Khái niệm cơ bản về mô hình hoá hệ thống

2.1. Khái niệm chung

 Ngày nay phương pháp tiếp cận hệ thống đựơc dùng để phân tích và tổng hợp các hệ thống lớn. Khác với phương pháp truyền thống trước đây đi từ phần tử đến hệ thống, phương 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 toàn hệ thống đến chức năng nhiệm vụ từng phần tử cụ thể, xác định mối tương quan giữa các phần tử trong hệ thống, giữa hệ thống đang xét với các hệ thống khác và với môi trường xung quanh. Người ta định nghĩa hệ thống S  là tập hợp các phần tử có quan hệ với nhau, đó chính là đối tượng cần nghiên cứu. Môi trường xung quanh E ià tập hợp các thực thể ngoài hệ thống, có tác động qua lại với hệ thống. Tuỳ thuộc vào mục đích nghiên cứu mà người ta xác định hệ thống S và môi trường E tương ứng [1, 12].

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 trường E và mô hình M. Bước tiếp theo là xác định cấu trúc của hệ thống tức là tạp các phân tử và quan hệ giữa chúng trong hệ thống.

Cấu trúc của hệ thống có thể được xem xét trên hai phương điện: từ phía ngoài và từ phía trong. Từ phía ngoài tức là xem xét các phần tử cấu tạo thành hệ thống và mối quan hệ giữa chúng, hay nói cách khác đó là phương 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 phương 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, người ta quan tâm đến chức năng hoạt động của hệ thống. Để đánh giá chức năng của hệ thống người ta phải xác định các chỉ tiêu đánh giá, hoặc là tập các chỉ tiêu riêng, hoặc là chỉ tiêu tổng hợp cho toàn hệ thống.Tiếp cận hệ thống cho phép chúng ta xây dụng mô hình hệ thống lớn có tính đến nhiều yếu tố tác động trong nội bộ hệ thống s cũng như giữa hệ thống với môi trường E.

Người ta có thể chia quá trình mô hình hoá ra làm hai giai đoạn: giai đoạn thiết kế tổng thể {Macro Design) và giai đoạn thiết kế cụ thể (Micro Design).

Trong giai đoạn thiết kế tổng thể, trên cơ sở các dữ liệu của hệ thống thực S và của môi trường E người ta xây dụng mô hình hệ thống và mô hình môi trường thoả mãn các chỉ tiêu đánh giá định trước. Còn trong giai đoạn thiết kế cụ thể, trên cơ sở mô hình đã được lựa chọn người ta xác định các điều kiện ràng buộc, xây dụng các chương trình mô phòng trên máy tính và thực hiện việc mô phòng để tìm các đặc tính kinh tế kỹ thuật của hệ thống thực.

Mục 2.2 nói về đặc điểm của mô hình hoá hệ thống. Mục 2.3 trình bày cách phân loại hệ thống. Cuối cùng mục 2.4 trình bày một số nguyên tác khi xây dụng mô hình.

2.2. Đặc điểm của mô hình hoá hệ thống

Cùng với sự phát triển của các phương pháp lý thuyết, các phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu, phân tích và tổng hợp hệ thống ngày càng được hoàn thiện. Đối với một hệ thống thực có hai phương 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 sô’ liệu khách quan, trung thực.

Ở đây phải giải quyết vấn đề lấy mẫu thống kê, ước lượng tham số, phân tích và xử lý dữ liệu v.v… Tuy nhiên việc nghiên cứu thực nghiệm trên hệ thực trong nhiều trường hợp gặp khó khăn như đã được trình bày ở mục 1.4, trong trường hợp này nghiên cứu thực nghiệm trên các mô hình là phương pháp có nhiều triển vọng [1,2, 12 ].

Nhìn chung các đối tượng thực có cấu trúc phức tạp và thuộc loại hệ thống lớn vì vậy mô hình của chúng cũng được liệt vào các hệ thống lớn và có những đặc điểm cơ bản sau đây [12]:

a) Tính mục tiêu:

Tuỳ theo yêu cầu nghiên cứu có thể có 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 tượng 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 trường

c) Hành vi của mô hình:

Hành vi của mô hình là con đường để mô hình đạt được 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 người ta biết được xu hướng vận động của đối tượng 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 đối của các tác động vào hệ thống.

