hệ thống điều khiển hàng hải

Hệ thống điều
khiển hàng hải
Chỉ đạo, Dẫn dắt và Điều khiển Tàu biển, Dàn
khoan, và Các thiết bị ngầm
Marine Control Systems – Guidance, Navigation
and Control of Ships, Rigs, and Underwater Vehicles

Tác giả - Author

Người dịch - Translator

Nguyễn Đức Hùng



Hệ thống điều khiển hàng hải
Chỉ đạo, Dẫn dắt và Điều khiển Tàu biển, Dàn khoan, và Các
thiết bị ngầm
Marine Control Systems – Guidance, Navigation and Control of
Ships, Rigs, and Underwater Vehicles
Tác giả: Thor I. Fossen
Norwegian University of Science and Technology
Trondheim, Norway
Người dịch: Nguyễn Đức Hùng
Australian Maritime College
Launceston, Tasmania, Australia


Bản quyền © 2007 Nguyễn Đức Hùng, Thor I. Fossen
Copyright © 2007 Hung D. Nguyen and Thor I. Fossen

Kính tặng:
Giáo sư Jens G. Balchen
người đã dẫn dắt tôi tới thế giới điều khiển phản hồi kì diệu.
(Thor I. Fossen)



Mục lục
Lời nói đầu
Danh mục các bảng
Chương 1 Giới thiệu
1.1 Từ phát minh la bàn con quay tới điều khiển tàu dựa trên mô hình
1.1.1 La bàn con quay và những đóng góp tới điều khiển tàu
1.1.2 Máy lái tự động
1.1.3 Hệ thống định vị động và buộc tàu định vị
1.1.4 Hệ thống điều khiển truy theo điểm chuyển hướng
1.1.5 Hệ thống phóng vệ tinh trên biển (Sea Launch)
1.2 Biểu diễn mô hình tàu biển
1.2.1 Mô hình cổ điển trong ngành đóng tàu
1.2.2 Biểu diễn mô hình véc tơ theo Fossen (1991)
1.3 Nguyên lý chỉ đạo, dẫn dắt và điều khiển
1.3.1 Các định nghĩa về chỉ đạo, dẫn dắt và điều khiển
1.3.2 Điều chỉnh điểm đặt và điều khiển truy theo quỹ đạo
1.4 Cấu tạo cuốn sách

Phần I Mô hình hóa tàu biển
Chương 2 Chuyển động học
2.1 Các hệ tọa độ
2.2 Biến đổi giữa hệ tọa độ BODY (hệ tọa độ cố định trên tàu) và NED (hệ tọa độ đông tây và thẳng

đứng)
2.2.1 Biến đổi góc Euler (Ơ-le)
2.2.2 Bộ bốn đơn vị
2.2.3 Biến đổi góc Euler sang bộ bốn
2.2.4 Biến đổi bộ bốn sang góc Euler
2.2.5 Thuật toán QUEST xác định vị trí và động thái
2.2 Biến đổi giữa hệ tọa độ ECEF (hệ tọa độ gốc tọa độ đặt ở trọng tâm trái đất) và NED
2.3.1 Biến đổi kinh vĩ độ
2.3.2 Biến đổi tọa độ ECEF sang hệ tọa độ kinh vĩ độ
2.3.3 Biến đổi hệ tọa độ kinh độ vĩ độ sang tọa độ ECEF
2.4 Biến đổi ổn định và các trục dòng chảy
2.5 Bài tập
Chương 3 Động học tàu thủy
3.1 Động học chất rắn
3.1.1 Chuyển động ngang
3.1.2 Chuyển động quay (động học động thái)
3.1.3 Các phương trình chuyển động chất rắn
3.2 Các lực và mô men thủy động học
3.2.1 Khối lượng và quán tính gia tăng
3.2.2 Giảm lắc thủy động học
3.2.3 Mô men và quán tính hồi phục
3.2.4 Hệ thống ba lát
3.3 Phương trình chuyển động 6 bậc tự do (6DOF)
3.3.1 Phương trình chuyển động phi tuyến
3.3.2 Phương trình chuyển động tuyến tính
3.4 Biến đổi mô hình dùng Matlab
i


3.4.1 Ma trận biến đổi hệ thống

3.4.2 Tính toán ma trận quán tính hệ thống
3.4.3 Tính toán ma trận ly tâm Coriolis
3.4.4 Tính toán ma trận giảm lắc
3.4.5 Tính toán lực và mô men hồi phục
3.5 Các mô hình tiêu chuẩn cho tàu thủy
3.5.1 Mô hình mặt phẳng ngang 3 bậc tự do
3.5.2 Những mô hình phân ly cho vận tốc chạy tới (forward speed) và điều động (manoeuvring)
3.5.3 Những mô hình chiều dọc và chiều ngang
3.6 Bài tập
Chương 4 Mô hình gió, sóng và dòng chảy
4.1 Mô hình gió
4.1.1 Lực và mô men gió
4.1.2 Lực cản gió của tàu chở hàng (Isherwood 1972)
4.1.3 Lực cản gió của tàu chở dàu rất lớn (VLCC) (OCIMF 1977)
4.1.4 Lực cản gió của tàu dàu lớn và các tàu cỡ trung bình
4.1.5 Lực cản gió của tàu đang neo buộc và công trình nổi
4.2 Mô hình sóng do gió tạo ra
4.2.1 Mô hình tuyến tính của quang phổ sóng
4.2.2 Mô hình đáp ứng sóng tuyến tính
4.2.3 Tần số sóng tới
4.2.4 Lực và các mô men sóng
4.3 Mô hình dòng chảy (hải lưu)
4.3.1 Mô hình dòng chảy không quay 3D
4.3.2 Mô hình dòng chảy không quay 2D (mô hình mặt phẳng ngang)
4.4 Bài tập

Phần II Cơ sở lý thuyết chỉ đạo, dẫn dắt và điều khiển
Chương 5 Các hệ thống chỉ đạo hàng hải
5.1 Các mô hình tham khảo
5.1.1 Mô hình tham khảo vận tốc

5.1.2 Những mô hình tham khảo vị trí và động thái
5.1.3 Các yếu tố bão hòa
5.3.4 Giảm lắc phi tuyến tính
5.2 Hệ thống chỉ đạo điểm chuyển hướng
5.2.1 Điều khiển truy theo và điều khiển điều động
5.2.2 Biểu diễn điểm chuyển hướng
5.2.3 Phát quỹ đạo dùng mô phỏng
5.2.4 Phát đường đi và quỹ đạo dùng nội suy
5.2.5 Lộ trình thời tiết
5.3 Chỉ đạo đường ngắm (LOS = Light-of-Sight Guidance)
5.3.1 Hệ thống chỉ đạo LOS 2 chiều cho tàu mặt nước
5.3.2 Hệ thống chỉ đạo LOS 3 chiều cho thiết bị ngầm
5.4 Bài tập
Chương 6 Các hệ thống hàng hải dựa trên thiết bị ước lượng
6.1 Bộ quan sát cho máy lái tự động
6.1.1 La bàn từ và la bàn con quay
6.1.2 Lọc truyền thấp (low-pass) và lọc notch của chuyển động tần số sóng
6.1.3 Bộ quan sát khuếch đại cố định chỉ dùng số đo la bàn
ii


6.1.4 Bộ lọc sóng dựa trên bộ lọc Kalman chỉ dùng số đo la bàn
6.1.5 Thiết kế bộ quan sát và bộ lọc sóng dùng cả số đo hướng và tốc độ quay trở
6.2 Bộ quan sát cho hệ thống định vị động
6.2.1 Hệ thống dẫn dắt
6.2.2 Hệ thống đo lường quán tính
6.2.3 Bộ lọc Kalman cho vận tốc và chuyển động tần số sóng
6.2.4 Bộ quan sát phi tuyến thụ động cho tốc độ và chuyển động tần số sóng
6.3 Bộ lọc tích phân 6 bậc tự do cho IMU và các hệ thống dẫn dắt vệ tinh
6.3.1 Bộ lọc tích phân cho vị trí và tốc độ tuyến tính

6.3.2 Bộ quan sát động thái
6.4 Bài tập
Chương 7 Các phương pháp điều khiển tàu biển
7.1 Điều khiển PID và phản hồi gia tốc
7.1.1 Hệ thống khối lượng-giảm xóc-lò xo tuyến tính
7.1.2 Phản hồi gia tốc
7.1.3 Phản hồi gia tốc và điều khiển PID
7.1.4 Phản hồi gia tốc MIMO và điều khiển PID phi tuyến
7.1.5 Kỹ thuật định hình quán tính dùng phản hồi gia tốc
7.2 Điều khiển tối ưu bình phương tuyến tính
7.2.1 Bộ điều hòa bình phương tuyến tính
7.2.2 Mở rộng tới truy theo quỹ đạo và hành động vi phân
7.2.3 Nghiệm tổng quá của bài toán truy theo quỹ đạo bình phương tuyến tính (LQ)
7.3 Tuyến tính hóa phản hồi trạng thái
7.3.1 Phân ly trong hệ tọa độ b (tốc độ)
7.3.2 Phan ly trong hệ tọa độ n (vị trí và động thái)
7.3.3 Tuyến tính hóa phản hồi thích nghi
7.4 Cuốn chiếu bộ tích phân
7.4.1 Sơ lược lịch sử lý thuyết cuốn chiếu
7.4.2 Ý tưởng chính của cuốn chiếu bộ tích phân
7.4.3 Cuốn chiếu hệ thống khối lượng-giảm xóc-lò xo SISO
7.4.4 Hành động tích phân dùng thích nghi hóa tham số không đổi
7.4.5 Kỹ thuật tăng cường bộ tích phân
7.4.6 Cuốn chiếu hệ thống khối lượng-giảm xóc-lò xo MIMO
7.4.7 Cuốn chiếu MIMO tàu biển
7.4.8 Thiết kế cuốn chiếu MIMO bằng phản hồi gia tốc
7.5 Chỉ định điều khiển (Control Allocation)
7.5.1 Các mô hình bộ phát động
7.5.2 Chỉ định điều khiển không ràng buộc (bộ phát động không quay được)
7.5.3 Chỉ định điều khiển ràng buộc (bộ phát động không quay được)

7.5.4 Chỉ định điều khiển ràng buộc (lực đẩy phương vị)
7.6 Bài tập

Phần 3 Ứng dụng điều khiển tàu biển và dàn khoan
Chương 8 Máy lái tự động
8.1 Mô hình máy lái tự động
8.1.1 Động học tàu thủy chất rắn
8.1.2 Phương trình lái tàu tuyến tính
8.1.3 Mô hình máy lái tự động không thứ nguyên
8.1.4 Mô hình phi tuyến tính để thiết kế máy lái tự động
8.2 Phân tích ổn định vòng mở tàu biển
iii


8.2.1 Xem xét tính ổn định lái tàu và định vị
8.2.2 Tiêu chuẩn ổn định đoạn thẳng
8.2.3 Tiêu chuẩn ổn định hướng
8.3 Tính năng điều động
8.3.1 Vòng quay trở
8.3.2 Điều động zig-zag Kempf
8.3.3 Điều động pull-out
8.3.4 Điều động xoắn ốc Dieudonné
8.3.5 Điều động xoắn ốc lùi Bech
8.4 Máy lái giữ hướng và điều khiển quay trở
8.4.1 Mô hình tham khảo máy lái tự động
8.4.2 Điều khiển PID cổ điển
8.4.3 Điều khiển PID dùng phản hồi gia tốc
8.4.4 Điều khiển PID dùng truyền thẳng gió
8.4.5 Điều khiển tối ưu bình phương tuyến tính
8.4.6 Tuyến tính hóa phản hồi trạng thái

8.4.7 Tuyến tính hóa phản hồi thích nghi và tính tối ưu
8.4.8 Cuốn chiếu phi tuyến tính
8.4.9 Điều khiển cơ chế trượt SISO
8.4.10 Phản hồi tín hiệu ra
8.5 Bài tập
Chương 9 Máy lái tự động giảm lắc ngang
9.1 Mô hình máy lái tự động lái tàu và giảm lắc ngang
9.1.1 Mô hình tuyến tính của Van Amerongen và Van Cappelle (1981)
9.1.2 Mô hình phi tuyến tính của Son và Nomoto (1981)
9.1.3 Mô hình phi tuyến tính của Christensen và Blanke (1986)
9.2 Hệ thống điều khiển giảm lắc ngang bằng bánh lái (RRD)
9.2.1 Hệ thống điều khiển RRD tối ưu bình phương tuyến tính
9.2.2 Tiêu chuẩn đặc tính cho RRD
9.3 Hệ thống điều khiển ổn định bằng bộ thăng bằng (fin) và RRD
9.3.1 Máy lái tự động tối ưu năng lượng bình phưong tuyến tính có giảm lắc ngang
9.4 Khả năng hoạt động và tiêu chuẩn tỷ lệ say sóng
9.4.1 Tiêu chuẩn giới hạn khả năng hoạt động của con người trong lắc ngang
9.4.2 Tỷ lệ say sóng (MSI = motion sickness incidence)
9.5 Bài tập
Chương 10 Điều khiển truy theo quỹ đạo và điều động
10.1 Điều khiển truy theo quỹ đạo
10.1.1 Hệ thống truy theo cắt ngang PID cổ điển
10.1.2 Hệ thống truy theo cắt ngang đường ngắm
10.1.3 Hệ thống truy theo cắt ngang tối ưu bình phương tuyến tính
10.1.4 Điều khiền truy theo quỹ đạo kém phát động
10.2 Điều khiển điều động
10.2.1 Điều động tín hiệu ra bền vững
10.2.2 Điều động tín hiệu ra thích nghi
10.2.3 Điều khiển điều động tàu kém phát động
10.3 Bài tập

Chương 11 Hệ thống định vị
11.1 Mô hình giữ vị trí tĩnh
11.1.1 Chuyển động học và động học tàu thủy
iv


11.1.2 Mô hình định vị động (DP) và lực đẩy buộc vị trí (PM)
11.1.3 Nhiễu loạn môi trường
11.2 Hệ thống định vị động
11.2.1 Chỉ định lực đẩy trong hệ thống định vị động
11.2.2 Điều khiển tối ưu bình phương tuyến tính
11.2.3 Điều khiển PID phi tuyến tính
11.2.4 Nguyên lý tách ly phi tuyến tính để thiết kế điều khiển PD và bộ quan sát
11.2.5 Cuốn chiếu bộ quan sát phi tuyến tính
11.2.6 Điều khiển tối ưu nghịch đảo phi tuyến
11.2.7 Làm ổn định kém phát động
11.3 Hệ thống buộc vị trí (Position Mooring Systems)
11.4 Điều khiển định vị tối ưu thời tiết (WOPC)
11.4.1 Phương trình chuyển động ba bậc tự do dùng tọa độ cực
11.4.2 Mục tiêu điều khiển tối ưu thời tiết
11.4.3 Thiết kế điều khiển phi tuyến tính và thích nghi
11.4.4 Thí nghiệm và mô phỏng
11.5 Bài tập

Phần IV Ứng dụng điều khiển thiết bị ngầm
Chương 12 Thiết kế hệ thống điều khiển chân vịt
12.1 Mô hình tốc độ trục chân vị và mô tơ
12.1.1 Mô hình tốc độ trục chân vịt
12.1.2 Biểu diễn thống nhất các bộ điều khiển mô tơ một chiều
12.1.3 Tổn thất chân vịt

12.2 Lực đẩy chân vịt và mô hình hóa mô men quay
12.2.1 Lực đẩy và mô men quay gần ổn định tĩnh (quasi-steady)
12.3 Bộ quan sát phi tuyến tính xác định vận tốc trục chân vịt
12.3.1 Tốc độ và động học dòng chảy trục chân vịt thiết bị ngầm
12.3.2 Phương trình bộ quan sát
12.3.3 Phân tích Lyapunov
12.4 Thiết kế điều khiển phản hồi tín hiệu ra phi tuyến tính
12.4.1 Mô hình phi tuyến tính để điều khiển tốc độ trục chân vịt
12.4.2 Phân tích Lyapunov
12.4.3 Mở rộng điều khiển tích phân
Chương 13 Thiết kế máy lái tự động phân ly
13.1 Máy lái tự động hướng
13.1.1 Điều khiển PID, điều khiển tối ưu và điều khiển H ∞
13.1.2 Điều khiển phi tuyến tính
13.1.3 Điều khiển mốt trượt dùng phép phân tích giá trị Eigen
13.2 Máy lái tự động độ sâu
13.2.1 Điều khiển tối ưu
13.2.2 Điều khiển cơ chế trược dùng phép phân tách giá trị Eigen
13.3 Hệ thống điều khiển tốc độ
13.3 Bài tập
Chương 14 Điều khiển vị trí và động thái 6 bậc tự do
14.1 Điều khiển PID phi tuyến tính
14.1.1 Điều chỉnh điểm đặt
14.1.2 Điều khiển truy theo quỹ đạo
14.2 Tuyến tính hóa phản hồi trạng thái
v


14.2.1 Điều khiển truy theo quỹ đạo
14.2.2 Tuyến tính hóa phản hồi thích nghi

14.3 Bài tập

Phần V Phụ lục
Phụ lục A Lý thuyết ổn định phi tuyến
A.1 Ổn định Lyapunov cho hệ thống tự hành
A.1.1 Ổn định và hội tụ
A.1.2 Phương pháp trực tiếp Lyapunov
A.1.3 Định lý Krasovskii – LaSalle
A.1.4 Ổn định hàm số mũ toàn cục
A.2 Ổn định Lyapunov của hệ thống không tự hành
A.2.1 Bổ đề Barbalat
A.2.2 Định lý LaSalle – Yoshizawa
A.2.3 Định lý Matrosov
A.2.4 UGAS khi cuốn chiếu bằng hành động tích phân
Phụ lục B Các phương pháp số
B.1 Rời rạc (xung số) hóa các hệ thống thời gian liên tục
B.1.1 Mô hình không gian trạng thái tuyến tính
B.1.2 Mô hình không gian trạng thái phi tuyến tính
B.2 Phương pháp tích phân số
B.2.1 Phương pháp Euler (Ơ-le )
B.2.2 Phương pháp Adams-Bashforth bậc 2
B.2.3 Phương pháp Runge – Kutta bậc hai (phương pháp Heun)
B.2.4 Phương pháp Runge – Kutta bậc 4
B.3 Vi phân số
Phụ lục C Hộp công cụ Matlab GNC (Matlab GNC Toolbox)
C.1 Thư viện M-file
C.2 Thư viện Simulink
Phụ lục D

Tài liệu tham khảo

Mục lục tìm kiếm theo vần

vi


Lời nhà xuất bản (VN)
Lời giới thiệu (của người dịch)
Ngành giao thông vận tải biển, đóng tàu và khai thác biển của Việt Nam đang mở ra một thời kỳ
mới, thời áp dụng công nghệ khoa học máy tính và công nghệ cao để vươn mình ra biển thăm dò và
khai thác biển đóng góp vào công cuộc xây dựng đất nước. Nhằm đóng góp và khuyến khích phong
trào nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển tự động, tôi xin trân trọng dịch và giới thiệu cuốn
sách “Hệ thống điều khiển hàng hải - Chỉ đạo, Dẫn dắt và Điều khiển Tàu biển, Dàn khoan và Các
thiết bị ngầm” (Marine Control Systems – Guidance, Navigation and Control of Ships, Rigs and
Underwater Vehicles) của tác giả Thor I. Fossen, Khoa Công nghệ Điều khiển Tự động, Đại học
Khoa học và Kỹ thuật Na Uy (NUST, Norwegian University of Science and Technology),
Trondheim, Na Uy.
Cùng với sự phát triển song song với ngành khoa học máy vi tính và phầm mềm, kỹ thuật hệ thống
định vị toàn cầu (GPS, GNSS) và hệ thống định vị toàn cầu vi phân (D-GPS, RTK-GPS), hệ thống
hàng hải quán tính (inertial navigation systems), tàu biển, dàn khoan và các thiết bị ngầm phục vụ
ngành vận tải biển, khai thác dầu khí và thăm dò nghiên cứu biển ngày càng được trang bị nhiều hệ
thống điều khiển hiện đại và mức độ tự động hóa ngày càng cao. Cuốn sách này được tác giả viết
trên cơ sở hệ thống lại những nghiên cứu mới nhất của tác giả và các cộng sự hơn 10 năm tham gia
nghiên cứu và giảng dạy ở NUST. Những kết quả nghiên cứu trong cuốn sách này được phát triển
trên cơ sở lý thuyết và thực hành thiết kế những hệ thống điều khiển như hệ thống điều khiển tàu,
dàn khoan và các thiết bị trên biển khác tại Khoa Công nghệ Điều khiển Tự động từ khi tác giả xuất
bản cuốn sách đầu tay “Chỉ đạo và điều khiển thiết bị trên biển” (Guidance and Control of Ocean
Vehicles) năm 1994.
Cuốn sách này đề cập đến lý thuyết điều khiển hiện đại và những ứng dụng trong thiết kế hệ thống
điều khiển cho tàu biển, dàn khoan, và các thiết bị ngầm dưới nước. Cuốn sách không những đề cập
đến nhiều chủ đề từ việc mô hình hóa các hệ thống động lực học lái tàu của các thiết bị trên biển mà

còn đề cập đến nhiều phương pháp ứng dụng lý thuyết điều khiển khác nhau như điều khiển thích
nghi (adaptive control), điều khiển cơ chế trượt (sliding mode control), điều khiển PID hiện
đại.v.v… Cuốn sách có liệt kê nguồn tài liệu tham khảo phong phú giúp độc giả có thể tìm kiếm
thêm thông tin. Cuốn sách này thích hợp cho sinh viên đại học năm cuối học về môn điều khiển tự
động, cho các kỹ sư điều khiển và những nhà lập trình ứng dụng trong việc thiết kế các hệ thống
điều khiển các thiết bị trên biển. Cuốn sách này cũng có thể dùng làm sách tham khảo cho sinh viên
cao học và nghiên cứu sinh học chuyên sâu về ngành điều khiển tự động và ứng dụng thiết kế các
hệ thống điếu khiển tự động.
Các thuật toán, ví dụ minh họa cho thuật toán và một số mô hình thiết bị trên biển trong cuốn sách
này được lập trình và tính toán bằng MATLAB/Simulink®, một sản phầm phần mềm lập trình của
Hãng Mathworks Inc. Để độc giả tham khảo khi lập trình mô phỏng và phân tích hệ thống điều
khiển tự động tác giả có cung cấp một số chương trình mẫu chạy bằng MATLAB/Simulink, Hộp
công cụ Matlab GNC, mà độc giả có thể tải xuống được từ trang web của tác giả (xem trong phần
Phụ lục C). Ðộc giả nên sử dụng cuốn sách này cùng với MATLAB/Simulink có thể sẽ đạt hiệu quả
cao khi thực hành ứng dụng và sáng tạo trong quá trình thiết kế hệ thống điều khiển tự động. Để có
thể đạt kết quả tốt trong nghiên cứu và ứng dụng thiết kế hệ thống điều khiển, độc giả nên tham
khảo, trang bị và sử dụng một số thiết bị thí nghiệm cần thiết được giới thiệu trong phần Phụ lục D.
Cuốn sách này là cuốn sách thứ hai mà tác giả Fossen viết về các hệ thống điều khiển tự động cho
các thiết bị trên biển. Trong thời gian lưu học tại Đại học Hàng hải Tokyo (nay là Đại học Hải
dương Tokyo), tôi đã có dịp may mắn gặp được tác giả trong một hội nghị quốc tế của Hiệp hội
Điều khiển Tự động Quốc tế (IFAC – International Federation of Automatic Control) ở Fukuoka và
1


sau đó tôi đã có nhiều trao đổi thú vị cùng tác giả. Cũng trong thời gian làm nghiên cứu sinh tại Đại
học Hàng hải Tokyo, tôi đã tham khảo nhiều phần trong cuốn sách đầu tay của tác giả (Chỉ đạo và
điều khiển các thiết bị trên biển), mà phần lớn được cập nhật trong cuốn sách thứ hai này, và đã làm
thí nghiệm thành công trong việc thiết kế hệ thống điều khiển trên tàu huấn luyện của trường. Và
cũng trong thời gian đó ý tưởng dịch cuốn sách đầu tay của tác giả sang tiếng Việt đã nung nấu
trong tôi, nhưng lúc đó tôi chưa thực hiện được vì nhiều lý do, trong đó có lý do về bản quyền, và

phải chờ cho mãi đến bây giờ sau khi cuốn thứ hai được xuất bản tôi mới thực hiện được ý tưởng đó.
Khi dịch cuốn sách này, tôi có hi vọng rằng sẽ góp phần vào công cuộc thúc đẩy việc nghiên cứu và
phát triển các hệ thống điều khiển tự động trên biển ở Việt Nam. Nếu cuốn sách dịch này được
nhiều độc giả Việt Nam đón nhận, đó là niềm vui và khích lệ lớn đối với người dịch.
Cuốn sách này được dịch và hoàn thành trong thời gian hạn hẹp chắc chắn không thể tránh được
thiếu sót, tôi rất mong bạn đọc gần xa đóng góp ý kiến xây dựng để cho lần tái bản sau sẽ được tốt
và hoàn thiện hơn.
Lời cảm tạ: Cuối cùng người dịch xin trân trọng cám ơn…
Australia ngày dd tháng mm năm 2007
Người dịch: TS Nguyễn Ðức Hùng
Department of Martime Engineering
Faculty of Maritime Transport and Engineering
Australian Maritime College, PO BOX 986 TAS 7250 Australia
Email:

2


Lời nói đầu
Động cơ chính viết cuốn sách này của tôi là hệ thống lại những kết quả điều khiển phi tuyến tàu
thủy từ khi tôi xuất bản cuốn sách đầu tiên :“Chỉ đạo và điều khiển thiết bị trên biển” (Guidance and
Control of Ocean Vehicles, Nhà XB John & Sons Ltd. 1994). Hầu hết các kết quả này đã được phát
triển trong Khoa Công nghệ Điều khiển Tự động tại Đại học Khoa học và Kỹ thuật Na-Uy (NTNU)
có hợp tác chặt chẽ với những sinh viên tiến sỹ của tôi: Ola-Erik Fjellstad, Trygve Lauvdal, Jann
Peter Strand, Jan Fredrik Hansen, Bjonar Vik, Svein Peder Berge, Mehrdad P. Fard, Karl Petter
Lindegaard, Ole Morten Aamo, và Roger Skjetne trong suốt thời gian 1991-2002. Chúng tôi là một
nhóm làm việc rất tốt, đã viết được hơn một trăm bài báo đăng tạp chí và hội nghị quốc tế trong giai
đoạn này. Những bài báo này đã mang lại kết quả một số bằng sáng chế và hiệp định công nghiệp.
Đặc biệt, tôi muốn bày tỏ lòng cảm tạ tới ông Roger Skjetne và tiến sỹ Jann Peter Strand vì đã gợi ý,
nghiên cứu các trường hợp (case studies) và đóng góp nhận xét về bản thảo. Họ đã có công mang lại

hầu hết tác công việc/tác phẩm trình bày trong cuốn sách này. Tôi xin cám ơn công ty United
European Car Carriers (UECC) và SeaLaunch LLC đã đóng góp nhiều kết quả thí nghiệm tàu (full
scale) và các nghiên cứu trường hợp cho cuốn sách, tiến sỹ Svein Peder Berge và ông Lars Ove
Soether của công ty Marintek AS đã đóng góp kết quả thí nghiệm kiểm tra bằng tàu mô hình tại Bể
thí nghiệm hải dương (Ocean Basin). Tôi cũng xin chân thành cám ơn GS Svein I Sagatun và Norsk
Hydro đã ủng hộ những dự án nghiên cứu của chúng tôi về hệ thống hàng hải quán tính và khai thác
tàu biển.
Tiến sỹ Bjonar Vik đã đóng góp nhiều công trình vô giá trong khi làm nghiên cứu sinh và cộng tác
trong thời gian 1998-2002. Sự thành thạo chuyên môn của ông trong việc làm nguyên mẫu nhanh
chóng hệ thống điều khiển tàu, lý thuyết điều khiển và hệ thống hàng hải đã mang lại nhiều giá trị
nhất. Sự thành thạo này là một trong những điều then chốt trong việc phát triển Phòng thí nghiệm
GNC (Guidance, Navigation and Control Laboratory), và Phòng thí nghiệm MC (Marine
Cybernetics Laboratory), và Phòng thí nghiệm GPS/INS ở NTNU.
Tôi muốn bày tỏ lòng cám ơn tới gia đình tôi, vợ tôi (Heidi), và các con tôi (Sindre và Lone) đã ủng
hộ dự án viết cuốn sách này. Nếu không có sự ủng hộ của gia đình tôi, có lẽ tôi sẽ không thể hoàn
thành cuốn sách dày 586 trang với rất nhiều phương trình trong vòng chưa đầy hai năm.
Tôi xin chân thành cám ơn GS Asgeir J. Sorensen và GS Tor Arne Jahansen vì cả hai giáo sư đã
dành thời gian đọc kỹ và góp ý cho bản thảo. Tôi cũng xin cám ơn GS Olav Egeland vì ông đã thảo
luận nhiều ý kiến có giá trị về việc mô hình hóa và điều khiển. Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu
sắc tới ông Andrew Ross của Đại học Glasgow vì ông đã trợ giúp cho việc sửa lỗi tiếng Anh. Cuốn
sách này cũng được trợ giúp của nhiều sinh viên tham dự khóa học Chỉ đạo, Dẫn dắt và Điều khiển
(Guidance, Navigation and Control) tại NTNU năm 2002. Họ đã giúp tôi giảm tối thiểu lỗi chính tả
tới mức độ chấp nhận được.
Cuối cùng tôi muốn bày tỏ lòng cám ơn sâu sắc tới GS Miroslav Krstic đã mời tôi tới nghỉ phép tại
Đại học California, San Diego (UCSD) năm 2001 và vì thế tôi đã có dịp rất tốt rời văn phòng làm
việc ở Na Uy để góp phần vào việc hoàn thành cuốn sách trong một thời gian hợp lý.
GS-TS Thor I. Fossen
Tháng 11 năm 2002

3

4


Danh mục các bảng
2.1 Ký hiệu của Hội các nhà đóng tàu và kỹ sư hàng hải Mỹ (SNAME) (1950) dùng trong tàu biển
2.2 Các tham số WGS-84
4.1 Các tham số lực gió trong chuyển động thẳng, ngang và quay trở (Isherwood 1972)
4.2 Định nghĩa mã số trạng thái biển (Sea State Codes) (Price và Bishop, 1974). Cần chú ý rằng xác
suất phần trăm cho các mã số trạng thái biển 0, 1 và 2 được tóm tắt.
4.3 Định nghĩa các số Beaufort (Price và Bishop, 1974)
6.1 Bộ lọc Kalman thời gian liên tục
6.2 Bộ lọc Kalman thời gian rời rạc
6.3 Những đặc tính cho các loại la bàn khác nhau
6.4 Những đặc tính cho các loại máy đo gia tốc khác nhau.
6.5 Bộ lọc Kalman mở rộng thời gian rời rạc
6.6 Lựa chọn thay thế các quy luật cập nhật thông tin động thái. Phép lựa chọn thứ nhất là GAS
trong khi hai phép lựa chọn khác là ổn định tiệm cận cục bộ do cân bằng bất ổn định.
7.1 Định nghĩa bộ phát động (actuators) và biến điều khiển (control variables).
8.1 Các tham số cho tàu hàng và tàu dầu chở đầy hàng.
8.2 Các biến tiêu chuẩn dùng trong hệ Prime (Prime-system) và hệ Bis (Bis-system).
8.3 Các biến tiêu chuẩn sáu bậc tự do (6 DOF normalization variables).
8.4 Mảng Routh.
9.1 Các giá trị Eigen, các tỷ số giảm lắc (damping ratios), và các tần số cho hệ thống điều khiển
giảm lắc ngang chân vịt (RRD control systems)
9.2 Tiêu chuẩn hiệu lực của thuyền viên
10.1 Điều động bền vững (robust maneuvering): các bước i = 3, …, n
10.2 Điều động thích nghi (adaptive maneuvering): bước 2
10.3 Điều động thích nghi: các bước i = 3, …, n

12.1 Mô hình điều khiển động cơ một chiều
A.1 Phân loại các định lý ổn định và hội tụ.

5


6