Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều khiển truyền động nhiều động cơ cho chuyển động tàu thuỷ

Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội
------------****-----------

hoàng xuân bình

Nghiên cứu nâng cao chất lượng hệ điều
khiển truyền động nhiều động cơ cho
chuyển động tàu thuỷ
Chuyên ngành: Dụng cụ, Thiết bị tự động
và điều khiển từ xa
M· sè: 2. 05. 06

LuËn ¸n tiÕn sü kü thuËt

Ng­êi h­íng dÉn khoa häc
1. Pgs. Ts. Bïi qc kh¸nh

2. Pgs. Tskh. Thân ngọc hoàn

Hà nội - 2004


2

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận án


3

Lời cảm ơn
Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Hội đồng khoa học
của bộ môn Tự động hoá XNCN, thầy Trưởng bộ môn, Ban Chủ nhiệm khoa
Khoa Điện - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và tập thể hướng dẫn khoa
học: Thầy giáo PGS. TS. Bùi Quốc Khánh, thầy giáo PGS. TSKH. Thân Ngọc
Hoàn, Thầy giáo TS. Lưu Kim Thành.
Tôi xin chân thành cảm ơn GS. TS. Nguyễn Công Hiền, GS. TS.
Nguyễn Trọng Thuần đà cho tôi những ý kiến quý báu trong quá trình học tập,
nghiên cứu và hoàn thành luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Tiến sỹ Toán học: Hoàng văn Hùng, Tiến sỹ
Toán học: Phạm Văn Minh tổ Toán Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đÃ
giảng giải và cho tôi những ý kiến xác đáng về toán học để luận án được hoàn
thành.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, các Cô giáo ở bộ môn Tự
động hoá XNCN, thầy Trưởng khoa Điện trường Đại học Bách khoa Hà nội đÃ
đóng góp ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận án trong
thời gian làm NCS tại bộ môn.
Tôi xin chân thành cảm ơn đến tổ bộ môn Điện tự động công nghiệp,
tập thể ban chủ nhiệm khoa Điện - Điện tử tàu biển, toàn thể anh chị em trong
khoa Điện - Điện tử tàu biển trường Đại học Hàng hải Việt Nam ®· ®ãng gãp
ý kiÕn q b¸u, sù gióp ®ì tËn tình trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành
luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn Khoa đào tạo và bồ dưỡng sau đại họcTrường đại học Hàng hải Việt Nam, Xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu
trường Đại học Hàng hải Việt Nam đà tạo điều kiện thuận lợi, luôn luôn động
viên khích lệ để tôi hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu.

Tôi xin chân thành cảm ơn Trung tâm Đào tạo và Bồ dưỡng sau đại họcTrường đại học Bách khoa Hà nội. Xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu
trường Đại học Bách khoa Hà nội đà tạo điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt
để tôi hoàn thành khoá học của nghiên cứu sinh.
Tác giả luận án


4

Mục lục
Trang
Trang phụ bìa

1

Lời cam đoan

2

Lời cảm ơn

3

Mục lục

4

Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt

9

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

11

Mở đầu

16

1. Cơ sở lựa chọn đề tài

16

2. Phương pháp nghiên cứu

18

3. ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài

19

4. Phạm vi và nội dung nghiên cứu của đề tài

19

Chương 1 - tổng quan về điều khiển truyền động
nhiều động cơ cho chuyển động tàu thủy

22

1.1. Sơ lược về sự phát triển của hệ thống điều khiển chuyển động

22

1.2. Tình hình nghiên cứu điều khiển chuyển động cho tàu thủy trên
thế giới và trong nước

23

1.3. Đặc điểm, yêu cầu của các hệ thống điều khiển truyền động
nhiều động cơ cho tàu thủy công trình
1.3.1. Đặc điểm về môi trường công tác của hệ thống

26
26

1.3.2. Các đặc ®iĨm vỊ cÊu tróc cđa c¸c hƯ thèng ®iỊu khiĨn
trun động nhiều động cơ cho chuyển động tàu thủy công trình

26

1.3.3. Các yêu cầu của hệ thống điều khiển truyền động nhiều
động cơ cho chuyển động tàu thủy công trình

27

1.4. Hệ thống điều khiển truyền động nhiều động cơ cho chuyển
động tàu thuỷ công trình

28

5

1.4.1.Đặt vấn đề

28

1.4.2. Điều khiển chuyển động tàu thuỷ bằng truyền động nhiều động cơ

29

1.5. Các phương pháp nâng cao ®é chÝnh x¸c cđa hƯ thèng ®iỊu
khiĨn chun ®éng cho tàu công trình

31

1.5.1. Phương pháp điều khiển bù theo lượng nhiễu loạn

32

1.5.2. Phương pháp điều khiển thích nghi

33

1.6. Kết luận chương 1

40

Chương 2 - xây dựng mô hình toán tổng hợp tín
hiệu điều khiển bám quỹ đạo chuyển động của

tàu thủy
2.1. Đặt vấn đề
2.2. Xây dựng mô hình toán học

41
41
42

2.2.1. Bài toán tổng quát điều khiển chuyển động tàu thủy theo quỹ
đạo cho trước

42

2.2.2 Phương pháp tính toán quỹ đạo chuyển động

47

2.3. Thuật toán nội suy để tính khoảng cách DPi và giá trị của cosi

50

2.3.1. Thuật toán nội suy đối với đường thẳng

51

2.3.2. Thuật toán đối với đường tròn ở góc phần tư thứ nhất chiều thuận

54

2.3.3. Thuật toán đối với đường tròn ở góc phần tư thứ hai chiều thuận

55

2.3.4.Thuật toán đối với đường tròn ở góc phần tư thứ ba chiều thuận

56

2.3.5.Thuật toán đối với đường tròn ở góc phần tư thứ tư chiều thuận

57

2.3.6. Thuật toán đối với đường tròn ở góc phần tư thứ nhất chiều ngược

58

2.3.7. Thuật toán đối với đường tròn ở góc phần tư thứ hai chiều ngược

59

2.3.8. Thuật toán đối với đường tròn ở góc phần tư thứ ba chiều ngược

60

2.3.9. Thuật toán đối với đường tròn ở góc phần tư thứ tư chiều ngược

61

2.4. Kết quả tính toán của phần mềm thiết lập quỹ đạo và xác định tín hiệu
điều khiển vị trí cho các trục trong hệ thống điều khiĨn chun ®éng

