giáo trình mô hình hóa và mô phỏng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG Trương Vũ Bằng Giang, Trần Xuân Nam NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI Mục lục Mục lục i Danh sách hình vẽ vii Danh sách bảng xii Giới thiệu 1 1 Các khái niệm cơ bản 3 1.1 Mởđầu 3 1.2 Vaitròcủamôhìnhhoávàmôphỏng 4 1.3 Các trường hợp cần sử dụng phương pháp mô phỏng 5 1.3.1 Nghiên cứu trên hệ thống thực gặp khó khăn 5 1.3.2 Đánhgiáđộnhạycủahệthống 6 1.3.3 Khichưacóhệthốngthực 7 1.4 Các hướng phát triển của phương pháp mô phỏng . 7 1.5 Ngônngữvàcôngcụmôphỏng 8 1.6 Mộtsốlỗithườnggặptrongmôphỏng 9 1.6.1 Mứcđộchitiếtchưathỏađáng 9 1.6.2 Ngônngữkhôngphùhợp 10 1.6.3 Mô hình chưa được kiểm chứng 10 1.6.4 Môhìnhkhôngchínhxác 10 1.6.5 Xử lý điều kiện ban đầu không chính xác . . 11 i ii MỤC LỤC 1.6.6 Thờigianmôphỏngquángắn 11 1.7 Một số nguyên nhân làm kết quả mô phỏng bị sai . 11 1.7.1 Dựtrùthờigiankhôngthíchhợp 11 1.7.2 Mụctiêukhócóthểđạtđược 12 1.7.3 Chưacóđủcáckỹnăngcầnthiết 12 1.7.4 Mức độ tham gia của người sử dụng chưa đủ 13 1.7.5 Tài liệu không tồn tại hoặc đã lỗi thời . . . 13 1.7.6 Khả năng quản lý một chương trình phức tạp 14 1.7.7 Kết quả phức tạp và khó hiểu 14 2 Các mô hình và phương pháp mô phỏng 15 2.1 Xây dựng mô hình mô phỏng 15 2.2 Phânloạicácmôhìnhmôphỏng 16 2.3 Các phương pháp mô phỏng 18 2.4 Mô phỏng Monte-Carlo trong truyền thông số . . . 20 2.5 Mô phỏng băng thông và mô phỏng băng gốc . . . 27 3 Phương pháp luận mô phỏng 31 3.1 Mởđầu 31 3.2 Xácđịnhbàitoán 32 3.2.1 Địnhnghĩađốitượngnghiêncứu 33 3.2.2 Liệt kê các vấn đề đặc biệt cần chú ý . . . . 34 3.2.3 Xác định giới hạn và miền nghiên cứu . . . 35 3.2.4 Xác định độ chi tiết và trừu tượng thích hợp 36 3.2.5 Xác định tính cần thiết của mô hình mô phỏng 37 3.2.6 Ước lượng các tài nguyên cần thiết . . . . . 37 3.2.7 Thực hiện phân tích chi phí-lợi nhuận . . . . 37 3.2.8 Lậpbiểuđồkếhoạchchodựán 38 3.2.9 Lậpbáocáođềxuất 39 3.3 Thiếtkếnghiêncứu 39 3.3.1 Ướclượngvòngđờimôhình 40 3.3.2 Liệt kê những giả định 41 3.3.3 Ướctínhsốmôhìnhcầnthiết 41 MỤC LỤC iii 3.3.4 Xácđịnhyêucầuvềhìnhhọa 42 3.3.5 Lựachọncôngcụ 42 3.3.6 Xác định mức độ dữ liệu sẵn có và dữ liệu cần 42 3.3.7 Xácđịnhyêucầuvềnhânlực 43 3.3.8 Xác định nhóm người dùng 44 3.3.9 Xác định các nội dung chuyển giao . . . . . 44 3.3.10 Xác định các ưu tiên trong nghiên cứu . . . 