Luận văn Thạc sĩ: nghiên cứu phương pháp phân tích thiết kế và mô phỏng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu phương pháp phân tích thiết kế và mô phỏng hướng đối tượng trong thời gian thực cho phần điề phục vụ n

• Tác giả: Nguyễn Sơn Tùng
• Người hướng dẫn: Tiến Sỹ Lê Thị Thái
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí - Động Lực
• Đề tài: Nghiên Cứu Phương Pháp Phân Tích, Thiết Kế Và Mô Phỏng: Hướng Đối Tượng Trong Thời Gian Thực Cho Phần Điều Khiển Các Hệ Thống Động Lực Lai Công Nghiệp
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sỹ Khoa Học
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về phương pháp phân tích thiết kế và mô phỏng

Phương pháp phân tích thiết kế và mô phỏng là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật công nghiệp hiện đại. Các phương pháp này cho phép các kỹ sư và nhà thiết kế phân tích hệ thống động lực một cách toàn diện trước khi triển khai thực tế. Sử dụng các công cụ như MDA (Model-Driven Architecture) và Modelica, chúng ta có thể tạo ra các mô hình chính xác và hiệu quả. Những công cụ này đặc biệt hữu ích cho các hệ thống điều khiển công nghiệp và hệ thống động lực lai. Việc áp dụng phân tích và mô phỏng giúp giảm chi phí phát triển sản phẩm, tối ưu hóa hiệu suất hệ thống, và nâng cao độ tin cậy của các thiết kế. Bài viết này sẽ trình bày chi tiết các phương pháp tiên tiến trong lĩnh vực này.

1.1. Khái niệm cơ bản về hệ thống động lực

Hệ thống động lực là các hệ thống có trạng thái thay đổi theo thời gian dưới tác động của các lực. Trong công nghiệp, hệ thống động lực lai kết hợp các thành phần liên tục và rời rạc. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như điều khiển động cơ, hệ thống thủy lực, và các thiết bị tự động hóa.

1.2. Tầm quan trọng của mô phỏng trong thiết kế

Mô phỏng cho phép kiểm tra các thiết kế trước khi sản xuất, tiết kiệm thời gian và chi phí. Việc sử dụng các công cụ mô phỏng số giúp xác định các vấn đề tiềm ẩn và tối ưu hóa thông số hệ thống. Điều này đặc biệt quan trọng trong các hệ thống điều khiển thời gian thực.

II. Phương pháp MDA và Modelica trong phân tích thiết kế

MDA (Model-Driven Architecture) là một phương pháp phát triển phần mềm hướng theo mô hình, cho phép tạo ra các mô hình độc lập với nền tảng. Modelica là một ngôn ngữ mô hình hóa trực quan dùng để mô tả các hệ thống vật lý và năng lượng. Sự kết hợp giữa MDA và Modelica tạo nên một công cụ mạnh mẽ cho thiết kế hệ thống động lực. MDA cung cấp kiến trúc phân tầng gồm CIM (Computational Independent Model), PIM (Platform Independent Model), và PSM (Platform Specific Model). Modelica cho phép biểu diễn các phương trình vi phân và logic điều khiển một cách trực quan. Kết hợp hai công cụ này, các kỹ sư có thể phân tích và mô phỏng các hệ thống phức tạp hiệu quả.

2.1. Kiến trúc MDA và các mô hình

CIM độc lập với công nghệ, PIM chuẩn bị cho triển khai cụ thể, và PSM là mô hình cuối cùng cho nền tảng cụ thể. Quá trình chuyển đổi từ CIM sang PIM và PSM được thực hiện thông qua các quy tắc biến đổi mô hình được xác định rõ ràng.

2.2. Các gói trong Modelica

Modelica cung cấp các gói chuẩn như gói ứng xử liên tục toàn cục (IGCB), gói giao diện bên trong, và gói giao diện bên ngoài. Những gói này cho phép biểu diễn các hành vi phức tạp của hệ thống động lực một cách có tổ chức.

