Nghiên cứu lý thuyết mô phỏng hệ thống máy tính, ứng dụng thiết kế mô hình lò điện hồ quang luyện thép siêu cao công suất

TS Phạm Việt Bình Cơ sở đào tạo: Khoa CNTT Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số chuyên ngành: THÁI NGUYÊN 2008 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung luận văn là do bản thân tôi tự sƣu tập, tổng hợp và tìm hiểu, đề tài này chƣa đƣợc công bố trên bất kỳ tài liệu nào. Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về các nội dung trong luận văn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 3 LỜI CẢM ƠN Đƣợc sự giúp đỡ của các thầy cô trong Khoa Công nghệ thông tin - Đại học Thái Nguyên cũng nhƣ của bạn bè, đồng nghiệp, đặc biệt là chỉ bảo tận tình của Nhà giáo ƣu tú - Tiến sĩ Phạm Việt Bình và sự nỗ lực của bản thân, đến nay em đã hoàn thành đề tài: “Nghiên cứu lý thuyết mô phỏng hệ thống trên máy tính, ứng dụng thiết kế mô hình lò điện hồ quang luyện thép siêu cao công suất”. Trong quá trình làm việc, mặc dù đã cố gắng nỗ lực hết sức nhƣng do kiến thức và kinh nghiệm vẫn còn hạn chế nên không thể tránh khỏi còn sai sót, em tha thiết kính mong nhận đƣợc sự chỉ bảo của các thầy cô để đề tài đƣợc hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo và xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến Tiến sĩ Phạm Việt Bình đã giúp đỡ em hoàn thành đề tài này. Thái Nguyên, ngày 15 tháng 10 năm 2008 Học viên thực hiện Nguyễn Nhƣ Trang Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4 DANH SÁCH KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT CSDL: Cơ sở dữ liệu EAF Electric Arc Furnace GPSS General Purpose Simulation System IISI International Iron and Steel Intitute OO Object Oriented PC Personal Computer PI Processing Instruction SIMPLE ++ Simulation Production Logitics Engineering Design SLAM Simulaion Language for Alternative Modelling TR Timing Routine Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5 DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Hệ thống điều chỉnh tự động tốc độ động cơ .................................. 14 Hình 1.2 Hệ thống điều khiển quá trình sản xuất ........................................... 15 Hình 1.3. Sơ đồ phân loại mô hình ................................................................. 22 Hình 1.4. Quá trình nghiên cứu bằng phƣơng pháp mô phỏng ...................... 26 Hình 2.1 : Quan hệ giữa tín hiệu vào và ra của máy tính ............................... 32 Hình 2.2 : Các dạng của tín hiệu ..................................................................... 35 Hình 2.3. Các nhiệm vụ của phƣơng trình mô phỏng ..................................... 53 Hình 2.4. Sơ đồ Logic của mô hình mô phỏng các sự kiện gián đoạn ........... 54 Hình 2.5. Cách biểu diễn thời gian sự kiện..................................................... 59 Hình 2.6. Cách biểu diễn thời gian cố định .................................................... 60 Hình 2.7 Quan hệ giữa các quá trình xây dung mô hình mô phỏng ............... 66 Hình 3.1 Sơ đồ cấu tạo lò điện hồ quang siêu cao công suất ......................... 92 Hình 3.2. Bản vẽ nắp lò điện hồ quang ......................................................... 103 Hình 3.3. Bản vẽ thân lò điện hồ quang........................................................ 103 Hình 3.4. Bản vẽ nồi lò điện hồ quang ......................................................... 104 Hình 3.5. Bản vẽ khung đỡ nắp lò điện hồ quang ........................................ 104 Hình 3.6 Bản vẽ tổng thể lò điện hồ quang .................................................. 105 Hình 3.7 Giao diện chƣơng trình mô phỏng ................................................. 105 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 6 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 9 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MÁY TÍNH ......................................................................................... 12 1.1 Vai trò của mô hình hoá hệ thống .............................................. 13 1.1.1 Một số định nghĩa cơ bản ............................................... 14 1.1.2 Hệ thống và mô hình hệ thống ........................................ 14 1.1.3 Vai trò của phương pháp mô hình hoá hệ thống ............ 15 1.2 Khái niệm cơ bản về mô hình hoá hệ thống .............................. 19 1.2.1 Khái niệm chung ............................................................. 19 1.2.2 Đặc điểm của mô hình hoá hệ thống .............................. 20 1.2.3 Phân loại mô hình hệ thống ............................................ 22 1.2.4 Một số nguyên tắc khi xây dựng mô hình ....................... 24 1.3 Phƣơng pháp mô phỏng .............................................................. 25 1.3.1 Khái niệm chung về mô phỏng ........................................ 25 1.3.2 Bản chất của phương pháp mô phỏng ............................ 25 1.3.3 Các bước nghiên cứu mô phỏng ..................................... 27 1.3.4 Các ngôn ngữ và thiết bị mô phỏng ................................ 29 1.3.5 Các phương pháp mô phỏng và phạm vi ứng dụng ........ 31 CHƢƠNG 2. MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ......... 32 2.1 Mô phỏng hệ thống liên tục ......................................................... 32 2.1.1 Khái niệm chung về mô hình hệ thống liên tục ............... 32 2.1.2 Dùng máy tính để mô phỏng hệ thống liên tục ............... 32 2.1.3 Biến đổi Z và các tính chất ............................................. 35 2.1.4 Hàm truyền số của hệ gián đoạn .................................... 37 2.1.5 Hàm truyền số của hệ liên tục ........................................ 38 2.1.6 Trình tự tìm hàm truyền số ............................................. 39 2.1.7 Cách chọn bước cắt mẫu T ............................................. 39 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7 2.2 Mô hình hoá các hệ ngẫu nhiên ..................................................... 41 2.2.1 Khái niệm chung ............................................................. 41 2.2.2 Phân phối xác suất của các biến ngẫu nhiên ................. 42 2.2.3 Số ngẫu nhiên phân phối đều U (0,1) ............................ 46 2.2.4 Phương pháp tạo các biến ngẫu nhiên có phân phối mong muốn ......................................................................................... 49 2.3 Mô phỏng các hệ thống sản xuất ................................................ 52 2.3.1 Khái niệm chung ............................................................. 52 2.3.2 Những lợi ích đem lại của mô phỏng hệ thống sản xuất 52 2.3.3 Phương pháp xây dụng mô hình mô phỏng các sự kiện gián đoạn ....................................................................... 53 2.3.4 Dòng sự kiện đầu vào và thời gian phục vụ .................. 56 2.3.5 Thiết kế và phân tích thực nghiệm mô phỏng ................. 57 2.3.6 Số lần chạy mô phỏng và chiều dài mô phỏng ............... 58 2.3.7 Điều kiện khởi động và ngừng mô phỏng ....................... 58 2.3.8 Cách tạo dòng thời gian mô phỏng ................................ 59 2.4 Thu thập và phân tích dữ liệu đầu vào ...................................... 60 2.4.1 Khái niệm chung ............................................................. 60 2.4.2 Các phương pháp thu thập dữ liệu đầu vào .................. 61 2.4.3 Phương pháp tìm phân phối xác suất của dữ liệu đầu vào ........................................................................... 62 2.4.4 Kiểm tra tính phù hợp giữa phân phối xác suất lý thuyết với các dữ liệu thực tế ................................................................... 63 2.4.5 Mô hình dòng đầu vào .................................................... 64 2.5 Kiểm chứng và hợp thức hoá mô hình ....................................... 65 2.5.1 Khái niệm chung ............................................................. 65 2.5.2 Vai trò của kiểm chứng và hợp thức hoá mô hình trong mô phỏng ........................................................................................ 66 2.5.3 Phương pháp kiểm chứng mô hình ................................ 69 2.5.4 Phương pháp hợp thức hoá mô hình mô phỏng ............. 71 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 8 2.6 Xử lý và phân tích các dữ liệu đầu ra của mô phỏng ............... 74 2.6.1 Khái niệm chung ............................................................. 74 2.6.2 Mục đích của việc xử lý các dữ liệu đầu ra của mô phỏng75 2.6.3 Phương pháp đánh giá dữ liệu đầu ra ........................... 76 2.6.4 Phân tích dữ liệu đầu ra mô phỏng của hệ giới hạn ...... 78 2.6.5 Phân tích dữ liệu đầu ra mô phỏng của hệ không giới hạn .......................................................................... 81 2.6.6 Sử dụng kết quả mô phỏng .............................................. 82 Chƣơng 3. ỨNG DỤNG ................................................................................ 84 3.1 Bài toán ......................................................................................... 84 3.2 Khảo sát hệ thống ........................................................................ 85 3.2.1 Lịch sử phương pháp lò điện .......................................... 85 3.2.2 Tình hình sản xuất thép theo phương pháp lò điện ........ 86 3.2.3 Những tiến bộ trong công nghệ luyện thép lò điện hồ quang .................................................................................................. 89 3.2.4 Xu thế đổi mới và phát triển công nghệ sản xuất thép ... 90 3.2.5 Cấu tạo và hoạt động của lò điện hồ quang siêu cao công suất ........................................................................................... 92 3.3 Khảo sát, lựa chọn lò mẫu ........................................................... 94 3.4 Phân tích, lựa chọn phƣơng án thiết kế mô hình ...................... 97 3.5 Tính toán kích thƣớc hình học nội hình lò .............................. 100 3.6 Thiết kế hình học mô hình ........................................................ 103 3.7 Cài đặt thử nghiệm .................................................................... 105 KẾT LUẬN .................................................................................................. 