Tình hình nghiên cứu, triển khai ở nước ngoài
Các thiết bị và hệ thống điều khiển lái đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và hiệu quả cho tàu thuỷ Trong suốt hàng trăm năm qua, nghiên cứu và chế tạo các thiết bị này đã không ngừng phát triển, đặc biệt là với sự bùng nổ của công nghệ thông tin và tự động hoá Điều này đã thúc đẩy sự hoàn thiện của các hệ thống điều khiển, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong vận tải đường biển Các vấn đề như điều khiển tập trung, lái tự động thích nghi và tối ưu hoá đang được nghiên cứu và giải quyết, dẫn đến sự ra đời của nhiều thế hệ thiết bị từ các hãng sản xuất nổi tiếng như NavitronSystem và Sperry Marine.
Trong thời gian gần đây, hai xu hướng phát triển trái ngược nhưng hỗ trợ lẫn nhau là modul hoá và tích hợp hệ thống Xu hướng modul hoá giúp giảm thời gian chế tạo và tăng khả năng lắp lẫn của thiết bị Ngược lại, tích hợp hệ thống cho phép xây dựng các sản phẩm lớn đa chức năng từ các hãng lớn.
Ngành công nghiệp tàu thuỷ toàn cầu đã ứng dụng công nghệ điều khiển tự động từ lâu, với các hệ thống như lái lặp, lái tự động kết hợp với la bàn từ và la bàn con quay Những công nghệ này không chỉ phổ biến mà còn mang lại hiệu quả cao trong việc điều khiển tàu.
Trong nửa cuối thế kỷ 20, sự ra đời của máy tính đã thúc đẩy sự phát triển của hệ thống điều khiển mới, bao gồm hệ thống điều khiển số với bộ vi xử lý, bộ vi điều khiển và máy tính Cùng với sự tiến bộ của các thiết bị điều khiển, lý thuyết điều khiển cũng đã có những bước tiến mạnh mẽ, dẫn đến sự ra đời của nhiều thuật toán điều khiển mới, làm cho hệ thống điều khiển trở nên phong phú và đa dạng hơn.
Hiện nay, nhu cầu của con người ngày càng cao, dẫn đến sự phát triển phức tạp của các hệ thống điều khiển Ngoài ra, các thiết bị làm hàng như cẩu và bơm, thiết bị an toàn như cứu hỏa và cứu sinh, cũng như thiết bị vệ sinh môi trường như bể xử lý nước thải và phân ly, đều được nghiên cứu và phát triển để đáp ứng yêu cầu này.
Các thiết bị điều khiển tự động lái trên tàu thủy chủ yếu được sản xuất bởi các hãng nước ngoài, nhờ vào chất lượng cao và tính ổn định vượt trội Những sản phẩm này thường được các tổ chức đăng kiểm quốc tế công nhận và có khả năng tích hợp, phát triển tốt Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất là giá thành cao, thiếu chủ động về công nghệ và gặp khó khăn trong quá trình bảo trì, sửa chữa.
Tình hình nghiên cứu, triển khai trong nước
Trong 15 năm qua, việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các hệ thống thiết bị lái tàu đã được quan tâm đáng kể Năm 1992, Viện KH-CN Tàu Thuỷ đã chế thử thành công chiếc máy lái điện thuỷ lực đầu tiên điều khiển trực tiếp Ngày đó, các thiết bị điều khiển lái còn sơ khai, đơn giản, chủ yếu bằng rơle, công tắc tơ
Trong những năm qua, nhiều nghiên cứu và dự án về hệ thống điều khiển tự động cho tàu đã được thực hiện Tuy nhiên, phần lớn các sản phẩm này đều được cải tiến từ các hệ thống điều khiển cũ của Liên Xô, dựa trên công nghệ tương tự Ngay cả khi có những sản phẩm mới, chúng cũng thường dựa vào các mẫu có sẵn và chỉ được làm lại tương tự Mặc dù những nghiên cứu này chưa phức tạp và mang tính thụ động, chúng đã đóng góp đáng kể cho nhu cầu đóng và sửa chữa tàu thủy tại Việt Nam trong thời gian đó.
Hiện nay, nhiều tàu mới hoặc được cải tạo cần trang bị hệ thống điều khiển lái lặp hoặc tự động Do đó, các chủ tàu thường lựa chọn nhập khẩu nguyên chiếc bộ điều khiển từ nước ngoài để lắp ráp cùng với hệ truyền động thủy lực lái.
Đặt vấn đề
Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ hiện đại vào hệ thống điều khiển lái tàu thuỷ ở Việt Nam đang là lĩnh vực tiềm năng chưa được khai thác nhiều Thời gian gần đây, ngành công nghiệp tàu thuỷ Việt Nam đã bắt đầu chú trọng đến việc cải tiến công nghệ để nâng cao hiệu quả và an toàn trong vận hành.
Việt Nam, đặc biệt là Vinashin, đã có sự phát triển nhanh chóng trong ngành đóng tàu Trong 5 năm qua, Vinashin đã tăng sản lượng đóng mới lên 50% mỗi năm, với tổng cộng 1.447 tàu được đóng mới Dự kiến vào năm 2010, giá trị tàu đóng mới xuất khẩu sẽ vượt qua 1 tỷ USD, trong khi nhu cầu trong nước ước tính đạt từ 2,5 đến 3 tỷ USD.
Mỗi năm, hàng ngàn con tàu mới được đóng, không kể đến các công ty đóng tàu tư nhân, dẫn đến nhu cầu nội địa hóa để tăng hàm lượng sản xuất trong nước Việc làm chủ công nghệ và cạnh tranh quốc tế đòi hỏi nghiên cứu và chế tạo các thiết bị tự động hóa, đặc biệt là hệ thống điều khiển tự động cho tàu thủy, trở thành nhu cầu cấp thiết và không thể thiếu.
Giới thiệu nội dung luận văn
Đề tài này trình bày các cơ sở lý thuyết về hệ thống điều khiển lái tự động, đồng thời giới thiệu quá trình chế tạo và thử nghiệm hệ thống lái tự động với mô men trên trục lái đạt 0.8 Tm, được lắp đặt cho tàu du lịch Seabirds đang được chế tạo tại Hải Phòng Nội dung chính của đề tài bao gồm các mục tiêu và phương pháp nghiên cứu liên quan đến hệ thống lái tự động.
Chương 1 cung cấp cái nhìn tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến lĩnh vực điều khiển tàu thuỷ Dựa trên những nghiên cứu hiện có, đồ án đề xuất hướng nghiên cứu nhằm xây dựng hệ thống lái tự động, phù hợp với điều kiện thực tế.
Chương 2 của bài viết sẽ trình bày các phương pháp điều khiển lái tàu hiện đại, đồng thời xây dựng một phương án điều khiển tự động phù hợp với khả năng công nghệ tại Việt Nam.
- Chương 3 Khảo sát sản phẩm thực nghiệm sẽ giới thiệu một số các cụm thiết bị chính đã làm được và các giải pháp công nghệ đang thực hiện
- Chương 4 Kết luận nêu hướng phát triển của đề tài và các đề xuất.
Hệ điều khiển khép kín (hệ hồi tiếp - phản hồi)
Hiện nay, có nhiều thuyết điều khiển trên thế giới như luật điều khiển tối ưu, gán điểm cực, thích nghi và bền vững, tất cả đều sử dụng hệ hồi tiếp Hệ thống điều khiển phản hồi (feedback control system) hoạt động dựa trên việc so sánh tín hiệu ra với tín hiệu vào, sử dụng sai số giữa hai tín hiệu này làm phương tiện điều khiển.
Hệ thống điều khiển tàu biển hoạt động như sau: khi tàu đang di chuyển, nếu góc lệch hướng (ψ) không khớp với góc đặt hướng (ψd) của người lái, sẽ xuất hiện tín hiệu sai lệch (e) Tín hiệu này được gửi đến bộ điều khiển, từ đó bộ điều khiển sẽ phát tín hiệu điều chỉnh góc bánh lái (δ) để đưa tàu trở về hướng đã đặt.
Hệ thống điều khiển phản hồi, hay còn gọi là hệ thống điều khiển kín, sử dụng tín hiệu sai số kích hoạt, được xác định bởi sự chênh lệch giữa tín hiệu vào và tín hiệu phản hồi Tín hiệu phản hồi này có thể là tín hiệu ra hoặc một hàm số liên quan đến tín hiệu ra, bao gồm đạo hàm hoặc tích phân của nó Mục tiêu của hệ thống kín là giảm sai số, đảm bảo rằng tín hiệu ra duy trì ở mức giá trị mong muốn Hành động điều khiển phản hồi là một phần quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.
