TS. Đỗ Chí Thành Bộ môn Tự động hóa Khoa Điện – Điện Tử
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐÔNG Á
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN: TỰ ĐỘNG HÓA
BÀI GIẢNG
MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG
Mã học phần: AE3219
Bắc Ninh, năm 2022
TS. Đỗ Chí Thành Bộ môn Tự động hóa Khoa Điện – Điện Tử
1
Chương 1. GIỚI THIỆU
2 (2,0,0)
1.1 Khái niệm về hệ thống
Đầu tiên chúng ta xem xét môt số ví dụ về các hệ thống tương đối đơn giản. Hình 1.1
trình bày hệ thống tự động điều khiển tốc độ động cơ. Tín hiệu vào của hệ thống là tốc độ
đặt mong muốn nđ(t), tín hiệu ra của hệ thống y(t) là tốc độ thực tế của động cơ. Sai lệch
tốc độ e(t) = nđ(t) – y(t) được đưa vào bộ điều khiển để tạo ra tín hiệu điều khiển u(t) tác
động vào động cơ nhằm duy trì tốc độ động cơ ở giá trị mong muốn.
Hình 1.2 trình bày sơ đồ khối
của hệ thống điều khiển quá trình sản
xuất. Hệ thống sản xuất bao gồm
nhiều hệ con chức năng như: cung
cấp vật tư, năng lượng, gia công, chế
biến, lắp ráp, hoàn thiện sản phẩm,
phân phối, tiêu thụ. Điều khiển quá trình sản xuất là trung tâm điều khiển. Đầu vào của hệ
thống là đơn đặt hàng của khách hàng, đầu ra của hệ thống là sản phẩm cuối cùng.
Từ hình 1.1 và hình 1.2 ta thấy hệ thống gồm nhiều phần tử thường được gọi là các
thực thể (Entity), mỗi một thực thể lại có các thuộc tính (attribute) khác nhau. Một quá trình
gây ra sự thay đổi trong hệ thống gọi là một hoạt động (activity). Một tác động làm thay
đổi trạng thái của hệ thống gọi là một sự kiện (event). Tập hợp các biến trạng thái phản ánh
trạng thái của hệ thống tại một thời điểm được gọi là biến trạng thái (state variable). Tuỳ
theo mục đích nghiên cứu mà hệ thống được mô tả với mức độ chi tiết khác nhau. Bảng 1
trình bày một số hệ thống cùng với các đặc tính cơ bản của chúng.
BĐK ĐC
nđ(t) y(t)
e(t)
Hình 1.1- Sơ đồ khối hệ điều khiển tự động
tốc độ động cơ
Đơn đặt hàng
SP
đầu ra
Nguyên,
nhiên,
vật liệu
Trung tâm điều khiển
Cung ứng
vật tư
Gia công,
chế biến
Lắp ráp, hoàn
thiện SP
Phân phối
sản phẩm
Hình 1.2- Sơ đồ khối hệ thống điều khiển quá trình
TS. Đỗ Chí Thành Bộ môn Tự động hóa Khoa Điện – Điện Tử
2
Bảng 1
Hệ thống Thực thể
Thuộc tính Hoạt động
Sự kiện Biến trạng thái
Giao thông Xe buýt
Tốc độ
Khoảng cách
Lái xe Xe đến bến Số khách chờ ở
bến
Ngân hàng Khách
hàng
Kiểm tra tài
khoản
Rút tiền
gửi
Số khách
hàng
Số nhân viên ph
ục
vụ
Thông tin
liên lạc Thông tin
Thời lượng
liên lạc Truyền tin
Thông tin
truyền đến
Số người đợi liên
lạc
Siêu thị Khách
hàng
Danh mục
mua sắm
Tính trả
tiền
Khách hàng
đến siêu thị
Số khách hàng rời
siêu thị
Tr
ạm lắp ráp
sản phẩm Sản phẩm
Kích thước,
trọng lượng
L
ắp ráp sản
phẩm
Sản phẩm
hoàn thiện
Số sản phẩm hoàn
thiện
Có hai con đường để nghiên cứu hệ thống, đó là nghiên cứu trên hệ thực và nghiên
cứu trên mô hình thay thế của nó. Rõ ràng nghiên cứu trên hệ thực cho ta kết quả trung thực
và khách quan. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp, việc tiến hành nghiên cứu trên hệ thực
gặp rất nhiều khó khăn, phương pháp tốt nhất là nghiên cứu trên mô hình của nó. Chính vì
vậy, phương pháp mô hình hoá và mô phỏng rất được chú ý nghiên cứu và phát triển.
