- Đối tượng nghiên cứu của luận án là AUV mô hình mô phỏng và 1 AUV mô hình thực tế với mục đích: + Tính toán mô phỏng động lực học của nó từ đó phân tích, thiết kế và thực thi hệ thống
Trang 11
MỞ ĐẦU
1 Mục đích và đối tượng nghiên cứu của luận án:
- Ngày nay, việc nghiên cứu về đại dương rất cần các phương tiện tự hành dưới nước (AUV) để ứng dụng trong dân sự và quân sự
- Phần lớn các thiết bị trên tàu thủy đang phải nhập khẩu đặc biệt là thiết
bị công nghệ cao trong đó có thiết bị điều khiển Việc nghiên cứu sản xuất trong nước sẽ tăng tính chủ động trong sản xuất, giảm chi phí nhập khẩu, đặc biệt là giảm sự lệ thuộc vào bí mật công nghệ của nước ngoài
- Đối tượng nghiên cứu của luận án là AUV mô hình mô phỏng và 1 AUV mô hình thực tế với mục đích:
+ Tính toán mô phỏng động lực học của nó từ đó phân tích, thiết kế và thực thi hệ thống điều khiển theo công nghệ hướng đối tượng
+ Thiết kế chi tiết của hệ thống này có thể dễ dàng tái sử dụng điều khiển cho các AUV khác với các yêu cầu luôn luôn thay đổi và tính phức tạp ngày càng tăng cao của hệ thống điều khiển
2 Phương pháp nghiên cứu đã sử dụng:
- Luận án đã đặt vấn đề nghiên cứu động lực học và điều khiển phương tiện tự hành dưới nước như một đối tượng điều khiển và đề ra phương pháp giải bài toán động lực học và điều khiển, đồng thời ứng dụng công nghệ hướng đối tượng để điều khiển
- Các kết quả nghiên cứu được tính toán theo lý thuyết, mô phỏng trên
máy tính cũng như thực nghiệm trên mô hình theo toàn đồ sau:
Trong đó:
+ Kết quả số 1: minh họa mô phỏng đánh giá cấu trúc điều khiển đề xuất bằng Mathlab
Trang 2- Nghiên cứu, tính toán thiết kế và chế tạo 1 mô hình tàu lặn
- Phân tích động lực học và xây dựng phương trình chuyển động của tàu lặn đồng thời phân tích mô phỏng trên máy tính
- Nghiên cứu công nghệ có tích hợp hướng đối tượng và thiết bị dẫn đường trong thời gian thực để phân tích, thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển cho tàu lặn, ứng dụng cho mô hình tàu lặn tương tự
- Chế tạo và thử nghiệm thành công tàu lặn mô hình từ đó tác giả xây dựng thuật toán điều khiển và hệ thống điều khiển từ đó có thể dễ dàng tùy biến, tái sử dụng cho các ứng dụng điều khiển phương tiện tự hành dưới nước khác nhau
4 Cấu trúc luận án
Luận án gồm 140 trang, mở đầu 5 trang, chương 1 : 30 trang, chương 2: 28 trang, chương 3 : 22 trang, chương 4 : 09 trang, kết luận 02 trang, danh mục công trình công bố: 02 trang, phụ lục: 27 trang
Trang 31.1.1 Mô hình yêu cầu
Sơ đồ khối điều khiển, định vị và dẫn đường của AUV
1.1.2 Mô hình động lực học điều khiển
̇ ( )
̇ ( ) ( ) ( )
1.2 MỘT SỐ LUẬT VÀ PHÂN PHỐI ĐIỀU KHIỂN CHO AUV
Có nhiều phương pháp và luật điều khiển khác nhau đã được thực hiện cho các hệ thống tàu ngầm trên thế giới, trong đó có AUV Giải thuật PID đã được sử dụng thành công để điều khiển các loại máy khác nhau bao gồm cả phương tiện tự động Tuy nhiên, PID thường được sử dụng cho AUV rất đơn giản làm việc trong môi trường mà không nhiễu loạn bên ngoài Một
giải thuật thay thế được gọi là điều khiển trượt (SMC) đã được chứng minh
Trang 44
hiệu quả hơn khi xử lý mô hình động lực học phi tuyến với nhiễu loạn phi tuyến sử dụng các giải thuật chuyển đổi phi tuyến để có được một đáp ứng quá độ nhanh nhằm giữ trạng thái ổn định cho hệ thống
