Đo, phân tích sóng biển và áp dụng cho bài toán điều khiển tự động tốc độ tàu thủy
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.16 MB, 112 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
ĐÀO QUANG THỦY
ĐO, PHÂN TÍCH SÓNG BIỂN VÀ ÁP DỤNG CHO BÀI
TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TỐC ĐỘ TÀU THỦY
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Hà Nội – 2012
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
ĐÀO QUANG THỦY
ĐO, PHÂN TÍCH SÓNG BIỂN VÀ ÁP DỤNG CHO BÀI
TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TỐC ĐỘ TÀU THỦY
Chuyên ngành: Đo lường
Mã số: 62.52.62.01
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. PHẠM THƯỢNG HÀN
Hà Nội - 2012
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của Tôi và không có sự trùng lặp với bất
kỳ công trình nào đã được công bố. Đồng thời dưới sự quan tâm, hướng dẫn rất tận tình và
trách nhiệm cao của thầy hướng dẫn khoa học PGS.TS Phạm Thượng Hàn trường Đại
học Bách khoa Hà nội, Tôi đã hoàn thành bản Luận án tại Bộ môn kỹ thuật đo và tin học
công nghiệp – Viện Điện.
Trong quá trình nghiên cứu, Tôi chỉ sử dụng tài liệu tham khảo đã được liệt kê. Nếu sai
Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Hà nội, ngày
tháng
năm 2012
Tác giả
Đào Quang Thuỷ
i
LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn khoa học PGS. TS
Phạm Thượng Hàn đã hết sức tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và đồng hành cùng em trong
suốt quá trình làm Luận án.
Xin trân trọng cảm ơn GS.TS Phạm Thị Ngọc Yến – Trưởng bộ môn kỹ thuật đo và tin
học công nghiệp, TS Nguyễn Quốc Cường Phó trưởng bộ môn kỹ thuật đo và tin học công
nghiệp, TS Nguyễn Thị Lan Hương Phó viện trưởng Viện Điện, TS Phạm Văn Diễn Cục
trưởng – Cục Phát triển thị trường và doanh nghiệp khoa học – Bộ KH và CN đã đóng góp
nhiều ý kiến quý báu cho Luận án của em thêm hoàn thiện về mặt nội dung và hình thức.
Nhân đây em cũng xin gửi lời tới các thầy cô giáo Viện sau đại học đã tạo điều kiện giúp
đỡ nhanh chóng về mặt thủ tục, quy trình trong suốt quá trình làm luận án.
Xin trận trọng cảm ơn tới tập thể cán bộ của Trung tâm bể thử mô hình - Viện KHCN
tàu thủy đã rất nhiệt tình hướng dẫn tôi làm thí nghiệm tạo sóng, đo sóng, cung cấp tài liệu
về bể thử và đóng góp nhiều ý kiến thiết thực cho Luận án. Qua đây cũng xin cảm ơn đến
các bạn NCS cùng học khóa 2008 - 2012 trường Đại học Bách khoa Hà Nội và các bạn
đồng nghiệp đã giúp tôi rất nhiều kiến thức thực tế.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học và các đồng nghiệp đã phản biện, lý
luận, đóng góp các ý kiến xây dựng và trao đổi về các vấn đề lý thuyết cũng như thực tiễn
để Luận án được hoàn thiện.
Cuối cùng, xin gửi lòng biết ơn đến bố, mẹ và những người thân yêu trong gia đình đã
luôn kề cận, động viên, giúp đỡ cả về mặt vật chất và tinh thần trong suốt quá trình học tập
và đặc biệt là thời gian làm Luận án.
Xin trân trọng cảm ơn!
ii
MỤC LỤC
Lời cam đoan
………………………………………………………………………………..i
Lời cảm ơn…….……………………………………………………………………………
ii
Mục lục…………………………………………………………………………………….. iii
Mở đầu……………………………………………………………………………………… 5
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ PHÂN TÍCH SÓNG BIỂN…………………………..
1.1. Đặc trưng hình thành và phát triển sóng biển
1.2. Phân loại sóng biển
...8
………………………………….8
………………………………………………………………….9
1.3. Các mô hình sóng biển đã có
…………………………………………………….10
1.3.1. Mô hình sóng Airy
……………………………………………………….10
1.3.2. Mô hình sóng Korteweg and De Vries và Boussinesq
..................10
1.3.3. Mô hình sóng Cnoidal Korteweg and De Vries
1.3.4. Mô hình sóng đơn
............................10
.....................................................................11
1.3.5. Xấp xỉ Fourier – Mô hình Fenton
...............................................11
1.3.6. Mô hình sóng điều hòa
..............................................................11
1.3.7. Mô hình sóng ngẫu nhiên
..........................................................11
1.4. Các mô hình phổ sóng biển đã có
1.4.1. Phổ Neuman
..........................................................12
.............................................................................12
1.4.2. Phổ Bretschneider
....................................................................12
1.4.3. Phổ Pierson – Moskovitz
...........................................................12
1.4.4. Phổ ISSC (hội nghị về độ bền tàu thủy)
......................................13
1.4.5. Phổ ITTC sử dụng một tham số
.................................................13
1.4.6. Phổ ITTC sử dụng hai tham số
..................................................13
1.4.7. Phổ JONSWAP
……………………………………………………………14
1.5. Khái quát về tình hình nghiên cứu.................
………………………………..14
1.6. Đề xuất mô hình sóng mới..............................
………………………………..21
1.6.1. Lý do đề xuất
............................................................................21
1.6.2. Mô hình sóng
............................................................................22
1.6.3. Ưu điểm của mô hình sóng mới
Kết luận chương 1
..............................................22
…………………………………………………………………........22
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHÂN TÍCH SÓNG BIỂN
2.1. Phân tích sóng biển điều hòa s(t)
…………………..24
……………………………………………….24
2.1.1. Xác định các yếu tố sóng biển điều hòa
2.1.2. Các đại lượng đặc trưng của sóng điều hòa
2.1.3. Năng lượng của sóng biển điều hòa
2.1.4. Phép phân tích sóng biển điều hòa
iii
.....………………………..25
………………………..26
……….…………………………27
............………………………..27
2.2. Phân tích sóng biển ngẫu nhiên ξ(t)
………………..…………………………..27
2.2.1. Hai đặc trưng thống kê cơ bản
………………………………………..28
2.2.2. Bốn đặc tính số của tín hiệu ngẫu nhiên
……………………………29
2.2.3. Phép phân tích sóng biển ngẫu nhiên
2.3. Mô hình sóng biển tổng hợp X(t)
2.3.1. Tổng quan
……..………………………..34
………………………………………………..34
………………..………………………………………………34
2.3.2. Các đại lượng thống kê và cách tính các đại lượng thống kê
2.4. Phân tích sóng biển tổng hợp qua phép phân tích phổ
2.4.1. Đặt vấn đề về phép phân tích phổ
2.4.2. Lấy mẫu tín hiệu
…………………….36
……………………………………36
…………………………………………………………37
2.4.3. Tính hàm mật độ phổ năng lượng Gx(f) của hàm X(t)
2.4.4. Tính diện tích hàm mật độ phổ năng lượng
2.5. Đánh giá chung
Kết luận chương 2
…………….39
………………………..40
…………………………………………………………………….41
……………………………………………………………………….41
Chương 3. ĐO VÀ PHÂN TÍCH SÓNG BIỂN QUA BỂ THỬ
3.1. Giới thiệu về bể thử
3.2.1. Máy tạo sóng
………………………………………..45
3.3. Nguyên lý đo sóng bằng cảm biến siêu âm
…………………………………….46
…………………………………………………………………..48
3.5. Đo sóng ngẫu nhiên
……………………………………………………………….49
…………………………………………………………………..49
3.7. Phân tích phổ sóng tổng hợp
…………………………………………………….51
3.8. Tính năng lượng sóng từ hàm mật độ phổ Gx(f)
Kết luận chương 3
…………………………………….44
………………………………………………………………44
3.2.2. Cấu trúc đo sóng trong bể thử
3.4. Đo sóng điều hòa
……………………..42
………………………………………………………………..42
3.2. Cấu trúc tạo sóng và đo sóng trong bể thử
3.6. Đo sóng tổng hợp
……34
………………………………54
……………………………………………………………………….54
Chương 4. ÁP DỤNG CHO BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TỐC ĐỘ TÀU
THỦY ………………………………………………………………………………………56
4.1. Một số mô hình tàu thủy
………………………………………………………….56
4.1.1. Mô hình hóa đối tượng
…………………………………………………56
4.1.2. Mô hình toán học được tuyến tính hóa dạng hàm truyền
………..58
4.2. Bài toán tính lực cản từ hàm mật độ phổ năng lượng sóng và theo kích thước mô hình
tàu
………………………………………………….…………………..60
iii
4.2.1. Đặt bài toán
………………………………………………………………60
4.2.2. Cơ sở lý thuyết
………………………………………………….………..61
4.2.3. Kết quả và tính toán
…………………………………………..………..62
4.3. Bài toán tính tốc độ tàu theo cấp sóng
4.3.1. Đặt bài toán
…..…………………………………….63
………………………………………………………………63
4.3.2. Cơ sở lý thuyết
………………………………………………….………..64
4.3.3. Kết quả và tính toán
…………………………………………..………..65
4.4. Bài toán áp dụng cho điều khiển tự động tốc độ tàu thủy
4.4.1. Đặt bài toán
.………….……..66
………………………………………………………………66
4.4.2. Yêu cầu về thiết kế hệ thống
…………………………………………..66
4.4.3. Sơ đồ cấu trúc điều khiển
4.4.4. Thiết kế hệ thống
……………………………………………..67
………………………………….…………………….68
4.4.4.1. Xây dựng bộ điều khiển mờ đầu vào
…………….………..68
4.4.4.2. Bộ điều khiển tốc độ tàu thủy sử dụng PID
4.4.4.3. Bộ điều khiển tốc độ tàu thủy sử dụng Logic mờ
4.4.4.4. Bộ điều khiển tốc độ tàu thủy sử dụng F-PID
4.5. Kết quả và bàn luận
Kết luận chương 4
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo
………………69
……....71
…….……..72
……………………………………………………………….75
………………………………………………………………………..78
……………………………………………………………………79
………………………………………………………………………80
Danh mục các công trình đã công bố của luận án
…………………………………85
Phụ lục ……………………………………………………………………………………..86
iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
THNN
THNND
HTQ
FFT
DFT
FLC
PD
F-PI
PID
F-PID
ĐCMC
BBĐ
Bt
Lt
Ht
ℜ
A∈ℜmxn
Vt
u
v
Ut
v'
g
r
r'
Iz
I'z
mt
m'
Y
N
Tín hiệu ngẫu nhiên
Tín hiệu ngẫu nhiên dừng
Hàm tương quan
Biến đổi Fourier nhanh
Biến đổi Fourier rời rạc
Điều khiển Logic mờ
Bộ điều chỉnh tỷ lệ-vi phân
Bộ điều chỉnh tỷ lệ-tích phân
Bộ điều chỉnh tỷ lệ-tích phân-vi phân
Bộ điều chỉnh mờ - tỷ lệ-tích phân-vi phân
Động cơ một chiều
Bộ biến đổi
Chiều rộng của tàu (m)
Chiều dài của tàu (m)
Chiều sâu mớn nước trung bình (m)
Tập tất cả các số thực
Ma trận thực kích thước m x n chiều
Thể tích lượng chiếm nước của tàu (m3)
Vận tốc của tàu theo hướng trục x (m/s)
Vận tốc của tàu theo hướng trục y
Tốc độ của tàu (m/s)
Vận tốc dạt của tàu dạng không thứ nguyên
Gia tốc trọng trường (9.8m/s)
Tốc độ quay của tàu (độ/s)
Tốc độ quay của tàu dạng không thứ nguyên
Mômen quán tính của tàu so với trục z (tấn.m2)
Mômen quán tính dạng không thứ nguyên
Khối lượng chiếm nước của tàu
Khối lượng dạng không thứ nguyên
Tổng lực dạt
Tổng mô men
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Thang sóng biển
…………………………………………………………….36
Bảng 3.1: Các bể thử nghiệm tàu thủy
……………………………………………….43
Bảng 3.2: Bảng thống kê các thông số sóng biển tổng hợp
-1-
………………………50
Bảng 3.3: Bảng thống kê chiều cao, chu kỳ sóng biển tổng hợp H1/3
…..………50
Bảng 3.4: Kết quả tính năng lượng sóng từ diện tích hàm mật độ phổ
Bảng 4.1: Các tham số mô hình tàu CS2
..………54
…………………………………...……….57
Bảng 4.2: Kết quả tính lực cản từ hàm mật độ phổ năng lượng ………………..63
Bảng 4.3: Điều kiện thay đổi tốc độ tàu theo năng lượng sóng
Bảng 4.4: Thông số mô hình tàu mẫu A và B
Bảng 4.5: Kết quả tính tốc độ tàu theo cấp sóng
………………….63
..……………………………...……..65
..………………………………...66
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Sóng hai chiều
…………..…………………………………………………….9
Hình 1.2: Phổ Pierson-Moskovitz
…………………………………………………….13
-2-
Hình 1.3: Phổ JONSWAP
……………………………………………………………….14
Hình 1.4: Sóng ngẫu nhiên đo tại một điểm cố định
…….……………………….15
Hình 1.5: Hệ tọa độ các chuyển động lắc tàu trên sóng
………………………….17
Hình 1.6: Bố trí đối tượng và vị trí điều khiển trên tàu thủy
…………………….19
Hình 1.7: Nguyên lý thay đổi tốc độ tàu bằng điều khiển diesel
Hình 1.8: Nguyên lý điều khiển động cơ séc vô
Hình 2.1: Mặt cắt sóng điều hòa
……………….20
………………………………..….20
……………………………………………………..24
Hình 2.2: Các thông số cơ bản của sóng điều hòa
