Nghiên cứu hệ thống điều khiển cân bằng tàu thủy trọng tải lớn

Các công trình nghiên cứu như đã chỉ ra rằng, kho nổi và hầu hết phương tiện nổi là đối tượng mà động học của nó rất phức tạp, có đến 6 bậc tự do, có chu kỳ giao động riêng, hoạt động dự

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -

LÊ TOÀN THẮNG

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG

TÀU THỦY TRỌNG TẢI LỚN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS BÙI QUỐC KHÁNH

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 2

DANH MỤC CÁC BẢNG 2

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 2

LỜI MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG CÂN BẰNG TÀU VÀ CÁC PHƯƠNG TIỆN NỔI .6

1.1 Tình hình khai thác các tàu và phương tiện nổi trên thế giới .6

1.2 Vấn đề cân bằng phương tiện nổi 9

1.3 Một số công trình nhiên cứu trên thế giới về cân bằng tàu thủy 13

1.4 Tình hình nghiên cứu trong nước 15

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC TÀU THỦY, CÁC THUẬT TOÁN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG TÀU .18

2.1 Tìm hiểu một số mô hình động học tàu thủy 18

2.1.1 Hệ thống két chống cuộn thụ động và chủ động 18

2.1.2 Hệ thống két chủ động chống cuộn dạng chuyển động sáu bậc tự do 22

2.2 Các phương pháp điều khiển cân bằng tàu thủy và phương tiện nổi 24

2.2.1 Các kỹ thuật ổn định chuyển động cuộn và cân bằng tàu thuỷ 24

2.2.2 Phương pháp dùng con quay hồi chuyển 26

2.2.3 Phương pháp dùng sống đáy tàu 26

2.2.4 Phương pháp ổn định kiểu vây và kiểu quay bánh lái 28

2.2.5 Phương pháp dùng thùng chứa chống cuộn 29

2.2.6 Lựa chọn phương án thích hợp cho bài toán cân bằng tàu thủy 34

2.3 Các thuật toán thông minh trong bài toán điều khiển cân bằng tàu thủy .36

2.3.1 Ứng dụng thuật toán điều khiển dự báo theo mô hình (MPC) 36

2.3.2 Ứng dụng thuật toán điều khiển Logic mờ (Fuzzy Logic Control) 41

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG CHO TÀU LASH 51

3.1 Tìm hiểu về tàu LASH đối tượng để xây dựng hệ thống cân bằng 51

3.1.1 Các thông số chính của Tàu LASH 51

3.1.2 Sơ lược quá trình làm hàng trên tàu Lash 52

3.1.3 Thực trạng hệ thống cân bằng bằng tay trên tàu LASH 53

3.1.4 Các yêu cầu và giải pháp cho bài toán cân bằng tàu LASH .56

3.2 Xây dựng hệ thống cân bằng cho tàu LASH 61

3.2.1 Định hướng thiết kế hệ thống điều khiển cân bằng cho tàu Lash mẹ .61

3.2.2 Cấu trúc hệ thống cơ cấu chấp hành và cảm biến .62

3.2.3 Cấu trúc phần cứng hệ PLC điều khiển cân bằng tàu LASH 65

3.2.4 Xây dựng phần mềm điều khiển và giám sát hệ thống .71

3.3 Kết quả và đánh giá việc thử nghiệm hệ thống cân bằng tàu 90

3.3.1 Quá trình tiến hành thử nghiệm 90

3.3.2 Kết quả thử nghiệm và các đánh giá 92

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này là do tôi tự hoàn thành dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS BÙI QUỐC KHÁNH Các số liệu kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực

Để hoàn thành luận văn này, tôi chỉ sử dụng các tài liệu đó ghi trong mục tài liệu tham khảo, không sử dụng các tài liệu khác mà không được ghi trong phần tài liệu tham khảo

Lê Toàn Thắng

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

FLFS Cấu trúc nổi rất lớn

DWT Trọng lượng rẽ nước của tàu

MPC Điều khiển theo mô hình dự báo

RRS Hệ thống ổn định bánh lái

MIMO Nhiều đầu vào – nhiều đầu ra

AHCS Hệ thống điều khiển chống nghiên

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Kiểu bộ thăng bằng – Ví dụ ứng dụng 25