III. Phương pháp điều khiển trong hệ thống công nghiệp

Trong các hệ thống điều khiển công nghiệp, có nhiều phương pháp khác nhau được áp dụng tuỳ theo yêu cầu cụ thể. Phương pháp điều khiển PID là một trong những phương pháp cổ điển và phổ biến nhất, sử dụng ba thành phần: Proportional, Integral, và Derivative. Phương pháp điều khiển trượt (SMC) là một kỹ thuật hiện đại, đặc biệt hiệu quả cho các hệ thống phi tuyến. Đối với hệ thống động lực lai, các phương pháp điều khiển cấp ngược (Backstepping) cũng được sử dụng rộng rãi. Việc lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp phụ thuộc vào đặc tính của hệ thống, yêu cầu hiệu suất, và các ràng buộc thực tế. Phân tích và mô phỏng các phương pháp này giúp xác định phương pháp điều khiển tối ưu trước triển khai.

3.1. Điều khiển PID và các đặc tính

Bộ điều khiển PID bao gồm ba thành phần làm việc song song. Thành phần P có tác dụng tức thời, thành phần I loại bỏ sai số ổn định, và thành phần D cải thiện đáp ứng động. Xác định tham số PID tối ưu thông qua mô phỏng là bước quan trọng.

3.2. Điều khiển SMC cho hệ phi tuyến

Phương pháp trượt (SMC) hoạt động bằng cách buộc trạng thái hệ thống theo một bề mặt trượt được xác định trước. Phương pháp này rất hiệu quả cho các hệ thống phi tuyến và những hệ thống chịu tác động của nhiễu và không chắc chắn.

IV. Ứng dụng thực tế Hệ thống điều tốc điện từ thủy lực

Hệ thống điều tốc điện từ - thủy lực (EHG) là một ứng dụng quan trọng của phương pháp phân tích, thiết kế và mô phỏng trong công nghiệp. Hệ thống này được sử dụng để điều chỉnh tốc độ của các tuốc-bin thủy điện, giúp ổn định tần số điện và cải thiện hiệu suất hoạt động. Bộ điều tốc EHG bao gồm các thành phần điện từ và thủy lực tương tác phức tạp, tạo thành một hệ thống động lực lai điển hình. Việc phân tích và thiết kế bộ điều tốc này đòi hỏi sự kết hợp giữa các phương pháp toán học và công cụ mô phỏng hiện đại. Sử dụng Modelica và MDA, các kỹ sư có thể tạo ra các mô hình chính xác, mô phỏng hành vi của hệ thống, và tối ưu hóa các thông số để đạt hiệu suất tối đa.

4.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động EHG

Bộ điều tốc EHG bao gồm phần điều khiển điện từ và phần điều chỉnh thủy lực. Tín hiệu lỗi từ hệ thống được sử dụng để điều khiển van điều hướng thủy lực, từ đó điều chỉnh lưu lượng dầu và áp suất, cuối cùng ảnh hưởng đến tốc độ quay.

4.2. Mô hình mô phỏng EHG

Mô hình mô phỏng được xây dựng bằng Modelica, biểu diễn các phương trình vi phân điều khiển hành vi của hệ thống. Kết quả mô phỏng sử dụng OpenModelica cho phép kiểm tra hiệu suất của bộ điều tốc trước triển khai thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BO GIAO DUC VA DAO TAO TRUONG DALIIOC BACH KHOA LIA NOL NGUYEN SON TUNG NGHIEN CUU PHUGNG PHAP PHAN TICH, THIET KE VA MO PHONG: HUONG DOI TUGNG TRONG THOI GIAN THUC CHO PHAN DIEU KHTEN CAC HE THONG ĐỘNG LUC LAT CONG NGHIỆP. Chuyên ngành: KT THUAT CO KHf PONGT.UC LUJAN VAN THAC SY KHOA HOC NGUGI HUGNG DAN KHOA HOC ‘TS. Lé Thi Thai TIả Nội, năm 2016 LOT CAM DOAN Téi xin cam doan rắng luận văn này là kết quả cửa quá trình lìm hiểu, nghiên cứu khoa học của bản thân tôi đưới sự hướng, đân của T8. Lê Thị Thái và sự giúp dỡ của các thấy, cô giáo trong Viện Cơ khí - Đồng lực, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Các nội dung rong luận văn được trình bảy khoa học, mạch lạc, trích dẫn tải liệu tham kháo trung thực, rõ ràng, đúng quy dịnh. Luận văn nảy dén nay chưa được bảo vệ tại một Hội đồng khoa học nào. Cáo kết quả đạt được rong luận văn không bể trừng lặp với bắt cứ công trình khoa học của tác giả khác (bao gồm cả trong nước và nước ngoài) “Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm vẻ kết quả đạt được và tính khoa học của luận văn này. Hả Nội, ngảy 2⁄4 tháng 03 năm 2016 Tác giả Nguyễn Sơn Tùng tạ Mục lục LỎI CAM ĐOAN.

