Luận 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 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