Đang tải... (xem toàn văn)
Tuy nhiên, về mặt kỹ thuật cáccôngtrình nghiên cứu vẫn còn tồn tại nhưng hạn chế nhất định như chất lượng điềukhiển,chất lượng và độ trung thực của hình ảnh, khả năng đồng bộ dữ liệu điề
LỜICAMĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân hướngdẫn tập thể giáo viên hướng dẫn nhà khoa học Các tài liệu tham khảo đãđược trích dẫn đầy đủ Kết nghiên cứu trung thực chưa cơng bốtrênbấtcứmộtcơngtrìnhnàokhác HảiPhịng, ngày 12tháng12n ă m 2023 Tácgiả TrƣơngCơngMỹ LỜICÁM ƠN Trong q trình làm luận án, tơi nhận nhiều góp ý chun môn cũngnhư ủng hộ giúp đỡ giáo viên hướng dẫn, nhà khoa học, đồngnghiệp.Tôixinđượcgửitớihọlờicảmơn sâusắc Tơi xin bày tỏ lịng cám ơn đến giáo viên hướng dẫn trực tiếp hướng dẫn tôitrongsuốtthờigianqua Tôicũngxinchânthànhcámơncácnhàkhoahọc,KhoaHànghải,KhoaĐiện – Điện tử, Viện đào tạo sau đại học, trường Đại học Hàng hải Việt Nam tạo điềukiệnthuậnlợichotơitrongsuốtqtrìnhhọctậpvànghiêncứuthựchiệnluậnán Cuối lời cảm ơn ủng hộ, động viên khích lệ to lớn gia đình để tơihồnthànhnhiệmvụhọctập Hải phịng,Ngày12tháng12n ă m 2023 Tácgiả TrƣơngCôngMỹ MỤCLỤC MỤCLỤC iii DANHMỤCHÌNH VẼVÀĐỒTHỊ vi DANHMỤCCÁCBẢNG ix DANHMỤCCHỮVIẾTTẮT .x MỞĐẦU 1 Tínhcấp thiết củaluậnán Mụctiêunghiêncứucủaluậnán .4 Đốitƣợngvàphạmvinghiêncứucủaluậnán .4 3.1 Đốitượngnghiêncứu .4 3.2 Phạmvinghiêncứu 4 Phƣơngphápnghiêncứucủaluậnán 5 Ýnghĩa khoa họcvà thựctiễn Nhữngđiểmđónggópmới… .6 Bốcụccủaluậnán .6 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG HÀNG HẢI VÀ MƠ HÌNH TỐNĐỘNGLỰCHỌCCỦACHUYỂNĐỘNG TÀUTHỦY 1.1 Giớithiệuvềhệthống môphỏnghàng hải 1.2 Tínhhìnhnghiêncứutrongvàngồinƣớccóliênquanđếnđềtàiluậnán.12 1.2.1 Tìnhhìnhnghiêncứungồinước 12 1.2.2 Tìnhhìnhnghiên cứutrongnước 24 1.2.3 Hướngnghiêncứu củaluận án .26 1.3 Mơhìnhtốnhọcmơtảchuyểnđộngtàuthủydạngkhơnggiantrạng thái 27 1.3.1 Phương trìnhtốnmơtảchuyểnđộngtàuthuỷvới6bậctựdo 29 1.3.2 Phânt í c h v e c t t ổ n g h ợ p l ự c v m ô m e n b ê n n g o i t c đ ộ n g v o c o n t u (khôngbao gồmlực vàmômennổi) 32 1.4 Lựcvàmômendotácđộngcủanhiễuloạnmôitrƣờng 35 1.4.1 Lựcvàmơmencủadịngchảytạora 36 1.4.2 Lựcvàmơmencủagió tạo 36 1.4.3 Lựcvàmơmencủasóng tạora .38 1.5 KếtluậnChƣơng1 40 CHƢƠNG2.MƠPHỎNGCHUYỂN ĐỘNG3DTÀUTHUỶVÀXÂYDỰNGMƠ HÌNHTÍNHIỆUĐIỀUKHIỂN3TRỤCTỰDOCỦASÀNTREOCABIN .41 2.1 Phầnmềmmô chuyểnđộng3Dtàuthủy-Unity3D 41 2.1.1 TriểnkhaihệthôngmôphỏngchuyểnđộngtàuthủytrongUnity3D 42 2.1.2 Cáccơngcụcơbảnđểchuyểnđổitừphươngtrìnhđộnghọcthànhchuyểnđộng3 D 43 2.2 ỨngdụngphầnmềmUnity3Dđểmơphỏngchuyểnđộngtàuthuỷ 45 2.2.1 Tạo lựcnổichotàuthủy 46 2.2.2 Tạo lựcvàmômenthủyđộnghọcchotàuthủy 48 2.2.3 Tạo lựcvàmômenliênquanđếnthiếtbịđẩyvàbánhláichotàuthủy 48 2.2.4 Tạo lựcvàmômendonhiễu môitrường tácđộngtàuthủy 50 2.2.5 Thu thậpthơngtin6bậctựdocủamơhìnhtàuthủy 51 2.2.6 Một sốđốitượng thờitiếtvàđịahình, địavậttươngtác lậptrình 51 2.2.7 Mộtsốmơhình3Dtàu mụctiêu .54 2.3 Đềxuấtcấutrúchệthốngmô phỏnghàng hải .55 2.3.1 Mơhìnhmơ phỏngchuyểnđộngcủatàu thủy 55 2.3.2 Mơphỏngchuyểnđộngcủatàuthủyvớisàntreobabậctựdo(3DOF) 58 2.4 Mơhìnhđộnghọcngƣợcxácđịnhgócquayđộngcơservo .60 2.5 Kiểmchứng bằngmơ hìnhđộnghọcthuận 61 2.6 Kếtquảmôphỏng 63 2.7 Xâydựngcấu trúcđiềukhiểnbámtínhiệumơphỏngcủatổhợpDrive/ServoứngdụngPLC 65 2.7.1 Phân tíchcácvịnglặpđiềukhiển 65 2.7.2 CảithiệnchấtlượngđiềukhiểnvịtríbằngthuậttốndựbáosốtrêncơsởPLC69 2.8.KếtluậnChƣơng2 72 CHƢƠNG3 T H I Ế T K Ế B Ộ Đ I Ề U K H I Ể N D Ự B Á O Ứ N G D Ụ N G M Ạ N G NƠRONNHÂNTẠOTRONGĐIỀUKHIỂNSÀNTREO 72 3.1 Trítuệnhântạo-AIvà mạngnơronnhântạo-ANN 72 3.2 CáchìnhtrạngcủamạngnơronANNvàmạngtruyềnthẳngnhiềulớpM LP 73 3.2.1 Các hìnhtrạngcủamạngnơron .73 3.2.2 MạngtruyềnthẳngnhiềulớpMLP 73 3.3 Ứngdụng mạngnơronnhân tạo dạngMLPtrong điều khiểnsàntreo75 3.3.1 BàitoándựbáotrướcgiátrịthamchiếuchotổhợpD r i v e / S e r v o Mortor 76 3.3.2.Xâydựngmạng nơronsửdụngcôngcụ Matlab/Nntool 78 3.3.3 Huấnluyện mạng trongMatlab/NNtool .82 3.3.4 Xâydựngkịchbảnmơphỏngvớimơhình Newton-Raphson 86 3.4 Sơđồkếtnối dữliệucủahệthốngmơ phỏnghànghải 89 3.4.1 GiaodiệndữliệucủaPLCvớivơlăng,taytrangvàbộđotínhiệusàntreo .91 3.4.2 GiaodiệndữliệucủaPLCvớipanelđiềukhiểnmáychính,máylái,neo, chânvịtmũi 92 3.4.3 GiaodiệndữliệucủaPLCvớiDrive/Servomotor 94 3.5 Thiếthế,chếtạobànđiềukhiểncontrol console 97 3.6 Cải thiện chất lƣợng điều khiển sàn treo mơ hình vật lý dự báoứngdụngmạngnơron 100 3.7 KếtluậnChƣơng3… 104 KẾTLUẬN 104 CÁCCƠNGTRÌNHĐÃCƠNGBỐ 106 TÀILIỆUTHAMKHẢO 107 PHỤLỤC 119 Phụlục1:Bảng dữliệuđầuvàođểhuấnluyệnmạng 120 Phụlục2:Bảng dữliệuđầura đểhuấnluyện mạng 148 DANHMỤC HÌNHVẼVÀĐỒTHỊ Hình1.1 Hệthốngmơ phỏnghànghải Hình1.2 Hệthốngmơ phỏngláitàuthủy Hình1.3 Hệthốngmơ phỏnghànghảicủahãngKongsbergMarine 10 Hình1.4 Hệthốngmơphỏnghànghảicủa hãng Wärtsilä/Transas 10 Hình1.5 Hệthốngmơ phỏnghànghảicủahãngNAUTIS/VSTEP 11 Hình1.6Thưviệncácloại mơhìnhtàutrong MSS-GNCToolbox .13 Hình1.7Thưviệncơ cấuchấphànhtrong MSS-GNCToolbox 13 Hình1.8Thưviệnthiết bịđo,quansáttín hiệu hànghảit r o n g MSS-GNC 14 Hình1.9ThưviệncácloạinhiễuloạnmơitrườngtrongMSS-GNCToolbox .14 Hình1.10 Hìnhảnhluồngvàthực địatrênphầnmềmSeamanOnline 15 Hình 1.11 Hình ảnh mơ chuyển động tàu thủy phần mềm CoSimulations15Hình1.12HìnhảnhmơphỏnghệthốngphươngtiệnHànghảidựatrênnềntảngcủahãngKongsberg .16 Hình1.13 Thànhphần chuyểnđộng,thamsốđộnghọccủachuyểnđộngtàuthủy28 Hình1.14 Địnhnghĩa tốc độgióv hướng( n g u n [32]) 36 Hình2.1 GiaodiệncủaUnity3D 42 Hình2.2 Mơhìnhđốitượngtàuchủa)và cửasổcàiđặtlực nổichotàuthủyb) 46 Hình2.3Xácđịnhhìnhtamgiácchìmtrongnướca)vàcáctrườnghợptamgiácchìmvớithuật tốntốiưu hóaxửlýsaisốb) 47 Hình2.4 Cửasổcàiđặtcáclựcđẩy,lực cản vàmơmenvàođốitượngcontàu 49 Hình2.5 Cửa sổcàiđặtmơphỏngtươngtác đốitượngnghiêncứu 50 Hình2.6.Cửasổcàiđặtbầutrờia)vàcàiđặtthuộctínhbầutrờib) 52 Hình 2.7.Đối tượngbầu trời Silverlining 52 Hình2.8.ĐốitượngsóngbiểnTritonocean .52 Hình2.9 Tạohiệuứnghìnhảnhbanđêm 53 Hình2.10 Tạohiệuứnghìnhảnh banngày, trạngthái mặtbiểnvàmưa .53 Hình2.11 Cửasổlấyđịahìnhthựctế từWorldComposer 54 Hình2.12 Mơhình3D tàuBulkCarriera)vàmơhình3DtàuCargob) 54 Hình 2.13 Cấu trúc khung khí hệ thống mơ chuyển động tàu thủy.55Hình2.14 Cấutrúcmạngcủahệthống mơphỏngchuyển độngtàuthủy 56 Hình2.15 Mơhình mơ phỏngchuyểnđộng3DOFbuồng láitàuthủy .57 Hình2.16Mơhìnhmơphỏngchuyểnđộng3bậctựdosửdụngđộngcơservo.a)Mặtsànđểgắnc abinebuồnglái,b)Khungtamgiáctruyềnđộng 58 Hình2.17 a) Sơ đồhìnhhọc củamơhình 3DOF,b)Tayquayvàtayđịn .59 Hình2.18 ThuậttốnNewton-Raphson xácđịnh mơhìnhđộng họcthuận .62 Hình2.19S đồmơphỏnghệthốngtrên Matlab/Simulink 62 Hình2.20 Kếtquảmơ phỏngkhi chỉcó lắcngang(-roll); .63 Hình2.21 Kếtquảmơ phỏngkhi chỉcólắcdọc(-pitch); 63 Hình2.22 Kếtquảmơ phỏngkhi chỉcótrượt dọctrụcthẳngđứng(z-heave) 64 Hình2.23Kếtquảmơ phỏngkhi cóchuyểnđộnghỗnhợp 64 Hình2.24 Cấutrúcvịnglặptrong điềukhiển nốitầngđộngcơ servo 65 Hình2.25 Cấutrúcđiềukhiểnsử dụngPLC vàServoMotorcủahãngDelta 66 Hình2.26.Cấutrúcvịnglặpvịtrí(a)vàtốcđộ(b)trongchếđộcóFeedforwardđầuvào.67 Hình2.27SơđồmạchbùnhiễutảiFeedforward .688 Hình2.28 Đặctínhđáp ứngbámtheocácgócquaycontàucủasàncabine 69 Hình2.29Đápứngbámtheocácgócquaycontàucủasàncabinekhisửdụngdựbáovới𝑇𝑠 = 0 𝑚 𝑠 70 Hình3.1Mạngnơrontruyềnthẳngnhiềulớp MLP 74 Hình3.2.SơđồcấutrúchệthốngđiềukhiểnsàntreocótíchhợpmoduleANN/MLP .80 Hình3.3.KhốiOPCConfigurationđểcấuhìnhkếtnốia)KhốiOPCWriteđểghidữliệut hờigianthựcđến PLCb)KhốiOPCReadđểđọcdữliệuđếntừPLC .80 Hình3.4 KhốiOPCQualityPartsđểgiámsátchấtlượngkếtnối 81 Hình3 D ữ l i ệ u m ẫ u đ ể l u y ệ n m n g n r o n a ) C h u y ể n đ ộ n g r o l l ; b ) C h u y ể n đ ộ n g pitch;c)Chuyểnđộng heave .83 Hình3.6 Sơđồcấutrúcmạngnơ ron 84 Hình3.7.Cửasổtrạngtháiquátrìnhluyệnmạng .85 Hình3.8.Đ ặ c tính saisốMSEcủaqtrìnhluyện mạng .855 Hình3.9.Đườnghồi quyluyệnmạng 865 Hình3.10Đườnghồiquykhithửnghiệmvới đầuraalpha1 875 Hình3.11.Đ n g hồi quykhithửnghiệmvớiđầuraalpha2 .876 Hình3.12.Đườnghồiquykhithử nghiệmvớiđầuraalpha3 886 Hình3.13Khốimạng nowrronđã hìnhthànhtrongmơi trườngSimulink 86 Hình3.14 Sơđồkhối mơ cósửdụngmạngnowrronnhântạo 87 Hình3 Đ ặ c t í n h m ô p h ỏ n g đ p ứ n g t í n h i ệ u r a ( l ắ c n g a n g ) , ( l ắ c d ọ c ) v chuyểnđộngtrượtdọctrụcthẳngđứnglàkhicómạngNơron 87 Hình3.16.Đặctínhmơphỏngtín hiệu đầu ầu vào đầu iều khiển đầu ộng cơse rvo khicó mạngNơron .88 Hình3.17.Cấutrúcmạngcủahệthống mơphỏnghànghải 89 Hình3.18.SơđồkhốicấpnguồnchoPLCđiềukhiển 90 Hình 3.19 Cảmbiếntín hiệu sàntreo3 trụcloại QK–AS08 a)vàencodergắn vàotaytrangđiềukhiểnb) 91 Hình3.20 Bảnvẽ kết nốitínhiệuvào/ragiữaPLCvàdrivecủađộngcơservo .96 Hình3.21 Thuậttốnđiềukhiển vịtríservo bằnglệnh DRVA 97 Hình3.22 MặttrướcPanelđiềukhiển 98 Hình3.23.Mặttráicủa Panelđiềukhiển 98 Hình3.24.MặttrêncủaPanelđiềukhiển 98 Hình3.25.Hìnhảnhbàncontrolconsolebuồngláisaukhiđượcchếtạo .99 Hình3.26 Mộtsốhình ảnhcủahệthốngmơphỏngsauchếtạo 100 Hình3.27.SơđồcấutrúcứngmạngnơronnhântạoMLPtrongđiềukhiểnmơhìnhv ậtlýsàntreo3 DOF .101 Hình3.28.Đápứngtínhiệukhitínhiệunghiêng,lắcvàtrượtđừngcủasàntreokhiứ ngdụng mạngnơron nhântạoMLPso sánhvớitínhiệutừ mơphỏng3D 102 DANHMỤCCÁCBẢNG Bảng1.1 Thànhphần chuyểnđộngvàthamsốđộnghọccủatàuthủy[32,36] .28 Bảng2.1Cácthànhphầnlựcvàmô men 48 Bảng2.2Cácthànhphầnlựcvàmô men 49 Bảng2.3Thànhphầnlựcvàmô men .50 Bảng2.4 Cácthànhphầntọađộvàgóc 51 Bảng3.1 Môtảcácthànhphầnchuyểnđộng sàntreo 77 Bảng3.2.Cácthơngsốchínhđểhuấnluyện mạng 84 Bảng3.3 Cácđầuvào/racủapanelđiềukhiểnmáychính 92 Bảng3.4 Cácđầuvào/racủapanel điềukhiển máylái 93 Bảng3.5 Cácđầu vào/racủapanel điềukhiển .93 Bảng3.6 CácđầuvàocủaDriverServo/PLC 94 Bảng3.7 CácđầuvàocủaDriveServo/PLC 94 DANHMỤCCHỮVIẾTTẮT Chữviếttắt Giảithích AI ArtificialIntelligence ANN ArtificalNeuralNetworks BP BackPropagation BPNN Backpropogation NerualNetwork BPTT BackPropagation- Through-Time BTF Backprorationnetworktrainingfuntion CAN ControllerAreaNetwork DOF Degreeof freedom ECDIS ElectronicChartDisplayandInformation System EE EndEffector FFNN Feed-forwardneural network GA GeneticAlgorithms GNC GuideNavigationControl GPS GlobalPositioningSystem HMI HumanMachineinterface LQR LinearquadraticRegulator MAE Meanabsoluteerror MLP Multi-layerpeprcetron MPC Marginalpropensitytoconsume MSS MarinerSimulationSystem NNs NeuralNetworks OPC OpenPlatformCommunications PF Performancefunction PID PLC ProportionalIntegralDerivative Programmablelogiccontroller RNN Recurrentneuralnetwork TCP TransmissionControlProtocol TFi Transferfuntionofwithlayer