62


6

2.5. Kết luận chương 2

63

Chương 3 - xây dựng bài toán tối ưu lực tác động cho
hệ thống điều khiển bám quỹ đạo của tàu thủy

64

3.1. Đặt vấn đề

64

3.2. Bài toán tổng quát về lực tác động trong hệ điều khiển truyền
động nhiều động cơ cho chuyển động tàu thủy

65

3.3. Bài toán tối ưu lực cho hệ thống điều khiển chuyển động tàu
thủy bám quỹ đạo cho trước có 4 trục truyền động

67

3.3.1. Xét trường hợp quỹ đạo là đoạn thẳng

67

3.3.2. Xét trường hợp quỹ đạo là đường cong

68

3.4. Xây dựng thuật toán tính các tín hiệu điều khiển lực F1 , F2 ,F3 ,
F4 cho các trục truyền động.

71

3.4.1. Quỹ đạo là đường thẳng

71

3.4.2. Quỹ đạo là đường cong

77

3.5. Thuật toán, kết quả xác định lực tác động tối ưu

80

3.5.1. Thuật toán xác định bộ lực tác động tối ưu

80

3.5.2. Kết quả xác định lực tác động tối ưu

81

3.6. Kết luận chương 3

81

Chương 4 - tổng hợp hệ thống điều khiển truyền
động nhiều động cơ cho chuyển động tàu thủy

83

4.1. Đặt vấn đề

83

4.2. Xây dựng cấu trúc hệ truyền động nhiều động cơ

84

4.2.1. Sơ đồ tổng quát hệ thống truyền động nhiều động cơ cho
chuyển động tàu thuỷ

84

4.2.2. Sơ ®å cÊu tróc cho mét trơc cđa hƯ trun ®éng điện trong hệ
thống điều khiển chuyển động

84

4.3. Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển PID

87


7

4.3.1. Thông số của các phần tử trong mô hình

87

4.3.2. Mô hình mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển PID

89

4.4. Kết quả mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển PID

89

4.4.1. Tín hiệu đặt vị trí và lực tác động tối ưu

89

4.4.2. Kết quả thực hiện điều khiển vị trí, mômen trên các trục

90

4.4.3. Các sai lệch điều khiển

91

4.4.4. Khảo sát hệ thống dưới tác động của nhiễu ngẫu nhiên

93

4.4.5. Kết quả mô phỏng với sự tác động của nhiễu ngẫu nhiên

95

4.5. ứng dụng bộ điều khiển mờ thích nghi để nâng cao độ bền vững của
hệ điều khiển truyền động nhiều động cơ cho chuyển động tàu thủy
4.5.1. Đặt vấn đề

95
95

4.5.2. Xây dựng cấu trúc điều khiển mờ thích nghi nhiều kênh
điều khiển truyền động nhiều động cơ cho chuyển động tàu thủy

97

4.6. Tổng hợp bộ điều khiển mờ thích nghi

98

4.6.1. Cơ sở lí thuyết

98

4.6.2. Thuật toán tổng hợp bộ điều khiển mờ thích nghi

104

4.7. Mô phỏng hệ thống điều khiển truyền động nhiều động cơ cho
chuyển động tàu thủy với bộ điều khiển mờ thích nghi

108

4.7.1. Cấu trúc bộ điều khiển

108

4.7.2. Các bộ điều khiển mờ vị trí

109

4.7.3. Các bộ điều khiển mờ mômen

111

4.7.4. Sơ đồ mô pháng hƯ thèng víi bé ®iỊu khiĨn mê thÝch nghi

114

4.7.5. Kết quả mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển mờ thích nghi

115

4.7.6. Các sai lệch điều khiển

116

4.8. Mô phỏng hệ thống điều khiển mờ với tác động của nhiễu ngẫu nhiên

118

4.8.1. Sơ đồ mô phỏng

118

4.8.2. Kết quả mô phỏng

119


8

4.9. Kết luận chương 4

121

Chương 5 - xây dựng mô hình thí nghiệm hệ điều
khiển truyền động nhiều động cơ cho chuyển
động tàu thủy

122

5.1. Mô hình vật lý hệ truyền ®éng ®iƯn cho c¸c trơc cđa hƯ ®iỊu khiĨn
trun ®éng nhiều động cơ cho chuyển động tàu thủy
5.1.1. Thông số kỹ thuật của động cơ thực hiện

122

122

5.1.2. Thông số kỹ thuật của các bộ biến đổi Tiristor cấp nguồn
cho phần ứng của động cơ mô hình thí nghiệm

122

5.1.3. Bộ điều khiển PI cho mạch phần ứng và bộ điều khiển
mômen điều chỉnh kích từ động cơ.

123

5.2. Mô hình khâu quan sát tốc độ và Card ghép nối máy tính điều
khiển hệ thống

124

5.3. Mô hình thử nghiệm điều khiển truyền động nhiều động cơ cho
chuyển động tàu thủy

125

5.3.1. Các thông số kỹ thuật cơ bản

125

5.3.2. Mô hình thử nghiệm

125

5.4. Các kết quả thí nghiệm

126

5.4.1. Giao diện giám sát các thí nghiệm

126

5.4.2. Một số kết quả giám sát vị trí và sai lệch vị trí của thí nghiệm

129

5.4.3.Nhận xét kết quả thí nghiệm

133

5.5. Kết luận chương 5

134

Kết luận và kiến nghị

135

Danh mục công trình tác giả

138

Tài liệu tham khảo

139

Phụ lục1

146

Phụ lục2

159


9

Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt
Pi

: Trục truyền động

Fi

: Lực tác động lên các trục

r(t)

: Quỹ đạo chuyển động

D

: Vị trí điểm động trong hệ toạ độ khảo sát

DPi

: Khoảng cách từ điểm động đến các trục truyền động






, n : Véc tơ tiếp tuyến và véc tơ pháp tuyến

i , i

: Góc hợp bởi phương của trục truyền động với véc tơ tiếp tuyến

và véc tơ pháp tuyến
, n : Gia tốc tiếp tuyến và gia tốc pháp tuyến


: Bán kính cong của quỹ đạo

m

: Trọng lượng điểm động

PC

: Máy tính trung tâm để điều khiển hệ thống truyền động điện

ĐK

: Thiết bị ghép nối

BĐCDPƯi

: Bộ điều chỉnh dòng phần ứng thứ i

BĐCDKTi

: Bộ điều chỉnh dòng kích từ thứ i

BBĐPƯi

: Bộ biến đổi mạch phần ứng thứ i

BBĐKTi

: Bộ biến đổi mạch kích từ thứ i

ĐC

: Động cơ

PG

: Máy phát tốc đo tốc độ

BĐTH

: Thiết bị biến đổi tín hiệu

MSX

: Các trục ®iỊu khiĨn chun ®éng tµu thủ

WRV

: Hµm trun cđa bé điều chỉnh vị trí

WR

: Hàm truyền của bộ điều chỉnh tốc độ

WRi

: Hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện


10

WBĐ1

: Hàm truyền của bộ biến đổi công suất lớn

WĐ

: Hàm truyền của động cơ điện một chiều

Wcbi

: Hàm truyền của bộ cảm biến dòng điện

Wcb

: Hàm truyền của cảm biến chỉnh tốc độ

Wcbv

: Hàm truyền của cảm biến vị trí

WB

: Hàm truyền của khâu bù

RM

: Hàm truyền bộ điều khiển mômen

Rik

: Hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện kích từ

Sok

: Hàm truyền mạch kích từ

WBĐ2

: Hàm truyền của bộ biến đổi ở mạch kích từ

Wcbik

: Hàm truyền của bộ cảm biến dòng điện mạch kích từ

MT

: Tín hiệu điều khiển mômen từ chương trình tính

M

: Mômen động cơ

MC

: Mômen cản

e1, e2, e3, e4 : Giá trị các cosi trên giao diện giám sát thí nghiệm
Bd1, Bd2, Bd3, Bd4

: Tín hiệu đặt vị trí cho các trục

Bdo1, Bdo2, Bdo3, Bdo4 : Tín hiệu đo các trục
dB1, dB2, dB3, dB4

: Sai lệch vị trí

Lđ1, Lđ2, Lđ3, Lđ4

: Tín hiệu đặt vị trí cho các trục trong mô phỏng

Lth1, Lth2, Lth3, Lth4

: Tín hiệu thực hiện vị trí của các trục

Mđ1, Mđ2, Mđ3, Mđ4

: Tín hiệu đặt mômen cho các trục trong m« pháng

Mth1, Mth2, Mth3, Mth4

: TÝn hiƯu m«men thùc hiện của các trục

EL1, EL2, EL3, EL4

: Sai lệch vị trí thực hiện của các trục trong mô hình


11

Danh mục các bản vẽ, đồ thị
Trang
Hình 1.1: Sơ đồ điều khiển chuyển động tàu thực hiện công nghệ
trên biển

29

Hình 1.2: Điều khiển tàu thực hiện công nghệ cuốc luồng sông biển

30

Hình 1.3: Sơ đồ điều khiển theo phương pháp bù nhiễu.

32

Hình 1.4 : Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi

34

Hình1.5: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi gián tiếp

35

Hình1.6: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi trực tiếp

36

Hình1.7: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi theo mô hình chuẩn.

37

Hình 1.8: Hệ thống điều khiển thích nghi tự chỉnh.

