mô phỏng:

 Phải có mô hình toán học tốt (đồng nhất cao với hệ thực, dễ sử dụng)  Có khả năng thực hiện các chương trình máy tính để xác định các thông tin

- Phân tích và thiết kế hệ thống sản xuất, lập kế hoạch sản xuất

- Đánh giá phần cứng, phần mềm của hệ thống máy tính

- Quản lý và xác định chính sách dự trữ mua sắm vật tư của hệ thống kho vật

tư, nguyên liệu

- Phân tích và đánh giá hệ thống phòng thủ quân sự, xác định chiến lượcphòng thủ, tấn công;

- Phân tích và thiết kế hệ thống thông tin liên lạc, đánh giá khả năng làm việccủa mạng thông tin

- Đánh giá và phân tích các cơ sở dịch vụ như bệnh viện, bưu điện

1.1.7 Các giai đoạn ứng dụng của phương pháp mô

- Giai đoạn vận hành hệ thống để đánh giá khả năng hoạt động, giải bài toán tối

ưu, chẩn đoán các trạng thái đặc biệt của hệ thống

1.1.8 Quá trình nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng.

- Để nghiên cứu hệ thống thực, trước tiên phải tiến hành mô hình hóa, xây dựng

mô hình mô phỏng, sau khi có mô hình mô phỏng sẽ tiến hành làm các thựcnghiệm trên mô hình để thu được kết quả mô phỏng và xử lý kết quả thực nghiệm

để thu được thông tin về hệ thống thực Dùng các thông tin và kết luận để hiệuchỉnh hệ thống thực theo mục đích đặt ra

Hình TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA VÀ

MÔ PHỎNG TRONG LĨNH VỰC CƠ KHÍ.2 Sơ đồ quá trình nghiên cứu

bằng phương pháp mô phỏng

1.1.9 Các bước nghiên cứu mô phỏng.

Hình TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA VÀ

MÔ PHỎNG TRONG LĨNH VỰC CƠ KHÍ.3 Các bước nghiên cứu mô phỏng

- Mô hình hóa là phương pháp xây dựng mô hình toán của hệ thống bằng cáchdựa vào các qui luật vật lý chi phối hoạt động của hệ thống Mục tiêu của mô hìnhhóa hệ thống là đơn giản hóa và trừu tượng hóa một hệ thống phức tạp thành mộtbiểu đồ dễ hiểu, nhằm giúp nhà nghiên cứu và nhà phát triển hiểu rõ hơn về cấutrúc, hoạt động và tương tác của các phần tử trong hệ thống

- Mô phỏng hệ thống là quá trình tạo ra một phiên bản ảo của hệ thống, trong đócác yếu tố và tương tác giữa chúng được mô phỏng dưới dạng các quy tắc toánhọc, mô hình số hoặc các phương trình điều khiển Mô phỏng cho phép ta thửnghiệm và đánh giá hiệu suất, tương tác và các kịch bản khác nhau của hệ thốngtrong một môi trường ảo Mục tiêu của mô phỏng là kiểm tra và đánh giá hiệu suất,

dự đoán hành vi và tìm kiếm cách cải thiện hệ thống một cách an toàn và hiệu quả

 Ba bước để mô hình hóa:

Bước 1: Phân tích chức năng: phân tích hệ thống thành các khối chức năng,

trong đó mô hình toán của các khối chức năng đã biết hoặc có thể rút ra được dựavào các qui luật vật lý

Bước 2: Phân tích vật lý: rút ra mô hình toán của các khối chức năng dựa vào các

qui luật vật lý

Bước 3: Phân tích toán học: các khối chức năng được kết nối toán học để được

mô hình của hệ thống

- Phương pháp mô hình hóa chỉ có thể áp dụng khi ta đã biết rõ cấu trúc của hệthống và các qui luật vật lý chi phối hoạt động của hệ thống

1.2.1 Thiết kế sản phẩm và tối ưu hóa.

Mô hình hóa 3D: Phần mềm CAD (Computer-Aided Design) như SolidWorks,

CATIA, hoặc AutoCAD giúp kỹ sư cơ khí mô hình hóa các chi tiết, cụm chi tiết máy và khuôn mẫu với độ chính xác cao Điều này cho phép mô phỏng sản phẩm trước khi sản xuất thực tế, giảm thiểu lỗi thiết kế

- Tối ưu hóa hình học: Thông qua mô phỏng, các kỹ sư có thể tối ưu hóa hình

học của sản phẩm hoặc khuôn mẫu để đạt được hiệu suất tốt hơn, giảm khối lượngvật liệu mà không làm giảm tính chất cơ học