106 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 107 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 9 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Mô hình hoá và mô phỏng là một phƣơng pháp nghiên cứu khoa học đƣợc ứng dụng rất rộng rãi: từ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đến vận hành các hệ thống. Ngày nay nhờ sự trợ giúp của máy tính có tốc độ tính toán cao và bộ nhớ lớn mà phƣơng pháp mô hình hoá đƣợc phát triển mạnh mẽ, đƣa lại hiệu quả to lớn trong việc nghiên cứu khoa học và thực tiễn sản xuất. Mô hình hoá và mô phỏng đƣợc ứng dụng không những vào lĩnh vực khoa học công nghệ mà còn ứng dụng có hiệu quả vào nhiều lĩnh vực khác nhƣ quân sự, kinh tế và xã hội... Ngày nay có nhiều công trình nghiên cứu về những vấn đề cơ bản của mô hình hoá và mô phỏng cũng nhƣ ứng dụng kỹ thuật mô phỏng vào các lĩnh vực khác nhau. Mô hình hoá và mô phỏng là một công cụ mạnh của cán bộ nghiên cứu, cán bộ kỹ thuật để giải các bài toán kỹ thuật, quy hoạch, tối ƣu hoá... Phƣơng pháp mô hình hoá và mô phỏng đƣợc dùng phổ biến trong các trƣờng đại học, các viện nghiên cứu cũng nhƣ các cơ sản sản xuất và đã đƣa lại hiệu quả to lớn. Trong sự nghiệp công nghiệp hoá - Hiện đại hoá đất nƣớc, chúng ta không thể thiếu cơ sở vật chất kỹ thuật, vì vậy một trong các ngành mũi nhọn đƣợc xác định hiện nay là ngành công nghệ vật liệu nói chung và ngành luyện kim đen nói riêng bởi từ trƣớc tới nay sự phát triển của ngành thép nói lên sự phát triển cơ sở hạ tầng của một quốc gia. Ngoài sự ƣu tiên đầu tƣ về vật chất và trang thiết bị sử dụng những công nghệ mới, ứng dụng triệt để các tiến bộ khoa học kỹ thuật thì một yếu tố cực kỳ quan trọng, đó chính là phải đào tạo ra đội ngũ những ngƣời lao động có kiến thức, có tay nghề. Thực tế, việc dạy và học nghề luyện kim ở tất cả các bậc học rất khó khăn về trực quan thiết bị trong môi trƣờng sản xuất thật do chi phí cao và nguy hiểm. Do đó yêu cầu cấp thiết cần phải tìm hiểu lý thuyết mô hình hoá và mô phỏng hệ thống, sử dụng các công cụ hỗ trợ để thiết kế mô hình mô phỏng ứng dụng đƣợc trong thực tế. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 10 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài  Nghiên cứu về lý thuyết mô hình hoá và mô phỏng hệ thống trên máy tính:  Vai trò của mô hình hoá hệ thống  Khái niệm cơ bản về mô hình hoá hệ thống  Phƣơng pháp mô phỏng  Mô phỏng hệ thống liên tục  Mô hình hoá các hệ ngẫu nhiên  Mô phỏng các hệ thống sản xuất  Thu thập và phân tích dữ liệu đầu vào  Kiểm chứng và hợp thức hoá mô hình  Xử lý và phân tích các dữ liệu đầu ra của mô phỏng  Triển khai ứng dụng thiết kế mô hình mô phỏng hoạt động của lò điện hồ quang luyện thép siêu cao công suất:  Tình hình sản xuất thép bằng lò điện tại Việt Nam và thế giới  Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của lò điện hồ quang  Tính toán xác định hình dáng kích thƣớc lò  Cài đặt chƣơng trình mô phỏng hoạt động của lò 3. Phƣơng pháp nghiên cứu  Nghiên cứu các tài liệu, các bài báo, thông tin trên mạng Internet về lý thuyết mô phỏng của các tác giả trong và ngoài nƣớc…, chọn lọc và sắp xếp lại theo ý tƣởng của mình.  Tìm hiểu tình hình sản xuất thép lò điện của Việt Nam và thế giới cũng nhƣ thực tế giảng dạy nghề luyện kim hiện nay.  Nghiên cứu nguyên lý, đặc tính kỹ thuật và tìm hiểu thực tế về lò điện hồ quang luyện thép siêu cao công suất.  Nghiên cứu ngôn ngữ lập trình Visual C++, xây dựng một ứng dụng nhỏ mô phỏng nguyên lý cấu tạo và nguyên lý hoạt động cơ bản của lò điện hồ quang luyện thép siêu cao công suất. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 11 4. Cấu trúc của luận văn Luận văn đƣợc trình bày theo hình thức từ trên xuống: Bắt đầu của mỗi phần đều đƣa ra những khái niệm cơ bản và quy định cho phần trình bày tiếp sau nhằm mục đích giúp dễ dàng trong khi đọc, dần dần đi sâu vào tìm hiểu rõ hơn những vấn đề liên quan. Cấu trúc của luận văn nhƣ sau: Mở đầu Chƣơng 1. Tổng quan về mô phỏng hệ thống trên máy tính Chƣơng 2. Một số phƣơng pháp mô phỏng Chƣơng 3. Ứng dụng Kết luận Tài liệu tham khảo Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 12 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MÁY TÍNH Ngày nay khó có thể tìm thấy lĩnh vực hoạt động nào của con ngƣời mà không sử dụng phƣơng pháp mô hình hoá và mô phỏng ở những mức 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 đƣa ra quyết định thích hợp để điều khiển hệ thống. Quá trình này đƣợc tiếp diễn liên tục nhằm đƣa hệ thống vận động theo một mục tiêu định trƣớc . Quá trình phát triển khoa học kỹ thuật đi theo các bƣớc cơ bản sau đây: quan sát - thu thập dữ liệu - nghiên cứu lý thuyết - thực nghiệm - tổ chức sản xuất. Mô hình hoá là một phƣơng pháp khoa học trợ giúp cho các bƣớc nói trên. Nhờ có máy tính điện tử mà phƣơng pháp mô hình hoá và mô phỏng phát triển nhanh chóng và đƣợc ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật cũng nhƣ khoa học xã hội khác nhau. Nhờ có phƣơng pháp mô hình hoá và mô phỏng ngƣời 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 đƣợc dùng để thiết kế, chế tạo cũng nhƣ xác định chế độ vận hành của hệ thống. Nhờ có phƣơng pháp mô hình hoá và mô phỏng mà ngƣời ta có thể đƣa ra nhiều kịch bản khác nhau để từ đó lựa chọn phƣơng án tối ƣu. Đối với các hệ thống phức tạp, phi tuyến, ngẫu nhiên, các tham số biến đổi theo thời gian, phƣơng pháp giải tích truyền thống không thể cho ta lời giải chính xác đƣợc. Lúc này phƣơng pháp mô hình hoá và mô phỏng phát huy thế mạnh của mình và trong nhiều trƣờng hợp nó là giải pháp duy nhất để nghiên cứu các hệ thống phức tạp nói trên. Trƣớc khi tìm hiểu cụ thể hơn về mô hình hoá và mô phỏng hệ thống, ta xem xét một cách tổng quan về vấn đề này. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 13 1.1 Vai trò của mô hình hoá hệ thống 1.1.1 Một số định nghĩa cơ bản Trƣớc khi đi vào nghiên cứu chi tiết, chúng ta hãy thống nhất một số định nghĩa cơ bản: * Đối tƣợng (Object) là tất cả những sự vật, sự kiện mà hoạt động của con ngƣời có liên quan tới và cần nghiên cứu nó . * Hệ thống (System) là tập hợp các đối tƣợng, sự kiện (con ngƣời, máy móc) mà giữa chúng có mối quan hệ nhất định. Định nghĩa này có thể mở rộng hơn tuỳ thuộc và mục đích nghiên cứu và hệ thống cụ thể. * 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 tƣợng hoặc hệ thống. Con ngƣời dùng sơ đồ đó để nghiên cứu, thực nghiệm nhằm tìm ra các quy luật hoạt động của đối tƣợng hoặc hệ thống. Hay nói một cách khác mô hình là đối tƣợng thay thế của đối tƣợng gốc (đối tƣợng thực tế) dùng để nghiên cứu về đối tƣợng gốc . * Mô hình hoá (Modeling) là thay thế đối tƣợng gốc bằng một mô hình để nhằm thu nhận các thông tin về đối tƣợng bằng cách tiến hành các thực nghiệm, tính toán trên mô hình. Lý thuyết xây dựng mô hình và nghiên cứu mô hình để hiểu biết về đối tƣợng gốc gọi là lý thuyết mô hình hoá . Mô hình hoá là một phƣơng pháp khoa học để nghiên cứu đối tƣợng. Nếu nhƣ các quá trình xảy ra trong mô hình đồng nhất – theo các chỉ tiêu định trƣớc – với các quá trình xảy ra trong đối tƣợng gốc thì ngƣời ta nói rằng mô hình đồng nhất với đối tƣợng. Lúc này ngƣời ta có thể tiến hành các thực nghiệm trên mô hình để thu nhận các thông tin về đối tƣợng . * Mô phỏng (Simulation, Imitation) là phƣơng pháp mô hình hoá dựa trên việc xây dựng mô hình số và dùng phƣơng pháp số để tìm các lời giải. Chính vì vậy, máy tính số là công cụ duy nhất và hữu hiệu để thực hiện việc mô phỏng hệ thống . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 14 Lý thuyết cũng nhƣ thực nghiệm đã chứng minh rằng chúng ta chỉ có thể xây dựng đƣợc các mô hình gần đúng với đối tƣợng mà thôi, vì trong quá trình mô hình hoá 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 dầu vậy mô hình hoá luôn luôn là một phƣơng pháp hữu hiệu để con ngƣời nghiên cứu đối tƣợng, nhận biết các quá trình, các quy luật tự nhiên. Đặc biệt ngày nay nhờ có sự trợ giúp đắc lực của kỹ thuật máy tính, kỹ thuật tin học, ngƣời ta đã phát triển các phƣơng pháp mô hình hoá cho phép xây dựng các mô hình ngày càng gần với đối tƣợng 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 hoá là một phƣơng pháp nghiên cứu khoa học cần nghiên cứu và ứng dụng vào thực tiễn. 1.1.2 Hệ thống và mô hình hệ thống Đầu tiên chúng ta xem xét một số ví dụ về các hệ thống tƣơng đối đơn giản. Hình 1.1 trình bày hệ thống tự động điều khiển tốc độ động cơ. Tín hiệu vào của hệ thống r(t) là tốc độ đặt mong muốn, tín hiệu ra của hệ thống là y(t) là tốc độ thực tế của động cơ. Sai lệch tốc độ e(t) = y(t) – r(t) đƣợc đƣa vào bộ điều khiển BĐK để tạo ra tín hiệu điều khiển u(t) tác động vào động cơ ĐC nhằm duy trì tốc độ động cơ ở mức mong muốn. Hình 1.2 trình bày hệ thống điều khiển quá trình sản xuất. Hệ thống sản xuất gồm nhiều hệ con chức năng nhƣ: cung cấp vật tƣ, năng lƣợng, gia công, chế biến; lắp ráp, hoàn thiện sản phẩm; phân phối tiêu thụ. Điều khiển quá trình sản xuất là trung tâm điều khiển. Đầu vào của hệ thống là đơn đặt hàng của khách hàng, đầu ra của hệ thống là sản phẩm cuối cùng. BĐK ĐC r(t) e(t) u(t) y(t) (+) (-) Hình 1.1 Hệ thống điều chỉnh tự động tốc độ động cơ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 15 Từ hình 1.1 và hình 1.2 chúng ta thấy rằng trong hệ thống có nhiều phần tử thƣờng đƣợc gọi là các thực thể, mỗi một thực thể có các thuộc tính của nó. Một quá trình gây ra thay đổi trong hệ thống đƣợc gọi là một hoạt động. Một tác động làm thay đổi trạng thái của hệ thống đƣợc gọi là một sự kiện. Tập hợp các biến phản ánh trạng thái của hệ thống tại một thời điểm đƣợc gọi là biến trạng thái. Có hai con đƣờng để nghiên cứu hệ thống: nghiên cứu trên hệ thực và nghiên cứu trên mô hình thay thế của nó. Rõ ràng rằng nghiên cứu trên hệ thực cho ta kết quả trung thực và khách quan. Tuy nhiên trong nhiều trƣờng hợp tiến hành nghiên cứu trên hệ thực gặp nhiều khó khăn nhƣ sẽ đƣợc trình bày dƣới đây, do đó phƣơng pháp tốt nhất và thuận tiện nhất là nghiên cứu trên mô hình của nó. Chính vì vậy phƣơng pháp mô hình hoá rất đƣợc chú ý nghiên cứu và phát triển và phƣơng pháp này đóng vai trò quan trọng trong sự nghiệp phát triển khoa học và kỹ thuật. 1.1.3 Vai trò của phương pháp mô hình hoá hệ thống Trƣớc đây phƣơng pháp giải tích đƣợc dùng để mô hình hoá hệ thống. Tuy máy tính đã giúp cho việc tính toán đƣợc thuận lợi nhƣ tăng khối lƣợng tính toán, giảm thời gian tính… nhƣng bản thân phƣơng pháp giải tích gặp nhiều khó khăn khi mô tả hệ thống nhƣ thƣờng phải chấp nhận nhiều giả thiết Trung tâm điều khiển Đơn đặt hàng Cung ứng vật tƣ Gia công chế biến Lắp ráp sản phẩm Phân phối sản phẩm Nguyên vật liệu Năng lượng Sản phẩm Hình 1.2 Hệ thống điều khiển quá trình sản xuất. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 16 để đơn giản hoá mô hình, do đó các kết quả nghiên cứu có độ chính xác không cao. Ngày nay bên cạnh phƣơng pháp giải tích nói trên, phƣơng pháp mô phỏng đƣợc phát triển mạnh mẽ và ứng dụng rất rộng rãi. Các mô hình đƣợc xây dựng dựa trên phƣơng pháp mô phỏng đƣợc gọi là mô hình mô phỏng hay còn gọi là mô hình số. Phƣơng pháp mô phỏng cho phép đƣa vào mô hình nhiều yếu tố gần sát với thực tế. Đồng thời mô hình đƣợc giải trên các máy tính có tốc độ tính nhanh, dung lƣợng lớn, do đó các kết quả thu đƣợc có độ chính xác cao. Vì vậy phƣơng pháp mô phỏng đã tạo điều kiện để giải các bài toán phức tạp nhƣ bài toán mô hình hoá các hệ thống lớn, hệ thống ngẫu nhiên, phi tuyến có các thông số biến thiên theo thời gian . Phƣơng pháp mô phỏng đặc biệt phát huy hiệu quả khi cần mô hình hoá các hệ thống lớn mà đặc điểm cơ bản của nó là có cấu trúc phân cấp, cấu trúc hệ con, giữa các hệ con và trung tâm điều khiển có sự trao đổi thông tin với nhau. Phƣơng pháp mô phỏng cũng tỏ ra hữu hiệu khi mô hình hoá các hệ thống có các yếu tố ngẫu nhiên, có thông tin không đầy đủ, các thông tin sẽ đƣợc bổ sung trong quá trình mô phỏng, trong quá trình trao đổi thông tin giữa ngƣời điều khiển với đối tƣợng. Phƣơng pháp mô phỏng đƣợc ứng dụng để mô hình hoá trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ: kỹ thuật, kinh tế, xã hội, sinh học, đăc biệt là các hệ thống lớn, phức tạp, có nhiều yếu tố ngẫu nhiên tác động. Ở giai đoạn thiết kế hệ thống, mô hình hoá giúp ngƣời thiết kế lựa chọn cấu trúc, các thông số của hệ thống để tổng hợp hệ thống. Ở giai đoạn chế tạo, mô hình hoá giúp cho việc lựa chọn vật liệu và công nghệ chế tạo. ở giai đoạn vận hành hệ thống, mô hình hoá giúp cho ngƣời điều khiển giải các các bài toán điều khiển tối ƣu, dự đoán các trạng thái của hệ thống. Đặc biệt trong trƣờng hợp kết hợp hệ chuyên gia với mô hình hoá ngƣời ta có thể giải đƣợc nhiều bài toán điều khiển, tiết kiệm đƣợc thời gian cũng nhƣ chi phí về vật chất và tài chính. Phƣơng pháp mô hình hoá thƣờng đƣợc dùng trong các trƣờng hợp sau đây: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 17 1. Khi nghiên cứu trên hệ thống thực gặp khó khăn do nhiều nguyên nhân gây ra như: * Giá thành nghiên cứu trên hệ thống thực quá đắt. Ví dụ: Nghiên cứu kết cấu tối ƣu, độ bền, khả năng chống dao động của ô tô, tàu thuỷ, máy bay ngƣời ta phải tác động các lực đủ lớn đến mức phá huỷ các đối tƣợng nghiên cứu nói trên để từ đó đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật đã đề ra. Nhƣ vậy giá thành nghiên cứu sẽ rất đắt. Bằng cách mô hình hoá trên máy tính chúng ta có thể thu đƣợc nhiều phƣơng án khác nhau để từ đó lựa chọn phƣơng án tối ƣu 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 thƣờng tuổi thọ trung bình của hệ thống kỹ thuật khoảng 30 – 40 năm) hoặc nghiên cứu quá trình phát triển dân số trong quãng thời gian 20 – 50 năm… Nếu chờ đợi quãng thời gian nhƣ 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” tƣơng đƣơng với quãng thời gian nghiên cứu. Bằng cách thay đổi các dữ liệu ban đầu và điều kiện vận hành ngƣời ta có thể đƣa ra các kịch bản khác nhau để đánh giá, so sánh và lựa chọn các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của hệ thống. * Nghiên cứu trên hệ thống thực ảnh hƣởng đến sản xuất hoặc gây nguy hiểm cho ngƣời và thiết bị. Ví dụ: Nghiên cứu quá trình vận hành lò luyện kim, quá trình cháy trong lò hơi của nhà máy nhiệt điện, trong lò luyện clanke của nhà máy xi măng… ngƣời ta phải thay đổi chế độ làm việc và hoạt động của thiết bị. Việc làm các thí nghiệm nhƣ vậy sẽ cản trở sản xuất bình thƣờng, trong nhiều trƣờng hợp có thể xảy ra nguy hiểm cho ngƣời và thiết bị. Bằng cách mô phỏng hệ thống, ngƣời ta có thể cho hệ thống vận hành với các bộ thông số, các chế độ vận hành khác nhau để tìm ra lời giải tối ƣu. Trong trƣờng hợp này mô hình cũng đƣợc dùng để đào tạo và huấn luyện các cán bộ kỹ thuật trƣớc khi họ tham gia vào vận hành hệ thống thực. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 18 * Trong một số trƣờng hợp không cho phép thực nghiệm trên hệ thống thực Ví dụ: Nghiên cứu các hệ thống làm việc ở những nơi độc hại, nguy hiểm, dƣới hầm sâu, đáy biển hoặc nghiên cứu trên cơ thể con ngƣời .v.v. Trong những trƣờng hợp này dùng phƣơng pháp mô phỏng là giải pháp duy nhất để nghiên cứu hệ thống. 2. Phương pháp mô hình hoá cho phép đánh giá độ nhạy của hệ thống khi thay đổi tham số hoặc cấu trúc của hệ thống cũng nhƣ đánh giá phản ứng của hệ thống khi thay đổi tín hiệu điều khiển. Những số liệu này để thiết kế hệ thống hoặc lựa chọn thông số tối ƣu để vận hành hệ thống. Ví dụ: Cần nghiên cứu độ nhạy của biến động giá thành sản phẩm khi giá điện tăng lên. 3. Phương pháp mô hình hoá cho phép nghiên cứu hệ thống ngay cả khi chưa có hệ thống thực Trong trƣờng hợp chƣa có hệ thống thực nghiệm thì nghiên cứu trên mô hình là biện pháp duy nhất để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống, lựa chọn duy nhất để đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật của hệ thống, lựa chọn cấu trúc và các thông số tối ƣu của hệ thống .v.v. Ví dụ: Trƣớc khi xây dựng nhà máy thuỷ điện lớn ngƣời ta phải dùng phƣơng pháp mô hình hoá để nghiên cứu, lựa chọn kết cấu và thông số kỹ thuật đập chính của nhà máy. Ngày nay nhờ có những tiến bộ vƣợt bậc của kỹ thuật máy tính và công nghệ thông tin mà phƣơng pháp mô hình hoá và mô phỏng phát triển lên một mức cao và đi theo một số hƣớng sau đây: + Mô phỏng các hệ thống lớn phức tạp, đặc biệt là các hệ phi tuyến, ngẫu nhiên. Ứng dụng kỹ thuật đồ hoạ 3 chiều, kỹ thuật tạo hình ảnh động để xây dựng những chƣơng trình mô phỏng sinh động, trực quan rất thuận tiện cho việc nghiên cứu và hiển thị các kết quả mô phỏng. + Mô phỏng các hệ thống sản xuất nhƣ quy hoạch nguồn nhân lực sản xuất, lập kế hoạch sản xuất, quản lý kho .v.v. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 19 + Mô phỏng các hệ thống dịch vụ nhƣ trạm sửa chữa ô tô, phòng khám bệnh, nhà hàng, siêu thị .v.v. + Mô phỏng các hệ thống trò chơi đƣợc ứng dụng trong giải trí, quân sự, kinh doanh .v.v. + Mô phỏng các hệ thống đào tạo nhƣ phòng thí nghiệm ảo, lớp học điện tử, phòng đào tạo lái xe ô tô, máy bay, tàu thuỷ, huấn luyện vận hành các hệ thống kỹ thuật phức tạp .v.v. Nhìn chung mô hình hoá và mô phỏng ngày càng phát triển không những lĩnh vực khoa học kỹ thuật mà còn đƣợc ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhƣ kinh tế, xã hội, quân sự, y tế, giáo dục, kinh doanh, giải trí.v.v. 1.2 Khái niệm cơ bản về mô hình hoá hệ thống 1.2.1 Khái niệm chung Ngày nay phƣơng pháp tiếp cận hệ thống dùng để phân tích và tổng hợp các hệ thống lớn. Khác với phƣơng pháp truyền thống trƣớc đây đi từ phần tử đến hệ thống, phƣơng pháp tiếp cận hệ thống đi từ phân tích chung toàn hệ thống đến cấu tạo từng phân tử, đi từ xác định mục tiêu hệ thống đến chức năng nhiệm vụ từng phần tử cụ thể, xác định mối tuơng quan giữa các phần tử trong hệ thống, giữa hệ thống đang xét với các hệ thống khác và với môi trƣờng xung quanh. Ngƣời ta định nghĩa hệ thống S là tập hợp các phần tử có quan hệ với nhau, đó chính là đối tƣợng cần nghiên cứu. Môi trƣờng xung quanh E là tập hợp các thực thể ngoài hệ thống, có tác động qua lại với hệ thống. Tuỳ thuộc vào mục đích nghiên cứu mà ngƣời ta xác định hệ thống S và môi trƣờng E tƣơng ứng. Khi tiến hành mô hình hoá điều quan trọng là xác định mục tiêu mô hình hoá, trên cơ sở đó xác định hệ thống S, môi trƣờng E và mô hình M. Bƣớc tiếp theo là xác định cấu trúc của hệ thống phức tạp là các phần tử và quan hệ giữa chúng trong hệ thống. Cấu trúc của hệ thống có thể đƣợc xem xét trên hai phƣơng diện: từ phía ngoài và từ phía trong. Từ phía ngoài tức là xem xét các phần tử cấu tạo thành Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 20 hệ thống và mối quan hệ giữa chúng, hay nói cách khác đó là phƣơng pháp tiếp._. cận cấu trúc. Từ phía trong, tức là phân tích đặc tính chức năng của các phần tử cho phép hệ thống đạt tới mục tiêu đã định, hay nói một cách khác đó là phƣơng pháp tiếp cận chức năng. Khi xem xét sự vận động của hệ thống theo thời gian S(t), có nghĩa là hệ thống chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác trong không gian trạng thái Z, ngƣời ta quan tâm đến chức năng hoạt động của hệ thống. Để đánh giá chức năng của hệ thống ngƣời ta phải xác định các chỉ tiêu đánh giá, hoặc là tập hợp các chỉ tiêu riêng, hoặc là chỉ tiêu tổng hợp cho toàn hệ thống. Tiếp cận hệ thống cho phép chúng ta xây dựng mô hình hệ thống lớn có tính nhiều đến yếu tố tác động trong nội bộ hệ thống S cũng nhƣ giữa hệ thống với môi trƣờng E. Ngƣời ta có thể chia quá trình mô hình hoá ra làm hai giai đoạn: giai đoạn thiết kế tổng thể và giai đoạn thiết kế cụ thể. Trong giai đoạn thiết kế tổng thể, trên cơ sở các dữ liệu của hệ thống thực S và của môi trƣờng E ngƣời ta xây dựng mô hình hệ thống và mô hình môi trƣờng thoả mãn các chỉ tiêu đánh giá định trƣớc. Còn trong giai đoạn thiết kế cụ thể, trên cơ sở mô hình đã đƣợc lực chọn ngƣời ta xác định các điều kiện ràng buộc, xây dựng các chƣơng trình mô phỏng trên máy tính và thực hiện việc mô phỏng để tìm các đặc tính kinh tế kỹ thuật của hệ thống thực. 1.2.2 Đặc điểm của mô hình hoá hệ thống Cùng với sự phát triển của các phƣơng pháp lý thuyết, các phƣơng pháp thực nghiệm để nghiên cứu, phân tích và tổng hợp hệ thống ngày càng đƣợc hoàn thiện. Đối với một hệ thống thực có hai phƣơng pháp cơ bản để nghiên cứu thực nghiệm, nghiên cứu trên hệ thực và nghiên cứu trên mô hình của nó. Nghiên cứu thực nghiệm trên hệ thực cho ta các số liệu khách quan, trung thực. Ở đây phải giải quyết vấn đề lấy mẫu thống kê, ƣớc lƣợng tham số, phân tích và xử lý dữ liệu .v.v. Tuy nhiên việc nghiên cứu thực nghiệm trên hệ thực trong nhiều trƣờng hợp gặp khó khăn nhƣ đã đƣợc trình bày, trong trƣờng hợp này nghiên cứu thực nghiệm trên các mô hình là phƣơng pháp có nhiều triển vọng. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 21 Nhìn chung các đối tƣợng thực có cấu trúc phức tạp và thuộc loại hệ thống lớn vì vậy mô hình của chúng cũng đƣợc liệt kê vào các hệ thống lớn và có những đặc điểm cơ bản: a. Tính mục tiêu: Tuỳ theo yêu cầu nghiên cứu có thể mô hình chỉ có một mục tiêu là để nghiên cứu một nhiệm vụ cụ thể nào đó, hoặc mô hình đa mục tiêu nhằm khảo sát một số chức năng, đặc tính của đối tƣợng thực tế. b. Độ phức tạp: Độ phức tạp thể hiện ở cấu trúc phân cấp của mô hình, các mối quan hệ qua lại giữa các hệ con với nhau và giữa hệ thống S với môi trƣờng E. c. Hành vi của mô hình: Hành vi của mô hình là con đƣờng để mô hình đạt đƣợc mục tiêu đề ra. Tuỳ thuộc có yếu tố ngẫu nhiên tác động vào hệ thống hay không mà ta có mô hình tiền định hoặc ngẫu nhiên. Theo hành vi của hệ thống có thể phân ra mô hình liên tục hoặc gián đoạn. Nghiên cứu hành vi của mô hình ngƣời ta biết đƣợc xu hƣớng vận động của đối tƣợng thực. d. Tính thích nghi: Tính thích nghi là đặc tính của hệ thống có tổ chức cấp cao, hệ thống có thể thích nghi với sự thay đổi của các tác động vào hệ thống. Tính thích nghi của mô hình thể hiện ở khả năng giữ ổn định của mô hình khi các tác động đó thay đổi. e. Tính điều khiển được: Ngày nay nhiều phƣơng pháp tự động hoá đã đƣợc ứng dụng trong mô hình hoá hệ thống. Sử dụng các biện pháp lập trình ngƣời ta có thể điều khiển mô hình theo mục tiêu định trƣớc, thực hiện khả năng đối thoại giữa ngƣời với mô hình để thu nhận thông tin và ra quyết định điều khiển. g. Khả năng phát triển của mô hình: Khi tiến hành mô hình hoá hệ thống bao giờ cũng xuất hiện bài toán nghiên cứu sự phát triển của hệ thống