39

Hình 2.1: Mô tả chuyển động tàu trong hệ toạ độ khảo sát

42

Hình 2.2: Quỹ đạo chuyển động là đoạn thẳng

45

Hình 2.3: Tính DPi

47

Hình.2.4: Tính giá trị DPi

47

Hình 2.5: Thuật toán nội suy tổng quát tính khoảng cách DPi và cosi

50

Hình2.6: Thuật toán nội suy khoảng cách DPi và cosi với quỹ đạo là
đường thẳng

53

Hình 2.7: Thuật toán đối với đường tròn góc phần tư thứ nhất chiều thuận

54

Hình 2.8: Thuật toán với đường tròn góc phần tư thứ 2 chiều thuận

55

Hình 2.9: Thuật toán với đường tròn góc phần tư thứ 3 chiều thuận

56

Hình 2.10: Thuật toán với đường tròn góc phần tư thứ 4 chiều thuận

57

Hình 2.11: Thuật toán với đường tròn góc phần tư thứ nhất chiều nguợc

58

Hình 2.12: Thuật toán với đường tròn góc phần tư thứ 2 chiều nguợc

59

Hình 2.13: Thuật toán với đường tròn góc phần tư thứ 3 chiều nguợc

60

Hình 2.14: Thuật toán với đường tròn góc phần tư thứ 4 chiều nguợc

61

Hình 2.15: Thiết lập quỹ ®¹o chun ®éng

62


12

Hình 2.16: Tín hiệu điều khiển vị trí cho các trục

63

Hình 3.1: Thuật toán tính các lực F13, F14

71

Hình 3.2: Thuật toán tính các lực F22, F24

72

Hình 3.3: Thuật toán tính các lực F32, F33

73

Hình 3.4: Thuật toán tính các lực F41, F44

74

Hình 3.5: Thuật toán tính các lực F51, F53

75

Hình 3.6: Thuật toán tính các lực F61, F62

76

Hình 3.7: Thuật toán tính các lực F13, F14 trên đường cong

77

Hình 3.8: Thuật toán tính các lực F22, F24 trên đường cong

77

Hình 3.9: Thuật toán tính các lực F33, F32 trên đường cong

78

Hình 3.10: Thuật toán tính các lực F41, F44 trên đường cong

78

Hình 3.11: Thuật toán tính các lực F53, F51 trên đường cong

79

Hình 3.12: Thuật toán tính các lực F62, F61 trên đường cong

79

Hình 3.13: Thuật toán xác định lực tác động tối ưu

80

Hình 3.14: Bộ lực tác động tối ưu lên các trục

81

Hình 4.1: Cấu trúc hệ thống điều khiển truyền động nhiều động cơ

84

Hình 4.2: Sơ đồ cấu trúc truyền động điện một trục

86

Hình 4.3: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển chuyển động 4 trục

89

Hình 4.4: Quỹ đạo đặt

89

Hình 4.5a: Tín hiệu đặt vị trí, Hình 4.5b: Tín hiệu đặt mô men

90

Hình 4.6a: Vị trí trục 1, Hình 4.6b: Vị trí trục 2

90

Hình 4.6c: Vị trí trục 3, Hình 4.6d: Vị trí trục 4

90

Hình 4.7a: Mô men trục 1, Hình 4.7b: Mô men trục 2

90

Hình 4.7c: Mô men trục 3, Hình 4.7d: Mô men trục 4

91

Hình 4.8: Quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực hiện

91

Hình 4.9a: Sai lệch vị trí trục 1, Hình 4.9b: Sai lệch vị trí trục 2

91

Hình 4.9c: Sai lệch vị trí trục 3, Hình 4.9d: Sai lệch vị trí trục 4

91

Hình 4.10: Sai lệch vị trí đặt và vị trí thực hiƯn theo Ox vµ Oy

92


13

Hình 4.11: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển chuyển động 4 trục
với tác động của nhiễu ngẫu nhiên

93

Hình 4.12a: Vị trí trục 1, Hình 4.12b: Vị trí trục 2

94

Hình 4.13a: Mô men trục 1, Hình 4.13b: Mô men trục 2

94

Hình 4.14a: Tốc độ, Ikt trục 1, Hình 4.14b: Tốc độ, Ikt trục 2

94

Hình 4.15: Quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực hiện khi có nhiễu

94

Hình 4.16: Sai lệch quỹ đạo thực hiện theo các trục Ox và Oy

95

Hình 4.17: Sơ đồ cấu trúc điều khiển mờ thích nghi nhiều kênh

97

Hình 4.18: Sơ đồ nguyên lí của một kênh điều khiển mờ thích nghi

104

Hình 4.19: Hàm liên thuộc 7 tập mờ

105

Hình 4.20: Lưu đồ thuật toán hàm mờ cơ sở (e)

106

Hình 4.21: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển mờ thích nghi

108

Hình 4.22: Hàm liên thuộc của các đầu vào và đầu ra của bộ điều khiển
mờ thích nghi của kênh vị trí 1

109

Hình 4.23: Luật điều khiển, quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ thích
nghi của kênh vị trí 1

109

Hình 4.24: Hàm liên thuộc của các đầu vào và đầu ra của bộ điều khiển
mờ thích nghi của kênh vị trí 2

109

Hình 4.25: Luật điều khiển, quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ
thích nghi của kênh vị trí 2

110

Hình 4.26: Hàm liên thuộc của các đầu vào và đầu ra của bộ điều khiển
mờ thích nghi của kênh vị trí 3

110

Hình 4.27: Luật điều khiển, quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ
thích nghi của kênh vị trí 3

110

Hình 4.28: Hàm liên thuộc của các đầu vào và đầu ra của bộ điều khiển
mờ thích nghi của kênh vị trí 4

111

Hình 4.29: Luật ®iỊu khiĨn, quan hƯ vµo ra cđa bé ®iỊu khiĨn mờ
thích nghi của kênh vị trí 4

111


14

Hình 4.30: Hàm liên thuộc của các đầu vào và đầu ra của bộ điều khiển
mờ thích nghi của kênh mô men 1

111

Hình 4.31: Luật điều khiển, quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ
thích nghi của kênh mô men 1

112

Hình 4.32: Hàm liên thuộc của các đầu vào và đầu ra của bộ điều khiển
mờ thích nghi của kênh mô men 2

112

Hình 4.33: Luật điều khiển, quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ
thích nghi của kênh mô men 2

112

Hình 4.34: Hàm liên thuộc của các đầu vào và đầu ra của bộ điều khiển
mờ thích nghi của kênh mô men 3

113

Hình 4.35: Luật điều khiển, quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ
thích nghi của kênh mô men 3

113

Hình 4.36: Hàm liên thuộc của các đầu vào và đầu ra của bộ điều khiển
mờ thích nghi của kênh mô men 4

113

Hình 4.37: Luật điều khiển, quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ
thích nghi của kênh mô men 4

114

Hình 4.38: Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển mờ thích nghi

114

Hình 4.39: Mô men, vị trí đặt và mô men, vị trí thực hiện trục 1

115

Hình 4.40: Mô men, vị trí đặt và mô men, vị trí thực hiện trục 2

115

Hình 4.41: Mô men, vị trí đặt và mô men, vị trí thực hiện trục 3

115

Hình 4.42: Mô men, vị trí đặt và mô men, vị trí thực hiện trục 4

115

Hình 4.43: Quỹ đạo thực hiện và quỹ đạo đặt

116

Hình 4.44a: Sai lệch vị trí trục 1

116

Hình 4.44b: Sai lệch vị trí trục 2

116

Hình 4.44c: Sai lệch vị trí trục 3

116

Hình 4.44d: Sai lệch vị trí trục 4

116

Hình 4.45: Sai lệch quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực hiện theo Ox, Oy