2.1.1 Điều khiển hồi tiếp ứng dụng cho tàu biển
Các hệ thống điều khiển hồi tiếp đang ngày càng trở nên phổ biến trong các tàu chạy biển nhờ vào sự tiến bộ của khoa học máy tính và công nghệ cảm biến hiện đại Một trong những thiết bị quan trọng là la bàn con quay Gyroscope, đóng vai trò thiết yếu trong việc định hướng và ổn định tàu.
Ngành điều khiển tàu bắt đầu với sự phát minh của la bàn con quay (gyrocompass) vào năm 1908, đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong lịch sử hàng hải Sự phát triển của các hệ thống định vị địa phương vào cuối thập niên sau đó đã mở rộng thêm khả năng điều khiển tàu, góp phần nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong việc dẫn đường trên biển.
70 Sự bao phủ toàn cầu dùng hệ thống hàng hải vệ tinh được thực hiện lần đầu tiên vào năm 1994 La bàn con quay là thiết bị cơ bản trong hệ thống điều khiển hồi tiếp đầu tiên dùng để điều khiển hướng và ngày nay những thiết bị này được biếtđến là những máy lái tự động (autopilots).
Vào thập niên 1850, nhà khoa học Pháp J.B.L Foucault đã thực hiện thí nghiệm với một bánh đà treo trên các vòng khớp các-đăng, từ đó tạo ra thiết bị được gọi là "con quay" (gyroscope).
Sự phát triển của con quay chạy điện đã tạo ra nhu cầu cho các hệ thống hàng hải thay thế la bàn từ, do la bàn từ nhạy cảm với nhiễu loạn từ trường trên tàu sắt và tàu ngầm Năm 1908, Anschutz đã được cấp bằng sáng chế cho la bàn con quay đầu tiên, đánh dấu bước ngoặt quan trọng trong điều khiển tàu tự động và dẫn đến sự phát triển của máy lái tự động Hệ thống GPS cũng đã góp phần cải thiện khả năng định vị và điều hướng trong hàng hải.
Hệ thống định vị toàn cầu Navstar GPS, ra mắt năm 1994, hoạt động dựa trên việc đo thời gian từ điểm cần định vị đến các vệ tinh địa tĩnh, cung cấp khả năng định vị toàn cầu Ngày nay, máy thu GPS đã trở thành bộ phận tiêu chuẩn trong các hệ thống điều khiển truy theo điểm chuyển hướng và hệ thống định vị động, được sử dụng rộng rãi trong cả lĩnh vực thương mại và hải quân trên toàn thế giới.
2.1.2 Điều khiển hồi tiếp ứng dụng trong máy lái tự động
Máy lái tự động (autopilots hoặc automatic pilot) là thiết bị điều khiển tàu thuỷ mà không cần sự can thiệp của con người Ban đầu, những chiếc máy lái tự động chỉ có khả năng duy trì hướng đi cố định, giúp giảm bớt công sức lái trên các xuồng nhỏ trong hành trình Đối với tàu lớn, chức năng giữ hướng là ứng dụng đầu tiên của công nghệ này Ngày nay, máy lái tự động hiện đại có khả năng thực hiện các điều động phức tạp như quay trở.
Elmer Sperry (1860-1930) đã mở rộng ứng dụng của la bàn con quay trong việc lái tàu và điều khiển vòng lặp kín Ông là người chế tạo cơ cấu lái tàu tự động đầu tiên vào năm 1911, đánh dấu bước tiến quan trọng trong công nghệ hàng hải.
1999, và Bennet 1979) Sau đó, vào năm 1922, Nicholas Minorsky (1885-
Vào năm 1970, một nghiên cứu đã giới thiệu phân tích chi tiết hệ thống điều khiển hồi tiếp vị trí, trong đó áp dụng công thức điều khiển ba thành phần Công thức này hiện nay được biết đến với tên gọi điều khiển Tỷ lệ - Tích phân – Vi phân, hay còn gọi tắt là điều khiển PID (Proportional – Integral – Derivative).
Hệ thống máy lái tự động của Sperry và Minorsky là các hệ thống điều khiển với một đầu ra và một đầu vào, trong đó góc hướng tàu được đo bằng la bàn con quay Hiện nay, tín hiệu này được hồi tiếp vào máy vi tính, nơi hệ thống điều khiển PID được thực hiện thông qua phần mềm.
Máy lái tự động so sánh điểm đặt dẫn tàu với hướng tàu dự định, sau đó đo đạc và tính toán mệnh lệnh bẻ lái Tín hiệu này được truyền đến máy lái để điều khiển bánh lái, nhằm thực hiện các thao tác điều chỉnh hướng chính xác.
Các máy lái tự động thế hệ mới hiện nay đã được cải tiến từ công nghệ PID sang các hệ thống điều khiển phức tạp hơn, bao gồm điều khiển gau-xơ bình phương tuyến tính và điều khiển H-vô cùng Những công nghệ này không chỉ mang lại hiệu suất tốt hơn mà còn đảm bảo tính bền vững trong quá trình vận hành.
2.1.3 Thiết kế bộđiều khiển PID
Các chế độ của máy lái tự động khi khai thác tàu
Trên tàu thuỷ hiện nay, hệ thống lái tự động có khả năng thực hiện ba chế độ lái chính: lái trực tiếp, lái lặp và lái tự động.
2.1.1 Chế độ lái trực tiếp
Chế độ lái đơn giản được sử dụng khi tàu hoạt động trên biển trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt hoặc khi gặp sự cố trong hệ thống lái tự động Trong chế độ này, vị trí bánh lái không phụ thuộc vào tay điều khiển Khi người điều khiển tác động vào hệ thống, bánh lái sẽ quay, do đó người điều khiển cần kiểm tra vị trí bánh lái thông qua thiết bị chỉ báo.
Máy lái thuỷ lực hoạt động bằng cách tay điều khiển tác động trực tiếp vào nút ấn hoặc tay trang cấp nguồn điện cho bộ phân phối thuỷ lực, từ đó cung cấp dầu vào xylanh thuỷ lực Hệ thống cho phép bẻ lái sang trái hoặc phải tùy thuộc vào chiều cấp dầu Trong chế độ lái đơn giản, tín hiệu bẻ lái sẽ tỷ lệ thuận với thời gian tác động của người sử dụng.
Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc hệ thống lái lặp Với β0: Góc quay vô lăng lái β : Góc bẻ lái
K1 : Khối biến đổi tín hiệu đặt
K4β : Khối biến đổi tín hiệu phản hồi
TH : Khối thực hiện trung gian
CT : Con tàu y : Tín hiệu điều khiển con tàu α : Hướng đi thật của tàu
Ta có phương trình tín hiệu điều khiển: y = K1β0 - K4β = K∆β
Sai lệch ∆β được xác định bằng công thức β0 - β Trong chế độ này, vị trí của tay điều khiển có ảnh hưởng trực tiếp đến vị trí của bánh lái; khi tay điều khiển quay một góc βο, bánh lái sẽ quay đến góc β tương ứng.
Khi ∆β ≅ 0 (β0 ≅ β), hệ thống làm việc ở chế độ cho trước.
Khi vôlăng được bẻ đi một góc β01 khác với β0, sự thay đổi góc ∆β sẽ không bằng 0, dẫn đến tín hiệu điều khiển được gửi qua các phần tử trung gian đến máy lái để thực hiện việc bẻ lái và làm cho bánh lái quay Khi góc bẻ lái β gần bằng β01, thì ∆β sẽ gần bằng 0, tức là không có tín hiệu bẻ lái, bánh lái sẽ ngừng quay và hệ thống sẽ chuyển sang chế độ mới.
Chế độ này thường được sử dụng khi tàu hành trình trên biển với sóng, gió to
2.2.3 Chế độ lái tự động a/ Đối tượng của hệ thống lái tự động
Trong chế độ điều khiển tàu trên môi trường nước, tàu phải đối mặt với nhiều yếu tố như sóng, gió, và hải lưu, đồng thời có trọng tải khác nhau Hướng đi thực của tàu được ký hiệu là α, trong khi góc bẻ lái được ký hiệu là β Phương trình động lực học của tàu được biểu diễn qua công thức: αp(T2p² + T1p + 1) = Kc(1 + Τp)β.
T, T1, T2 - Các hằng số thời gian
Quán tính lớn của con tàu khiến cho các phần tử có hằng số thời gian nhỏ có thể bị bỏ qua khi xét ở chế độ tự động Phương trình động lực học chỉ ra rằng con tàu là khâu tích phân quán tính bậc 2 và chịu tác động điều khiển ngẫu nhiên, dẫn đến sự không ổn định với các thông số T1, T2, T, Kc thay đổi theo trạng thái tác động Do đó, hệ thống lái tự động cần có tín hiệu phản hồi âm ứng với góc bẻ lái để hoạt động hiệu quả.
Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc đầy đủ của hệ thống lái tự động
Với α0 - Hướng đi đặt trước α - Hướng đi thực tế của tàu
K1 - Khối tạo tín hiệu tỷ lệ
K2d∆α/dt - Khối tạo tín hiệu vi phân
K3∫∆αdt - Khối tạo tín hiệu tích phân
TH - Khối thực hiện trung gian
BL, CT - Bánh lái, con tàu β - Góc quay của bánh lái
K4 - Khối tạo tín hiệu tỷ lệ góc quay bánh lái
Trong hệ thống điều khiển lái, K5dβ/dt đại diện cho khối tạo tín hiệu vi phân góc quay bánh lái, trong khi f thể hiện tác động của nhiễu như sóng, gió và hải lưu Tín hiệu điều khiển y có ảnh hưởng trực tiếp đến máy lái b Phương trình thuật toán điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh và tối ưu hóa hoạt động của hệ thống.
Ta có phương trình điều khiển sau : zy = K1∆α + K2d∆α/dt + K3∫∆αdt - K4β - K5dβ/dt
Khi hướng đi của tàu trùng với hướng đã đặt trước, các thông số ∆α, β và y đều bằng 0 Tuy nhiên, khi có nhiễu tác động làm tàu lệch khỏi hướng đã định, hướng đi thực tế α sẽ được phản ánh qua la bàn và so sánh với góc lệnh lái α0, dẫn đến ∆α khác 0 Các tín hiệu tỷ lệ, vi phân và tích phân sau khi được khuyếch đại sẽ được chuyển đến khối thực hiện trung gian để điều chỉnh hướng lái, giúp tàu trở về hướng đi ban đầu.
Khi bánh lái quay, xuất hiện tín hiệu phản hồi K4β và K5dβ/dt làm giảm tín hiệu điều khiển y Khi tàu trở về hướng đi đặt trước thì ∆α = 0
Tàu có quán tính nên thường lệch khỏi hướng đi đã định một góc ∆α1 Khi tín hiệu điều khiển đổi dấu, bánh lái sẽ quay ngược lại một góc β1 để đưa tàu về hướng ban đầu Tuy nhiên, sự quay lại của bánh lái tạo ra các tín hiệu K4β1 và K5dβ1/dt, làm giảm tổng tín hiệu điều khiển Tàu từ từ điều chỉnh lại hướng đi, với ∆α1 giảm dần về 0 Do quán tính, tàu tiếp tục lệch về phía ban đầu một góc ∆α2 (với ∆α2 > ∆α1), và quá trình này lặp lại Sau một số lần dao động, tàu sẽ trở lại hướng đi ban đầu Vai trò của các khâu vi và tích phân trong hệ thống lái tự động rất quan trọng trong việc ổn định hướng đi của tàu.
* Khâu tỷ lệ góc lệch hướng đi K 1 ∆α:
Trong hệ thống điều khiển tàu, thành phần cơ bản chống lại cường độ lệch tàu là rất quan trọng Khi tàu bị tác động đột ngột, nó có thể lệch nhanh khỏi hướng đi đã định Tín hiệu từ khâu này sẽ được gửi đến khâu khuyếch đại để điều khiển bánh lái, giúp tàu trở lại hướng đi mong muốn.
∗ Khâu vi phân độ lệch hướng đi K 2 d∆α/dt
Khi con tàu lệch khỏi hướng đi, tín hiệu d∆α/dt đạt giá trị tối đa nhờ vào khâu vi phân, giúp tăng cường khả năng tác động và độ nhạy của tín hiệu bẻ lái Mặc dù ∆α0 còn nhỏ, nhưng tín hiệu y1 = ∆α0 + d∆α/dt đủ lớn để khởi động hệ thống, làm cho bánh lái quay về hướng giúp tàu trở lại hướng đã định (vùng 0 ÷ t1).
Khi tàu quay trở lại hướng đã đặt trước, ∆α giảm dần và d∆α/dt đổi dấu, dẫn đến sự giảm nhanh chóng của y1 (Hình 2.5), làm giảm tính quán tính của tàu và hạn chế biên độ dao động Khi tàu trở về hướng đã đặt, tín hiệu vi phân cũng đổi dấu, nhanh chóng đưa bánh lái về mặt phẳng đối xứng của tàu.
Tín hiệu này có vai trò quan trọng trong việc tăng cường độ nhạy, giảm độ lệch hướng đi, cũng như giảm số lần dao động Ngoài ra, nó còn giúp rút ngắn thời gian quá độ và nâng cao chất lượng của hệ thống.
* Khâu tỷ lệ tích phân độ lệch hướng đi K 3 ∫∆αdt
Thân tàu có kết cấu không đối xứng và chịu ảnh hưởng từ các ngoại lực không đều, dẫn đến hiện tượng dao động không đồng nhất quanh hướng đi đã định Sau một thời gian, các nhiễu loạn như sóng, gió, và hải lưu có thể làm cho hướng đi thực của tàu lệch hẳn về một phía so với hướng đã đặt trước, tạo ra một góc lệch nhỏ α Để nâng cao độ chính xác cho hệ thống, việc tích phân độ lệch hướng đi được thực hiện.
Xây dựng cơ sở lý thuyết phương án điều khiển lái tàu tự động
2.3.1 Các hệ tọa độ cho tàu thủy và chuyển động của tàu
Các hệ trục tọa độ được sử dụng để mô tả chuyển động của tàu bao gồm hệ trục cố định trên mặt đất và hệ trục tọa độ cố định trên tàu, như minh họa trong hình 2.6.
Hình 2.6 Các hệ trục tọa độ cho tàu trên biển
Hệ trục tọa độ (O,X,Y,Z) trên tàu được xác định cố định, với gốc tọa độ trùng với trọng tâm của tàu Trong khi đó, hệ tọa độ quán tính cố định (O,Xo, Yo, Zo) được đặt trên trái đất.
* Chuyển động của tàu trong trong sáu bậc tự do như sau:
Surge = trượt dọc (tiến và lùi) (x)
Sway = trượt ngang (sang phải và trái) (y)
Heave = trượt đứng (lên và xuống) (z)
Chuyển động quay (rotational motions):
Roll = lắc ngang (quay quanh trục X)
Pitch = lắc dọc (quay quanh trục Y)
Yaw là chuyển động quay trở trong mặt phẳng nằm ngang, thường được gọi là chuyển động quay trở Góc quay trở, hay còn gọi là góc yaw, được biết đến với tên gọi là góc hướng (heading angle) hoặc khóa học (course).
Tốcđộ trượt dọc Surge velocity (u)
Tốc độ trượt ngang Sway velocity (v)
Tốc độ trượt đứng Heave velocity (w)
Tốc độ lắc ngang Roll rate (p)
Tốc độ lắc dọc Pitch rate (q)
Tốc độ quay trở Yaw rate (r)
* Các lực và mô men tác dụng lên tàu:
Ba chuyển động chính trong điều động tàu bao gồm trượt dọc (surge), trượt ngang (sway) và quay trở (yaw), là những yếu tố quan trọng khi phân tích chuyển động của tàu Ngoài ra, lắc ngang (roll) cũng đóng vai trò quan trọng, thường liên quan đến việc thiết kế hệ thống giảm lắc nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của lắc ngang đến hàng hóa và cải thiện điều kiện làm việc cho thuyền viên và hành khách.
Hình 2.7 Chuyển động của tàu trong mặt phẳng nằm ngang
2.3.2 Mô hình phương tiện biển 6 bậc tự do
Trong quá trình hoạt động, phương tiện thủy di chuyển theo 6 bậc tự do Theo Fossen (2002), phương trình mô hình 6 bậc tự do được trình bày như sau.