Bảng 3.1 Tham số chính của các bơm, van trong thiết kế 63

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của PLC dòng CS1H 69

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1 Nguyên lý hệ thống két chống chuyển động cuộn 18

Hình 2.2 Cơ sở thiết lập mô hình toán cho chuyển động cuộn 19

Hình 2.3 Sơ đồ khối mô tả điều khiển chuyển động cuộn tàu thủy 21

Hình 2.4 Cơ sở thiết lập mô hình toán chuyển động cuộn 6 bậc tự do 22

Hình 2.5 Sử dụng con quay hồi chuyển trong hệ thống cân bằng tàu 26

Hình 2.6 Sự xếp bố trí dằn đáy sống tàu 26

Hình 2.7 Kết cấu và vị trí lắp đặt các vây hai bên mạn để ổn định tàu 28

Hình 2.8 Nguyên lý của hệ thống chống nghiêng lệch ngang kiểu thùng chứa 29

Hình 2.9 Chi tiết về mặt cắt của thùng điển hình và vị trí ngang trên thân tàu 30

Hình 2.10: Âu nổi của Kongsberg Maritime 31

Hình 2.11 Âu nổi SWM Pride of San Diego và màn hình hiển thị trạng thái 32

Hình 2.12 Hệ thống bơm xả trên xà lan dằn (Barge Ballasting) của hãng JGP 33

Hình 2.13 Màn hình hiển thị trạng thái và bàn điều khiển cân bằng trên xà lan 33

Hình 2.14 Phương tiện nổi chở các kết cấu siêu trường, siêu trọng .33

Hình 2.15 Cấu trúc giảm lắc trong hệ thống điều khiển lái tự động RRS 37

Hình 2.16 Sơ đồ khối biểu diễn cấu trúc điều khiển trượt mờ chống 49

Hình 3.1 Tàu Lash mẹ chở xà lan 51

Hình 3.2 Mâm cặp của cẩu lắp trên tàu Lash dùng để cặp xà 52

Hình 3.3 Panel điều khiển bằng tay bơm van dằn 53

Hình 3.4 Các van và bộ nguồn điều khiển thuỷ lực 54

Hình 3.5 Panel chỉ báo mức các khoang két trên tàu Lash 54

Hình 3.6 Một ví dụ về bố trí két chống lắc, két dằn 56

Hình 3.7 Yêu cầu về giao diện vận hành giám sát 60

Hình 3.9 Cấu trúc hệ thống điều khiển cân bằng tàu LASH 63

Hình 3.5 Panel chỉ báo mức các khoang két trên tàu Lash 64

Hình 3.6 Kết cấu bộ đo góc nghiêng cơ cấu CAM dùng cảm biến kiểu chiết áp 65

Hình 3.8 Cấu hình cơ bản của hệ thống PLC 69

Hình 3.9 Sơ đồ tổ chức nhóm khoang khoang két 71

Hình 3.10 Ván bập bênh thăng bằng 72

Hình 3.11 Cấu trúc của bộ điều kiển mờ trong modul LCB01 73

Hình 3.12 Dạng hàm liên thuộc có thể sử dụng trong bộ điều khiển mờ 75

Hình 3.13 Cách thiết lập hàm liên thuộc đầu vào (điều kiện) 76

Hình 3.14 Cách thiết lập hàm liên thuộc đầu ra (kết luận) 76

Hình 3.15 Biễu diễn cách cách suy luận 77

Hình 3.16 Cách thiết lập luật hợp thành max 78

Hình 3.17 Xác định đầu ra bằng phương pháp trọng tâm 78

Hình 3.18 Thuật toán xử lý các trạng thái nghiêng lệch 80

Hình 3.19 Giao diện vận hành giám sát hệ thống 88

Hình 3.20 Giao diện vận hành bơm Ballast 89

Hình 3.21 Giao diện vận hành van và giám sát mức nước khoang két 89

Hình 3.22 Cấu trúc hệ thống thử nghiệm 90

Hình 3.23 Mô hình tàu LASH thử nghiệm 91

Hình 3.24 Tàu LASH trên sông Sài Gòn – Đối tượng để thử nghiệm 92

Hình 3.25 Kết quả thử nghiệm trên tàu LASH lúc 01:00 PM ngày 17/03/2010 92

Hình 3.26 Kết quả thử nghiệm trên tàu LASH lúc 02:06 PM ngày 17/03/2010 93