trong tƣơng lai. Vì vậy mô hình phải có khả năng mở rộng, thu nạp thêm các hệ con, thay đổi cấu trúc để phù hợp với sự phát triển của hệ thống thực. h. Độ tin cậy - Độ chính xác: Mô hình hoá là thay thế đối tƣợng thực bằng mô hình của nó để thuận tiện cho việc nghiên cứu. Vì vậy mô hình phải Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 22 phản ánh trung thực các hiện tƣợng xảy ra trong đối tƣợng. Các kết quả thực nghiệm trên mô hình phải có độ chính xác, độ tin cậy thoả mãn yêu cầu đề ra. 1.2.3 Phân loại mô hình hệ thống Có thể căn cứ vào nhiều dấu hiệu khác nhau để phân loại mô hình. Có thể liệt kê từng cặp mô hình nhƣ sau: Mô hình tiền định - Mô hình ngẫu nhiên Mô hình tĩnh - Mô hình động Mô hình tuyến tính - Mô hình phi tuyến Mô hình liên tục - Mô hình gián đoạn Mô hình vật lý - Mô hình toán học Mô hình giải tích - Mô hình mô phỏng Tuy nhiên, mô hình đƣợc chia ra làm hai nhóm chính: Mô hình vật lý và mô hình toán học hay còn gọi là mô hình trừu tƣợng. Từ hai nhóm đó lại có thể chia ra thành các loại mô hình cụ thể hơn. Mô hình vật lý là mô hình đƣợc cấu tạo bởi các phần tử vật lý. Các thuộc tính của đối tƣợng đƣợc phản ánh bằng các định luật vật lý xảy ra trong mô hình. Nhóm mô hình vật lý đƣợc chia thành mô hình thu nhỏ và mô hình tƣơng tự. Mô hình vật lý thu nhỏ có cấu tạo giống nhƣ đối tƣợng thực nhƣng có kích thƣớc nhỏ hơn cho phù hợp với điều kiện của phòng thí nghiệm. Ví dụ ngƣời ta chế tạo lò hơi của nhà máy nhiệt điện có kích thƣớc nhỏ đặt trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu quá trình cháy trong lò hơi, hoặc xây dựng mô Mô hình hệ thống Mô hình vật lý Mô hình toán học Mô hình thu nhỏ Mô hình tƣơng tự Mô hình giải tích Mô hình số Mô hình mô phỏng Hình 1.3. Sơ đồ phân loại mô hình Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 23 hình đập thuỷ điện có kích thƣớc nhỏ trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu các chế độ thuỷ văn của đập thuỷ điện. Ƣu điểm của loại mô hình này là các quá trình vật lý xảy ra trong mô hình giống trong đối tƣợng thực, có thể đo lƣờng quan sát các đại lƣợng vật lý một cách trực quan với độ chính xác cao. Nhƣợc điểm của loại mô hình vật lý thu nhỏ là giá thành đắt, vì vậy chỉ đƣợc dùng khi thật cần thiết. Mô hình vật lý tương tự đƣợc cấu tạo bằng các phần tử vật lý không giống với đối tƣợng thực nhƣng các quá trình xảy ra trong mô hình tƣơng đƣơng với quá trình xảy ra trong đối tƣợng thực. Ví dụ có thể nghiên cứu quá trình dao động điều hoà của con lắc đơn bằng mô hình tƣơng tự là mạch dao động R-L-C vì dòng điện dao động điều hoà trong mạch R-L-C hoàn toàn tƣơng tự quá trình dao động điều hoà của con lắc đơn, hoặc ngƣời ta có thể nghiên cứu đƣờng dây tải điện (có thông số phân bố rộng rãi) bằng mô hình tƣơng tự là mạch bốn cực R-L-C (có thông số tập trung). Ƣu điểm của loại mô hình này là giá thành rẻ, cho phép chúng ta nghiên cứu một số đặc tính chủ yếu của đối tƣợng thực. Mô hình toán học thuộc loại mô hình trừu tƣợng. Các thuộc tính của đối tƣợng đƣợc phản ánh bằng các biểu thức, phƣơng trình toán học. Mô hình toán học đƣợc chia thành mô hình giải tích và mô hình số. Mô hình giải tích đƣợc xây dựng bởi các biểu tƣợng giải tích. Ƣu điểm của loại mô hình này là cho kết quả rõ ràng, tổng quát. Nhƣợc điểm của mô hình giải tích là thƣờng phải chấp nhận một số giả thiết đơn giản hoá để có thể biểu diễn đối tƣợng thực bằng các biểu thức giải tích, vì vậy loại mô hình này chủ yếu đƣợc dùng cho các hệ tiền tính và tuyến tính. Mô hình số đƣợc xây dựng theo phƣơng pháp số tức là bằng các chƣơng trình chạy trên máy tính. Ngày nay nhờ sự phát triển của kỹ thuật máy tính và kỹ thuật tin học, ngƣời ta đã xây dựng các mô hình số có thể mô phỏng đƣợc quá trình hoạt động của đối tƣợng thực. Những mô hình loại này đƣợc gọi là mô hình mô phỏng. Ƣu điểm của loại mô hình mô phỏng là có thể mô tả các yếu tố Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 24 ngẫu nhiên và tính phi tuyến của đối tƣợng thực do đó mô hình càng gần với đối tƣợng thực. Ngày này, mô hình mô phỏng đƣợc ứng dụng rất rộng rãi. Mô hình phải đạt đƣợc hai tính chất cơ bản sau đây: * Tính đồng nhất: Mô hình phải đồng nhất với đối tƣợng thực mà nó phản ánh theo những tiêu chuẩn định trƣớc. * Tính thực dụng: Có khả năng sử dụng mô hình để nghiên cứu đối tƣợng. Tuỳ thuộc mục đích nghiên cứu mà ngƣời ta lựa chọn tính đồng nhất và tính thực dụng của mô hình một cách thích hợp. 1.2.4 Một số nguyên tắc khi xây dựng mô hình Việc xây dựng mô hình toán học phụ thuộc vào đặc điểm của hệ thống thực, vì vậy khó có thể đƣa ra những nguyên tắc chặt chẽ mà chỉ có thể đƣa ra những nguyên tắc có tính định hƣớng cho việc xây dựng mô hình. Sau đây là một số nguyên tắc chính. a) Nguyên tắc xây dựng sơ đồ khối Nhìn chung hệ thống thực là một hệ thống phức tạp, vì vậy ngƣời ta tìm cách phân chúng ra làm nhiều hệ con, mỗi hệ con đảm nhiệm một số chức năng của hệ lớn. Nhƣ vậy mỗi hệ con đƣợc biểu diễn bằng một khối, tín hiệu ra của khối trƣớc chính là tín hiệu vào của khối sau. b) Nguyên tắc thích hợp Có thể bớt bỏ một số chi tiết không quan trọng để mô hình bớt phức tạp và việc giải các bài toán trên mô hình dễ dàng hơn. c) Nguyên tắc về độ chính xác Yêu cầu về độ chính xác phụ thuộc vào mục đích nghiên cứu. Ở giai đoạn thiết kế tổng thể độ chính xác không cao, nhƣng khi nghiên cứu thiết kế những bộ phận cụ thể thì độ chính xác của mô hình phải đạt đƣợc yêu cầu cần thiết. d) Nguyên tắc tổ hợp Tuỳ theo mục đích nghiên cứu mà ngƣời ta có thể phân chia hoặc tổ hợp các bộ phận của mô hình lại với nhau. Ví dụ mô hình hoá một phân xƣởng để Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 25 nghiên cứu quá trình sản xuất sản phẩm thì ta coi các máy móc là thực thể của nó. Nhƣng khi nghiên cứu quá trình điều khiển nhà máy thì ta tổ hợp phân xƣởng nhƣ là một thực thể của toàn nhà máy. 1.3 Phƣơng pháp mô phỏng 1.3.1 Khái niệm chung về mô phỏng Khi có một số mô hình toán học của hệ thống thực ngƣời ta có thể tìm các thông tin về hệ thống bằng nhiều cách. Trong trƣờng hợp mô hình tƣơng đối đơn giản ngƣời ta có thể dùng phƣơng pháp giải tích, ngƣợc lại ngƣời ta phải dùng phƣơng pháp số. Phƣơng pháp giải tích cho ta lời giải tổng quát còn phƣơng pháp số cho ta lời giải của từng bƣớc tính với những điều kiện xác định, muốn lời giải đạt độ chính xác cao số bƣớc tính phải đƣợc tăng lên đủ lớn. Đối với các hệ thống lớn, có cấu trúc phức tạp, có quan hệ tác động qua lại giữa các hệ con với trung tâm điều khiển, giữa hệ thống với môi trƣờng bên ngoài, có các yếu tố ngẫu nhiên tác động .v.v. thì phƣơng pháp giải tích không hiệu quả. Trong trƣờng hợp này ngƣời ta phải dùng phƣơng pháp mô phỏng. Nhƣ vậy phƣơng pháp mô phỏng đòi hỏi khối lƣợng tính toán rất lớn, điều này chỉ có thể giải quyết đƣợc khi ứng dụng các máy tính có tốc độ nhanh. Nhờ có sự phát triển của máy tính mà phƣơng pháp mô phỏng ngày càng đƣợc hoàn thiện. 1.3.2 Bản chất của phương pháp mô phỏng Phƣơng pháp mô phỏng có thể đƣợc định nghĩa nhƣ sau : “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 để mô tả, giải thích và dự đoán hành vi của hệ thống thực”. Theo định nghĩa này có ba điểm cơ bản mà mô phỏng phải đạt đƣợc. Thứ nhất là phải có mô hình toán học tốt tức mô hình có tính đồng nhất cao với hệ thực đồng thời mô hình đƣợc mô tả rõ ràng thuận tiện cho ngƣời sử dụng. Thứ hai là phải có khả năng làm thực nghiệm trên mô hình tức là có khả năng thực hiện các chƣơng trình tính trên máy tính để xác định các thông tin về hệ thực. Cuối cùng là khả năng dự đoán hành vi của hệ thực tức có thể mô tả sự phát triển của hệ thực theo thời gian. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 26 Bản chất của phƣơng pháp mô phỏng là xây dựng một mô hình số, tức mô hình đƣợc thể hiện bằng các chƣơng trình máy tính, sau đó tiến hành các thực nghiệm trên mô hình để tìm ra các đặc tính của hệ thống đƣợc mô phỏng. Số lần “thực nghiệm” về lý thuyết đƣợc tăng lên vô cùng lớn. Quá trình mô hình hoá đƣợc tiến hành nhƣ sau. Gọi hệ thống đƣợc mô phỏng là S. Bƣớc thứ nhất ngƣời ta mô hình hoá hệ thống S với các mối quan hệ nội tại của nó. Để thuận tiện trong việc mô hình hoá, ngƣời ta thƣờng chia hệ S thành nhiều hệ con theo các tiêu chí nào đó S = S1, S2,…Si…, Sn. Tiếp đến ngƣời ta mô tả toán học các hệ con cùng các quan hệ giữa chúng. Thông thƣờng giữa các hệ con có mối quan hệ trao đổi năng lƣợng và trao đổi thông tin. Bƣớc thứ hai ngƣời ta mô hình hoá môi trƣờng xung quanh E, nơi hệ thống S làm việc, với các mối quan hệ tác động qua lại giữa S và E. Khi đã có mô hình của S và E, ngƣời ta tiến hành các thực nghiệm trên mô hình, tức là cho S và E làm việc ở một điều kiện xác định nào đó. Kết quả ngƣời ta thu đƣợc một bộ thông số của hệ thống, hay thƣờng gọi là xác định đƣợc một điểm làm việc của hệ thống. Các thực nghiệm đó đƣợc lặp lại nhiều lần và kết quả mô phỏng đƣợc đánh giá theo xác suất thống kê. Kết quả mô phỏng càng chính xác nếu số lần thực nghiệm, còn gọi là bƣớc mô phỏng càng lớn. Về lý thuyết bƣớc mô phỏng là hữu hạn nhƣng phải đủ lớn và phụ thuộc vào yêu cầu của độ chính xác. Quá trình nghiên cứu bằng phƣơng pháp mô phỏng và quan hệ giữa hệ thống thực với các kết quả mô phỏng đƣợc mô tả trong hình 1.4. Có thể thấy rằng để nghiên cứu hệ thực chúng ta phải tiến hành mô hình hoá tức xây dựng Hệ thống thực Mô hình mô phỏng Kết luận về hệ thống thực Kết quả mô phỏng T h ử n g h iệ m Xử lý kết quả mô phỏng Mô hình hoá H iệ u c h ỉn h h ệ th ự c Hình 1.4. Quá trình nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 27 mô hình mô phỏng. Khi có mô hình mô phỏng sẽ tiến hành làm các thực nghiệm để thu đƣợc kết quả mô phỏng. Thông thƣờng kết quả mô phỏng có tính trừu tƣợng của toán học nên phải thông qua xử lý kết quả mô phỏng chúng ta mới thu đƣợc các thông tin, kết luận về hệ thực. Sau đó dùng các thông tin và kết luận trên để hiệu chỉnh hệ thực theo mục đích nghiên cứu đề ra ban đầu. 1.3.3 Các bước nghiên cứu mô phỏng Khi tiến hành nghiên cứu mô phỏng thông thƣờng phải thực hiện qua 10 bƣớc nhƣ sau: Bước 1: Xây dựng mục tiêu mô phỏng và kế hoạch nghiên cứu Điều quan trọng trƣớc tiên là phải xác định rõ mục tiêu nghiên cứu mô phỏng. Mục tiêu đó đƣợc thể hiện bằng các chỉ tiêu đánh giá, bằng hệ thống câu hỏi cần đƣợc trả lời. Bước 2: Thu thập dữ liệu và xác định mô hình nguyên lý Tuỳ theo mục tiêu mô phỏng mà ngƣời ta thu thập các thông tin, các dữ liệu tƣơng ứng của hệ thống S và môi trƣờng E. Trên cơ sở đó xây dựng mô hình nguyên lý Mnl Mô hình nguyên lý là mô hình toán học phản ánh bản chất của hệ thống S. Bước 3: Hợp thức mô hình nguyên lý Mnl Hợp thức mô hình nguyên lý là kiểm tra tính đúng đắn hợp lý của mô hình. Mô hình nguyên lý phải phản ánh đúng bản chất của hệ thống S và môi trƣờng E nhƣng đồng thời phải tiện dụng không quá phức tạp, cồng kềnh. Nếu mô hình nguyên lý Mnl không đạt yêu cầu phải thu thập thêm thông tin và dữ liệu để tiến hành xây dựng lại mô hình. Bước 4: Xây dựng mô hình mô phỏng Mnl trên máy tính Mô hình mô phỏng Mnp là những chƣơng trình chạy trên máy tính còn đƣợc gọi là mô hình số hay mô hình mô phỏng. Các chƣơng trình này đƣợc viết bằng các ngôn ngữ thông dụng nhƣ FORTRAN, PASCAL, C++ hoặc các ngôn ngữ chuyên dụng để mô phỏng nhƣ GPSS, SIMSSCRIPT, SIMPLE++ .v.v. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 28 Bước 5: Chạy thử Sau khi cài đặt chƣơng trình, ngƣời ta tiến hành chạy thử xem mô hình mô phỏng có phản ánh đúng các đặc tính của hệ thống S và môi trƣờng E hay không. Ở giai đoạn này cũng tiến hành sửa chữa các lỗi về lập trình. Bước 6: Kiểm chứng mô hình mô phỏng Sau khi chạy thử ngƣời ta có thể kiểm chứng và đánh giá mô hình mô phỏng có đạt yêu cầu hay không, nếu không phải quay lại từ bƣớc 2. Kiểm chứng và hợp thức hoá mô hình là hai thủ tục quan trọng để xác nhận mô hình chúng ta xây dựng nên có thể dùng đƣợc hay không. Kiểm chứng là kiểm tra xem lập trình có đúng không, chƣơng trình tính có thể chạy đƣợc không, dữ liệu vào ra có thuận lợi và chính xác hay không. Hợp thức hoá mô hình là đánh giá xem mô hình có phản ánh bản chất của hệ thực hay không, kết quả mô phỏng có đáp ứng yêu cầu nghiên cứu hay không. Bước 7: Lập kế hoạch thực nghiệm mô phỏng Ở bƣớc này ngƣời ta phải xác định một số điều kiện cho mô phỏng. Đầu tiên là xác định điều kiện đầu, điều kiện cuối hay còn gọi là chiều dài mô phỏng. Tiếp đến xác định số lần thử nghiệm hay còn gọi là số lần chạy mô phỏng độc lập. Để cho các dữ liệu mô phỏng hoàn toàn độc lập với nhau, mỗi lần chạy mô phỏng ngƣời ta dùng một hạt giống ngẫu nhiên khác nhau. Cuối cùng xác định thời gian mô phỏng của từng bộ phận hoặc toàn bộ mô hình. Căn cứ vào kết quả mô phỏng (ở bƣớc 9) mà ngƣời ta hiệu chỉnh kế hoạch thực nghiệm để đạt đƣợc kết quả với độ chính xác theo yêu cầu. Bước 8: Thực nghiệm mô phỏng Cho chƣơng trình chạy thực nghiệm theo kế hoạch đã đƣợc lập ở bƣớc 7. Đây là bƣớc thực hiện việc mô phỏng. Các kết quả lấy ra từ bƣớc này chính là dữ liệu đầu ra của mô phỏng. Bước 9: Xử lý kết quả mô phỏng Thực nghiệm mô phỏng thƣờng cho nhiều dữ liệu có tính thống kê xác suất. Vì vậy để có đƣợc kết quả cuối cùng với độ chính xác cao theo yêu cầu phải dùng phƣơng pháp xác suất thống kê để xử lý các dữ liệu đầu ra. Các kết Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 29 quả này phải đƣợc biểu diễn dƣới dạng tƣờng minh thuận lợi cho việc lƣu trữ và sử dụng. Bước 10: Sử dụng và lưu trữ kết quả Sử dụng kết quả mô phỏng vào mục đích đã định và lƣu trữ dƣới dạng các tài liệu để có thể sử dụng nhiều lần. 1.3.4 Các ngôn ngữ và thiết bị mô phỏng Khi tiến hành mô phỏng chúng ta phải xây dựng mô hình mô phỏng Mmp trên máy tính. Mô hình Mmp là một tập hợp các chƣơng trình chạy trên máy tính đƣợc gọi là phần mềm mô phỏng, những chƣơng trình này thƣờng đƣợc viết bằng ngôn ngữ cấp cao thông dụng nhƣ PASCAL, C++, VISUAL BASIC… Tuy nhiên đối với các hệ thống phức tạp viết các chƣơng trình mô phỏng nhƣ vậy gặp rất nhiều khó khăn và mất nhiều thời gian. Trong thực tế ngƣời ta đã phát triển nhiều phần mềm mô phỏng chuyên dụng đƣợc gọi là ngôn ngữ mô phỏng và thiết bị mô phỏng. Ngôn ngữ mô phỏng bao gồm nhiều khối chuẩn, ngƣời sử dụng chỉ cần nạp các thông số cần thiết, nối các khối theo một logic định trƣớc, cho mô hình chạy trong thời gian mô phỏng và nhận đƣợc các kết quả dƣới dạng bảng số hoặc đồ thị. Sử dụng các ngôn ngữ mô phỏng có rất nhiều ƣu điểm nhƣ: - Thời gian xây dựng mô hình ngắn. - Dễ dàng thay đổi cấu trúc và thông số của mô hình. - Dễ gỡ rối, sửa chữa sai sót. - Các kết quả đƣợc xửa lý tốt, thuận tiện cho việc sử dụng. Sau đây sẽ điểm qua ngôn ngữ mô phỏng chính hiện đƣợc sử dụng nhiều. a) GPSS – General Purpose Simulation System Ngôn ngữ GPSS do IBM sản xuất năm 1972. Sau đó đƣợc cải tiến nhiều lần, GPSS/H năm 1977, GPSS/PC có thể chạy trên máy tính PC. GPSS có tên 60 khối chuẩn. Đây là ngôn ngữ hƣớng quá trình (Process oriented language), có các khối để biểu diễn quá trình, các hình ảnh mô phỏng chuyển động theo Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 30 quá trình mô phỏng (Concurrent graphics animation) rất thuận tiện cho việc theo dõi quá trình mô phỏng. b) SIMCRIPT SIMCRIPT đƣợc sản xuất năm 1962 sau đó đƣợc cải tiến nhiều lần với nhiều phiên bản (Version) khác nhau nhƣ SIMCRIPT 1.5, SIMCRIPT II.5. Đây là ngôn ngữ hƣớng quá trình và sự kiện (Process anh event – oriented). c) SIMPLE ++ - Simulation Production Logitics Engineering Design. SIMPLE ++ là ngôn ngữ hƣớng đối tƣợng, hiện nay ngôn ngữ này đƣợc dùng rất phổ biến vì có những đặc điểm sau: - Cấu trúc hƣớng đối tƣợng - Hình ảnh mô phỏng chuyển động - Kết quả đƣợc biểu diễn bằng bảng số, đồ thị dễ dàng so sánh. - Có thể nối với các phần mềm chuyên dụng khác nhƣ MRP (Manufacturing Resource Planning). - Ngƣời sử dụng có thể định nghĩa các đối tƣợng mới và dễ dàng lập trình mô phỏng. Ngoài ra còn có nhiều ngôn ngữ mô phỏng khác nhƣ SIGMA, SLAM (Simulaion Language for Alternative Modelling), MODSIM, AUTOMOD .v.v. Thiết bị mô phỏng là một phần mềm chuyên dụng mô phỏng một hệ thống cụ thể. Thiết bị mô phỏng có rất ít hoặc không đòi hỏi phải lập trình nhƣ ngôn ngữ mô phỏng ở trên. Thuộc loại này có thiết bị mô phỏng dùng để huấn luyện lái máy bay, tàu thuỷ, ô tô .v.v. Ngày nay những nhà máy lớn nhƣ nhà máy điện, xi măng, lọc dầu .v.v. thƣờng đặt thiết bị mô phỏng để huấn luyện cho ngƣời vận hành và giải bài toán tìm chế độ vận hành tối ƣu. Những thiết bị mô phỏng loại này thƣờng có giá thành tƣơng đối đắt, phạm vi ứng dụng hạn chế vì chỉ dùng để mô phỏng một hệ thống cụ thể nhƣng đƣa lại hiệu quả to lớn trong huấn luyện cũng nhƣ vận hành hệ thống nên đƣợc dùng ở những nơi quan trọng. Một số loại thiết bị mô phỏng thƣờng dùng hiện nay là SIMFACTORY, NETWORK .v.v. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 31 1.3.5 Các phương pháp mô phỏng và phạm vi ứng dụng Tuỳ theo trạng thái của hệ thống thay đổi liên tục hay gián đoạn theo thời gian mà ngƣời ta phân biệt thành hệ thống liên tục hay gián đoạn. Đứng về mặt mô hình mà xét, ngƣời ta có thể chọn một trong hai mô hình liên tục hay gián đoạn để mô hình hệ thống. Vì vậy không nhất thiết phải có sự tƣơng đƣơng giữa loại hệ thống và loại mô hình. Việc phân biệt mô hình liên tục hay gián đoạn trở nên quan trọng khi tiến hành mô phỏng, đặc biệt là khi lập trình trên máy tính để thực hiện việc mô phỏng bởi vì kỹ thuật tính dùng cho các loại mô hình sẽ rất khác nhau. Chính vì vậy có hai phƣơng pháp mô phỏng chủ yếu là phương pháp mô phỏng liên tục và mô phỏng gián đoạn. Phương pháp mô phỏng liên tục (Continuous Simulation) thƣờng đƣợc dùng cho hệ liên tục mà mô hình của nó là mô hình giải tích thƣờng đƣợc biểu diễn bằng các hệ phƣơng trình vi phân. Nếu phƣơng trình vi phân tƣơng đối đơn giản, nó có thể đƣợc giải bằng phƣơng pháp giải tích và cho lời giải tổng quát là một hàm của biến trạng thái tại thời điểm t = 0. Có nhiều trƣờng hợp phƣơng pháp giải tích không giải đƣợc. Trong trƣờng hợp này, ngƣời ta phải dùng phƣơng pháp số nhƣ phƣơng pháp tích phân Runge – Kutta để giải phƣơng tình vi phân và cho lời giải đặc biệt của biến trạng thái tại thời điểm t =0. Phương pháp mô phỏng gián đoạn hay còn có tên là phương pháp mô phỏng các sự kiện gián đoạn (Discrete – Event Simulation) thƣờng dùng cho hệ gián đoạn. Trong những hệ này sự kiện xảy ra tại các thời điểm gián đoạn và làm thay đổi trạng thái của hệ thống. - Phương pháp mô phỏng hỗn hợp liên tục gián đoạn (Combined Discrete – Continuous Simulation) Có một số hệ thống không hoàn toàn gián đoạn cũng không hoàn toàn liên tục, đó là các hệ thống mà trong đó các trạng thái có thể thay đổi một cách liên tục hoặc gián đoạn. Ví dụ lò nung phôi thép, trong hệ thống này nhiệt độ lò nung thay đổi một cách liên tục nhƣng số phôi thép đƣa vào hoặc lấy ra khỏi lò nung thay đổi một cách gián đoạn. Để mô phỏng hệ thống này ta phải dùng phƣơng pháp mô phỏng hỗn hợp. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 32 CHƢƠNG 2. MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 2.1 Mô phỏng hệ thống liên tục 2.1.1 Khái niệm chung về mô hình hệ thống liên tục Hệ thống liên tục là hệ thống mà trong đó các trạng thái và thuộc tính của hệ thống thay đổi một cách liên tục. Mô hình toán học của hệ thống liên tục thƣờng là hệ phƣơng trình vi phân. Trƣờng hợp đơn giản nhất đó là hệ phƣơng trình vi phân tuyến tính với hệ số hằng và đƣợc giải một cách dễ dàng bằng phƣơng pháp giải tích. Tuy nhiên, khi mô hình phi tuyến nhƣ bão hoà, trễ, vùng chết .v.v. thì phƣơng pháp giải tích khó hoặc không thể giải bài toán. Ngƣời ta có thể dùng máy tính để mô phỏng hệ thống liên tục. 2.1.2 Dùng máy tính để mô phỏng hệ thống liên tục 2.1.2.1 Phương trình máy tính Dùng máy tính để mô hình hoá hệ thống có nghĩa là đƣa vào máy tính các dữ liệu ban đầu, máy tính xử lý các dữ liệu đó theo chức năng hoạt động của hệ thống S, đầu ra của máy tính cho ta các trạng thái của hệ thống S theo thời gian. T 0 1 2 k-1 k [xk] m + 1 ... 0 1 2 k-1 k n ... Hình 2.1 : Quan hệ giữa tín hiệu vào và ra của máy tính [yk] MT [xk] [yk] Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 33 Tín hiệu vào [Xk] và tín hiệu ra [Yk] của MT đều là những tín hiệu số (gián đoạn). Sau đây chúng ta xét quan hệ giữa chúng. Bƣớc gián đoạn hoá T (bƣớc cắt mẫu) là nhịp làm việc của MT. Dãy tín hiệu vào [xk] = x(0), x(T), x(2T) ... x(kT) Dãy tín hiệu ra [yk] = y(0), y(T), y(2T) ... y(kT). Khi khảo sát ta chấp nhận giả thiết là thời gian tính của MT không đáng kể nên có thể bỏ qua, có nghĩa là dãy tín hiệu ra [yk] hoàn toàn không đồng nhất với dãy tín hiệu vào [xk]. Tín hiệu ra ở thời điểm k tức y(kT) phụ thuộc vào giá trị của n tín hiệu ra và m + 1 tín hiệu vào xảy ra trƣớc đó. Các giá trị của m tín hiệu vào và n tín hiệu ra đƣợc lƣu trữ trong bộ nhớ của máy tính. Nhƣ vậy quan hệ giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào của MT đƣợc viết:            m i n j jnim jTkTyaiTkTbkTy 0 1 ; (2 – 1) Trong đó : an, bm – các hệ số i = 0, m, j = 0; với mn Phƣơng trình (2 – 1) đƣợc gọi là phương trình máy tính, biểu thị quan hệ tuyến tính giữa tín hiệu ra với tín hiệu vào của MT. Chú ý rằng trong phƣơng trình (2 – 1) luôn luôn có quan hệ nm  có nghĩa là tín hiệu ra phụ thuộc vào m tín hiệu vào trong quá khứ. Nếu m>n thì tín hiệu ra phụ thuộc cả vào tín hiệu vào trong tƣơng lai là điều không xảy ra trong thực tế đƣợc. Vì tín hiệu ra [yk] và tín hiệu vào [xk] đều có cùng bƣớc gián đoạn T nên để cho gọn phƣơng trình (2 – 1) có thể viết lại:            m i n j im jkyikxbky 0 1 (2 – 2) Phƣơng trình (2 – 2) có thể triển khai thành: yk) + an-1y(k-1) + … + a1y(k – n + 1) + a0y(k – n) = = bmx(k) + bm-1x(k – 1) +bm-2x(k-2) + …+ b0x(k – m) (2 – 3) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 34 