Modelling and simulation- mô hình hóa và mô phỏng- đỗ mạnh cường

MÔ HÌNH HOÁ VÀ MÔ PHỎNG
Dr Ing. Đỗ Mạnh Cường
305 – Hitech Center
Email:
Trường Đại học Bách khoa Hà nội - Khoa Điện - Bộ môn Tự động hoá Xí nghiệp Công nghiệp
HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 2
I. Giới thiệu chung về môn học
Giáo trình:
• Nguyễn Công Hiền, Nguyễn Phạm Thục Anh „Mô hình hoá hệ thống
và mô phỏng“ NXB Khoa học và kỹ thuật – 2006.
• Huỳnh Thái Hoàng “Mô hình hóa, nhận dạng và mô phỏng”
Tài liệu tham khảo:
• Các bài báo trong các tạp chí nước ngoài về môn học.
Yêu cầu và mục tiêu của môn học:
• Làm việc theo nhóm.
• Tiếng Anh.
• Khả năng sử dụng máy tính, lập trình cơ bản để xây dựng mô hình
của một hệ thống.
Khuyến khích khả năng làm việc độc lập và sáng tạo !!!
HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 3
II.1 Tổng quan về Mô hình hoá và mô phỏng
Lịch sử ra đời:
• Được ra đời từ những năm 40 của TK20 (WW.II)
Ph
ạm vi ứng dụng và nghiên cứu
:
• Được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực, ở nhiều cấp độ khác
nhau:
– 100% các cơ sở nghiên cứu phát triển sử dụng phương pháp mô
hình hoá và các công cụ mô phỏng.
– Hơn 90% các hãng sản xuất sử dụng kỹ thuật mô phỏng trong

các giai đoạn sản xuất (nghiên cứu, tối ưu hoá và phát triển các
sản phẩm mới).
• Ngày càng nhiều các hãng đầu tư vào phát triển kỹ thuật mô phỏng.
HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 4
II.1 Tổng quan về Mô hình hoá và mô phỏng
Thế nào là mô hình hoá ?
• Nhận dạng một đối tượng hay hệ thống.
• Xác định được các thành phần (yếu tố) chính, cốt lõi và cần thiết.
• Phân tích các tác động qua lại giữa chúng.
Tại sao phải mô hình hoá ?
• Có được sự hiểu biết về đối tượng hay hệ thống đang quan tâm.
• Để dự đoán, mô phỏng và điều khiển.
• Phát hiện các vấn đề mới phát sinh
HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 5
II.2 Một số khái niệm cơ bản
• Đối tượng (Object):
• Hệ thống (System):
• Trạng thái của hệ thống (State of System):
• Mô hình (Model):
• Mô hình hoá (Modelling):
• Mô phỏng (Simulation, Imitation):
HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 6
II.3 Hệ thống và mô hình hệ thống
Ví dụ II.1: Hệ thống ổn định tốc độ của động cơ điện một chiều
BĐK Mạch lực ĐCMC Tải
r(t)
y(t)
e(t)
u(t)
r(t): Tín hiệu đặt

y(t): Tín hiệu thực
e(t): Sai lệch
u(t): Tín hiệu điều khiển
+
-
HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 7
II.3 Hệ thống và mô hình hệ thống
Ví dụ II.2: Hệ thống điều hành nhà máy nhiệt điện
Cấp liệu
Lò hơi &
gia nhiệt
Turbin
Đầu vào
Kế hoạch
sản xuất
Máy
phát
Phân phối
điện
TRUNG TÂM ĐIỀU KHIỂN VÀ
GIÁM SÁT
HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 8
II.3 Hệ thống và mô hình hệ thống
Sự kiện
(Event)
Trạng thái của hệ thống tại một thời điểm nhất định được
mô tả bởi tập hợp các biến trạng thái (state variables)
Thực thể
(Entity)
Các thuộc tính

