Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 511 Mã bài: 121 Nghiên cứu điều khiển máy tạo sóng nước sử dụng trong phòng thí nghiệm Study on control of water wavemaker using in laboratory Đặng Quang Vinh, Nguyễn Duy Anh và Nguyễn Tấn Tiến Trường ĐHBK Tp.Hồ Chí Minh e-Mail: quangvinh242003@yahoo.com Tóm tắt Bài báo giới thiệu nghiên cứu điều khiển biên độ sóng nước sử dụng kỹ thuật điều khiển Fuzzy. Mô hình hóa hệ thống được sử dụng để tiến hành mô phỏng cho ra kết quả biên độ sóng nước gần đúng mong muốn và dạng sóng điều hòa theo thời gian. Abstract This paper study on fuzzy control of water wave amplitude used in experimental model. Mathematical modeling is used for simulation the system with fuzzy control to give the good results: desired approximate water wave amplitude and time-harmonic waveform are achieved. Ký hiệu Ký hi ệ u Đơn v ị Ý ngh ĩa 0 S m Biên độ dao động cần lắc S m V ị trí dao đ ộ ng c ầ n l ắ c. η B ề m ặ t sóng. p k Số sóng tiến A m Biên đ ộ sóng “first - order wave” 2p a m Bi ệ n đ ộ sóng “Stokes 2nd - order wave” x m V ị trí t ạ i t ọ a đ ộ x xét rad / s T ầ n s ố góc 1 w Trọng số cho sai số 2 w Trọng số cho đạo hàm sai số h Tr ọ ng s ố cho ngõ ra b ộ đi ề u khi ể n u rad / s Ngõ ra c ủ a b ộ đi ề u khi ể n e m Sai s ố de m / s Đạo hàm sai số t s Th ờ i gian h m Chi ề u sâu nư ớ c H m Chi ề u cao sóng nư ớ c g m / s 2 Gia tốc trọng trường r η Tác động của nhiễu μ Hàm liên thuộc 1. Đặt vấn đề Sóng biển là nguyên nhân chính gây ra sự xói mòn hoặc phá hủy các công trình ven biển, những giàn khoan dầu khí xa bờ đòi hỏi phải đứng vững trước sự phá hoại khủng khiếp của sóng khi có bão. Trên mặt nước, tàu thuyền luôn phải chịu sự tác động của sóng, vô số tàu đã bị đánh chìm bởi những con sóng thần cao đến 34m. Hơn nữa, sóng còn gây ra những trở ngại nhất định trong quá trình di chuyển của tàu thuyền. Việc sử dụng máy tạo sóng (wavemaker) trong phòng thí nghiệm đã trở thành một công nghệ quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật bờ biển và đại dương. Ngày nay, hầu hết những nghiên cứu về công trình biển và các hiện tượng liên quan đều dùng đến bể tạo sóng: mô hình 2D hay 3D loại có dạng hẹp, dài, một đầu là cơ cấu tạo sóng, đầu kia là bờ triệt sóng hay loại có dạng hẹp, dài, chảy quay thành hình tròn và không có bờ triệt sóng. Có nhiều kiểu cơ cấu tạo sóng khác nhau: kiểu Piston, Plunger, Flap, … Trong bài báo này sẽ sử dụng cơ cấu tạo sóng kiểu Flap và bể dài, hẹp, có bờ triệt sóng và áp dụng cho mô hình 2D. H1: Mô hình bể tạo sóng nước Đặc biệt, nước ta có bờ biển dài hơn 3260km và những lợi ích từ biển đối với người dân là không nhỏ từ việc nuôi trồng thủy hải sản, đánh bắt cá, thu năng lượng từ sóng biển, du lich…bên cạnh những lợi ích từ biển mang lại thì biển cũng gây ra không ít tổn thất cho người dân như sóng thần, sạt lở đất, ngập mặn, … Những đặt trưng thể hiện rõ ràng nhất của biển là sóng biển. Vì vậy, việc tạo ra một mô hình chuẩn tạo sóng trong phòng thí nghiệm để phục vụ thí nghiệm và các ứng dụng khác là hết sức cần thiết. Đã có một số các nghiên cứu của các tác giả ngoài nước liên quan đến vấn đề đang nghiên cứu: 512 Đặng Quang Vinh, Nguyễn Duy Anh và Nguyễn Tấn Tiến VCM2012 M.R. Khalilabadi[1] miêu tả thiết kế, xây dựng và kiểm tra bể nước thiết kế có sóng biên độ nhỏ và thiết bị liên quan. Năm 1993, Peter Frigaard cùng với đồng sự [2] đã trình bày lý thuyết tạo sóng nước. Năm 2001, C.J. Huang và C.M. Dong [3] giải quyết vấn đề làm sóng trong bể sóng 2D cho máy tạo sóng để sinh ra sóng tới khác nhau bao gồm sóng có biên độ nhỏ, biên độ có hạn hay sóng đơn. Cụ thể là, để sinh ra sóng có biên độ nhỏ thì độ dịch chuyển của máy tạo sóng được xác định theo lý thuyết tạo sóng tuyến tính, còn để sinh ra sóng có hình dạng sóng điều hòa theo thời gian thì độ dịch chuyển của máy tạo sóng được xác định theo lý thuyết thứ hai của Madsen. Sun Qiang[4] nghiên cứu kỹ thuật điều khiển bằng luật Fuzzy trong máy tạo sóng nước. Trong nước, chưa có nghiên cứu nào về bể tạo sóng nước phục vụ cho thí nghiệm được công bố. Trên cơ sở của nghiên cứu [5] với mô hình thực nghiệm H2: Mô hình thực nghiệm bể tạo sóng nước Nhóm đã kế thừa và đề xuất bộ điều khiển Fuzzy kết hợp với mô hình hóa theo lý thuyết Madsen (1971). Qua kết quả của mô phỏng cho ra hình dạng sóng không chỉ gần đúng với biên độ sóng xác lập mà còn hình dạng sóng điều hòa theo thời gian. Kết quả mô phỏng chứng minh giải pháp đề nghị có thể sử dụng cho bài toán điều khiển máy tạo sóng nước trong phòng thí nghiệm. 2. Đề xuất bộ điều khiển biên độ sóng theo luật fuzzy Do hệ là phi tuyến và có thành phần nhiễu do bờ triệt sóng chưa hết sóng phản hồi, ma sát nước với thành bể, cơ khí chưa chính xác… Vì vậy, vấn đề này cần được giải quyết, kỹ thuật điều khiển bằng fuzzy được đề xuất như cách đơn giản và hiệu quả trong điều khiển hệ phi tuyến. Sau khi bộ fuzzy tính ra được giá trị tần số góc w cần cung cấp cho dao động cần lắc, cần lắc dao động theo dạng được đề xuất bởi Madsen(1971), phương trình (1). Lúc này hệ thống không chỉ điều khiển được đúng biên độ mà còn có dạng sóng điều hòa theo thời gian. Sơ đồ khối hệ thống H3: Điều khiển hệ thống bằng luật Fuzzy 2.1. Mô hình hóa H4: Mô hình hóa bể tạo sóng nước Theo Madsen (1971) nếu quỹ đạo chuyển động cần lắc theo dạng 2 p 0 0 3 p 3cosh(k h) S H 2S S( ) = sin( t) + - sin 2 t 2 16h H sinh (k h) (1) Lúc này bề mặt sóng nước thực tế p 2p p η = -Asin k x - t - a cos2 k x - t (2) với: p k là số sóng tiến tính theo công thức 2 p p = gk tanh k h (3) 0 p p p p p p p p S A = × k h sinh k h k h sinh k h - cosh k h +1 sinh k h cosh k h + k h (4) H A t A d Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 513 Mã bài: 121 2 p p p 2p 3 p k A cosh k h 2 + cosh 2k h a = 4sinh k h (5) Biên độ trên t max A = η t 2p A = A + a (6) tại p 3π k x - t = + 2k π 2 , với k = 0,1,2… Biên độ dưới d min A = η d 2p A = A - a (7) tại p π k x - t = + 2k π 2 , với k = 0,1,2… Mô hình được xây dựng với chiều sâu nước h = 0.4m , tần số góc =2 π(rad/s) , máy tạo sóng kiểu flap với biên độ giao động 0 S /2=0.165/2=0.0825m và tại vị trí x = 4m . Tiến hành mô phỏng với 2 kiểu dao động của cần lắc máy tạo sóng: theo Madsen (1971), phương trình(1), và 1 S ( ) = sin( t) từ đó lần lượt tạo ra 2 dạng sóng nước tương ứng η(x) và 1 η (x) . H5: Dạng dao động cần lắc S và 1 S H6: Dạng sóng nước ngõ ra tương ứng η và 1 η Dựa vào dạng sóng ngõ ra thì dao động cần lắc theo Madsen(1971) điều hòa hơn so với dao động cần lắc theo hình dạng sine thông thường. Vì vậy nhóm nghiên cứu lựa chọn dạng dao động cần lắc theo Madsen(1971), phương trình (1), với tần số góc được điều khiển bằng bộ Fuzzy. 2.2. Bộ điều khiển H7: Hàm liên thuộc cho ngõ vào sai số e H8: Hàm liên thuộc cho ngõ vào đạo hàm sai số de H9: Hàm liên thuộc cho ngõ ra U Luật Fuzzy e(t) de(t) NB (-2) NS (-1) ZR (0) PS (1) PB (2) NB (-2) 3 2 2 1 0 NS (-1) 2 2 1 0 -1 ZR (0) 2 1 0 -1 -2 PS (1) 1 0 -1 -2 -2 PB (2) 0 -1 -2 -2 -3 B1: Luật điều khiển Ngõ vào tham chiếu của hệ thống là biên độ r A Sau khi tính toán sai số e(t) và de(t) từ cảm biến Wave gauges đưa về và qua bộ trọng số 1 w và 2 w thì e(t) và de(t) chở thành ngõ vào của bộ điều khiển Fuzzy. Bộ điều khiển được xây dựng dựa vào bảng luật điều khiển B1 kết hợp với luật hợp thành theo quy tắc “Max-Prod” và giải mờ theo