Hình 3.27 Kết quả thử nghiệm trên tàu LASH lúc 03:32 PM ngày 17/03/2010 93

Hình 3.28 Kết quả thử nghiệm trên tàu LASH lúc 04:48 PM ngày 17/03/2010 94

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay khi mà không gian trên đất liền ngày càng hạn chế do áp lực về dân số và môi trường Một số nước phát triển đã tìm cách khai thác không gian ngoài biển khơi rộng lớn sử dụng các tàu thuyền và các phương tiện nổi Và việc đảm bảo cân bằng cho các phương tiện này được quan tâm nhiều trong đó tập trung vào việc xử lý chuyển động cuộn (Roll) gây mất cân bằng cho các tàu thuyền nhằm giữ cho tàu cân bằng ngang theo độ lệch giữa các mạn (Lift hay Heel) và cân bằng dọc liên quan đến mớn nước ở mũi và đuôi tàu (Trim) Có như vậy mới đảm bảo được an toàn cho người và hàng hóa trên các tàu thuyền Trải qua nhiều năm, nghiên cứu về lĩnh vực này các nhà khoa học trên thế giới đã đề xuất nhiều thiết bị

để hạn chế chuyển động cuộn và phần nhiều đã được triển khai thực tế Tuy nhiên các giải pháp này thường khá tốn kém về mặt đầu tư triển khai Trước tình hình đó ngành công nghiệp đóng tàu trong nước đang có những bước phát triển, và mong muốn làm chủ công nghệ từ khâu thiết kế, chế tạo, lắp đặt, vận hành và khai thác phương tiện an toàn và hiệu quả Nhóm thực hiện đề tài đã đề xuất giải quyết vấn đề này trong đề tài cấp nhà nước KC.03.09/06-10

Trong quá trình khảo sát và phối hợp thực hiện đề tài cấp nhà nước mã số KC.03.09/06-10 Tác giả đã đi sâu tìm hiểu và giải quyết các vấn đề có liên quan trong đề tài bao gồm:

* Về lý thuyết, đề tài phải nghiên cứu áp dụng các công cụ lý thuyết mạnh,

có khả năng giải quyết được các bài toán phức tạp mang nhiều yếu tố bất định trên

cơ sở thiết lập được các thuật toán thông minh Các thuật toán phải linh hoạt trong giải pháp và mạnh mẽ trong tính toán Các công cụ lý thuyết được chọn là giải pháp điều khiển theo mô hình dự báo MPC thích hợp cho việc dự báo hành vi của các đối tượng phức tạp trong tương lai đồng thời đưa ra được chiến lược điều khiển tối ưu, trong khi điều khiển Logic mờ FLC lại giải quyết được các bài toán mà việc mô tả toán học của đối tượng bị hạn chế và tri thức chuyên gia lại đóng vai trò rất quan trọng Đây là những công cụ lý thuyết đủ mạnh đẻ giải quyết bài toán cân bằng trên các đối tượng nổi

* Về mặt thiết kế và tích hợp hệ thống, hệ thống cân bằng trên phương tiện nổi phải được thiết kế trên các phần tử có độ tích hợp cao, có khả năng lập trình linh hoạt và đặc biệt là được tích hợp các tính năng để thực hiện được các thuật toán thông minh Để thực hiện được yêu cầu này, hệ thống tự động cân bằng kho nổi (áp dụng cụ thể trên tàu Lash) được thiết kế trên PLC được tích hợp nhiều tính năng mới

Nội dung chính của của luận văn bao gồm ba chương :

Chương 1 : Tổng quan các hệ thống cân bằng tàu và các phương tiện nổi

Chương 2 : Tìm hiểu mô hình động học tàu thủy, các thuật toán và phương pháp trong bài toán cân bằng tàu

