CƠ sở KHOA học NGHIÊN cứu hệ THỐNG tưới TIÊU BẰNG ĐỘNG lực

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
BỘ MÔN KỸ THUẬT HẠ TẦNG VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN
---------------*--------------

BÀI GIẢNG CAO HỌC
CƠ SỞ KHOA HỌC
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU BẰNG ĐỘNG LỰC

GS. TS.LÊ CHÍ NGUYỆN


HÀ NỘI - 2015

2


MỞ ĐẦU
Máy bơm và trạm bơm là một loại thiết bị và công trình được sử dụng rất rộng
rãi trong các ngành kinh tế quốc dân.
Nhằm mục đích tưới tiêu và cung cấp nước cho sinh hoạt và công nghiệp, đến
nay chúng ta đã xây dựng nhiều trạm bơm lớn, nhỏ.
Tất cả các trạm bơm trên đều do cán bộ kỹ thuật nước ta thiết kế, xây dựng và
quản lý vận hành và đã phát huy hiệu quả tưới tiêu đảm bảo an toàn sản xuất nông
nghiệp nâng cao năng suất và sản lượng cây trồng.
Song song với các trạm bơm tưới tiêu có áp lực thấp xây dựng chủ yếu ở các
vùng đồng bằng, các trạm bơm áp lực cao dùng để tưới cho các vùng đồi, cây chuyên
canh, sử dụng các kỹ thuật tưới phun, tưới gốc…., các trạm bơm cấp nước cho các
khu dân cư đang được xây dựng và phát triển.
Để đáp ứng yêu cầu sản xuất, không ngừng hiện đại hóa hệ thống thủy lợi ở nước
ta yêu cầu cấp thiết phải:
1. Nâng cao trình độ thiết kế, xây dựng đảm bảo công trình hiện đại, hợp lý.

2. Nâng cao trình độ khai thác vận hành để giảm chi phí quản lý, tăng hiệu quả
tưới, tiêu và cấp thoát nước.
Để đáp ứng các yêu cầu trên, cần thiết phải nghiên cứu để giải quyết những vấn
đề sau đây :
Về máy bơm :
1. Xác định được một gam bơm hợp lý phủ được toàn bộ các yêu cầu dùng bơm
trong cả nước.
2. Hiện đại hóa thiết bị và trình độ chế tạo.
3. Nghiên cứu hoàn thiện hệ thống dẫn dòng thủy lực (bánh xe cánh quạt, cánh
hướng nước…) để nâng cao hiệu suất bơm, kết cấu bơm gọn nhẹ.
4. Nghiên cứu áp dụng các vật liệu mới nâng cao độ bền, giảm trọng lượng,
chống khí thực, nước va…
Về trạm bơm:
1. Nghiên cứu xác định quy mô tối ưu các hệ thống tưới tiêu bằng động lực.
2. Nghiên cứu xác định các thông số thiết kế hợp lý Zh, Zt, H, Q… cho các trạm
bơm tưới, tiêu và cấp nước.
3. Nghiên cứu các kết cấu nhà trạm phù hợp với các loại thiết bị bơm và yêu cầu
về nền móng và các điều kiện tự nhiên khác.
4. Nghiên cứu hình dạng và cấu tạo hợp lý các công trình hút nước, tháo nước.

3


5. Phương pháp tính toán tối ưu mạng ống tưới và cấp nước.
6. Nghiên cứu lập chương trình điều khiển, vận hành tối ưu các trạm bơm và hệ
thống tưới tiêu cấp nước bằng động lực.
Những vấn đề trên được giải quyết dựa vào các cơ sở.
-

Lý thuyết phân tích hệ thống

-

Lý thuyết tối ưu

-

Lý thuyết về thủy lực và cơ chất lỏng

-

Các phương pháp thí nghiệm mô hình vật lý…

Cuốn sách này giúp người đọc nâng cao một số kiến thức chủ yếu về máy bơm,
trạm bơm và cung cấp một số vấn đề cơ sở có thể áp dụng để giải quyết các bài toán
về hệ thống tưới tiêu và cấp nước bằng động lực.

4


CHƯƠNG I:
ĐẶC TÍNH MÁY BƠM VÀ TRẠM BƠM
1.1. ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH MÁY BƠM
1.1.1. Khái quát về máy bơm cánh quạt:
Máy bơm cánh quạt là máy bơm có bánh xe công tác (BXCT) gắn cánh quạt và
khi BXCT quay sẽ truyền năng lượng cho chất lỏng. Máy bơm cánh quạt là loại máy
bơm được dùng phổ biến nhất và được nghiên cứu đầy đủ nhất.
Máy bơm cánh quạt được phân ra thành 3 loại theo hướng của dòng chảy chuyển
động trong máy bơm so với trục bơm, gồm: máy bơm ly tâm, máy bơm hướng trục,
máy bơm hướng chéo.

Hình 1.1. Sơ đồ dòng chảy trong bánh xe cánh quạt
1.1.2. Đường đặc tính máy bơm cánh quạt.
Đặc tính công tác của mỗi loại máy bơm biểu thị bằng các đường đặc tính máy
bơm. Đường đặc tính máy bơm là đường quan hệ giữa các thông số cột nước H, công
suất N, hiệu suất và đặc tính hút (Độ cao chân không cho phép hoặc độ dữ khí thực
cho phép) với lưu lượng Q, số vòng quay n và đường kính ngoài bánh xe cánh quạt D.
Với một máy bơm (D = const) làm việc với số vòng quay n = const có một họ
đường đặc tính gồm H = f(Q), η = f(Q), N = f(Q), ∆H(NPSH) = f(Q) hoặc [HCK] = f(Q).
Họ đường đặc tính này có dạng khác nhau tùy theo loại khác nhau của máy bơm
cánh quạt. Máy bơm cánh quạt có 3 loại ứng với tỉ tốc, gồm: bơm ly tâm : n S ≤ 300; bơm
hướng chéo nS > 300 ÷ 500; bơm hướng trục nS > 500.
Dạng đường đặc tính của ba loại máy bơm cánh quạt này (hình 1.1) có khác nhau.
Η
η
Ν

Η
η
Ν

η=f(Q)

Η A' A
η
Ν

η=f(Q)

η=f(Q)

B

Η=f(Q)
Η=f(Q)
Ν=f(Q)

Ν=f(Q)
Q

B'

C
C'

Η=f(Q)
Ν=f(Q)

Q

Q

a. Bơm ly tâm
b. Bơm hướng chéo
c. Bơm hướng trục
Hình 1.2: Dạng đường đặc tính máy bơm cánh quạt
5