(Attributes)
Các hoạt động?
(Activities)
HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 9
II.3 Hệ thống và phương pháp nghiên cứu hệ thống
Nghiên cứu hệ thống
Hệ thực Mô hình thay thế
Ưu điểm:
- Cho kết quả sát thực nhất
Nhược điểm:
- Tốn kém
- Không phải lúc nào cũng khả thi
Ưu điểm:
- Đơn giản và thuận tiện nhất.
- Chi phí thấp, hoàn toàn khả thi
Nhược điểm:
- Độ chính xác không cao
HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 10
II.4 Xu hướng phát triển của Mô hình hoá và mô phỏng
Ban đầu, phương pháp giải tích được áp dụng để mô hình hoá hệ thống.
Phương pháp mô phỏng được phát triển và ứng dụng rộng rãi nhờ ứng
dụng công nghệ máy tính => Xây dựng mô hình mô phỏng:
- Độ chính xác cao hơn.
- Gần sát với hệ thống thực hơn.
- Áp dụng được cho các hệ thống lớn, có cấu trúc phức tạp.
- Thiết kế lựa chọn cấu trúc, tối ưu và dự đoán trạng thái của hệ
thống.
- Định hướng khi xây dựng các hệ thống mới.
HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 11
II.4 Ứng dụng của Mô hình hoá và mô phỏng

Gặp khó khăn khi nghiên cứu trên hệ thống thực:
• Giá thành hệ thống thực quá đắt.
• Thời gian nghiên cứu trên hệ thực quá dài.
• Nghiên cứu trên hệ thống thực gây nguy hiểm.
• Không thể thực hiện được.
Dùng để đánh giá độ nhạy của hệ thống khi có các thay đổi:
• Thay đổi về cấu trúc.
• Thay đổi tham số
• Các tác nhân khác
HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 12
II.4 Ứng dụng của Mô hình hoá và mô phỏng
Nghiên cứu, xây dựng mô hình các hệ thống chưa có thực:
• Mô phỏng các hệ thống lớn, phức tạp, có tính ngẫu nhiên cao.
• Mô phỏng các hệ thống sản xuất.
• Ứng dụng trong giải trí (game), kinh doanh và quân sự.
• Các hệ thống ảo.
All models are wrong -but some are useful !!!
C. Chatfield
HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 13
III. Khái niệm về Mô hình hệ thống
Tiếp cận hệ thống:
• Hệ thống S (System)
• Môi trường E (Environment)
• Mô hình M (Model)
Tiếp cận cấu trúc ?
Tiếp cận chức năng ?
Tiếp cận hệ thống cho phép ta
xây dựng các hệ thống lớn, có
tính đến nhiều yếu tố tác động.
HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 14

III.2 Các đặc điểm Mô hình hệ thống
• Tính mục tiêu (propose).
• Độ phức tạp (complexity).
• Hành vi của mô hình (behavior).
• Tính thích nghi (adaptability).
• Tính điều khiển được (controllability).
• Khả năng phát triển của mô hình (development).
• Độ tin cậy (reliability).
• Độ chính xác (accuracy).
HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 15
III.3 Phân loại Mô hình hệ thống
• Mô hình tiền định (predictive)  Mô hình ngẫu nhiên (random).
• Mô hình tĩnh (static)  Mô hình động (dynamic).
• Mô hình tuyến tính (linear)  Mô hình phi tuyến (nonlinear).
• Mô hình liên tục (continuous)  Mô hình gián đoạn (discrete).
• Mô hình vật lý (physical)  Mô hình toán học (mathematical).
• Mô hình giải tích (analytic)  Mô hình mô phỏng (simulated).
MÔ HÌNH HỆ THỐNG
MÔ HÌNH VẬT LÝ
MÔ HÌNH TOÁN HỌC
• Tính đồng nhất (identity)
• Tính thực dụng (usability)
HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 16
III.4 Các nguyên tắc xây dựng mô hình
Ví dụ III.1: Xây dựng mô hình toán học của đối tượng
HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 17
III.4 Các nguyên tắc xây dựng mô hình
Dễ dàng thay đổi và khả năng tái sử dụng:
• Các phân tích dựa trên kinh nghiệm sử dụng lại các mô hình trong
quá khứ.

