TÀI LIỆU HỌC TẬP
MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Created with Master PDF Editor. For non-commercial use only.
LỜI GIỚI THIỆU
Mô hình hoá là một phương pháp nghiên cứu khoa học được ứng dụng rất rộng rãi:
từ nghiên cứu, thiết kế đến chế tạo, vận hành. Ngày nay nhờ sự trợ giúp của máy tính có
tốc độ tính nhanh, bộ nhớ lớn mà phương pháp mô hình hoá được phát triển mạnh mẽ và
đưa lại hiệu quả lớn. Mô hình hoá và mô phỏng được ứng dụng không những vào lĩnh
vực khoa học, công nghệ mà còn ứng dụng có hiệu quả vào nhiều lĩnh vực khác như
quân sự, kinh tế và xã hội v.v.... Ngày nay mô hình hoá và mô phỏng là một công cụ
mạnh của cán bộ nghiên cứu, cán bộ kỹ thuật để giải các bài toán kỹ sư.
Giáo trình mô hình hoá và mô phỏng hệ thống điều khiển được giảng dạy cho sinh
viên ngành công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hoá, ngành công nghệ kỹ thuật điện
- điện tử, đồng thời cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho sinh viên và cán bộ kỹ thuật
của các ngành có liên quan
Bài giảng được biên soạn theo đúng chương trình đào tạo và các quy định về cách
trình bày của Nhà Trường. Nội dung của bài giảng gồm 7 chương trong mỗi chương bao
gồm các phần nội dung chủ yếu sau:
-Mục tiêu của chương.
-Nội dung phần thảo luận.
-Tóm tắt nội dung cốt lõi.
-Bài tập ứng dụng và liên hệ thực tế.
-Hướng dẫn tự học ở nhà.
Do thời gian và trình độ có hạn nên bài giảng khó có thể tránh khỏi những thiếu sót
nhất định. Chúng tôi luôn mong nhận được sự góp ý của bạn đọc để bài giảng được tái
bản hoàn thiện hơn trong những lần sau.
Xin chân thành cám ơn!
Nhóm biên soạn
Võ Thu Hà – Chủ biên
Nguyễn Thị Thành
Phạm Văn Huy
Created with Master PDF Editor. For non-commercial use only.
CHƯƠNG 1
VAI TRÒ CỦA MÔ HÌNH HOÁ HỆ THỐNG
MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG
- Hiểu rõ khái niệm và đặc điểm vai trò của mô hình hóa hệ thống và mô phỏng.
- Nắm được sự triển vọng phát triển của các phương pháp mô hình hóa hệ thống.
- Về thái độ: Học sinh, Sinh viên hiểu rõ khái niệm và đặc điểm vai trò của mô
hình hóa hệ thống và mô phỏng và nắm được sự triển vọng phát triển của các phương
pháp mô hình hóa hệ thống.
1.1. KHÁI NIỆM CHUNG
Ngày nay khó có thể tìm thấy lĩnh vực hoạt động nào của con người mà không sử
dụng phương pháp mô hình hoá ở những mức độ khác nhau. Điều này đặc biệt quan
trọng đối với lĩnh vực điều khiển các hệ thống (kỹ thuật, xã hội), bởi vì điều kiển chính
là quá trình thu nhận thông tin từ hệ thống, nhận dạng hệ thống theo một mô hình nào
đó và đưa ra quyết định điều khiển thích hợp. Quá trình này được tiếp diễn liên tục
nhằm đưa hệ thống vận động theo một mục tiêu định trước.
Quá trình phát triển khoa học kỹ thuật đi theo các bước cơ bản sau:
Quan sát → thực nghiệm → nghiên cứu lý thuyết → tổ chức sản xuất.
Mô hình hoá là một phương pháp khoa học trợ giúp cho các bước nói trên.
Phương pháp mô hình hoá và mô phỏng được phát triển từ đại chiến thế giới lần
thứ hai vào những năm 40 của thế kỷ 20. Lúc đó người ta ứng dụng phương pháp mô
hình hoá và mô phỏng để nghiên cứu các phản ứng hạt nhân nhằm chế tạo bom nguyên
tử. Ngày nay, nhờ có máy tính điện tử mà phương pháp mô hình hoá và mô phỏng phát
triển nhanh chóng và được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật cũng như
các ngành khoa học xã hội khác nhau. Nhờ có phương pháp mô hình hoá và mô
phỏng, người ta có thể phân tích, nghiên cứu các hệ thống phức tạp, xác định các đặc
tính, hành vi hoạt động của hệ thống. Các kết quả mô phỏng được dùng để thiết kế,
chế tạo cũng như xác định các chế độ vận hành của hệ thống. Đối với các hệ thống
phức tạp, phi tuyến, ngẫu nhiên, các tham số biến đổi theo thời gian, phương pháp giải
tích truyền thống không thể cho ta lời giải chính xác được. Lúc này phương pháp mô
hình hoá và mô phỏng phát huy sức mạnh của mình và trong nhiều trường hợp nó là
giải pháp duy nhất để nghiên cứu các hệ thống phức tạp trên.
1.2. 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.
3
Created with Master PDF Editor. For non-commercial use only.
- 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 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.
1.3. HỆ THỐNG VÀ MÔ HÌNH 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.
4
Created with Master PDF Editor. For non-commercial use only.
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.
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 phục
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
Trạm lắp ráp
sản phẩm Sản phẩm Kích thước,
trọng lượng
Lắp ráp sản
phẩm
Sản phẩm
hoàn thiện
Số sản phẩm hoàn
thiện
5
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
Created with Master PDF Editor. For non-commercial use only.