Máy bơm ly tâm, là loại máy bơm truyền lực ly tâm cho chất lỏng, có hệ số tỷ tốc
nS ≤ 300. Họ đường đặc tính bơm ly tâm biểu thị ở hình 1-1a. Dạng đường H = f(Q)

có dạng cong trơn, phạm vi hiệu suất cao rộng, Đường N = f(Q) tăng dần theo lưu
lượng.
Máy bơm hướng trục truyền lực nâng cho chất lỏng có n S≥ 500 có họ đường đặc
tính biểu thị ở hình 1.1.c. Đường H = f(Q) và N = f(Q) giảm với tốc độ lớn theo Q tăng
và xuất hiện các cực đại và cực tiểu. Vùng từ cực đại C về phía Q giảm đột ngột.
Đường hiệu suất η = f(Q) nhọn nên phạm vi hiệu suất cao thường rất bé.
Máy bơm hướng chéo (hỗn lưu) là loại máy bơm truyền cho chất lỏng cả lực ly
tâm và lực nâng, hệ số tỷ tốc n S = 300 ÷ 500. Các dạng đường đặc tính đều nằm trung
bình giữa đường đặc tính của hai loại máy bơm li tâm và hướng trục. Đặc biệt đường
N = f(Q) thay đổi rất ít khi Q thay đổi làm cho động cơ làm việc khá ổn định.
1.1.3. Sự tương tự của đường đặc tính máy bơm.
Việc xác định các đường đặc tính máy bơm bằng lý thuyết có rất nhiều khó khăn.
Vì vậy hiện nay để có các đường đặc tính mỗi loại máy bơm đều dựa vào kết quả thí
nghiệm đồng thời dùng phương pháp tương tự và phân tích thứ nguyên làm cơ sở để
tổng hợp phát triển kết quả thí nghiệm.
Phương pháp tương tự và thứ nguyên cho ta tìm được các quy luật quan hệ giữa cột
nước H = f(Q,n,D), công suất N = f(Q,n,D) với lưu lượng Q, số vòng quay n và đường
kính ngoài bánh xe cánh quạt D, khi đồng dạng hình học giữa 2 máy bơm đã được xác
lập, tức là tỷ số kích thước hình học của hai bộ phận dẫn dòng của 2 máy bơm luôn
luôn không thay đổi (

l1 D1
=
= const ).
l2 D2

Từ đó ta có các công thức đồng dạng:
 Qth Dth3 nth
= 3
= iD3 .in


 Qm Dm nm
 H th Dth2 nth2
= 2 2 = iD2 .in2

 H m Dm nm
N
D5 n3
 th = th5 th3 = iD5 .in3
 N m Dm nm

Trong đó: i D =

Dth
nth
; in =
Dm
nm

Khi cùng một máy bơm ( i D = 1) ta có:

6


Qth
= in

Qm
H th
= in2

Hm
N th
= in3

Nm

Cỏc cụng thc ny c dựng v li ng c tớnh mỏy bm khi s vũng
quay thay i.
1.1.4. ẹửụứng ủaởc tớnh toồng hụùp maựy bụm
Vi cựng mt mỏy bm thỡ

Dth
= 1 , cỏc loi tn tht thy lc, tn tht dung tớch
Dm

v tn tht c khớ trong mt phm vi rt rng thay i khụng ỏng k. Vỡ vy quan h
ng dng cú dng :
Q1 n1 H1 n12 N1 n13
= ;
= ;
=
Q2 n2 H 2 n22 N 2 n23

T ú ta cú:

H th =

H th
ì Qm2

Qth2

T cỏc kt qu thớ nghim mỏy bm ng vi s vũng quay cho trc cú th v
li ng c tớnh khi s vũng quay thay i. V ta cú ng c tớnh tng hp ca
mỏy bm (hỡnh 1 3). ng c tớnh tng hp mỏy bm cú c bng cỏch trờn
cựng mt th v cỏc ng c tớnh H i = f(Q) ng vi s vũng quay ni = const v
ng ng hiu sut .

Hỡnh 1.3: ng c tớnh tng hp mỏy bm
Xỏc nh cỏc ng c tớnh ca mt mỏy bm bng thớ nghim thng cú
nhng khú khn v tn kộm. Vỡ vy khi ó cú mt ng c tớnh vi mt s vũng
quay no ú ngi ta cú th m rng phm vi hot ng ca bm ng vi cỏc s vũng
quay cn thit v hiu sut ca mỏy bm s t c ng vi mt giỏ tr ct nc v
lu lng.

7


Đường đặc tính tổng hợp máy bơm xác định bằng các công thức đồng dạng trên
đây sẽ có mức độ chính xác cần thiết được sử dụng phổ biến trong xác định điểm làm
việc của bơm điều tốc, ứng dụng biến tần để thay đổi vòng quay của bơm.
1.1.5. Đường đặc tính toàn phần của bơm
Khi máy bơm làm việc bình thường số vòng quay n, lưu lượng Q, cột áp H và
mô men quay M có trị số dương. Trong trường hợp có sự cố ở mức độ nào đó, máy
bơm sẽ làm việc trong chế độ thuận nghịch.
Đường đặc tính toàn phần của một máy bơm biểu thị tính năng máy bơm trong
các trạng thái công tác quá độ đó, nó giúp ta nghiên cứu xử lý các trường hợp làm việc
quá độ của máy bơm trong thực tế.
Nếu biểu thị :
h=

H
Q
%; q =
%
HH
QH

α=

n
M
%; m =
%
nH
MH

Trong đó hệ số h, q,α, m là tỷ số giữa cột nước, lưu lượng, số vòng quay và mô
men quay so với chế độ định mức (ứng với ηmax).
Quan hệ giữa các hệ số trên được biểu thị trên hệ tọa độ hình (1.4) và gọi là đường đặc
tính toàn phần của máy bơm.
α= nnH
%
+100

150

-50%

100

B

A

I

h=0

50

G

-q

-150

-100

50
-50

D

E

100

0%
-10

0
m=

150

200

q=

Q
%
QH

F
h=0

-100

m=
0

C
%
00
+1

0

-50

0%
+5

-150
0%
+5

-50%

0%
-10

-α

Hình 1.4: Đường đặc tính toàn phần của máy bơm
Ghi chú :
: Đường m
: Đường h
8


Quy ước như sau:

Quay thuận chiều (n>0), quay ngược chiều (n<0)
Bơm thuận chiều : H>0, Q>0;
Tự chảy qua máy bơm Q>0, H<0
Chảy ngược qua máy bơm Q<0, H>0
Từ quan hệ đó cho thấy đường đặc tính toàn phần chia làm 8 khu vực :
1. Khu vực A : Lưu lượng có trị số dương (lưu lượng bơm lên) và bơm quay thuận

chiều (n>0) : bơm làm việc với trạng thái bơm thuận chiều.
2. Khu vực B: Bơm quay thuận nhưng lưu lượng chảy ngược trong trường hợp này
bơm nhận được năng lượng của dòng chảy (bắt đầu chảy ngược n>0, H>0, Q<0).
3. Khu C là khu vực máy bơm làm việc theo trạng thái tuốc bin (n<0, Q < 0, H>0)
(Chảy ngược từ bể tháo qua máy bơm).
4. Khu D là khu vực máy bơm quay ngược, lưu lượng chảy ngược, máy bơm làm
việc ở trạng thái hãm tiêu hao năng lượng ở dòng chảy và cả động cơ (Từ trạng
thái Turbin sang trạng thái tự chảy n < 0, Q <0; H>0).
5. Khu E có n < 0 và Q> 0 và H>0 thuộc trạng thái làm việc bơm chuyển động
ngược (kết thúc trạng thái bơm quay ngược bắt đầu chuyển sang trạng thái tự
chảy qua bơm).
6. Khu F có n < 0 nhưng Q > 0, H < 0 và M < 0 thuộc trạng thái hãm (hãm chảy
ngược khi bơm quay ngược, chuyển sang tự chảy từ bể hút qua bơm).
7. Khu G có n > 0, Q > 0 Nhưng cả H < 0, M < 0 là giai đoạn có trạng thái tuốc bin
chuyển ngược (Tự chảy qua bơm nhưng vẫn còn mômen quay ngược theo đà).
8. Khu I có n > 0, Q > 0, M > 0, nhưng H < 0 là khu vực hãm (Hãm tự chảy qua
bơm, chuyển sang bơm thuận chiều).
1.1.6. Số học hóa đường đặc tính máy bơm
Đường đặc tính của một máy bơm được xác định từ thí nghiệm. Để có thể sử
dụng trong tự động hóa thiết kế hoặc điều hành có thể biểu thị đường đặc tính dưới
dạng hàm số phương trình số học.
Có thể biểu thị các đường đặc tính H = f(Q), [H CK] = f(Q) và N = f(Q) dưới dạng
đường cong bậc 2. Theo E.A.Grepera thì sai số về lưu lượng không quá 6% và cột
nước không quá 3%.
Các phương trình như sau :
 H = a0 ( x) + a1 ( x )Q + a2 ( x )Q 2

2
[ H CK ] = b0 ( x) + b1 ( x)Q + b2 ( x )Q


2
 N = c0 ( x ) + c1 ( x)Q + c2 ( x)Q

9


Trong đó: a0 ( x), b0 ( x), c0 ( x); a1 ( x), b1 ( x), c1 ( x); a2 ( x), b2 ( x), c2 ( x ); là các hệ số phụ
thuộc vào các thông số điều chỉnh x. Nếu không điều chỉnh, các hệ số trên là hằng số phụ
thuộc từng loại máy bơm và có thể xác định bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất.
Chẳng hạn muốn tìm a0, a1, a2 ta lấy 3 điểm bất kì trên đường H ∼ Q, tìm tọa độ
được hệ 3 phương trình với 3 ẩn số a0, a1, a2. Giải hệ 3 phương trình này ta được a0, a1, a2.
Thông số điều chỉnh ở đây là góc nghiêng cánh quạt hoặc các vòng quay khác nhau.
Chẳng hạn nếu máy bơm hướng trục có 6 khả năng thay đổi góc nghiêng cánh
quạt thì sẽ có tương ứng 6 phương trình số học khác nhau biểu thị quan hệ H = f(Q);
[HCK] = f(Q) và N = f(Q).
1.2. MÁY BƠM LÀM VIỆC TRONG HỆ THỐNG
1.2.1. Điểm công tác máy bơm
Một máy bơm làm việc trong hệ thống sẽ làm việc ổn định tại một điểm, đó là
điểm công tác máy bơm.
Điểm công tác máy bơm là điểm gặp nhau giữa hai đường : đường đặc tính máy
bơm H = f(Q) và được đặc tính yêu cầu : Hyc.
Hyc = Hdh + ht = Hdh + SQ2.
Ở đây : Hdh : cột nước bơm địa hình.
ht : tổng tổn thất thủy lực trên đường ống hút và ống đẩy của máy bơm.
Trong khu vực bình phương sức cản có thể viết : ht = SQ2 với S là hệ số tổn thất.
Có nghĩa là điểm công tác là điểm cân bằng giữa năng lượng cung cấp của máy
bơm và năng lượng yêu cầu ở môi trường sử dụng bơm.
H = f(Q) = Hdh + SQ2

Η

η

Η=f(Q)

η=f(Q)

ηA

Α

ΗΑ

[ΗCK]Α

Ηyc=Hdh+SQ

[ΗCK]=f(Q)

QA Q
Hình 1.5: Điểm công tác máy bơm
Nếu đặt Hdh = f(Q) – SQ2 thì điểm công tác máy bơm có thể tìm được khi biết H dh
= Zt - Zh .
Ở đây : Zt, Zh là cao trình mực nước tháo và mực nước hút.

10


Nếu biểu thị cột nước máy bơm :
H = a0(x) + a1(x)Q + a2(x)Q2 thì:
Hdh = a0(x) + a1(x)Q + [a2(x) – S]Q2 hay:

a0(x) + a1(x)Q + [a2(x) – S]Q2 – Hdh = 0
Nếu cột nước địa hình là hằng số H dh = Zt - Zh = const thì phương trình trên sẽ có
dạng một phương trình bậc hai cho phép có thể xác định giá trị nghiệm Q A và từ đó
xác định HA của điểm công tác A.
1.2.2. Maùy bôm laøm vieäc song song
Có n máy bơm hút nước từ nhiều bể hút làm việc song song cùng chung một
đường ống đẩy (hình 1.6)
+ Hệ thống làm việc cân bằng khi :
PM1 = PM2 = …. = PMn
+ Áp lực tại M do các máy bơm tạo nên :
VM2 − Vhi2
− hti ]
PM = PMi = Phi + γ[Hi – (ZM - Zhi) 2g

Trong đó :
- Phi, Zhi và Vhi : áp lực, cao trình và lưu tốc ống hút tại bể hút.
- PM, ZM và VM : áp lực, cao trình và lưu tốc tại điểm M.
- hti : Tổn thất của đường ống máy bơm i từ bể hút đến M.
- Hi : Cột nước bơm máy i
+ Để bơm nước lên cao trình Z N đáp ứng áp lực PN và lưu tốc VN, áp lực tại M
phải bằng :

PM = PN + γ(ZN - ZM) +

VN2 − VM2
+ htMN
2g

Trong đó :
- PN, ZN, VN áp lực, cao trình, lưu tốc của mặt cắt mặt nước bể tháo.