Hình 2.3: Tính hàm mật độ xác suất
..……………………………….25
…………………………………………….….29
Hình 2.4: Tính hàm phân bố xác suất
…………………………………………..….29
Hình 2.5: Kỳ vọng toán học của tín hiệu ngẫu nhiên
………………………….….30
Hình 2.6: Dạng tín hiệu ngẫu nhiên thay đổi nhanh
…………………………...….31
Hình 2.7: Cách ghi số thứ tự cho các con sóng
Hình 2.8: Lấy mẫu tín hiệu
…………………………………….35
………………………………………………………..….38
Hình 2.9: Xác định tần số fmax
Hình 2.10: Bề rộng mật độ phổ
…………………………………………………….….39
……………………………………………………..40
Hình 3.1: Cấu tạo bể thử tàu thủy
……………………………………………….….43
Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc tạo sóng trong bể thử
Hình 3.3: Máy tạo sóng kiểu bản lề
………………………………..….44
………………………………………………….45
Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc đo sóng trong bể thử
………………………………..….46
Hình 3.5: a - Nguyên lý thu phát sóng siêu âm
……………………………………46
Hình 3.5: b - Sơ đồ mạch thu phát sóng siêu âm
…………………………….….47
Hình 3.5: c,d - Bố trí thiết bị cảm biến siêu âm
……………………………….….47
Hình 3.6: Lắp đặt cảm biến siêu âm trên tàu thủy
Hình 3.7: Sóng điều hòa đo trong bể thử
…………………………....….48
………………………………………..….48
Hình 3.8: Sóng ngẫu nhiên đo trong bể thử
…………………………………….….49
Hình 3.9: Sóng tổng hợp gồm sóng điều hòa và ngẫu nhiên
Hình 3.10: Hàm mật độ phổ sóng tổng hợp
Hình 4.1: Mô hình tàu thử CS2
…………………….50
…………………………………….….53
…………………………………………………..….58
Hình 4.2: Sơ đồ cấu trúc truyền động giữa bộ biến đổi, động cơ điện và chân vịt……………………………
Hình 4.3: Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều kích từ độc lập
………….….59
Hình 4.4: Sơ đồ cấu trúc điều khiển động cơ điện một chiều kích từ độc lập
.60
Hình 4.5: Ảnh hưởng chiều cao sóng đến tốc độ tàu
…………………………..….64
Hình 4.6: Ảnh hưởng của cấp sóng gió tới tốc độ tàu
..………………………..….65
Hình 4.7: Sơ đồ cấu trúc điều khiển tốc độ tàu thủy theo năng lượng sóng
Hình 4.8: Bộ điều khiển tốc độ tàu thủy theo năng lượng sóng
-3-
….67
……………..….68
Hình 4.10: a - Sơ đồ cấu trúc xác định hằng số khuếch đại tới hạn
Hình 4.10: b - Đồ thị hàm quá độ h(t) của đối tượng
.………………….………..70
Hình 4.11: Sơ đồ bộ điều khiển mờ trong Simulink
Hình 4.12: Hàm liên thuộc sai lệch ET
….…….….70
…….…………………….….71
…………………………………………..….71
Hình 4.13: Hàm liên thuộc đầu ra U
……………………………………………..….72
Hình 4.14: Sơ đồ bộ điều khiển mờ trong simulink
Hình 4.15: Hàm liên thuộc sai lệch ET
…………………………..….73
…………………………………………..….74
Hình 4.16: Hàm liên thuộc đầu ra KP
……………………………………………….74
Hình 4.17: Hàm liên thuộc đầu ra KD
…………………………………………….….74
Hình 4.18: Hàm liên thuộc đầu ra KI
…………………………………………….….75
Hình 4.19: Năng lượng sóng của bộ mờ đầu vào
……………………………….….76
Hình 4.20: Giá trị tốc độ đặt thay đổi theo năng lượng sóng
……………..…….76
Hình 4.21: Tự động thay đổi giá trị đặt theo năng lượng sóng
..…………….….77
Hình 4.22: Mối quan hệ giữa năng lượng sóng với tốc độ tàu
.……………….….77
Hình 5.1: Sơ đồ mô phỏng trên Simulink bộ điều khiển tốc độ tàu thủy
bằng PID
....................................................................................….108
Hình 5.2: Sơ đồ mô phỏng trên Simulink bộ điều khiển tốc độ tàu thủy bằng Logic mờ...............................
Hình 5.3: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển tốc độ tàu thủy sử dụng F-PID
Hình 5.4: Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển tốc độ tàu thủy
….109
.............................109
Hình 5.5: a - Bộ điều khiển tốc độ tàu thủy theo năng lượng sóng
...........….109
Hình 5.5: b - Bộ điều khiển tốc độ tàu thủy theo năng lượng sóng
...........….110
Hình 5.6: Bể thử và xe kéo mô hình
.........................................................….110
Hình 5.7: Máy tạo sóng và máy tính điều khiển
Hình 5.8: Máy tính ghi kết quả đo sóng
........................................….110
....................................................….111
Hình 5.9: Thiết bị đo sóng và lắp đặt trên mô hình tàu
............................…111
MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài:
Vấn đề phân tích sóng biển đã được đặt ra từ lâu. Đã có rất nhiều mô hình sóng đã được
đưa ra. Đó là các mô hình sóng điều hòa (chủ yếu là sóng hình Sin) và mô hình sóng ngẫu
-4-
nhiên (được giả thiết như là tổng của nhiều sóng điều hòa có tần số là bội của tần số cơ
bản). Cách tiếp cận như vậy của các công trình nghiên cứu về sóng chưa thật chính xác.
Bởi vì khi phân tích sóng thì hai thành phần này không hề tách rời nhau mà tùy vào điều
kiện cụ thể mà tác động của chúng có khác nhau. Khi ở điều kiện bình thường thì thành
phần điều hòa lớn hơn thành phần ngẫu nhiên nhưng khi có bão (gió cấp 6) thì ngược lại
thành phần ngẫu nhiên lại lớn hơn thành phần điều hòa. Và thành phần ngẫu nhiên sẽ rất
hỗn loạn có dải tần số rất rộng còn thành phần điều hòa có tần số là bội của tần số cơ bản.
Do vậy luận án đã đề cập đến một cách tiếp cận mới là coi sóng biển như một tổ hợp gồm
hai thành phần điều hòa và ngẫu nhiên không tách rời nhau và đưa ra một mô hình mới đó
là mô hình sóng biển tổng hợp: là tổng của thành phần điều hòa s(t) và thành phần sóng
ngẫu nhiên ξ(t). Đây có thể coi là một quá trình ngẫu nhiên dừng, êrgôdic và qui tâm.
Từ trước đến nay người ta vẫn coi biên độ sóng là yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến hoạt
động của tàu thuyền từ đó mà người ta phân cấp sóng từ cấp I, II, III, IV, V… Tuy nhiên
điều này chưa hoàn toàn chính xác bởi vì ngoài yếu tố biên độ ra sóng còn có nhiều yếu tố
khác ảnh hưởng như lực đẩy sóng, độ nhớt của nước, phương vị sóng, tần số sóng,… Vì
vậy luận án đã đưa ra một cách tiếp cận mới là phân tích năng lượng của sóng tổng hợp.
Qua hàm mật độ phổ năng lượng cho ta thấy năng lượng của sóng trong toàn bộ dải tần số
của quá trình sóng. Đây là một hàm đặc trưng cho tác động của sóng đến sự hoạt động của
tàu thuyền trên biển.
Để đo sóng biển trong điều kiện gần với thực tế. Tác giả đã tiến hành đo sóng trong bể
thử bằng thiết bị đo sử dụng cảm biến siêu âm. Quá trình đo sóng điều hòa, đo sóng ngẫu
nhiên và đo sóng tổng hợp. Tiến hành phân tích sóng tổng hợp trên cơ sở số hóa qua phép
lấy mẫu mới (định lý Phạm Thượng Hàn) với sai số cho trước. Từ đó tìm ra hàm mật độ
phổ năng lượng. Qua kết quả cho thấy hàm mật độ phổ năng lượng có dạng phổ liên tục.
Qua việc tính diện tích hàm mật độ phổ so với trục hoành ta lượng hóa được độ lớn của
hàm mật độ phổ năng lượng. Từ đó có thể dễ dàng áp dụng cho các bài toán khác nhau.
