mô hình hóa chuong 1

MÔ HÌNH HÓA
02 Tín chỉ (1,5LT + 0,5TH)

1


MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐiỀU KHIỂN
• Tài liệu tham khảo:
– Mô hình hóa hệ thống và mô phỏng – GS.TS
Nguyễn Công Hiền, TS. Nguyễn Phạm Thục Anh
– Visual Basic toàn tập.
– Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự
động – PGS.TS Nguyễn Phùng Quang - NXB
KHKT.

2


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 mô phỏng các hệ
thống điều khiển tự động.

3


Chương 1: VAI TRÒ CỦA MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG
1. Khái niệm chung
-

Trong nhiều lĩnh vực hoạt động của con người ta thấy phương pháp
mô hình hóa hệ thống có mặt với mức độ khác nhau.
 Mô hình hóa là gì?
- Từ một sự kiện con người quan sát được  khó khăn khi phân tích
nghiên cứu trực tiếp trên đối tượng thực => Xây dựng mô hình, nhưng
có đầy đủ tính chất so với đối tượng thực.
- Ngày nay PP-MHH có ý nghĩa rất quan trọng trong điều khiển các hệ
thống Kinh tế - Xã hội – Kỹ thuật.
- Quá trình phát triển KHKT đi theo các bước:
=> Quan sát đối tượng(Thu nhận TT)
=>Thực nghiệm(XD mô hình)
=> Nghiên cứu lý thuyết(Phân tích đánh giá)
=>Tổ chức SX(Áp dụng vào ĐT)

* MHH là 1 phương pháp khoa học trợ giúp các bước nói trên.

4


1. Khái niệm chung
-

-

-

-

PP – MHH phát triển mạnh từ thế chiến thứ 2 - ứng dụng MHH để mô
phỏng và nghiên cứu các phản ứng hạt nhân trong quá trình chế
tạo bom nguyên tử.
Nhờ có MHH có thể phân tích đánh giá tính chất của hệ thống. Kết
quả mô phỏng dùng để thiết kế chế tạo cũng như xác định các thông
số vận hành của hệ thống.
Đối với các hệ thống phức tạp: Phi tuyến, tham số biến đổi theo thời
gian khi PP giải tích gặp khó khăn ==> MHH là giải pháp tối ưu và duy
nhất.
Với sự phát triển của máy tính điện tử  MHH và MP đã phát triển
nhanh chóng và được ứng dụng trong các lĩnh vực KHKT và KHXH.

5


2. Một số định nghĩa trong PP – MHH - MP
• Đối tượng:(Object) là tất cả những sự vật, sự kiện mà hoạt động của con
người có liên quan tới và cần nghiên cứu nó.
• Hệ thống (System) là tập hợp các đối tượng, sự kiện (con người, máy
móc) mà giữa chúng có mối quan hệ nhất định
• Trạng thái của hệ thống (State of system) là tập hợp các biến số, tham số
dùng để mô tả hệ thống tại một thời điểm và điều kiện nhất định
• Mô hình(Model): Là một sơ đồ phản ánh đối tượng, hệ thống. Con người
dùng sơ đồ đó để nghiên cứu, thực nghiệm để tìm ra các quy luật hoạt
động của đối tượng.

• Mô hình hóa(Modelling) là việc thay thế đối tượng gốc bằng một mô
hình để thu nhận những thông tin quan trọng của hệ thống thật sau đó
trên cơ sở mô hình ta nghiên cứu phân tích tìm ra quy luật của đối tượng
thay vì là phải tác động vào đối tượng thật.

6


2. Một số định nghĩa trong PP – MHH - MP
• Nếu các quá trình xảy ra trong mô hình đồng nhất với các thông số
chỉ tiêu của hệ thống thật thì khi đó chúng ta công nhận mô hình
đồng nhất với đối tượng và chúng ta có thể phân tích đánh giá mô
hình để thu nhận các tham số khác của đối tượng thực.
• Mô phỏng(Simulation, Imitation) là PP – MHH dựa trên việc xây
dựng mô hình số(Numerical model) và PP số(Numerical method)
để tìm lời giải.
• Trong quá trình mô hình hóa hệ thống thực để giảm bớt độ phức
tạp, thuận tiện trong quá trình ứng dụng thực tế người ta thường
dùng các mô hình gần đúng với đối tượng thực. Tuy nhiên mô hình
hóa là phương pháp khoa học rất hữu dụng cho các nhà khoa
học nghiên cứu các đối tượng thực.

7


3. Triển vọng phát triển của PP – MHH – MP hệ thống
Mô hình hóa là phương pháp nghiên cứu khoa học đang phát triển
và rất có triển vọng:
- Ở giai đoạn thiết kế - giúp lựa chọn cấu trúc, các thông số của hệ
thống để tổng hợp hệ thống.