is Danh mục các kỉ hiệu, chữ cải viết tắt. DANH MỤC CÁC BẰNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MÔ ĐẦU. CHUONG 1 TONG QUAN VE HE THONG DIEU KHIEN CONG NGHIEP VA CAC PHƯƠNG PHÁP ĐIỂU KHIỂN. Phân loại hệ thông điều khiển trong công nghiệp.

Hệ thống tự đáp ứng, 1. Hệ thống thời gian thực. Hệ thống động lực lai. Một số phương pháp điều khiển truyền thông.

Phương pháp điều khiển PID. Phuong phap điều khiển trượt SMŒ 1. Hệ thống động lực lai với auLornate lai. Giỏi thiệu cấu trie eda hé thống động lực lợi 1.

Automate lai CHƯƠNG 2 PHUONG PHAP PHAN TICH, THIET KE VA MO PHONG VOI MDA VA MODELICA 32 én the trong công nghệ hướng dối tượng và mô hình hỏa trực quan wu dd 43. Gói ứng xử liên tục toàn cục IGŒP. Gói giao diện bên trong. Gói giao diện bên ngoài.

cài no coneereee 4. Mô hình mô phông, 4. Tuậi chuyển đổi từ mô hình thiết sang mô hình mô phông (em A4odelica. Kết quả mỏ phỏng sử dụng Open A4odslica KẾT LUẬN VÀ KIỂN NGHỊ.

TTÀI LIỆU THAM KHẢO,. DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Tén hinh Nội dung Hình 1. Sơ đỗ khối hệ điều khiến hỏi tiếp PID Hình 1.2 Bret 3 tin hidu ra eda hé thong PFD Hinh 1.3 Dap ứng náo của hệ hở cỏ đáp ứng 5 Hinh 1.4 Xác định hằng số khuếch đại tới bạn.5 Đáp ứng nắc của hệ kín khi K = Ku Hinh 1.6 Dap ứng nắc của hệ thích hợp với phương pháp Chien — Hronos — Reswick Hình 1.7 Sơ đỗ khối lỏng quan HDS công nghiệp Hình 2.1 Tổng quan các đặc trưng công nghệ hướng đói tượng Hình 2.2 Ví dụ về các gói, các công và giao thức Tình 23 Sự phân loại các mô hình chính ương MDA 38 Hình 24 Vĩ dụ về phát triển hướng theo mô hình với kiến trúc phân mềm.5 Vi dụ về CÍM 40 Hình 2.6 Vĩ dụ về PM phát triển từ sơ đỗ CTM trên hình 2.7 ‘Vi du vé PSM phát triển từ sơ đồ TTM trên hình 2.6 và riển công nghệ J2EE Tlinh 2.8 Mô hình chuyên đổi từ CIM sang PIM 43 Hình 2.9 Chuyển đổi mô hình theo vết, 4 "Hình 2.10 Quá trình biển đổi giêu mỗ hình 46 THỉnh 2.L1 Quá trình biển đổi mô hình Tình 2.12 Quá trình biển déi theo ứng dụng mẫu.13 Vĩ dụ tổng quát về quá trình biến đổi sử đụng lên mẫu 3. Xác định máy trạng thải toàn cụe.3, Nae dinh so dé khéi chue nang mé réng Sreseiv.

Xác dinh zuf@mafe lai. Xây dựng lớp biên và các dôi tượng thực thể "- 3. Cầu trúc hệ động lục lai ứng voi Automate lai trong sơ đỗ cộng tác giữa các đổi tượng. son in Tre.

Thiết kế hệ thông dộng lực lai công nghiệp. Cầu trúc kết nối toàn cụe. Tiên trinh thực thí. Đặc tả các gói cơ bản của H38 công, nghiệp.

