Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi để nâng cao chất lượng hệ thống lái tự động tàu nổi có choán nước (Luận án tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Hoàng Thị Tú Uyên

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN
THÍCH NGHI ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG
LÁI TỰ ĐỘNG TÀU NỔI CÓ CHOÁN NƯỚC

Ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 9520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. GS.TS Phan Xuân Minh
2. PGS.TS Lê Quang

Hà Nội – 2018


Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn
của giáo viên hướng dẫn và các nhà khoa học. Tài liệu tham khảo trong luận án được
trích dẫn đầy đủ. Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa từng được
các tác giả khác công bố.
Hà Nội, ngày ….. tháng …. năm …..
Tập thể hướng dẫn

Nghiên cứu sinh

GS.TS Phan Xuân Minh PGS.TS Lê Quang

Hoàng Thị Tú Uyên

ii


Lời cảm ơn
Trong quá trình làm luận án, tôi đã nhận được nhiều góp ý về chuyên môn cũng như
sự ủng hộ giúp đỡ của tập thể cán bộ hướng dẫn, của các nhà khoa học, của các đồng
nghiệp. Tôi xin được gửi tới họ lời cảm ơn sâu sắc.
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến tập thể hướng dẫn đã trực tiếp hướng dẫn tôi bằng
cả tâm huyết trong suốt thời gian qua.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, tập thể Bộ môn Điều khiển tự
động, Viện Điện, Viện đào tạo sau đại học, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo
điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện luận
án.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các đồng nghiệp tại khoa Điện – Cơ, đặc biệt là ban
chủ nhiệm khoa, ban giám hiệu trường Đại học Hải Phòng nơi tôi công tác, đã tạo mọi
điều kiện thuận lợi nhất để tôi được yên tâm học tập nghiên cứu.
Cuối cùng là lời cảm ơn sự ủng hộ, động viên khích lệ của gia đình thân yêu để tôi
hoàn thành nhiệm vụ học tập.
Hà Nội, ngày ….. tháng …. năm …..
Nghiên cứu sinh

Hoàng Thị Tú Uyên

iii


MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................................................vi
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................................................................................. x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ........................................................................................................................................... x
MỞ ĐẦU .............................................................................................................................................................................1

1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu ......................................................................................................................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án ........................................................................ 2
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ................................................................................ 3
5. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................................................ 3
6. Bố cục của luận án .............................................................................................................................. 3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ LÁI TÀU THỦY ................5

1.1.

Mô hình động lực học của phương tiện hàng hải ........................................................... 5

1.1.1.

Phân tích về vị trí và hướng chuyển động của tàu ................................................ 8

1.1.2.

Phương trình chuyển động của phương tiện hàng hải (Dynamics)............... 8
1.1.2.1.

Phương trình chuyển động của vật rắn ...................................................... 8

1.1.2.2.

Lực và momen thủy động lực học .............................................................. 10

1.1.2.3.
hải

Hệ phương trình chuyển động 6 bậc tự do của phương tiện hàng
……………………………………………………………………………………………….12

1.1.3. Mô hình động lực học của tàu thủy ba bậc tự do trên mặt phẳng nằm
ngang. ………………………………………………………………………………………………………….14
1.1.4.

1.2.

Các mô hình được đơn giản hóa từ mô hình ba bậc tự do của tàu thủy. ... 15
1.1.4.1.

Mô hình tàu tốc độ thấp trong bài toán ổn định vị trí động ............. 15

1.1.4.2.

Mô hình động lực học tàu ba bậc tự do thiếu cơ cấu chấp hành .... 15

1.1.4.3.

Mô hình riêng cho vận tốc tiến và tính điều động (maneuvering) 16

1.1.4.4.

Những phương trình lái tàu tuyến tính ................................................... 17

1.1.4.5.

Những phương trình lái tàu phi tuyến ..................................................... 18

Đánh giá tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ................................................. 19

1.2.1.

Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................................ 19

1.2.2.

Tình hình nghiên cứu ngoài nước ............................................................................ 19

1.3. Tổng quan về các phương pháp điều khiển điều độngvà bám quỹ đạo cho tàu
ba bậc tự do đủ cơ cấu chấp hành .................................................................................................. 21
1.3.1.

Phương pháp điều khiển backstepping ................................................................. 21

1.3.2.

Phương pháp điều khiển backstepping thích nghi ............................................ 22

1.3.3.

Phương pháp xấp xỉ bằng mạng nơ-ron ................................................................ 25
iv

1.4.

Cơ sở phương pháp luận ...................................................................................................... 27

1.4.1.

Kỹ thuật backstepping .................................................................................................. 27

1.4.2.

Điều khiển trượt ............................................................................................................. 30

1.4.3.

Điều khiển mặt động ..................................................................................................... 31

1.4.4.

Mạng nơ-ron nhân tạo RBF ........................................................................................ 35

1.5.

Kết luận của chương 1........................................................................................................... 38

CHƯƠNG 2 ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI TRƯỢT BACKSTEPPING CHO MÔ HÌNH LÁI TÀU 3D
BẰNG MẠNG NƠ-RON NHÂN TẠO....................................................................................................................... 39

2.1.

Tổng hợp bộ điều khiển trượt backstepping ............................................................... 39

2.1.1.

Tổng hợp bộ điều khiển ............................................................................................... 40

2.1.2.

Khảo sát tính ổn định của hệ ...................................................................................... 41

2.1.3.

Kết quả mô phỏng số với mô hình tàu xác định.................................................. 43

2.2.

Tổng hợp bộ điều khiển trượt backstepping trên cơ sở mạng nơ-ron nhân tạo.
………………………………………………………………………………………………………………..57

2.2.1.

Xấp xỉ véc-tơ hàm bất định bằng mạng nơ-ron nhân tạo................................ 57

2.2.2.

Phát biểu định lý và chứng minh về tính ổn định của hệ kín......................... 58

2.3.

Mô phỏng trên nền kỹ thuật số .......................................................................................... 61

2.4.

Kết luận chương 2 ................................................................................................................... 73

CHƯƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI MẶT ĐỘNG TRÊN CƠ SỞ MẠNG NƠ-RON NHÂN TẠO .. 74

3.1.

Tổng hợp bộ điều khiển bằng kỹ thuật DSC .................................................................. 74

3.1.1.

Tổng hợp bộ điều khiển ............................................................................................... 74

3.1.2.

Khảo sát tính ổn định của hệ thống ......................................................................... 76

3.1.3.

Kết quả mô phỏng số với mô hình tàu xác định.................................................. 77

3.2.

DSC thích nghi cho mô hình tàu bất định bằng mạng nơ ron nhân tạo .............. 83

3.2.1.

Xấp xỉ véc-tơ hàm bất định bằng mạng nơ-ron nhân tạo................................ 83

3.2.2.

Phát biểu định lý và chứng minh tính ổn định của hệ ...................................... 83

3.3.

Mô phỏng trên nền kỹ thuật số .......................................................................................... 86

3.4.

Kết luận chương 3 ................................................................................................................... 94

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN.................................................................................... 95
DANH MỤC NHỮNG CÔNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ ............................................................................. 97
Các công trình liên quan trực tiếp đến luận án ..................................................................................... 97
Các công trình không liên quan trực tiếp đến luận án ....................................................................... 98
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................................................................. 99
PHỤ LỤC ...................................................................................................................................................................... 103

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Danh Mục Các Ký Hiệu
𝑪()

Ma trận Coriolis và lực hướng tâm của phương tiện hàng hải

𝑪𝐴 ()

Ma trận Coriolis và lực hướng tâm thủy động lực học khối lượng nước kèm

𝑪𝑅𝐵

Ma trận Coriolis và lực hướng tâm của vật rắn

𝑫

Ma trận suy giảm thủy động lực học tuyến tính

𝑫𝑛 ()

Ma trận suy giảm thủy động lực học phi tuyến

𝑫()

Ma trận suy giảm thủy động lực học

𝒈(𝜼)

Véc-tơ lực đẩy và lực trọng trường

𝑰0

Ma trận quán tính hệ thống xung quanh điểm O

𝑱1 (𝜼2 )

Ma trận quay chuyển đổi vận tốc dài

𝑱2 (𝜼2 )

Ma trận quay chuyển đổi vận tốc góc

𝑱(𝜼)

