Ứng dụng thuật toán logic mờ để điều khiển tốc độ tàu thuỷ

..

bộ giáo dục và đào tạo
trường đại học bách khoa hµ néi
---------------------------------------

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ỨNG DỤNG THUẬT TỐN LOGIC MỜ ĐỂ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ
TÀU THỦY

NGÀNH: ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
MÃ SỐ:
TRẦN HỒNG CẦU

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. PHẠM THƯỢNG HÀN

Hà Nội - 2009


-1-

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Vt

: Thể tích lượng chiếm nước của tàu (m3)

u

: Vận tốc của tàu theo hướng trục x (m/giây)

v

: Vận tốc của tàu theo hướng trục y (m/giây)

r

: Tốc độ quay của tàu (độ/giây)

δ

: Góc bánh lái (độ)

ψ

: Góc hành trình của tàu (độ)

β

= - arcsin(v’) : Góc dạt (độ)

Ut

= (u2 + v2)1/2 : Tốc độ của tàu (m/giây)

v’

=

r’

= ϖ :=

v
Ut

: Vận tốc dạt của tàu dạng không thứ nguyên
rL t
u

: Tốc độ quay của tàu dạng không thứ nguyên

g

: Gia tốc trọng trường

τ

=

Bt

: Chiều rộng của tàu (m)

Lt

: Chiều dài của tàu (m)

Ht

: Chiều sâu mớm nước trung bình (m)

mt

: Khối lượng chiếm nước của tàu (tấn)

m’

=

Iz

= 0,05ρ n Vt L2t : Mơmen qn tính tàu so với trục z (tấn.m2)

I'z

ut
Lt

: Thời gian quy đổi dạng không thứ nguyên

mt

ρn 2
Lt H t
2

=

ρn
2

Y

: Khối lượng dạng khơng thứ ngun

Iz

: Mơmen qn tính dạng không thứ nguyên

L4t H t

: Tổng lực dạt

Luận văn cao học

SVTH: Trần Hồng Cầu


-2-

Y

Y’

=

N

: Tổng mômen

N’

=

ρn
L t H t U 2t
2

N
ρn 2
L t H t U 2t
2

: Tổng lực dạt dạng không thứ nguyên

: Tổng mômen dạng không thứ nguyên

Na

∂N '
= '
∂a

N’ab

=

∂2 N '
: Đạo hàm của mômen quay đối với cả a’, b’
∂a '∂b '

N’abc

=

∂3 N '
∂a '∂b '∂c '

N’s

: Biên độ của mơmen tạo ra bởi sóng

N’g

: Biên độ của mơmen tạo ra bởi gió

Y’a

=

∂Y '
∂a '

: Đạo hàm của lực dạt đối với a’

Y’ab

=

∂ 2Y '

∂a '∂b '

: Đạo hàm của lực dạt đối với cả a’, b’

Y’abc

=

∂ 3Y '
: Đạo hàm của lực dạt đối với cả a’, b’, c’
∂a '∂b '∂c '

Y’s

: Biên độ của lực dạt tạo ra bởi sóng

Y’g

: Biên độ của lực dạt tạo ra bởi gió

xg,yg

: Tọa độ trọng tâm tàu trên quỹ đạo

xG

: Vị trí tọa độ trọng tâm trên tàu

’

: Đạo hàm của mômen quay đối với a’

: Đạo hàm của mômen quay đối với cả a’, b’, c’

k11, k22, k26, k66 : Hệ số liên kết khối lượng con tàu
Fd

: Diện tích quy đổi của mặt phẳng kình nổi tàu thủy

Ss

: Diện tích quy đổi của bánh lái

ρn

: Tỷ trọng của nước (tấn/m3)

Luận văn cao học

SVTH: Trần Hồng Cầu


-3-

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Định nghĩa các chuyển động của phương tiện trên biển.
Bảng 2.1. Các tham số cho mơ hình CS2 lấy theo thực nghiệm.
Bảng 2.2. Hệ kín trong điều khiển thích nghi tốc độ tàu.
Bảng 2.3. Hệ kín trong điều khiển trượt tốc độ tàu.
Bảng 2.4. Hệ kín trong hệ thống điều khiển tốc độ tàu PID phi tuyến.

Bảng 4.1: Luật chỉnh định KP
Bảng 4.2: Luật chỉnh định KD
Bảng 4.3: Luật chỉnh định KI

Luận văn cao học

SVTH: Trần Hồng Cầu


-4-

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Hệ tọa độ cho tàu biển.
Hình 2.1. Mơ hình tàu thử CS2
Hình 3.1: Hàm liên thuộc µ (x) có mức chuyển đổi tuyến tính.
Hình 3.2: Giá trị biến ngơn ngữ nhiệt độ.
Hình 3.3 : Giải mờ bằng phương pháp cực đại
Hình 3.4: Bộ điều khiển mờ cơ bản
Hình 3.5: Bộ điều khiển mờ động
Hình 3.6: Hệ kín, hồi tiếp âm với sự tham gia của bộ điều khiển mờ
Hình 4.1. Bộ điều khiển PID
Hình 4.2. Sơ đồ Simulink mơ phỏng hệ thống
Hình 4.3 Sơ đồ Simulink mơ phỏng phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất
Hình 4.4 Kết quả mơ phỏng phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất
Hình 4.5 Xác định hằng số khuếch đại tới hạn
Hình 4.6 Kết quả mơ phỏng phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai
Hình 4.7. Sơ đồ bộ điều khiển PID mờ
Hình 4.8: Đáp ứng tín hiệu đầu ra
Hình 4.9: Sơ đồ bộ điều khiển mờ trong simulink.