Mö tả chỉ tiết đặc tính các gói cơ bắn. Kiểm tra mô hình thiết kể.cciecee senseeoeeooooo,GỐ 3. Nguyên tắc tải sử đụng các gói. Lựa chọn ngôn ngữ công nghiệp để thực thì HDS công nghiệp.

68 2D UNG DUNG PHAN TICH, THIRT KE VA MO PHOKG HE THONG PIEU TOC DIỆN TỬ ~ THỦY LỰC. 116 thống điều tốc điện từ — thủy lực cho trạm thủy điện công suất nhỏ. Vai trò của bộ điều tốc 4. Nguyên ly làm việc của bộ diễu tốc diện tử thủy lựe.

Mô hình phân tích, thiết kế, rổ phỏng bộ điều tốc thủy lực. Mô hình phân tích. Mô hình thiết kế diều tốc RHG. Gói phần liên lụ.

co sec, on DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ CẢI VIẾT TAT Dang viet oak x d& Dạng viết dầy dũ Nghĩa Tiếng Việts Autonomous Underwater AUV Phương tiện tự hành dưởi nước Vehicles BS Backstepping Phương thức điều khiển cấp ngược CIM | ComputerindependentMethod | Mô hình độc lập với thao tác toán CWM_ | Common Warehouse Metamodel | Siêu mô hình kho đữ liệu chung ECS | Bieebie Consumpiian System TIệ thông tiêu thự điện năng KHG | Electric Hydraulics Governor | Điều tốc điện tử thủy lực EMS | Electric Mesurement System Hệ thống đo lường điện HA Hybrid Automata Automate lai HDS | Hybrid Dynamic Systems Hệ thông động lực lại Tnstanlaneous Global Conlimons |. TGŒB 'Ứng xử liên tịc toàn cục tức thời Behavier Inv | Juvariable Đại lượng bắt biến MARTE Modelinglữ and Analysis lysis ofof Real— | Ngén gôn ngit nại mé hinh héa hop op nhat Time and Embedded Systems trong thời gian thực MDA | Model— Driven Architecture Câu trúc hướng theo mô hình MOE | Meta Object Facility Khả năng siêu hướng đôi tượng OMG | Object Management Group Tổ chức quan tri déi wong EnD___ | P90 Hamal Tntergralion Thương pháp điêu khiến vị tích Derivative phân tỷ lệ TIM _ |Piatfrm Independent Model Mô lình độc lập nền công nghệ DANH MỤC CÁC BANG Tén bang Nội dung Trang Bang 1.1 Các thông số điển khiển theo phương pháp Ziegler Nichols thứ nhất Bang 1,2 Các thông số diều khiển theo phương pháp Ziegler — Nichols thứ hai Bang 3.1 Nguyên tắc tái sử dựng các gói Bang 41 Các thông số cụ thể của các đàng liên tục toàn cục PSM | Platform Specific Model M6 hinh theo né céng nghé ou thé RS ___| Reactive Systems HỆ thông tự đáp ứng, RTS | Real—Tane System Hé théng thoi gian thc Real — Time Unified Modelin; Ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhật REUME Language. tr i tel gian thực » SISO | Single Input Single Output Hé mét tin higu vao mét tin higu ra SMC __ | Sliding Mode Control Phuong pháp điều khiển trượt UMIL | Unified Modeting Language Ngôn ngữ mỏ hình hỏa hợp nhất ROV | Remote Operation Vehicle Pimone tiện tự bành điều hiên từ xa 3. Xác định máy trạng thải toàn cụe.3, Nae dinh so dé khéi chue nang mé réng Sreseiv.

Xác dinh zuf@mafe lai. Xây dựng lớp biên và các dôi tượng thực thể "- 3. Cầu trúc hệ động lục lai ứng voi Automate lai trong sơ đỗ cộng tác giữa các đổi tượng. son in Tre.

Thiết kế hệ thông dộng lực lai công nghiệp. Cầu trúc kết nối toàn cụe. Tiên trinh thực thí. Đặc tả các gói cơ bản của H38 công, nghiệp.

Mö tả chỉ tiết đặc tính các gói cơ bắn. Kiểm tra mô hình thiết kể.cciecee senseeoeeooooo,GỐ 3. Nguyên tắc tải sử đụng các gói. Lựa chọn ngôn ngữ công nghiệp để thực thì HDS công nghiệp.