Ma trận quay chuyển đổi vận tốc dài và vận tốc góc

𝑚

Khối lượng của vật rắn

𝑴𝐴

Ma trận quán tính hệ thống của khối lượng nước kèm

𝑴𝑅𝐵

Ma trận quán tính hệ thống vật rắn

𝑸

Véc-tơ hồi quy của mạng nơ-ron RBF

𝑾

Véc-tơ trọng số mạng nơ-ron

𝑢

Vận tốc dài theo phương 𝑥 hệ tọa độ gắn thân

𝑣

Vận tốc dài theo phương 𝑦 hệ tọa độ gắn thân



Vận tốc dài theo phương 𝑧 hệ tọa độ gắn thân

𝑝

Vận tốc góc quay lắc quanh trục 𝑥 hệ tọa độ gắn thân

𝑞

Vận tốc góc quay lật quanh trục y hệ tọa độ gắn thân
vi


𝑟

Vận tốc góc quay hướng quanh trục 𝑧 hệ tọa độ gắn thân

𝒔

Véc-tơ mặt trượt

𝒛𝑖

Véc-tơ sai lệch 𝑖 = 1, 2 … 𝑛

𝑥

Tọa độ của tàu theo phương 𝑥 hệ tọa độ NED

𝑦

Tọa độ của tàu theo phương 𝑦 hệ tọa độ NED

𝑧

Tọa độ của tàu theo phương 𝑧 hệ tọa độ NED



Góc lắc, xung quanh trục 𝑥 hệ tọa độ NED



Góc lật, xung quanh trục 𝑦 hệ tọa độ NED

𝜓

Góc hướng, xung quanh trục 𝑧 hệ tọa độ NED

𝒓𝑔

Véc-tơ tọa độ của trọng tâm của vật rắn

𝜼1

Véc-tơ biểu diễn vị trí của tàu trong hệ tọa độ gắn trái đất

𝜼2

Véc-tơ biểu diễn góc hướng của tàu trong hệ tọa độ gắn trái đất

𝜼

Véc-tơ biểu diễn vị trí và góc hướng của tàu trong hệ tọa độ gắn trái đất

1

Véc-tơ vận tốc dài trong hệ tọa độ gắn thân

2

Véc-tơ vận tốc góc trong hệ tọa độ gắn thân



Véc-tơ vận tốc dài và vận tốc góc trong hệ tọa độ gắn thân

𝜖

Sai số xấp xỉ của mạng nơ-ron

𝜇𝑖

Trọng tâm trường tiếp nhận của hàm Gauss

ϛ𝑖

Độ tản

𝒍

Véc-tơ đầu vào mạng nơ-ron

𝑸

Véc-tơ hồi quy của mạng nơ-ron RBF

𝑾

Ma trận trọng số mạng nơ-ron

𝝉1

Véc-tơ lực tác động trong hệ tọa độ gắn thân
vii


𝝉2

Véc-tơ momen tác động trong hệ tọa độ gắn thân

𝝉

Véc-tơ lực và momen đẩy tác động lên tàu trong khung tọa độ gắn thân

𝝉𝐷

Véc-tơ lực và momem suy giảm

𝝉𝐻

Véc-tơ lực và momen thủy động lực

𝝉𝑅𝐵

Véc-tơ lực và momen tổng quát tác động lên tàu trong khung tọa độ gắn
thân

𝝉𝑅

Véc-tơ lực và momen cảm ứng bức xạ tác động lên tàu

𝒘

Véc-tơ lực và momen nhiễu loạn từ môi trường

Danh Mục Các Chữ Viết Tắt
Ký hiệu

Tiếng Anh

Tiếng Việt

ANB

Adaptive neural network backstepping

Thích nghi nơ-ron backstepping

ANSB

Adaptive neural network sliding mode
backstepping

Thích nghi nơ-ron trượt
backstepping

ANSBC

Adaptive neural network sliding mode
backstepping control

Điều khiển thích nghi nơ-ron
trượt backstepping

ANDSC

Adaptive neural network dynamic
surface control

Điều khiển thích nghi nơ-ron
mặt động

BODY

Body-fixed reference frame

Khung tọa độ quy chiếu gắn thân

CG

Center of gravity

Trọng tâm

CB

Center of buoyancy

Tâm nổi

DSC

Dynamic surface control

Điều khiển mặt động

ECI

The Earth-centered inertial frame

Khung tọa độ quán tính gốc

trùng tâm trái đất.

ECEF

Earth-centered Earth-fixed reference
frame

Khung tọa độ tham chiếu có gốc
trùng tâm trái đất.