Chương 3 : Xây dựng thử nghiệm hệ thống điều khiển cân bằng cho tàu LASH

Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu tác giả đã có nhiều thuận lợi khi được tạo mọi điều kiện hết sức thuận lợi về các trang thiết bị cũng như điều kiện làm việc Được cung cấp rất nhiều tài liệu nghiên cứu rất hữu ích trong quá trình triển khai thử nghiệm Tôi chân thành cảm ơn PGS.TS Bùi Quốc Khánh và TS Đặng Xuân Hoài người có kinh nghiệm làm việc thực tế lâu năm trong lĩnh vực công nghiệp tàu thủy với kiến thức chuyên sâu đã chỉ dẫn nhiệt tình cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn này Tôi cũng gửi lời cảm ơn đến các đồng nghiệp của tôi đã góp ý, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian qua

Hà Nội, ngày tháng năm 2010

Học viên

Lê Toàn Thắng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG CÂN BẰNG TÀU VÀ CÁC PHƯƠNG

TIỆN NỔI

1.1 Tình hình khai thác các tàu và phương tiện nổi trên thế giới

Ngày nay khi mà việc khai thác không gian trên đất liền đang bị thu hẹp do

áp lực của sự tăng dân số và các vấn đề môi trường Một số nước phát triển trên thế giới như Nhật bản, Hà Lan, Singapo đã và đang tìm cách để khai thác mở rộng lãnh thổ trên biển Các nước này đã đề xuất và xây dựng trên biển các cấu trúc nổi rất lớn VLFS/VLFF (Very Large Floating Structures/ Flatforms) Các cấu trúc ngoài khơi này có thể bố trí cạnh bờ cũng như ở ngoài khơi xa bờ, có thể kể đến một số kết cấu loại này như: Sân bay nổi The Mega-Float ở Vịnh Tokyo, Nhật bản; Cầu nổi Yumemai ở Osaka, Nhật bản Ngoài ra còn có các cầu tàu, đê chắn song, hay các kho chứa nổi FSO (Floating Storage and Offloading vessels), các trạm năng lượng sức gió hoặc mặt trời, cho mục đích quân sự, mặt bằng khu công nghiệp, trạm cấp cứu, thiết bị giải trí, công viên giải trí, các cấu trúc xa bờ di động, thậm chí có thể dùng làm nơi cư trú Các cấu trúc nổi VLFF này thường có thể chia thành hai loại: Kiểu phao (Pontong) có cấu trúc đơn giản, phẳng, có tính ổn định cao, giá thành chế tạo thấp, dễ bảo trì, sửa chữa Tuy nhiên cần phải chủ trọng đến vấn đề đề biến dạng kiểu co giãn (elatics) đổi với khối vật rắn trên nó và không chụi được các biến động lớn của sóng gió chỉ thích hợp khi đặt gần bờ Trong khi kiểu nửa chìm (semi-submersible) được sử dụng đối với các kết cấu ngoài khơi sóng to, gió lớn Cấu trúc này thường được sử dụng cho mục đích khai thác dầu khí và nhiều mục đích khác Chúng được cố định bởi các cột kiểu ống, đóng cừ hoặc các hệ gia cường và điều khiển cân bằng (ngang) bằng hệ thống điều khiển dằn kiểu ballast (điều khiển mức chất lỏng trong các két)

Trong lĩnh vực khai thác và vận chuyển bằng đường thủy, đặc biệt lĩnh vực khai thác dầu mỏ ngoài khơi ở độ cách xa bờ, vấn đề lưu giữ và trung chuyển các sản phẩm dầu mỏ là một bài toán cực kỳ phức tạp liên quan đến tính an toàn và kinh

tế Sản phẩm vừa khai thác không thể chuyển ngay vào đất liền hoặc vận chuyển đến các nhà máy chế biến do khối lượng thường là không đủ lớn để vận hành các hệ thống trung chuyển trực tiếp Thông thường, các sản phẩm vừa khai thác được tạm thời lưu giữ ở các kho chứa nổi FSO, các trạm nổi, ở đấy có thể chứa được hàng triệu mét khối sản phẩm dầu mỏ Sau một khoảng thời gian, sản phẩm trên kho chứa

