PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Phƣơng pháp mơ hình hóa và mơ phỏng
Mơ hình hố và mơ phỏng là một phƣơng pháp nghiên cứu khoa học đƣợc ứng dụng rất rộng rãi: từ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đến vận hành các hệ thống. Ngày nay nhờ sự trợ giúp của máy tính có tốc độ tính tốn cao và bộ nhớ lớn mà phƣơng pháp mơ hình hố đƣợc phát triển mạnh mẽ, đƣa lại hiệu quả to lớn trong việc nghiên cứu khoa học và thực tiễn sản xuất. Mơ hình hố và mơ phỏng đƣợc ứng dụng khơng những vào lĩnh vực khoa học công nghệ mà cịn ứng dụng có hiệu quả vào nhiều lĩnh vực khác nhƣ quân sự, kinh tế và xã hội... Ngày nay có nhiều cơng trình nghiên cứu về những vấn đề cơ bản của mơ hình hố và mơ phỏng cũng nhƣ ứng dụng kỹ thuật mô phỏng vào các lĩnh vực khác nhau. Mơ hình hố và mơ phỏng là một công cụ mạnh của cán bộ nghiên cứu, cán bộ kỹ thuật để giải các bài toán quy hoạch, tối ƣu hố... Phƣơng pháp mơ hình hố và mơ phỏng đƣợc dùng phổ biến trong các trƣờng đại học, các viện nghiên cứu cũng nhƣ các cơ sở sản xuất và đã đƣa lại hiệu quả to lớn.
Trong thực tế nghiên cứu, các hệ thống cần đƣợc phân tích theo các tính chất khác nhau. Để thực hiện đƣợc điều này cần sử dụng các hệ thống trợ giúp khác nhau nhằm mô tả đến mức cao nhất các quan hệ vật lí trong hệ thống thực.
Mơ hình hóa và mô phỏng là kỹ thuật cho phép xây dựng mơ hình tốn của hệ thống và tiến hành khảo sát trên mơ hình đó. Mơ hình hóa và mơ phỏng cho phép sử dụng khi hệ thống không tồn tại, tốn kém hoặc tốn thời gian xây dựng. Ngồi ra, mơ phỏng cho phép quan sát quá trình, đáp ứng động của hệ thống thiết kế trƣớc khi thực nghiệm trên thiết bị thực.
Trong lĩnh vực động lực học máy nói chung và trong nghiên cứu động lực học các máy di chuyển nói riêng, phƣơng pháp mơ hình hóa đƣợc sử dụng rất phổ biến do có nhiều ƣu thế. Có hai phƣơng pháp cơ bản trong mơ hình hóa là mơ hình hóa vật lý và mơ hình hóa tốn học (Đặng Thế Huy, 1995):
Mơ hình hóa vật lý: là phƣơng pháp xây dựng mơ hình đồng dạng về hình
học nhƣng có cùng bản chất vật lý với hệ thống thực. Ƣu điểm chủ yếu của phƣơng pháp này là tái hiện đƣợc khá đầy đủ những tính chất của hệ thống thực. Do đó có thể nghiên cứu sâu sắc và tồn diện các quá trình phức tạp diễn ra trong hệ thống thực, trong khi không thể làm nhƣ thế đối với thực nghiệm máy thật và không thể diễn tả quá trình bằng các phƣơng trình tốn học. Tuy nhiên, nhƣợc điểm quan trọng là phải thay thế hoặc làm lại mơ hình mới mỗi khi muốn thay đổi các thơng số kết cấu, điều kiện sử dụng hay nói chung là nghiên cứu một q trình mới. Chính điều hạn chế này làm cho phƣơng pháp mơ hình hóa vật lý ít đƣợc sử dụng.
Mơ hình hóa tốn học sử dụng các mơ tả tốn học: phƣơng trình vi phân,
hàm truyền, khơng gian trạng thái để mơ tả hệ thống thực. Mơ hình tốn gồm: + Mơ hình tuyến tính, phi tuyến;
+ Mơ hình thơng số tập trung, thơng số dải; + Mơ hình tĩnh, động;
+ Mơ hình liên tục, gián đoạn; + Mơ hình xác định, bất định.
Mơ hình tốn đƣợc xây dựng theo trình tự sau: + Xác định mục tiêu và điều kiện của bài tốn;
+ Đặt giả thiết đơn giản hóa và loại bỏ các yếu tố không quan trọng; + Xác định các tham số cho mơ hình theo mục tiêu và điều kiện; + Kiểm chứng mơ hình về mức độ phù hợp với hệ thống vật lý.
Mơ hình tốn có nhiều ƣu điểm: trên cùng một thiết bị, một mơ hình nghiên cứu, có thể thực hiện mơ phỏng nhiều hiện tƣợng có bản chất khác nhau; dễ dàng chuyển từ loại bài toán này sang loại bài tốn khác; có thể nhanh chóng thay đổi các thông số và điều kiện ban đầu trong giới hạn rộng; có thể đƣa các tín hiệu ở cửa vào dƣới dạng hàm ngẫu nhiên hay hàm tiền định. Tóm lại, mơ hình hóa tốn học mang tính khái quát cao, cho hiệu quả nghiên cứu tốt hơn, chi phí thấp. Chính vì vậy, đề tài luận án lựa chọn sử dụng phƣơng pháp xây dựng mơ hình tốn học.