Hình 4.10: Tập mờ biến đầu vào ET.
Hình 4.11: Tập mờ biến đầu vào DET.
Hình 4.12: Tập mờ biến đầu ra Kp.
Hình 4.13: Tập mờ biến đầu ra Kd.
Hình 4.14: Tập mờ biến đầu ra Ki.
Hình 4.15: Sơ đồ bộ điều khiển PID mờ.
Hình 4.16: Đầu ra của bộ mờ dưới dạng 3D
Luận văn cao học

SVTH: Trần Hồng Cầu


-5-

Hình 4.17: Biểu diễn các luật điều khiển của bộ mờ
Hình 4.18: Biểu diễn các luật điều khiển của bộ

Luận văn cao học

SVTH: Trần Hồng Cầu


-6-

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài.
Trong q trình cơng nghiệp hóa và hiện đại hóa, lĩnh vực điều khiển
và tự động hóa đóng vai trị quan trọng. . Việc nâng cao chất lượng hệ thống
điều khiển luôn là chỉ tiêu quan tâm hàng đầu của các nhà thiết kế. Từ đó
nhiều lý thuyết điều khiển hiện đại đã ra đời khắc phục những điểm hạn chế

cho những lý thuyết điều khiển cũ. Một trong những lý thuyết đó phải kể đến
là lý thuyết điều khiển mờ do nhà khoa học người Mỹ Zahde đặt nền móng
năm 1965. Ưu điểm cơ bản của điều khiển mờ so với các hệ điều khiển kinh
điển là có thể tổng hợp được bộ điều khiển mà khơng cần biết trướcđặc tính
của đối tượng một cách chính xác, có thể nói điều khiển mờ đã áp dụng
nguyên tắc xử lý thông tin, điều khiển của hệ sinh học sang kỹ thuật. Chính vì
vậy, điều khiển mờ sẽ giúp chúng ta giải quyết các bài toán điều khiển phức
tạp mà trước đây chưa giải quyết được. Trong tương lai, tự động hóa và điều
khiển sẽ phát triển mạnh mẽ trong các lĩnh vực, trong đó việc áp dụng cơng
nghệ cao vào lĩnh vực giao thông vận tải đang được chúng ta đặc biệt quan
tâm. Và vận tải biển là một hình thức vận tải quan trọng, vì nước ta là quốc
gia nằm ven biển và đường biên giới biển dài.
Trong thực tế, khi thực hiện hành trình trên biển, tàu thuỷ phải hoạt
động trong một môi trường rất phức tạp, khắc nghiệt, bị ảnh hưởng bởi nhiều
yếu tố như sóng, gió, dịng chảy, độ sâu … Bản thân con tàu cũng là một đối
tượng động học rất phức tạp và thông thường động học đó được mơ tả bởi
một hệ phương trình vi phân phi tuyến với các tham số thay đổi. Sự thay đổi
của các tham số có thể phụ thuộc vào mơi trường bên ngồi và cũng có thể
thay đổi do chính tình trạng hoạt động của con tàu. Việc ổn định tốc độ của
tàu cũng là một vấn đề rất khó khăn. Có thể nói các phương pháp điều khiển

Luận văn cao học

SVTH: Trần Hồng Cầu


-7-

hiện đại đều được áp dụng cho hệ thống này. Cơng nghệ đóng tàu của nước ta
đang bước vào thời kỳ phát triển, việc mới đây Tổng Công ty công nghiệp tàu

