Bài giảng Mô hình hóa và điều khiển - Chương 2: Khái niệm cơ bản về mô hình hóa hệ thống

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PPT | Số trang:19

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Mô hình hóa và điều khiển - Chương 2: Khái niệm cơ bản về mô hình hóa hệ thống, cung cấp cho người học những kiến thức như: Nguyên lý tiếp cận hệ thống khi mô hình hóa; Đặc điểm của mô hình hóa; Phân loại mô hình hóa; Các tính chất cơ bản của mô hình hóa; Nguyên tắc khi xây dựng mô hình. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Mô hình hóa và điều khiển - Chương 2: Khái niệm cơ bản về mô hình hóa hệ thống

MÔ HÌNH HÓA • Nội dung – C1: Vai trò của mô hình hóa hệ thống – C2: Khái niệm cơ bản về mô hình hóa hệ thống. – C3: Phương pháp mô phỏng. – C4: Mô phỏng hệ thống liên tục. – C5: Mô hình hóa các hệ ngẫu nhiên. – C6: Mô phỏng hệ thống hàng đợi. – Ứng dụng Matlab Simulink trong mô phỏng các hệ thống điều khiển tự động. 1
CHƯƠNG 2: KHÁI NIỆM CƠ BẢN MHH 2.1. Nguyên lý tiếp cận hệ thống khi MHH - Phương pháp tiếp cận hệ thống được dùng để phân tích và tổng hợp hệ thống lớn. Ta đi từ việc phân tích chung toàn hệ thống đến chức năng nhiệm vụ từng phần tử cụ thể cũng như môi trường chứa các phần tử đó. - Hệ thống S là tập hợp một số đối tượng cần nghiên cứu có mối quan hệ với nhau. - Môi trường xung quanh E là tập hợp các thực thể ngoài hệ thống có tác động qua lại với hệ thống. - Tuỳ thuộc vào mục đích nghiên cứu mà ta lựa chọn hệ thống S và môi trường E tương ứng. 2
•Khách hàng •(Đơn đặt hàng •Điều khiển sản Số lượng, quy xuất cách…) •Nguyên •Sản phẩm liệu •Vật tư •Sản •Bao gói •Vận xuất chuyển •Hình 11: Hệ thống sản xuất 3
•Toàn nhà máy •Xưởng A •Xưởng B •CNC •Robodrill •Washing •Plating •Hình 10: Mô hình hoá hệ thống 4
2.1. Nguyên lý tiếp cận hệ thống khi MHH (Cont) VD: Mô hình hoá hệ thống điều khiển trong nhà máy mạ kim loại: -> Xác định mục tiêu mô hình hoá – Mô hình hoá hệ thống để kiểm tra và theo dõi các thông số kỹ thuật của toàn nhà máy. (Do không thể dừng toàn nhà máy trong thời gian dài gây thiệt hại kinh tế… -> Xác định hệ thống S: Các dây truyền sản xuất trong nhà máy -> Xác định môi trường E: Môi trường ảnh hưởng lẫn nhau giữa các dây truyền và với môi trường xung quanh. -> Xác định mô hình M: Mô hình M là mô hình toàn nhà máy được thu nhỏ dưới dạng một mô hình thật nhưng kích thước nhỏ hay nó có thể chỉ là một phần mềm chứa các thông số có quan hệ với nhau -> Xác định cấu trúc của hệ thống: Đi sâu phân tích các thông số kỹ thuật trong từng dây truyền. 5
2.2. Đặc điểm của MHH 1. Tính mục tiêu: Tuỳ thuộc vào yêu cầu nghiên cứu mà một mô hình hoá của một hệ thống thực chỉ có một nhiệm vụ cụ thể nào đó hay nó có thể phục vụ rất nhiều mục đích nghiên cứu về hệ thống thực đó. 2. Độ phức tạp: Thể hiện ở cấu trúc phân cấp của mô hình, các mối quan hệ giữa các phần tử trong hệ thống S hay giữa hệ thống với môi trường. 3. Hành vi của mô hình: Phương pháp để một mô hình đạt được mục tiêu nghiên cứu đã đề ra. 4. Tính thích nghi: Là khả năng mô hình phản ánh đúng các tác động của môi trường tới hệ thống và khả năng giữ ổn định của mô hình khi các tác động đó thay đổi. 6
