Proceedings VCM 2012 69 nghiên cứu điều khiển máy tạo sóng nước sử dụng

Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 511
Mã bài: 121
Nghiên cứu điều khiển máy tạo sóng nước sử dụng
trong phòng thí nghiệm
Study on control of water wavemaker using in laboratory
Đặng Quang Vinh, Nguyễn Duy Anh và Nguyễn Tấn Tiến
Trường ĐHBK Tp.Hồ Chí Minh
e-Mail:
Tóm tắt
Bài báo giới thiệu nghiên cứu điều khiển biên độ sóng nước sử dụng kỹ thuật điều khiển Fuzzy. Mô hình
hóa hệ thống được sử dụng để tiến hành mô phỏng cho ra kết quả biên độ sóng nước gần đúng mong muốn và
dạng sóng điều hòa theo thời gian.
Abstract
This paper study on fuzzy control of water wave amplitude used in experimental model. Mathematical
modeling is used for simulation the system with fuzzy control to give the good results: desired approximate
water wave amplitude and time-harmonic waveform are achieved.

Ký hiệu
Ký hi
ệ
u

Đơn v
ị

Ý ngh
ĩa

0
S

m

Biên độ dao động cần lắc
S

m

V
ị

trí dao đ
ộ
ng c
ầ
n l
ắ
c.

η


B
ề

m
ặ
t sóng.

p
k

Số sóng tiến
A

m

Biên đ
ộ

sóng “first
-
order wave”

2p
a

m

Bi
ệ
n đ
ộ

sóng “Stokes
2nd
-
order
wave”
x

m

V
ị

trí t
ạ
i t
ọ
a đ
ộ

x xét



rad / s

T
ầ
n s
ố

góc

1
w

Trọng số cho sai số
2

w

Trọng số cho đạo hàm sai số
h


Tr
ọ
ng s
ố

cho ngõ ra b
ộ

đi
ề
u khi
ể
n

u

rad / s

Ngõ ra c
ủ
a b
ộ

đi

ề
u khi
ể
n

e

m

Sai s
ố

de

m / s

Đạo hàm sai số
t

s

Th
ờ
i gian

h

m

Chi

ề
u sâu nư
ớ
c

H

m

Chi
ề
u cao sóng nư
ớ
c

g

m / s
2

Gia tốc trọng trường

r
η

Tác động của nhiễu
μ

Hàm liên thuộc

1. Đặt vấn đề
Sóng biển là nguyên nhân chính gây ra sự xói mòn
hoặc phá hủy các công trình ven biển, những giàn
khoan dầu khí xa bờ đòi hỏi phải đứng vững trước
sự phá hoại khủng khiếp của sóng khi có bão. Trên
mặt nước, tàu thuyền luôn phải chịu sự tác động
của sóng, vô số tàu đã bị đánh chìm bởi những con
sóng thần cao đến 34m. Hơn nữa, sóng còn gây ra
những trở ngại nhất định trong quá trình di chuyển
của tàu thuyền. Việc sử dụng máy tạo sóng
(wavemaker) trong phòng thí nghiệm đã trở thành
một công nghệ quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật
bờ biển và đại dương. Ngày nay, hầu hết những
nghiên cứu về công trình biển và các hiện tượng
liên quan đều dùng đến bể tạo sóng: mô hình 2D
hay 3D loại có dạng hẹp, dài, một đầu là cơ cấu
tạo sóng, đầu kia là bờ triệt sóng hay loại có dạng
hẹp, dài, chảy quay thành hình tròn và không có
bờ triệt sóng. Có nhiều kiểu cơ cấu tạo sóng khác
nhau: kiểu Piston, Plunger, Flap, … Trong bài báo
này sẽ sử dụng cơ cấu tạo sóng kiểu Flap và bể
dài, hẹp, có bờ triệt sóng và áp dụng cho mô hình
2D.