• Các phân tích thông minh để lập kế hoạch cho tương lai.
Một số gợi ý:
• Tính chọn lọc
• Phân tách
• Phân tích hệ thống ở nhiều mặt
• Xây dựng sơ đồ khối
• Các mẫu điển hình
HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 18
IV. Phương pháp Mô phỏng
Mô phỏng là gì ?
„Mô phỏng là quá trình xây dựng mô hình toán học của hệ thống
thực và sau đó tiến hành tính toán thực nghiệm trên mô hình thực tế
để mô tả, giải thích và dự đoán hành vi của hệ thống thực”(1)
Các ứng dụng mô phỏng:
• Thiết kế và phân tích hệ thống điều khiển, lập kế hoạch sản xuất.
• Đánh giá phần cứng, phần mềm của hệ thống máy tính.
• Hệ thống quản lý kho tàng.
• Thiết kế và phân tích hệ thống thông tin liên lạc, độ tin cậy của chúng.
• Thiết kế và phân tích các hệ thống giao thông.
• Các hệ thống dịch vụ
• Hệ thống tài chính, kinh tế.
HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 1
III. 1. Khái niệm về Mô hình hệ thống
Tiếp cận hệ thống:
• Hệ thống S (System)
• Môi trường E (Environment)
• Mô hình M (Model)
Tiếp cận cấu trúc ?
Tiếp cận chức năng ?
Tiếp cận hệ thống cho phép ta

xây dựng các hệ thống lớn, có
tính đến nhiều yếu tố tác động.
HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 2
III.2 Các đặc điểm Mô hình hệ thống
• Tính mục tiêu (propose).
• Độ phức tạp (complexity).
• Hành vi của mô hình (behavior).
• Tính thích nghi (adaptability).
• Tính điều khiển được (controllability).
• Khả năng phát triển của mô hình (development).
• Độ tin cậy (reliability).
• Độ chính xác (accuracy).
HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 3
III.3 Phân loại Mô hình hệ thống
• Mô hình tiền định (predictive)  Mô hình ngẫu nhiên (random).
• Mô hình tĩnh (static)  Mô hình động (dynamic).
• Mô hình tuyến tính (linear)  Mô hình phi tuyến (nonlinear).
• Mô hình liên tục (continuous)  Mô hình gián đoạn (discrete).
• Mô hình vật lý (physical)  Mô hình toán học (mathematical).
• Mô hình giải tích (analytic)  Mô hình mô phỏng (simulated).
MÔ HÌNH HỆ THỐNG
MÔ HÌNH VẬT LÝ
MÔ HÌNH TOÁN HỌC
• Tính đồng nhất (identity)
• Tính thực dụng (usability)
HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 4
III.4 Các nguyên tắc xây dựng mô hình
Ví dụ III.1: Xây dựng mô hình toán học của đối tượng
HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 5
III.4 Các nguyên tắc xây dựng mô hình

Dễ dàng thay đổi và khả năng tái sử dụng:
• Các phân tích dựa trên kinh nghiệm và khả năng tái sử dụng các mô
hình.
• Các phân tích thông minh để lập kế hoạch cho tương lai.
Một số gợi ý khi xây dựng mô hình:
• Phân chia hoặc tổ hợp
• Chọn lọc
• Phân tích hệ thống ở nhiều mặt
• Các mẫu điển hình
HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 6
III.4.1 Nguyên tắc 1: Sự phân chia / tổ hợp
Quá trình chọn lọc:
• Phân chia hay tổ hợp các thực thể của mô hình.
Ví dụ: Xây dựng một hệ thống tự động hoá dây truyền sản xuất
• Phân chia hệ thống thành các nhiệm vụ:
– Sơ đồ lắp đặt
– Quản lý dữ liệu
– Hệ thống điều khiển
– Các cơ cấu cảm biến và chấp hành
–
HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 7
III.4.2 Nguyên tắc 2: Sự chọn lọc
Xây dựng mô hình dựa theo sự chọn lọc:
• Tìm ra các điểm tương đồng.
• Tập trung vào mối quan hệ mang tính tổng quát.
Ví dụ:
• Chuẩn đoán và xác định lỗi trong hệ thống
• Phân chia các lỗi vào thành nhóm:
Theo vị trí:
• Tại thiết bị đo

• Trên đường truyền thông
• Tại bộ điều khiển trung tâm
•
Theo biểu hiện:
• Không có đáp ứng của thiết bị
• Đáp ứng sai
• Lỗi tự kiểm tra
•