Một số định nghĩa cơ bản
- Đối tượng (object) là tất cả những sự vật, sự kiện mà hoạt động của con người có
liên quan tới.
- Hệ thống (System) là tập hợp các đối tượng (con người, máy móc), sự kiện mà giữa
chúng có những mối 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 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 nói cách khác
mô hình là đối tượng thay thế của đối tượng gốc để nghiên cứu về đối tượng gốc.
- Mô hình hoá (Modelling) là thay thế đối tượng gốc bằng một mô hình nhằm các thu
nhận thông tin quan trọng về đối tượng bằng cách tiến hành các thực nghiệm trên mô hình.
Lý thuyết xây dựng mô hình và nghiên cứu mô hình để hiểu biết về đối tượng gốc gọi là lý
thuyết mô hình hoá.
Nếu các quá trình xảy ra trong mô hình đồng nhất (theo các chỉ tiêu định trước) với
các quá trình xảy ra trong đối tượng gốc thì người ta nói rằng mô hình đồng nhất với đối
TS. Đỗ Chí Thành Bộ môn Tự động hóa Khoa Điện – Điện Tử
3
tượng. Lúc này người ta có thể tiến hành các thực nghiệm trên mô hình để thu nhận thông
tin về đối tượng.
- Mô phỏng (Simulation, Imitation) là phương pháp mô hình hoá dựa trên việc xây
dựng mô hình số (Numerical model) và dùng phương pháp số (Numerical method) để tìm
các lời giải. Chính vì vậy máy tính số là công cụ hữu hiệu và duy nhất để thực hiện việc mô
phỏng hệ thống.
Lý thuyết cũng như thực nghiệm đã chứng minh rằng, chỉ có thể xây dựng được mô
hình gần đúng với đối tượng mà thôi, vì trong quá trình mô hình hoá bao giờ cũng phải
chấp nhận một số giả thiết nhằm giảm bớt độ phức tạp của mô hình, để mô hình có thể ứng
dụng thuận tiện trong thực tế. Mặc dù vậy, mô hình hoá luôn luôn là một phương pháp hữu
hiệu để con người nghiên cứu đối tượng, nhận biết các quá trình, các quy luật tự nhiên. Đặc
biệt, ngày nay với sự trợ giúp đắc lực của khoa học kỹ thuật, nhất là khoa học máy tính và
công nghệ thông tin, người ta đã phát triển các phương pháp mô hình hoá cho phép xây
dựng các mô hình ngày càng gần với đối tượng nghiên cứu, đồng thời việc thu nhận, lựa
chọn, xử lý các thông tin về mô hình rất thuận tiện, nhanh chóng và chính xác. Chính vì
vậy, mô hình hoá là một phương pháp nghiên cứu khoa học mà tất cả những người làm
khoa học, đặc biệt là các kỹ sư đều phải nghiên cứu và ứng dụng vào thực tiễn hoạt động
của mình.
1.2 Nhiệm vụ của mô hình hóa
1.2.1. Khái niệm chung về mô hình hóa
Ngày nay để phân tích và tổng hợp các hệ thống lớn, người ta thường sử dụng phương
pháp tiếp cận hệ thống. Khác với phương pháp truyền thống trước đây đi phân tích từ phần
tử đến hệ thống, phương pháp tiếp cận hệ thống đi từ phân tích chung toàn hệ thống đến
cấu tạo từng phần tử, đi từ xác định muc tiêu toàn hệ thống đến chức năng, nhiệm vụ của
từng phần tử cụ thể, xác định mối tương quan giữa các phần tử trong hệ thống, giữa hệ
thống đang xét với các hệ thống khác và với môi trường xung quanh. Người ta định nghĩa
hệ thống (system) S là tập hợp các phần tử có quan hệ với nhau, đó chính là đối tượng cần
nghiên cứu. Môi trường (Environment) E là tập hợp các thực thể ngoài hệ thống có tác động
qua lại với hệ thống đang xét. Tuỳ thuộc vào mục đích nghiên cứu mà người ta xác định hệ
thống S và môi trường E tương ứng.