• υ = [ u , v , w , p , q , r ] T là vận tốc tàu thuỷ trong hệ quy chiếu gắn với phương tiện.
• η = [ x , y , z , φ , θ , ψ ] T và vị trí toạ độ và góc Euler
• M, C, D lần lượt là ma trận quá trính, ma trận Coriolis và ma trận giảm lắc.
• g ( ) η là véc tơ của lực trọng trường, các lực và mô men nổi
• τ là véc tơ của các tín hiệu điều khiển.
• g0 là véc tơ dùng để điểu khiển cân bằng
• ϖ là véc tơ của các nhiễu động môi trường (sóng, gió, dòng chảy)
2.3.3 Mô hình tàu thuỷ3 bậc tự do
Việc điều khiển ổn định hướng của tàu trên mặt phẳng nằm ngang chủ yếu liên quan đến mô hình động học 3 bậc tự do Mô hình này cho phép chúng ta tập trung vào các yếu tố cần thiết để duy trì hướng đi ổn định của tàu.
• Hệ quy chiếu gắn với tàu, trục xbđặt tâm dọc của tàu (yg = 0)
• Khối lượng của tàu được phân bố đối xứng (I xy = I yz = 0)
• Bỏ qua chuyển động theo phương thẳng đứng, lắc ngang, lắc dọc (w = p = q = w = p = q = 0)
Từ (2.1), ta rút gọn thành :
RB = X , Y , N τ với m là khối lượng của tàu, xg là toạ độ trọng tâm của tàu trên trục x0, Iz là mô men quán tính với trục z0
Với mô hình phi tuyến, các lực và mô men thuỷ động là các hàm phi tuyến phụ thuộc vào lực đẩy T và góc đặt bánh lái δ:
Triển khai (2.2), ta thu được hệ phương trình mô tả chuyển động 3 bậc tự do của tàu:
Coi vận tốc trượt ngang v, vận tốc quay trở r và góc đặt bánh lái δ nhỏ, ta có thể tách biệt mô hình chuyển động tịnh tiến khỏi mô hình chuyển động ngang và quay trở Điều này được thực hiện bằng cách giả định rằng vận tốc tịnh tiến u0 là hằng số với lực đẩy không đổi Các biến đổi được thể hiện qua các đại lượng: u = 0 + ∆; v = ∆ v; r = ∆ r; X = X0 + ∆ X; Y = ∆ Y; N = ∆ N.
Bỏ qua bé bậc hai, phương trình chuyển động của tàu được biến đổi thành:
Chúng ta có thể tách biệt phương trình đầu tiên với hai phương trình còn lại, điều này cho thấy rằng quá trình điều khiển vận tốc tiến có thể được phân chia rõ ràng.
Mô hình chuyển động 3 bậc tự do của tàu được xác định bởi phương trình đầu tiên, kết hợp với quá trình điều khiển hướng từ hai phương trình tiếp theo Khi góc đặt bánh lái nhỏ, các yếu tố này ảnh hưởng đến khả năng điều khiển và di chuyển của tàu.
Hai phương trình sau của (2.*) là hai phương trình được sử dụng trong quá trình điều khiển hướng của tàu.
Các mô hình điều động tàu thủy
Chuyển động của tàu được mô tả qua các phương trình toán học theo các định luật cơ học, hoạt động trong môi trường nước và không khí Các lực tác động lên tàu bao gồm lực và mô men từ chân vịt, bánh lái, cũng như các lực bên ngoài như gió, sóng và dòng chảy Ngoài ra, còn có lực cản từ nước và không khí, cùng với các lực tương tác giữa nước với vỏ tàu và không khí với phần thượng tầng kiến trúc Việc mô tả chuyển động và các lực tác động lên tàu là một nhiệm vụ phức tạp, thường được thực hiện qua các phương trình khác nhau tùy thuộc vào nhu cầu khai thác tàu.
2.4.1 Mô hình Davidson và Shiff (1946)
Theo Davidson và Shiff, lực và mô men thuỷ động được coi biến đổi tuyến tính theo công thức sau: δ + + + +
Từ đó, phương trình (2.2) được viết lại theo dạng véc tơ như sau:
Từ mô hình Davidson và Shiff, tiến hành giản ước vận tốc v từ phương tình (2.5), ta thu được phương trình Nomoto bậc 2 dạng hàm truyền:
= + δ (2.6) với ψ là góc lệch hướng, ψ ( ) ( ) t = r t :
= + δ ψ (2.7) viết theo miền thời gian, phương trình Nomoto bậc 2 có dạng:
Trong quá trình hoạt động, quán tính của tàu lớn hơn nhiều so với quán tính của hệ thống lái Do đó, có thể bỏ qua quán tính của hệ thống lái và sử dụng xấp xỉ T = T1 + T2 - T3 Điều này dẫn đến việc thu được phương trình cần thiết cho phân tích.
Nomoto bậc 1 dạng hàm truyền
Viết theo miền thời gian δ
Hình 2.8 Mô hình tính toán Nomoto bậc 1
Việc điều khiển ổn định hướng của tàu dựa trên mô hình Nomoto bậc 1 đơn giản trong quá trình tổng hợp hệ thống cho kết quả phù hợp với thực tế Mô hình này cho phép mô phỏng các quá trình điều động của tàu Seabird, như sẽ được trình bày trong phần 3.3.
2.4.3 Ứng dụng của các mô hình Nomoto
Phương trình Nomoto bậc nhất và bậc hai có nhiều ứng dụng quan trọng, đặc biệt trong việc xác định tính năng điều động của tàu.
Mô hình của Nomoto là một công cụ gần đúng để biểu diễn tính năng điều động của tàu, bao gồm khả năng lái, ổn định hướng và khả năng quay trở Các tham số T và K không chỉ ảnh hưởng đến tính năng điều động mà còn quyết định bán kính vòng quay trở của tàu Thông qua mô phỏng máy tính, việc thay đổi giá trị của T và K cùng với các góc bẻ lái khác nhau sẽ cho thấy sự khác biệt trong tính năng điều động Các giá trị của T và K có thể tạo ra nhiều trường hợp ảnh hưởng đến khả năng điều động của tàu.
- T nhỏ, K lớn: tính ăn lái tốt, tính quay trở tốt
- T nhỏ, K nhỏ: tính ăn lái tốt, nhưng tính quay trở kém
- T lớn, K lớn: tính ăn lái kém, nhưng tính quay trở tốt
- T lớn, K nhỏ: tính ăn lái kém, mà tính quay trở cũng kém
Trong quá trình khai thác tàu, việc xác định các yếu tố T và K là rất quan trọng để đánh giá tính năng điều động của tàu Các phương pháp thử nghiệm được sử dụng để xác định tính năng điều động này bao gồm nhiều kỹ thuật khác nhau nhằm đảm bảo hiệu suất và an toàn trong hoạt động hàng hải.
Vòng quay trở (turning test) là một thử nghiệm quan trọng nhằm tính toán bán kính quay trở ổn định của tàu, đồng thời đánh giá khả năng lái tàu trong các tình huống thay đổi hướng.
Thử nghiệm zig-zag Kempf là phương pháp tiêu chuẩn để so sánh các đặc tính điều động và điều khiển của tàu, đồng thời cho phép tính toán các giá trị K và T của mô hình bậc nhất Nomoto Ứng dụng của thử nghiệm này rất quan trọng trong thiết kế hệ thống máy lái tự động cho tàu thủy, giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong việc điều khiển tàu.
Ngày nay, nhờ vào kỹ thuật cảm biến và giao diện máy tính, việc điều khiển tàu biển đã trở nên dễ dàng hơn với các hệ thống tự động như máy lái tự động và hệ thống định vị động Các hệ thống điều khiển hiện đại sử dụng bộ vi điều khiển, bộ vi xử lý và máy tính, cho phép áp dụng nhiều phương pháp điều khiển tiên tiến như điều khiển PID, điều khiển tối ưu, và điều khiển thích nghi Những phương pháp này đã được tích hợp vào thiết kế hệ thống máy lái tự động cho tàu thủy Trong đồ án này, tôi sẽ áp dụng phương pháp thiết kế hệ thống lái tự động cho tàu thủy dựa trên luật điều khiển PID và mô hình bậc nhất Nomoto.