H1: Mô hình bể tạo sóng nước
Đặc biệt, nước ta có bờ biển dài hơn
3260km
và
những lợi ích từ biển đối với người dân là không
nhỏ từ việc nuôi trồng thủy hải sản, đánh bắt cá,

thu năng lượng từ sóng biển, du lich…bên cạnh
những lợi ích từ biển mang lại thì biển cũng gây ra
không ít tổn thất cho người dân như sóng thần, sạt
lở đất, ngập mặn, … Những đặt trưng thể hiện rõ
ràng nhất của biển là sóng biển. Vì vậy, việc tạo ra
một mô hình chuẩn tạo sóng trong phòng thí
nghiệm để phục vụ thí nghiệm và các ứng dụng
khác là hết sức cần thiết. Đã có một số các nghiên
cứu của các tác giả ngoài nước liên quan đến vấn
đề đang nghiên cứu:
512 Đặng Quang Vinh, Nguyễn Duy Anh và Nguyễn Tấn Tiến
VCM2012
M.R. Khalilabadi[1] miêu tả thiết kế, xây dựng và
kiểm tra bể nước thiết kế có sóng biên độ nhỏ và
thiết bị liên quan. Năm 1993, Peter Frigaard cùng
với đồng sự [2] đã trình bày lý thuyết tạo sóng
nước. Năm 2001, C.J. Huang và C.M. Dong [3]
giải quyết vấn đề làm sóng trong bể sóng 2D cho
máy tạo sóng để sinh ra sóng tới khác nhau bao
gồm sóng có biên độ nhỏ, biên độ có hạn hay sóng
đơn. Cụ thể là, để sinh ra sóng có biên độ nhỏ thì
độ dịch chuyển của máy tạo sóng được xác định
theo lý thuyết tạo sóng tuyến tính, còn để sinh ra
sóng có hình dạng sóng điều hòa theo thời gian thì
độ dịch chuyển của máy tạo sóng được xác định
theo lý thuyết thứ hai của Madsen. Sun Qiang[4]
nghiên cứu kỹ thuật điều khiển bằng luật Fuzzy
trong máy tạo sóng nước.
Trong nước, chưa có nghiên cứu nào về bể tạo
sóng nước phục vụ cho thí nghiệm được công bố.

Trên cơ sở của nghiên cứu [5] với mô hình thực
nghiệm

H2: Mô hình thực nghiệm bể tạo sóng nước
Nhóm đã kế thừa và đề xuất bộ điều khiển Fuzzy
kết hợp với mô hình hóa theo lý thuyết Madsen
(1971). Qua kết quả của mô phỏng cho ra hình
dạng sóng không chỉ gần đúng với biên độ sóng
xác lập mà còn hình dạng sóng điều hòa theo thời
gian. Kết quả mô phỏng chứng minh giải pháp đề
nghị có thể sử dụng cho bài toán điều khiển máy
tạo sóng nước trong phòng thí nghiệm.
2. Đề xuất bộ điều khiển biên độ sóng
theo luật fuzzy
Do hệ là phi tuyến và có thành phần nhiễu do bờ
triệt sóng chưa hết sóng phản hồi, ma sát nước với
thành bể, cơ khí chưa chính xác… Vì vậy, vấn đề
này cần được giải quyết, kỹ thuật điều khiển bằng
fuzzy được đề xuất như cách đơn giản và hiệu quả
trong điều khiển hệ phi tuyến. Sau khi bộ fuzzy
tính ra được giá trị tần số góc w cần cung cấp cho
dao động cần lắc, cần lắc dao động theo dạng được
đề xuất bởi Madsen(1971), phương trình (1). Lúc
này hệ thống không chỉ điều khiển được đúng biên
độ mà còn có dạng sóng điều hòa theo thời gian.
Sơ đồ khối hệ thống

H3: Điều khiển hệ thống bằng luật Fuzzy
2.1. Mô hình hóa

H4: Mô hình hóa bể tạo sóng nước

Theo Madsen (1971) nếu quỹ đạo chuyển động
cần lắc theo dạng
 
2
p
0
0
3
p
3cosh(k h)
S H
2S
S( ) = sin( t) + - sin 2 t
2 16h
H
sinh (k h)
 
