Ổn định hệ thống lái tự động tàu thủy sử dụng bộ điều khiển mạng nơ ron – mờ thích nghi trực tiếp

Bài viết Ổn định hệ thống lái tự động tàu thủy sử dụng bộ điều khiển mạng nơ ron – mờ thích nghi trực tiếp nghiên cứu thuật toán thích ứng để đáp ứng thực tế. Với bộ điều khiển sử dụng mạng noron - mờ đã tạo ra một hướng phát triển mới trong lĩnh vực thiết kế hệ thống điều khiển. Bộ điều khiển mạng noron - mờ được thiết kế để giữ cho hệ thống lái tự động của tàu hoạt động ổn định. Mời các bạn cùng tham khảo!

Kỷ yếu Hội thảo khoa học cấp Trường 2022 Tiểu ban Khoa học hàng hải Ổn Định Hệ Thống Lái Tự Động Tàu Thủy Sử Dụng Bộ Điều Khiển Mạng Nơ Ron – Mờ Thích Nghi Trực Tiếp Võ Cơng Phương Viện Hàng hải Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam phuong.vo@ut.edu.vn Đào Học Hải Viện Hàng hải Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam hochai_dv@hcmutrans.edu.vn Nguyễn Tiến Dũng Khoa Điện-Điện tử viễn thông Trường Đại học Giao thơng vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam tiendung.nguyen@.ut.edu.vn Nguyễn Bảo Trung Viện Hàng hải Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam trung_dv@hcmutrans.edu.vn Tóm tắt - Hiện nay, lĩnh vực điều khiển tự động ngày phát triển mạnh mẽ, điều khiển chế tạo để điều khiển nhiều đối tượng khác Yêu cầu thực tế đặt điều khiển hệ thống động lực phức tạp, điều kiện hệ số bất định tăng, cần có điều khiển chất lượng cao hơn, Do đó, điều khiển có thuật tốn thích ứng để đáp ứng thực tế Với điều khiển sử dụng mạng noron - mờ tạo hướng phát triển lĩnh vực thiết kế hệ thống điều khiển Bộ điều khiển mạng noron - mờ thiết kế để giữ cho hệ thống lái tự động tàu hoạt động ổn định Chúng thiết kế với chất lượng hệ thống định với độ xác tùy ý cơng việc chúng dựa nguyên tắc tư người ( m  mx )u  ( m  my )vr  X   ( m  my )v  ( m  mx )ur  my y r  my l y p  Y   ( I x  J x ) p  myl y v  mxl xur  K  WGMT   ( I z  J z )r  my y v  N  xgY   Các lực, mô men (moment) thủy động phục hồi thể sau: Keywords—Tàu thủy, điều khiển tàu thủy, mạng noron – mờ, điều khiển thích nghi, nhiễu sóng biển ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN X  X (u )  (1  t )T  X vr vr  X vv v  X rr r  X    cRX FN sin  Y  Yv v  Yr r  Yp p  Y  Yvvv v Yrrr r  Yvvr v 2r   Yvrr vr  Yvv v 2  Yv v  Yrr r 2   Yr r  (1  aH ) FN cos  K  K v v  K r r  K p p  K  K vvv v  K rrr r  K vvr v 2r   K vrr vr  K vv v 2  K v v  K rr r 2   K r r  (1  aH ) zR FN cos  N  N v v  N r r  N p p  N  N vvv v  N rrr r   N vvr v r  N vrr vr  N vv v 2  N v v   N rr r 2  N r r  ( xR  aH xH ) FN cos  Trong X (u) vận tốc phụ thuộc vào hệ số cản X (u )  X |u|u | u | u Lực bánh lái mơ tả: Hình 1: Mơ hình tàu hệ trục Đối với tàu thủy chuyển động thường giới hạn 04 bậc tự do: Trượt dọc, trượt ngang, quay trở (hướng), lắc ngang Xét mơ hình tốn phi tuyến tàu theo trục X ,Y quay trở (hướng), lắc ngang trình bày Son va Nomoto [1]-[3] FN   6.13 AR (u  v )sin  R   2.25 L2 R R uR  u p  8kKT / ( J )  R    tan 1 (vR  uR ) vR   v  cRr r  cRrrr r  cRrrr r 2v 234 Võ Công Phương, Đào Học Hải, Nguyễn Tiến Dũng, Nguyễn Bảo Trung Ở đây: Như chuyển động tàu thủy theo hướng J u pU yout mô tả tổng quát hệ phương trình: nD  I  A( )  G       J ( )  y   out u p  cos v (1  wp )   (v  x p r )  c pv v  c pr r}  n : Tốc độ quay chân vịt (vịng/phút);  D : Đường kích chân vịt; Các hệ số phương trình (3) tính tốn phụ thuộc vào thông số thực tế loại tàu, mơ tả đầy đủ mơ hình tốn cho tàu thủy mô điều khiển điều kiện chưa xét đến nhiễu mơi trường sóng, gió dịng chảy:  AR : Diện tích bánh lái;   : Góc quay bánh lái;  L : Chiều dài thân tàu cRX FN sin     (1  a ) F cos   H N     (1  aH ) z R FN cos     ( xR  aH xH ) FN cos   Từ điều kiện trên, thiết lập phương trình chuyển động tàu dạng: I  A( )  G   (1) Trong đó: v  u v p r  m  mx  I     T m  my my l y my y my l y Ix  Jx II PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA TÀU THỦY KHI CÓ XÉT ĐẾN CÁC NHIỄU LOẠN  m y y    I x  J z  Khi xét đến nhiễu mơi trường gồm gió, sóng dịng chảy đại dương, hệ phương trình (3) viết sau:  I  A(td )td  G    d     J ( )  y   out X vv v  X uuu  Yv  Yvvv vv  Yvv v  Yv A K v  K vvv vv  K vv v  K v   N v  N vvv vv  N vv v  N v      c  [utd , vtd , p, r ]T ; c  [uc , vc , 0, 0]T : Vận tốc dòng chảy hệ tọa độ gắn liền; d   gió   sóng : Nhiễu gió sóng   (1  t )T ( J )  X    2 Y  Yrr r   Yr r   G 2 K   K v v  K rr r   K r r  W GM     N  N rr r 2  N r r   III SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG CHẢY ĐẠI DƯƠNG ĐỐI VỚI CHUYỂN ĐỘNG CỦA TÀU THỦY Vận tốc dòng chảy Vc phân tích thành Chuyển động tàu mơ tả hệ tọa độ cố định tâm Trái Đất giới hạn 04 bậc tự do: (2)   J ( ) thành phần ucE , vcE thuộc hệ tọa độ cố định tâm Trái Đất mặt phẳng ngang thơng qua góc  ucE  Vc cos Trong đó: vcE  Vc sin    x y    T  sin cos 0 0  0    cos   (4) Với: X vr v  X rr r  ( m  my )v  Yp Yr  Yrrr rr  Yvvr vv  Yvrr vr  ( m  mx )u   K p K r  K rrr rr  K vvr vv  K vrr vr  mxl xu   Np N r  N rrr rr  N vvr vv  N vrr vr  cos  sin J ( )      (3) Vận tốc dòng chảy hệ tọa độ gắn liền T mặt phẳng ngang ký hiệu c  [uc , vc , 0, 0] , đó, uc , vc thành phần vận tốc dòng chảy theo trục X b , Yb 235 Ổn định hệ thống lái tự động tàu thủy sử dụng điều khiển mạng nơ ron – mờ thích nghi trực tiếp Mối quan hệ vận tốc dòng chảy hệ tọa độ gắn liền hệ tọa độ địa lý mơ tả