Một ví dụ về áp dụng phương pháp phân tích trên đây là sử dụng hàm mật độ phổ năng
lượng để thay đổi giá trị đặt tốc độ tàu thủy. Nhờ đó mà tàu thủy sẽ chạy với tốc độ thích
nghi với năng lượng sóng trên cơ sở áp dụng các bộ điều khiển tốc độ tàu thủy PID, Logic
mờ và F-PID. Như vậy kết quả luận án đã tạo ra khả năng thay thế việc điều khiển tốc độ
bằng tay theo cấp sóng hiện nay bằng điều khiển tự động thích nghi theo năng lượng sóng
nhằm cải thiện mức độ tự động hóa, giảm số sỹ quan phục vụ trên tàu. Cho nên tác giả
chọn đề tài“Đo, phân tích sóng biển và áp dụng cho bài toán điều khiển tự động tốc độ
tàu thuỷ” làm luận án Tiến sĩ.
-5-
Mục đích nghiên cứu:
- Từ việc phân tích lý thuyết sóng để đề xuất mô hình sóng mới. Thực hiện đo sóng qua
bể thử sóng bằng cảm biến siêu âm, kết quả đo sẽ được phân tích bằng phép phân tích phổ
từ đó tìm được năng lượng sóng. Để từ đó có thể ứng dụng cho nhiều bài toán khác nhau.
- Ví dụ về một bài toán ứng dụng điển hình là dùng năng lượng sóng để tự động điều
khiển tốc độ tàu thủy nhằm khắc phục nhược điểm của hệ thống cũ (điều khiển bằng tay)
theo cấp sóng.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu về sóng do gió sinh ra. Giả thiết sóng biển được
xét như một quá trình ngẫu nhiên dừng, êrgôdic và quy tâm.
- Phạm vi nghiên cứu: Luận án dừng lại ở phạm vi vừa nghiên cứu lý thuyết, vừa thực
hiện thí nghiệm đo sóng gần với thực tế qua bể thử và mô phỏng bằng phần mềm Matlab Simulink. Kết quả nghiên cứu về sóng sẽ ứng dụng cho bài toán tự động điều khiển tốc độ
tàu thủy và nghiên cứu của bài toán này chỉ dừng lại ở góc độ đề xuất hướng nghiên cứu
bước đầu mà thôi.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu:
- Góp phần phát triển cơ sở lý luận về lý thuyết sóng biển.
- Kết quả nghiên cứu về sóng làm cơ sở áp dụng cho nhiều dạng bài toán khác nhau như
điều khiển tốc độ tàu theo năng lượng sóng, tính lưc cản từ hàm mật độ phổ năng lượng
sóng và theo kích thước mô hình tàu, phân tích biến dạng vùng vỏ tàu, tính rung động vỏ
tàu thủy …
Về ứng dụng điều khiển tốc độ tàu theo năng lượng sóng: Mục đích của hệ thống nhằm
đảm bảo an toàn mang tính chủ động cho con người, hàng hóa trên tàu trong trường hợp
gặp sóng gió (giới hạn sóng < cấp 6), cũng như tăng hiệu quả kinh tế khi khai thác con tàu.
Các kết quả mới đạt được:
- Đề xuất mô hình sóng biển mới gồm thành phần sóng điều hòa và thành phần sóng
ngẫu nhiên. Được gọi là mô hình sóng tổng hợp.
- Xây dựng mô hình thực nghiệm để xác định các đặc trưng ngẫu nhiên. Sử dụng phép
phân tích phổ (dùng thuật toán biến đổi Furier nhanh FFT) để phân tích kết quả đo sóng.
Sau đó tìm năng lượng sóng tổng hợp để ứng dụng vào nhiều bài toán khác nhau.
- Đã áp dụng kết quả phân tích sóng biển tổng hợp vào bài toán điều khiển tự động tốc
độ tàu thủy. Nội dung bài toán chủ yếu là sử dụng năng lượng sóng để thay đổi giá trị đặt
từ đó thay đổi tốc độ tàu.
Nội dung luận án gồm 4 chương:
Chương 1: Trình bày tổng quan về phân tích sóng biển, các mô hình sóng, các mô hình
phổ sóng, một số chuyển động của tàu trong hệ tọa độ đề các và chuyển động của tàu trên
-6-
sóng điều hòa. Từ đó xác định cơ sở lý thuyết sóng nghiên cứu, đề xuất mô hình sóng biển
mới và ứng dụng nó.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết về phân tích sóng biển điều hòa, sóng biển ngẫu nhiên và
sóng biển tổng hợp. Sử dụng phép phân tích phổ để phân tích sóng biển tổng hợp và tính
năng lượng sóng tổng hợp từ hàm mật độ phổ (tính diện tích hàm mật độ phổ). Với sóng
biển tổng hợp dùng toán học thống kê để phân tích tức là tìm các hàm phân bố xác suất,
mật độ xác suất tuy nhiên việc xác định các hàm này rất khó khăn vì phải thực hiện đo rất
nhiều điểm trong bể thử. Cho nên luận án sử dụng các đặc tính số để phân tích như kỳ
vọng toán học, phương sai, hàm mật độ phổ, hàm tương quan. Tiếp theo trình bày phương
pháp xác định cấp sóng bằng việc tính chiều cao sóng H1/3.
Chương 3: Trình bày các bước tiến hành thực nghiệm việc đo sóng điều hòa, sóng ngẫu
nhiên và sóng biển tổng hợp. Cụ thể phải lập trình các tham số đầu vào từ máy tạo sóng và
thiết bị đo sóng sử dụng cảm biến siêu âm. Kết quả đo sóng tổng hợp sẽ được phân tích
qua phép phân tích phổ và tính năng lượng sóng từ diện tích hàm mật độ phổ năng lượng.
Chương 4: Trình bày bài toán áp dụng cho điều khiển tự động tốc độ tàu thủy thông qua
hai bài toán cụ thể như: Bài toán tính lực cản tàu từ hàm mật độ phổ năng lượng, tính tốc
độ tàu theo cấp sóng.
Lần lượt sử dụng các bộ điều khiển tốc độ tàu như PID, logic mờ, F-PID để mô phỏng
việc thay đổi giá trị đặt tốc độ tàu theo năng lượng sóng.
Phần cuối là Kết luận và Kiến nghị của luận án, tiếp theo là Phụ lục bao gồm một số
chương trình phần mềm mô phỏng bằng M-file, Simulink.
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ PHÂN TÍCH SÓNG BIỂN
Trong chương này giới thiệu đặc trưng hình thành và phát triển sóng biển, phân loại
sóng biển, các mô hình sóng và phổ sóng đã có, một số chuyển động của tàu trong hệ tọa
độ cố định, ảnh hưởng của sóng điều hòa tới chuyển động của tàu, khái quát tình hình
nghiên cứu về vấn đề sóng biển trong và ngoài nước cũng như các ứng dụng cụ thể của nó.
Đặt vấn đề đề xuất mô hình sóng biển mới và các bài toán ứng dụng.
1.1. Đặc trưng hình thành và phát triển sóng biển
Sóng biển được hình thành do nhiều nguyên nhân như gió, động đất, thuỷ triều, khí áp,
bão… nhưng sóng gió là sóng thường xảy ra và có tác động lớn gây lực cản ảnh hướng tới
tốc độ và tính ổn định của con tàu. Đặc biệt là sóng do gió bão và cả sóng lừng tức sóng
nằm ngoài trường gió sẽ không nghiên cứu trong luận án này.
-7-
Sóng gió thường là sóng không đều, ngắn, có tính ngẫu nhiên. Các yếu tố của sóng luôn
biến đổi theo thời gian và không gian. Hướng sóng cũng luôn biến đổi nhưng hướng chính
thì luôn phù hợp với chiều gió, chỉ trừ trường hợp sóng lừng, sóng nằm ngoài phạm vi tác
động trực tiếp của trường gió và khi gió chuyển hướng.
Sóng do gió gây ra chịu ảnh hưởng của các yếu như: tốc độ gió V, thời gian gió thổi t,
đà gió D hay F tức chiều dài gió tác dụng lên mặt nước và tạo ra sóng, các yếu tố làm suy
yếu sóng như: địa hình đáy biển thể hiện qua độ sâu nước h hay d và hình dạng đường bờ.
Qúa trình phát triển của sóng gió thường trải qua 4 giai đoạn [16] hình thành, phát triển, ổn
định và suy yếu, trong đó giai đoạn ổn định có thể không xuất hiện khi không đủ điều kiện
như đà gió quá dài, thời gian gió thổi quá ngắn.
a. Sóng lan truyền do gió:
Với một làn gió thổi, mặt biển gợn sóng. Nếu cường độ gió tăng sẽ làm tăng sự biến
dạng bề mặt nước, tạo thành sóng có bề mặt hỗn độn, không phân biệt được sóng truyền
theo phương nào, đó là sóng 3 chiều (x,y,z).
Nếu gió thổi đều, thời gian gió thổi kéo dài, trên mặt biển sẽ hình thành những đợt sóng
phát triển theo phương gió thổi tạo thành sóng hai chiều, còn gọi là sóng hình trụ. Sóng hai
chiều thường có mặt cắt sóng không đối xứng qua đỉnh, độ dốc sóng phía sau thường thoải
hơn phía trước hình 1.1a, độ dốc phát triển tới một lúc nào đó thì đỉnh sóng bị gãy, tạo
thành nhiều đỉnh (bọt) sóng hình 1.1b.
a)
b)
Hình 1.1: Sóng hai chiều: a - Sóng lan truyền do gió; b - Sóng vỡ
b. Sóng trọng lực:
Sóng do gió gây ra, trong đó lực trọng trường đóng vai trò chủ yếu trong việc hình
thành sóng gọi là sóng trọng lực. Sóng trọng lực được coi là sóng có chu kỳ và được mô tả
bởi 3 trong 4 thông số H, L, T, d, có nghĩa: H, L, d hoặc H, T, d. Các thông số này được
biểu diễn dưới dạng không thứ nguyên H/L (độ dốc sóng), H/d (chiều cao tương đối của
sóng và độ sâu nước), d/L (tiêu chuẩn phân định các vùng nước).
1.2. Phân loại sóng biển
1. Theo sự thay đổi phụ thuộc thời gian.
a, Sóng điều hòa: đã biết trước quy luật (hình sin hoặc cos).
-8-
b, Sóng ngẫu nhiên: chưa biết quy luật thay đổi, mọi giá trị tại mọi thời điểm là đại
lượng ngẫu nhiên.
2. Theo đặc điểm sinh ra sóng.
a, Nguyên nhân hình thành: sóng gió, sóng triều, sóng động đất.
b, Tính chất lực tác dụng: sóng mao dẫn và sóng trọng lực.
c, Tính chất của chuyển động: sóng đi tới, sóng trùng hợp trong đó có sóng trùng hợp
toàn phần là sóng đứng và sóng trùng hợp 1 phần, sóng giao thoa, sóng khúc xạ, sóng
nhiễu xạ, sóng vỡ.
d, Độ sâu nước: sóng nước sâu và sóng nước cạn.
e, Chiều dài sóng: sóng dài với chu kỳ lớn và sóng ngắn với chu kỳ bé.
f, Thời điểm tác dụng của sóng: sóng cưỡng bức và sóng lừng.
g, Vị trí so với mặt nước: sóng mặt và sóng nội.
h, Tính chất đường mặt sóng: sóng 2 chiều và sóng 3 chiều, sóng đều và sóng không
đều, sóng dao động bé và sóng dao động lớn, sóng đơn và sóng Cnoidal.
1.3. Các mô hình sóng biển đã có
1.3.1. Mô hình sóng Airy
Mô hình sóng biển Airy [2,30] là dạng sóng có biên độ nhỏ hay là mô hình tuyến tính
với điều kiện chiều cao sóng nhỏ hơn rất nhiều bước sóng (H << λ) và phương trình sóng
lan truyền theo trục x có dạng sau (1.1).
H
η (t ) = cos(kx − ωt )
2
(1.1)
Trong đó, η(t) là đường mặt sóng, H chiều cao sóng, k =
2π
λ
là số sóng; λ bước sóng, ω
tần số góc của sóng.
1.3.2. Mô hình sóng Korteweg and De. Vries và Boussinesq
Các phương trình sóng nước cạn khác nhau [3] có thể được xác lập khi giả thiết áp lực
là tĩnh, khi đó gia tốc phân tử nước được coi là bé và khi lấy tốc độ dòng chảy là tốc độ
trung bình độ sâu ū thì phương trình sóng có dạng (1.2).
∂η ∂
+ (h + η )u = 0
∂t ∂x
∂u
∂u
∂η 1 2 ∂ 3u
+u
+g
= h
∂t
∂x
∂x 3 ∂x 2 ∂t
Trong đó, h độ sâu nước, g gia tốc trọng trường.
-9-
(1.2)
1.3.3. Mô hình sóng Cnoidal Do Korteweg and De Vries
Mô hình sóng có dao động lớn, áp dụng ở vùng nước cạn [3]. Phương trình đường mặt
sóng Cnoidal có dạng (1.3).
x t
η (t ) = Hcn 2 2 K (k e ) − − η d
λ T
(1.3)
Trong đó K(ke) tích phân ellip loại 1, E(ke) tích phân ellipse loại 2, ke modul tích phân
ellipse thay đổi phụ thuộc vào tỷ số H/h hoặc ( λ /h)2. Bước sóng Cnoidal λ =
(16h3/3H)1/2keK(ke) và tung độ đáy sóng so với trục x tại mực nước tĩnh
H E (k e )
ηd = 2
− (1 − k e2 ) .
k e K (k e )
Do 0 < ke2 <1 nên khi tỉ số H/h bé hay lúc k2e < 0,2 thì đường mặt sóng có dạng gần như
sóng dạng hình sin, còn khi chiều dài sóng rất lớn tức λ → ∞ hay lúc ke2 ≈ 1 thì ηd ≈ 0 và
đường mặt sóng sẽ có dạng của sóng đơn, tức là đường mặt sóng nằm hoàn toàn trên mực
nước tĩnh.
Trong đó, cn(…) là hàm cosin ellipse Jacobi.
1.3.4. Mô hình sóng đơn
Các sóng có đỉnh và đường mặt sóng nằm hoàn toàn trên mực nước tĩnh, được xác định
từ lời giải của phương trình Boussinesq [3]. Như đã biết khi đường mặt sóng có dạng sóng
đơn thì có thể lấy ke2 = 1 lúc đó cn(…) = sh(…), λ = ∞ và ηd = 0, lúc này phương trình
đường mặt sóng đơn có thể suy ra từ phương trình đường mặt sóng Cnoidal (1.3) như sau:
3H 1/ 2
(1.4)
η (t ) = Hsch 2 3 − (x − Ct )
4h
Trong đó, sch là hàm hyperbolic.
1.3.5. Xấp xỉ Fourier - Mô hình Fenton
Trong lý thuyết Fenton [2,3], để mô tả mô hình sóng là phương trình Laplace:
∇ 2ψ =
∂ 2ψ / ∂x 2 + ∂ 2ψ / ∂z 2 =
0
Trong đó ψ là hàm số dòng (hàm số chu kỳ miêu tả chuyển động sóng theo không gian
và thời gian, có liên quan đến tỷ suất dòng chảy), được trình bày dưới dạng chuỗi Fourier
cosin theo kx đến bậc N (N là số tự nhiên). Đường mặt sóng được xác định như sau:
N −1
1
(1.5)
η (t ) = a N cos Nkx + ∑ a j cos Jkx
2
j =1
Trong đó, k là số sóng (được xác định bởi bước sóng), x là khoảng cách dịch chuyển
của phần tử nước, aN thành phần biên độ sóng phụ thuộc vào N, aJ thành phần biên độ sóng
phụ thuộc vào J.
-10-
1.3.6. Mô hình sóng điều hòa
Xét tại một điểm khi đó phương trình sóng điều hòa có biểu thức như sau:
s (t ) = S n sin ωt
(1.6)
Trong đó, Sn là biên độ sóng, ω tần số góc của sóng.
(Phần cơ sở phân tích sẽ được trình bày cụ thể trong chương 2)
1.3.7. Mô hình sóng ngẫu nhiên
Xét tại một điểm khi đó phương trình sóng ngẫu nhiên có biểu thức như sau:
N
N
N
n =1
n =1
n =1
ξ (t ) = ∑ sn (t ) = ∑ S n sin ωn t = ∑ S n sin 2πf n t
(1.7)
Trong đó, ξ(t) là tập hợp tổng của N sóng (n = 0 … N), Sn là biên độ sóng thứ n, fn tần
số sóng thứ n.
(Đây là một quan điểm về sóng ngẫu nhiên - Phần cơ sở phân tích sẽ được trình bày cụ
thể trong chương 2)
1.4. Các mô hình phổ sóng biển đã có
Sự phân bố năng lượng của sóng liên quan đến tần số được gọi là phổ sóng và được ký
hiệu là E(f). Phổ sóng được rất nhiều người nghiên cứu trên các số liệu thống kê được tại
một vùng biển quan sát nào đó, do đó mỗi một công thức phổ mang tên một học giả trước
hết phù hợp với địa phương đó còn việc áp dụng cho các vùng biển khác cần được xem xét
kỹ.
1.4.1. Phổ Neuman
Được áp dụng cho sóng ở giai đoạn đã phát triển, một trong những phổ được viết sớm
nhất, công thức phổ Neuman được viết [1,2,3]:
2g 2
πC −6
E( f ) =
f exp − 2 2 m 2 s −1
2
f U
(1.8)
Trong đó, C = 3,05 (m2.s-5) tốc độ truyền sóng, f tần số sóng (s-1), g = 9,81m/s2 gia tốc
trọng trường, U vận tốc gió trên mặt biển (m/s).
1.4.2. Phổ Bretschneider
Công thức phổ Bretschneider được viết [1,2,3]:
2
H g2
1
E ( f ) = 0,430
exp
− 0,675
2
5
gT f
Tf
4
2 −1
m s
(1.9)
Trong đó, H chiều cao sóng trung bình (m), T chu kỳ sóng trung bình (s), f tần số
sóng (s-1), g = 9,81m/s2 gia tốc trọng trường.
-11-
1.4.3. Phổ Pierson - Moskovitz
Căn cứ vào dữ liệu thu thập về sóng biển Đại Tây Dương hai tác giả trên đề xuất công
thức tính phổ như sau [1,2,3]:
0,74 g 4
8,1 × 10 −3 g 2
E( f ) =
exp − 4 4 m 2 s −1
5
f
U f
(1.10)
Trong đó, U vận tốc gió tính ở độ cao 19,5m trên mặt biển (m/s), f tần số sóng (s-1), g =
9,81m/s2 gia tốc trọng trường. Trên hình 1.2 miêu tả phổ
Pierson – Moskovitz và
Bretschneider có H1/3(Hs) = 8,6m, fm = 0,068Hz.
Bretschneider & Pierson-Moskowitz Spectra
100
Bretschneider
Pierson-Moskowitz
90
80
E(f) (m2-sec)
70
60
Hs = 8.6m
fm = 0.068 Hz
50
40
30
20
10
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12 0.14
freq. (Hz)
0.16
0.18
0.2
0.22
Hình 1.2: Phổ Pierson – Moskovitz
1.4.4. Phổ ISSC (Hội nghị về độ bền tàu thuỷ)
Công thức phổ ISSC được viết [1,2,3]:
5
4
0,11 2 f
T f
E( f ) =
H T T
exp − 0,44
2π
2π
2π
m 2 s −1
(1.11)
Trong đó, H chiều cao sóng (m), T chu kỳ sóng (s), f tần số sóng (s-1), g = 9,81m/s2 gia
tốc trọng trường.
1.4.5. Phổ ITTC sử dụng một tham số
Công thức phổ ITTC một tham số được viết [1,2,3]:
3,11 / H 12/ 3
8,1 × 10 −3 g 2
−
m 2 s −1
E( f ) =
exp
5
4
f
f
(1.12)
Trong đó, H1/3 chiều cao sóng có nghĩa (m), f tần số sóng (s-1), g = 9,81m/s2 gia tốc
trọng trường.
-12-
1.4.6. Phổ ITTC sử dụng hai tham số
Công thức phổ ITTC hai tham số được viết [1,2,3]:
691
173 × H 12/ 3
−
m 2 s −1
E( f ) =
exp
T4 f 4
T4 f 5
(1.13)
Trong đó, H1/3 chiều cao sóng có nghĩa (m), T chu kỳ sóng (s), f tần số sóng (s-1).
1.4.7. Phổ JONSWAP
Năm 1978 hội nghị ITTC lần thứ 15 kiến nghị dùng phổ JONSWAP trong tính toán cho
ngành đóng tàu và công thức phổ JONSWAP được viết [1,2,3]:
691
173H 2
E ( f ) = 0,658 × 4 15/ 3 exp − 4 4 3,3β m 2 s −1
T f
T f
(1.14)
Trong đó, H1/3 chiều cao sóng có nghĩa (m), T chu kỳ sóng (s), f tần số sóng (s-1). Trên
hình 1.3 tần số sóng tại đỉnh phổ f0 = 0,07Hz với r = 3,3 hệ số tăng giảm của đỉnh phổ và
hệ số β = 0,74.
Pierson-Moskowitz & JONSWAP Spectra
350
Pierson-Moskowitz
JONSWAP
300
E(f) (m2-sec)
250
200
Hs = 8.6m
fm = 0.068 Hz
150
100
50
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
freq. (Hz)
0.16
0.18
0.2
0.22
Hình 1.3: Phổ JONSWAP
1.5. Khái quát về tình hình nghiên cứu
Các quan điểm về sóng ngẫu nhiên:
Lý thuyết QTNN, một bộ phận của lý thuyết xác suất, đã phát triển nhanh chóng và
được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật. Trong 20 năm gần đây
người ta thấy rằng các công cụ toán học về lý thuyết QTNN (hàm ngẫu nhiên) được sử
dụng rộng rãi trong phân tích sóng biển. Cơ sở của điều này là ý tưởng xem xét các giá trị
tức thời ghi được của quá trình và các trường không gian sóng biển như những thể hiện
riêng biệt của một QTNN hay một trường ngẫu nhiên nào đó. Cách tiếp cận như vậy cho
-13-
phép không cần xét những đặc điểm của giá trị tức thời riêng rẽ của trường sóng biển với
mối phụ thuộc vào tọa độ không gian và tiến trình thời gian rất phức tạp và không rõ nét,
và chuyển sang nghiên cứu một số tính chất trung bình của tập hợp thống kê các thể hiện
ứng với một tập các điều kiện bên ngoài cụ thể nào đó.