45 3.3.11 Thiết lập các mốc thời gian quan trọng . . . 45 3.3.12 Lập bảng các tiêu chí kỹ thuật của dự án . . 46 3.4 Thiếtkếmôhìnhkháiniệm 46 3.4.1 Quyết định tính liên tục, rời rạc, hoặc kết hợp 47 3.4.2 Xác định các thành phần định hướng hệ thống 47 3.4.3 Xác định các thực thể biểu diễn hệ thống . . 48 3.4.4 Xác định mức độ chi tiết mô tả hệ thống . . 48 3.4.5 Xác định mức độ yêu cầu về đồ họa . . . . . 49 3.4.6 Xác định phương thức truyền tải các kết quả 49 3.5 Thiết lập đầu vào, giả định và định nghĩa quá trình 49 3.5.1 Xác định nguyên lý hoạt động của hệ thống 50 3.5.2 Môtảcácràngbuộccủahệthống 51 3.5.3 Môtảquátrìnhchitiết 51 3.5.4 Thu nhận các đặc tính kỹ thuật khi vận hành 51 3.5.5 Liệtkêtấtcảcácgiảđịnh 51 3.5.6 Phântíchdữliệuđầuvào 52 3.5.7 Định rõ các thông số thời gian chạy . . . . . 52 3.5.8 Lập bảng chi tiết các tiêu chí kỹ thuật . . . 52 3.5.9 Xácthựcmôhìnhkháiniệm 52 3.6 Dịch và liên kết, kiểm chứng và xác thực mô hình . 53 3.7 Thử nghiệm và thiết kế mô hình thực nghiệm . . . 54 3.8 Lậpbáocáovàtrìnhbàykếtquả 55 3.8.1 Sáchdựán 56 3.8.2 Tài liệu về đầu vào, đầu ra, mã chương trình 56 3.8.3 Cácđặctínhkỹthuậtcủadựán 57 3.8.4 Sách hướng dẫn sử dụng 57 iv MỤC LỤC 3.8.5 Sổbảohành 58 3.8.6 Thảo luận và giải thích về kết quả mô phỏng 58 3.8.7 Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo . . 58 3.8.8 Báo cáo và giới thiệu cuối cùng của dự án . 59 3.9 Địnhnghĩavòngđờicủamôhình 60 3.9.1 Xây dựng giao diện thân thiện với người dùng 60 3.9.2 Xác định mô hình và trách nhiệm đào tạo . 61 3.9.3 Thiết lập toàn vẹn dữ liệu và các bước thu thập 61 3.9.4 Thực hiện xác thực dữ liệu hiện trường . . . 61 4 Mô phỏng với Matlab Communication Toolbox 63 4.1 GiớithiệuvềMatlab 63 4.2 GiớithiệuCommunicationsToolbox 65 4.3 Khai thác các phần tử của hệ thống truyền thông . 66 4.4 Môphỏngmộthệthốngtruyềnthông 88 4.5 Mộtsốbàitập 98 4.5.1 Bàitập4.1 98 4.5.2 Bàitập4.2 98 4.5.3 Bàitập4.3 98 5 Mô phỏng với Simulink 99 5.1 GiớithiệuvềSimulinktrongMATLAB 99 5.2 Cáckhốicơbản 100 5.2.1 Các khối cơ bản thường dùng 100 5.2.2 Nhiệm vụ và chức năng các khối cơ bản . . 