- htMN : tổn thất thủy lực ống chung (M – N)
Như vậy muốn làm việc chung thì tại M phải có áp lực cân bằng đối với các
máy bơm, tức là :
PM = PMi = const
Áp lực PM do các máy bơm i sinh ra phải cân bằng với yêu cầu về áp lực tại M.
Muốn cho áp lực tại M cân bằng thì cột nước do bơm tạo ra phải đảm bảo để
khắc phục cột nước địa hình và tổn thất M – N.
- Để tìm đường đặc tính chung khi ghép song song n máy bơm, từ đường đặc tính
của các máy i (1,……, n).
11


Hi = fi(Q)
Xác định các đường

PMi
= f i (Q) tức là :
γ
PM 1 PM 2
P
=
= ............. = Mn
γ
γ
γ

(1)

n

Q = ∑ Qi

(2)

i =1

N(PN, ZN, VN)

M(PM, ZM, VM )

I

n

II
P h2
Z h2
V h2

P h1
Z h1
V h1

P hn
Z hn
V hn

Hình 1.6: Máy bơm ghép song song
Từ quan hệ trên vẽ đường đặc tính chung của n máy.
- Điểm công tác là giao điểm của đường đặc tính chung ở trên với đường đặc tính

yêu cầu.
1.2.3. Máy bơm làm việc nối tiếp.
Khi cột nước cần lớn mà cột nước bơm bé thì cần mắc nối tiếp hai hoặc nhiều
máy bơm . (hình 1- 7)
Có n máy mắc nối tiếp :
H1 = f1(Q)
H2 = f2(Q)
….
Hn = fn(Q)
Thì :
Q = Q1 = Q2 =… = Qn
n

n

i =1

i =1

H = ∑ H i = ∑ fi (Q )

12


Trong đó: Q, H lưu lượng và cột nước làm việc chung của các máy bơm nối tiếp
n

2

Điểm công tác : Hyc = Hdh + SQ =

∑ f (Q)
i

1

Từ đây tìm được Q và các thông số khác
Zt

Hdh

Zh

I

II

Hình 1.7. Hai máy bơm ghép nối tiếp

Câu hỏi thảo luận
1. Khi nào cần điều khiển công tác của máy bơm. Các yêu cầu cần đạt được khi
điều chỉnh điểm công tác của máy bơm. Các phương pháp điều chỉnh điểm
công tác của máy bơm trong hệ thống.

13


CHƯƠNG II
GIỚI THIỆU LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH HỆ THỐNG VÀ
ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TƯỚI TIÊU

BẰNG ĐỘNG LỰC
Trong công cuộc đổi mới nền kinh tế của nước ta, việc hiện đại hóa các công
trình tưới tiêu là một yêu cầu cấp thiết nhằm nâng cao hiệu ích, giảm năng lượng tiêu
thụ.
Sự phát triển nhanh chóng của khoa học hệ thống và kỹ thuật thông tin ở nước ta
hiện nay đã tạo nên cơ sở vững vàng cho việc phát triển kỹ thuật tự động hóa thiết kế
và quản lý công trình thủy lợi, trong đó có trạm bơm.
Khoa học hệ thống nghiên cứu một đối tượng phức tạp gồm một chỉnh thể hợp
lại bởi nhiều bộ phận có quan hệ tương hỗ lẫn nhau, có quan hệ với môi trường bên
ngoài và sự hoạt động nhằm những mục đích đã định sẵn.
Một hệ thống luôn luôn có những đặc trưng sau đây: Tính tập hợp, tính tương
quan, tích mục đích, tính chỉnh thể và tính thích ứng với môi trường.
Phân tích hệ thống là phương pháp định lượng hóa hệ thống công trình, hay cũng
có thể gọi là đi tìm tối ưu hóa hệ thống. Nội dung trung tâm của việc phân tích hệ
thống là mô tả mô hình hóa hệ thống và tối ưu hóa hệ thống.
Hệ thống công trình thủy lợi bao gồm một mạng lưới các công trình dẫn nước,
các công trình điều tiết trên mạng lưới và các công trình đầu mối tưới tiêu, phát điện,
phòng lũ… Sự hoạt động của hệ thống công trình thủy lợi là sự phối hợp công tác
giữa các công trình đó tạo nên một trạng thái cân bằng ổn định phụ thuộc vào các yếu
tố môi trường bên ngoài và sự chi phối của con người. Nhận biết được quy luật hoạt
động rất phức tạp của một hệ thống công trình thủy lợi, tiến tới tối ưu hóa trong quy
hoạch, thiết kế và điều khiển hệ thống là đối tượng nghiên cứu của khoa học hệ thống.
Phương pháp phân tích hệ thống được áp dụng vào công trình thủy lợi từ năm
1950, đầu tiên là vấn đề quản lý và phân phối nguồn nước. Đặc biệt từ thập kỷ 70 khi
có sự phát triển rộng rãi của máy vi tính, phương pháp phân tích hệ thống được sử
dụng rộng rãi trong quy hoạch thiết kế và tự động hóa quản lý ở các hệ thống tưới
tiêu, cấp thoát nước đô thị, các hệ thống phòng lũ, phát điện…
Ở nước ta, nhiều công trình thủy lợi đã được xây dựng và trong những năm tới
nhiều dự án về tưới tiêu, phòng lũ sẽ được thực thi. Áp dụng phương pháp hệ thống
cho phép tối ưu hóa trong việc quy hoạch sử dụng nguồn nước, trong thiết kế và quản

lý các hệ thống tưới tiêu ở nước ta.
14


Công trình trạm bơm là công trình thủy lợi rất phổ biến ở nước ta. Tuy nhiên nó
là một loại công trình sử dụng nhiều năng lượng. Vì vậy, việc tối ưu hóa các thông số
thiết kế và điều khiển vận hành sẽ có một ý nghĩa đáng kể nhằm giảm nhỏ năng lượng
tiêu hao.
Việc giảm nhỏ năng lượng tiêu hao trên không phải chỉ thực hiện ở khâu vận
hành quản lý, mà nó được tạo tiền đề có tính chất quyết định ngay từ bước quy hoạch
thiết kế.
Vì vậy để việc nghiên cứu hệ thống trạm bơm tưới tiêu, cấp thoát nước mang lại
hiệu ích tốt nhất, phải vận dụng lý thuyết về phân tích hệ thống.
Lý thuyết về phân tích hệ thống áp dụng vào hệ thống tưới tiêu, cấp nước bằng
động lực có thể giải quyết những vấn đề sau đây :
- Quy hoạch các hệ thống công trình lấy nước, dẫn nước và điều tiết nước.
- Thiết kế và quản lý tối ưu hệ thống tưới, tiêu.
- Vận hành tối ưu các hệ thống tưới tiêu.
- Luận chứng các tiêu chuẩn thiết kế và phân tích mức độ đảm bảo hệ thống
tưới tiêu.
Trong chương này sẽ trình bày phương pháp vận dụng lý thuyết phân tích hệ
thống, lý thuyết về tối ưu đối với một hệ thống công trình tưới tiêu bằng động lực.
2.1. HỆ THỐNG VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA HỆ THỐNG
2.1.1. Định nghĩa
Hệ thống là một tập hợp các phần tử được sắp xếp theo một trật tự nào đó, có
mối tác động tương tác lẫn nhau tạo thành một tập hợp đầy đủ.
Hệ thống công trình trạm bơm tưới là một tập hợp các phần tử: nguồn nước →
công trình lấy nước → công trình dẫn nước → nhà máy bơm → công trình tháo nước
→ khu tưới; có mối tác động tương hỗ lẫn nhau thành một tập hợp đầy đủ làm nhiệm
vụ tưới. Tương tự ta có hệ thống công trình trạm bơm tiêu.