1.2.2 Phân tích và mô phỏng cơ học.

- Phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis - FEA): Phương pháp

FEA được sử dụng để mô phỏng ứng suất, biến dạng, và sự phân bố lực trong các

bộ phận cơ khí hoặc khuôn mẫu Điều này giúp dự đoán được hành vi của vật liệudưới các điều kiện tải khác nhau, từ đó tối ưu hóa thiết kế

- Phân tích động lực học: Sử dụng phần mềm như ANSYS hoặc ABAQUS, các

kỹ sư có thể mô phỏng động lực học của hệ thống cơ khí, giúp cải thiện hiệu suất

và độ bền của các sản phẩm, chẳng hạn như máy móc hoặc bộ phận khuôn mẫu

1.2.3 Mô phỏng dòng chảy và nhiệt độ.

- Mô phỏng dòng chảy (CFD - Computational Fluid Dynamics): Đối với các

khuôn mẫu liên quan đến việc đúc hoặc ép phun nhựa, CFD giúp mô phỏng quátrình dòng chảy của chất lỏng hoặc vật liệu nóng chảy trong khuôn, đảm bảo rằngvật liệu được phân bố đồng đều, tránh lỗi bọt khí hoặc các khuyết tật khác

- Mô phỏng nhiệt độ: Trong quá trình đúc khuôn, việc kiểm soát nhiệt độ là rất

quan trọng Phương pháp mô phỏng giúp dự đoán phân bố nhiệt độ trong khuôn, từ

đó điều chỉnh hệ thống làm mát và các yếu tố liên quan để tránh biến dạng hoặc lỗi

do nhiệt

1.2.4 Mô phỏng quá trình gia công và kiểm tra chất

lượng.

- Mô phỏng quá trình gia công (CAM - Computer-Aided Manufacturing)

: Các phần mềm CAM hỗ trợ lập trình gia công tự động, từ đó giúp tạo ra cácchương trình điều khiển máy CNC dựa trên mô hình 3D Điều này đảm bảo độchính xác cao và giảm thiểu lỗi trong quá trình sản xuất

- Kiểm tra và thử nghiệm mô phỏng: Trước khi sản xuất hàng loạt, các mô

phỏng có thể được sử dụng để thử nghiệm độ bền, độ ổn định của khuôn mẫu vàcác chi tiết máy Nhờ đó, giảm thiểu rủi ro và chi phí liên quan đến việc thửnghiệm thực tế

XUNG QUANH ĐIỂM LÀM VIỆC TĨNH ĐỂ

TUYẾN TÍNH HÓA HỆ THỐNG QUANH ĐIỂM

LÀM VIỆC

 Phân tích toán học

- Khai triển Taylor là một phương pháp hữu ích để tuyến tính hóa hệ thống phi

tuyến quanh một điểm làm việc tĩnh (còn gọi là điểm cân bằng) Phương pháp này

sử dụng khai triển Taylor bậc nhất của hàm số phi tuyến để gần đúng một cáchtuyến tính hệ thống tại một vùng nhỏ xung quanh điểm làm việc

- Kết hợp tất cả các hệ phương trình mô tả đặc tính động của các bộ phận chứcnăng để được hệ phương trình mô tả hệ thống

- Tuyến tính hóa quan hệ phi tuyến để được mô tả toán học tuyến tính Phươngtrình trạng thái là hệ n phương trình vi phân bậc 1 được sử dụng để mô tả hệ thống

{˙x (t )= Ax (t )+Br (t )

c (t )=Cx (t )

Trong đó:

,

- Nếu ( x ̅& ,u) là điểm dừng của hệ phi tuyến thì:

f ( x(t ),u(t ))|x=x ,u=u ̅& = 0

- Điểm dừng còn được gọi là điểm làm việc tĩnh của hệ phi tuyến

- Phương pháp khai triển Taylor cho phép ta xấp xỉ một hàm phi tuyến bằng mộtchuỗi các thành phần tuyến tính và phi tuyến tại một điểm cụ thể Để tuyến tínhhóa hệ thống, ta chỉ giữ lại các thành phần bậc nhất trong khai triển Taylor, và bỏqua các thành phần bậc cao hơn

- Khai triển Taylor xung quanh điểm làm việc tĩnh ( x ̅& ,u ̅& ) ta có thể mô tả hệthống bằng phương trình trạng thái tuyến tính

- Các ma trận trạng thái tuyến tính gần đúng được xác định: