Nghiên cứu hệ thống điều khiển vị trí cơ cấu chấp hành góc lái cho chân vịt đa phương của mô hình tàu thủy thử nghiệm

Trong bài viết này, trình bày phương pháp điều khiển hướng đẩy chân vịt bằng bộ điều khiển PID cho đối tượng là hệ thống đẩy bằng chân vịt đa phương áp dụng cho tàu mô hình thử nghiệm trong chế độ định vị động. Hệ thống chấp hành góc lái chân vịt đa phương được sử dụng trong nghiên cứu là động cơ điện DC servo được mô phỏng bằng công cụ Matlab -Simulink.

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ CƠ CẤU CHẤP HÀNH GĨC LÁI CHO CHÂN VỊT ĐA PHƯƠNG CỦA MƠ HÌNH TÀU THỦY THỬ NGHIỆM A STUDY OF POSITION CONTROL SYSTEM WITH AZIMUTH THRUSTER ACTUATOR OF THE PROPELLER MODEL FOR VESSELS Đào Quang Khanh1,*, Hứa Xuân Long1, Tống Lâm Tùng1 TÓM TẮT Trong báo này, trình bày phương pháp điều khiển hướng đẩy chân vịt điều khiển PID cho đối tượng hệ thống đẩy chân vịt đa phương áp dụng cho tàu mơ hình thử nghiệm chế độ định vị động Hệ thống chấp hành góc lái chân vịt đa phương sử dụng nghiên cứu động điện DC servo mô công cụ Matlab - Simulink Kết nghiên cứu hệ chấp hành góc lái chân vịt đa phương làm sở thiết kế cho hệ thống điều khiển định vị động DP áp dụng tàu mơ hình thử nghiệm Ngoài ra, kết cho thấy khả áp dụng thuật toán khác cho hệ thống đẩy chân vịt đa phương Từ khóa: Định vị động, chân vịt đẩy đa phương, động servo, điều khiển PID ABSTRACT This paper, the method of controlling the propeller thrust direction by PID controller is presented for the object of the azimuth thruster propeller system applied to the experimental model ship in dynamic positioning mode The azimuth thruster actuator system used in the research is a DC servo motor simulated by the tool Matlab - Simulink The results of the study of the azimuth thruster propeller driver angle actuation system serve as the design basis for the DP dynamic positioning control system applied on the experimental model ship In addition, the results also show the possibility of applying different algorithms to the azimuth thruster propeller system Keywords: Dynamic Positioning, Azimuth Thruster, DC Servo, PID Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Email: khanhdq@vimaru.edu.vn Ngày nhận bài: 20/10/2021 Ngày nhận sửa sau phản biện: 15/12/2021 Ngày chấp nhận đăng: 27/12/2021 * ĐẶT VẤN ĐỀ Việc nghiên cứu hệ thống điều khiển cho tàu thủy sử dụng hệ chân vịt đa phương nhiều nghiên cứu đề cập tới [1-5] Kết nghiên cứu sở từ hệ tàu thủy thực áp dụng nhà máy đóng tàu với hệ thống điều khiển chấp hành đại phát triển nhà sản xuất lớn Thế giới Tuy nhiên, điều kiện nước ta nay, việc tiếp cận công nghệ điều khiển hệ thống tàu thủy đại gặp nhiều khó khăn Vì vậy, xây dựng mơ hình tàu thủy thử nghiệm gần giống với tàu thủy thực để việc nghiên cứu phát triển thuật toán điều khiển giải pháp phù hợp với điều kiện nghiên cứu Trong đó, hệ thống chấp hành lái chân vịt đa phương cho tàu thủy mơ hình cấu chấp hành quan trọng cần nghiên cứu thiết kế cho gần giống với hệ thống chấp hành cho tàu thủy thực, làm sở để nghiên cứu hệ thống định vị động DP cho tàu thủy mơ hình Vì vậy, nhóm tác giả đề xuất nghiên cứu hệ thống điều khiển chấp hành góc lái chân vịt đa phương cho tàu thủy mô hình thử nghiệm, xây dựng mơ hệ thống bước đầu cho việc thiết kế mơ hình thực NỘI DUNG 2.1 Mơ hình lực đẩy mơ-men quay trở tàu thủy sử dụng chân vịt đa phương Với tàu thủy sử dụng chân vịt đẩy chân vị đa phương, di chuyển nước tổng hợp thành phần lực đẩy chân vịt đa phương mô-men quay trở tàu [6, 7], hệ thống điều khiển định vị động cho tàu đưa lệnh điều khiển tổng lực đẩy ngang trục X ∑Ftx, tổng lực đẩy dọc trục Y ∑Fty tổng mômen trở quanh trục z ∑Mtz Xét hệ tàu tổng quát cấu hình n chân vịt đa phương, sinh lực dẩy Fti (trong i = 1,2,…,n), góc lái chân vịt đa phương αi, thể hình Nếu tàu di chuyển theo trục X, Y góc lái tàu thể hình ta có phương trình lực đẩy mơ-men quay trở tàu sau [6]: F  F cosα , F  F sinα tx ti M tz ti ty ti  Ftilyti sinαti  Ftilx ti cosαti ti (1) Theo [7] lực đẩy dọc thân tàu lực đẩy ngang thân tàu phải thoả mãn: 20 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (12/2021) Website: https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Ftx  Ft1 cosα t1  Ft cosα t   Ftn cosα tn (2) Fty  Ft1 sinα t1  Ft sinα t   Ftn sinα tn Và mô-men quay trở thân tàu phải thỏa mãn: M tz  Ft1lx1 cosαt1  Ft 2lx2 cosαt   Ftnlxn cosαtn (3)  Ft1ly1 sinαt1  Ft 2ly sinαt   Ftnlyn sinαtn Hình Sơ đồ mơ hình tàu sử dụng chân vị đẩy đa phương Nhận xét: Từ (1), (2), (3), giá trị lực đẩy ∑Ftx, ∑Fty mơ-men quay trở thân tàu ∑Mtz ngồi việc phụ thuộc vào lực đẩy chân vịt cịn phụ thuộc vào độ xác góc lái n chân vịt đẩy đa phương αt1, αt2, αt3, ,αtn Vì vậy, việc điều khiển xác góc lái chân vịt đa phương vấn đề cần phải giải quyết, đặc biệt áp dụng cho hệ thống định vị động Trong phần 2.2, 2.3 báo đề cập đến phương pháp tổng hợp điều khiển vị trí góc lái αtn (b) Hình Mơ hình chân vịt đẩy đa phương (a);Cấu trúc hệ thống lái chân vịt đa phương (b) 2.2 Xây dựng điều khiển cho động chấp hành góc lái cho chân vịt đa phương đó: u - tín hiệu vào điện áp đặt vào phần ứng (V), ω - tín hiệu vận tốc góc động (rad/s), R điện trở phần ứng (Ω), L - điện cảm phần ứng (H), i - dòng điện phần ứng (A) 2.2.1 Cấu trúc mơ hình chân vịt đẩy đa phương Trong hệ thống đẩy truyền thống, động diesel lai chân vịt nối với trục (shaft), trục qua ống trục (shaft tunnel) ống lái (stern tube) kết nối với chân vịt thân tàu phía sau lái tàu Hệ thống lái hệ thống bánh lái đặt sau chân vịt Đối với hệ thống chân vịt đẩy đa phương sử dụng tàu kết hợp hệ thống đẩy hệ thống lái thành hệ thống Hệ thống bao gồm chân vịt truyền động động điện (hình 2a), chân vịt đặt bầu xoay 3600 truyền động động điện thể hình 2b 2.2.2 Tổng hợp điều khiển vị trí góc lái động điện cho chân vịt đa phương a) Mơ hình tốn động điện chiều Với động điện DC, điều khiển điện áp phần ứng, theo [8, 9]sơ đồ thay hình 3a Theo [9, 10], sơ đồ laplace động DC thể hình 3b với hàm truyền với tín hiệu góc quay φ là: Km Ls  R   Js  B    G s     K mK e Us s 1 Ls  R  Js  B  φ s  Website: https://jst-haui.vn Km K  s Ls  R  Js  B   K mK e  s T12 s2  T2 s  đó: Ke - số sức điện động (V.s/rad), Keω - sức điện động phần ứng (V), J - momen quán tính trục động tải quy trục động (kg.m2), B - hệ số masat nhớt động tải quy trục động (Nm.s), Mt momen tải (nhiễu) (N.m) Đặt: τt = L/R - số thời gian điện từ, τc = J/B - số thời gian thành phần: T1  (a) (4)  τ  τ c  RB τ t τ cRB Km ; T2  t ;K  K mK e  RB K mK e  RB K mK e  RB (a) Vol 57 - No (Dec 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 21 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 - Hàm truyền hệ hở: Ru K ωK XA Sow  K m Tc s(1 2Tsω s) φ(s) đó: Tc  (b) Hình Sơ đồ thay động DC (a);Sơ đồ khối động DC với đầu góc φ (b) Bảng Thông số hệ thống động chiều Yaskawa-Minertia Motor Động DC - Minertia QM series – UGQMEM Công suất Pđm W Điện áp Uđm V Dòng điện Iđm A 8,2 26 Hằng số thời gian Encoder Tω s 0,66 Hệ số khuếch đại Encoder Kω 0,0238 Hệ số truyền lực Kr 0,067 0,039 FOMω  Momen Mđm Nm Tốc độ quay n r/min 2000 Góc cần dịch chuyển Điện trở phần ứng Ra Ω 12,5 Hằng số thời gian Encoder Tφ Điện cảm phần ứng La H 0.006 Hệ số momen động Km ω(s) 0,00125  0,0015  U dω ( s ) , với Tsω  Tω  2.Tov , chọn τ δ  Tsω  2τ δ s  2τ 2δ s FOMω  Soω (1 FOMω ) R ω (s)  s K m2 Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu module [9]: Các thông số hệ thống Hằng số thời gian băm xung Tvo JR u (5) Ru K ωK 2τ δ s(1 τ δ s) K m Tc s(1 Tsω s) XA (6) K m Tc Ru K XAK ω 2Tsω Tổng hợp mạch vòng điều khiển chuẩn tối ưu module ta có: FOMω  ω( s) Uωd (s )  1  K ω 1 2Tsω s  2Tsω2 s2 1 K ω 1 2Tsω s (7) - Từ (6) ta tính điều chỉnh tốc độ Rω(s) sau: deg 90 ω 0,003 Nm/A Momen quán Kg.m2 4,4.10-6 Hệ số điện áp động V/rad/sec tính JM Ke 2π.n 60  n 9, 55  2000  209, 4(rad / s) 9, 55 Uωđ  ωdm K ω , chọn Uđ = V  K ω  0,073  , 0238 209 , - Với băm áp chiều: K XA  Udm  26  5, Udk 0,073 - Ta có: Ts = T + 2.Tov, vậy, Tsω  0, 0015  2.0, 00125  0, 004sec Hệ số ma sát Nm.s 0,59.10-6 nhớt B Tc  b) Tổng hợp mạch vòng tốc độ Sơ đồ mạch vòng điều khiển tốc độ động DC thể hình 4a, sơ đồ mạch vòng điểu chỉnh tốc độ rút gọn thể hình 4b JR u 4, 4.10 6 12,5   0,01sec Km  0,073   Rω (p)  Km.Tc 0, 073.0, 01   0, 059 Ru.KXAKω 2Tsω 12, 5.5, 2.0, 0238.2.0, 004 c) Tổng hợp mạch vịng vị trí Tổng hợp mạch vịng vị trí tương tự tổng hợp mạch vịng tốc độ [9], ta dùng tiêu chuẩn tối ưu module hàm truyền đạt mạch vòng tốc độ lấy khâu bậc hai, bỏ qua khâu bậc cao ω (s) ω d (s)  1  2Tsω s K ω (8) Khi dùng chuẩn tối ưu module [9], viết gọn sơ đồ ta có mạch vịng điều chỉnh vị trí hình (a) Hình Sơ đồ mạch vịng điều chỉnh vị trí (b) Hình Sơ đồ mạch vịng điều chỉnh tốc độ Nếu tổng hợp mạch vịng vị trí R(s) dùng chuẩn tối ưu module, ta có hàm truyền đối tượng sau: 22 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (12/2021) Website: https://jst-haui.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Kφ Kω Soφ (s)  s(1 2Tsωs)(1 Tφ s) Kr (9) - Với góc lái α, tỷ số truyền bánh 18:1 đó: n α.18 360  φ  2π.n(rad) - Từ ta xác định tín hiệu đặt xấp xỉ tín hiệu phản hồi, tức là: K φ  Uφd φ - Áp dụng tiêu chuẩn tối ưu modul, chọn  = T ta có: R φ (s)  K r K φ K ω s.(1  2Tsω s ) 2τ σ s (1  τ σ s )  Tφ s (10) Kω (1  2Tsω s ) K r K φ 2Tφ  Hình Kết mô hệ thống điều khiển vị trí góc lái alpha tín hiệu đặt dạng bậc thang - Giả sử ta chọn góc lái dịch chuyển α = 900, tỷ số truyền hộp số 18:1, ta tính số vịng mà động phải quay là:  n  α.18 360  90.18 360  4,5(vịng) - Góc phải quay là: φ  π.n  π  28, 26 (rad) Tiến hành chạy chương trình mơ với giá trị vị trí đặt theo điện áp (Udk = 2,5V, 5V, -2,5V, -5V, 7,5V, 10V tương ứng với giá trị yêu cầu góc lái α = 450, 900, -450, -900, 450, 1800), ta có kết mơ đồ thị đặc tính vị trí hình - Chọn Uφd = 5V: Kφ  Uφd φ   0, 177 9.3,14 - Hệ số khuếch đại truyền lực: φ   K r ωdt  K r ωt  K r  R φ (s)   φ  0, 067 ωt Kω (1  2Tsω s ) K r K φ 2Tφ , 0238 (1  , 004s )  334 ,  2, 6776s , 067 , 177 , 003 2.3 Mô hệ thống Sơ đồ mô hệ thống chấp hành góc lái cho chân vịt đa phương xây dựng Matlab - Simulink thể hình Hình Kết mô hệ thống điều khiển vị trí góc lái alpha tín hiệu đặt dạng hình sin Nhận xét, kết mơ hình cho thấy, giá trị góc lái chân vịt đa phương giá trị α = 450, 900, -450, -900, 450, 1800 Từ kết mô thấy sai số vị trí Δφ = 0, sai lệch tĩnh δ% = 0, độ điều chỉnh max ≈ 0, thời gian độ từ đến 0,4s hệ thống ổn định đạt đến vị trí góc lái yêu cầu Trong hình 8, với giá trị đặt góc