2.1.2. Các đặc trưng của hệ thống
1. Cấu trúc hệ thống
Cấu trúc hệ thống là sự sắp xếp các phần tử trong hệ thống theo một trật tự nào
đó cùng với các tác động tương tác giữa chúng. Cấu trúc của hệ thống được mô tả tùy
thuộc vào mục đích nghiên cứu của hệ thống. Một hệ thống thực, nhưng mục đich
nghiên cứu khác nhau sẽ có sự mô tả cấu trúc khác nhau. Mỗi thành phần tham gia vào
cấu trúc của hệ thống được đặc trưng bởi tham số nào đó gọi là tham số cấu trúc. Như
vậy, nói đến cấu trúc có nghĩa là đã kể đến những tham số đặc trưng cho cấu trúc và
mối quan hệ qua lại giữa các thành phần của cấu trúc ấy.

15


Cấu trúc hệ thống trạm bơm tưới là sự sắp xếp các phần tử trong hệ thống theo
trật tự như nêu ở trên, có tác dụng tương hỗ lẫn nhau. Các thông số thiết kế của các
phần tử chính là các thông số về cấu trúc của hệ thống trạm bơm tưới bao gồm: quy
mô trạm bơm, kết cấu nhà trạm, chủng loại máy bơm, kích thước mặt cắt kênh, chiều
dài kênh, đặc điểm và số lượng các công trình trên kênh.
2. Thông tin vào, ra của hệ thống
Có thể định nghĩa như sau:
- Thông tin vào của hệ thống là tập hợp tất cả các “tác động” vào hệ thống để
nhận được các thông tin ra của hệ thống.
- Thông tin ra của hệ thống là tập hợp tất cả những đặc trưng mà người nghiên
cứu quan tâm khi có tác động tương ứng ở đầu vào.
Như vậy, lựa chọn thông tin vào, ra cũng phụ thuộc vào mục tiêu nghiên cứu. Nói
tóm lại cái gì cần quan tâm ta coi đó là thông tin ra, còn cái gì làm thay đổi thông tin ra
được coi là thông tin vào của hệ thống.
+ Các thông tin vào của hệ thống trạm bơm bao gồm: các điều kiện khí tượng
thủy văn; nguồn nước; nhu cầu nước; loại cây trồng; cơ cấu cây trồng; tập quán canh
tác; giá thành sản phẩm.

+ Các thông tin ra của hệ thống trạm bơm bao gồm: quy trình điều khiển, quản
lý, vận hành hệ thống nhà trạm bơm, kênh, công trình trên kênh, các chỉ tiêu kinh tế,
kỹ thuật.
- Các thông tin vào và ra được đặc trưng bởi một đại lượng nào đó có thể coi là
các biến và gọi là biến vào, biến ra. Nếu các đại lượng này là các đại lượng phụ thuộc
vào thời gian gọi là các quá trình vào, ra hoặc là các hàm vào, ra của hệ thống.
- Các biến vào của hệ thống bao gồm cả các biến điều khiển được và các biến không
điều khiển được. Ví dụ, khi vận hành một trạm bơm tiêu, quá trình mưa, bốc hơi là các
biến vào không điều khiển được, lưu lương bơm qua trạm bơm tiêu là biến vào điều khiển
được. Biến ra của hệ thống có thể là quá trình năng lượng tiêu hao cho trạm bơm tiêu là
hàm của các biến vào, cũng có thể là sự biến đổi mực nước trong khu tiêu.
3. Trạng thái của hệ thống và biến của trạng thái
Trạng thái của hệ thống là một đặc trưng quan trọng của bài toán điều khiển hệ
thống. Với tác động từ bên ngoài hệ thống sẽ “chuyển động” theo một quỹ đạo biến
đổi theo thời gian. Quỹ đạo chuyển động của hệ thống tại thời điểm bất kỳ phụ thuộc
vào trạng thái của nó ở thời điểm trước đó và những tác động từ bên ngoài ở chính thời
điểm đó. Hệ thống mà trạng thái của nó ở một thời điểm nào đó không những phụ
thuộc vào tác động từ bên ngoài ở chính thời điểm đó, mà còn phụ thuộc vào trạng thái
của nó ở những thời điểm trước đó gọi là hệ thống có nhớ. Đối với hệ thống có nhớ
16


người ta đưa vào một loại biến đặc trưng cho trạng thái của nó, gọi là biến trạng thái.
Biến trạng thái là một hàm của thời gian.
Trong trường hợp mà trạng thái của hệ thống chỉ phụ thuộc vào tác động bên
ngoài ở chính thời điểm đó gọi là hệ thống không có nhớ thì việc mô tả thêm biến
trạng thái là không bắt buộc.
Sự mô tả hệ thống trình bày trên đây cần được hiểu nghĩa đầy đủ theo ý nghĩa
toán học của nó, tức là sự mô tả biến vào, biến ra của hệ thống có thể không trùng với
“ cái vào”, “cái ra” của hệ thống thực. Như vậy, cùng một hệ thống thực nhưng mục

đích nghiên cứu khác nhau thì sự mô tả hệ thống, bao gồm các biến ra và biến trạng
thái cũng khác nhau.
Với trạm bơm, biến trạng thái (là biến thay đổi theo thời gian) gồm: Q = f(t), Z h =
f(t), Zt = f(t), N = f(t), η = f(t). Tại một thời điểm ta có điểm công tác với các thông số:
H = const, Q = const, n = const, η = const, N = const.
Khi mô tả hệ thống, điều quan trọng nhất của người làm hệ thống là phải xác
định được đâu là biến vào, biến ra và đặc trưng nào là biến trạng thái. Ngoài ra, cũng
phải mô phỏng được quá trình trao đổi thông tin giữa các thành phần trong hệ thống,
quan hệ giữa biến vào, biến ra và biến trạng thái.

Hình 2.1. Mô tả tổng quát về hệ thống
2.1.3. Phân loại hệ thống
Phụ thuộc vào đặc điểm của hệ thống, mục đích nghiên cứu mà có cách phân loại
khác nhau. Dưới đây là một số loại hệ thống đặc trưng:
- Hệ thống với mô hình vào, ra:

Hình 2.2. Hệ thống loại hộp đen

17


Loại này không cho biết cấu trúc bên trong của hệ thống mà chỉ cho biết quan hệ
tương tác giữa các biến vào và biến ra. Hệ thống loại này có tên là “ hộp đen” (hình trên).
Đối với hệ thống trên, biến vào và biến ra có thể là hàm của thời gian. Cách mô
tả này phụ thuộc loại hệ thống không có nhớ, tức là kết quả ở đầu ra tại một thời điểm
chỉ phụ thuộc vào tác động tại đầu vào ở chính thời điểm đó.
Quy trình sản xuất sản phẩm khép kín là loại hệ thống này. Với đầu vào quy định về
vật liệu, thành phần và quy trình công nghệ xác định ra được sản phẩm như tiêu chuẩn.
- Hệ tĩnh và hệ động:
Hệ tĩnh là hệ mà các không gian biến của hệ thống không phải là hàm của thời

gian. Hệ động là hệ có chứa biến trạng thái và các biến vào, biến ra đều là hàm của
thời gian. Hệ tĩnh là trường hợp riêng của hệ động khi các hàm thời gian được lấy bình
quân trong một khoảng thời gian nào đó.
- Hệ có điều khiển và hệ không có điều khiển
Trạm bơm là hệ thống có điều khiển. Ta có thể điều khiển vòng quay để có các
thông số Q, H thay đổi khi Zh, Zt thay đổi

Hình 2.3. Hệ thống có điều khiển
- Hệ thống có mô tả cấu trúc bên trong – Hộp trắng:
Khác với loại hộp đen các hệ thống loại hộp trắng có thêm các biến trạng thái.
Việc đưa vào không gian biến trạng thái giúp ta phân tích được “quỹ đạo chuyển
động” của hệ thống hoặc đoán biết được xu hướng phát triển của hệ thống trong tương
lai. Do đó người nghiên cứu định hướng được các tác động vào hệ thống để đạt được
mục tiêu mong muốn.
Cấu trúc bên trong của hệ thống còn phải được mô tả bằng các biến gọi là thông
số cấu trúc, vì rằng các thông số này sẽ quyết định sự truyền thông tin từ đầu vào đến
sự thay đổi trạng thái và các phản ứng ở đầu ra.
Hệ thống trạm bơm cũng là hộp trắng, trong đó sự thay đổi thông số cấu trúc
vòng quay, góc cánh quạt là mục tiêu điều khiển.

18


Một hệ thống mà mối quan hệ giữa biến vào, biến ra và biến trạng thái được mô
tả một cách chặt chẽ bằng các biểu thức toán học gọi là hệ có “cấu trúc chặt”, ngược
lại là hệ thống “phi cấu trúc”, loại hệ thống có đặc tính trung gian gọi là hệ thống có
“cấu trúc yếu”.
Trạm bơm cũng có thể có cấu trúc chặt hoặc cấu trúc yếu.
Hệ thống không có điều khiển là hệ mà các thông tin vào không chứa các biến
điều khiển được, ngược lại là hệ có điều khiển. Nói chung, biến điều khiển và biến

trạng thái là các biến độc lập nhau, nhưng trong một số trường hợp, biến trạng thái
cũng chính là biến điều khiển.
Cấu trúc bên trong hệ thống được mô tả bằng các biến gọi là thông số cấu trúc
như: chủng loại máy bơm, kết cấu nhà trạm, ống hút, ống đẩy.
Thông số điều khiển ở đây là: điều khiển số vòng quay, điều khiển tổn thất trên
đường ống hút, ống đẩy; điều khiển độ mở cống để điều khiển mực nước bể hút trạm
bơm tưới đặt trong đê.
Đối với các hệ thống điều khiển có mối liên hệ ngược, có thể chia ra làm 2 loại:
- Hệ thống điều khiển bán tự động (hình vẽ) là hệ thống mà khi xử lý thông tin và
điều khiển được thực hiện trực tiếp bởi người điều khiển. Người điều khiển trực tiếp
quan sát phản ứng của hệ thống (có thể có sự tham gia của máy tính điện tử). Sau khi
phân tích, so sánh người điều khiển trực tiếp ra quyết định và điều hành hệ thống điều
khiển.

Hình 2.4. Quá trình điều khiển bán tự động

19


Hình 2.5. Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động
Một hệ thống mà quá trình điều khiển hoàn toàn được tự động hóa được gọi là
điều khiển tự động. Trong trường hợp này người điều khiển chỉ can thiệp vào quá trình
điều khiển ở khâu lập chương trình điều khiển. Quá trình điều khiển được thực hiện tự
động không có sự can thiệp của con người. Trình tự thực hiện quá trình điều khiển
được mô tả trên hình vẽ.
Hệ thống trạm bơm cũng có thể là hệ thống bán tự động và tự động điều khiển.
- Hệ tất định và hệ ngẫu nhiên
Hệ tất định là hệ mà các biến vào, biến ra, các ràng buộc và mối quan hệ giữa các
phân tử trong hệ thống là những hàm tất định. Một trong những biến trên là hàm ngẫu
nhiên ta gọi là hệ ngẫu nhiên.

Các biến vào hệ thống (các biến không điều khiển được) là ngẫu nhiên ta gọi là
“nhiễu”. Các hệ thống nguồn nước đều là hệ ngẫu nhiên.
Cần phân biệt khái niệm tất định và ngẫu nhiên trong mô tả hệ thống với khái
niệm mô tả toán học như mô hình tất định, mô hình ngẫu nhiên. Một hệ thống ngẫu
nhiên có thể mô tả bằng mô hình tất định hoặc mô hình ngẫu nhiên.
Hệ thống trạm bơm có thể là tất định, có thể là ngẫu nhiên.
- Hệ thống trong đó bao gồm các hệ thống con
Một hệ thống có thể phân chia thành các hệ thống con. Sự phân chia hệ thống lớn
thành các hệ con tùy thuộc vào kích cỡ, đặc thù của hệ thống và các phương pháp phân
tích được áp dụng đối với hệ thống đó.
20


Hệ thống trạm bơm cũng bao gồm các hệ thống con. Chẳng hạn bản thân nhà
máy bơm là một hệ thống con, gồm các phần tử gắn kết với nhau theo một trật tự xác
định, hoạt động thống nhất: máy bơm, động cơ, thiết bị dòng điện,... ; Cống lấy qua đê
có hệ thống điều khiển mực nước bể hút trạm bơm tưới trong đê.