116

Hình 4.46: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển mờ với tác động cđa nhiƠu

118


15

Hình 4.47: Mô men, vị trí đặt và mô men, vị trí thực hiện trục 1

119

Hình 4.48: Mô men, vị trí đặt và mô men, vị trí thực hiện trục 2

119

Hình 4.49: Mô men, vị trí đặt và mô men, vị trí thực hiện trục 3

119

Hình 4.50: Mô men, vị trí đặt và mô men, vị trí thực hiện trục 4

119

Hình 4.51: Quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực hiện

120

Hình 4.52: Sai lệch quỹ đạo thực hiện theo Ox, Oy

120

Hình 5.1: Mô hình các bộ biến đổi Tiristor

123

Hình 5.2a: Card bộ quan sát và xử lý tín hiệu tốc độ

124

Hình 5.2b: Card DAC ghép nối máy tính với hệ thống

124

Hình 5.3: Mô hình thử nghiệm điều khiển chuyển động tàu

125

Hình 5.4: Kết quả thí nghiệm1

126

Hình 5.5: Kết quả thí nghiệm 2.

126

Hình 5.6: Kết quả thí nghiệm 3

127

Hình 5.7: Kết quả thí nghiệm 4

127

Hình 5.8: Kết quả thí nghiệm 5

128

Hình 5.9: Kết quả thí nghiệm 6

128

Hình 5.10: Giám sát quỹ đạo thực hiện và quỹ đạo đặt

129

Hình 5.11: Sai lệch vị trí trục 1

129

Hình 5.12: Sai lệch vị trí trục 2

129

Hình 5.13: Sai lệch vị trí trục 3

130

Hình 5.14: Sai lệch vị trí trục 4

130

Hình 5.15: Sai lệch quỹ đạo đặt và thực hiện

130

Hình 5.16: Giám sát quỹ đạo thực hiện và quỹ đạo đặt

131

Hình 5.17: Sai lệch vị trí trục 1

131

Hình 5.18: Sai lệch vị trí trục 2

131

Hình 5.19: Sai lệch vị trí trục 3

132

Hình 5.20: Sai lệch vị trí trục 4

132

Hình 5.21: Sai lệch quỹ đạo đặt và thực hiÖn

132


16

Mở đầu
1. Cơ sở lựa chọn đề tài
Đại hội đại biểu toàn quốc lần thứ VIII của Đảng đà quyết định đẩy
mạnh công nghiệp hoá, hiện đại hoá nhằm mục tiêu dân giàu nước mạnh, xÃ
hội công bằng, văn minh, vững bước tiến lên chủ nghĩa xà hội. Để thực hiện
Nghị quyết đại hội VIII, Hội nghị lần thứ hai Ban Chấp hành Trung ương
quyết định định hướng chiến lược về phát triển khoa học và công nghệ trong
thời kỳ công nghiệp hoá - hiện đại hoá và nhiệm vụ đến năm 2020. Nâng cao
năng lực khoa học và công nghệ để làm chủ các công nghệ tiến, công nghệ
cao. Tiếp thu khoa học và công nghệ thế giới để ứng dụng có hiệu quả công
nghệ mới; tạo ra sản phẩm có tính cạnh tranh cao; phát triển nền khoa học
công nghệ Việt Nam đạt trình độ tiến trong khu vực, tiếp cận với trình độ thế
giới, làm cơ sở vững chắc cho phát triển các ngành công nghiệp hiện đại; đẩy

mạnh việc phổ biến và ứng dụng các thành tựu khoa học và công nghệ vào sản
suất và đời sống.
Từ giữa thế kỷ 20 nhân loại đà chứng kiến cuộc cách mạng khoa học kỹ
thuật phát triển mạnh mẽ trên phạm vi toàn thế giới. Đặc trưng của cuộc cách
mạng khoa học kỹ thuật này là sự phát triển của các lĩnh vực điện - điện tử, kỹ
thuật tin học và tự động hoá. Chính sự phát triển này ®· mang ®Õn sù thay ®ỉi
to lín cho kü tht ®iỊu khiĨn chun ®éng [2], [13], [14], [22], [43].
VÊn ®Ị điều khiển chuyển động để thực hiện công nghệ sản xuất rất đa
dạng và rộng lớn. Điều khiển các thiết bị công nghệ chuyển động chính xác là
yếu tố cơ bản để tạo ra năng suất, chất lượng sản phẩm trong các quá trình
sản xuất công nghiệp. Các hệ thống kỹ thuật điều khiển chuyển động là trung
tâm của mọi thiết bị được sử dụng rộng rÃi trong các ngành sản xuất công
nghiệp. Các hệ điều khiển chuyển động có quy mô, độ phức tạp rất khác nhau
tuỳ thuộc vào đối tượng thực hiện công nghệ. Các hệ điều khiển chuyển động
phổ biến được xây dựng theo nguyên tắc hệ thống kín. Tùy thuộc đáp ứng đầu


17

ra của đối tượng điều khiển mà hệ thống được thiết kế có 2 hoặc 3 mạch vòng
điều khiển [7], [22], [30], [39].
Điều khiển nhóm máy trong ngành chế tạo cơ khí theo nguyên tắc điều
khiển số (NC), hay điều khiển số với sự trợ giúp của máy tính (CNC) thế hệ
mới. Điều khiển các tay máy (Robot), điều khiển các hệ thống sản xuất tự
động linh hoạt (FMS) và điều khiển các quá trình sản xuất tích hợp máy tính
(CIM). Các hệ thống này có khả năng điều khiển chuyển động nhiều chiều,
mà cấu trúc hệ thống gồm nhiều trục truyền động. Nhìn chung các hệ thống
này có mức độ phức tạp cao và rất cao, tạo ra khả năng điều khiển với độ
chính xác tuyệt vời [2], [49] .
Trong các ngành công nghiệp như Hàng không, Hàng hải phương tiện

vận tải đòi hỏi tăng về số lượng và chất lượng. Đặc biệt trong những năm gần
đây đội tàu biển của nước ta đà phát triển một cách nhanh chóng. Kỹ thuật
điều khiển chuyển động cho loại phương tiện này ngày càng đòi hỏi cấp bách.
Các sản phẩm nghiên cøu vỊ hƯ ®iỊu khiĨn chun ®éng phơc vơ cho ngành
công nghiệp đóng tàu, phục vụ đội tàu công trình trong công nghiệp nạo vét
luồng sông biển, công nghiệp thăm dò và dịch vụ khai thác dầu khí có một thị
trường hết sức rộng lớn [14], [16], [21], [30], đây là vấn đề mang tính thời sự
và cấp thiết
Các hướng nghiên cứu điều khiển chuyển động tàu thủy trên sông biển
chủ yếu sau:
Thứ nhất: Điều khiển chuyển động tàu thủy trên sông biển với lực đẩy
tàu chủ yếu được tạo ra từ máy chính tàu thủy. Việc điều khiển chuyển động
bám quỹ đạo cho trước do hệ thống lái thực hiện. Các công trình nghiên cứu
trong và ngoài nước được công bố cho thấy rằng kỹ thuật điều khiển hệ thống
lái tàu thủy đà đạt được nhiều kết quả to lớn [5], [22], [23], [49].
Thứ hai: Điều khiển vị trí động của tàu thủy trong hành trình chạy tàu.
Giải pháp điều khiển chuyển động trong trường hợp này là sự kết hợp điều


18

khiển vị trí tàu dựa vào nhiều hệ thống như : Hệ thống lái để điều khiển tàu
chuyển động bám quỹ đạo; Hệ thống chân vịt đẩy hỗ trợ hệ thống lái tăng tính
cơ động tránh va, tăng tính ổn định vị trí tàu với nhiễu sóng, gió, dòng chảy
khác nhau.
Các công trình nghiên cứu được công bố cho thấy rằng kỹ thuật điều
khiển vị trí động tàu thủy bằng hệ thống DP đạt được tiến bộ vượt bậc [16],
[20], [22], [23], [24], [27], [31].
Thứ ba: Điều khiển chuyển động tàu thủy bằng truyền động nhiều động
cơ. Dạng điều khiển chuyển động tàu trong trường hợp này thường lực kéo

giữ tàu để tàu thủy chuyển động bám quỹ đạo cho trước được tạo ra từ các trục
của hệ thống truyền động. Các hệ thống này thường được ứng dụng cho các
tàu thủy công trình trong công nghiệp nạo vét luồng sông biển, cho tàu phục
vụ công nghiệp khai thác dầu khí và tàu nghiên cứu biển. Các công trình
nghiên cứu và triển khai ứng dụng loại hệ thống này trong các tài liệu [14],
[28], [30], [32, 33] cho thấy rằng còn nhiều vấn đề cần được đặt ra và nghiên
cứu. Trong luận án sẽ đề cập đến các vấn đề nghiên cứu sau:
- Nghiên cứu thành lập bài toán tổng quát điều khiển chuyển động
nhiều trục cho tàu thủy.
- Từ bài toán tổng quát tiến hành nghiên cứu luật điều khiển vị trí cho
các trục thành phần.
- Từ bài toán tổng quát nghiên cứu xác định lực tác động tối ưu cho các
trục truyền động.
- Sau khi đà tìm được luật điều khiển vị trí, lực tác động tối ưu cho từng
trục nghiên cứu giải pháp nâng cao chất lượng cho hệ thống.
2. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết để thành lập bài toán tổng quát về điều khiển
chuyển động tàu thủy bám quỹ đạo cho trước. Từ bài toán tổng quát thành lập
các thuật toán xác định vị trí, lực tác động tối ưu cho các trơc trong hƯ thèng


19

điều khiển chuyển động nhiều trục (Sử dụng các phương pháp phân tích, tổng
hợp và suy luận, suy diễn)
- Dùng mô phỏng để kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu lý thuyết.
- Dùng thực nghiệm để khẳng định kết quả nghiên cứu.
3. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Về ý nghĩa khoa học: Luận án đà đóng góp việc tính toán quỹ đạo
thành phần cho các trục trong hệ thống truyền động nhiều trục cho tàu thủy

trong hệ toạ độ phẳng. Xác định lực tác động tối ưu trên các trục truyền động.
Nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống bằng bộ điều khiển mờ thích nghi
nhiều kênh.
Về thực tiễn: Với kết quả mới thu được, đề tài góp phần:
- Giải quyết một phần những khó khăn trong việc tổng hợp hệ thống
điều khiển chuyển động nhiều trục cho tàu thủy. Đó là việc thiết lập phần
mềm mô phỏng hệ thống trong nghiên cứu, phần mềm điều khiển hệ thống
trong miền thời gian thực tạo điều kiện rút ngắn thời gian nghiên cứu triển
khai ứng dụng.
- Tổng hợp bộ điều khiển mờ nhiều kênh nhằm nâng cao chất lượng hệ
thống mà không cần nhiều kiến thức và kinh nghiệm vận hành của các chuyên
gia.
4. Phạm vi và nội dung nghiên cứu của đề tài
Đề tài nghiên cứu tiến hành nhằm đạt được một số nội dung chính sau
đây:
- Xây dựng Bài toán tổng quát xác định tín hiệu điều khiển hệ điều
khiển truyền động nhiều động cơ cho chuyển động tàu thủy, bài toán tổng
quát nhằm mục đích giải quyết về luật điều khiển vị trí để tàu thủy chuyển
động bám quỹ đạo đặt, tiết kiệm năng lượng trong quá trình chuyển động. Để
đạt được mục đích đó, từ bài toán tổng quát xây dựng hai bài toán cho hệ
thống điều khiển chuyển động tàu thủy có 4 trôc:


20

* Bài toán xác định tín hiệu điều khiển vị trí cho các trục nhằm tìm ra
luật điều khiển vị trí cho từng trục trong hệ thống.
* Bài toán xác định lực tác động cho các trục trong hệ thống nhằm tìm
ra luật điều khiển lực tối ưu cho từng trục.
- Đưa ra giải pháp ứng dụng luật điều khiển vị trí và lực cho hệ thống

điều khiển chuyển động nhiều trục cho tàu thủy.
- ứng dụng kỹ thuật điều khiển hiện đại để nâng cao chất lượng điều
khiển hệ thống truyền động nhiều trục cho tàu thủy.
Khi tiến hành nghiên cứu để giải quyết Bài toán điều khiển chuyển
động nhiều trục cho tàu thủy một cách đầy đủ sẽ gặp nhiều khó khăn vì trong
lĩnh vực này ở trong nước chưa có nhiều công trình nghiên cứu, nguồn tài liệu
ngoài nước gặp nhiều khó khăn. Trong luận văn tác giả tiến hành nghiên cứu
mô hình cơ bản về điều khiển chuyển động tàu thủy bám quỹ đạo đặt để
nhanh chóng tìm ra luật điều khiển vị trí và lực mà chưa đề cập đến môi
trường, thời tiết, hệ số cản chuyển động của tàu thủy.
Toàn bộ nội dung luận án được trình bày gồm 5 chương chính như sau:
Chương 1- Tổng quan về các hệ thống điều khiển truyền động nhiều
động cơ cho chuyển động tàu thủy.
Chương 2- Xây dựng mô hình toán tổng hợp tín hiệu điều khiển bám
quỹ đạo chuyển động của tàu thủy
Chương 3- Xây dựng bài toán tối ưu lực tác động cho hệ thống điều
khiển bám quỹ đạo của tàu thủy.
Chương 4- Tổng hợp hệ điều khiển truyền động nhiều động cơ cho
chuyển động tàu thủy.
Chương 5- Xây dựng mô hình thí nghiệm hệ thống điều khiển truyền
động nhiều động cơ cho chuyển động tµu thđy.


21

Kết luận và kiến nghị: Tóm tắt các nội dung chính của luận án đà giải
quyết. Khẳng định những đóng góp mới và đề xuất những vấn đề cần nghiên
cứu tiếp.
Phần cuối cùng của luận án trình bày một số phụ lục về phần mềm mô
phỏng để nghiên cứu hệ thống và phần mềm điều khiển mô hình nghiên cứu

thực nghiÖm.


22

Chương 1

Chương 1- tổng quan về điều khiển truyền
động nhiều động cơ cho chuyểm động
tàu thủy
1.1 . sơ lược về sự phát triển của hệ thống Điều khiển
chuyển động
Điều khiển chuyển động (Motion Control) [45], [49] là tập hợp các tri
thức thuộc lĩnh vực điều khiển và phối hợp nhiều hệ truyền động tạo thành các
chuyển động theo yêu cầu công nghệ.
Các hệ thống điều khiển chuyển động có lịch sử xây dựng và phát triển
qua nhiều giai đoạn gắn chặt với nền sản xuất công nghiệp và sự tiến bé cđa
khoa häc kü tht [42]. Cã thĨ chia ra thành các giai đoạn phát triển chính như
sau:
Thời kỳ trước những năm 1915 là thời kỳ còn sơ khai, cấu trúc hệ điều
khiển chuyển động còn rất đơn giản.
Từ năm 1930 đến năm 1960 bắt đầu hình thành các bộ điều khiển cho
động cơ điện và các ứng dụng của nó vào các lĩnh vực điều khiển chuyển động
trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Chương trình điều khiển được xây
dựng ở dạng bìa đục lỗ hoặc băng từ.
Thời kỳ từ năm 1960 đến năm 1970 là thời kỳ ứng dụng của điện tử
công nghiệp vào các hệ thống điều khiển chuyển động cho các máy công cụ,
cho công nghiệp hàng không, hàng hải và nhiều lĩnh vực công nghiệp khác.
Thời kỳ từ năm 1970 đến năm 1980 là thời kỳ tự động hoá công nghiệp
vào các hệ thống điều khiển chuyển động đà có những đóng góp rất lớn vào

việc tăng năng suất, nâng cao chất lượng và hiệu quả của nền sản xuất.
Giai đoạn từ năm 1980 đến năm 1990 phát triển hệ điều khiển chuyển
động tự động, hệ thống sản xuất linh hoạt FMS và ngành cơ - ®iƯn tư ra ®êi.


23

Chương 1
Các ngành công nghiệp chế tạo cơ khí, hàng không, hàng hải đà đạt được
những bước tiến vượt bậc.
Từ năm 1990 đến nay ứng dụng cơ - điện tử bậc cao (SuperMechatronics), với sự hỗ trợ của kỹ thuật tin học, các máy tính tốc độ cao đÃ
được ứng dụng cho hệ thống điều khiển chuyển động. Mặt khác hệ thống
thông tin viễn thông đà được nối mạng toàn cầu. Cùng với hệ thống thông tin
dẫn đường hàng không, hàng hải quốc tế ngày càng hoàn thiện. Nguồn thông
tin về vị trí của các phương tiện vận tải hàng không, hàng hải được cập nhật
rất thuận tiện [40], [43], [55].
1.2.