101 5.2.3 Mộtsốvídụ 105 5.3 Thưviệncáckhốiliêntục 108 5.3.1 Khốiđạohàm 108 5.3.2 Khốihàmtruyềnđạt 110 5.3.3 Khốiđiểmkhông-điểmcực 111 5.4 Mộtsốbàitậpvàhướngdẫngiải 114 5.4.1 Bàitập 114 5.4.2 Hướngdẫngiải 115 MỤC LỤC v 5.5 Thưviệncáckhốiphátvàhiểnthị 118 5.5.1 Thưviệncáckhốiphát 118 5.5.1.1 Khốihằngsố 118 5.5.1.2 Khốipháttínhiệu 118 5.5.1.3 Khốiphátxung 121 5.5.1.4 Khốitạosóngsin 121 5.5.1.5 Khốinhảybậc 123 5.5.2 Thưviệncáckhốihiểnthị 124 5.5.2.1 Khốihiểnthịdạngsóng 124 5.5.2.2 Khốihiểnthịsốliệu 125 5.6 Mộtsốbàitập 127 5.6.1 Bàitập5.3 127 5.6.2 Bàitập5.4 129 5.6.3 Bàitập5.5 130 5.6.4 Bàitập5.6 131 5.6.5 Bàitập5.7 133 6 Mô phỏng với Opnet 135 6.1 GiớithiệuOPNET 135 6.2 Môitrườnglàmviệc 138 6.3 MôphỏngvớiOPNETITGuru 140 6.4 TrìnhtựmôphỏngOPNET 141 6.5 Ví dụ mô phỏng một mạng Intranet đơn giản . . . 145 6.6 Mộtsốlưuý 158 6.7 Mộtsốbàitập 159 6.7.1 Bàitập6.1 159 6.7.2 Bàitập6.2 159 6.7.3 Bàitập6.3 160 7 Mô phỏng với Ansoft Designer 161 7.1 GiớithiệuvềcôngcụAnsoftDesigner 161 7.2 Một số ví dụ ứng dụng . . . 162 7.2.1 Thiết kế một mạch lọc thông thấp Chebyshev 162 vi MỤC LỤC 7.2.2 Thiết kế mạch dải λ/4 phối hợp trở kháng . 168 7.3 Mộtsốbàitập 184 7.3.1 Bàitập7.1 184 7.3.2 Bàitập7.2 185 Tài liệu tham khảo 187 Danh sách hình vẽ 2.1 Lược đồ xây dựng mô hình mô phỏng. 15 2.2 Quan hệ sai số-thời gian chạy-độ phức tạp của mô hình. 16 2.3 Phânloạicácmôhìnhmôphỏng 17 2.4 MôhìnhmôphỏngMonte-Carlo. 21 2.5 Biểu diễn phương pháp mô phỏng Monte-Carlo. . . . . 22 3.1 BiểuđồGantt 38 4.1 Sơđồkhốihệthốngmôphỏng. 68 4.2 Chuỗi bit phát ngẫu nhiên: trường hợp 40 bit đầu tiên. 70 4.3 Chuỗi thập phân biến đổi từ chuỗi bit ngẫu nhiên. . . . 71 4.4 Sơđồchòmsaotínhiệuthu/phát. 74 4.5 Sơ đồ chòm sao tín hiệu phát sử dụng ánh xạ tự nhiên. 78 4.6 Sơ đồ chòm sao tín hiệu phát sử dụng ánh xạ Gray. . . 79 4.7 ĐápứngxungcủabộlọcCosinenâng 81 4.8 Sơđồmẫumắtcủatínhiệu 82 4.9 Đồ thị tán xạ tín hiệu trước (·)vàsaukhilọc(×). . . 83 4.10 Sơ đồ bộ mã hóa tỉ lệ 2/3. . . . 85 4.11 Giao diện BERTool 92 4.12Kếtquảmôphỏng 93 4.13 Nhập các giá trị cho tính toán BER lý thuyết. . . . . . 93 4.14 So sánh kết quả BER lý thuyết và mô phỏng. . . . . . 94 vii viii DANH SÁCH HÌNH VẼ 4.15 Phẩm chất BER theo các bậc điều chế khác nhau. . . . 98 5.1 Các khối cơ bản thường dùng. . 100 5.2 Tính v C (t) củamạchđiện 101 5.3 Sơ đồ nguyên lý cho phương trình (5.6) 103 5.4 Sơ đồ các khối trong Simulink cho phương trình (5.6). 103 5.5 Dạng sóng của v C (t) 104 5.6 SơđồkhốitíchphântrongSimulink. 