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

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.