mô hình hóa chuong 2

MÔ HÌNH HÓA • Nội dung – C1: Vai trò mô hình hóa hệ thống – C2: Khái niệm mô hình hóa hệ thống – C3: Phương pháp mô – C4: Mô hệ thống liên tục – C5: Mô 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 toàn hệ thống đến chức nhiệm vụ phần tử cụ thể môi 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 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 1-1: Hệ thống sản xuất •Toàn nhà máy •Xưởng B •Xưởng A •CNC •Robodrill •Washing •Plating •Hình 1-0: Mô hình hoá hệ thống 2.1 Nguyên lý tiếp cận hệ thống MHH VD: Mô hình hoá hệ thống điều khiển nhà máy mạ kim loại: -> Xác định mục tiêu mô hình hoá – Mô hình hoá hệ thống để kiểm tra theo dõi thông số kỹ thuật toàn nhà máy (Do 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 mô hình M: Mô hình M mô hình toàn nhà máy thu nhỏ dạng mô hình thật kích thước nhỏ hay phần mềm chứa thông số có quan hệ với -> Xác định cấu trúc hệ thống: Đi sâu phân tích thông số kỹ thuật dây truyền 2.2 Đặc điểm MHH Tính mục tiêu: Tuỳ thuộc vào yêu cầu nghiên cứu mà mô hình 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 mô hình, mối quan hệ phần tử hệ thống S hay hệ thống với môi trường Hành vi mô hình: Phương pháp để mô hình đạt mục tiêu nghiên cứu đề Tính thích nghi: Là khả mô hình phản ánh tác động môi trường tới hệ thống khả giữ ổn định mô hình tác động thay đổi 2.2 Đặc điểm MHH Tính điều khiển được: Người dùng sử dụng biện pháp lập trình người ta điều khiển mô hình theo mục tiêu định trước Thực trao đổi thông tin người với mô hình để thu nhận thông tin đưa định điều khiển Khả phát triển mô hình: Khi tiến hành mô hình hoá hệ thống xuất toán nghiên cứu phát triển tương lai mô hình phải có khả mở rộng phát triển Độ xác, tin cậy: Mô hình hoá việc thay đối tượng thực mô hình để thuận tiện cho việc nghiên cứu mô hình cần phản ánh xác tượng xảy đối tượng Các kết thu từ mô hình cần đảm bảo độ xác đề nghiên cứu Vì phương pháp xử lý kết thực nghiệm, đánh giá sai số quan trọng việc mô hình hoá với mô hình ngẫu nhiên dùng phương pháp mô 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 mô hình hoá hệ thống: • Mô hình hệ thống phân thành cặp sau: - Mô hình tiền định – mô hình ngẫu nhiên - Mô hình tĩnh – mô hình động - Mô hình tuyến tính – mô hình phi tuyến - Mô hình liên tục – mô hình gián đoạn - Mô hình vật lý – mô hình toán học - Mô hình giải tích – mô hình mô ………… 2.3 Phân loại MHH •Mô hình hệ thống •Mô hình tiền định •Mô hình ngẫu nhiên •Mô hình tĩnh •Mô hình động •Mô hình gián đoạn •Mô hình gián đoạn liên tục •Mô hình trừu tượng •Mô hình liên tục •Mô hình thực •Mô hình toán học •Giải tích •Tổ hợp •Mô •Mô hình tự nhiên •Mô hình vật lý •Hình – 1: Phân loại mô hình - Mô hình tiền định phản ánh trình tiền định không chịu tác động yếu tố ngẫu nhiên mô hình biến biết trước, giải giá trị xác tổng quát Mô hình ngẫu nhiên phản ánh trình kiện có tính ngẫu nhiên, biến giải giá trị xác mà đánh giá theo xác suất - Mô 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 mô hình động: Tín hiệu thời điểm t phụ thuộc tín hiệu vào thời điểm t mà phụ thuộc vào đáp ứng (tín hiệu ra) khứ Tức mô hình động mô hình có nhớ Mô hình biểu diễn phương trình vi tích phân R E L •Hình – : Mạch điện có điện cảm 11 2.3 Phân loại MHH - Mô hình liên tục: Phản ánh trình liên tục Là mô hình biến liên tục thời gian, mô hình biểu diễn phương trình vi tích phân Ví dụ: x(t) = f(x(t), u(t)) Mô hình gián đoạn: Phản ánh trình gián đoạn Là mô hình biến nhận giá trị gián đoạn thời gian, mô hình biểu diễn phương trình sai phân Ví dụ: x(k+1) = f [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 - Mô 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 phòng thí nghiệm - VD: Chế tạo lò nhà máy nhiệt điện có kích thước nhỏ đặt phòng thí nghiệm để nghiên cứu trình cháy lò: - Ưu điểm: Loại mô hình có 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 - MH vật lý tương tự: Có cấu tạo phần tử vật lý, không giống đối tượng thực trình xảy mô hình tương đương với trình xảy đối tượng thực VD: Có thể nghiên cứu trình dao động lắc đơn mô 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 không cao, tính toán thông số 15 2.3 Phân loại MHH - MH toán học loại mô hình trừu tượng Các thuộc tính phản ánh biểu thức, phương trình toán học + MH giải tích MH biểu diễn biểu thức giải tích Ưu điểm: Loại mô 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 = K e ω M = K I m u  d 16 2.3 Phân loại MHH + MH số MH xây dựng theo