Đang tải... (xem toàn văn)
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
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGUYỄN NHƯ TRANG 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 LUẬN VĂN THẠC SĨ THÁI NGUYÊN 10/2008 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGUYỄN NHƯ TRANG 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 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn 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. [...]... 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 hệ thống Mô hình vật lý Mô hình thu nhỏ Mô hình tƣơng tự Mô hình toán học Mô hình giải tích Mô hình số Mô hình mô phỏng Hình 1.3 Sơ đồ phân loại mô hình Mô hình vật lý. ..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... 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,... 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 Mô hình hoá Mô hình Hiệu chỉnh hệ thực Thử nghiệm Hệ thống thực Kết luận về hệ thống thực mô phỏng Xử lý kết quả mô phỏng Kết quả mô phỏng Hình 1.4 Quá trình nghiên. .. 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... 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. .. 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. .. 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... 1.4 Quá trình nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 26 mô hình mô phỏng Khi có mô hình mô phỏng sẽ tiến hành làm... 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 . 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. CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGUYỄN NHƯ TRANG NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MÁY TÍNH, ỨNG DỤNG THIẾT KẾ MÔ HÌNH LÒ ĐIỆN HỒ QUANG LUYỆN THÉP SIÊU