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

INS

Inertial Navigation System

Hệ thống dẫn đường quán tính

IFAC

International Federation of Automatic
Control

Hiệp hội quốc tế về tự động hóa

viii

ISS

Input-to-state stable

Ổn định trạng thái đầu vào

LTĐTT

Autopilot of ship

Lái tự động tàu thủy

LQR

Linear quadratic regulator

Bộ điều khiển tối ưu toàn
phương

LQG

Linear quadratic Gaussian

Bộ điều khiển tối ưu toàn
phương kháng nhiễu

MIMO

Multiple Inputs, Multiple Outputs

Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra

MSS

Multiple sliding surface

Đa mặt trượt

MNN

Multiple layer neural networks

Mạng nơ-ron nhiều lớp

NED

North-East-Down

Hệ tọa độ có các trục hướng bắc
– hướng đông – hướng tâm trái
đất

PE

Persistent excitation

Kích thích bền (liên tục)

RBF

Radial basis function

Hàm hướng tâm

RIF

Radiation-Induced Forces

Lực cảm biến bức xạ

SISO

Single Input and Single Output

Một đầu vào, một đầu ra

SMC

Sliding mode control

Điều khiển trượt

SMB

Sliding mode backstepping

Trượt backstepping

SNAME

Society of Naval Architects and Marine
Engineers

Hiệp hội kiến trúc hải quân và
hàng hải

ix


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1-1. Các ký hiệu của SNAME .................................................................................................. 6
Bảng 1-2 Những thông số đã được xác định của tàu CyberShip II.................................. 23

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1-1. Các biến chuyển động của phương tiện hàng hải ( nguồn [19] ) ....................... 5
Hình 1-2. Các khung tọa độ quy chiếu ( nguồn [19]) .................................................................... 6
Hình 1-3. Khung tọa độ quy chiếu quán tính gắn trái đất và khung tọa độ gắn thân ....... 9
Hình 1-4. Ổn định khuynh tâm theo chiều ngang tàu ( nguồn [19]) .................................. 13
Hình 1-5. Các bộ đẩy của tàu đủ cơ cấu chấp hành..................................................................... 20
Hình 1-6. Cơ cấu chân vịt và bánh lái của tàu thiếu cơ cấu chấp hành ............................... 20
Hình 1-7 Sơ đồ cấu trúc hệ thống DSC (nguồn [61]) ................................................................. 32
Hình 1-8. Xấp xỉ hàm bất định bằng mạng RBF .......................................................................... 36
Hình 2-1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển lái tàu thủy bằng bộ điều khiển SMB ............ 43
Hình 2-2. Quỹ đạo bám với các nhiễu tác động khác nhau: quỹ đạo đặt 𝜼𝑑 " − ", quỹ
đạo bám 𝜼 "−. " .......................................................................................................................................... 44
Hình 2-3. Sai số bám theo trục x trong các trường hợp hàm chặn 𝒑(𝜼,  ) = 0.1: ........ 45
Hình 2-4. Sai số bám theo trục x trong các trường hợp 𝒑(𝜼,  ) = 0.1:............................ 45
Hình 2-5. Sai số bám theo trục y trong các trường hợp 𝒑(𝜼,  ) = 0.1:............................. 45

Hình 2-6. Sai số bám theo trục y trong các trường hợp 𝒑(𝜼,  ) = 0.1:............................ 46
Hình 2-7. Sai số bám theo 𝜓 trong các trường hợp 𝒑(𝜼,  ) = 0.1: .................................... 46
Hình 2-8. Sai số bám theo 𝜓 trong các trường hợp 𝒑(𝜼,  ) = 0.1: .................................... 46
Hình 2-9. Đầu vào điều khiển trên trục x trong trường hợp 𝒑(𝜼,  ) = 0.1:..................... 47
Hình 2-10. Đầu vào điều khiển trên trục x trong trường hợp 𝒑(𝜼,  ) = 0.1:................ 47
Hình 2-11. Đầu vào điều khiển trên trục y trong trường hợp 𝒑(𝜼,  ) = 0.1:................ 48
Hình 2-12. Đầu vào điều khiển trên trục y trong trường hợp 𝒑(𝜼,  ) = 0.1:................ 48
Hình 2-13. Đầu vào điều khiển theo 𝜓 trong trường hợp 𝒑(𝜼,  ) = 0.1: ........................ 49
Hình 2-14. Đầu vào điều khiển theo 𝜓 trong trường hợp 𝒑(𝜼,  ) = 0.1: ....................... 49
Hình 2-15. Quỹ đạo bám với các nhiễu tác động khác nhau: quỹ đạo đặt 𝜼𝒅 " − ", quỹ
đạo bám 𝜼 "−. " .......................................................................................................................................... 50
Hình 2-16. Sai số bám theo trục x trong các trường hợp hàm chặn 𝒑(𝜼,  ) = 0.5: ...... 51
Hình 2-17. Sai số bám theo trục x trong các trường hợp 𝒑(𝜼,  ) = 0.5: .......................... 51
Hình 2-18. Sai số bám theo trục y trong các trường hợp hàm chặn 𝒑(𝜼,  ) = 0.5: ..... 51
Hình 2-19. Sai số bám theo trục y trong các trường hợp 𝒑(𝜼,  ) = 0.5: .......................... 52
Hình 2-20. Sai số bám theo 𝜓 trong các trường hợp hàm chặn 𝒑(𝜼,  ) = 0.5: .............. 52
Hình 2-21. Sai số bám theo 𝜓 trong các trường hợp 𝒑(𝜼,  ) = 0.5: ................................... 52
Hình 2-22. Đầu vào điều khiển trên trục x trong trường hợp 𝒑(𝜼,  ) = 0.5: ................. 53
Hình 2-23. Đầu vào điều khiển trên trục x trong trường hợp 𝒑(𝜼,  ) = 0.5: ................. 53
Hình 2-24. Đầu vào điều khiển trên trục y trong trường hợp 𝒑(𝜼,  ) = 0.5:.................. 54
Hình 2-25. Đầu vào điều khiển trên trục y trong trường hợp 𝒑(𝜼,  ) = 0.5:................. 54
Hình 2-26. Đầu vào điều khiển 𝜓 trong trường hợp 𝒑(𝜼,  ) = 0.5:.................................... 55
Hình 2-27. Đầu vào điều khiển 𝜓 trong trường hợp 𝒑(𝜼,  ) = 0.5:................................... 55
Hình 2-28. Cấu trúc mạng nơ-ron ..................................................................................................... 57
Hình 2-29. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển ANSBC ........................................................ 61
Hình 2-30. Quỹ đạo bám với các nhiễu tác động khác nhau: quỹ đạo đặt 𝜼𝒅 " − ", quỹ
đạo bám 𝜼 "−. " .......................................................................................................................................... 62
x

Hình 2-31. Sai số bám theo trục x: không có nhiễu “−“, nhiễu hằng “- -“, nhiễu hàm 1 “.”....................................................................................................................................................................... 63
Hình 2-32. Sai số bám theo trục x: không có nhiễu “−“, nhiễu hàm 2 “- -“, nhiễu trắng
“-.” ................................................................................................................................................................... 63
Hình 2-33. Sai số bám theo trục y: không có nhiễu “−“, nhiễu hằng “- -“, nhiễu hàm 1 “.”....................................................................................................................................................................... 63
Hình 2-34. Sai số bám theo trục y: không có nhiễu “−“, nhiễu hàm 2 “- -“, nhiễu trắng
“-.” ................................................................................................................................................................... 64
Hình 2-35. Sai số bám theo 𝜓: không có nhiễu “−“, nhiễu hằng “- -“, nhiễu hàm 1 “-.”64
Hình 2-36. Sai số bám theo 𝜓: không có nhiễu “−“, nhiễu hàm 2 “- -“, nhiễu trắng “-.”
......................................................................................................................................................................... 64
Hình 2-37. Đầu vào điều khiển trên trục x: không có nhiễu “−“, nhiễu hằng “- -“, nhiễu
hàm 1 “-.”...................................................................................................................................................... 65
Hình 2-38. Đầu vào điều khiển trên trục x: không có nhiễu “−“, nhiễu hàm 2 “- -“,
nhiễu trắng “-.”........................................................................................................................................... 65
Hình 2-39. Đầu vào điều khiển trên trục y: không có nhiễu “−“, nhiễu hằng “- -“, nhiễu
hàm 1 “-.”...................................................................................................................................................... 66
Hình 2-40. Đầu vào điều khiển trên trục y: không có nhiễu “−“, nhiễu hàm 2 “- -“,
nhiễu trắng “-.”........................................................................................................................................... 66
Hình 2-41. Đầu vào điều khiển 𝜓: không có nhiễu “−“, nhiễu hằng “- -“, nhiễu hàm 1 “.”....................................................................................................................................................................... 67
Hình 2-42. Đầu vào điều khiển 𝜓 : không có nhiễu “−“, nhiễu hàm 2 “- -“, nhiễu trắng
“-.” ................................................................................................................................................................... 67
Hình 2-43. So sánh quỹ đạo bám của hai bộ điều khiển ANB (“--“) và ANSBC(“-.-“) với
quỹ đạo tham chiếu (“−")...................................................................................................................... 69
Hình 2-44. So sánh sai số bám của hai bộ điều khiển ANB (“--“) và ANSBC(“−“) .......... 70
Hình 2-45. So sánh tín hiệu điều khiển 𝜏𝑥 của hai bộ điều khiển ANB (“--“) và
ANSBC(“−“) ................................................................................................................................................ 71
Hình 2-46. So sánh tín hiệu điều khiển 𝜏𝑦 của hai bộ điều khiển ANB (“--“) và ANSBC
(“−“)............................................................................................................................................................... 71
Hình 2-47. So sánh tín hiệu điều khiển 𝜏𝜓 của hai bộ điều khiển ANB (“--“) và
ANSBC(“−“) ................................................................................................................................................ 72
Hình 3-1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển lái tàu thủy bằng bộ điều khiển DSC ............. 77

Hình 3-2. Quỹ đạo bám với các nhiễu tác động khác nhau: quỹ đạo đặt 𝜼𝒅 " − ", quỹ
đạo bám 𝜼 "−. " .......................................................................................................................................... 78
Hình 3-3. Sai số bám theo trục x: không có nhiễu “−“, nhiễu hằng “- -“, nhiễu hàm 1 “-.”
......................................................................................................................................................................... 79
Hình 3-4. Sai số bám theo trục x: không có nhiễu “−“, nhiễu hàm 2 “- -“, nhiễu trắng “.”....................................................................................................................................................................... 79
Hình 3-5. Sai số bám theo trục y: không có nhiễu “−“, nhiễu hằng “- -“, nhiễu hàm 1 “.”....................................................................................................................................................................... 79
Hình 3-6. Sai số bám theo trục y: không có nhiễu “−“, nhiễu hàm 2 “- -“, nhiễu trắng “.”....................................................................................................................................................................... 79
Hình 3-7. Sai số bám theo 𝜓: không có nhiễu “−“, nhiễu hằng “- -“, nhiễu hàm 1 “-.” .. 80
Hình 3-8. Sai số bám theo 𝜓: không có nhiễu “−“, nhiễu hàm 2 “- -“, nhiễu trắng “-.” . 80
Hình 3-9. Đầu vào điều khiển trên trục x: không có nhiễu “−“, nhiễu hằng “- -“, nhiễu
hàm 1 “-.”...................................................................................................................................................... 80
Hình 3-10. Đầu vào điều khiển trên trục x: không có nhiễu “−“, nhiễu hàm 2 “- -“,
nhiễu trắng “-.”........................................................................................................................................... 81
xi


Hình 3-11. Đầu vào điều khiển trên trục y: không có nhiễu “−“, nhiễu hằng “- -“, nhiễu
hàm 1 “-.”...................................................................................................................................................... 81
Hình 3-12. Đầu vào điều khiển trên trục y: không có nhiễu “−“, nhiễu hàm 2 “- -“,
nhiễu trắng “-.”........................................................................................................................................... 81
Hình 3-13. Đầu vào điều khiển theo 𝜓: không có nhiễu “−“, nhiễu hằng “- -“, nhiễu
hàm 1 “-.”...................................................................................................................................................... 82
Hình 3-14. Đầu vào điều khiển theo 𝜓: không có nhiễu “−“, nhiễu hàm 2 “- -“, nhiễu
trắng “-.” ....................................................................................................................................................... 82
Hình 3-15. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển lái tàu thủy bằng bộ điều khiển ANDSC .... 86
Hình 3-16. Quỹ đạo bám với các nhiễu tác động khác nhau: quỹ đạo đặt 𝜼𝒅 " − ", quỹ
đạo bám 𝜼 "−. " .......................................................................................................................................... 87
Hình 3-17. Sai số bám theo trục x: không có nhiễu “−“, nhiễu hằng “- -“, nhiễu hàm 1 “.”....................................................................................................................................................................... 88
Hình 3-18. Sai số bám theo trục x: không có nhiễu “−“, nhiễu hàm 2 “- -“, nhiễu trắng
“-.” ................................................................................................................................................................... 88

Hình 3-19. Sai số bám theo trục y: không có nhiễu “−“, nhiễu hằng “- -“, nhiễu hàm 1 “.”....................................................................................................................................................................... 88
Hình 3-20. Sai số bám theo trục y: không có nhiễu “−“, nhiễu hàm 2 “- -“, nhiễu trắng
“-.” ................................................................................................................................................................... 89
Hình 3-21. Sai số bám theo 𝜓: không có nhiễu “−“, nhiễu hằng “- -“, nhiễu hàm 1 “-.”89
Hình 3-22. Sai số bám theo 𝜓: không có nhiễu “−“, nhiễu hàm 2 “- -“, nhiễu trắng “-.”
......................................................................................................................................................................... 89
Hình 3-23. Đầu vào điều khiển trên trục x: không có nhiễu “−“, nhiễu hằng “- -“, nhiễu
hàm 1 “-.”...................................................................................................................................................... 90
Hình 3-24. Đầu vào điều khiển trên trục x: không có nhiễu “−“, nhiễu hàm 2 “- -“,
nhiễu trắng “-.”........................................................................................................................................... 90
Hình 3-25. Đầu vào điều khiển trên trục y: không có nhiễu “−“, nhiễu hằng “- -“, nhiễu
hàm 1 “-.”...................................................................................................................................................... 90
Hình 3-26. Đầu vào điều khiển trên trục y: không có nhiễu “−“, nhiễu hàm 2 “- -“,
nhiễu trắng “-.”........................................................................................................................................... 90
Hình 3-27. Đầu vào điều khiển 𝜓: không có nhiễu “−“, nhiễu hằng “- -“, nhiễu hàm 1 “.”....................................................................................................................................................................... 91
Hình 3-28. Đầu vào điều khiển 𝜓: không có nhiễu “−“, nhiễu hàm 2 “- -“, nhiễu trắng “.”....................................................................................................................................................................... 91
Hình 3-29. So sánh sai số bám quỹ đạo trục x của hai bộ điều khiển ANSBC (“--“) và
ANDSC(“−“) ................................................................................................................................................ 91
Hình 3-30. So sánh sai số bám quỹ đạo trục y của hai bộ điều khiển ANSBC (“--“) và
ANDSC(“−“) ................................................................................................................................................ 92
Hình 3-31. So sánh sai số bám quỹ đạo theo ψ của hai bộ điều khiển ANSBC (“--“) và
ANDSC(“−“) ................................................................................................................................................ 92
Hình 3-32. So sánh tín hiệu điều khiển 𝜏𝑥 của hai bộ điều khiển ANSBC (“--“) và
ANDSC(“−“) ................................................................................................................................................ 92
Hình 3-33. So sánh tín hiệu điều khiển 𝜏𝑦 của hai bộ điều khiển ANSBC (“--“) và
ANDSC (“−“) ............................................................................................................................................... 93
Hình 3-34. So sánh tín hiệu điều khiển 𝜏𝜓 của hai bộ điều khiển ANSBC (“--“) và
ANDSC (“−“) ............................................................................................................................................... 93

xii

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Tầm quan trọng của các phương tiện hàng hải đã được thể hiện trong các lĩnh vực
vận tải, khảo sát, giám sát, nghiên cứu khôi phục môi trường biển và nhiều ứng dụng
trong quân sự. Ở nước ta trong nhiều năm gần đây, theo chủ trương phát triển và hiện
đại hóa ngành công nghiệp đóng tàu, các cơ sở nghiên cứu cùng với các nhà máy đóng
tàu trong nước đã không ngừng nâng cao năng lực thiết kế, đổi mới về mặt công nghệ
để đóng mới hàng loạt tàu với nhiều chủng loại như tàu nghiên cứu biển, tàu cho
ngành hải sản đánh bắt hải sản xa bờ, tàu cao tốc cho ngành hải quan và cảnh sát biển,
v.v. Cùng với việc đóng mới là vấn đề về trang bị kỹ thuật tự động hóa hiện đại cho
phù hợp với những con tàu này như hệ thống tự động hóa buồng máy, hệ thống tự
động về các máy phát điện, hệ thống nghi khí hàng hải như định vị vệ tinh, ra đa, máy
đo sâu, hệ lái tự động tàu thủy (LTĐTT). Để nâng cao chất lượng các hệ thống điều
khiển trên tàu thì việc nghiên cứu các phương pháp điều khiển hiện đại ứng dụng cho
các hệ thống tự động trên tàu đóng vai trò quan trọng.
Trên thế giới, việc nghiên cứu hệ thống lái tự động đã được tiến hành trong một
thời gian dài. Hiệp hội quốc tế về tự động hóa (IFAC) nhận định hệ thống điều khiển
lái tàu là bài toán điều khiển điển hình khó giải quyết [59]. Lý do chính là bởi điều
khiển lái tàu thủy có nhiều thách thức xuất phát từ thực tế:
1) môi trường làm việc của phương tiện hàng hải là động, phức tạp và không có cấu
trúc, điều này dẫn đến nhiễu loạn không dự báo được đối với hệ thống điều khiển, ví
dụ như dòng chảy đại dương, sóng và gió;
2) mô hình động lực học của tàu là mô hinh phi tuyến bất định nên việc thiết kế bộ
điều khiển gặp không ít khó khăn.
Những năm đầu của thế kỷ 20 cho đến nay, những nghiên cứu về hệ thống điều
khiển lái tàu được quan tâm và phát triển không ngừng. Từ thập niên 20 đến thập
niên 60 các công bố chủ yếu về phương pháp điều khiển động (xây dựng trên nền tảng