PP số (các chương trình chạy máy tính số)  gọi mô hình mô phỏng(simulation model) Ưu điểm: mô tả yếu tố ngẫu nhiên phi tuyến đối tượng thực VD1: Mô động phần mềm Matlab – Simulink: MH động xây dựng phần mềm mô hình số hay mô hình mô động VD2: Mô 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: Mô hình phải đồng với đối tượng mà phản ánh theo tiêu chuẩn định trước - Tính thực dụng: Có khả nghiên cứu đối tượng thông qua nghiên cứu thực nghiệm mô hình 18 2.5 Nguyên tắc xây dựng mô hình Nguyên 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 mô hình cho thích hợp tính đồng tính thực dụng Nguyên tắc độ xác Tùy thuộc mục đích nghiên cứu mà ta xd mô 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 mô hình với 19 [...]... + L.di/dt Đặc điểm của mô hình động: Tín hiệu ra ở thời điểm t không những phụ thuộc tín hiệu vào ở thời điểm t mà còn phụ thuộc vào các đáp ứng (tín hiệu ra) trong quá khứ Tức mô hình động là mô hình có nhớ Mô hình được biểu diễn bằng phương trình vi tích phân R E L Hình 2 – 7 : Mạch điện có điện cảm 11 2. 3 Phân loại MHH - Mô hình liên tục: Phản ánh quá trình liên tục Là mô hình trong đó các biến... dựng theo PP số (các chương trình chạy trên máy tính số)  gọi là mô hình mô phỏng(simulation model) Ưu điểm: mô tả được các yếu tố ngẫu nhiên và phi tuyến của đối tượng thực VD1: Mô phỏng động cơ bằng phần mềm Matlab – Simulink: MH động cơ được xây dựng bằng phần mềm này chính là mô hình số hay mô hình mô phỏng động cơ VD2: Mô hình mô phỏng hệ thống cơ, xương, dây chằng… của cơ thể con người do ĐHBK... các biến là liên tục đối với thời gian, mô hình được biểu diễn bằng phương trình vi tích phân Ví dụ: x(t) = f(x(t), u(t)) Mô hình gián đoạn: Phản ánh quá trình gián đoạn Là mô hình trong đó các biến nhận các giá trị gián đoạn đối với thời gian, mô hình được biểu diễn bằng phương trình sai phân Ví dụ: x(k+1) = f [x(k), u(k) ]; k = 1, 2, 3 Trong thực tế một mô hình có thể mang nhiều tính chất như ngẫu... chất như ngẫu nhiên, liên tục hay gián đoạn, tĩnh hoặc động Mô hình liên tục – gián đoạn: Phản ánh cả hai quá trình liên tục và gián đoạn xảy ra trong hệ thống 12 2.3 Phân loại MHH 13 2. 3 Phân loại MHH - Mô hình vật lý là MH được cấu tạo bởi các phần tử vật lý, các thuộc tính của đối tượng được phản ánh bởi các định luật vật lý xảy ra trong mô hình - MH vật lý thu nhỏ: Có cấu tạo giống như đối tượng thực... nhằm mục đích nghiên cứu tác động của lực lên các đối tượng trên 17 2. 4 Các tính chất cơ bản của MHH - Tính đồng nhất: Mô hình phải đồng nhất với đối tượng mà nó phản ánh theo những tiêu chuẩn định trước - Tính thực dụng: Có khả năng nghiên cứu đối tượng thông qua nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình 18 2. 5 Nguyên tắc khi xây dựng mô hình 1 Nguyên tắc xây dựng sơ đồ khối HT thường rất lớn, phức tạp ... đó Mỗi hệ nhỏ là một khối 2 Nguyên tắc thích hợp Tùy thuộc mục đích nghiên cứu mà ta xd mô hình sao cho thích hợp giữa tính đồng nhất và tính thực dụng 3 Nguyên tắc về độ chính xác Tùy thuộc mục đích nghiên cứu mà ta xd mô hình có độ chính xác phù hợp với đối tượng thực 4 Nguyên tắc tổ hợp Tùy thuộc mục đích nghiên cứu mà ta có thể phân chia hoặc tổ hợp các bộ phận của mô hình với nhau 19 ... đối tượng thực VD: Có thể nghiên cứu quá trình dao động của con lắc đơn bằng mô hình tương tự là mạch dao động R – L – C Ưu điểm: Giá thành rẻ, khảo sát được các đặc tính chủ yếu của đối tượng thực Nhược điểm: Có độ trực quan không cao, chỉ có thể tính toán được các thông số cơ bản 15 2. 3 Phân loại MHH - MH toán học là loại mô hình trừu tượng Các thuộc tính được phản ánh bởi các biểu thức, phương trình... Loại mô hình này có các quá trình vật lý xẩy ra giống như các quá trình trong đối tượng thực do đó có thể đo lường và quan sát các đại lượng vật lý một cách trực quan và có độ chính xác cao - Nhược điểm: Có giá thành cao chỉ sử dụng khi thực sự cần thiết 14 2. 3 Phân loại MHH - MH vật lý tương tự: Có cấu tạo bằng các phần tử vật lý, không giống như đối tượng thực nhưng các quá trình xảy ra trong mô hình. .. diễn bởi các biểu thức giải tích Ưu điểm: Loại mô hình này cho kết quả rõ ràng, tổng quát Nhược điểm: thường phải chấp nhận một số giả thiết đơn giản hóa để có thể biểu diễn đối tượng thực bằng các biểu thức giải tích  thường dùng cho các hệ tiền định và tuyến tính VD: MH toán học của động cơ điện một chiều U = I u R + E   E = K e ω M = K I m u  d 16 2. 3 Phân loại MHH + MH số là MH được xây dựng