Hình 2.6. Hệ thống phân chia theo cấu trúc độc lập
- Hệ thống bất định và các yếu tố bất định của hệ thống
Hệ thống bất định là hệ thống chứa các yếu tố bất định, tức là các yếu tố cấu
thành hệ thống không được xác định hoặc không có đủ thông tin để xác định nó.
Các yếu tố bất định của hệ thống bao gồm các thông tin vào ra, mục tiêu khai
thác, cấu trúc hệ thống .v.v..
Hệ thống trạm bơm đa số đã được xác định về mục tiêu xây dựng, nhiệm vụ đề ra.
Bất định về mục tiêu:
Bất định về mục tiêu đối với một hệ thống bao gồm các mặt sau:
- Mục tiêu khai thác, điều khiển đối với hệ thống chưa xác định, các mục tiêu này
sẽ được hình thành trong quá trình tiếp cận hệ thống. Cũng có thể mục tiêu đối với hệ
thống đã được dự kiến khi thiết kế, điều khiển hoặc khai thác hệ thống. Nhưng các

mục tiêu ban đầu được đặt ra không thể đạt được, hoặc là bị sai lệch do không có đủ
thông tin về hệ thống. Đây là bài toán điều hành với mục tiêu được điều chỉnh theo kết
quả vận hành của thời gian trước đó.
- Đa mục tiêu đối với hệ thống trong quá trình thiết kế và điểu khiển nó, đặc biệt
trong trường hợp các mục tiêu điều khiển và khai thác mâu thuẫn nhau. Chẳng hạn, đối
với kho nước làm hai nhiệm vụ phòng lũ và phát điện.
Bất định về thông tin:
Các yếu tố bất định về thông tin đối với hệ thống bao gồm:
- Thiếu các thông tin về hệ thống: thông tin vào, cấu trúc của hệ thống, các tài
liệu quan trắc cần thiết về hệ thống .v.v..
21


- Sự hiểu biết không đầy đủ của người nghiên cứu đối với hệ thống: không nắm
được các quy luật vật lý của hệ thống, không có đủ thông tin cần thiết đối với hệ thống
v.v..
- Tồn tại những yếu tố ngẫu nhiên bao gồm: các thông tin vào là các đại lượng
hoặc các quá trình ngẫu nhiên, các tác động ngẫu nhiên của môi trường, hoặc các sai
lệch trong thiết kế và điều khiển hệ thống. Hệ thống trạm bơm có yếu tố khí tượng,
thủy văn là ngẫu nhiên nên thuộc loại này.
- Sự mô tả hệ thống, đặc biệt là mô tả toán học, không thể thực hiện được do sự
phức tạp của hệ thống hoặc do những hạn chế về kỹ thuật mô phỏng.
Đối với hệ thống bất định, cần tuân thủ nguyên tắc tiếp cận từng bước, và cần
đánh giá độ tin cậy của các quyết định đối với hệ thống trong quá trình thiết kế và điều
khiển nó.
2.2. CÁC BÀI TOÁN CƠ BẢN VỀ HỆ THỐNG VÀ HỆ THỐNG CHỈ TIÊU
ĐÁNH GIÁ
2.2.1. Các bài toán cơ bản về hệ thống
Trong thực tế, khi nghiên cứu hệ thống, thường phải giải quyết ba bài toán cơ bản sau:
- Thiết kế hệ thống theo hệ thống chỉ tiêu nào đó: chỉ tiêu kỹ thuật, kinh tế .v.v..

- Điều khiển hệ thống để đạt được yêu cầu khai thác đã xác định.
- Phát triển hệ thống, tức là nghiên cứu chiến lược phát triển của hệ thống trong
tương lai.
Với hệ thống trạm bơm thường gặp hai bài toán cơ bản là thiết kế hệ thống và
điều khiển hệ thống. Tuy vậy với vùng có quy hoạch chưa được ổn định khi xây dựng
trạm bơm cũng cần đề cập đến sự phát triển trong tương lai.
Trong bài toán thiết kế hệ thống thường đã xem xét các phương án điều khiển khi
hệ thống đã được thiết lập. Trong một số trường hợp (trong đó có hệ thống nguồn
nước), điều khiển hệ thống ở giai đoạn thiết kế thường mới được nghiên cứu sơ bộ trên
cơ sở xem xét một số phương án điều khiển. Bài toán phát triển hệ thống là bài toán
bắt buộc phải giải quyết khi việc hình thành hệ thống trong tương lai kéo dài trong
nhiều năm.
2.2.2. Hệ thống chỉ tiêu đánh giá
Khi phân tích hệ thống trong thiết kế, điều khiển hoặc phát triển hệ thống, cần
phải xác định mục tiêu của nó. Mục tiêu đối với hệ thống chưa được xác định thì
không thể nói là “bài toán” được. Mục tiêu khai thác hệ thống được mô tả và lượng
hóa bằng một hoặc hệ thống chỉ tiêu nào đó, mà nó phản ánh được mục tiêu nghiên
cứu hoặc khai thác hệ thống. Hệ thống chỉ tiêu đó gọi là hệ thống chỉ tiêu đánh giá. Hệ

22


thống chỉ tiêu đánh giá được lượng hóa theo những dạng rất khác nhau, có thể khái
quát một số dạng cơ bản như sau:
- Hệ thống chỉ tiêu đánh giá được mô tả bằng một hoặc một số hữu hạn các đẳng
thức hoặc bất đẳng thức. Các biểu thức đó được viết đối với hàm ra của hệ thống Y(t),
trong đó Y(t) được xác định bởi mô hình mô phỏng hệ thống.
- Hệ thống chỉ tiêu đánh giá là một hoặc một số hữu hạn các hàm số mà nó cần
làm cực trị, có dạng:
F j ( Y ) → max( min ) với j = 1, hoặc với j = 1, m