Phƣơng trình (2 – 3) có dạng phƣơng trình sai phân bậc n. Các hệ số an-1, …, a0; bm … b0 đặc trƣng đặc tính động của hệ thống. Nếu các hệ số là hằng ta có phƣơng trình sai phân tuyến tính phản ánh hệ dừng (đặc tính không biến đổi theo thời gian), trong trƣờng hợp ngƣợc lại a(t), b(t) – hệ không dừng. Ở đây ta chỉ khảo sát các hệ tuyến tính dừng mà thôi. Bậc của phƣơng trình sai phân là sai biệt giữa bậc số của hạng tín hiệu ra lớn nhất và bé nhất. Trong trƣờng hợp phƣơng trình (2 – 3) bậc của phƣơng trình là (k)–(k–n)=n. Vậy ta có thể kết luận rằng phương trình máy tính có dạng của phương trình sai phân tuyến tính. Từ phƣơng trình (2 – 3) ta có thể viết: y(k) = -an-1y(k – 1) – an-2y(k – 2) – ... – a0y(0) + bm-1x(k – 1) ... + b0x(0) Nhƣ vậy nếu biết điều kiện đầu x(0), y(0), bằng cách tăng dần bƣớc k ta có thể tính đƣợc y(k) ở các thời điểm khác nhau. Các kết quả tính toán đƣợc lƣu trữ trong bộ nhớ và giá trị tín hiệu ra của bƣớc tiếp theo phụ thuộc vào giá trị của tín hiệu vào và tín hiệu ra của các bƣớc trong quá khứ. 2.1.2.2 Phương pháp mô phỏng hệ liên tục bằng máy tính Từ các phân tích ở trên ta thấy rằng nếu muốn dùng máy tính số để mô phỏng hệ liên tục thì phải mô tả hệ liên tục dƣới dạng phƣơng trình sai phân tuyến tính, sau đó đƣa phƣơng trình sai tuyến tính đó vào máy tính để tìm các đặc tính của hệ liên tục. Hệ liên tục thƣờng đƣợc biểu diễn bằng phƣơng trình vi tích phân. Để biến đổi phƣơng trình vi tích phân thành phƣơng trình sai phân tƣơng ứng có thể dùng phƣơng pháp số Runge – Kutta. Tuy nhiên phƣơng pháp này có khối lƣợng tính toán lớn, đặc biệt đối với phƣơng trình có bậc từ 3 trở lên thì tính toán rất phức tạp nhiều khi không thực hiện đƣợc. Vì vậy ở phần tiếp theo sẽ trình bày phƣơng pháp tiện dụng để tìm phƣơng trình sai phân của hệ liên tục. Từ phƣơng trình Laplace W(s) của hệ liên tục, bằng cách biến đổi số s thành z, ngƣời ta có thể tìm đƣợc phƣơng trình biến đổi Z tƣơng ứng W(z), rồi tìm ngƣợc lại phƣơng trình sai phân của hệ để giải trên máy tính. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 35 2.1.3 Biến đổi Z và các tính chất 2.1.3.1 Mục đích của phép biến đổi Z Khi giải phƣơng trình sai phân bậc cao ngƣời ta gặp nhiều khó khăn,vì vậy ngƣời ta thƣờng dùng biến đổi Z để biến phƣơng trình sai phân tuyến tính của hệ gián đoạn thành phƣơng trình đại số. Điều này hoàn toàn tƣơng tự nhƣ trong trƣờng hợp hệ liên tục dùng biến số Laplace để biến phƣơng trình vi tích phân thành phƣơng trình đại số. * Một số định nghĩa trong phép biến đổi Z. Giả thiết rằng không có tín hiệu ở phía âm của trục thời gian (hình 2.4) Đối với tín hiệu liên tục x(t) ta có định nghĩa về biến đổi Laplace nhƣ sau:          0 dtetxsXtxL st (2 – 4) Đối với tín hiệu gián đoạn x[k] ta có định nghĩa về biến đổi Z nhƣ sau: Z[x(k)] = X(Z) = x(0)Z 0 + x(1)Z -1 + x(k)Z -k + ... =      0k kZkx (2 – 5) Trong đó : Z - là biến phức Nếu hàm x(t) tồn tại biến đổi Laplace có dạng :   )( )( sA sB sX  thì chuỗi (2 – 5) là biến đổi Z của hàm gián đoạn x[k] tƣơng ứng. Bảng 2-1 liệt kê một số hàm thời gian thông dụng và các biến đổi Laplace F(s), biến đổi ZF(z) tƣơng ứng. t x(t) 0 x(k) T kT 0 Hình 2.2 : Các dạng của tín hiệu a) Liên tục b) Gián đoạn t Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 36 Bảng 2-1 Hàm thời gian F(s) F(z)  k 1 1 1 s 1 1Z Z t 2 1 s 2)1( Z TZ t 2 3 !2 s 3 2 )1( )1(   Z ZZT t 3 4 !3 s 4 23 )1( )14(   Z ZZZT e -at as 1 aTeZ Z  te -at )( 1 as 2)( aT aT eZ TZe  )sin( t 22   s 1)cos(2 )sin( 2  TZZ TZ   )cos( t 22 s s 1)cos(2 )cos( 2 2   TZZ TZZ   ._..224 21,0 Slovakia 382 413 307 24,4 3.830 3.289 16,5 Slovenia 58 50 47 25,4 469 431 8,7 Tây Ban Nha 1.260 1.300 1.573 -19,9 13.240 13.589 -2,6 Thụy Điển 482 335 485 -0,5 4.060 4.300 -5,6 Anh 1.081 1.174 1.028 5,2 10.593 9.969 6,3 Croatia 5 6 8 -34,9 59 53 11,6 Na Uy 58 62 65 -10,8 490 509 -3,7 Rumani 525 540 495 6,1 4.740 4.682 1,2 Serbia và Montenegro 159 158 141 13,3 1.375 896 53,5 Thuỵ sĩ 115 79 95 21,0 936 866 8,0 Thổ Nhĩ Kỳ 1.967 1.959 1.775 10,8 17.289 15.572 11,0 Belorusia 187 208 164 14,0 1.751 1.597 9,6 Kazakhstan 370 354 414 -10,6 3.142 3.279 -4,2 Moldova 82 60 86 -4,7 532 783 -32,1 Nga 5.693 5.970 5.433 4,8 52.566 48.943 7,4 Ukraine 3.352 3.536 3.232 3,7 30.369 28.291 7,3 Uzbekistan 67 63 43 55,8 535 485 10,3 Canada 1.310 1.349 1.300 0,8 11.970 11.582 3,4 Cuba 20 19 19 3,1 188 175 7,9 El Salvador 10 7 4 138,1 60 42 42,6 Guatemala 25 26 19 31,6 211 175 20,9 Mexico 1.230 1.270 1.221 0,8 11.762 12.279 -4,2 Trinidad và Tobago 55 57 60 -9,6 554 518 7,0 Mỹ 8.040 8.455 7.767 3,5 75.631 69.371 9,0 Bắc Mỹ 10.690 11.183 10.391 2,9 100.37 7 94.141 6,6 Áchentina 481 464 408 17,8 4.248 4.006 6,0 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 88 Quốc gia 9/2008 8/2008 7/2008 % tăng giảm 9 tháng đầu 2008 9 tháng đầu 2007 % tăng giảm Braxin 2.757 2.812 2.589 6,5 22.772 23.643 -3,7 Chilê 140 142 113 23,9 1.222 1.183 3,2 Côlômbia 105 105 75 40,8 898 634 41,5 Ecuador 10 8 7 49,3 66 63 5,7 Paraguay 15 14 7 111,3 101 81 24,4 Pêru 75 74 68 10,8 665 572 16,3 Uruguay 10 7 6 63,9 43 46 -8,0 Vênêzuêla 440 454 431 2,1 3.803 3.608 5,4 Nam Mỹ 4.033 4.080 3.703 8,9 33.817 33.836 -0,1 Algiêri 107 110 43 150,6 813 748 8,6 Ai Cập 390 400 479 -18,5 3.670 4.205 -12,7 Libi 93 60 108 -14,3 861 984 -12,5 Nam Phi 838 812 811 3,3 7.257 7.206 0,7 Zimbabuê 5 5 10 -50,0 30 94 -68,1 Châu Phi 1.432 1.387 1.450 -1,2 12.631 13.237 -4,6 Iran 795 822 808 -1,6 7.293 6.992 4,3 Qatar 80 80 91 -11,8 749 802 -6,6 ArậpXêút 305 316 338 -9,6 3,014 3.112 -3,2 Trung Đông 1.180 1.217 1.236 -4,5 11.056 10.906 1,4 Trung Quốc 36.162 36.700 30.520 18,5 308.438 260.398 18,4 ấn Độ 3.400 3.520 3.233 5,2 31.406 27.529 14,1 Nhật Bản 9.612 9.613 9.171 4,8 86.064 84.559 1,8 Hàn Quốc 4.107 4.017 3.946 4,1 35.980 35.333 1,8 Đài Loan 1.715 1.770 1.393 23,2 15.313 14.080 Châu á 54.996 55.620 48.262 14,0 477.20 0 421.89 9 13,1 Australia 644 681 677 -4,9 5.882 5.845 0,6 New Zealand 77 80 70 10,1 645 662 -2,5 Châu Đại Dƣơng 730 761 747 -3,5 6.527 6.507 0,3 Tổng cộng 110.357 101.755 93.143 8,8 903.389 826.361 9,3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 89 3.2.3 Những tiến bộ trong công nghệ luyện thép lò điện hồ quang Trong khoảng 10 năm trở lại đây đã có nhiều cải tiến phát minh trong công nghệ lò điện hồ quang làm cho sản phẩm của công nghệ có giá thành hạ và chất lƣợng cao: Lò hai thân: Một bộ phận cấp điện cho 2 lò thay nhau làm việc, làm giảm giá thành chi phí đầu tƣ, mặt bằng gọn và tăng năng suất lò. Công nghệ tháo đáy lệch tâm: Tránh đƣợc lẫn xỉ vào thép. Dùng lò điện hồ quang 1 chiều sẽ tránh đƣợc va động điện áp quá lớn tới lƣới điện, giảm tiếng ồn. Cải tiến kết cấu lò điện hồ quang và cách nạp liệu tận dụng nhiệt thừa của khí lò: Đó là kiểu lò năng lƣợng tối ƣu của Thuỵ Điển, kết hợp lò hồ quang với lò chuyển của Mannesmam - CHLB Đức, công nghệ CONTIARC của CHLB Đức, công nghệ CONSTEEL của Công Ty TAGLIAFERRI - Italia… Bên cạnh đó, trên thế giới khi sử dụng công nghệ luyện thép lò điện hồ quang ngƣời ta thƣờng áp dụng các tiến bộ kỹ thuật nhƣ: Cƣờng hoá quá trình luyện thép bằng ôxy và phun nhiên liệu phụ. Tinh luyện ngoài lò trong môi trƣờng chân không hoặc khí bảo vệ để tăng năng suất và tăng chất lƣợng thép. Tăng cƣờng trang bị hệ thống làm nguội thân lò và nắp lò. Tăng công suất biến thế. Tận dụng nhiệt thừa của khí thải để nung nóng trƣớc nguyên liệu, giảm chi phí điện năng. Áp dụng dây chuyền công nghệ đúc cán liên tục, trang bị hệ thống điều khiển quá trình sản xuất “mẻ tiếp mẻ”, giảm mất mát năng lƣợng. Áp dụng các tiến bộ nhƣ: Lò điện hồ quang ngọn lửa dài, plasma lò hồ quang chân không… Nhờ những tiến bộ kỹ thuật mới này mà công nghệ lò điện hồ quang ngày nay đạt đƣợc những chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cao: Tiêu hao điện năng [Kwh/t]: 350 - 420 Tiêu hao điện cực [Kg/t]: 3 - 11 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 90 Vật liệu chịu lửa [Kg/t]: 5,5 Tiêu hao ôxy [m3/t]: 40 - 35 Với những kết quả đó, ngày nay lò điện hồ quang là một công nghệ thích hợp, kinh tế và rất linh hoạt đối với các nhà máy mini công suất từ 250.000tấn/năm đến 1.600.000tấn/năm với nguyên liệu chính là thép phế. Bảng 3 - 2: Các chỉ tiêu KT kỹ thuật lò điện luyện thép của một số nước trên thế giới. TT Các chỉ tiêu Đơn vị Việt Nam Indonesia Nhật Bản Thế giới 1 Công suất lò điện T/mẻ 3 x 12 1 x 20 1 x 30 5 x 37 10 x 70 100 - 300 2 Sản lƣợng T/tháng 10000 12000 56000 - 3 Phƣơng pháp đúc - Thỏi và đúc liên tục Thỏi và đúc liên tục Thỏi và đúc liên tục Thỏi và đúc liên tục 4 Thời gian một mẻ Phút 150 70 65 50 5 Tiêu hao điện năng Kwh/Tsp 750 530 360 350 -400 6 Tiêu hao điện cực Kg/Tsp 7 - 8 3 - 4 1,8 - 1,85 7 Tiêu hao thép phế T/Tsp 1,2 1.15 1,07 1,10 Qua thống kê ta thấy các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của Việt Nam đạt đƣợc còn quá thấp so với thế giới, tuy nhiên trong tƣơng lai các chỉ tiêu này có thể đƣợc cải thiện tốt hơn nếu chúng ta quan tâm đúng mức đến việc ứng dụng tiến bộ khoa học, tăng cƣờng quản lý và đào tạo nguồn nhân lực cho ngành thép. 3.2.4 Xu thế đổi mới và phát triển công nghệ sản xuất thép Trƣớc yêu cầu khắt khe về chất lƣợng thép cũng nhƣ nhu cầu về số lƣợng ngày càng lớn của thị trƣờng là xu hƣớng chung trong ngành luyện kim trên thế giới và các nƣớc trong khu vực thay thế dần các công nghệ sản xuất thép lạc hậu đang sử dụng bằng công nghệ mới tiên tiến hơn đảm bảo các yêu cầu khắt khe về môi trƣờng của chính phủ các nƣớc. Muốn đạt đƣợc điều này một cách có hiệu quả thì công tác nghiên cứu khoa học công nghệ cho ngành thép phải đƣợc phát triển và quan tâm đúng mức. Hiện nay, các hãng sản xuất và chế tạo thiết Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 91 bị luyện kim khổng lồ trên thế giới đang chào bán các sản phẩm sẵn sàng chuyển giao công nghệ sản xuất thép mới nhất cho các nƣớc đang phát triển trong đó có Việt Nam, nhƣng để phát huy hết hiệu quả thực sự của việc chuyển giao công nghệ thì lại là một vấn đề không nhỏ, cốt lõi của nghiên cứu khoa học và công nghệ là ở chỗ cần phải có sự lựa chọn công nghệ một cách thận trọng và phù hợp với điều kiện nguyên nhiên liệu tại các địa phƣơng, cơ sở hạ tầng, vốn đầu tƣ và thị trƣờng tiêu thụ. Hoạt động khoa học công nghệ phải đi trƣớc một bƣớc để khi đầu tƣ công nghệ mới không mác sai lầm để rồi phải trả giá đắt cho sự không phù hợp của công nghệ đó với điều kiện thực tế cụ thể của từng nƣớc. Tuy là công nghệ đƣợc nhập, đƣợc chuyển giao từ nƣớc ngoài vào nhƣng nếu không có sự nghiên cứu kỹ từ trƣớc đã cho áp dụng nó thì có thể không tránh khỏi những hậu quả đáng tiếc, khôn lƣờng. Việc chuyển giao công nghệ mới cũng phải đảm bảo hỗ trợ đƣợc thêm cho việc sử dụng công nghệ hiện có trong nƣớc một cách có hiệu quả và có khả năng phát triển đƣợc để nâng cao dần tính cạnh tranh. Mặt khác, bất cứ quốc gia nào nhận chuyển giao công nghệ mà không có sự đầu tƣ cho khoa học và công nghệ, cụ thể cho phát triển nhân lực khoa học và công nghệ, không tiếp thu đƣợc những bài học của thị trƣờng cạnh tranh trong một thế giới kinh tế không biên giới thì không thể có cơ hội thành công. Sự phối hợp đa phƣơng, song phƣơng ngày càng mở rộng, làn sóng đầu tƣ, cạnh tranh ngày càng gay gắt. Chính vì vậy, trong lĩnh vực luyện kim, việc chuyển giao công nghệ mới từ các hãng chế tạo thiết bị luyện kim trên thế giới cũng có sự cạnh tranh quyết liệt. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 92 3.2.5 Cấu tạo và hoạt động của lò điện hồ quang siêu cao công suất 3.2.5.1 Cấu tạo cơ bản Hiện nay lò hồ quang siêu cao công suất, kiểu EAF đƣợc sử dụng rộng rãi trên thế giới và đang đƣợc giảng dạy trong chƣơng trình đào tạo nghề luyện kim và sử dụng tại một số nhà máy sản xuất thép hiện đại ở Việt Nam. 1. Đế lò 2. Vành răng 3. Khung hệ thống 4. Nồi lò 5. Cửa ra thép 6. Nắp lò 7. Cơ cấu dẫn động nâng nắp lò 8. Khung đỡ nắp lò Hình 3.1 Sơ đồ cấu tạo lò điện hồ quang siêu cao công suất 3 1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 16 13 14 15 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 93 9. Điện cực 10. Xà đỡ điện cực 11. Cơ cấu dẫn động nâng hạ điện cực 12. Thân lò 13. Cửa ra xỉ 14. Máng ra xỉ 15. Cơ cấu dẫn động quay nắp lò 16. Cơ cấu dẫn động nghiêng lò Các hệ thống chính gồm: 1. Thân lò (12) và nồi lò (4) hình thành khoang chứa nguyên liệu và thép nóng chảy. Thành nồi lò đƣợc làm bằng vật liệu chịu lửa, ngoài bọc thép tấm. Thành thân lò gồm nhiều vành dẫn nƣớc làm mát đƣợc cố định chống khít lên nhau. Phần này có 3 cửa: miệng nạp liệu có nắp quay (6), cửa ra xỉ (13) và cửa ra thép (5). 2. Hệ thống nghiêng lò, đƣợc đặt trên hệ thống đế lò (1), khung hệ thống (3), có gắn vành răng định vị (2), đƣợc dẫn động bằng truyền động thuỷ lực (16). Hệ thống này có thể tạo ra góc nghiêng toàn bộ lò 150 về phía cửa ra xỉ, 20 0 về phía cửa ra thép và đƣợc điều khiển bằng tay. 3. Hệ thống kẹp điện cực dùng để kẹp chặt độc lập 3 điện cực là hệ thống thƣờng đóng, dẫn động thuỷ lực, điều khiển bằng tay. 4. Hệ thống nâng hạ điện cực (11) dùng để nâng hạ độc lập 3 điện cực, có thể điều khiển bằng tay khi tháo, lắp điện cực hay mở nắp lò hoặc điều khiển tự động để đảm bảo chế độ nấu luyện, đƣợc dẫn động bằng thuỷ lực. 5. Hệ thống nâng (7) và quay nắp lò (15), điều khiển bằng tay, dùng truyền động thuỷ lực. 6. Hệ thống đóng mở cửa ra thép, điều khiển bằng tay, dùng truyền động thuỷ lực. 3.2.5.2 Nguyên lý làm việc cơ bản của lò * Nạp liệu: Khi cần nạp liệu, ngƣời vận hành ấn nút mở nắp. Nắp lò cùng các điện cực đƣợc nâng lên đến vị trí an toàn đƣợc giám sát bằng công tắc hành Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 94 trình. Sau đó nắp lò đƣợc quay ra khỏi miệng lò để nạp liệu từ cầu trục. Sau khi nạp liệu, nắp lò đƣợc đƣa về vị trí đóng theo trình tự ngƣợc lại. Tại vị trí đóng, nắp đƣợc khoá kín, tránh thất thoát nhiệt năng và đảm bảo an toàn. Mỗi mẻ nấu luyện có thể nạp liệu từ 3 – 5 lần. * Nấu chảy: Sau khi nạp liệu, tiến hành đƣa điện vào lò, chuyển hoá điện năng thành nhiệt năng dƣới dạng hồ quang điện để tiến hành nung chảy nguyên liệu. * Nâng, hạ điện cực: Hệ thống nâng hạ điện cực có 2 chế độ làm việc: Chế độ nâng hạ bằng tay dùng khi tháo, lắp điện cực. Khi cần nâng hạ điện cực, ngƣời vận hành ấn nút nâng (hoặc hạ). Động cơ điện thông qua hệ truyền động thuỷ lực sẽ nâng (hạ) các điện cực với tốc độ cao. Hành trình nâng hạ đƣợc giám sát bởi các cữ hành trình, đảm bảo an toàn và chế độ làm việc đúng. Chế độ nâng hạ tự động dùng khi nấu luyện. Theo yêu cầu công nghệ đặt trƣớc về dòng điện và nhiệt độ nung, hệ thống sẽ tự động giám sát và điều chỉnh khoảng cách giữa các cực để duy trì độ dài hồ quang hợp lý, đồng thời bù lƣợng mòn của điện cực. * Ra xỉ và ra thép: Bình thƣờng, lò đƣợc cố định theo phƣơng thẳng đứng nhờ vành răng (2). Khi cần nghiêng lò để ra xỉ hoặc rót thép, ngƣời vận hành ấn nút. Tuỳ theo yêu cầu mà hệ thống truyền động sẽ nghiêng lò sang trái hoặc phải. Góc nghiêng đƣợc khống chế tự động nhờ các cữ hành trình. Việc đóng, mở cửa xỉ và cửa rót thép cũng đƣợc điều khiển bằng tay thông qua hệ thống truyền động thuỷ lực. 3.3 Khảo sát, lựa chọn lò mẫu Đứng trƣớc nhu cầu ngày càng cao của nền kinh tế về số lƣợng, chủng loại và chất lƣợng thép, ngành sản xuất thép đang phát triển mạnh mẽ. Khảo sát thực tế cho thấy, doanh nghiệp chiếm thị phần lớn nhất trong toàn quốc hiện nay là Tổng công ty thép Việt Nam. Ngoài ra, các công ty, các tập đoàn ngoài quốc doanh có đầu tƣ của nƣớc ngoài cũng góp một phần không nhỏ vào thị phần thép trong toàn quốc. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 95 Trong Tổng công ty thép Việt Nam (VNS), một số đơn vị thành viên lớn nhƣ Công ty Gang thép Thái Nguyên (TISCO), Công ty thép Miền nam (SSC), hầu hết đều sử dụng công nghệ nấu luyện thép từ sắt thép phế liệu, qua các dây chuyền đúc liên tục từ 2 đến 4 dòng hoặc thiết bị đúc phôi thỏi vuông có kích thƣớc từ 120 x 120 đến 150 x 150. Sản phẩm chủ yếu của các đơn vị này là thép xây dựng. Thiết bị chủ yếu sử dụng trong quá trình nấu luyện là lò điện hồ quang. Trong quá trình làm đề tài tôi đã đi khảo sát thiết bị tại một số nhà máy thuộc Công ty Gang thép Thái Nguyên nhƣ: Nhà máy Luyện thép Lƣu Xá, Nhà máy Luyện cán thép Gia Sàng, Nhà máy Cơ khí Gang thép; một số nhà máy thuộc Công ty thép Miền nam nhƣ Nhà Máy thép Biên Hoà (VICASA), Nhà Máy thép Thủ Đức (VIKIMCO), Nhà máy Cơ khí Luyện kim (SAĐAKIM), Nhà máy thép Nhà Bè, Nhà Máy thép Tân Thuận, Nhà máy thép Phú Mỹ. Ngoài ra tôi đã đi tìm hiểu một số đơn vị khác ngoài VSC nhƣ Công ty thép Hoà Phát thuộc tập đoàn Hoà Phát, Công ty thép Việt ý, Sông Đà, Công ty thép Vạn Lợi, Hải Phòng, Công ty thép Đình Vũ, Hải Phòng, … Qua quá trình khảo sát, thấy rằng lò điện hồ quang là thiết bị nấu luyện hiện nay đang đƣợc các nhà sản xuất sử dụng rất phổ biến để sản xuất thép. Trong thời gian tới khi mà các công nghệ luyện thép khác chƣa chiếm ƣu thế thì đây sẽ vẫn là công nghệ dƣợc dùng phổ biến. Do đó việc đào tạo công nhân nghề luyện thép vẫn cần bám sát thực tế, sử dụng và làm chủ công nghệ này. Điều đó rất cần thiết để đáp ứng nhu cầu về nguồn nhân lực cho ngành thép Việt Nam. Hầu hết các cơ sở sản xuất thép trong toàn quốc đều sử dụng kiểu lò điện hồ quang xoay chiều (EAF) có 3 điện cực (xem bảng sau). Phần lớn các lò này đều ở dạng truyền thống, tức là kết cấu gồm vỏ thép và các phần đều có thể xây là vật liệu chịu lửa, có cửa ra thép và cửa ra xỉ. Tham khảo một số thông tin về lò điện hồ quang trên thế giới ví dụ nhƣ lò của tập đoàn thép Hàm Đan, Trung Quốc và một số nhà máy sản xuất thép của Hàn Quốc, Nhật Bản và các thiết bị đang sử dụng tại một nhà máy thép mà hiện nay đang đứng đầu về công nghệ sản xuất thép trong nƣớc, nhƣ Nhà máy Luyện thép Lƣu Xá thuộc Công ty Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 96 Gang thép Thái Nguyên, chúng tôi thấy rằng kiểu lò điện hồ quang truyền thống này hiện nay đã đƣợc cải tiến một số điểm và các cải tiến này đã chứng minh đƣợc những ƣu việt của nó trong quá trình sản xuất nhƣ nâng cao năng suất chất lƣợng thép, hạ giá thành sản phẩm, giảm sức lao động của ngƣời công nhân. Bảng 3.1.1 Tình hình sử dụng lò điện hồ quang (EAF) ở các nhà máy thuộc VNS và ở một số cơ sở khác STT Tên cơ sở SX Thiết bị nấu luyện Thiết bị đúc Trang bị khác 1 Nhà máy Luyện thép Lƣu Xá, Thái Nguyên 1 lò điện hồ quang EAF siêu công suất, dung lƣợng 30 tấn/mẻ, Đúc liên tục 4 dòng Lò tinh luyện LF, nhà máy sản xuất O2 2 Công ty Cổ phần Luyện cán thép Gia Sàng, Thái Nguyên 4 lò điện hồ quang EAF, dung lƣợng mỗi lò 6 tấn/mẻ Đúc thỏi 3 Công ty Thép Đà Nẵng 2 lò điện hồ quang EAF, dung lƣợng 1,5 tấn/mẻ Đúc liên tục 4 Công ty Thép Biên Hoà 1 lò điện hồ quang EAF siêu công suất, dung lƣợng 20 tấn/mẻ Đúc liên tục 2 dòng Lò tinh luyện LF, nhà máy sản xuất O2 5 Công ty Thép Thủ Đức 1 lò điện hồ quang EAF, dung lƣợng 8 tấn/mẻ, 1 lò điện hồ quang EAF, dung lƣợng 12 tấn/mẻ Đúc liên tục 2 dòng Nhà máy sản xuất O2 6 NM Luyện thép Nhà Bè 1 lò điện hồ quang EAF, dung lƣợng 12 tấn/mẻ, 1 lò điện hồ quang EAF, dung lƣợng 10 tấn/mẻ Đúc liên tục 2 dòng Nhà máy sản xuất O2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 97 STT Tên cơ sở SX Thiết bị nấu luyện Thiết bị đúc Trang bị khác 7 NM Luyện thép Tân Thuận 1 lò điện hồ quang EAF, dung lƣợng 3 tấn/mẻ, 2 lò điện hồ quang EAF, dung lƣợng 1 tấn/mẻ Đúc thỏi 8 NM Cơ khí 1 lò điện hồ quang EAF, dung lƣợng 8 tấn/mẻ, 1 lò điện hồ quang EAF, dung lƣợng 5 tấn/mẻ Đúc thỏi 9 Công ty Thép Hoà Phát 1 lò điện hồ quang EAF, dung lƣợng 20 tấn/mẻ Đúc liên tục 2 dòng Trong các điểm đã cải tiến này chúng tôi đã tập trung chú ý vào các điểm sau: - Về kết cấu, lò đƣợc chia thành ba phần: đáy lò, thân lò và nắp lò trong đó chỉ có phần đáy lò là có sử dụng vật liệu chịu lửa còn lại phần thân lò và nắp lò thì chủ yếu sử dụng các các kết cấu làm nguội bằng nƣớc. - Bố trí lỗ ra thép có kết cấu ra thép đáy, lệch tâm, tạo thuận lợi cho quá trình ra thép. - Việc giám sát quá trình nấu luyện và một số thao tác điều khiển đƣợc tự động hoá, đảm bảo tính chính xác và kịp thời. 3.4 Phân tích, lựa chọn phƣơng án thiết kế mô hình Mô hình lò không phải là một sản phẩm truyền thống, sẵn có trên thị trƣờng. Với tƣ cách là thiết bị phục vụ dạy - học, mô hình phải thoả mãn trƣớc hết các yêu cầu đào tạo. Mặc dù phải đáp ứng yêu cầu mô phỏng trung thực chức năng, kết cấu và hoạt động của lò nhƣng mô hình không thể là bản sao của lò thực. Kinh nghiệm cho thấy, việc áp dụng các thành tựu tiên tiến của kỹ thuật điện tử, tự động hoá và công nghệ thông tin cũng cho phép tạo ra một thiết bị có chức năng tiên tiến. Để đƣa ra một mô hình phù hợp, trƣớc tiên cần làm rõ các yêu cầu đối với nó. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 98 3.4.1 Đáp ứng yêu cầu đào tạo nghề luyện kim Ngành luyện kim đào tạo từ bậc công nhân đến đại học và sau đại học, trong đó mỗi bậc học có yêu cầu và đòi hỏi chƣơng trình, phƣơng tiện giảng dạy khác nhau. Tƣơng tự nhƣ các ngành khác, bậc học càng cao càng đòi hỏi lý thuyết nhiều hơn, sâu hơn. Tuy nhiên, do có năng lực tƣ duy cao mà sinh viên ở các bậc cao có thể sử dụng các công cụ trừu tƣợng, dƣới dạng bài mô tả, sơ đồ, bản vẽ kỹ thuật. Hơn nữa, các sinh viên đại học sau khi ra trƣờng không có nhiệm vụ trực tiếp vận hành thiết bị sản xuất nên trong quá trình học tập trong nhà trƣờng họ không nhất thiết phải vận hành thành thạo chúng. Ngƣợc lại, đào tạo nghề không đòi hỏi lý thuyết sâu, nhƣng lại yêu cầu cao về sự thành thạo kết cấu, vận hành, bảo dƣỡng thiết bị. Mô hình lò phục vụ cho đào tạo nghề nên tính trực quan cần đƣợc coi trọng. Mô hình lò có thể đƣợc sử dụng để giảng dạy, thực hành các nội dung sau: - Lý thuyết quá trình luyện kim, chủ yếu là luyện thép bằng lò điện hồ quang. - Kết cấu và nguyên lý hoạt động của lò. - Thao tác, vận hành lò trong sản xuất. Yêu cầu chung đối với mô hình là kết hợp với các phƣơng tiện giảng dạy khác (bài giảng, phấn bảng, tranh vẽ, mô hình, thiết bị thực) tạo thành một hệ thống các phƣơng tiện dạy - học, đáp ứng một cách hiệu quả nhất yêu cầu đào tạo. Hệ thống các phƣơng tiện dạy - học nói trên là một thể thống nhất, không thể thiếu loại nào. Tài liệu giấy, phấn bảng, tranh vẽ là các phƣơng tiện truyền thống, cho đến nay vẫn chiếm vị trí chủ chốt trong đào tạo. Các mô hình, học cụ rất đa dạng: hình vẽ, tranh ảnh, phim, video, phần mềm,... hoặc dạng vật thể đơn giản, thu nhỏ của thiết bị thực, đƣợc dùng để thay thế một phần cho thiết bị thực nhằm giảm nhẹ cho quá trình đào tạo. Mô hình đƣợc định hƣớng phục vụ nhiều hơn cho khâu thực hành, nhƣng dù mô hình có hiện đại đến đâu thì cũng không thể thay thế hoàn toàn quá trình thực hành trên thiết bị thực. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 99 Để đặt ra các yêu cầu hợp lý đối với một thiết bị dạy học nói chung, cho mô hình lò nói riêng, trƣớc hết phải xuất phát từ chức năng của nó. Thiết bị thực là thiết bị sản xuất, phải đáp ứng các yêu cầu của quá trình sản xuất: năng suất, chất lƣợng sản phẩm, chi phí sản xuất, bảo vệ môi trƣờng,... Mô hình là phƣơng tiện dạy - học, có chức năng đào tạo, trƣớc hết phải đảm bảo các yêu cầu sƣ phạm. Trên cơ sở hiểu rõ chức năng chung của mô hình trong hệ thống thiết bị dạy - học, sau đây chúng ta sẽ phân tích và đƣa ra những yêu cầu cụ thể của mô hình lò điện hồ quang. 3.4.2 Mô tả trung thành, trực quan kết cấu và nguyên lý hoạt động Đây là yêu cầu cơ bản nhất đối với mô hình, đồng thời cũng là ƣu thế của mô hình so với thiết bị thật. Về hình dáng mô hình giống nhƣ thiết bị thực. Về kích thƣớc, so với thiết bị thực đảm bảo một tỷ lệ nhất định (thu nhỏ). Về kết cấu, nhờ kỹ thuật cắt bổ, làm trong suốt, tháo bỏ các chi tiết không quan trọng, bố trí khai triển,... mô hình có khả năng mô tả rõ hơn thiết bị thực. 3.4.3 Cho phép thao tác, vận hành tương tự thiết bị thực. Mô hình mô phỏng có đầy đủ các hệ thống chính, từ các cơ cấu cơ khí: mở nắp lò, nghiêng lò, nâng hạ điện cực .v.v. và các hoạt động giống nhƣ thiết bị thực. 3.4.4 Giảm chi phí đào tạo Chi phí đào tạo gồm chi phí cơ bản (mua, lắp đặt) và chi phí thƣờng xuyên (vận hành và bảo trì) thiết bị thực. Chi phí vận hành mô hình thấp hơn nhờ tiêu tốn ít điện năng, không yêu cầu vật liệu đặc dụng, không đòi hỏi thiết bị bảo vệ môi trƣờng (chống bụi, chống nóng). 3.4.5 Cải thiện môi trường lớp học Mô hình mô phỏng chạy trên máy tính cho phép thầy và trò làm việc thƣờng xuyên và lâu dài, không sinh nhiệt, không gây bụi, ồn, không dùng các nguồn điện có điện áp cao hoặc có tần số cao, gây ảnh hƣởng xấu đến sức khoẻ và gây mất an toàn cho ngƣời dùng. Mô hình mô phỏng làm việc nhẹ nhàng, điều khiển đúng chức năng và linh hoạt, giao diện thân thiện, hấp dẫn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 100 3.4.6 Dễ sử dụng, bảo trì Ngƣời dùng các thiết bị thật là học sinh, chƣa có đầy đủ kiến thức và kỹ năng nghề nghiệp cần thiết. Bên cạnh đó, học sinh cũng là những ngƣời tò mò, thích khám phá và thƣờng vi phạm các quy tắc, quy trình sử dụng. Họ hay mắc sai phạm trong thao tác, vận hành, dẫn đến nguy hiểm cho ngƣời và thiết bị trong trƣờng hợp dùng thiết bị thật. Mô hình mô phỏng chạy trên máy tính hoàn toàn có thể tránh đƣợc tồn tại này. Dựa vào các phân tích trên ta thấy, để mô phỏng hệ thống lò điện hồ quang, phƣơng pháp phù hợp nhất là phƣơng pháp mô phỏng các hệ thống sản xuất kết hợp với các công cụ xử lý đồ hoạ. 3.5 Tính toán kích thƣớc hình học nội hình lò Kích thƣớc mô hình lò điện hồ quang đƣợc tính theo phƣơng pháp A.C.Kasevic. Để đảm bảo hình dáng hình học, tƣơng quan kích thƣớc với thiết bị thật và đơn giản trong tính toán, ta chọn thông số đầu vào là dung lƣợng mẻ nấu của lò điện hồ quang là 100 kg/mẻ (0,1 tấn/mẻ). Trình tự tính toán nhƣ sau. 3.5.1 Xác định thể tích kim loại và xỉ lỏng Căn cứ vào dung lƣợng định mức của lò và khối lƣợng riêng của kim loại và xỉ để xác định các đại lƣợng thể tích của kim loại lỏng (Vkl) và xỉ lỏng (Vx). Công thức tính nhƣ sau: 3.4.1.1 Thể tích kim loại lỏng (VKL) Vkl = V0.gkl, m 3 (m 3 /T ) Trong đó: V0: thể tích riêng của kim loại lỏng, với thép, lấy V0 = 0,145 m 3/tấn. gkl: dung lƣợng mẻ nấu danh định của lò: gKL = 100 kg/mẻ = 0,1 tấn/mẻ. Vậy Vkl = 0,145. 0,1 = 0,0145 m 3 3.4.1.2 Thể tích của xỉ (Vx): Thể tích của xỉ (Vx) phụ thuộc vào tính chất của xỉ. Xỉ có tính bazơ thì khối lƣợng riêng (Vox) lớn, còn xỉ có tính axít thì khối lƣợng riêng nhỏ. Đặc biệt, thể tích của xỉ phụ thuộc vào trọng lƣợng kim loại đƣa vào nấu và phƣơng pháp luyện thép. Lò điện hồ quang thƣờng dùng xỉ bazơ. Công thức nhƣ sau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 101 Vx = Vox. gx (m 3 ) Trong đó: Vox- thể tích riêng của xỉ. Với xỉ có tính bazơ, chọn Vox= 0,330 m 3/tấn, gx- khối lƣợng xỉ trong 1 mẻ, gx = 10%.gKL = 0,1.0,1 = 0,01 tấn/mẻ Vậy Vx= 0,01. 0,33 = 0,0033 m3 3.5.2 Tỷ số giữa Dkl và Hkl Chọn a = 3 3.5.3 Đường kính mặt kim loại lỏng (Dkl) 32000.D C V kl kl  mm C - hằng số phụ thuộc vào đƣờng kính mặt kim loại và chiều sâu kim loại chứa trong lò. Khi a = 3, chọn C = 1,032 Vậy: DKL = 2000.1,032. 3 0145,0 =503,3 mm 3.5.4 Chiều cao lớp xỉ (độ dày lớp xỉ) mm D V H KL x x 6,16 3064,503.785,0 10.0033,0.1000 .785,0 .1000 2 9 2  3.5.5 Chiều cao kim loại Hkl mm a D H KLKL 8,167 3 3,503  3.5.6 Xác định chiều cao từ mặt xỉ lên tới ngưỡng cửa thao tác (h1) h1=20mm. 3.5.7 Xác định chiều cao từ ngưỡng cửa lò lên tới điểm dốc của tường lò (biên giới giữa tường và đáy lò - h2) h2 = 30mm 3.5.8 Đường kính lò ở chỗ dốc tường, (Ddốc) Ddốc= Dkl + 2(Hx + h1 + h2) tg45 0 = = 503,3 +2.(16,6 + 20 +30).tg45 0 = 636,5 (mm) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 102 3.5.9 Xác định chiều cao khoảng trống làm việc của lò (Htr - chiều cao từ chỗ dốc tường lò lên tới gạch kê nắp lò) Chiều cao khoảng trống đƣợc xác định theo thực tế sản xuất. Theo số liệu của A.C.Kasevic. Htr = 0,6.Ddốc = 0,6.636,5 = 381,9 mm 3.5.10 Xác định độ dày của đáy, tường và nắp lò Chọn: Độ dày của đáy: (đ = 200 mm) Độ dày của tƣờng lò (độ dày lớn nhất) (tmax= 150 mm) Độ dày của nắp lò: (n = 150 mm) 3.5.11 Xác định đường kính trong của vỏ lò Dv = Dd + 2Tmax = 636,5 + 2.150 = 936,5 mm Dd- đƣờng kính dốc của tƣờng lò, mm. (Tmax- độ dày của tƣờng dƣới lớn nhất. 3.5.12 Chiều cao vòm nắp lò. h3 = 15% Dnắp = 0,15 . 936,5 = 140,5 mm 3.5.13 Đường kính của lò Dtb = 2,690 2 ,7435,636 2     Ld DD mm 3.5.14 Xác định chiều cao toàn bộ lò (kể cả nắp) HK= (đ + Hkl + Hx + h1 + h2 + Htr + h3 + (n = 200 + 167,8 + 16,6 + 20 + 30 + 381,97 + 140,5 + 150 = 1106,7 mm. Nhƣ vậy dựa vào các kích thƣớc đã tính toán, ta có thể xác định đƣợc hình dáng của mô hình với các kích thƣớc tỷ lệ thu nhỏ so với thiết bị thật. Điều này giúp cho ngƣời dùng có thể dễ dàng liên hệ và không bỡ ngỡ khi tiếp xúc với thiết bị thực. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 103 3.6 Thiết kế hình học mô hình Trên cơ sở các kích thƣớc đã tính toán có thể thiết kế đƣợc các chi tiết cơ bản của mô hình mô phỏng nhƣ sau: Hình 3.2. Bản vẽ nắp lò điện hồ quang Hình 3.3. Bản vẽ thân lò điện hồ quang Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 104 Hình 3.4. Bản vẽ nồi lò điện hồ quang Hình 3.5. Bản vẽ khung đỡ nắp lò điện hồ quang Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 105 Sau khi xử lý đồ hoạ bằng 3D Studio, ta có bản vẽ tổng thể của lò nhƣ sau: 3.7 Cài đặt thử nghiệm Dùng ngôn ngữ Visual C++ cài đặt chƣơng trình, giao diện nhƣ sau: Hình 3.7 Giao diện chương trình mô phỏng Chƣơng trình phản ảnh trung thực hình dáng kết cấu và có thể mô phỏng đƣợc tất cả các hoạt động cơ bản của lò điện luyện thép siêu cao công suất. Hình 3.6 Bản vẽ tổng thể lò điện hồ quang Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 106 KẾT LUẬN Mô phỏng là một phƣơng pháp đƣợc ứng dụng rất rộng rãi từ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đến vận hành các hệ thống đƣa lại hiệu quả tốt trong việc nghiên cứu khoa học và thực tiễn sản xuất và trở thành một công cụ mạnh với sự trợ giúp của máy tính. Luận văn đã trình bày tổng quan, các khái niệm cơ bản trong lý thuyết mô phỏng trên máy tính và tìm hiểu chi tiết một số phƣơng pháp mô phỏng thƣờng dùng. Phần ứng dụng đã tìm hiểu và phân tích kỹ thực tế việc sản xuất và đào tạo của ngành luyện kim. Trên cơ sở đó đã tiến hành phân tích yêu cầu và thiết kế một mô hình thử nghiệm nhỏ mô phỏng hoạt động của lò điện hồ quang luyện thép siêu cao công suất. Mô hình đã giải quyết đƣợc một số yêu cầu: - Mô tả trực quan, chân thực đƣợc hình dáng kết cấu của thiết bị. - Mô phỏng đƣợc tất cả các hoạt động của thiết bị - Mô phỏng giúp ngƣời dùng làm quen với các thao tác cơ bản với lò điện hồ quang siêu cao công suất trong thực tế Để đề tài có thể phát triển thành một công cụ phục vụ đào tạo nghề luyện kim một cách hiệu quả, trong thời gian tới tác giả sẽ tiếp tục nghiên cứu các phƣơng pháp mô phỏng và lý thuyết chuyên ngành luyện kim để bổ sung các chức năng nhƣ mô phỏng đặc tính hồ quang, mô phỏng tính toán quá trình nạp liệu, quá trình đúc thỏi giúp tối ƣu hoá việc sử dụng các thiết bị và nhân lực trong dây truyền sản xuất thép lò điện hồ quang. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 107 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Hồ Thanh Phong - Mô hình hoá và mô phỏng các hệ thống công nghiệp, NXB Đại học Quốc gia Tp.HCM 2003 2. Nguyễn Công Hiền: Mô hình hoá hệ thống và mô phỏng - Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật 2003 3. Hoàng Trung Lƣơng: Lý thuyết mô phỏng áp dụng trong quản lý hệ thống kinh tế - NXB Đại học Quốc gia Tp.HCM 2005 Tiếng Anh 4. R.L.Flood & M.C.Jacson: Creative Problem Solving. Total Systems Intervention, John Wiley & Sons, 1991. 5. S.D.Dewitz: Systems Analysis and Design and the Transition to Objects, McGraw-Hill, 1996 6. A.M.Law, W.D.Kelton: Simulation Modeling & Analysis, Prentice-Hall, 2000. 7. Systems Modeling and Simulation: Theory and Applications Third Asian Simulation Conference, AsiaSim 2004, Jeju Island, Korea, October 4-6, 2004, Revised Selected Papers 8. Ming-Chin Lu: Computer Modeling and Simulation Techniques for Computer Vision Problems, State University of Newyork at Stony book – May 1993 9. Hybrid Simulation: Theory, Implementation and Applications - Taylor and Francis May 2008 10. Process Training Derived from a Computer Simulation Theory - Holzman, Thomas G - Memory and Cognition, 4, 4, 349-56, Jul 76 11. Optimization for Simulation: Theory vs. Practice - Michael C. Fu - Robert H.Smith School of Business and Institute for Systems Research, University of Maryland, College Park, Maryland 20742-1815 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 108 Các Website 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. ._.