đủ mức đáp ứng bài toán kinh tế và kỹ thuật của vấn đề trung chuyển, chẳng hạn đủ

dầu cho một hoặc vài chuyến tàu chở dầu lấy hàng Có thể nói, các kho nổi này là những kho có sức chứa lớn, không thể thay thế được bằng các kho ở trên đất liền bởi các đặc thù về điều kiện và môi trường hoạt động

Do phải hoạt động trong điều kiện mang tính đặc thù trên môi trường nước (đặc trưng của hệ thống có tính co giãn đàn hồi kiểu elasatic), bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố môi trường khắc nghiệt như sóng gió, dòng chảy, chế độ làm việc và tình trạng tải trọng , nên việc điều hành các hoạt động trên kho nổi, phương tiện nổi phức tạp hơn là các trạm, kho ở trên đất liền Các công trình nghiên cứu như đã chỉ ra rằng, kho nổi và hầu hết phương tiện nổi là đối tượng mà động học của nó rất phức tạp, có đến 6 bậc tự do, có chu kỳ giao động riêng, hoạt động dựa trên nguyên

lý sức nổi nên vấn đề điều chỉnh các quá trình động học, đặc biệt là quá trình cân bằng ngang (tức là giữ cho phương tiện nổi thẳng đứng trên mặt phẳng nước) luôn được đặt ra nhằm đảm bảo cho phương tiện đó hoạt động được một cách tối ưu, an toàn cho phương tiện, thiết bị và con người Đối với các phương tiện nổi tự hành, việc cân bằng nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của máy lái, hiệu quả hoạt động của chân vịt, giảm rung do hệ động lực của chân vịt, máy chính, giảm các ứng suất nguy hiểm do sự chênh lệch áp suất trên bề mặt diện tích vỏ của phần thể tích lượng chiếm nước Về nguyên tắc, bánh lái và chân vịt hoạt động có hiệu quả khi ngập hẳn dưới nước (tạo được được mô men lái và lực đẩy chân vịt lớn) Nếu tàu bị chúi mũi và chân vịt hở, tốc độ con tàu có thể bị giảm rất nhiều nhưng máy chính hoàn toàn có thể bị quá tốc độ do nhẹ tải và biên độ rung có thể tăng lên rất lớn cực kỳ nguy hiểm Khi tàu bị nghiêng mạn, tính điều khiển được của con tàu bị giảm, nhất

là trường hợp bánh lái và hệ trục chân vịt được phân bố đối xứng theo sống tàu Trong trường hợp này, mô men lái và lực đẩy chân vịt có độ chênh lệch lớn giữa các bên, rất khó giữ được hướng chuyển động của con tàu theo hành trình Trong một số trường hợp, sự nghiêng mạn là nguyên nhân xô lệch và trôi, dồn tải trọng rất nguy hiểm như trên các tàu chở công ten nơ Chính vì vậy trên các loại tàu này, thường yêu cầu được trang bị các két đặc biệt chống lắc (tank anti-roll) và hệ thống

tự động điều chỉnh theo các độ nghiêng lệch (Auto hell) Các két chống lắc này sẽ tạo ra các đối trọng phù hợp theo trạng thái nghiêng lệch để vừa tạo cân bằng vừa chống lắc cho phương tiện Ngoài các két chống lắc kiểu anti-roll, các tàu này còn được trang bị thêm két ở mũi (thậm chí cả ở phía đuôi) để điều chỉnh độ lệch dọc của tàu theo mớn nước mũi và đuôi (trim) Trong trường hợp như vậy hệ thống điều khiển cân bằng có thêm chức năng điều chỉnh độ lệch dọc (Auto hell and trim

có dung tích lớn so với các két ballast (két dằn) thông thường Mỗi két này có thể chứa hàng trăm, thậm chí hàng nghìn mét khối nước bên trong nên tác động kiểu đối trọng của chúng là rất hiệu quả Tuy vậy, thể tích nước trong két này luôn được khống chế trong khoảng từ 10-90% thể tích, bảo đảm dự trữ sức nổi trong mọi trường hợp phải thao tác dịch chuyển lượng nước bên trong

