Chương 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA – MÔ PHỎNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG 1. Tổng quát chung Ngày nay khó có thể tìm thấy lĩnh vực hoạt động nào của con người mà không sử dụng phương pháp mô hình hóa ở những cấp độ khác nhau. Điều này đặc biệt quan trọng đối với lĩnh vực điều khiển các hệ thống kỹ thuật và xã hội, bởi vì điều khiển 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 thích hợp để điều khiển hệ thống. Quá trình này được tiếp nhận 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 dây: quan sát – thu thập dữ liệu – nghiên cứu lý thuyết – thực nghiệm – tổ chức sản xuất. Mô hình hóa là một phương pháp khoa học giúp cho các bước nói trên. Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng được phát triển từ Đại chiến thế giới thứ 2 vào những năm 40 của thế kỷ 20. Lúc đó người ta ứng dụng phương pháp mô phỏng để nghiên cứu phản ứng hạt nhân nhằm chế tạo bom nguyên tử.
Mô hình hóa và mô phỏng là một trong những kỹ thuật được dùng rộng rãi nhất trong khoa học kỹ thuật cũng như khoa học quản lý. Theo điều tra khảo sát tạo Trường Case Wesstern Reserve University (Mỹ, năm 1978, cho thấy đối với bậc học Master thì “mô phỏng” là môn học đứng thứ 5 trong 15 môn học hàng đầu (đứng sau phương pháp thống kê, khoa học dự báo, phân tích hệ thống và hệ thống thông tin), còn đối với bậc học Tiến sĩ thì mô phỏng là môn học đứng thứ 2 cùng với môn “lập trình tuyến tính” chỉ sau môn phương pháp thống kê). Theo số liệu đã dẫn thì khảo sát ở 137 hãng sản xuất lớn cho thấy trong 40 kỹ thuật hàng đầu mà hãng sử dụng thì”kỹ thuật mô phỏng” đứng thứ 2 (84% hãng đã sử dụng) chỉ sau “phân tích thống kê” (93% hãng đã sử dụng). 5 Những số liệu trên là vào những năm 70 của thế kỷ 20, ngày nay kỹ thuật máy tính, công nghệ thông tin đã có bước nhảy vọt nên kỹ thuật mô phỏng được phát triển lên một mức cao hơn, phong phú hơn.
Nhờ có máy tính điện tử mà phương pháp mô hình hóa và mô phỏng phát triển nhanh chóng và được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật cũng như khoa học xã hội khác nhau. Nhờ có phương pháp mô hình hóa 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 các hệ thống. Các kết quả mô phỏng được dùng để thiết kế, chế tạo cũng như xác định chế độ vận hành của hệ thống. Nhờ có phương pháp mô hình hóa và mô phỏng mà người ta có thể đưa ra nhiều “kịch bản” khác nhau để từ đó lựa chọn phương pháp tối ưu.
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 giải tích truyền thống không thể cho ta lời giải chính xác được. Lúc này phương pháp mô hình hóa và mô phỏng phát huy thế mạnh của mình và trong nhiều trường hợp nó là giải pháp duy nhất để nghiên cứu các hệ thống phức tạp nói trên. Có hai con đường để nghiên cứu hệ thống: nghiên cứu trên hệ thực và nghiên cứu trên mô hình thay thế của nó.
Trong khi nghiên cứu trên hệ thực nghiệm gặp nhiều khó khó khăn, phương pháp tối ưu hơn cả là nghiên cứu trên mô hình của nó. Chính vì vậy phương pháp mô hình hóa rất được chú ý nghiên cứu và phát triển khoa học kỹ thuật.1 Định nghĩa về phương pháp mô hình hóa - Đối tượng (object) là tất cả những sự vật, sự kiện mà hoạt động của con người có liên quan tới. - 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.
6 - 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 hóa (Modeling) 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 lý thuyết mô hình hóa. 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 hóa 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 hóa 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 hóa 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 hóa 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 hóa 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. 7 Đầu tiên chúng ta xem xét một số ví dụ về các hệ thống đối tượng đơn giản.1 trình bày hệ thống tự động điều khiển có tốc độ động cơ.