bộ điều khiển PID). Năm 1911 Elmer Sperry đã xây dựng máy lái tự động đầu tiên
bằng cách phát triển hệ điều khiển kín cho tàu [5],[20]. Năm 1922 Nicholas Minorsky
đã mở rộng kết quả của Sperry, đưa ra luật điều khiển ba trạng thái ProportionalIntegral-Derivative (PID) [41]. Những năm đầu của thập niên 70, phương pháp điều
khiển trong không gian trạng thái được phát triển. Phần lớn các công trình công bố
dựa trên điều khiển tối ưu toàn phương (LQR hoặc LQG) [9, 10, 34]. Nhược điểm cơ
bản của các phương pháp này là phải biết chính xác mô hình toán học của hệ thống lái
tàu. Thực chất các phương tiện hàng hải là các đối tượng bất định (dưới dạng tham số
hoặc hàm số), ngoài ra chịu ảnh hưởng rất lớn của nhiễu môi trường, do vậy những
năm gần đây lý thuyết điều khiển thích nghi được quan tâm nghiên cứu nhiều hơn cho
các hệ thống này [6, 26, 30, 64]. Thập niên cuối của thế kỷ XX bùng nổ các nghiên cứu
về điều khiển phi tuyến, đặc trưng là ứng dụng hàm điều khiển và hàm điều khiển
thích nghi Lyapunov cho hệ thống lái tàu. Hướng nghiên cứu này mang lại nhiều thành
công trong điều khiển các đối tượng phi tuyến có mô hình bất định kiểu hằng số.
Đối với các hệ thống phi tuyến bất định kiểu hàm số và chịu ảnh hưởng của nhiễu
môi trường thì các phương pháp điều khiển và nâng cao chất lượng luôn là những
thách thức. Đó cũng là động lực cho việc lựa chọn đề tài nghiên cứu của tác giả.
1


2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích của luận án là nghiên cứu áp dụng điều khiển thích nghi hiện đại để xây
dựng bộ điều khiển mới nhằm nâng cao chất lượng hệ thống lái tàu nổi có choán nước
(sau đây gọi tắt là tàu thủy). Để thực hiện được mục tiêu này, luận án đặt ra ba nhiệm
vụ chính sau:
- Nghiên cứu các phương pháp điều khiển thích nghi phi tuyến đã được công bố
trong và ngoài nước trong những năm gần đây, đặc biệt ở lĩnh vực điều khiển
hệ thống lái tàu thủy. Phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp đó làm
nền tảng phát triển những đóng góp mới cho luận án.
- Nghiên cứu áp dụng mạng nơ-ron nhân tạo để xấp xỉ những thành phần động
học bất định của hệ thống lái, trên cơ sở đó phát triển các giải thuật điều khiển

thích nghi.
- Nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển thích nghi trên cơ sở kết hợp các kỹ
thuật điều khiển phi tuyến với mạng nơ-ron nhân tạo.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
Hệ thống điều khiển lái phương tiện hàng hải nói chung thường được xây dựng
thành 3 khối độc lập là dẫn đường, định vị và điều khiển (GNC). Những hệ thống này
tương tác với nhau thông qua sự truyền tín hiệu và dữ liệu như minh họa ở hình vẽ.

Khối dẫn đường: là hệ thống tính toán tạo ra quỹ đạo, vận tốc và gia tốc tham
chiều (mong muốn) của tàu. Những dữ liệu để tính toán thường được cung cấp từ
người điều hành và hệ thống định vị. Các phần tử cơ bản của hệ thống dẫn đường là
những cảm biến đo chuyển động (vận tốc, gia tốc), dữ liệu thu thập bên ngoài như dữ
liệu thời tiết (hướng và tốc độ gió, độ cao và độ dốc của sóng, tốc độ và hướng dòng
chảy) và thiết bị tính toán. Thiết bị tính toán có chức năng thu thập, xử lý thông tin và
2


Luận án Full đủ ở file: Luận án full