thủy Dung Quất đã đóng được tàu dầu 104.000DWT là một việc làm chứng
tỏ khả năng của đội ngũ kỹ thuật đóng tàu của Việt nam. Để tiếp cận với
những tiến bộ khoa học, kỹ thuật mới phục vụ cho ngành đóng tàu là cần thiết.
Mặt khác trong những năm gần đây sự phát triển nhanh của ngành công
nghiệp vi điện tử đã ra đời nhiều thiết bị có tính năng tốt. Vi xử lý đã giúp cho
con người thực hiện được nhiều chức năng phức tạp và thông minh.
2. Mục đích của đề tài
Để giải quyết vấn đề trên, trong khuôn khổ luận văn tôi đã đi vào
nghiên cứu thuật tốn điều khiển mờ, sau đó kết hợp giữa bộ điều khiển kinh
điển PID và mờ theo những quy luật khác nhau nhằm hạn chế nhược điểm
cũng như phát huy tối đa những ưu điểm vốn có của các bộ điều khiển.
Ưu điểm nổi bật của hệ mờ là có thể áp dụng cho những đối tượng điều
khiển rất khó mơ tả bởi biểu thức tốn học hoặc là những đối tượng điều
khiển có tham số bất định trong những khoảng cho trước.
Nhược điểm của hệ mờ, trong phần lớn các trường hợp là rất khó kết
luận về tính ổn định của hệ thống. Ngược lại, phương pháp PID lại có thể
được coi là một trong những phương pháp lý luận rất chặt chẽ về mặt ổn định
của hệ thống. Việc kết hợp hai phương pháp điều khiển trên sẽ tạo ra được hệ
điều khiển kiểu PID mờ hồn thiện hơn khơng những về mặt chất lượng điều
chỉnh mà cịn cả phương diện lý luận. Vì vậy, mục đích của đề tài “Ứng
dụng thuật tốn logic mờ để điều khiển tốc độ tàu thủy” là nghiên cứu hệ
thống ổn định tốc độ tàu thủy có sự tham gia của C lai, cụ thể nội dung công
việc:
- Nghiên cứu lý thuyết Điều khiển Logic mờ.

Luận văn cao học

SVTH: Trần Hồng Cầu

-8-

- Nghiên cứu điều khiển PID mờ áp dụng cho hệ điều khiển tốc độ tàu
thủy được mô tả ở dạng hàm truyền.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
Để thực hiện với mục đích trên. Nội dung của luận văn là căn cứ vào
mẫu tàu Mơ hình CS2 đã được định theo tỷ lệ 1:70 tại bể thực nghiệm của
Viện khoa học công nghệ tàu thuỷ để xây dựng thuật toán điều khiển PID mờ
trong hệ điều khiển tốc độ tàu thủy nhằm khắc phục nhược điểm của các hệ
thống trước. Mơ hình CS2 có các thơng số cơ bản sau đây:
+ Khối lượng m = 23,8 kg,
+ Chiều dài LCS2 = 1,255m
+ Chiều rộng BCS2= 0,29m
Loại hai chân vịt, hai bánh lái và một chân vịt mũi.
Nội dung của luận văn bao gồm 4 chương:
Chương 1: Động lực học và các nhiễu ảnh hưởng tới tốc độ tàu tàu thuỷ.
Tập chung vào các phương trình động học của tàu thủy, các yếu tố ảnh hưởng
đến tốc độ của tàu thủy.
Chương 2: Các phương pháp điều khiển tốc độ tàu thủy.
Chương 3: Lý thuyết điều khiển mờ.
Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển tốc độ tàu thủy.
Phần kết luân chung.
4. Phương pháp nghiên cứu.
- Xây dựng mơ hình tốn học của tàu thuỷ.
- Xây dựng cấu trúc thuật toán điều khiển PID.
- Xây dựng cấu trúc thuật toán điều khiển PID mờ.
- Tổng hợp về kết quả mô.

Luận văn cao học

SVTH: Trần Hồng Cầu


-9-

- Đánh giá ưu nhược điểm của các phương pháp nâng cao chất lượng
điều khiển hệ.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
- Giải quyết các vấn đề ứng dụng hệ điều khiển PID mờ vào hệ.
- Giúp các kỹ sư thiết kế có được về cơ sở lý thuyết PID - mờ trong hệ
điều khiển tốc độ tàu thủy.

Luận văn cao học

SVTH: Trần Hồng Cầu


- 10 -

CHƯƠNG 1: ĐỘNG LỰC HỌC VÀ CÁC NHIỄU ẢNH HƯỞNG
TỚI TỐC ĐỘ TÀU THUỶ

1.1. Các hệ tọa độ phương tiện trên biển.
Trước khi nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển cho phương tiện
trên biển, chúng ta cần phải xét các chuyển động của vật thể trên bề mặt trái
đất. Trong phần này, tơi sẽ trình bày tóm tắt về các hệ tọa độ và định nghĩa
chuyển động của phương tiện trên biển và động lực học phương tiện trên biển.
Khi nghiên cứu một vật thể chuyển động chúng ta thường xem xét
những khía cạnh sau: quỹ đạo chuyển động và các lực gây ra chuyển động,
tức là chuyển động học và động học. Trong nghiên cứu phương tiện trên biển,

chúng ta xét chuyển động của chúng trên bề mặt trái đất và cần phải xét chúng
trong các hệ quy chiếu nhất định nào đó. Chuyển động học và động học của
phương tiện trên biển dựa vào các định luật vật lý của Newton và các định
luật cơ học Euler. Chuyển động học phương tiện trên biển là cơ sở lý thuyết
dẫn đường trên bề mặt trái đất, được gọi là hàng hải địa văn trong chuyên
ngành hàng hải.
Khi xét đến chuyển động của phương tiện trên biển, người ta thường sử
dụng hai hệ tọa độ như trong hình sau:

Luận văn cao học

SVTH: Trần Hồng Cầu


- 11 -

Hình 1.1: Hệ tọa độ cho tàu biển.
Hệ tọa độ quán tính cố định trên trái đất (Earth-fixed reference
frame) X 0Y0 Z 0 (O) . Hệ trục tọa độ này có trục X 0 hướng theo phương bắc, trục
Y0 hướng theo phương đông và trục Z 0 hướng lên trên (hoặc cũng có thể

chọn hướng xuống tâm trái đất khi xét chuyển động của tàu ngầm và các
phương tiện ngầm).
Hệ tọa độ cố định trên vật thể (phương tiện trên biển) (body-fixed
reference frame) XYZ (G ) . Hệ tọa độ này thường có trục X dọc theo chiều dọc
của phương tiện, Y vng góc với mặt phẳng đối xứng, và trục Z hướng lên
trên (hoặc cũng có thể hướng xuống dưới) và gốc tọa độ thường đặt tại trọng
tâm của phương tiện (các phương tiện trên biển như tàu biển thường đối xứng
qua mặt phẳng XGZ).
Dựa trên hai hệ trục tọa độ trên, các chuyển động của phương tiện trên

biển được định nghĩa như sau (theo SNAME - The Society of Naval
Architects and Marine Engineers, America, 1950):

Luận văn cao học

SVTH: Trần Hồng Cầu


- 12 -

Bảng 1.1. Định nghĩa các chuyển động của phương tiện trên biển.
Bậc

Chuyển động

tự do
1

2

3

4

5

6

Trượt dọc (chuyển động theo trục
x) (surge)

Trượt ngang (chuyển động theo
trục y) (sway)
Trượt đứng (chuyển động theo
trục z) (heave)
Lắc ngang (quay quanh trục x,
nghiêng ngang) (roll, heel)
Lắc dọc (quay quanh trục y,
nghiêng dọc) (pitch, trim)
Quay trở (quay quanh trục z)
(yaw)

Lực và Vận tốc tịnh tiến Vị trí và
mơ men

và vận tốc góc góc Euler

X

u

x

Y

v

y

Z

w

z

K

p

φ

M

q

θ

N

r

ψ

Chú ý: Trong các phần sau, tác giả sẽ đặt trọng tâm vào các hệ thống
điều khiển tàu biển trên mặt nước nên sẽ sử dụng từ "tàu biển" với nghĩa là
chỉ các tàu nổi trên mặt nước (surface vessels). Tàu nổi trên mặt nước bao
gồm các tàu hàng, tàu vận chuyển Công tơ nơ, tàu dầu, tàu cung ứng, tàu dịch
vụ, tàu kéo.
1.2. Động học của tàu biển.
Từ hai hệ tọa độ ở trên chúng ta định nghĩa hai véc tơ sau (Fossen
2002):

η = [n, e, d , φ , θ ,ψ ]T

(1.1)

và
v = [u ,υ , ω , p, q, r ]

T

Luận văn cao học

(1.2)

SVTH: Trần Hồng Cầu


- 13 -

trong đó n, e, d là vị trí trong hệ tọa độ NED, và φ , θ , ϕ là các góc Euler,
u , υ , ω , p, q, r là 6 vận tốc chuyển động trong hệ tọa độ trên tàu XYZ (G ) , gọi là

hệ tọa độ b.
Từ định nghĩa hai véc tơ ở trên, khi xét động học của tàu biển, Fossen
(2002) đã đề xuất phương pháp biểu diễn véc tơ như sau:
η = J (η )v

(1.3)

Mv + C (v)v + D(v)v + g (v) = τ + g 0 + w

(1.4)

trong đó các phương trình, ma trận và véc tơ cùng các tính chất của nó được
định nghĩa như sau:
Phương trình 3 là phương trình quỹ đạo của tàu thủy trong hệ tọa độ n.
 Rbn 0 3 x 3 
J (η ) = 

0 3 x 3 Te (Θ)

(1.5)

với η ∈ R 3 xS 3 và v ∈ R 3 . Ma trận quay góc Euler Rbn (Θ) ∈ R 3 xS 3 được định
nghĩa như sau:
Rx ,φ

1 0
= 0 cφ
0 sφ

Rz ,ψ

cψ − sψ
=  sψ
cψ
0 sφ 0

0 
− sφ 
cφ 

R y ,θ

cθ
= 0
− sθ

0
1
0

sθ 
0 
cθ 

0
0 
1

(1.6)

trong đó s. = sin(.) và c. = cos(.) sử dụng quy ước zyx:
Rbn (Θ) := Rz ,ψ R y ,θ Rx ,φ

(1.7)

hoặc
cψcθ
R (Θ) =  sψcθ
 − sθ

n
b

− sψcθ + cψsθsφ
cψcθ + sψsθsφ
cψsθ

sψsθ + cψcθsφ 
− cψsθ + sψsθcφ 

cψcθ

(1.8)

Ma trận nghịch đảo thỏa mãn:

Luận văn cao học

SVTH: Trần Hồng Cầu


- 14 -

Rbn (Θ) −1 = Rnb (Θ) = RxT,φ R Ty,θ RzT,ψ

(1.9)

Ma trận biến đổi tư thế góc Euler là:
1 sφtθ
Te (Θ) = 0

cφ
0 sφ / cθ
0
1

−1
⇒ Te (Θ) = 0 cφ
0 − sφ

cφtθ 
− sφ 
cφ / cθ 
− sφ 
cφsθ  , θ ≠ ±900
cφcθ 

(1.10)

Phương trình (1.4) là phương trình động học trong hệ tọa độ b, với:
M= ma trận quán tính (bao gồm cả khối lượng gia tăng)
C (ν ) = ma trận ly tâm Coriolis (bao gồm cả khối lượng gia tăng) - đây

là thành phần do ảnh hưởng của chuyển động của trái đất
D(ν ) = ma trận giảm lắc (damping matrix)
g (η ) = véc tơ các lực và mô men hấp dẫn, các lực và mô men nổi

τ = véc tơ tín hiệu điều khiển (bánh lái, chân vịt...)
g 0 = véc tơ dùng để dằn tầu (điều khiển ba lát)

w= véc tơ nhiễu loạn mơi trường (gió, sóng và dịng chảy).

Khai triển phương trình (1.3) theo dạng thơng thường chúng ta có 6
phương trình chuyển động sau:
n = u cosψ cosθ + υ (cosψ sin θ sin φ − sinψ cos φ )
+ ω (sinψ sin φ + cosψ sin θ cos φ
e = u sinψ cosθ + υ (cosψ cos φ + sinψ sin θ sin φ

(1.11)

+ ω (sinψ sin θ cos φ − cosψ sin φ

(1.12)

d = −u sin θ + υ cosθ sin φ + ω cosθ cos φ

(1.13)

φ = p + q sin φ tan θ + r cosθ tan φ

(1.14)

θ = q cos φ − r sin φ

(1.15)

ψ = q

sin φ
cos φ
+r
,

cosθ
sin θ

Luận văn cao học

θ ± 900

(1.16)

SVTH: Trần Hồng Cầu


- 15 -

Phương trình (1.4) là phương trình tổng quát biểu diễn động lực học
(kinetics) phương tiện trên biển dựa trên cơ học chất rắn Newton. Trong thực
tế thiết kế hệ thống điều khiển cho phương tiện trên biển cần có những giả
thiết nhất định để làm đơn giản hóa đi. Những giả thiết thường liên quan đến
tính đối xứng của tàu, điều kiện ban đầu, gốc tọa độ...
Phương trình điều động tàu mặt biển:
Chuyển động của tàu thường được giới hạn trong 4 chuyển động: trượt
dọc, trượt ngang, quay trở (3 chuyển động trong mặt phẳng nằm ngang) và lắc
ngang. Với giả thiết là tàu đối xứng qua mặt mặt phẳng XGZ, gốc tọa độ nằm
ở trọng tâm tàu và khối lượng của tàu tập trung tại trọng tâm, bốn phương
trình chuyển động điều động của tàu được biểu diễn như sau (Kobayashi et al.
1995):
mu − mvr = X

(1.17)

mυ − mur = Y

(1.18)

I zz r = N

(1.19)

I xxφ = K

(1.20)

trong đó
m= khối lượng của tàu
Izz= mơ men qn tính quanh trục z
Ixx= mơ men qn tính quanh trục x
υ = vận tốc trượt ngang của tàu (theo phương trục y)

u= vận tốc trượt dọc của tàu (theo phương trục x)
r= vận tốc quay trở (yaw rate)
φ = góc lắc ngang

X, Y, N, K= lực và mô men tác dụng lên tàu (bao gồm lực và mô men
phát động chân vịt, lực và mô men thủy động học tương tác giữa chân vịt,
bánh lái với vỏ tàu, lực và mô men do bánh lái và các ngoại lực).

Luận văn cao học

SVTH: Trần Hồng Cầu

- 16 -

Phương trình (1.3) được đơn giản như sau:
X pos = u cosψ − υ sinψ

(1.21)

Ypos = u sin ψ − υ cosψ

(1.22)

Đây là phương trình biểu diễn quỹ đạo chuyển động của tàu (trọng tâm
tàu) trong mặt phẳng nằm ngang.
1.3. Các nhiễu ảnh hưởng tới tốc độ tàu thủy.
Có một vài loại nhiễu tác động đến tàu trong q trình vận hành cho
nên chúng phải được tính tốn khi thiết kế bộ điều khiển. Có thể phân biệt các
loại nhiễu như sau:
• Loại nhiễu ảnh hưởng đến động học của hệ thống (ví dụ độ sâu của
nước dưới sống tàu)
• Loại nhiễu như tín hiệu thêm vào hệ thống ( như là sóng, gió, dịng
chảy)
• Loại nhiễu làm sai lệch kết quả đo đạc (ví dụ như nhiễu tác động đến hệ
thống đo vị trí)
Sau đây chúng ta sẽ lượng hóa các nhiễu này bằng các cơng thức theo kinh
nghiệm của các nhà hàng hải và các nhà nghiên cứu.
1.3.1. Độ sâu dưới sống tàu.
Khi con tàu chuyển động, nếu như độ sâu của nước dưới sống tàu mà
quá nhỏ thì sẽ ảnh hưởng đến động học của tàu. Điều này cần đặc biệt chú ý
vì khi tàu ra vào cảng thì độ sâu của nước thường giảm. Chính vì điều này mà

người ta thường dùng phương pháp lái đơn giản thay vì lái tự động khi ra vào
cảng. Khi vận hành tàu trên các khu vực nước “nơng” thì Fossen đề nghị thêm
vào động học của tàu một hệ số sau:
ξ=

T
h −T

(1.23)

ở đây T là chiều cao thiết kế của tàu (m) và h là độ sâu của nước .