Tín hiệu vào của hệ thống r(t) là tốc độ đặt mong muốn của động cơ. Sai lệch tốc độ e(t) = y(t) – r(t) được đưa vào bộ điều khiển. Bộ điều khiển (BĐK) để tạo ra tín hiệu điều khiển u(t) tác động vào động cơ nhằm duy trì tốc độ động với ở mức mong muốn.1 Hệ thống tự điều chỉnh tốc độ động cơ Hình 1.2 trình bày hệ thống điều khiển quá trình sản xuất. Hệ thống sản xuất 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, đầu ra của hệ thống là sản phẩm cuối cùng. Đơn đặt hàng Trung tâm điều khiển Nguyên Sản vật liệu Cung Lắp ráp Phân phẩm Gia công ứng vật sản phối sản chế biến tư phẩm phẩm Năng lượng Hình 1. Hệ thống điều khiển quá trình sản xuất 8 Từ hình 1.2 chúng ta có thể thấy rằng trong hệ thống có nhiều phần tử thường được gọi là các thực thể (Entity), mỗi một thực thể có thể có các thuộc tính (Attribute) của nó. Một quá trình gây ra thay đổi trong hệ thống được gọi là một sự kiện (Event).
Một tác động làm thay đổi trạng thái của hệ thống tại một thời điểm 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. Một số hệ thống với các đặc tính cơ bản được trình bày trong bảng 1.3 như sau: Thực Hoạt Biến trạng Hệ thống Thuộc tính Sự kiện thể động thái Tốc độ Giao Xe đến Số khách Xe buýt Khoảng Lái xe thông bến hàng ở bến cách Số nhân Ngân Khách Kiểm tra tài Rút gửi Số khách viên phục hàng hàng khoản tiền hàng vụ Thông tin Thông tin Thông Thời lượng Truyền Số người truyền liên lạc tin liên lạc tin đợi liên lạc đến Khách Số khách Khách Danh mục Tính trả Siêu thị hàng đến hàng rời hàng mua sắm tiền siêu thị siêu thị Lắp ráp Sản phẩm Số sản Trạm lắp Sản Kích thước sản hoàn phẩm hoàn ráp phẩm phẩm thiện thiện Hình 1. Đặc tính cơ bản của một số hệ thống 9 1.2 Mô hình hóa hệ thống 1.
Vai trò của phương pháp mô hình hóa hệ thống a) Khi nghiên cứu trên hệ thống thực gặp nhiều khó khăn do nhiều nguyên nhân gây ra như sau: - Giá thành nghiên cứu trên hệ thống thực quá đắt. Ví dụ: Nghiên cứu kết cấu tối ưu, độ bền, khả năng chống dao động của ô tô, tàu thủy, máy bay,… người ta phải tác động vào đối tượng nghiên cứu các lực đủ lớn đến mức có thể phá hủy đối tượng để từ đó đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật đã đề ra. Như vậy, giá thành nghiên cứu sẽ rất đắt. Bằng cách mô hình hóa trên máy tính ta dễ dàng xác định được kết cấu tối ưu của các thiết bị nói trên.
- Nghiên cứu trên hệ thống thực đòi hỏi thời gian quá dài. Ví dụ: Nghiên cứu đánh giá độ tin cậy, đánh giá tuổi thọ trung bình của hệ thống kỹ thuật (thông thường tuổi thọ trung bình của hệ thống kỹ thuật khoảng 30 ÷ 40 năm), hoặc nghiên cứu quá trình phát triển dân số trong khoảng thời gian 20 ÷ 50 năm,… Nếu chờ đợi quãng thời gian dài như vậy mới có kết quả nghiên cứu thì không còn tính thời sự nữa. Bằng cách mô phỏng hệ thống và cho “hệ thống” vận hành tương đương với khoảng thời gian nghiên cứu người ta có thể đánh giá được các chỉ tiêu kỹ thuật cần thiết của hệ thống. - Nghiên cứu trên hệ thực ảnh hưởng đến sản xuất hoặc gây nguy hiểm cho người và thiết bị.