Ở đây ( ̇ ) biễu diễn các động lực học phi tuyến bao gồm các
lực ly tâm và Coriolis, các lực giảm chấn tuyến tính và phi tuyến, lực và mô
men của trọng trường và nổi cùng với các nhiễu loạn tác động bên ngoài
Mặt điều khiển trượt được xác định như sau:
Trang 55
1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG VÀ THỰC THI ÁP DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN AUV
* AUV với hệ thống động lực lai
Hiện nay, các hệ thống điều khiển tự động công nghiệp có thể phân theo các loại sau: hệ thống tự đáp ứng, hệ thống thời gian thực và hệ thống động lực lai
Xuất phát từ mô hình động lực học điều khiển của AUV và các đặc
tả về hệ thống động lực lai, hệ thống điều khiển AUV có thể xem như là một
hệ thống động lực lai công nghiệp và được gọi là AUV – HDS Trong hệ thống này có các phần liên tục/rời rạc và tác động qua lại giữa các phần đó, như là: các chuyển động trượt dọc, trượt ngang, trượt đứng, các chuyển động quay và các tác động từ môi trường biển do sóng, gió và dòng hải lưu
* Ngôn ngữ mô hình hóa để thiết kế:
- UML là một ngôn ngữ đồ họa để trực quan hóa, mô tả, xây dựng hệ thống
do G Booch, J Rumbaugh và I Jacobson UML bao gồm các ký hiệu: lớp, đối tượng, thông điệp
- UML đem lại cho người sử dụng phương pháp chuẩn để viết bản thiết kế
hệ thống
-Real time UML: là UML trong thời gian thực, bao gồm các ký hiệu của UML và các ký hiệu gói, cổng, giao thức trong hệ thống phức tạp
* Phân tích, thiết kế điều khiển AUV- HDS
- Trước đây, người ta phân tích, thiết kế điều khiển theo kiểu hướng thủ tục hoặc hướng dữ liệu
- Phương pháp phân tích, thiết kế tiên tiến hiện nay là hướng đối tượng
(Object-oriented) Ưu điểm lớn nhất của phân tích, thiết kế hướng đối tượng
Trang 6* Phương pháp mô phỏng và thực thi:
- Việc mô phỏng của hệ thống công nghiệp là một nhu cầu tất yếu
- Xuyên suốt toàn bộ quá trình thực hiện một dự án, từ ý tưởng thiết kế cho đến thực hiện và vận hành hệ thống, mô phỏng cho phép kiểm tra, đánh giá nhiều phương án khác nhau, từ đó lựa chọn được phương án thích hợp nhất
để thực thi
- Các phần mềm mô phỏng ngày càng trở nên linh hoạt, mạnh mẽ, thân thiện và gần gũi Trong khuôn khổ luận án sử dụng ngôn ngũ mô phỏng là
ngôn ngữ Modelica và MATLAB
CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG LỰC HỌC
CỦA AUV
Mô hình hóa và mô phỏng động lực học AUV là một bước quan trọng trong chương trình AUV sẽ được mô hình hóa và mô phỏng động lực học nhằm khảo sát, đánh giá và lấy số liệu các thông số động lực học tàu lặn phục vụ cho thiết kế hệ thống điều khiển Chương này tập trung vào việc mô hình hóa và mô phỏng động lực học tàu lặn gồm các nội dung chính sau:
- Tổng quan về động lực học tính toán (CFD) và mô phỏng động lực học AUV, lý thuyết tính toán cơ bản và công cụ hỗ trợ mô hình hóa và mô phỏng động lực học AUV
- Quy trình mô hình hóa và mô phỏng động lực học AUV
- Phân tích đánh giá động lực học tàu lặn thiết kế qua mô hình hóa
và mô phỏng động lực học
- Lựa chọn cấu trúc hệ thống điều khiển cho AUV - HDS
- Chi tiết cấu trúc Automate lai điều khiển cho AUV và một số kết
quả mô phỏng
Trang 72.1.2 Tổng quan về CFD