68 2D UNG DUNG PHAN TICH, THIRT KE VA MO PHOKG HE THONG PIEU TOC DIỆN TỬ ~ THỦY LỰC. 116 thống điều tốc điện từ — thủy lực cho trạm thủy điện công suất nhỏ. Vai trò của bộ điều tốc 4. Nguyên ly làm việc của bộ diễu tốc diện tử thủy lựe.

Mô hình phân tích, thiết kế, rổ phỏng bộ điều tốc thủy lực. Mô hình phân tích. Mô hình thiết kế diều tốc RHG. Gói phần liên lụ.

co sec, on DANH MỤC CÁC BANG Tén bang Nội dung Trang Bang 1.1 Các thông số điển khiển theo phương pháp Ziegler Nichols thứ nhất Bang 1,2 Các thông số diều khiển theo phương pháp Ziegler — Nichols thứ hai Bang 3.1 Nguyên tắc tái sử dựng các gói Bang 41 Các thông số cụ thể của các đàng liên tục toàn cục DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Tén hinh Nội dung Hình 1. Sơ đỗ khối hệ điều khiến hỏi tiếp PID Hình 1.2 Bret 3 tin hidu ra eda hé thong PFD Hinh 1.3 Dap ứng náo của hệ hở cỏ đáp ứng 5 Hinh 1.4 Xác định hằng số khuếch đại tới bạn.5 Đáp ứng nắc của hệ kín khi K = Ku Hinh 1.6 Dap ứng nắc của hệ thích hợp với phương pháp Chien — Hronos — Reswick Hình 1.7 Sơ đỗ khối lỏng quan HDS công nghiệp Hình 2.1 Tổng quan các đặc trưng công nghệ hướng đói tượng Hình 2.2 Ví dụ về các gói, các công và giao thức Tình 23 Sự phân loại các mô hình chính ương MDA 38 Hình 24 Vĩ dụ về phát triển hướng theo mô hình với kiến trúc phân mềm.5 Vi dụ về CÍM 40 Hình 2.6 Vĩ dụ về PM phát triển từ sơ đỗ CTM trên hình 2.7 ‘Vi du vé PSM phát triển từ sơ đồ TTM trên hình 2.6 và riển công nghệ J2EE Tlinh 2.8 Mô hình chuyên đổi từ CIM sang PIM 43 Hình 2.9 Chuyển đổi mô hình theo vết, 4 "Hình 2.10 Quá trình biển đổi giêu mỗ hình 46 THỉnh 2.L1 Quá trình biển đổi mô hình Tình 2.12 Quá trình biển déi theo ứng dụng mẫu.13 Vĩ dụ tổng quát về quá trình biến đổi sử đụng lên mẫu 43. Gói ứng xử liên tục toàn cục IGŒP. Gói giao diện bên trong.

Gói giao diện bên ngoài. cài no coneereee 4. Mô hình mô phông, 4. Tuậi chuyển đổi từ mô hình thiết sang mô hình mô phông (em A4odelica.

Kết quả mỏ phỏng sử dụng Open A4odslica KẾT LUẬN VÀ KIỂN NGHỊ. TTÀI LIỆU THAM KHẢO,. Ngôn ngữ mô hình hóa hợp nhất trong thời gian thực (Real time — UML) voi MARTD. Ngôn ngữ mô hình hỏa hợp nhất trong thời gian thục (Real time UML) 35 2.

Phân tích vả thiết kế hướng đổi tượng - - 37 2. Kiến trúc hưởng theo mô hình. Các mô hình trong MDA. Sự chuyến đối mô hình trong MDA.

Chu trình phát triển lặp, nhúng hướng đổi tượng cho hệ thống động lực lai 48 2. Pha phân tích. Pha thiết kế - - - 40 2. Pha thực thì 50 2.

Pha kiểm định. Pha đánh giá. co cnnnirereerrrirririirereerereeeoeeSO) CHUONG 3.Ô QUY TRÌNH PHÂN TÍCH, TIẾT KŨ HỆ THONG [IDS BANG MARTE VA MDA. Mé ta Automate lai trong HDS, giả thiết tính thực thi va chu trình phát triển lap cho HDS - 31 3.

MG ta Antomate lai trong ADS - 51 3.