thơng qua góc hướng S (w)  Với Tz : Hệ số phụ thuộc vào mức sóng trung bình ucE  uc  T  v   J l ( )  E   c  vc   cos sin  Với: J ( )      sin cos  Tuyến tính hóa mơ hình sóng biển PM viết ngõ y(s) từ mơ hình sóng y(s)  h(s)(s) Trong đó:  ( s) : Nhiễu trắng Gaussian có mức trung bình với lượng phổ pww ( )  ; Ta có: uc  Vc cos(   ) vc  Vc sin(   ) h(s) : Hàm truyền đề nghị [1]: Vận tốc tương đối: h( s )  vtd  v  vc  utd , vtd , p, r  T K s s  20 s  02 Với số độ lợi K định nghĩa: IV SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA GIÓ ĐỐI VỚI CHUYỂN ĐỘNG CỦA TÀU THỦY Mô men (moment) lực tác động gió tàu thủy thường xác định thành phần vận K  20  ;    : Hằng số mơ tả cường độ sóng (m);   : Hệ số ma sát; tốc gió VR (hải lý) góc  R (độ) [1]   : tần số trội (rad/s) X gió  C X ( R )  wVR2 AT Ygió  CY ( R )  wVR2 AL N gió  C N ( R )  wVR2 AL L Mơ hình sóng biển cấp ba với thơng số  ;  (rad/s);    0.5 (m) mơ sau: Mơ hình lực mơ men nhiễu sóng biển theo [1]: N X sóng (t )    gBLTcos si (t ) Trong đó:  C X , CY : Các hệ số lực; i 1 N Ysóng (t )     gBLT sin si (t )  C N : Hệ số mô men; i 1   w : Mật độ khơng khí (kg/m3); N N sóng (t )    AT : Bề mặt theo phương ngang phương dọc i 1 thân tàu (m );  L chiều dài thân tàu  gBL( L2  B )sin 2 si2 (t ) 24 Trong đó:   : Góc hướng tàu phương sóng; Véc tơ (vector) mơ men lực tác động gió tàu thủy:  gió   X gió Ygió  H s2 16 exp( )(m s ) Tz4 Tz4 N gió   g: Gia tốc trọng trường (m/s2);   : Mật độ nước; T  si (t ) : Độ nghiêng sườn sóng thứ i; V SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG BIỂN ĐỐI VỚI CHUYỂN ĐỘNG CỦA TÀU THỦY Gió tạo sóng thường trình bày tổng số lượng lớn sóng thành phần Cường độ sóng Ai sóng thành phần i liên quan đến hàm mật độ phổ  L : Chiều dài thân tàu theo bề mặt ướt;  B : Bề rộng tàu theo bề mặt ướt;  T : Mớn nước tàu Véc tơ mô men lực tác động sóng biển tàu thủy: sóng S (i ) Mơ hình phổ PM xây dựng vào năm 1978: 236  sóng   X sóng Ysóng N sóng  T Võ Cơng Phương, Đào Học Hải, Nguyễn Tiến Dũng, Nguyễn Bảo Trung VI THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MẠNG NƠRON MỜ THÍCH NGHI TRỰC TIẾP CHO TÀU THỦY 04 BẬC TỰ DO Yr  e  A (Yr  e)  B[ f ( x)  g( x)u f  g( x)v  d ] e  A e  BKcT eˆ  B[  f ( x )  yr( n )  K cT eˆ   g ( x )u f  g ( x )v  d ]  Yr  A Yr  Byr( n ) Cho hệ thống: x(t )  Ax(t )  Bu(t ) e1  C T e (5) Có điều kiện đầu x(0)  x0 Hay: Ở x  R n , u  R , A R nxn , B  R nx1 e  Ae  BK cT eˆ  B[ g ( x)u *  g ( x)u f  g ( x)v  d ] Giả sử A ma trận Hurwitz u (t )  L2 e , cho e1  C T e  0 số dương,   [0,  ]    2 thỏa || e A(t  ) || 0 e  ( t  ) Vấn đề đặt thiết kế quan sát trạng thái để ước lượng trạng thái véc tơ e, quan sát trạng thái trình bày: eˆ  A eˆ  BK cT eˆ  K (e1  eˆ1 ) Ta có: || x(t ) || 0 e 0t || x0 ||  || B || 0 2   eˆ1  C T eˆ || ut ||2 Trong giá trị || ut ||2 tính theo cơng thức: Trong đó: K  [ K10 , K 20 , ,K n0 ] véc tơ độ lợi quan sát trạng thái chọn cho A  K C T thỏa Hurwitz Sai số quan sát định nghĩa: e~  e  eˆ e~  e  eˆ t || ut ||2  ( e  (t  ) u T ( )u( )d )1 / Định nghĩa: e~  ( A  K )e~  B[ g ( x)u *  g ( x)u f  g ( x)v  d ] e~  C T e~ Yr  [ y r , y r , , y r( n1) ]T Sai số bám: e  Yr  x, eˆ  Yr  xˆ Với eˆ xˆ ước lượng e x ( n1) e  [e1 , e1 , ,e Để xấp xỉ luật điều khiển (7), tức tính u f Giải , ]  [e1 , e2 , ,en ] T T Nếu hàm f (x) g (x) biết khơng có nhiễu d, theo tiêu chuẩn Lyapunov dựa tiếp cận tương đương, luật điều khiển: u *  g 1 ( x)[ f ( x)  y r( n )  K cT eˆ] thuật đề nghị sử dụng cấu trúc xấp xỉ noron-mờ Cấu hình hệ logic mờ gồm có số luật - chế suy luận mờ Luật – thứ i (với i   h ) viết: i i Ri : Nếu e1 A1 … en An u f B i (6) i hồi tiếp K c cho Ak  A  B K cT thỏa Hurwitz Bởi hệ thống (5) có ngõ y đo lường, hàm f k (x) g kj (x ) chưa biết nên luật điều khiển (6) thực Luật điều khiển đề nghị: u  uf v (7) Với u f xấp xỉ luật điều khiển (7), v thành phần i i Trong đó: A1 , A2 ,…, An B i tập mờ c c c T Với K c  [ K n , K n 1 , ,K1 ] véc tơ độ lợi Chọn Khi đó, ta có: Bộ xấp xỉ hàm noron-mờ singleton có bốn lớp: Tại lớp 1, nút ngõ vào, đại diện véc tơ ngôn ngữ đến eˆ  [eˆ1 , eˆ1 , ,eˆn ]T Tại lớp 2, nút thể giá trị hàm thành viên tổng số biến ngôn ngữ Mỗi nút lớp thực giá trị hàm thành viên Tại lớp 3, nút giá trị véc tơ sở mờ  Tại lớp 4, ngõ đại diện giá trị ngõ mạng u f Liên kết lớp lớp nối đầy đủ véc 1 2 h T tơ trọng số   [u , u , ,u ] , thơng số điều chỉnh để khử nhiễu ngồi sai số mơ hình Ta có: 237 Ổn định hệ thống lái tự động tàu thủy sử dụng điều khiển mạng nơ ron – mờ thích nghi trực tiếp  Bước 1: Bằng phép thử sai véc tơ độ lợi hồi tiếp quan sát Kc, K0 chọn:   eˆ j    A3j (eˆ j )  exp  5     0.6     K0T  28;44; KcT  24;4   eˆ j  0.25      A4j (eˆ j )  exp  5   0.6      Bước 2: Các thông số thành phần bù trừ sai số chọn 1  0.5 , 1  0.02 Các hệ số 1 luật thích nghi chọn   0.01 ; Bộ lọc L ( s ) 1 chọn L ( s )    eˆ j  0.5      A5j (eˆ j )  exp  5   0.6     s4 Tính véc tơ sở mờ  (eˆ)  Bước 3: Xây dựng quan sát xác định véc tơ sai số ước lượng   eˆ j       A1j (eˆ j )  exp  5   0.6      Bước 4: Xây dựng luật mờ cho eˆ j (t ) Từ luật điều khiển thích nghi trực tiếp cho hệ thống lái tự động tàu thủy Để đơn giản giảm khối lượng tính tốn khơng tính tổng qt, nhóm tác giả dùng véc tơ sở mờ cho hai mạng noron Với hàm liên thuộc véc tơ sở mờ chọn:   eˆ j  0.5        A (eˆ j )  exp  