 

 
 
 

(1)
Lúc này bề mặt sóng nước thực tế





p 2p p
η = -Asin k x - t - a cos2 k x - t
 
(2)
với:
p
k
là số sóng tiến tính theo công thức


2
p
p
= gk tanh k h
 (3)
 
 
   
 
   
0
p
p
p p p
p p p
S
A = ×
k h
sinh k h k h sinh k h - cosh k h +1

sinh k h cosh k h + k h
 
 
 
 

(4)
H

A
t

A
d

Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 513
Mã bài: 121







 
2
p p p
2p
3
p

k A cosh k h 2 + cosh 2k h
a =
4sinh k h
(5)
Biên độ trên
t max
A =
η

t 2p
A = A + a
(6)
tại
p
3π
k x - t = + 2k
π
2
 , với k = 0,1,2…
Biên độ dưới
d
min
A =
η

d 2p
A = A - a
(7)
tại
p

π
k x - t = + 2k
π
2
 , với k = 0,1,2…
Mô hình được xây dựng với chiều sâu nước
h = 0.4m
, tần số góc =2
π(rad/s)
 , máy tạo sóng
kiểu flap với biên độ giao động
0
S /2=0.165/2=0.0825m
và tại vị trí
x = 4m
. Tiến
hành mô phỏng với 2 kiểu dao động của cần lắc
máy tạo sóng: theo Madsen (1971), phương
trình(1), và
1
S ( ) = sin( t)
 
từ đó lần lượt tạo ra 2
dạng sóng nước tương ứng
η(x)
và
1
η (x)
.

H5: Dạng dao động cần lắc
S
và
1
S



H6: Dạng sóng nước ngõ ra tương ứng
η
và
1
η


Dựa vào dạng sóng ngõ ra thì dao động cần lắc
theo Madsen(1971) điều hòa hơn so với dao động
cần lắc theo hình dạng sine thông thường. Vì vậy
nhóm nghiên cứu lựa chọn dạng dao động cần lắc
theo Madsen(1971), phương trình (1), với tần số
góc

được điều khiển bằng bộ Fuzzy.
2.2. Bộ điều khiển

H7: Hàm liên thuộc cho ngõ vào sai số
e


H8: Hàm liên thuộc cho ngõ vào đạo hàm sai

số
de

H9: Hàm liên thuộc cho ngõ ra
U

Luật Fuzzy

e(t)

de(t)

NB (-2)

NS (-1)

ZR (0)

PS (1)

PB (2)

NB (-2)

3 2 2 1 0
NS (-1)

2 2 1 0 -1
ZR (0)

2 1 0 -1 -2
PS (1)

1 0 -1 -2 -2
PB (2)

0 -1 -2 -2 -3
B1: Luật điều khiển

Ngõ vào tham chiếu của hệ thống là biên độ
r
A

Sau khi tính toán sai số
e(t)
và
de(t)
từ cảm biến
Wave gauges đưa về và qua bộ trọng
số
1
w
và
2
w
thì
e(t)
và
de(t)
chở thành ngõ vào của

bộ điều khiển Fuzzy. Bộ điều khiển được xây
dựng dựa vào bảng luật điều khiển B1 kết hợp với
luật hợp thành theo quy tắc “Max-Prod” và giải
mờ theo phương pháp “Centroid” sẽ cho ra
U
. Tín
hiệu
U
được nhân với một giá trị trọng số h và cấp
cho hệ thống “Plant”.
Hàm liên thuộc được xây dựng theo công thức sau:
514 Đặng Quang Vinh, Nguyễn Duy Anh và Nguyễn Tấn Tiến
VCM2012
1
1
1
2
2
2
0 x < p - δ
p - x
1- p -
δ < x < p
δ
μ(x) =
p - x
1+ p < x < p +
δ
δ
0 x > p + δ