Đối với phương tiện nổi thụ động (không được trang bị hệ động lực đẩy chính), việc cân bằng là điều kiện tất yếu đảm bảo các tính năng của phương tiện, chẳng hạn các âu nổi, sân bay nổi, các cầu nổi, khách sạn nổi luôn phải ở trạng thái cân bằng trong quá trình hoạt động Các công trình nghiên cứu về kết cấu nổi, điển hình như đã chỉ ra rằng, rất nhiều phương tiện nổi khi hoạt động phải có được tính năng cân bằng sức nổi một cách mềm mại (smooth) trong các điều kiện thời tiết, thuỷ triều lên xuống, khi chất tải lên hoặc dỡ bớt tải ra khỏi phương tiện Trong quá trình khai thác hệ thống cầu tàu nổi cho tàu chở ô tô đang hoạt động tại Ujina Nhật bản, ở Vancouver Canada, người ta thấy rằng, các cầu tàu này phải bảo đảm điều chỉnh được sức nổi để tạo đươc độ cân bằng ngang và độ dốc hợp lý ở hai đầu cầu (giữa cảng và cầu, giữa cầu và tàu) để ô tô dễ lên, xuống khi thuỷ triều thay đổi và khi mớm nước của tàu thay đổi do lượng ô tô trên tàu liên tục thay đổi Nguyên tắc này được tuân thủ nghiêm ngặt hơn khi dịch chuyển các kết cấu siêu trường, siêu trọng từ cảng xuống phương tiện nổi hoặc ngược lại Trong trường hợp này, độ phẳng ngang giữa mặt phẳng bến cảng và mặt phẳng của phương tiện nổi được tính toán điều chỉnh ở mức tốt nhất có thể được (bằng cách điều chỉnh sức nổi của phương tiện nổi thông qua lượng nước trong các két dằn) Với phương tiện nổi cỡ lớn dạng kho chứa nổi dùng để chuyên chở, chứa và xuất dầu thô dạng lỏng, một yêu cầu đặt ra là phải đo đựợc lượng dầu trong các khoang chứa, càng chính xác càng tốt để bảo đảm không những việc nhận và xuất dầu thô một cách chính xác mà còn tránh được hiện tượng xuất hiện các ứng suất nguy hiểm lên thành vỏ phương tiện do không kiểm soát được áp suất trong các khoang chứa Lý do là mức dầu trong các khoang két này phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ, có thể ở trạng thái đông đặc khi nhiệt độ xuống thấp, và cũng có thể ở trạng thái rất lỏng khi được hâm nóng bởi bộ phận hâm dầu Khi được hâm nóng, thể tích dầu tăng lên, làm tăng áp suất trong khoang chứa, còn khi đông đặc thể tích dầu giảm, trong khoang chứa có thể xuất hiện áp suất kiểu chân không Áp suất này luôn luôn được tính toán theo mức dầu, nhiệt độ, hệ số giãn nở và nhiều yếu tố vật lý khác liên quan đến loại dầu lỏng trong khoang chứa Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng, yếu tố quan trọng để kiểm soát được áp suất trong từng khoang két là phải đo được chính xác mức dầu

trong các khoang két, và để thỏa mãn điều này, kho nổi phải được giữ ở trạng thái cân bằng Cũng giống các tàu chở công ten nơ, hiện nay, Công ước quốc tế về tàu biển yêu cầu các tàu chở dầu có trọng tải trên 20 ngàn tấn phải được trang bị các két chống lắc anti-roll