Khi tiến hành mô hình hoá điều quan trọng là xác định mục tiêu mô hình hoá, trên cơ
sở đó xác định hệ thống S, môi trường E và mô hình (model) M. Bước tiếp theo là xác định
cấu trúc của hệ thống, tức là tập các phần tử và mối quan hệ giữa chúng trong hệ thống.
Cấu trúc của hệ thống có thể được xem xét trên hai phương diện: từ phía ngoài và từ
phía trong. Từ phía ngoài tức là xem xét các phần tử cấu thành hệ thống và mối quan hệ
giữa chúng hay nói cách khác đó là phương pháp tiếp cận cấu trúc. Từ phía trong, tức là
TS. Đỗ Chí Thành Bộ môn Tự động hóa Khoa Điện – Điện Tử
4
phân tích đặc tính chức năng của các phần tử cho phép hệ thống đạt được mục tiêu đã định
hay nói cách khác đó là phương pháp tiếp cận chức năng.
Khi xem xét sự vận động của hệ thống theo thời gian S(t) có nghĩa là hệ thống chuyển
từ trạng thái này sang trạng thái khác trong không gian trạng thái Z, người ta quan tâm đến
chức năng hoạt động của hệ thống. Để đánh giá chức năng của hệ thống người ta phải xác
định các chỉ tiêu đánh giá, tập các chỉ tiêu riêng hoặc chỉ tiêu tổng hợp cho toàn hệ thống.
Tiếp cận hệ thống cho phép ta xây dựng được mô hình hệ thống lớn có tính đến nhiều yếu
tố tác động trong nội bộ hệ thống S cũng như giữa S với môi trường E.
Người ta có thể chia quá trình mô hình hoá ra làm hai giai đoạn: Giai đoạn thiết kế
tổng thể hay thiết kế ở tầm vĩ mô (Macro Design) và giai đoạn thiết cụ thể hay thiết kế ở
mức độ vi mô (Micro Design). Trong giai đoạn thiết kế tổng thể, trên cơ sở các dữ liệu của
hệ thống thực và của môi trường E người ta xây dựng mô hình hệ thống và mô hình môi
trường thoả mãn các chỉ tiêu đánh giá định trước. Còn trong giai đoạn thiết kế cụ thể, trên
cơ sở mô hình đã được lựa chọn, người ta xác định các điều kiện ràng buộc, xây dựng các
chương trình mô phỏng trên máy tính và thực hiện việc mô phỏng để xác định các đặc tính
kinh tế kỹ thuật của hệ thống thực.
1.2.2. Triển vọng phát triển của phương pháp mô hình hoá
Trước đây, phương pháp giải tích được dùng để mô hình hoá hệ thống. Tuy nhiên, sự
xuất hiện của máy tính điện tử đã tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tính toán như tăng
khối lượng tính toán, giảm thời gian tính,... nhưng bản thân phương pháp giải tích gặp rất
nhiều khó khăn khi mô tả hệ thống như thường phải chấp nhận nhiều giả thiết để đơn giản
hoá mô hình, do đó các kết quả nghiên cứu có độ chính xác không cao.
Ngày nay, bên cạnh phương pháp giải tích nói trên, phương pháp mô phỏng được phát
triển mạnh mẽ và ứng dụng rất rộng rãi. Các mô hình được xây dựng dựa trên các phương
pháp mô phỏng được gọi là mô hình mô phỏng. Phương pháp mô phỏng cho phép đưa vào
mô hình nhiều yếu tố sát gần vơi thực tế. Mặt khác, mô hình được giải trên máy tính có tốc
độ tính toán nhanh, dung lượng lớn, do đó kết quả thu được có độ chính xác cao. Vì vậy,
phương pháp mô phỏng đã tạo điều kiện để giải các bài toán phức tạp như bài toán mô hình
hoá các hệ thống lớn, hệ thống ngẫu nhiên, phi tuyến có các thông số biến thiên theo thời
gian.
Phương pháp mô phỏng đặc biệt phát huy hiệu quả khi cần mô hình hoá các hệ thống
lớn mà đặc điểm của nó là có cấu trúc phân cấp, cấu trúc hệ con, giữa các hệ con và trung
tâm điều khiển có sự trao đổi thông tin với nhau. Phương pháp mô phỏng cũng tỏ ra hữu
hiệu khi mô phỏng các hệ thống có các yếu tố ngẫu nhiên, có thông tin không đầy đủ, các
thông tin sẽ được bổ sung trong quá trình mô phỏng, trong quá trình trao đổi thông tin giữa
người điều khiển và đối tượng.