tình hình nghiên cứu điều khiển chuyển động tàu
thủy trên thế giới và trong nước
Điều khiển chuyển động tàu thủy theo quỹ đạo đặt trong hành trình trên

biển, trong luồng, điều động cập và rời cảng được thực hiện bởi hệ thống lái.
Lực đẩy tàu do động cơ chính tạo ra tác động lên bánh lái để thay đổi hướng
mũi tàu. Các giải pháp thiết kế hệ thống lái hiện đại đà được nhiều hÃng trên
thế giới nghiên cứu ứng dụng [14], [16], [22], [59]. Các hệ thống này ngày
càng hoàn thiện về tính năng kỹ thuật đảm bảo điều khiển chính xác tàu
chuyển động theo quỹ đạo cho trước đồng thời có tính cơ động cao trong quá
trình điều khiển chuyển động [14], [35], [43]. Ngoài ra để tăng tính cơ động
tránh va, ổn định tàu trong mọi điều kiện thời tiết, dòng chảy, sóng gió các hệ

thống chống lắc ngang, hệ thống chân vịt đẩy (Tunnel thruster) được phối hợp
hoạt động cùng với hệ thống lái [16], [21], [22].
Tuy nhiên việc điều khiển chuyển động, giữ vị trí tàu trong trường hợp
neo đậu, cập cầu cảng, điều khiển tàu công trình, tàu nghiên cứu biển lực
đẩy tàu không được tạo ra bằng động cơ chính và hệ thống lái không tham gia
hoạt động. Giải pháp thực hiện trong các trường hợp này là điều khiển chuyển


24

Chương 1
động tàu thủy bám quỹ đạo cho trước sử dụng hệ thống truyền động nhiều
động cơ [30], [32], [33], [52].
Hệ thống điều khiển truyền động nhiều động cơ cho chuyển động tàu
thủy được đề cập trong tài liệu [14] . Trong đó sự chuyển động của tàu công
trình nạo vét luồng sông biển, việc điều khiển chuyển động tàu được thực hiện
bằng nhiều động cơ điện một chiều. Điều khiển các trục truyền động điện theo
nguyên tắc hệ thống tương tự. Ưu điểm của dạng hệ thống này là tính tác động
nhanh, ổn định tốc độ cao. Nhược điểm cơ bản của hệ thống là sự đồng bộ vị
trí của các trục chưa được đề cập, điều khiển tàu nạo vét mức độ tự động hoá
còn thấp, giám sát sự hoạt động của hệ thống chưa có sự trợ giúp của máy
tính.
Hệ thống điều khiển truyền động nhiều động cơ cho tàu công trình thực
hiện rải ống, kiểm tra các công trình dưới đáy biển do hÃng F.K. SMITBERGEN NORWY nghiên cứu và triển khai ứng dụng [30]. Ưu điểm của
loại hệ thống này là việc điều khiển đồng bộ vị trí cho các trục, lực căng trên
các cáp kéo cũng như các thông số của hệ thống đà được giám sát bằng máy
tính.
Tuy nhiên việc tối ưu lực trên các trục chưa được đề cập vì thế hệ thống
làm việc thường bị quá tải, mất đồng bộ vị trí giữa các động cơ truyền động,
chỉ tiêu tiết kiệm năng lượng cho hệ thống chưa được đặt ra. Vì thế đối với

dạng hệ thống này việc nghiên cứu tìm ra giải pháp khắc phục những nhược
điểm của hệ thống sẽ đưa lại hiệu quả cao về cả hai mặt kinh tế và kỹ thuật.
Trong tài liệu [22] của h·ng ALSTOM ®· ®Ị xt hƯ thèng DP
(Dynamic Positining) ®Ĩ điều khiển và giám sát vị trí tàu dựa vào hƯ thèng
GPS (Global Positioning System ) tuy nhiªn hƯ thèng DP trên các tàu nhằm ưu
tiên điều khiển vị trí do hệ thống lái phối hợp các hệ thống chân vịt đẩy là chủ
yếu. Hệ thống điều khiển truyền động sử dụng các neo chủ yếu để giữ vị trí
tàu trong chế độ neo đậu. ưu điểm của loại hệ thống này là đà ứng dụng mạng


25

Chương 1
thông tin vệ tinh toàn cầu trong kỹ thuật điều khiển tàu thủy. Tuy nhiên dạng
hệ thống này mới được triển khai ứng dụng những năm gần đây trên thế giới
và trong đội tàu công trình phục vụ công tác thăm dò và khai thác dầu khí ở
Việt Nam. Phần mềm điều khiển hệ thống độc quyền của hÃng sản xuất thiết
bị vì vậy công tác khai thác hệ thống gặp không ít khó khăn và tốn kém.
Các tài liệu [21], [32], [33], [51] nghiên cứu điều khiển chuyển động
tàu vào ra các ụ sửa chữa của các nhà máy đóng tàu, lai dắt tàu qua kênh.. .
Tuy nhiên các công trình này chỉ đề cập đến điều khiển chính xác vị trí mà
chưa xét tới bài toán tối ưu lực trên các trục truyền động để tiết kiệm năng
lượng cho hệ thống.
Đội tàu biển Việt Nam có những đặc điểm sau:
- Trang thiết bị điện trên các tàu biển hầu hết được nhập từ các quốc gia
có nền công nghiệp đóng tàu phát triển như Nhật Bản, Cộng hoà Liên bang
Đức, Ba Lan, Liên bang Nga.. .
- Công tác khai thác các hệ thống gặp nhiều khó khăn, phụ thuộc kỹ
thuật và vật tư thiết bị vào các hÃng sản suất nước ngoài.. .
- Việc kiểm tra, hiệu chỉnh, nâng cao chất lượng hoạt động các hệ thống

gặp nhiều khó khăn vì phần mềm điều khiển hệ thống không được chuyển
giao đầy đủ [22], [30].
Ngành công nghiệp tàu thủy của Việt Nam đang phát triển mạnh việc
khai thác hợp lý trang thiết bị tự động tàu thủy hiện có và giải quyết những bài
toán thực tế về điều khiển truyền động điện tàu thủy là vấn đề cấp bách.
Những năm gần đây đứng trước yêu cầu của ngành công nghiệp đóng
tàu, nhiều trung tâm, tập thể và cá nhân đà tiến hành nghiên cứu các hệ thống
điều khiển chuyển động nhiều trục cho tàu thủy, tuy nhiên kết quả đạt được
còn nhiều hạn chế.