Đóng góp to lớn vào hướng này là các công trình đặt nền móng của A.N. Kolmogorov
cũng như các kết quả nghiên cứu của A.M. Obukhov, A.S. Monin, A.M. Iaglom, M.I.
Iuđin, L.S. Ganđin, N.A. Bagrov, O.A. Đrozđov, E.P. Borisenkov, N.A. Kartvelishvili,
I.M. Alekhin. Mà các ứng dụng của lý thuyết QTNN phải kể đến như trong nghiên cứu về
sóng biển là một ví dụ [1,4]. Ở đây, người ta xem những dao động mực nước biển tại điểm
xác định như là hàm ngẫu nhiên (QTNN) theo thời gian.
Để nghiên cứu về sóng biển ngẫu nhiên hiện nay có hai cách tiếp cận cơ bản đó là:
Cách
tiếp
cận
thứ
nhất:
Theo
các
tác
giả
của
các
công
trình
[31,32,33,34,35,36,39,40,41,42,43,44,45,46,65] coi sóng biển ngẫu nhiên là tổ hợp của
nhiều sóng điều hòa riêng biệt có biên độ, chu kỳ khác nhau và có biểu thức cụ thể như
sau:
N
N
N
n =1
n =1
n =1
ξ (t ) = ∑ sn (t ) = ∑ S n sin ωn t = ∑ S n sin 2πf n t
trong đó ξ(t) là tập hợp tổng của N sóng (n = 0 … N).
Cách tiếp cận thứ 2: Để khảo sát sóng ngẫu nhiên thì chỉ tiến hành đo và ghi lại kết quả.
Sử dụng toán học thống kê (lý thuyết xác suất) để phân tích như kỳ vọng toán học, phương
sai, hàm tương quan, hàm mật độ phổ năng lượng. Trên hình 1.4 là hình ảnh sóng ngẫu
nhiên được đo và ghi lại thực tế ngoài biển.
Hình 1.4: Sóng ngẫu nhiên đo tại một điểm cố định
Trong thực tế sóng gây ra chủ yếu bởi gió, gió thổi trên mặt biển yên tĩnh, do sự ma sát
giữa không khí và nước kéo theo lớp nước trên mặt chuyển động và tạo ra sóng. Trong giai
đoạn đầu, khi mới nổi gió các sóng có biên độ bé và bước sóng ngắn. Gió tiếp tục thổi các
sóng này sẽ lớn dần đồng thời tiếp tục xuất hiện các sóng bé khác, các sóng này kết hợp
với các sóng lớn đã có trước đây. Tổ hợp nhiều sóng với các biên độ khác nhau, phương
truyền cũng khác nhau cùng với sự thay đổi của gió theo phương và cường độ, sự thay đổi
của chiều sâu nước biển, của độ nhám đáy biển, địa hình v.v… làm cho sóng biển không
còn điều hòa mà là biến đổi ngẫu nhiên có dạng như hình 1.4.
-14-
Các mô hình sóng và phổ sóng:
Mô hình sóng của tác giả Airy được hiểu là sóng điều hòa, công trình của Airy được coi
như cẩm nang về sóng biển vì nó là cơ sở nền tảng cho việc xây dựng các mô hình sóng
khác. Các nghiên cứu phát triển tiếp theo trước và sau Airy là Gerstnei (1809), Poisson
(1816), Green (1839), Stokes (1847), Rankine (1863), Rayleigh (1876), Nekrassov (1951),
Skjelbreia và Hendricson (1960). Đặc điểm của mô hình sóng này áp dụng đối với mọi
vùng nước có độ sâu khác nhau.
Các mô hình sóng còn lại được phát triển từ Airy như các mô hình sóng của Korteweg
and De. Vries và Boussinesq, Cnoidal Do Korteweg and De Vries, Fourier và Fenton với
mục đích dùng để nghiên cứu áp dụng ở vùng sóng nước cạn nhằm miêu tả các hiện tượng
như sóng vỡ, sóng vào cạn, phản xạ sóng, truyền sóng, vận chuyển vật chất cùng những
tính chất phi tuyến khác … Cho nên các công trình [2,3,30] được sử dụng chủ yếu vào
trong ngành công trình biển và ngành thủy lợi để tính độ bền cũng như tuổi thọ của công
trình như cầu cảng, đê chắn sóng. Ngoài ra cho thấy các mô hình sóng này cũng chưa đề
cập đến thành phần sóng ngẫu nhiên mà trong thực tế sóng biển bao gồm cả sóng điều hòa
và sóng ngẫu nhiên, cho nên các mô hình sóng đó không chính xác trong trường hợp có
sóng gió.
Trong phạm vi nghiên cứu của luận án thì các phương trình sóng (1.6), (1.7) sẽ là cơ sở
để nghiên cứu và phân tích. Tuy nhiên với sóng ngẫu nhiên ở phương trình (1.7) sẽ sử
dụng cách tiếp cận mới đó là dùng toán học thống kê để phân tích và đánh giá.
Phổ Bretschneider, Pierson – Moskovitz ở các phương trình (1.9) và (1.10) có dạng hình
1.2 còn phổ Jonswap có dạng hình 1.3. Qua đó cho thấy dạng hàm mật độ phổ năng lượng
của sóng biển luôn là dạng liên tục và có thể nằm bên trái, bên phải hoặc ở giữa của hệ trục
tọa độ và năng lượng lớn nhất sẽ nằm ở dải tần có tần số max (tại f = 0,068Hz).
Một số chuyển động tàu trong hệ tọa độ cố định
Hệ tọa độ Đề các cố định được xây dựng theo giả thiết [5,7]: tàu đang đứng trên nước
tĩnh, không chuyển động, chọn trọng tâm tàu G làm gốc của hệ tọa độ. Hệ tọa độ theo
nguyên tắc bàn tay phải trục Oz hướng lên trên, ngược với chiều tác động của lực hút
trường trái đất, trục Ox hướng về trước mũi tàu.
-15-
Hình 1.5: Hệ tọa độ các chuyển động lắc tàu trên sóng (nguồn: [15])
Trên hình 1.5 mô tả 6 chuyển động lắc của tàu, trong đó 3 chuyển động dọc trục và 3
chuyển động quay quanh trục.
+ Chuyển động số 1 dọc trục Ox.
+ Chuyển động số 2 dọc trục Oy.
+ Chuyển động số 3 dọc trục Oz, gọi là lắc đứng hoặc nhồi.
+ Chuyển động số 4 dọc trục Ox, gọi là lắc ngang.
+ Chuyển động số 5 dọc trục Oy, lắc dọc.
+ Chuyển động số 6 dọc trục Oz.