Luận văn cao học

SVTH: Trần Hồng Cầu


- 17 -

Nếu giá trị của ξ ≥ 0.8 thì sẽ phải thêm vào mơ hình phi tuyến của
chuyển động của tàu thủy và làm thay đổi động học của hệ thống.
1.3.2. Sóng sinh ra bởi gió.
Q trình phát sinh ra sóng từ gió bắt nguồn từ các gợn nhỏ xuất hiện
trên mặt nước. Các gợn này làm tăng lực cản và làm cho song tiếp tục phát
triển tạo thành các đỉnh sóng và làm gia tăng lực cản lên chuyển động của con
tàu. Khi con tàu chuyển động trong các vùng biển động thì ảnh hưởng của
thành phần sóng này thì đặc biệt thấy rõ.
Để đơn giản thì người ta hay ước lượng hàm truyền xấp xỉ của sóng
như sau: [1].
h( p ) =

Kω p
y( p)
= 2
ω ( p) p + 2ζω 0 p + ω 02

(1.24)

ở đây K ω = 2ζω 0σ m là hệ số khuếch đại
σ m là mật độ sóng

ω 0 là tần số sóng trung bình
ζ là hệ số dao động ζ <1

Từ đây ta có thể chuyển sang mơ hình khơng gian trạng thái bằng cách
viết hàm truyền trên miền thời gian
y(t ) + 2ζω 0 y (t ) + ω 02 y (t ) = K ω ω (t )

(1.25)

Đặt x h1 = x h 2 và x h 2 = y h ta có mơ hình trạng thái như sau
1
 x h1  0

=

 x 

2
 h 2  − ω 0 − 2ζω 0 

 x h1  0 
 x  +  K ω h
 h2   ω 

(1.26)

Trong đó ω h là q trình nhiễu ồn trắng. Mơ hình này rất hữu ích cho
mục đích mơ phỏng điều khiển vì nó đơn giản và tiện dụng.

Luận văn cao học

SVTH: Trần Hồng Cầu


- 18 -

1.3.3 Gió.
Gió gây lực cản và mơ men tác động vào tàu thủy. Người ta thường
tính tốn ảnh hưởng của gió đến chuyển động của tàu thủy theo tốc độ gió
trung bình của nó. Để đơn giản người ta thường coi hàm truyền của gió dạng
bậc nhất như sau [1].
h( s ) =

K
1 + Tp

(1.27)

Trong đó hệ số khuếch đại và hằng thời gian được chọn như sau

K = 5286kVω (10) , T = 286 / Vω (10)

Trong đó k= 0.05 là hệ số nhiễu loạn
Vω (10) là tốc độ gió trung bình ở độ cao 10m trên mặt nước biển

2.3.4 Dòng biển.
Dòng chảy ở các lớp nước phía trên chủ yếu được sinh ra do áp suất gió
trên bề mặt. Bên cạnh dịng biển phát sinh bởi tác động của gió thì sự thay đổi
của nhiệt và thay đổi độ mặn cũng là các nhân tố gây ra các dòng biển, chúng
thường được gọi là các dòng biển nhiệt.
Với mơ hình trên mặt phẳng thì trong hệ trục gắn cố định với trái đất
dịng biển có thể miêu tả bằng hai tham số sau:
Tốc độ trung bình của dòng chảy Vc
Hướng của dòng chảy gc
u cE = Vc cos g c
vcE = Vc sin g c

Trong hệ tọa độ gắn vào tàu thì chúng ta có thể tính tốn được như sau
u c = Vc cos( β − ψ )

(1.28)

vc = Vc sin( β − ψ )

Trong đó ψ là góc quay của tàu
β là góc giữa hướng của tàu và hướng của dòng chảy

Luận văn cao học

SVTH: Trần Hồng Cầu

- 19 -

Tốc độ dịng chảy trung bình dùng trong tính tốn có thể sử dụng cơng
thức khai triển bậc nhất như sau
Vc (t ) + µ 0Vc (t ) = ω (t )

(1.29)