Các hàm Fj(Y) trong trường hợp này được gọi là hàm mục tiêu.
2.3. PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG TRONG PHÂN TÍCH HỆ THỐNG
Việc ứng dụng các mô hình tối ưu trong thiết kế và điều khiển hệ thống có những
hạn chế, và do đó làm giảm hiệu lực trong phân tích lựa chọn nghiệm. Những hạn chế
của nó bao gồm:
- Các mô hình tối ưu thường được thiết lập sao cho nó có thể đưa về một số dạng
chuẩn tắc, mà các phương pháp toán học hiện hành có thể giải được. Muốn vậy cần
thực hiện một số phép giản hóa hoặc các giả thiết. Do vậy, mặc dù các phương pháp
tối ưu cho lời giải đẹp đẽ, nhưng có thể không phản ánh đầy đủ các trạng thái thực,
trong một số trường hợp bản chất vật lý của các quá trình trong hệ thống bị sai lệch.
- Đối với các hệ thống lớn và phức tạp, công cụ tối ưu hóa tỏ ra bất lực và không
thể tìm được nghiệm. Trong một số trường hợp, các mô hình tối ưu cho nghiệm không
đúng thậm chí không chấp nhận được. Do hạn chế của các phương pháp tối ưu, một số
bài toán có cực trị địa phương, do vậy có thể không nhận được tối ưu mong muốn.
- Đối với các hệ thống bất định, đặc biệt là sự bất định về mục tiêu, không phải
ngay từ đầu, các mục tiêu khai thác hệ thống đã được xác định, trong trường hợp như
vậy phương pháp tối ưu không thể áp dụng được. Một số trường hợp khác, bài toán
phân tích hệ thống không thể hoặc không cần thiết đưa về dạng một bài toán tối ưu.
Trong những trường hợp như vậy, để khắc phục những hạn chế của phương pháp
tối ưu hóa, người ta áp dụng các phương pháp mô phỏng, một phương pháp rất đặc thù
và có hiệu lực của LTPTHT.
- Phương pháp mô phỏng là phương pháp sử dụng các mô hình mô phỏng để
đánh giá chất lượng của hệ thống khi thiết kế và điều khiển nó. Sự phân tích chất
lượng của hệ thống được tiến hành bằng cách đưa ra tất cả những tình huống hoặc
phương án có thể và phân tích tất cả các phản ứng của hệ thống mà ta quan tâm tương
ứng với các tình huống đặt ra. Theo sự phân tích đó người nghiên cứu lựa chọn
nghiệm của bài toán trong số các tình huống đã đặt ra. Như vậy, phương pháp mô
phỏng chỉ tìm nghiệm trong tập hữu hạn các tình huống, bởi vậy nghiệm của bài toán
23

có thể không trùng với nghiệm tối ưu. Cũng vì vậy, nghiệm của bài toán được gọi là
lời giải hợp lý chứ không gọi là lời giải tối ưu. Chất lượng hệ thống được đánh giá
bằng hệ thống chỉ tiêu đánh giá. Các hàm mục tiêu thiết lập cho phương pháp tối ưu và
phương pháp mô phỏng có dạng tương tự nhau hoặc có dạng khác nhau, nhưng hệ
thống chỉ tiêu đánh giá được dựa vào như nhau đối với hàm mục tiêu. Sự khác biệt của
hai phương pháp này ở chỗ:
- Phương pháp mô phỏng không giải bài toán tối ưu mà chỉ tìm các giá trị khả dĩ
chấp nhận được đối với hàm mục tiêu.
- Vì phương pháp tối ưu có những hạn chế về phương pháp nhận nghiệm, bởi vậy
có thể có sự giản hóa trong mô phỏng đối với các quá trình của hệ thống, trong khi đó
các mô phỏng đó được mô tả chi tiết hơn khi sử dụng phương pháp mô phỏng.
Trong thực tế, do những hạn chế của các phương pháp giải, các bài toán tối ưu có
thể dẫn đến những sai lệch so với thực tế. Bởi vậy, phương pháp mô phỏng còn được
sử dụng để kiểm tra những kết quả nhận được từ phương án tối ưu. Như vậy, phương
pháp tối ưu và phương pháp mô phỏng thường được kết hợp để phân tích lời giải tối
ưu của bài toán đặt ra. Trên hình vẽ là sơ đồ kết hợp của hai phương pháp tối ưu và
phương pháp mô phỏng. Mối quan hệ giữa các khối trong khối mô phỏng được thể
hiện bằng các mũi tên đã chỉ ra trên hình.
Đánh giá chất lượng hệ thống theo sơ đồ này có thể được thực hiện bằng mô hình
tối ưu hóa, nhưng sau đó phải kiểm định bằng phương pháp mô phỏng.
Sơ đồ gồm các phần chính:
- Mô hình toán hệ thống: là mô hình mô phỏng các quá trình trong hệ thống bao
gồm: các quá trình vật lý, sự trao đổi thông tin trong hệ thống và quan hệ giữa hàm
vào và hàm ra của hệ thống. Thành phần mô hình này là chung cho cả phương pháp tối
ưu và phương pháp mô phỏng.
- Mô hình tối ưu được thiết lập cho bài toán tối ưu hóa, hàm ra của hệ thống là
hàm mục tiêu, trong đó có chứa các thông số của hệ thống và các đầu ra của khối mô
hình toán.

- Khối mô hình mô phỏng mô tả quan hệ giữa các giá trị của hàm mục tiêu, thông
qua hệ thống các chỉ tiêu đánh giá, với các thông số của hệ thống (bao gồm cả các
vectơ điều khiển) và các hàm ra của khối mô hình toán.
- Khối mô hình mô phỏng được thiết lập để đánh giá phản ứng của hệ thống đối
với các giá trị của hàm mục tiêu, bởi vậy có thể có dạng khác với mô hình tối ưu.

24


Hình 2.7. Sơ đồ kết hợp phương pháp tối ưu và phương pháp mô phỏng
2.4. PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HÓA TRONG PHÂN TÍCH HỆ THỐNG
- Trong lý thuyết phân tích hệ thống, phương pháp tối ưu hóa và phương pháp
mô phỏng là hai phương pháp toán học được sử dụng song song trong quá trình
tìm lời giải tối ưu khi thiết kế và điều khiển hệ thống.
- Phương pháp tối ưu là phương pháp cho lời giải tối ưu, còn phương pháp mô
phỏng không cho lời giải tối ưu mà chỉ có lời giải gần tối ưu, và do đó được coi
là lời giải hợp lý.
- Phương pháp tối ưu hóa là phương pháp xác định lời giải của hệ thống theo
mục tiêu bằng cách đưa chúng về các bài toán tối ưu hóa.
2.4.1. Mô tả tổng quát bài toán tối ưu hệ thống
Giả sử có hệ thống có cấu trúc nào đó, gọi X(t) là vec tơ thông tin đầu vào, U(t)
là vec tơ điều khiển, Y(t) là vec tơ các thông tin ra, Z(t) là vec tơ biến trạng thái, A là
vec tơ thông số cấu trúc hệ thống. Ta có:
X(t) = (x1(t), x2(t),),…, xn1(t))
U(t) = (u1(t), u2(t),),…, un2(t))
Y(t) = (y1(t), y2(t),),…, yn3(t))
Z(t) = (z1(t), z2(t),),…, zn4(t))
A = (a1, a2, …, an5)
Mô hình mô phỏng hệ thống có dạng:
Y(t) = H(X(t), U(t), Z(t), A)

Cần thiết kế và điều khiển hệ thống sao cho cực trị một hàm mục tiêu nào đó:
25