Tính thích nghi của mô hình thể hiên ở khả năng mô hình phản ảnh được các tác động của mỗi trường tới hệ thống và khả năng giữ ổn định của mô hình khi các tác động đó thay đối.

e) Tính điều khiển được:

Ngày nay nhiều phương pháp tự động hoá đã được ứng dụng trong mô hình hoá hệ thống, sử dụng các biện pháp lập trình người ta có thể điều khiển mô hình theo mục tiêu định trước, thực hiện khả năng đối thoại giữa người 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 tương lai. Vì vậy mô hình phải có khả năng mở rộng, thu nạp thệm các hệ con, thay đối 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 tượng thực bằng mô hình của nó để thuận tiện trong việc nghiên cứu. Vì vậy mô hình phải phản ánh trung thực các hiện tượng xảy ra trong đối tượng. Cấc kết quả thực nghiệm trên mô hình phải có độ chính xác, độ tin cậy thoả mãn yêu cầu đề ra.

Cần phải nhấn mạnh rằng kết quả mô hình hoá phụ thuộc rất nhiều vào khả năng và kinh nghiệm của người nghiên cứu. Một mặt, người nghiên cứu phải am hiểu đối tượng, nắm vững các hiện tượng, các quy luật xảy ra trong hệ thống thực. Mặt khác, người nghiên cứu phải biết lựa chọn phương pháp mô hình hoá thích hợp với từng đối lượng cụ thể, đồng thời phải có khả năng thực hiện mô hình trên máy tính – tức khả năng lập trình để giải các bài toán về mô hình hoá.

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 như 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 phòng Có thể liệt kê thệm các cặp mô hình như trên nữa, tuy nhiên sau đây chúng ta đưa ra một cách phân loại mô hình như trình bày trên hình 2-1.

Mô hình được chia làm hai nhóm chính: mô hình vật lý và mô hình toán học hay còn gọi là mô hình trừu tượng. Từ hai nhóm chính đó lại có thể chia ra thành các loại mô hình cụ thể hơn.

Mô hình vật lý là mô hình được cấu tạo bởi các phân tử vật lý. Các thuộc tính của đối tượng được phản ánh bằng các định luật vật lý xảy ra trong mô hình. Nhóm mô hình vật lý được chia thành mô hình thu nhỏ và mô hình tương tự.

Mô hình vật lý thu nhỏ có cấu tạo giống như đối tượng thực nhưng có kích thước nhỏ hơn cho phù hợp điều khiển của phòng thí nghiệm. Ví dụ người ta chế tạo lò hơi của nhà máy nhiệt điên có kích thước nhỏ đặt trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu quá trình cháy trong lò hơi, hoặc xây dụng mô hình đập thuỷ điện có kích thước nhỏ trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu các chệ’ dộ thủy văn của đập thủy điện.

Ưu điểm của loại mô hình này là các quá (rình vật lý xẩy ra trong mô hình giống trong đối tượng thực, có thể đo lường quan sát các đại lượng vật lý một cách trực quan với độ chính xác cao. Nhược điểm của của loại mô hình vật lý thu nhỏ là giá thành đắt, vì vây chỉ được dùng khi thật cẩn thiết.

Mô hình vật lý tương tự được cấu tạo bằng các phần tử vật lý không giống với đối tượng thực nhưng các quá trình xẩy ra trong mô hình tương đương với quá trình xảy ra trong đối tượng thực. Ví dụ có thể nghiên cứu quá trình dao động điểu hoà của con lác dơn bằng mô hình tương tự là mạch dao động R-L-C vì dòng điện dao động điều hoà trong mạch R-L-C hoàn toàn tượng tự quá trình dao động điều hoà của con lắc đơn, hoặc người ta có thể nghiên cứu đường đây tải điện (có thông số phân bố rãi) bằng mô hình tương tự là mạch bốn cực R-L-C (có thống số tập trung).

Ưu điểm của loại mô hình này là giá thành rẻ, cho phép chúng ta nghiên cứu một số đặc tính chủ yếu của đối tượng thực.

Mô hình toán học thuộc loại mô hình trừu tượng. Các thuộc tính của đối tượng được phản ánh bằng các biểu thức, phương trình toán học. Mô hình toán học được chia thành mô hình giải tích và mô hình số. Mô hình giải tích được xây dụng bởi các biểu thức giải tích. Ưu điểm của loại mô hình này là cho kết quả rõ ràng, tổng quát. Nhược diểm của mô hình giải tích là thường phải chấp nhận một số giả thiết đơn giản hoá để có thể biểu diến đối tượng thực bằng các biểu thức giải tích, vì vây loại mô hình này chủ yếu được dùng cho các hệ tiển định và tuyến tính.