alpha dạng hình sin với biên độ +900, -900 , chu kỳ 6,2 giây cho thấy hệ thống chấp hành góc lái alpha bám xác theo biên dạng sin góc lái alpha yêu cầu KẾT LUẬN Hình Sơ đồ mơ điều khiển vị trí góc lái cho chân vịt đa phương Website: https://jst-haui.vn Bài tốn điều khiển vị trí góc lái chân vịt đa phương cho tàu thủy mơ hình mơ thành công công cụ Matlab - Simulink, đáp ứng yêu cầu đặt là: mô hệ thống chấp hành góc lái alpha chân vịt đa phương xác có lệnh điều khiển (từ tay trang điều khiển người lái từ hệ thống định vị động DP) Vol 57 - No (Dec 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 23 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 Kết mơ cho thấy hệ thống phản ứng nhanh xác có lệnh điều khiển Việc điều khiển tự động góc lái alpha bám theo lệnh điều khiển làm tăng hiệu suất làm việc hệ thống lái tàu thủy, từ giúp cho việc điêu khiển tàu cách động xác mặt biển Kết mô báo liệu để kiểm chứng thiết kế hệ thống điều khiển chấp hành góc lái chân vịt đa phương thực gắn tàu thủy mơ hình thử nghiệm hệ thống định vị động tàu thủy Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Đề tài mã số DT21-22.46 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trong Dong Nguyen, Asgeir J Sørensen, Ser Tong Quek, 2006 Design of Hybrid Controller for Dynamic Positioning from Calm to Extreme Sea Condition IFAC meeting [2] Diju Gao, Xuyang Wang, Tianzhen Wang, Yide Wang, Xiaobin Xu, 2017 Optimal thrust allocation strategy of electric propulsion ship based on improved nondominated sorting genetic algorithm IEEE ACCESS-2017 [3] Mirosław Tomera, Kamil Podgórski, 2021 Control of Dynamic Positioning System with Disturbance Observer for Autonomous Marine Surface Vessels MDPI Sensors [4] Marco Bibuli, Enrica Zereik, Angelo Odetti, 2019 Adaptive steering control for an azimuth thrusters-based autonomous vessel Journal of Marine Engineering & Technology [5] Asgeir J Sørensen, Svein I Sagatun, Thor I Fossen, 1997 Design of a dynamic positioning using model based control Modeling-Identification and Control (MIC) [6] Inegiyemiema M., Odokwo V E., 2021 Preliminary Design of Dynamic Positioning System for A Drillship American Journal of Engineering Research (AJER) [7] Thor I Fossen, Marine Control Systems, Norwegian University of Science and Technology Trondheim, Norway, 1995 [8] Tran Anh Dung, 2015 Dieu khien hien dai ly thuyet va ung dung Transport Publishing House, Hanoi [9] Bui Quoc Khanh, Nguyen Van Lien, 2009 Tu dong dieu chinh truyen dong dien Science and Technics Publishing House, Hanoi [10] Huynh Thai Hoàng, 2008 Ly thuyet dieu khien nang cao Viet Nam National University Ho Chi Minh City Press AUTHORS INFORMATION Dao Quang Khanh, Hua Xuan Long, Tong Lam Tung Faculty of Electrical - Electronic Engineering, Vietnam Maritime University 24 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (12/2021) Website: https://jst-haui.vn ... khiển vị trí góc lái αtn (b) Hình Mơ hình chân vịt đẩy đa phương (a) ;Cấu trúc hệ thống lái chân vịt đa phương (b) 2.2 Xây dựng điều khiển cho động chấp hành góc lái cho chân vịt đa phương đó: u -... sin góc lái alpha u cầu KẾT LUẬN Hình Sơ đồ mơ điều khiển vị trí góc lái cho chân vịt đa phương Website: https://jst-haui.vn Bài toán điều khiển vị trí góc lái chân vịt đa phương cho tàu thủy. .. 003 2.3 Mô hệ thống Sơ đồ mơ hệ thống chấp hành góc lái cho chân vịt đa phương xây dựng Matlab - Simulink thể hình Hình Kết mơ hệ thống điều khiển vị trí góc lái alpha tín hiệu đặt dạng hình sin