Trong thực tế chuyển động số 4 được gọi là lắc tàu hay cụ thể hơn lắc ngang còn
chuyển động số 5 được gọi là lắc dọc. Mỗi dạng lắc tàu đều gây hậu quả xấu cho hoạt động
bình thường của tàu. Lắc đứng (chuyển động số 3) kết hợp với lắc dọc làm giảm đáng kể
tốc độ tàu khi chạy trên sóng, gây hiện tượng nước phủ boong tàu, làm ướt hàng hoá và dễ
gây nguy hiểm cho tàu. Lắc ngang số 4, hoặc lắc số 4 kết hợp với chuyển động dạt ngang
(số 2) có thể những trường hợp nguy hiểm nếu xét ổn định tàu. Chuyển động số 6 dẫn đến
mất ăn lái, đặc biệt khi tàu chạy trên sóng đuổi. Đã có những trường hợp tàu bị mất ổn định
khi chạy cắt sóng ở góc gần π/4, phía sau lái, sau khi bị chuyển động số 6 làm vô hiệu hoá
tính chịu lái của tàu.
Mục đích để đưa ra vấn đề nguyên nhân gây ra sức cản hay lắc tàu và ảnh hưởng tới tốc
độ tàu khi tàu chạy trên sóng để từ đó lựa chọn hướng chạy của tàu, vấn đề ảnh hưởng đến
các chuyển động (lắc) của tàu là do năng lượng của sóng kết hợp với hàm chuyển lắc Y (Y
sẽ được tiến hành qua kết quả tính toán trong thiết kế thân tàu) tạo thành lắc giữa tàu và
sóng. Vì thành phần lắc số 3 kết hợp với số 5 có ảnh hưởng tới tốc độ tàu nhiều nhất còn
các thành phần lắc còn lại ít ảnh hưởng đến tốc độ tàu cho nên đây cũng là điều kiện chỉ
xét tàu chạy theo một hướng (chạy theo hướng cắt sóng).
Chuyển động tàu trên sóng điều hòa
Phản ứng của tàu dưới tác động của một sóng điều hoà là dao động với biên độ và chu
kỳ phụ thuộc vào biên độ, tần số sóng. Phản ứng của tàu với nhiều sóng điều hoà có biên
-16-
độ, tần số khác nhau, tác động đồng thời sẽ là tập hợp các phản ứng riêng lẻ với từng sóng.
Chuyển động của tàu duới tác động của sóng là kết quả đầu ra của quá trình động lực học,
là phản ứng của tàu trước tác động từ phía sóng. Phương trình chuyển động của tàu được
viết theo cách hiểu đó sẽ có dạng [5].
x j = S mW j (ω ) sin ωt
(1.15)
Trong đó, Sm biên độ sóng điều hoà, ω tần số góc của sóng. Trong công thức trên thành
phần S mW j (ω ) đóng vai trò biên độ dao động của chuyển động thứ j của sóng. Biên độ dao
động của tàu Ym phụ thuộc vào biên độ cực đại của sóng điều hòa và hàm chuyển W (ω )
của hệ động lực học là tàu trên sóng điều hòa.
Ym = S mW (ω )
(1.16)
Hàm chuyển W(ω) theo cách diễn đạt trên đây là tỷ lệ giữa biên độ của tín hiệu ra và tín
hiệu vào:
W (ω ) =
Ym
Sm
(1.17)
Đây cũng là các hạn chế của công trình số [5] mới chỉ nêu nghiên cứu chuyển động của
tàu trên sóng điều hòa mà chưa đề cập đến chuyển động của tàu trên sóng ngẫu nhiên. Cho
nên đây cũng là yếu tố để phát triển, đề xuất mô hình sóng mới.
Vấn đề về điều khiển tốc độ tàu thủy
Con tàu muốn di chuyển được thì phải đặt vào nó một lực đẩy để thắng lực cản của
nước và không khí, lực đẩy có được do máy sản sinh. Từ xa người ta dùng chèo, buồm và
sau đó máy móc thiết bị như phụt, guồng, chân vịt và nhiều dạng khác nữa. Thiết bị đẩy
dùng sức mạnh cơ khí đầu tiên là kiểu phụt có bơm được chế tạo ở Anh năm 1661, nước
do bơm đẩy về sau với tốc độ cao và phản lực gây ra lực đẩy. Năm 1785 dùng thiết bị đẩy
là máy hơi nước truyền động guồng 2 bên tàu và năm 1805 chân vịt. Năm 1894 thiết bị đẩy
tàu dùng tua bin và sau thế hệ tua bin thì thiết đẩy là diesel truyền động chân vịt.
Từ đó đến nay trên các tàu thủy vẫn sử dụng thiết bị đẩy là diesel và việc thực hiện điều
khiển tốc độ tàu được thực hiện thông qua hệ điều khiển diesel. Để thay đổi tốc độ tàu thì
người vận hành phải tác động trực tiếp đến hệ thống điều khiển tức là tác động đến cơ cấu
chấp hành làm thay đổi lượng nhiên liệu vào diesel rồi từ đó sẽ thay đổi tốc độ quay chân
vịt. Các thế hệ điều khiển tốc độ tàu ban đầu là: điện cơ, vi xử lý, PLC... Nhược điểm của
các hệ thống trên là tính linh hoạt và sự mềm dẻo của nó không có, vì vậy xu hướng thay
thế dần các thế hệ cũ bằng các lý thuyết điều khiển logic mờ kết hợp với PID ngày càng
mở rộng với lý do sau:
+ Ưu điểm cơ bản của lý thuyết điều khiển mờ so với PID là có thể tổng hợp được bộ
điều khiển mà không cần biết trước đặc tính của đối tượng một cách chính xác. Vì thế đối
-17-
với con tàu là một đối tượng phi tuyến phức tạp và việc xây dựng mô hình cực kỳ khó khăn
tuy nhiên chúng ta đã đơn giản hóa và đưa ra mô hình toán điển hình.
+ Bộ điều khiển kết hợp giữa logic mờ và PID: Nhờ ưu điểm của bộ mờ ở vòng điều
khiển ngoài mà bộ PID lúc này linh hoạt, mềm dẻo hơn rất nhiều, có thể rút ngắn thời gian
quá độ, độ quá điều chỉnh nhỏ, ổn định hơn.
Nguyên lý điều khiển tốc độ:
Quá trình điều khiển được thực hiện từ xa, nhưng theo thứ tự các thao tác để điều khiển
đối tượng lại do con người thực hiện. Còn quá trình điều khiển từ xa được thực hiện từ xa
nhưng người điều khiển chỉ phát ra lệnh ban đầu và sau đó thứ tự thực hiện các thao tác
điều khiển là do hệ thống tự động thực hiện. Để mô tả tàu thủy ở dạng tổng quan nhất về
đối tượng điều khiển, cơ cấu chấp hành, vị trí điều khiển được thể hiện trên hình 1.6.
Hình 1.6: Bố trí đối tượng và vị trí điều khiển trên tàu thủy
Đối tượng điều khiển là động cơ diesel lai chân vịt. Việc thay đổi tốc độ của diesel phải
đáp ứng được những yêu cầu sau đây:
+ Thay đổi tốc độ theo ý muốn.
+ Tốc độ của diesel có thể thay đổi theo chương trình định trước.
+ Có khả năng ổn định tốc độ ở mọi chế độ tải của diesel.
Muốn thay đổi tốc độ phải thay đổi tham số cho trước của bộ điều tốc từ xa. Hệ thống thay
đổi tốc độ thường dùng hệ thống lặp (truy theo). Cho đến nay nguyên lý điều khiển tốc độ
tàu vẫn được dùng như hình 1.7 dưới đây [66]:
-18-