CFD có nghĩa là tính toán động lực học chất lưu có trợ giúp của máy tính là một ngành khoa học tính toán chuyên dự đoán các đặc tính của dòng chất lưu, các quá trình nhiệt động học, các phản ứng hóa học, v.v…
2.2 CÔNG CỤ HỖ TRỢ VÀ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TRONG MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC AUV
2.2.1 Công cụ hỗ trợ tính toán
Ansys hiện nay là một phần mềm rất mạnh và được dùng rộng rãi trong lĩnh vực mô phỏng số Ansys cung cấp các khả năng tính toán mô
phỏng với rất nhiều dạng mô hình từ mô hình vật rắn, thể lỏng, khí hay hóa
học, điện từ trường, v.v… Ngoài ra, Ansys Fluent là một phần trong gói phần mềm Ansys về động lực học dòng chất lưu; nó có thể được sử dụng mô
phỏng dòng chảy chất lỏng, nhiệt với dạng hình học phức tạp Để tiến hành
tính toán mô phỏng trong Ansys Fluent cần phải trải qua các bước cơ bản mô
tả ngắn gọn trên Hình 2.1
Trang 88
2.2.2 Lý thuyết tính toán được sử dụng trong công cụ hỗ trợ
Fluent sử dụng phương pháp thể tích hữu hạnđể giải các phương
trình mô tả đặc tính cho các bài toán khác nhau, trong phạm vi bài toán mô phỏng dòng chảy thì phương trình cơ bản chính là phương trình liên tục:
Mô hình k- mô hình bán thực nghiệm cho nên có nhiều hằng số
được định nghĩa trước đòi hỏi người sử dụng phải hiểu rõ bài toán Mô hình này áp dụng việc giải độc lập hai phương trình chuyển động với năng lượng động học rối (k) và tỉ lệ khuyếch tán của nó ():
j k t j
i i
S Y G
G x
k x
C x x
u
x
t j i
2.3 QUI TRÌNH MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC AUV
Để mô hình hóa và mô phỏng động lực học tàu ta sử dụng gói
FluidFlow (Fluent) trong môi trường Workbench của Ansys và phần mềm hỗ trợ xây dựng mô hình là Solidworks Trình tự tính toán tổng quan như trên
Hình 2.2 dưới đây
Hình 2.2 Trình tự mô phỏng động lực học trong FluidFlow
Bước1-2 (Geometry): Xây dựng mô hình trên Solidworks sau đó đưa
vào Workbench thực hiện mô phỏng
Trang 99
Bước 3 (Meshing): Chia lưới
Bước 4 (Setup): Chọn mô hình toán khai báo
Bước 5 (Solution): Tính toán trong Fluent
Bước 6 (Results): Kết xuất kết quả trong CFD-Post
- Vật liệu: Thân vỏ được làm bằng vật liệu composite
Hình 2.3 Biên dạng tàu lặn mô hình
Hình 2.4 và 2.5 Mô hình khảo sát và lưới biên dạng tàu lặn
2.3.2 Lưới hóa mô hình
Hình 2.6 Mô hình đã chia lưới
Trang 1010
Toàn bộ mô hình sau khi chia lưới bao gồm 2053513 phần tử lưới tứ diện trong đó có 383724 nút lưới Lưới được chia mịn ở phần biên dạng tàu, thô dần ra ngoài (Hình 2.6)
2.3.3 Đặt điều kiện biên và tính toán
- Dưới đây là các điều kiện biên và tính toán được xác định:
- Chọn thuật giải: Phương pháp nội suy: Implicit Chiều tính toán: 3D,Mô hình tính toán: k- Trao đổi nhiệt: không Chọn vật liệu: chất lỏng nước
- Đặt điều kiện vận hành cho bài toán:
Vận tốc dòng chảy tới V 0 Đặt tiêu chuẩn hội tụ: 1e-05.Đặt số vòng
lặp cần thiết để bài toán hội tụ và cho bắt đầu tính toán
Mô phỏng với thay đổi các thông số dòng chảy để nghiên cứu động lực AUV
Các thông số thay đổi gồm có (Hình 2.7) Vận tốc dòng chảy tới Vo
(0,5m/s; 1,0m/s; 1,8m/s), Góc tới (0o; 5o)
Hình 2.7 Sơ đồ mô phỏng
- Do điều kiện thử nghiệm thực tế nên trong khuôn khổ luận án bước đầu chỉ nghiên cứu các trường hợp động lực học của AUV làm việc gần mặt thoáng
2.4 PHÂN TÍCH MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG THỦY ĐỘNG LỰC HỌC