Trong đó ω (t ) là nhiễu ồn trắng q trình và µ 0 là hằng số .
Quá trình này phải được giới hạn
Nghĩa là Vmin ≥ Vc ≥ Vmax để đảm bảo đúng với điều kiện thực tế.
1.4. Nhận xét.
Chương này đã tổng kết một cách khái quát đến động học của các thành
phần trong hệ thống điều khiển tốc độ tàu thủy. Điều đó đem đến cho chúng
ta cách nhìn khái quát về hệ thống.
Con tàu là một đối tượng phi tuyến phức tạp tuy nhiên chúng ta đã đơn
giản hóa và đưa ra mơ hình tốn điển hình phục vụ mục đích thiết kế điều
khiển tốc độ cho tàu thủy. Ngoài ra vấn đề ổn định của tàu cũng đã được bàn
đến. Hệ thống điều khiển với chức năng là cơ cấu chấp hành để quay chân vịt
làm cho tàu có thể ổn định tốc độ.
Con tàu hoạt động trong một môi trường biển với các điều kiện tự
nhiên ln thay đổi, đó là các nhiễu tác động vào tàu. Các nhiễu đã được giới
thiệu sơ lược để minh chứng cho sự cần thiết phải quan tâm đến chúng trong
quá trình điều khiển. Tuy nhiên khi thiết kế bộ điều khiển ở chương sau chúng
ta sẽ coi các nhiễu ở mức độ đơn giản đến mức có thể để phù hợp với yêu cầu.

Luận văn cao học

SVTH: Trần Hồng Cầu


- 20 -

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ TÀU THUỶ

2.1. Khái niệm cơ bản.
+ Chỉ đạo (Guidance): là hành động hoặc hệ thống tính tốn liên tục
các vị trí. tốc độ và gia tốc mong muốn của tàu được dùng trong hệ thống điều
khiển. Những dữ liệu này thường được cung cấp cho người vận hành (human
operator) và hệ thống hành hải. Những thành phần cơ bản của một hệ thống
chỉ đạo gồm các bộ cảm biến chuyển động (motion sensors), các dữ liệu bên
ngoài như dữ liệu thời tiết (tốc độ và hướng gió, độ cao và độ dốc của sóng,
tốc độ và hướng dịng chảy, v.v…) và máy tính.
Máy tính thu thập và xử lý thông tin, và cung cấp kết quả cho hệ thống
điều khiển của tàu. Trong nhiều trường hợp, những kỹ thuật tối ưu hóa cao
cấp được dùng để tính tốn quỹ đạo hoặc tuyến hành trình tối ưu cho tàu đi
theo. Có thể hệ thống này cịn bao gồm những đặc điểm phức tạp như tối ưu
hóa nhiên liệu, chạy tàu theo thời gian nhỏ nhất, tuyến hành trình theo thời
tiết, tránh va chạm, điều khiển theo đội hình (formation control) và đảm bảo
lịch trình.

Luận văn cao học

SVTH: Trần Hồng Cầu


- 21 -

+ Dẫn đường (Navigation): Dẫn đường là một khoa học chỉ dẫn cho
một phương tiện chuyển động bằng cách xác định vị trí, hướng chạy và
khoảng cách mà phương tiện đã chạy được. Trong một số trường hợp tốc độ
và gia tốc cũng được xác định. Việc dẫn đường này thường được tiến hành
bằng cách dùng hệ thống dẫn đường vệ tinh (satellite navigation system) kết
hợp với những bộ cảm biến chuyển động như máy đo gia tốc và con quay. Hệ
thống dẫn đường cao cấp nhất cho ứng dụng trong ngành hàng hải là hệ thống
dẫn đường qn tính (inertial navigation system, INS). Từ “dẫn đường”
(navigation) có gốc từ tiếng La tinh, navis nghĩa là “tàu” (ship) và agere nghĩa
là “lái” (to drive). Từ này có nghĩa gốc là mô tả nghệ thuật lái tàu, bao gồm cả
lái tàu (steering) và việc sử dụng các cánh buồm (setting the sails).
Kỹ năng này cịn cổ xưa hơn chính bản thân từ đó rất nhiều và nó đã
tiến hóa nhiều trong suốt lịch sử nhiều thế kỷ qua thành một bộ môn khoa học
kỹ thuật bao gồm cả việc lập kế hoạch (planning) và thực hiện vận hành một
cách an toàn, đúng thời gian và kinh tế các tàu biển, phương tiện ngầm, máy
bay và tàu vũ trụ.
+ Ðiều khiển (Control): là hành động xác định những lực và mô men
điều khiển cần thiết do tàu cung cấp nhằm đáp ứng mục tiêu điều khiển
(control objective). Mục tiêu điều khiển mong muốn thường được xem xét
trong mối liên quan với hệ thống chỉ đạo. Những ví dụ về mục tiêu điều khiển
là giảm thiểu năng lượng (minimum energy), điều chỉnh tín hiệu đặt (set-point
regulation), truy theo quỹ đạo (trajectory tracking), chạy theo tuyến hành trình
(path following), và điều động (maneuvering) .v.v… Việc xây dựng thuật
toán điều khiển liên quan đến việc thiết kế các quy luật điều khiển phản hồi
(feedback) và ni thuận (feedforward). Tín hiệu ra của những hệ thống dẫn
đường, vị trí, tốc độ và gia tốc, được dùng điều khiển phản hồi trong khi điều

