Nghiên cứu phát triển hệ thống mô phỏng chuyển động tàu thuỷ với sàn treo ba bậc tự do ứng dụng thuật toán điều khiển hiện đại

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng
dẫn của tập thể giáo viên hướng dẫn và các nhà khoa học. Các tài liệu tham khảo đã
được trích dẫn đầy đủ. Kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa từng được ai cơng bố
trên bất cứ một cơng trình nào khác.
Hải Phòng, ngày 12 tháng 12 năm 2023
Tác giả

Trƣơng Công Mỹ

1


LỜI CÁM ƠN
Trong q trình làm luận án, tơi đã nhận được nhiều góp ý về chun mơn cũng
như sự ủng hộ giúp đỡ của giáo viên hướng dẫn, của các nhà khoa học, của đồng
nghiệp. Tôi xin được gửi tới họ lời cảm ơn sâu sắc.
Tôi xin bày tỏ lòng cám ơn đến giáo viên hướng dẫn đã trực tiếp hướng dẫn tôi
trong suốt thời gian qua.
Tôi cũng xin chân thành cám ơn các nhà khoa học, Khoa Hàng hải, Khoa Điện
– Điện tử, Viện đào tạo sau đại học, trường Đại học Hàng hải Việt Nam đã tạo điều
kiện thuận lợi cho tơi trong suốt q trình học tập và nghiên cứu thực hiện luận án.
Cuối cùng là lời cảm ơn sự ủng hộ, động viên khích lệ to lớn của gia đình để tơi
hồn thành nhiệm vụ học tập.
Hải phòng, Ngày 12 tháng 12 năm 2023
Tác giả

Trƣơng Công Mỹ


MỤC LỤC

MỤCLỤC.................................................................................................................... iii
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀĐỒTHỊ..........................................................................vi
DANH MỤCCÁCBẢNG............................................................................................ix
DANH MỤC CHỮVIẾTTẮT.....................................................................................x
MỞĐẦU........................................................................................................................ 1

1. Tính cấp thiết củaluậnán................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu củaluậnán.....................................................................4
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu củaluậnán................................................4
3.1 Đối tượngnghiêncứu........................................................................................4
3.2 Phạm vinghiêncứu...........................................................................................4

4. Phƣơng pháp nghiên cứu củaluậnán..............................................................5
5. Ý nghĩa khoa học vàthựctiễn..........................................................................5
6. Những điểm đónggópmới…....................................................................................6
7. Bố cục củaluậnán.....................................................................................................6
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MƠ PHỎNG HÀNG HẢI VÀ MƠ HÌNH
TỐNĐỘNG LỰC HỌC CỦA CHUYỂN ĐỘNGTÀUTHỦY......................................8

1.1 Giới thiệu về hệ thốngmôphỏnghàng hải....................................................8
1.2 Tính hình nghiên cứu trong và ngồi nƣớc có liên quan đến đề tài
luậnán.................................................................................................................12
1.2.1 Tình hình nghiên cứungồinước..................................................................12
1.2.2 Tình hình nghiên cứutrongnước..................................................................24
1.2.3 Hướng nghiên cứu củaluận án....................................................................26

1.3 Mơ hình tốn học mô tả chuyển động tàu thủy dạng không gian
trạngthái.............................................................................................................27
1.3.1 Phương trình tốn mơ tả chuyển động tàu thuỷ với 6 bậctựdo....................29
1.3.2 Phân tích vectơ tổng hợp lực và mơmen bên ngồi tác động vào con

tàu(khơng bao gồm lực vàmơmennổi)............................................................................32

1.4 Lực và mômen do tác động của nhiễu loạnmôitrƣờng.............................35
1.4.1 Lực và mơ men của dịng chảytạora............................................................36


1.4.2 Lực và mơ men của giótạo ra......................................................................36
1.4.3 Lực và mơ men của sóngtạora....................................................................38
1.5 Kết luậnChƣơng1.................................................................................................40
CHƢƠNG 2. MƠ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG 3D TÀU THUỶ VÀ XÂY
DỰNGMƠHÌNHTÍNHIỆUĐIỀUKHIỂN3TRỤCTỰDOCỦASÀNTREOCABIN
.......................................................................................................................................41

2.1. Phần mềm mơ phỏng chuyển động 3D tàu thủy -Unity3D......................41
2.1.1 Triển khai hệ thông mô phỏng chuyển động tàu thủytrongUnity3D.............42
2.1.2 Các công cụ cơ bản để chuyển đổi từ phương trình động học thành
chuyểnđộng3D.............................................................................................................43