Kỹ thuật mơ phỏng phát triển đã trở thành công cụ đắc lực của các nhà nghiên cứu, thiết kế. Ngày nay với sự phát triển của kỹ thuật vi xử lí đã đƣa tốc độ tính tốn của các máy tính số lên mức rất cao. Nhờ đó, phƣơng pháp số càng trở nên có ƣu thế lớn, đặc biệt khi ứng dụng vào các nghiên cứu động lực học, tính tốn thiết kế hoặc tối ƣu hóa các máy có kết cấu và tính chất hoạt động phức tạp nhƣ ô tô máy kéo (Trần Thị Nhị Hƣờng và Đặng Thế Huy, 1987).
Trong “Nghiên cứu tính chất truyền động và điều khiển hệ thống truyền động vô cấp phân tầng trên máy kéo nhỏ 4 bánh”, sử dụng phƣơng pháp mơ hình hóa và mơ phỏng có những lợi thế sau:
+ Mơ phỏng các hệ thống điều khiển thủy lực, khảo sát và phân tích lựa chọn hệ thống điều khiển phù hợp;
+ Lựa chọn bất kỳ các trạng thái chuyển động và các chế độ tải của LHM mơ hình để nghiên cứu tính chất truyền động và điều khiển của hệ thống truyền động vô cấp phân tầng;
+ Thay đổi thông số kết cấu, các yếu tố ảnh hƣởng nhằm đánh giá, tối ƣu trong lựa chọn và thay đổi kết cấu;
+ Giảm chi phí lao động, thời gian, vật chất trong nghiên cứu; + Việc nghiên cứu không phụ thuộc vào không gian và thời gian.
Mơ tả tốn học trên cơ sở phân tích lí thuyết: Nếu các quan hệ giữa các
đại lƣợng vật lí có thể nhận dạng rõ ràng thì nên áp dụng đƣờng cong lí thuyết. Bằng cách này, mơ hình tìm đƣợc sẽ cho một cách nhìn tổng quát về cấu trúc của hệ thống. Qua đó, các hiện tƣợng bên trong của hệ thống động lực học đƣợc đánh giá chính xác.
Thơng qua phân tích lí thuyết, chúng ta mới có đủ cơ sở để quyết định có nên đƣa vào hệ thống hoặc quá trình nghiên cứu những tác động phụ trợ, các thông số phụ trợ hay các kết cấu bổ sung nhằm cải thiện các tính chất động lực học hay khơng. Điều này rất quan trọng đối với việc tổng hợp hệ thống. Một ƣu điểm nữa của việc phân tích lí thuyết là khi thiết kế, có thể phát huy tính điều khiển đƣợc của q trình, từ đó dự kiến sớm đƣợc những thay đổi của hệ thống.
khăn kèm theo chi phí tốn học lớn, hoặc kết quả sẽ kém chính xác do buộc phải đơn giản hóa bằng một số giả thiết. Đồng thời trong những trƣờng hợp này đòi hỏi phải kiểm tra bằng thực nghiệm khắt khe hơn.
Trở lại đối tƣợng nghiên cứu là máy kéo nơng nghiệp, có thể nhận thấy rằng đa số các quan hệ vật lí và tốn học giữa các thông số của hệ thống cơ - truyền lực - điều khiển - di động - đất - máy nông nghiệp đều tuân theo các định luật bảo toàn năng lƣợng, bảo toàn khối lƣợng, cân bằng động lƣợng và những dạng khác đã đƣợc cụ thể hóa trong cơ học (bao gồm cả cơ học máy và cơ học đất). Vì vậy trên cơ sở phân tích lí thuyết, các phƣơng trình vi phân chuyển động của máy kéo thƣờng đƣợc xây dựng theo nguyên lí D‟ Alambert ở dạng phƣơng trình Lagrange loại 2. Trong luận án, mơ hình tồn xe đƣợc xây dựng theo phƣơng pháp này.
Mơ tả tốn học bằng mơ hình tốn thực nghiệm: Trong nhiều trƣờng hợp,
hoặc chúng ta biết q ít thơng tin về cấu trúc hệ thống hay về các quan hệ vật lí của q trình thực, hoặc một số quan hệ giữa các thông số không thể hoặc chƣa thể tìm đƣợc bằng con đƣờng lí thuyết thì buộc phải áp dụng phƣơng pháp thực nghiệm.Theo cách này, khơng những chỉ có các hệ số, các tham số của hệ thống, các giá trị ban đầu, các điều kiện biên mà cả các quan hệ cơ bản nhất của hệ thống và quá trình đều đƣợc xác định bằng thực nghiệm.