104 5.7 Function Block Parameters cho khối tích phân liên tục. 105 5.8 MạchđiệnchoVídụ5.1 106 5.9 MôhìnhchoVídụ5.1 106 5.10DạngsónglốiracủaVídụ5.1. 107 5.11MôhìnhchoVídụ5.2 107 5.12Thưviệncáckhốiliêntục 108 5.13Sơđồkhốiđạohàm-Derivative. 109 5.14MôhìnhchoVídụ5.3 109 5.15 Dạng sóng đầu vào và đầu ra trong Ví dụ 5.3. . . . . . 109 5.16Sơđồkhốihàmtruyềnđạt-TransferFcn 110 5.17MạchđiệnchoVídụ5.4 111 5.18MôhìnhchoVídụ5.4 111 5.19 Sơ đồ khối điểm không - điểm cực - Zero-Pole. . . . . . 112 5.20 Khối điểm không - điểm cực - Zero-Pole dạng biến. . . 113 5.21 Khối điểm không - điểm cực - Zero-Pole dạng véc-tơ. . 113 5.22MôhìnhchoVídụ5.5 113 5.23DạngsóngđầuvàovàđầuracủaVídụ5.5 114 5.24MạchđiệnchoBàitập5.1 114 5.25MạchđiệnchoBàitập5.2 115 5.26MôhìnhchoBàitập5.1 116 5.27DạngsónglốiracủaBàitập5.1. 116 5.28 Mạch điện tương ứng trong miền s của Bài tập 5.2. . . 117 5.29MôhìnhchoBàitập5.2 117 5.30DạngsónglốiracủaBàitập5.2. 117 5.31Cáckhốiphát. 119 [...]... hp ca cỏc thut toỏn gii cỏc phng trỡnh trong mụ hỡnh gii tớch (phõn tớch) Cỏc phng phỏp s c s dng thc hin cụng vic ny Cao Sai số mô hình Thời gian mô phỏng vs Độ phức tạp Vùng hoạt động thực tế Thấp Dài Thời gian mô phỏng Sai số vs Độ phức tạp Ngắn Thấp Độ phức tạp Mô hình Cao Hỡnh 2.2: Quan h sai s-thi gian chy- phc tp ca mụ hỡnh Mi quan h gia sai s mụ hỡnh, phc tp v thi gian mụ phng c biu din ... cỏc tớnh nng cn thit nhng li khụng quỏ phc tp cú th thc hin c bng cỏc mỏy tớnh thụng dng Yờu cu ny ũi hi phi cú s cõn i gia tớnh chớnh xỏc, phc tp v yờu cu tớnh toỏn ca mụ hỡnh Phần cứng Mô hình giải tích Mô hình mô phỏng Hỡnh 2.1: Lc xõy dng mụ hỡnh mụ phng 15 16 CHNG 2 CC Mễ HèNH V PHNG PHP Mễ PHNG i vi mt quỏ trỡnh mụ phng, thụng thng cú hai mụ hỡnh c xõy dng: mụ hỡnh gii tớch (phõn tớch) v mụ hỡnh . niệm cơ bản nhất về mô hình hóa và mô phỏng; Chương 2. Các mô hình và phương pháp mô phỏng: phân loại các mô hình và phương pháp mô phỏng; Chương 3. Phương pháp luận mô phỏng: trình bày các bước. Phân loại các mô hình mô phỏng Mô hình mô phỏng có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau như mô tả trên Hình 2.3. Mô hình mô phỏng có thể phân loại 2.2. PHÂN LOẠI CÁC MÔ HÌNH MÔ PHỎNG 17 thành. chương trình phức tạp 14 1.7.7 Kết quả phức tạp và khó hiểu 14 2 Các mô hình và phương pháp mô phỏng 15 2.1 Xây dựng mô hình mô phỏng 15 2.2 Phânloạicácmôhìnhm phỏng 16 2.3 Các phương pháp mô phỏng