Từ kết quả mô phỏng ta xác định được tác động dòng chảy lên tàu ở các chế độ làm việc khác nhau Xét với hệ tọa độ OXYZ, các thành phần lực
và mômen dòng chảy tác dụng lên tàu cho trong Bảng 2.1
Bảng 2.1 Lực và mô men tác dụng lên tàu lặn theo hệ tọa độ OXYZ
Trang 1111
2.5 CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN AUV
2.5.1 Sơ đồ khối chức năng
Xuất phát từ mô hình thủy động lực học của AUV đã được tính toán trên đây, các tiêu chuẩn theo TCVN-6277 cho hệ thống lái tự động các phương tiện biển (tàu thủy), các tiêu chí chất lượng hoạt động của tàu lặn mô hình kèm theo tham chiếu phương thức kết nối giữa mô hình CFD và mô
sơ đồ khối chức năng mở rộng (Hình 2.8) kèm theo giải thuật dẫn đường được thực thi bởi luật dẫn đường (LOS) để thực hiện các hoạt động trong máy trạng thái của AUV - HDS
Hình 2.8 Sơ đồ khối chức năng mở rộng của AUV – HDS
Trang 1212
Trong đó:
- Hệ thống dẫn đường và định vị nhằm cung cấp/thu nhận các tín hiệu dẫn đường-định vị thông qua GPS/INS của AUV
- Môi trường đại diện cho các nhiễu loạn, như là sóng, dòng hải lưu
- PID: bộ điều chỉnh „PID‟,
- Ko: bộ khuyếch đại chung của AUV - HDS,
- Các hệ số: Kra: phản hồi góc, Krp: phản hồi vị trí, Krc: phản hồi hướng
2.5.2 Mô phỏng hệ thống điều khiển
Để tiến hành kiểm tra và đánh giá các cấu trúc phân tích trên đây,
luận án đã dùng công cụ MabLab-Simulink nhằm mô phỏng hiệu năng điều
chỉnh của hệ thống Một trong những kết quả mô phỏng đáp ứng điều khiển được giới thiệu trên Hình 2.9; tác động tín hiệu đầu vào là góc chuyển hướng mong muốn; tín hiệu đầu ra là quá độ hướng đi của AUV
Với các thông số: thời gian lấy mẫu T = 0,01; khuếch đại Kp = 1,4; thời gian tích phân Ti = 0,047; thời gian đạo hàm Td = 0,05; phản hồi góc Kra
= 0,25; phản hồi hướng Krc = 0,3; phản hồi vị trí Krp = 0,25; T1v=0,25;
T2v=0,4; Tc = 0,25, Ts = 1,5; T1v, T2v- các hằng số thời gian bậc 1 và 2 của khâu dao động và Tc- thời gian quán tính của tổ hợp cơ cấu chấp hành lái, Ts- thời gian quán tính của AUV Trong trường hợp này, thời gian quá độ điều khiển bám hướng tới dần góc hướng đi mong muốn 10o sau 7,2s
Hình 2.9 Mô phỏng đáp ứng quá độ hướng đi của AUV - HDS
Trang 1313
Với mô hình điều khiển ở trên và qua các đồ thị quá độ điều chỉnh chỉ ra rằng mô hình mô phỏng của hệ thống lái AUV hoàn toàn đáp ứng được chất lượng và hiệu năng điều chỉnh, như là: thời gian và quá độ điều chỉnh nhằm đảm bảo phù hợp với việc chế tạo, lập trình phần điều khiển và chạy thử trên tàu lặn mô hình sau này
Trên thực tế, luận án nghiên cứu được minh họa trên „Tàu lặn mô hình‟ hay là AUV cỡ nhỏ, nên các cơ cấu chấp hành của AUV không yêu
cầu phải dùng tới: Servo-Vavle thủy lực điều khiển (mang đặc điểm của khâu
dao động) và hệ truyền động xi lanh thủy lực (mang đặc điểm của khâu quán tính) Do đó, cơ cấu chấp hành lái của tàu lặn có thể đơn giản hơn, nhưng chúng vẫn có các thuộc tính điều khiển như trên
CHƯƠNG 3 QUY TRÌNH PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ THỰC THI ĐIỀU KHIỂN CỦA AUV THEO CÔNG NGHỆ HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG
3.1 CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN TRONG CÔNG NGHỆ HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG
Công nghệ hướng đối tượng bao gồm một tập các nguyên tắc hướng dẫn xây dựng phần mềm nói chung hay phần mềm điều khiển trong công nghiệp nói riêng với các ngôn ngữ, các cơ sở dữ liệu và các công cụ hỗ trợ cho các nguyên tắc đó Có bốn đặc trưng cơ bản trong công nghệ hướng đối tượng (Hình 3.1) như sau:
Hình 3.1 Tổng quan các đặc trưng trong công nghệ hướng đối tượng Lựa chọn phương pháp hướng đối tượng
Xuất phát từ yêu cầu trong ngữ cảnh sản xuất công nghiệp, việc tái
sử dụng và tùy biến các mô đun điều khiển đã phát triển được áp dụng cho
Trang 1414
hệ thống ứng dụng mới là rất quan trọng, nhằm giảm chi phí, thời gian và nhân công sản xuất; đặc biệt là có thể làm chủ được công nghệ tránh phải nhập khẩu
- Phương pháp phân tích và thiết kế hướng đối tượng thực hiện theo các thuật ngữ và khái niệm của phạm vi lĩnh vực ứng dụng, nên nó tạo sự tiếp cận tương ứng giữa hệ thống và vấn đề thực của môi trường bên ngoài
- Một trong những ưu điểm quan trọng bậc nhất của phương pháp phân tích và thiết kế hướng đối tượng là tính tái sử dụng
3.2.QUY TRÌNH PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾT TRONG PHÁT TRIỂN AUV – HDS VỚI REALTIME UML
Cách tiếp cận của luận án dựa trên chu trình lặp (Hình 3.2) bao gồm các giai đoạn như là: phân tích, thiết kế, tính thực thi, kiểm tra và sản phẩm của mẫu ban đầu thực thi được
Hình 3.2 Qui trình phát triển tái lặp (ROPES)
3.2.1 Cấu trúc tổng quan về mô hình phân tích của AUV – HDS
Để xây dựng cấu trúc tổng quan của mô hình phân tích, luận án đưa
ra 5 cộng tác đối tượng: phần liên tục (Continous part), phần rời rạc (Discrete part), ứng xử liên tục toàn cục tức thời (IGCB), giao diện bên trong (Interal interface) và giao diện bên ngoài (External interface) để dễ
dàng tổ chức, quản lý theo dõi và tái sử dụng các tác tạo được tạo ra trong quá trình phân tích, thiết kế và thi hành các AUV- HDS (Hình 3.3)
Trang 1515
Mô hình phân tích chủ yếu tập trung vào mối quan hệ giữa hệ thống với môi trường xung quanh Mô tả các tình huống hệ thống sẽ được sử dụng nhưng chưa định nghĩa chi tiết về cấu trúc tĩnh bên trong của hệ thống
Hình 3.3 Cấu trúc tổng quan về mô hình phân tích của AUV - HDS công
nghiệp
3.2.2 Mô hình thiết kế của AUV - HDS công nghiệp
Nếu chuyển trực tiếp từ mô hình cộng tác đối tượng trên đây tới môi trường thực thi thì các mô hình cấu trúc và ứng xử chi tiết phải được bổ sung thêm, nhằm thực thi chính xác hệ thống điều khiển công nghiệp Các bước
để xây dựng lên sơ đồ hợp tác những gói chính với RealTime UML tuân theo các quy tắc sau:
- Mỗi một hợp tác đối tượng hoặc gói đối tượng đã xác định ở trên thì cần ít nhất một gói với RealTime UML, ví dụ như là: gói của AUV - HDS công nghiệp toàn cục, gói của phần liên tục, gói của phần rời rạc, gói của giao diện bên trong, gói của giao diện bên ngoài, gói của IGCB,
- Các lớp chủ động trong cộng tác đối tượng hoặc gói đối tượng thì sẽ trở thành các gói tương ứng,
- Các lớp bị động trong cộng tác đối tượng hoặc gói đối tượng hợp tác thì sẽ trở thành các lớp thực thể tương ứng,
- Các cổng và giao thức được xác định bởi sự tương tác giữa các cộng tác đối tượng hoặc gói đối tượng có kèm theo các thông điệp cụ thể
Để xác định sơ đồ diễn tiến và máy trạng thái tổng quan của những
gói này dựa trên Automate lai và sơ đồ khối chức năng mở rộng