Đa số các quan hệ trong mơ hình tốn thực nghiệm đƣợc xây dựng bằng phƣơng pháp tính gần đúng, phƣơng pháp hồi qui thực nghiệm với sự trợ giúp của máy tính số. Các hàm hồi qui tốn học (theo phƣơng pháp bình phƣơng bé nhất) nhận đƣợc trong luận án có thể kể đến nhƣ các đƣờng đặc tính trƣợt của truyền động đai, bánh xe và các đƣờng đặc tính... Các mơ hình tính tốn phi tuyến chỉ có ý nghĩa khi các tham số của phƣơng trình và đặc biệt là các thông số của các phần tử đàn hồi phi tuyến đƣợc xác định đúng thông qua thực nghiệm.
Khi mơ hình hóa tốn học, có thể sử dụng các mơ tả tốn học trên cơ sở lí thuyết hay thực nghiệm. Mơ hình thực nghiệm thƣờng cho kết gần đúng nhƣng khá hiệu quả trong nghiên cứu, tuy nhiên tính khái qt thƣờng khơng cao do bị giới hạn bởi điều kiện thực nghiệm. Mơ hình lí thuyết có thể giải quyết bài tốn
mang tính tổng quát cao và kết quả giải các phƣơng trình vi phân chuyển động thƣờng mang tính định lƣợng. Vì vậy, nếu kết hợp đƣợc các phƣơng pháp trên thì cơng tác nghiên cứu sẽ có hiệu quả hơn vì mơ hình tốn khi mơ phỏng cho lời giải nhanh hơn, chính xác hơn. Chính vì vậy để xây dựng mơ hình tốn học, trong luận án lựa chọn phƣơng pháp kết hợp lí thuyết và thực nghiệm.
Phƣơng pháp mơ phỏng: Khi có mơ hình tốn học của hệ thống thực, có thể tìm các thơng tin về hệ thống bằng nhiều cách. Trong trƣờng hợp mơ hình tƣơng đối đơn giản có thể sử dụng phƣơng pháp giải tích, ngƣợc lại phải dùng phƣơng pháp mô phỏng số. Phƣơng pháp giải tích cho lời giải tổng quát còn phƣơng pháp số cho lời giải của từng bƣớc tính với những điều kiện xác định. Muốn lời giải có độ chính xác cao số bƣớc tính phải đƣợc tăng lên đủ lớn. Đối với hệ thống lớn, có cấu trúc phức tạp, có quan hệ tác động qua lại giữa các phần tử trong hệ thống, giữa hệ thống với mơi trƣờng bên ngồi.. thì phƣơng pháp mơ phỏng là một lựa chọn phù hợp. Đây cũng là lý do trong luận án sử dụng phƣơng pháp mô phỏng số để mơ phỏng các mơ hình tốn học.
Mơ phỏng là q trình xây dựng mơ hình tốn học của hệ thống thực sau đó tiến hành tính tốn, thực nghiệm trên mơ hình để mơ tả, giải thích và dự đốn hành vi của hệ thống thực . Nhƣ vậy có ba điểm cơ bản mà mơ phỏng cần phải đạt đƣợc: Phải có mơ hình tốn học tốt - mơ phỏng có sự đồng nhất cao với hệ thống thực, đồng thời mơ hình đƣợc mơ tả rõ ràng thuận tiện cho ngƣời sử dụng; Có khả năng làm thực nghiệm trên mơ hình - mơ hình có khả năng thực hiện các chƣơng trình tính trên máy tính để xác định các thơng tin và hệ thống thực; Khả năng dự đoán hành vi của hệ thống thực - tức là có thể mơ tả sự phát triển của hệ thực theo thời gian.
Q trình mơ hình hóa trong luận án đƣợc thực hiện nhƣ sau:
+ Bƣớc thứ nhất: hệ thống mô phỏng đƣợc chia thành các phần tử theo các tiêu chí phù hợp. Sau đó mơ tả toán học các phần tử và mối quan hệ giữa các phần tử.
+ Bƣớc thứ hai: Mơ hình hóa mơi trƣờng tác động đến hệ thống (các yếu tố tác động) và mối quan hệ tác động giữa hệ thống và môi trƣờng.
+ Bƣớc thứ ba: “Thử nghiệm” trên mơ hình, tức là cho hệ thống và mơi trƣờng làm việc ở một điều kiện xác định nào đó, kết quả nhận đƣợc sử dụng phân tích, đánh giá theo mục tiêu nghiên cứu.
Trên hình 2.1 trình bày q trình nghiên cứu bằng phƣơng pháp mơ phỏng và quan hệ giữa hệ thống thực với các kết quả mơ phỏng.
Hình 2.1. Q trình nghiên cứu bằng phƣơng pháp mơ phỏng
Chƣơng trình mơ phỏng có thể đƣợc viết bằng các ngơn ngữ thơng dụng nhƣ Portran, Pascal, C++ .. hoặc các ngôn ngữ chuyên dụng để mô phỏng nhƣ Gpss, Simcript, Simple++, Matlab-Simulink…Trong luận án sử dụng phần mền Matlab-Simulink để thực hiện mô phỏng số.