Năm 1922, bộ điều chỉnh PID được ra đời do phát minh của Nicholas
Minorsky (1885 - 1970) đã đóng góp quan trọng vào sự phát triển của ngành điều khiển tự động, đặc biệt là thông qua việc phát triển bộ điều khiển PID Bộ điều khiển này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm cả điều khiển tàu Hiện nay, các hệ thống lái tàu tự động được thiết kế dựa trên nguyên lý của bộ điều chỉnh PID, mang lại hiệu quả cao trong việc điều khiển và vận hành tàu.
PD, PID là phương pháp đơn giản nhất, hoạt động tin cậy
2.4.4 Mô phỏng các chế độ đặt hướng di chuyển khác nhau của tàu.
Hình 2.9 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển sử dụng Matlab
-Khi đặt góc lêch hướng của tàu là 30 độ v à góc bẻ lái là 10 độ ta có kết quả sau:
+ Hình a: trục tung là góc lệch hướng đặt (độ) và trục hoành là thời gian (giây)
+ Hình b: quỹ đạo của tàu (mét)
Hình 2.10b -Khi đặt góc lêch hướng của tàu là 60 độ góc bẻ lái là 10 độ ta có kết quả sau:
-Khi đặt góc lêch hướng của tàu là 90 độ góc bẻ lái là 10 độ ta có kết quả sau:
Kết luận
Sau khi nghiên cứu các chế độ điều khiển tàu, mô hình và luật điều khiển, tôi đã thiết kế và chế tạo hệ thống lái tự động cho tàu thuỷ Hệ thống này áp dụng luật điều khiển PID và mô hình bậc nhất Nomoto, vì đây là phương pháp đơn giản và đáng tin cậy nhất.
Chức năng, yêu cầu cơ bản
3.1.1 Yêu cầuvới hệ thống lái
Nhằm đảm bảo an toàn cho tàu và toàn bộ thuyền viên, hệ thống lái phải được thiết kế sao cho thoả mãn các yêu cầu chung sau:
- Phải có khả năng làm việc an toàn, không bị hư hỏng trong mọi điều kiện thời tiết.
- Phải có mô men quay cần thiết để thắng mô men cản tối đa trên trụ lái.
- Phải đảm bảo tốc độ bẻ lái theo quy định
- Phải có thiết bị theo dõi, kiểm tra sự hoạt động của hệ thống
- Việc điều khiển, bảo quản, bảo dưỡng và sửa chữa dễ dàng, thuận tiện.
Với kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ, thiết bị này có chi phí đầu tư và khai thác thấp Hệ thống truyền động điện cho phép người lái thực hiện thao tác bẻ lái từ mạn này sang mạn kia trong thời gian không quá 28 giây khi ở chế độ toàn tải với mớn nước quy định.
-Nguồn điện cung cấp cho lái phải lấy từ bảng phân phối điện chính theo
Hai đường đi cần được bố trí cách xa nhau tối đa Đối với các tàu có trạm phát sự cố, một trong hai đường cáp nên đi qua trạm này nếu công suất đủ Nếu quy định không yêu cầu lái dự trữ, thiết bị lái cần có hai bộ, mỗi bộ phải được cung cấp điện từ nguồn dự phòng.
Tất cả các mạch điện và máy điện trong hệ thống truyền động điện cho lái cần được bảo vệ khỏi dòng ngắn mạch Ngoài ra, cần lắp đặt rơle nhiệt hoặc thiết bị báo hiệu để cảnh báo quá tải Hệ thống lái cần có nhiều trạm hoặc ít nhất một trạm kép để điều khiển, và mỗi trạm phải được trang bị đồng hồ báo góc lái Khi có từ hai trạm điều khiển trở lên, cần thiết lập cầu dao chuyển trạm để tránh khả năng hoạt động đồng thời.
-Một lúc điều khiển lái từ nhiều trạm Nếu trạm điều khiển bằng tay đặt ở buồng lái thì trạm điều khiển bằng điện thứ hai không cần nữa
- Hệ thống công tắc tơ điều khiển lái cần có 2 bộ khởi động từ hoặc gồm
Bộ truyền động điện độc lập gồm hai phần, với cầu dao chuyển trạm có thể được đặt tại buồng lái hoặc bảng phân phối điện chính nếu có trực ban 24/7 Ngoài ra, cần trang bị còi tại buồng lái để thông báo khi hoạt động lái Hệ thống công tắc tơ điều khiển lái có thể chỉ sử dụng một trạm từ nếu buồng lái có truyền động điện lái bằng tay.
Trong buồng lái, cần trang bị đèn tín hiệu để chỉ rõ trạng thái hoạt động của máy lái, đảm bảo rằng không có thiết bị bảo vệ nào bị ngắn mạch Nếu có trực ban hoạt động liên tục tại bảng điện chính, đèn tín hiệu nên được đặt tại vị trí này để dễ dàng theo dõi.
- Mỗi hệ thống lái,ngoài hệ thống lặp cần có công tắc hành trình để bánh lái không quay qua góc lớn nhất cho phép
Bộ cảm phát của hệ chỉ thị góc lái cần được kết nối chắc chắn với trụ lái, đảm bảo độ chính xác của hệ thống chỉ thị góc lái nằm trong khoảng ±1 độ so với vị trí thực của bánh lái.
3.1.2 Các yêu cầu đối với hệ thống lái tự động
Theo TCVN 6277 năm 2003, chương 5 có quy định về hệ thống lái tự động như sau:
- Hướng mũi tàu phải được duy trì theo hướng đặt trước nhờ phối hợp với la bàn từ hoặc la bàn điện
- Khi chế độ lái được chuyển từ lái tay sang tự động thì hướng mũi tàu phải có khả năng chuyển động sang hướng đặt trước
Việc vận hành tàu cần phải dễ dàng và đáng tin cậy Bên cạnh việc điều khiển tác động để xác định hướng, các điều khiển khác không được làm ảnh hưởng đáng kể đến hướng di chuyển của tàu.
- Thiết bị lái phải là tổ hợp thống nhất để ngăn ngừa các tác động không cần thiết của bánh lái làm cho tàu đi lệch hướng
-Phải trang bị các chỉ báo trạng thái đang hoạt động của thiết bị lái tự động
- Phải trang bị thiết bị để hạn chế góc bánh lái, và để chỉ thị rằng bánh lái đang dần tới góc giới hạn định trước
-Các báo động âm thanh và ánh sáng phải được phát ra trên lầu lái khi hướng mũi tàu bị lêch vượt quá giá trị đặt trước
Các báo động âm thanh và ánh sáng cần được phát ra trên lầu lái để thông báo về sự cố nguồn cấp điện, nhằm hỗ trợ lái tự động và các hệ thống báo động.
Hệ thống cần được trang bị các chế độ lái đa dạng, bao gồm chế độ tự động, lái lặp, lái đơn giản và lái sự cố, nhằm đảm bảo an toàn tối đa cho con tàu.
Giới thiệu mô hình tàu khảo sát và modun lái tự động
3.2.1 Mô hình tàu khảo sát:
Tàu du lịch hai thân Seabird, được Công ty Du lịch Yến Long đầu tư và đưa vào hoạt động từ năm 2007, sẽ phục vụ khách du lịch tại vịnh Hạ Long và huyện đảo Vân Đồn Tàu sở hữu các kích thước chủ yếu ấn tượng, mang đến trải nghiệm du lịch độc đáo cho du khách.
− Hệ số béo thể tích: 0.69
Hình 3.1 Tàu Seabird sau khi hạ thuỷ
3.2.2 Nguyên lý hoạt động của modul lái tự động a Mô tả hệ thống:
Hệ thống lái tàu tự động trên tàu Seabird là một hệ thống điều khiển kín, có chức năng điều khiển tàu di chuyển theo hành trình đã định sẵn Khi người lái tàu nhập điểm đến, chương trình sẽ tự động tính toán và lựa chọn một hành trình tối ưu, bao gồm các điểm trên đường đi từ vị trí hiện tại đến đích.
Trong hệ thống điều khiển tàu, tôi sử dụng tín hiệu từ la bàn từ để xác định góc lệch của tàu so với hướng Bắc, ký hiệu là α Người lái tàu sẽ điều chỉnh phương tàu theo một góc α* Tín hiệu điều khiển con tàu được tính bằng hiệu số (α-α*), và tín hiệu này sẽ được đưa vào chip vi xử lý PIC Kết quả đầu ra từ chip là góc điều khiển bánh lái β, với β tỷ lệ tuyến tính với hiệu (α-α*).
Khi tàu di chuyển theo hướng mong muốn (góc α*) so với hướng Bắc, nhưng bị ảnh hưởng bởi sóng và gió, có thể dẫn đến việc không đạt được mục tiêu Để khắc phục tình trạng này, thiết bị định vị GPS được sử dụng để xác định vị trí hiện tại của tàu và độ lệch so với lộ trình dự kiến Tín hiệu GPS sẽ được gửi về chip vi xử lý PIC, từ đó điều khiển góc lái để đưa tàu trở lại vị trí mong muốn.
Hệ thống điều khiển bánh lái tối ưu kết hợp tín hiệu từ la bàn và GPS theo thứ tự ưu tiên Nó liên tục theo dõi hải trình của tàu và so sánh với định tuyến đã lập Nếu tàu không đi đúng quỹ đạo mong muốn, hệ thống sẽ phát tín hiệu cảnh báo bằng hình ảnh hoặc âm thanh cho người lái.
Tất cả các thiết bị được sử dụng trong hệ thống đều là thiết bị số, chẳng hạn như modul báo góc bánh lái, trong đó chúng tôi sử dụng Encoder tuyệt đối để đảm bảo độ chính xác và hiệu suất tối ưu.
Tín hiệu vào vi xử lý được truyền dưới dạng số, thay thế cho các bộ báo góc lái trước đây sử dụng tín hiệu tương tự từ xenxin hoặc biến trở quay, với 720 xung/vòng.
Khi thiết kế hệ thống, tôi xem xét tuyến đường mà người lái đã định sẵn như một tập hợp các đoạn thẳng, và giải quyết bài toán cho từng đoạn thẳng (ví dụ: đoạn A, B) Nhờ đó, chúng tôi có thể xác định hướng di chuyển cần thiết của tàu so với hướng thực tế của tàu.
Ta đưa lệnh điều khiển góc lái theo luật điều khiển PID
Trong đó Kp > 0, KD > 0 và KI > 0 Ứng dụng luật điều khiển này vào mô hình Nomoto bậc 1:
Để đạt hiệu quả tối ưu cho hệ thống, cần lựa chọn bộ giá trị (Kp, KD, KI) một cách chính xác Thành phần KP đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh góc lái, giúp phản ứng nhanh chóng với sai lệch hướng Tuy nhiên, nếu chỉ sử dụng thành phần này, tàu sẽ chỉ chuyển động dao động quanh đường đi đã định sẵn.
Với thành phần tỉ lệ KI, KD thêm vào tàu có thể chạy theo một đường với độ dao động là thấp hơn và ngày càng ít dần
Hình 3.2b b Nguyên lý hoạt động và giao diện của hệ thống
Người lái tàu sử dụng màn hình hiển thị và bàn phím để nhập tọa độ điểm đến, sau đó tín hiệu sẽ được chuyển đổi thành dữ liệu số và gửi đến bộ điều khiển trung tâm Để điều khiển tàu tới điểm đặt, cần xác định vị trí và hướng tàu so với Bắc Hai bộ điều khiển tọa độ kết nối với thiết bị GPS để nhận và xử lý dữ liệu tọa độ, trong khi bộ điều khiển hướng tàu nhận thông tin từ la bàn điện tử để xác định hướng đi Bộ đo góc lái cũng cung cấp thông tin về góc thực tế của bánh lái qua mạng RS485 đến bộ điều khiển trung tâm Tại đây, tất cả các giá trị đặt và phản hồi được sử dụng để thực hiện thuật toán điều khiển PID, điều chỉnh hai van điện từ trong hệ thống thủy lực nhằm thay đổi góc bánh lái Các bộ điều khiển được sử dụng là vi điều khiển của hãng Microchip, cụ thể là loại Pic16F877.
Vi điều khiển PIC16F876 và PIC18F4550 được thiết kế để hoạt động trong một mạng I2C cho khoảng cách gần với tốc độ cao, cùng với một mạng RS485 cho khoảng cách xa với tốc độ chậm hơn Trong hệ thống này, vi điều khiển trung tâm PIC18F4550 đóng vai trò là vi điều khiển chính (Master), trong khi các vi điều khiển khác hoạt động như vi điều khiển phụ trợ (Slave).
Sơ đồ thiết kế giao diện như sau: Hình 3.3 a,b,c,d ĐK hướng tàu
Toạ độ điểm đến ĐK góc lái PID
Máy lái Đo góc nhiễu do sóng, gió
Góc lái đk δ hướng tàu thực
Hình 3.3a Sơđồđiều khiển hệ thống lái tàu tựđộng Sai số hướng
Graphic LCD 240x128, Dãy bàn phím
Hình 3.3b Sơđồ thiết kế giao diện lái tàu tựđộng Khối Nguồn
+5V c Thuật toán điều khiển hướng đi của tầu
Quỹ đạo của tàu được xác định bởi các đoạn thẳng nối giữa tọa độ điểm hiện tại và điểm đích Mỗi đoạn thẳng này sẽ được mô tả bằng phương trình đường thẳng, cho phép tàu điều khiển di chuyển dao động xung quanh vị trí của đường thẳng đó.
Hình 3.4 Vết của tàu khi đi từ A tới B Tọa độ điểm A(x 1,y1), tọa độ điểm B(x 2,y2), xác định phương trình đường thẳng qua A và B:
Ta có sơ đồ thuật toán sau:
Quá trình điều khiển hướng đi của tàu được thực hiện bằng cách điều chỉnh góc của bánh lái Góc bánh lái sẽ được điều chỉnh dựa trên độ lệch của tàu so với phương Bắc và vị trí của tàu so với đường thẳng đã xác định.
Y Điều khiển hướng đi của tàu
Xác định tọa độ M(x1’ ,y1’) y1’ax1’+b ĐK tầu sang phải ĐK tầu đi thẳng Kết thúc điều khiển hướng đi
Hình 3.5 Điều khiển hướng của tầu
Thông số và đặc tính kỹ thuật của các modun thiết bị chính của máy lái tự động 0.8 Tm
3.3.1Bộ thu tín hiệu định vị toàn cầu GPS
Với công nghệ GPS, chúng ta có khả năng xác định chính xác tọa độ (N-E) của tàu trong bán kính 10 mét Điều này được thực hiện thông qua việc thu thập tín hiệu vận tốc và thời gian từ 10 vệ tinh địa tĩnh, với tần suất cập nhật mỗi giây.
1 lần Ngoài ra thiết bị còn cho biết vận tốc của tàu (km/h), hướng đang di chuyển, ngày giờ…
Thiết bị lái tự động của hãng Mouse - Mỹ hoạt động với nguồn điện +5V và có cấp bảo vệ IP 55, thích hợp cho môi trường nước biển Thiết bị này có khả năng giao tiếp với vi điều khiển qua cổng RS 232, tạo điều kiện thuận lợi cho việc kết nối và điều khiển.
Vi điều khiển phụ PIC16F876
2 Vi đều khiển trung tâm PIC18F4550
Hình 3.6b Màn hình hiển thị của GPS
3.3.2La bàn điện tử xác định góc CMPS03
Hệ thống lái tự động thường sử dụng la bàn con quay, nhưng do chi phí cao, chúng tôi đã nghiên cứu và chế tạo một la bàn từ-điện tử để thu tín hiệu La bàn này có cấu trúc cơ khí bên ngoài tương tự như la bàn con quay, giúp tạo ra một mặt phẳng luôn song song với tiếp tuyến của trái đất Chi tiết con quay được thay thế bằng mạch điện tử gắn trên mặt phẳng, từ đó cung cấp tín hiệu góc Điện áp yêu cầu chỉ cần 5V.
Dòng Current - 25mA Typ Độ phân giảiResolution - 0.1 Degree
Chính xác Accuracy - 1-2 degrees approx after calibration
Output 1 - Timing Pulse 1mS to 37mS in 0.1mS increments
Output 2 - I2C Interface, SMBUS compatible, 0-255 and
SCL speed up to 1MHz
Hình 3.4 Mainboad của la bàn điện tử
Chúng tôi sử dụng màn hình LCD 240x128 với chip điều khiển T6963 của Toshiba, cho phép hiển thị bản đồ đơn giản và các chế độ hoạt động Bàn phím được thiết kế dạng ma trận gồm 4 dòng và 3 cột, cung cấp 12 phím bấm, bao gồm 10 phím số và 2 phím chức năng.