phương pháp “Centroid” sẽ cho ra U . Tín hiệu U được nhân với một giá trị trọng số h và cấp cho hệ thống “Plant”. Hàm liên thuộc được xây dựng theo công thức sau: 514 Đặng Quang Vinh, Nguyễn Duy Anh và Nguyễn Tấn Tiến VCM2012 1 1 1 2 2 2 0 x < p - δ p - x 1- p - δ < x < p δ μ(x) = p - x 1+ p < x < p + δ δ 0 x > p + δ H10: Hàm liên thuộc Fuzzy 3. Kết quả mô phỏng Tiến hành thực nghiệm với việc dùng bộ điều khiển Fuzzy để điều khiển biên độ sóng nước mong muốn cho mô hình phi tuyến. Sau đó, tiến hành kiểm nghiệm dùng bộ Fuzzy, ngõ ra của bộ Fuzzy là tần số góc w để điều khiển dao động của cần lắc. Cần lắc dao động theo qui tắc của Madsen(1971), phương trình (1), thì biên độ sóng nước gần đúng với mong muốn mà còn cho hình dạng sóng đều hòa theo thời gian. H11: Giá trị sai số e(t) H12: Giá trị đạo hàm sai số de(t) H13: Giá trị bộ điều khiển u(t) H14: Đáp ứng ngõ ra mong muốn của biên độ t A H15: Đáp ứng ngõ ra mong muốn của sóng nước η(t) 4. Kết quả thực nghiệm Mô hình được thực nghiệm với chiều sâu nước h = 0.28m , máy tạo sóng kiểu flap với biên độ giao động 0 S /2=0.165/2=0.0825m , tại vị trí x=3m và điều khiển biên độ mong muốn t A =2,84cm Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 515 Mã bài: 121 H16: Đáp ứng ngõ ra biên độ sóng nước thực nghiệm và sóng nước lý thuyết Từ kết quả trên ta thấy sóng nước thực tế được điều khiển đáp ứng biên độ mong muốn và hình dạng gần trùng với lý thuyết Madsen(1971). Tuy nhiên, thời gian đáp ứng của sóng nước thực tế còn chậm. 5. Kết luận Trên cơ sở mô hình hóa toán học, luật điều khiển fuzzy được thiết kế để điều khiển biên độ sóng nước. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy thuật toán điều khiển đề nghị cho bài toán có thể áp dụng cho các hệ thống tạo sóng nước trong phòng thí nghiệm để phục vụ cho các ứng dụng khác. Nghiên cứu tiếp theo đang được thực nghiệm để tạo ra biên độ sóng nước lớn. Tài liệu tham khảo [1]. M.R. Khalilabadi; A.A. Bidokhti: Design and Construction of an Optimum Wave Flume. Journal of Applied Fluid Mechanics, Vol. 5, No. 13, pp. 99-105, 2012 [2]. Peter Frigaard; Michael Hogedal; Morten Christensen: Wave Generation Theory. Hydraulics & Coastal Engineering Laboratory, Department of Civil Engineering, Aalborg University, 1993 [3]. C.M. Dong; C.J. Huang: On a 2-D Numerical Wave Tank in Viscous Fluid. Proc. of the 11th Int’l Offshore and Polar Engineering Conference, Vol. 3, pp. 148-155, June 2001. [4]. Sun qiang: Study of Fuzzy Control Technology in Wavemaking. Journal of Ship Mechanics, Vol. 6, No. 4, pp. 103-107, Aug. 2002. [5]. Trương Đức Bình: Nghiên cứu Thiết kế và Điều khiển máy tạo sóng nước. LVTN Bộ môn Cơ điện tử, Trường Đại học Bách khoa Tp.HCM, 2011 Đặng Quang Vinh sinh năm 1988. Tốt nghiệp kỹ sư chuyên ngành Cơ Điện Tử Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM năm 2011. Hiện là học viên cao học chuyên ngành Cơ điện tử, khoa Cơ khí, trường đại học Bách Khoa, Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh. Hướng nghiên cứu chính là thiết kế điều khiển hệ thống tự động ứng dụng vào sản xuất . nghiên cứu kỹ thuật điều khiển bằng luật Fuzzy trong máy tạo sóng nước. Trong nước, chưa có nghiên cứu nào về bể tạo sóng nước phục vụ cho thí nghiệm được công bố. Trên cơ sở của nghiên cứu. báo giới thiệu nghiên cứu điều khiển biên độ sóng nước sử dụng kỹ thuật điều khiển Fuzzy. Mô hình hóa hệ thống được sử dụng để tiến hành mô phỏng cho ra kết quả biên độ sóng nước gần đúng mong. dịch chuyển của máy tạo sóng được xác định theo lý thuyết tạo sóng tuyến tính, còn để sinh ra sóng có hình dạng sóng điều hòa theo thời gian thì độ dịch chuyển của máy tạo sóng được xác định