2.2. Đặc điểm của MHH(Cont) 5. Tính điều khiển được: Người dùng có thể sử dụng các biện pháp lập trình người ta có thể điều khiển mô hình theo mục tiêu định trước. Thực hiện trao đổi thông tin giữa người với mô hình để thu nhận thông tin và đưa ra quyết định điều khiển. 6. Khả năng phát triển của mô hình: Khi tiến hành mô hình hoá hệ thống bao giờ cũng xuất hiện bài toán nghiên cứu sự phát triển trong tương lai vì vậy mô hình phải có khả năng mở rộng và phát triển. 7. Độ chính xác, tin cậy: Mô hình hoá là việc thay thế đối tượng thực bằng một mô hình để thuận tiện cho việc nghiên cứu vì vậy mô hình cần phản ánh chính xác các hiện tượng xảy ra trong đối tượng. Các kết quả thu được từ mô hình cần đảm bảo độ chính xác đề ra khi nghiên cứu. Vì vậy phương pháp xử lý kết quả thực nghiệm, đánh giá sai số rất quan trọng trong việc mô hình hoá nhất là với mô hình ngẫu nhiên và dùng phương pháp mô phỏng. Do đó người nghiên cứu phải nắm chắc đối tượng thực và có kinh nghiệm trong thu thập và xử lý số liệu. 7
2.3. Phân loại MHH Có rất nhiều phương pháp để phân loại mô hình hoá hệ thống: • Mô hình hệ thống có thể phân ra thành từng cặp như 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 phỏng …………. 8
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 •Mô hình liên tục tục •Mô hình trừu tượng •Mô hình hiện thực •Mô hình toán học •Mô hình tự •Mô hình vật lý nhiên •Giải •Tổ •Mô tích hợ p phỏng •Hình 1 – 1: Phân loại mô hình 9
- Mô hình tiền định phản ánh quá trình tiền định trong đó không chịu tác động của các yếu tố ngẫu nhiên. là mô hình trong đó các biến đều có thể biết trước, có thể giải ra một giá trị chính xác và tổng quát. Mô hình ngẫu nhiên phản ánh quá trình và sự kiện có tính ngẫu nhiên, các biến này không thể giải ra bằng giá trị chính xác được mà chỉ có thể được đánh giá theo xác suất. - Mô hình tĩnh biểu diễn quan hệ của các đặc tính của hệ thống trong trường hợp hệ thống ổn định ở trạng thái cân bằng. Mô hình động: Phản ánh hành vi của đối tượng theo thời gian. 10
• Ví dụ: Mạch điện có điện cảm. •R • Sức điện động E được biểu diễn bằng phương trình vi phân E = Ri + L.di/dt • Đặc điểm của mô hình động: - Tín hiệu ra ở thời điểm t không •L • những phụ thuộc tín hiệu vào ở thời E 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. •Hình 2 – 7 : Mạch điện có cảm ứng - Mô hình được biểu diễn bằng phương trình vi tích phân. 11
2.3. Phân loại MHH - Mô hình liên tục: Phản ánh quá trình liên tục. Là mô hình trong đó 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) = t [x(k), u(k) ]; k = 1, 2, 3... Trong thực tế một mô hình có thể mang nhiều tính 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 (Cont) - 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 nhưng có kích thước nhỏ hơn cho phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm. - VD: Chế tạo lò hơi của nhà máy nhiệt điện có kích thước nhỏ đặt trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu quá trình cháy trong lò: - Ưu điểm: 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 (Cont) - 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 tương đương với các quá trình xảy ra trong 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 (Cont) - MH toán học là loại mô hình trừu tượng. Các thuộc tính được phản ánh bởi các biểu thức, phương trình toán học. + MH giải tích là MH được biểu 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 Ke . Md K m .I u 16
2.3. Phân loại MHH (Cont) + MH số là MH được xây 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 tpHCM xây dựng bằng phần mềm Mimics 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  Phân chúng thành những hệ nhỏ đảm trách một vài nhiệm vụ nào 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