2.2 Ứng dụng phần mềm Unity3D để mô phỏng chuyển độngtàuthuỷ.........45
2.2.1 Tạo lực nổi chotàuthủy................................................................................46
2.2.2 Tạo lực và mô men thủy động học chotàuthủy............................................48
2.2.3 Tạo lực và mô men liên quan đến thiết bị đẩy và bánh lái chotàuthủy........48
2.2.4 Tạo lực và mô men do nhiễu môi trường tác độngtàuthủy..........................50
2.2.5 Thu thập thơng tin 6 bậc tự do của mơ hìnhtàuthủy....................................51
2.2.6 Một số đối tượng thời tiết và địa hình, địa vật tương tác tronglậptrình......51
2.2.7 Một số mơ hình 3D tàumụctiêu...................................................................54

2.3 Đề xuất cấu trúc hệ thốngmơphỏnghàng hải.............................................55
2.3.1 Mơ hình mơ phỏng chuyển động củatàu thủy..............................................55
2.3.2 Mô phỏng chuyển động của tàu thủy với sàn treo ba bậc tựdo(3DOF)......58

2.4 Mơhìnhđộnghọcngƣợcxácđịnhgócquayđộngcơservo.................................60
2.5 Kiểm chứng bằngmơhình độnghọcthuận..................................................61
2.6 Kết quảmơphỏng.........................................................................................63
2.7 Xây dựng cấu trúc điều khiển bám tín hiệu mơ phỏng của tổ hợpDrive/
Servo ứngdụngPLC............................................................................................65
2.7.1 Phân tích các vịng lặpđiềukhiển.................................................................65
2.7.2 Cải thiện chất lượng điều khiển vị trí bằng thuật tốn dự báo số trên cơ
sởPLC

69

2.8. Kết luậnChƣơng2.................................................................................................72


CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO ỨNG DỤNG MẠNGNƠRON
NHÂN TẠO TRONG ĐIỀU KHIỂNSÀNTREO...........................................................72

3.1 Trí tuệ nhân tạo - AI và mạng nơron nhân tạo-ANN..............................72
3.2 Các hình trạng của mạng nơronANNvà mạng truyền thẳng nhiều
lớpMLP...............................................................................................................73
3.2.1 Các hình trạng củamạngnơron...................................................................73
3.2.2 Mạng truyền thẳng nhiềulớpMLP...............................................................73

3.3 Ứng dụng mạng nơ ron nhân tạo dạng MLP trong điều khiển sàntreo75
3.3.1

Bài toán dự báo trước giá trị tham chiếu cho tổ hợp Drive/ServoMortor
76

3.3.2. Xây dựng mạng nơron sử dụng côngcụ Matlab/Nntool................................78
3.3.3 Huấn luyện mạngtrongMatlab/NNtool........................................................82
3.3.4 Xây dựng kịch bản mơ phỏng với mơhình Newton-Raphson.........................86

3.4. Sơ đồ kết nối dữ liệu của hệ thống mô phỏnghànghải.............................89
3.4.1 GiaodiệndữliệucủaPLCvớivơlăng,taytrangvàbộđotínhiệusàntreo
.......................................................................................................................................91
3.4.2 Giao diện dữ liệu của PLC với panel điều khiển máy chính, máy lái,
neo,chânvịtmũi.............................................................................................................92
3.4.3 Giao diện dữ liệu của PLC vớiDrive/Servomotor........................................94

3.5. Thiết hế, chế tạo bàn điều khiểncontrol console........................................97
3.6. Cải thiện chất lƣợng điều khiển sàn treo mô hình vật lý bằng bộ dự
báoứng dụngmạngnơron.................................................................................100
3.7. Kết luậnChƣơng3…..........................................................................................104
KẾTLUẬN................................................................................................................104
CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃCƠNGBỐ........................................................................106
TÀI LIỆUTHAMKHẢO.........................................................................................107
PHỤLỤC..................................................................................................................119
Phụ lục 1:Bảng dữ liệu đầu vào để huấnluyệnmạng..............................................120
Phụ lục 2: Bảng dữ liệu đầu ra để huấnluyện mạng...............................................148


DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Hệ thống mơ phỏnghànghải.............................................................................8
Hình 1.2 Hệ thống mơ phỏng láitàuthủy........................................................................9
Hình 1.3 Hệ thống mơ phỏng hàng hải của hãngKongsbergMarine..............................10
Hình 1.4 Hệ thống mơ phỏng hàng hải củahãng Wärtsilä/Transas..................................10
Hình 1