5 VII MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÀU THỦY BẬC TỰ DO DÙNG MATLAB-SIMULINK     eˆ j  0.25      A2j (eˆ j )  exp  5   0.6     j   eˆ j  2.5      A2j (eˆ j )  exp  5   0.6     Mơ hình tàu 04 bậc tự sử dụng MatlabSimulink Hình Mơ hình tàu 04 bậc tự Hình Mơ hình điều khiển mạng noron-mờ thích nghi trực tiếp Kết mơ  Trường hợp Khi chưa có nhiễu sóng biển tác động Mô Simulink đầu vào hàm bậc thang, vận tốc tàu v = 7m/s 238 Võ Công Phương, Đào Học Hải, Nguyễn Tiến Dũng, Nguyễn Bảo Trung 60 50 Psi (Huong mui tau) 40 30 20 10 -10 -20 0.5 1.5 tout 2.5 3.5 x 10 Hình Đặc tính tracking với hệ thống điều khiển mạng noron-mờ thích nghi trực tiếp  Trường hợp 2: Nhận xét: Khi đầu vào hàm bậc thang, vận tốc tàu 7m/s đáp ứng đầu bám theo hướng đặt trước tàu, độ vọt lố cho phép phù hợp với thực tế Khi tàu có nhiễu sóng biển tác động cấp chín 60 50 Psi (Huong mui tau) 40 30 20 10 -10 -20 0.5 1.5 tout 2.5 3.5 x 10 Hình Đặc tính tracking với hệ thống điều khiển mạng nơ ron-mờ thích nghi trực tiếp có nhiễu Nhận xét: Khi có nhiễu tác động ảnh hưởng nhiễu chuyển động hướng nhỏ Tuy nhiên, sóng biển cấp độ cao, đáp ứng hệ thống giữ hướng đặt trước biên độ thay đổi nhiều làm ảnh hưởng đến vết tàu tính kinh tế khai thác VIII KẾT LUẬN Kết mơ hai trường hợp có nhiễu khơng nhiễu cho thấy điều khiển mơ hình tàu 04 bậc tự ổn định hướng so với hướng cho trước khoảng thời gian thực tế Ưu điểm bật điều khiển có thay đổi vận tốc hay có tác động nhiễu tàu giữ hướng ổn định so với hướng đặt trước TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] T I Fossen, “Handbook of Marine Craft Hydrodynamics and Motion Control,” NY, USA: John Wiley & Son, ltd, 2011 [2] Asgeir J Sørensen, “Marine Control Systems Propulsion and Motion Control of Ships and Ocean Structures,” Lecture Notes, Department of Marine Technology, Norwegian University of Science and Technology, 2013 [3] T I Fossen, “Marine Control Systems – Guidance, Navigation, and Control of Ships, Rigs and Underwater Vehicles,” Trondheim, Norway: Marine Cybernetics AS, 2002 239 ... [u , u , ,u ] , thơng số điều chỉnh để khử nhiễu ngồi sai số mơ hình Ta có: 237 Ổn định hệ thống lái tự động tàu thủy sử dụng điều khiển mạng nơ ron – mờ thích nghi trực tiếp  Bước 1: Bằng phép... Mơ hình tàu 04 bậc tự sử dụng MatlabSimulink Hình Mơ hình tàu 04 bậc tự Hình Mơ hình điều khiển mạng noron -mờ thích nghi trực tiếp Kết mơ  Trường hợp Khi chưa có nhiễu sóng biển tác động Mô... chảy hệ tọa độ gắn liền T mặt phẳng ngang ký hiệu c  [uc , vc , 0, 0] , đó, uc , vc thành phần vận tốc dòng chảy theo trục X b , Yb 235 Ổn định hệ thống lái tự động tàu thủy sử dụng điều khiển