Mô hình s được xây dụng theo phương pháp số tức là bằng các chương trình chạy trên máy tính số. Ngày nay nhờ sự phát triển của kỹ thuật máy tính và kỹ thuật tin học, người ta đã xây dụng các mô hình số có thể mô phòng được quá trình hoạt động của đối tượng thực. Những mô hình loại này được gọi là mô hình mô phòng (Simulation).

Ưu điểm của loại mô hình mô phòng là có thể mô tả các yếu tố ngẫu nhiên và tính phi tuyến của đối tượng thực do đó mô hình càng gần với đối tượng thực. Ngày này mô hình mô phòng được ứng dụng rất rộng rãi.

Mô hình phải đạt được hai tính chất cơ bản sau đây:

  • Tính đồng nhất: Mô hình phải đồng nhất với đối tượng thực mà nó phản ánh theo những tiêu chuẩn định trước.
  • Tính thực dụng: Có khả năng sử dụng mô hình để nghiên cứu đối tượng.

Rõ ràng rằng, để tăng tính đồng nhất trong mô hình phải đưa vào nhiều yếu tố phản ánh đẩy đủ các mặt của đối tượng. Nhưng như vậy nhiều khi mô hình trở nên quá phức tạp và cỗng kềnh đến nỗi không thể dùng để tính toán được, có nghĩa là mất rinh chất thực dụng của nó, Nếu quá chú trọng tính thực dụng, xây dụng mô hình đơn giản thì sai lệch giữa mô hình và đối tượng thực sẽ lớn, điều đó dẫn đến kết quả nghiên cứu không chính xác. Vì vây tuỳ thuộc mục đích nghiên cứu mà người ta lựa chọn tính đồng nhất và tính thực dụng của mô hình một cách thích hợp.

 

2.4. Một s nguyên tắc khi xây dụng hình

 Việc xây dụng mô hình toán học phụ thuộc vào đặc điểm của hệ thống thực, vì vậy khó có thể đưa ra những nguyên tắc chặt chẽ mà chỉ có thể đưa ra những nguyên tác có tính định hướng cho việc xây dụng mô hình. Sau đâỵ là một sô’ nguyên tắc chính

a) Nguyên tắc xây dụng đồ khối Nhìn chung hệ thống thực là một hệ thống lớn phức tạp, vì vậy người ta tìm cách phân chúng ra thành nhiều hệ con, mỗi hệ con đảm nhiệm một sổ chức năng của hệ lớn. Như vậy mỗi hệ con được biểu diễn bàng một khối, tín hiệu ra của khối trước chính là tín hiệu vào của khối sau (xem hình 2 ở phẩn Mở đầu)

b)) Nguyên tắc thích hợp Từy theo mục đích nghiên cứu mà người ta lựa chọn một cách thích hợp giữa tính đồng nhất và tính thực dụng của mô hình. Có thể bỏ bớt một sô’ chi tiết không quan trọng để mô hình bớt phức tạp và việc giải các bài toán trên mô hình dể dàng hơn.

c) Nguyên tắc v độ chính xác Yêu cấu về độ chính xác phụ thuộc vào mục đích nghiên cứu. 0 giai đoạn thiết kế tổng thể độ chính xác không đòi hỏi cao, nhưng khi nghiên cứu thiết kế những bộ phận cụ thể thì độ chính xác của mô hình phải đạt được yêu cầu cần thiết.

d) Nguyên tc tổ hợp Tuỳ theo mục đích nghiên cứu mà người ta có thể phân chia hoặc tổ hợp các bộ phận của mô hình lại với nhau. Ví dụ khi mô hình hoá một phân xưởng để nghiên cứu quá trình sản xuất sản phẩm thì ta coi các máy môc là thực thể của nó. Nhưng khi nghiên cứu quá trình điều khiển nhà máy thì ta tổ hợp phân xưởng như là một thực thể của toàn nhà máy.

comment No comments yet

You can be first to leave a comment

mode_editLeave a response

Your e-mail address will not be published. Also other data will not be shared with third person. Required fields marked as *

menu
menu