Luận văn cao học

SVTH: Trần Hồng Cầu

- 22 -

khiển nuôi thuận được thực hiện bằng cách dùng những tín hiệu có sẵn trong
hệ thống chỉ đạo và những bộ cảm biến bên ngoài.
2.2. Các phương pháp điều khiển.
2.2.1. Tổng quan.
Các nghiên cứu trường hợp điều khiển tàu theo mơ hình được gọi là
CyberShip II (CS2) hướng một con đường mong muốn được sử dụng để minh
họa và thí nghiệm thiết kế điều khiển kiểm sốt tốc độ theo các luật khác nhau
được giới thiệu trong chương này. Mơ hình CS2 (hình 2.1) đã được định theo
tỷ lệ 1:70 tại bể thực nghiệm của Viện khoa học cơng nghệ tàu thuỷ và có các
thơng số cơ bản sau đây:

Hình 2.1. Mơ hình tàu thử CS2
+ Khối lượng m = 23,8 kg,
+ Chiều dài LCS2 = 1,255m
+ Chiều rộng BCS2= 0,29m
Loại hai chân vịt, hai bánh lái và một chân vịt mũi.

Luận văn cao học

SVTH: Trần Hồng Cầu


- 23 -

2.2.1.1. Mơ hình động học tàu có dạng phương trình sau.
Xét hệ toạ độ η = [x, y,ψ ]T với 3 bậc tự do, vị trí (x,y) hướng (ψ ) của tàu

được gọi là hệ toạ độ cố định trên vật thể và v = [x, y, r ]T được gọi là hệ toạ độ
tương ứng trong đó (u,v) là chuyển động trượt dọc, trượt ngang và (r) gọi là
chuyển động quay trong hệ toạ độ cố định. Theo tài liệu [2] ta có phương
trình động lực học của tàu như sau:
η = R(ψ )v

(2.1)

Mv = f − C (v)v − D(v)v + R(ψ ) T b

Các ma trận véc tơ η = [b1, b2, b3]T , b = 0 đại diện cho một hằng số (hoặc
chậm - thay đổi) không biết trước do điều kiện môi trường thay đổi làm thay
đổi lực tác động vào tàu. R(.) là ma trận quay 3 bậc tự do được thoả mãn bởi
R(Ψ ) T R(Ψ ) = I , R(Ψ ) = 1 cho tất cả, và
cosψ
R(ψ ) = sinψ
0

− sinψ
cosψ
0

0
0
0

d
{R(ψ } = ψR{ψ }S khi đó:
dt

0 − 1

, S = 1
0


0
0


0
0
0 

Khi đó ma trận M = M T > 0 sẽ có dạng sau:
m − X u 0
0

M = 0
m − Yv
mx g − Yr
0
mx g − N v I z − N r








Khi đó Yr = N v thì ma trận nghiêng đối xứng sẽ trở thành Coriolis như sau:
0
0

0
C (v ) = 0
− c13 (v) − c 23 (v)

c13 (v)
c 23 (v)
0




0

khi c13 (v) = −(m − Yv )v − (mx g − Yr )r và c 23 (v) = (m − X u )u và ma trận giảm
lắc có dạng:

Luận văn cao học

SVTH: Trần Hồng Cầu


- 24 -

d11 (v) 0
D(v) = 0

d 22 (v)
0
d 32 (v)

0
d 23 (v)
d 33 (v)






Trong đó
d11 (v) = − X u − X u u u − X uuu u 2
d 22 (v) = −Yv − Y v v v − Y r V r
d 23 (v) = −Yr − Y v r v − Y r r r
d 32 (v) = − N v − N v v v − N r v r
d 33 (v) = − N v − N v r v − N r r r

Các hệ số {X (.), Y (.), N (.)} được lấy theo tài liệu [2].
Các hệ số trong ma trận M (và C(v)) được xác định khá chính xác được
xác định bằng sử dụng phương pháp thực nghiệm, các chương trình tính tốn
thuỷ động lực học hoặc nhận dạng hệ thống. Khó khăn chính là tìm các hệ số
trong ma trận D(v) vì khi kéo mơ hình CS2 ở các tốc độ và hướng khác nhau
trong bể thử mơ hình vì thế các hệ số này chỉ được nhận dạng một cách tương
đối từ các tài liệu trích dẫn trong phần phụ lục của luận văn. Các tham số còn
lại để sử dụng trong thiết kế tốc độ tàu được chỉ trong bảng sau:
Bảng 2.1. Các tham số cho mô hình CS2 lấy theo thực nghiệm.
m

23.8000 Yv

-10.0

Xu

-0.7225 Y v v

-36.2823

Iz

1.7600

Yr

-0.0

X uu

-1.3274 Yr

0.1079

xg

0.0460

N v

-0.0

X uuu

-5.8664

Nv

0.1052

X u

-0.2

N r

-1.0

Yv

-0.8612

Nvv

5.0437

Các đầu vào f = [ f u , f v , f r ]T của các lực và mơ men của mơ hình CS2
liên quan đến vòng quay của chân vịt n = (n1 , n2 , n3 ) và góc bánh lái δ = (δ 1 , δ 2 )
được biểu diễn bởi hàm ánh xạ sau:

Luận văn cao học

SVTH: Trần Hồng Cầu