H10:

Hàm liên thuộc Fuzzy
3. Kết quả mô phỏng
Tiến hành thực nghiệm với việc dùng bộ điều
khiển Fuzzy để điều khiển biên độ sóng nước
mong muốn cho mô hình phi tuyến. Sau đó, tiến
hành kiểm nghiệm dùng bộ Fuzzy, ngõ ra của bộ
Fuzzy là tần số góc w để điều khiển dao động của
cần lắc. Cần lắc dao động theo qui tắc của
Madsen(1971), phương trình (1), thì biên độ sóng
nước gần đúng với mong muốn mà còn cho hình
dạng sóng đều hòa theo thời gian.

H11: Giá trị sai số
e(t)


H12:

Giá trị đạo hàm sai số
de(t)

H13: Giá trị bộ điều khiển
u(t)


H14:

Đáp ứng ngõ ra mong muốn của biên độ
t
A


H15:

Đáp ứng ngõ ra mong muốn của sóng
nước
η(t)

4. Kết quả thực nghiệm
Mô hình được thực nghiệm với chiều sâu nước
h = 0.28m
, máy tạo sóng kiểu flap với biên độ
giao động
0
S /2=0.165/2=0.0825m
, tại vị trí x=3m
và điều khiển biên độ mong muốn

t
A =2,84cm


Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 515
Mã bài: 121

H16:

Đáp ứng ngõ ra biên độ sóng nước thực
nghiệm và sóng nước lý thuyết

Từ kết quả trên ta thấy sóng nước thực tế được
điều khiển đáp ứng biên độ mong muốn và hình
dạng gần trùng với lý thuyết Madsen(1971). Tuy
nhiên, thời gian đáp ứng của sóng nước thực tế còn
chậm.

5. Kết luận
Trên cơ sở mô hình hóa toán học, luật điều khiển
fuzzy được thiết kế để điều khiển biên độ sóng
nước. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy
thuật toán điều khiển đề nghị cho bài toán có thể
áp dụng cho các hệ thống tạo sóng nước trong
phòng thí nghiệm để phục vụ cho các ứng dụng
khác. Nghiên cứu tiếp theo đang được thực
nghiệm để tạo ra biên độ sóng nước lớn.

Tài liệu tham khảo
[1]. M.R. Khalilabadi; A.A. Bidokhti: Design and

Construction of an Optimum Wave Flume.
Journal of Applied Fluid Mechanics, Vol. 5, No.
13, pp. 99-105, 2012
[2]. Peter Frigaard; Michael Hogedal; Morten
Christensen: Wave Generation Theory.
Hydraulics & Coastal Engineering Laboratory,
Department of Civil Engineering, Aalborg
University, 1993
[3]. C.M. Dong; C.J. Huang: On a 2-D Numerical
Wave Tank in Viscous Fluid. Proc. of the 11th
Int’l Offshore and Polar Engineering Conference,
Vol. 3, pp. 148-155, June 2001.
[4]. Sun qiang: Study of Fuzzy Control Technology in
Wavemaking. Journal of Ship Mechanics, Vol. 6,
No. 4, pp. 103-107, Aug. 2002.
[5]. Trương Đức Bình: Nghiên cứu Thiết kế và Điều
khiển máy tạo sóng nước. LVTN Bộ môn Cơ
điện tử, Trường Đại học Bách khoa Tp.HCM,
2011

Đặng Quang Vinh sinh năm
1988. Tốt nghiệp kỹ sư
chuyên ngành Cơ Điện Tử
Trường Đại Học Sư Phạm
Kỹ Thuật Tp.HCM năm
2011. Hiện là học viên cao
học chuyên ngành Cơ điện
tử, khoa Cơ khí, trường đại
học Bách Khoa, Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí
Minh. Hướng nghiên cứu chính là thiết kế điều

khiển hệ thống tự động ứng dụng vào sản xuất