- Ở giai đoạn vận hành - giúp người điều khiển giải các bài toán
điều khiển tối ưu.
- Khi mô hình hóa được kết hợp với hệ chuyên gia thì giúp chúng ta
có thể giải được nhiều bài toán điều khiển phức tạp, tiết kiệm
được chi phí cũng như thời gian nghiên cứu.

8


3. Triển vọng phát triển của PP – MHH – MP hệ thống
-

Khi mô hình hóa người ta thường dùng 2 phương pháp đó là
phương pháp giải tích và phương pháp mô phỏng.
Phương pháp giải tích: Là phương pháp tính toán các thông số
qua các phương trình của hệ thống có thể nhận được.
Phương pháp mô phỏng là mô phỏng lại đầy đủ các thông tin
của hệ thống thực. Đây là phương pháp được sử dụng rộng rãi,
cho kết quả có độ chính xác cao.

9


3. Triển vọng phát triển của PP – MHH – MP hệ thống
-

Phương pháp mô hình hóa được sử dụng trong các trường hợp:
a)Khi nghiên cứu hệ thống thực gặp nhiều khó khăn do nhiều
nguyên nhân như:
- Giá thành nghiên cứu trên hệ thống thực quá đắt.

VD: Nghiên cứu độ bền và khả năng chống dao động của ôtô.
Khi đó ta phải tác động lên đối tượng những lực đủ lớn đến
mức có thể phá hủy kết cấu để có thể đánh giá các chỉ tiêu kỹ
thuật đề ra. Như vậy giá thành nghiên cứu rất đắt trong khi mô
hình hóa trên máy tính giúp chúng ta nghiên cứu đầy đủ và
chi tiết các thông số đề ra và chi phí rất nhỏ.

10


3. Triển vọng phát triển của PP – MHH – MP hệ thống
-

Nghiên cứu trên hệ thống thực có thể gây gián đoạn quá trình hệ
thống thực hoặc gây nguy hiểm cho người hoặc thiết bị.
- VD: Nghiên cứu chế độ cháy trong lò nung của nhà máy nhiệt
điện. Khi đó để đánh giá đầy đủ các thông số của lò chúng ta phải
thay đổi chế độ cấp liệu, thay đổi lưu lượng khí, áp suất… khi đó
sẽ ảnh hưởng đến các chế độ làm việc của nhà máy, có thể gây
gián đoạn cấp điện của nhà máy, chất lượng điện không đảm bảo.

11


3. Triển vọng phát triển của PP – MHH – MP hệ thống
-

Nghiên cứu trên hệ thống thực có thể đòi hỏi trong một
khoảng thời gian rất dài.
- VD:Đánh giá tuổi thọ trung bình của hệ thống kỹ thuật hay quá

trình phát triển dân số thông thường khoảng 30 – 40 năm. Khi
đó nếu chờ trong khoảng thời gian dài thì kết quả nghiên cứu
không còn tính thời sự nữa. Khi đó ta chỉ cần xây dựng mô
hình và cho hệ thống vận hành tương đương với khoảng thời
gian tương đương là ta đã có thể nghiên cứu các thông số
của hệ thống.

12


3. Triển vọng phát triển của PP – MHH – MP hệ thống
-

Trong một số trường hợp đặc biệt không cho phép nghiên
cứu trên hệ thống thực.
- VD: Nghiên cứu các hệ thống làm việc trong môi trường độc
hại, nguy hiểm, dưới hầm sâu, dưới đáy biển, trong vũ trụ
hay trên cơ thể người.
người Khi đó phương pháp mô phỏng là giải
pháp tối ưu để nghiên cứu hệ thống.

13


3. Triển vọng phát triển của PP – MHH – MP hệ thống
-

Phương pháp mô hình hóa được sử dụng trong các trường hợp:
b). PP - MHH cho phép đánh giá độ nhạy của hệ thống khi thay đổi
tham số hoặc cấu trúc của hệ thống cũng như đánh giá phản ứng

của hệ thống khi thay đổi tín hiệu điều khiển.
-VD: Khi đã xây dựng được mô hình của lò nung trong nhà máy
nhiệt điện thì khi ta thay đổi tín hiệu đầu vào là lưu lượng khí cấp
thì khi đó nhiệt độ đầu ra của hệ cũng thay đổi.

14


3. Triển vọng phát triển của PP – MHH – MP hệ thống
-

Phương pháp mô hình hóa được sử dụng trong các trường hợp:
c). Phương pháp mô hình hóa cho phép nghiên cứu hệ thống ngay
cả khi chưa có hệ thống thực.
Khi chưa có hệ thống thực thì nghiên cứu trên mô hình là biện pháp
duy nhất để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống, lựa chọn
cấu trúc, các thông số tối ưu của hệ thống
VD: trước khi xây dựng một nhà máy thủy điện lớn, người ta phải
dùng phương pháp MHH để nghiên cứu, lựa chọn kết cấu và
thông số kỹ thuật của đập chính của nhà máy.

15