Hình 3.5 Các màn hình giao tiếp của máy lái tự động
3.3.4 Bộ mã hoá xung vòng quay (Absolute Encoder) Để đo góc lái ta lắp thiết bị mã hoá vòng quay tuyệt đối EP50S8 của hãng Autonics- Hàn quốc có nguồn nuôi +5v, có cấp bảo vệ IP 56 phù hợp với môi trường biển và có cổng giao tiếp RS 485 Cứ mỗi vòng quay của Ab Encoder được chia làm 720 xung, mỗi xung đã được mã hoá và ứng với 0.5 độ Do được mã hoá mỗi góc khác nhau tương ứng có mã số khác nhau, nên nếu do sự cố mất điện rồi có điện lại thì Ab Encoder vẫn cho tín hiệu đúng với giá trị góc của nó mà không cần reset lại để lấy giá trị gốc như Encoder thông thường
Hình 3.6 Ảnh và sơđồ khối phản hồi góc lái
3.4 Sơ đồ cấu tạo một số phần tử của hệ thống lái tự động đang được chế thử
- Counter rudder và Counter rudder time constant: Các chiết áp điều chỉnh độ trễ thời gian của khâu vi phân (dα/dt)
* Hàm điều khiển của hệ thống ở chế độ tự động như sau: y = A1α + A2dα/dt + A3∫αdt - A4β - A5dβ/dt a/ Nhóm tạo tín hiệu A 1 α + A 2 d α /dt + A 3 ∫α dt
Vi điều khiển phụ PIC16F876
RS232 Vi đều khiển trung tâm PIC18F4550
Bánh lái Khối hiển thị
Tín hiệu điều khiển α, biểu thị độ lệch hướng đi của con tàu so với hướng đã định, được lấy từ chiết áp ± 20V với điểm 0 Mỗi 1 độ sai số hướng đi tương ứng với 0,5 V của điện áp tín hiệu.
- Tín hiệu vi phân độ lệch hướng đi được lấy từ các tụ điện C115 và C116
- Tín hiệu tích phân độ lệch hướng điđược lấy từ các tụ C118 ÷ C120
Tín hiệu điều khiển α cùng với dα/dt và ∫αdt được truyền qua một tầng khuyếch đại đệm sử dụng tranzitor một tiếp giáp kép VT202 trước khi đến khâu khuyếch đại động học VA203.
Khi chưa có tín hiệu điều khiển, thế tại các cực của G của VT202 đều là
0V Dòng ID ở hai nhánh bằng nhau Thế đưa tới cửa thuận và cửa đảo của VA203 bằng nhau ở cửa ra của VA203 có Ur = 0
Khi tàu lệch sang trái, cần thực hiện lệnh bẻ lái sang phải, khiến con chạy của chiết áp di chuyển lên phía dương Tín hiệu từ cổng PL2/14 sẽ được truyền tới chân G của bóng VT202, dẫn đến VG lớn hơn VS.
Tín hiệu U từ tầng khuyếch đại làm cho giá trị của VA trở nên âm Tín hiệu này được truyền đến cấp nguồn cho rơle điện từ phải RLB, từ đó mở van điện từ để điều khiển bánh lái quay sang phải.
Khi tàu lệch về bên phải, cần bẻ lái trái để điều chỉnh Chiết áp sẽ di chuyển xuống dưới, tạo ra giá trị âm tại cổng G của nửa bên trái VT202, dẫn đến việc khoá bớt nửa bên trái Dòng điện qua D - S của nửa bên phải sẽ lớn hơn nửa trái, khiến Ur của VA203 có giá trị dương Tín hiệu được truyền qua các tầng khuyếch đại trung gian đến rơle điện từ trái RLA, mở van điện từ trái để điều khiển bánh lái quay sang trái.
Mạch hạn chế trong điều khiển truyền động điện thường được sử dụng để kiểm soát tín hiệu điều khiển Đây là loại mạch khuyếch đại có vùng bão hòa, giúp hạn chế tín hiệu điều khiển trước khi nó được gửi đến các tầng khuyếch đại công suất tiếp theo Giá trị điện áp tại các điểm A và B sẽ được xác định trong quá trình này.
UA = (1 - α1)Ur + α1UC ; UB = (1 - α2)Ur - α2UC
Với cách chọn: R238 = R233 và R239 = R234 ta có: α1 = α2 = α
Do vậy khi Ur > 0 thì Urbị hạn chế bởi giá trị:
* Nhóm tạo tín hiệu A 4 β + A 5 d β /dt
- Tín hiệu phản hồi góc bẻ lái được lấy từ Absolute Encoder phản hồi về cửa PL2/11
- Tín hiệu dβ/dt được lấy qua các điện trở phân áp R139, R124
Nhóm tín hiệu này, giống như nhóm tạo tín hiệu α, dα/dt và ∫αdt, được truyền qua tầng khuyếch đại đệm với tranzitor trường kép VT103 trước khi đến bộ khuyếch đại thuật toán VA103.
• Tầng khuyếch đại đệm dùng VT103:
Khi tàu chưa lệch khỏi hướng đi cho trước (y = 0), tín hiệu ở cửa thuận và cửa đảo của VA103 bằng nhau → Ur = 0
Khi tàu bị lệch sang bên trái, cần thực hiện lệnh bẻ lái phải La bàn sẽ gửi tín hiệu lệch góc tới vi điều khiển PIC, dẫn đến tín hiệu tại cửa G của nửa trái VT103 lớn hơn cửa S, từ đó tạo ra Ur của VA103 âm Tín hiệu này được truyền tới các tầng khuyếch đại và rơle RLB, kích hoạt van điện từ để điều khiển bánh lái quay sang phải Tương tự, khi tàu lệch sang bên trái, quy trình hoạt động cũng diễn ra như vậy.
* Mạch báo động góc lệch hướng đi quá lớn
Tín hiệu góc lệch hướng đi α được truyền qua chiết áp RV401 - 50K để thiết lập mức báo động ALARM LIMIT Tín hiệu này sau đó được gửi đến bộ so sánh và tiếp tục tới bộ khuyếch đại thuật toán VA201 Cuối cùng, tín hiệu được khuếch đại qua tầng công suất sử dụng tranzitor VT201 để điều khiển rơle RLC, cung cấp nguồn cho chuông báo động ALARM BUZZER.
Sau khi khuyếch đại thuật toán VA201, tín hiệu ra được xác định là Ur = k (UA - UB) Khi góc lệch hướng của con tàu chưa vượt quá mức giới hạn đã đặt (mức này có thể điều chỉnh thông qua chiết áp RV401), tại điểm C vẫn chưa đủ để kích hoạt D207.
Khi đó: UB = UA→ Ur = 0
Do phân cực ban đầu, VT201 còn khoá → rơle RLC không được cấp nguồn → tiếp điểm RLC còn mở → chuông không kêu
Cụm nguồn thuỷ lực của máy lái tự động
3.5.1 Đặcđiểm và nguyên lý hoạtđộng
Máy lái sử dụng 2 xy lanh dẫn động 2 phía, ở đầu xy lanh và đầu cần piston đều có khớp cầu tự lựa.
Máy lái được trang bị hai nguồn điện chính và phụ, hoạt động dự trữ cho nhau, cùng với một nguồn lái sự cố sử dụng bơm tay đảo chiều Hệ thống thủy lực sử dụng van phân phối 4/3 điều khiển điện với vị trí trung gian hồi két, giúp giảm tải cho bơm khi máy lái không hoạt động Van điện từ này được kết nối với vi điều khiển PIC thông qua bộ khuếch đại.
Các thông số kỹ thuật chính của máy lái như sau:
- Momen quay lái lớn nhất: M = 800kgm;
- Áp suất làm việc lớn nhất: plv max = 80 kg/cm 2 ;
- Áp suất mở van an toàn: pat = 100 kg/cm 2 ;
- Đường kính xy lanh : D = 50mm;
- Đường kính cán piston: d = 32 mm;
- Góc quay lái tối đa: α = ± 35 0 ;
- Bán kính séc tơ lái: r = 160 mm;
- Công suất mô tơđiện : n = 0.55 kw
- Lưu lượng bơm dẫn động bằng động cơ điện: q0 = 8 cm 3 /vg ;
- Lưu lượng bơm lắc tay: q0 = 80cm 3 /vg
Bơm bánh răng hoạt động nhờ động cơ điện, dẫn dầu từ két đến van phân phối Khi chưa có lệnh điều khiển, dầu sẽ trở về két qua lọc Khi có tín hiệu điều khiển, dầu sẽ đi qua van hãm và các van khoá vào khoang lớn của xi lanh bên dưới và khoang nhỏ của xi lanh bên trên Dầu từ hai khoang còn lại của hai xi lanh sẽ quay về két qua các van chức năng Nếu cuộn hút bên phải có điện, quá trình sẽ diễn ra ngược lại.
Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý thuỷ lực của máy lái 0.8 Tm
1- Bể dầu + hệ nguồn thuỷ lực; 2- Đo nhiệt độ dầu;
3- Bộ lọc xả (hồi); 4- Van một chiều ;
5- Lọc & thoát khí; 6- Đo mức;
7- Động cơ điện lai bơm thuỷ lực; 8- Khớp truyền động;
9- Bơm thuỷ lực; 10, 11, 12, 21, 27- nối ống;
13- Van an toàn; 14- Van phân phối;
15- Van hãm kép 16- Rơle áp suất;
23- Đo nhiệt độ; 24- Van chặn kép;
25- Van chống quá tải; 28- xylanh
Hình 3.14 Cụm nguồn thuỷ lựcđược chế tạo tại xưởng
Hình 3.15 Cụm truyền động đang chế tạo tại xưởng
Hình 3.16 Máy lái đã đươc lắp trên tàu.
Một số vấn đề về chỉnh định hệ thống lái tự động
Hiện nay, nghiên cứu của đề tài này đã được ứng dụng vào tàu Seabird tại Hải Phòng, với các công việc cơ khí và thuỷ lực đã hoàn tất Thiết bị điều khiển tự động đang trong giai đoạn hoàn thiện Trong thời gian tới, khi tàu có khả năng vận hành (điều khiển trực tiếp), tôi sẽ tiến hành kiểm nghiệm sản phẩm trong điều kiện khai thác thực tế.
Trước khi vận hành hệ thống ở chế độ tự động, cần phải kiểm tra độ chính xác của la bàn Chất lượng hoạt động của la bàn ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của toàn bộ hệ thống.
- Tiến hành chỉnh định các thông số hiệu chỉnh trong 3 trường hợp cần thiết sau:
+ Trọng tải tàu thay đổi: Không tải, tải trunbình và toàn tải
+ Có sự thay đổi tốc độ: Toàn tốc, tốc độ trung bình và tốc độ chậm + Khi thời tiết thay đổi
- Khi chỉnh định, hệ thống lái tự động cần đạt được các chỉ tiêu sau:
+ Đảm bảo độ chính xác cho phép trong điều kiện góc bẻ lái nhỏ nhất để đảm bảo vận tốc khai thác của tàu.
Khi tàu di chuyển trong điều kiện sóng gió mạnh, việc tăng độ nhạy của hệ thống để giảm dao động không phải là giải pháp hợp lý, vì sẽ dẫn đến số lần đóng mở hệ thống tăng quá nhiều Đặc biệt, khi số lần đóng mở vượt quá 400 lần, cần giảm độ nhạy của hệ thống để tránh tình trạng quá tải và đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định.
Để thực hiện các yêu cầu điều chỉnh, cần tiến hành chỉnh định từng thông số một cách tuần tự Bước đầu tiên là điều chỉnh thông số phản hồi góc bẻ lái, sau đó tiếp tục điều chỉnh các thông số khác Trong quá trình điều chỉnh, cần sử dụng máy ghi lại hướng đi thực của tàu hoặc kiểm tra tín hiệu phản ánh để đảm bảo độ chính xác.
Điều chỉnh hệ số phản hồi góc bẻ lái K4 là cần thiết để đảm bảo tàu có thể quay về hướng đi cũ khi bị lệch Khi tàu chạy toàn tải với tốc độ trung bình, nếu lệch một góc ∆α, bánh lái cần quay một góc β lớn hơn so với khi tàu không tải, do đó cần giảm K4 Tại tốc độ cao, lực cản trên bánh lái tăng, cho phép duy trì hướng đi với góc bẻ lái nhỏ Trong điều kiện sóng to và gió lớn, K4 cũng cần được giảm, nhưng chỉ đến mức độ nhất định để tránh mất ổn định hệ thống.
Để tối ưu hóa hệ thống, cần điều chỉnh hệ số truyền khâu vi phân góc lệch hướng đi K2 Khi mặt biển yên tĩnh, việc tăng K2 sẽ cải thiện độ nhạy của hệ thống Ngược lại, trong điều kiện sóng lớn và gió mạnh, cần giảm K2, thậm chí có thể ngắt khâu này ra khỏi hệ thống Hơn nữa, khi trọng tải tàu tăng, việc giảm K2 càng trở nên cần thiết.
Để tối ưu hóa độ chính xác của hệ thống, cần điều chỉnh hệ số truyền khâu tích phân góc lệch hướng đi K3 Trong điều kiện thời tiết tốt, tăng K3 sẽ cải thiện độ chính xác Ngược lại, khi gặp sóng lớn và gió mạnh, nên giảm hoặc ngắt hoàn toàn khâu tích phân khỏi hệ thống.
Để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống, việc điều chỉnh hệ số truyền là rất quan trọng Trong điều kiện thời tiết tốt, chúng ta nên tăng hệ số khuyếch đại để nâng cao độ chính xác Ngược lại, khi thời tiết xấu, cần giảm hệ số khuyếch đại để duy trì hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống, việc điều chỉnh vùng không nhạy K1 là rất quan trọng Vùng không nhạy thường nằm ở đầu vào của các tầng khuyếch đại đệm Trong điều kiện mặt biển yên tĩnh, cần thu hẹp vùng không nhạy để cải thiện độ nhạy Ngược lại, khi thời tiết xấu, việc điều chỉnh để tăng vùng không nhạy sẽ giúp hệ thống hoạt động ổn định hơn.
CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
Tóm lại, đồ án nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống lái tự động cho tàu thuỷ đã trình bày chi tiết các bước và thành phần cấu tạo nên hệ thống này, đồng thời đạt được một số kết quả khả quan.
Trong chương 1, bài viết nêu bật tính cấp thiết của việc ứng dụng tự động hóa và các thành tựu khoa học kỹ thuật vào hệ thống điều khiển tàu thuỷ Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ đã mở ra nhiều cơ hội mới, giúp nâng cao hiệu quả và an toàn trong việc điều khiển tàu Việc tích hợp các giải pháp tự động hóa không chỉ tối ưu hóa quy trình vận hành mà còn giảm thiểu rủi ro cho con người và môi trường.
Bài viết này xây dựng cơ sở lý thuyết cho thiết kế và chế tạo hệ thống lái tự động, bao gồm mô hình hoá động học của tàu và phương trình điều khiển hướng Nomoto bậc nhất Đồng thời, nó giới thiệu bộ điều khiển PID (khuếch đại, vi phân, tích phân) phù hợp cho hệ thống lái Chương 2 sẽ trình bày các kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển bằng Mathlab trong các trường hợp với các góc đặt lái khác nhau.
Tàu có hệ thống lái tự động là sản phẩm chính của đề tài này, mang lại nhiều tiện ích cho việc điều khiển tàu Hệ thống này bao gồm một số mô-đun quan trọng như bộ truyền động điện-thủy lực, bộ hiển thị và thiết bị phản hồi góc lái, giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong quá trình điều khiển.
Lĩnh vực nghiên cứu điều khiển tự động tàu thuỷ rất phong phú, nhưng do hạn chế về thời gian của đồ án thạc sỹ, tôi chỉ báo cáo về ứng dụng lý thuyết điều khiển trong việc xây dựng hệ thống lái tự động cho tàu thuỷ Tôi cũng giới thiệu các mô-đun mà tôi đã chế tạo và lắp đặt trên tàu SEABIRD Trong thời gian tới, khi tàu được tiến hành chạy thử, các kết quả tính toán sẽ được kiểm nghiệm thực tế.
Trong tương lai, để hoàn thiện nghiên cứu và phát triển hệ thống lái tự động tại Việt Nam, cần tiếp tục nghiên cứu và giải quyết các vấn đề còn tồn đọng.