1.2 Vấn đề cân bằng phương tiện nổi

Các hệ thống cân bằng nổi (cân bằng theo mặt phẳng ngang) bao gồm cân bằng ngang theo độ lệch giữa các mạn (lift hay heel), cân bằng dọc theo chiều mũi

và đuôi (trim) là hệ thống có mặt hầu hết trên các phương tiện nổi, đặc biệt là các phương tiện nổi như tàu quân sự, tàu khách, tàu chở dầu, tàu chở công tên nơ, các

xà lan chở tải trọng lớn, các phông tông cẩu, các kết cấu kiểu phông tông, các âu nổi, kho nổi và các phương tiện nổi cở lớn VLFS Nguyên tắc chung của các hệ thống này là điều khiển sức nổi một cách hợp lý thông qua việc tạo các lực (hay mô men) nổi ngược chiều và bằng với các lực (hay mô men) gây ra sự mất cân bằng cho phương tiện Các lực (mô men) tạo ra sự mất cân bằng cho phương tiện xuất phát từ nhiều lý do và phụ thuộc rất nhiều yếu tố như sự suy giảm tải trọng (hiện tượng của hệ thống có tính co giãn đàn hồi kiểu elatics) phá vỡ tính cân bằng, sự phân bố tải trọng không hợp lý, điều kiện môi trường như sóng, gió dòng chảy, chế

độ hoạt động của phương tiện như tốc độ, chế độ quay trở, hướng hoạt động theo chiều sóng gió, qui mô (độ lớn của phương tiện so với biên độ và bước sóng) … Ngoài ra, sự ảnh hưởng của hiện tượng cộng hưởng giữa các tần số lắc riêng của phương tiện (ngang, dọc, chệch hướng ) với tần số của sóng biển làm cho phương tiện luôn ở trạng thái mất cân bằng Các biện pháp nhằm giảm sự mất cân bằng do các yếu tố tự nhiên như sóng gió, dòng chảy, chế độ hoạt động như tốc độ, chế độ quay trở của phương tiện nổi v.v là vấn đề luôn được xem xét ngay từ khâu thiết

kế Chẳng hạn, đối với các trạm nổi, kho nổi cỡ lớn, vấn đề thiết kế được bắt đầu bằng việc xem xét vùng hoạt động của đối tượng, liên quan đến các yếu tố tác động của tự nhiên lên đối tượng nổi Các sân bay nổi, hoặc các trạm nổi cỡ lớn thường được thiết kế ở dạng tấm phẳng, rộng (chiều dày rất bé so với chiều dài và rộng), hoạt động ở các vùng vịnh, nơi ít bị ảnh hưởng do sóng, gió, dòng chảy, dễ neo đậu, thậm chí chúng thường được bảo vệ và giảm thiểu ảnh hưởng của các tác động này bởi các đê chắn sóng, như kiểu sân bay nổi ở vịnh Tokyo Nhật Bản Ngoài ra, kết cấu, kích thước, qui mô của phương tiện là các vấn đề được xem xét một cách thận trọng khi thiết kế nhằm đảm bảo cho đối tượng hoạt động an toàn( bao gồm cả vấn

đề cân bằng) ở một cấp độ giới hạn nhất định, gọi là cấp hoạt động của các phương

phép (cấp hoạt động), đối tượng nổi nổi cỡ lớn đã tự nó phản ứng như một bộ lọc Những tác động từ sự can thiệp của con người (hoạt động của máy móc do con người chỉ định) chủ yếu là duy trì lại hoạt động bình thường của đối tượng sau khi xuất hiện một trạng thái không bình thường do tự nhiên, hoặc chính sự hoạt động của các máy móc trên phương tiện gây ra, như thay đổi hướng gió đột ngột, việc bốc dỡ hàng hoá, sự tiêu hao nhiên liệu, sự xuất hiện khối lượng lớn nước làm mát, nước thải v.v Trong phần lớn các trường hợp, để duy trì một tính năng nào đó của đối tượng hoạt động được bình thường, người ta thường phải kết hợp nhiều hệ thống và điều này phụ thuộc vào trạng thái hoạt động của đối tượng nổi Chẳng hạn, việc cân bằng cho các đối tượng nổi cỡ lớn thụ động (không trang bị hệ động lực chính tạo sức đẩy hành trình), được cố định bằng hệ tời neo đặc biệt (cố định mềm,

cố định được đối tượng theo tọa độ và phương và có thể thay đổi phương để giảm ảnh hưởng tác động của sóng gió, dòng chảy), chủ yếu thực hiện bằng phương thức dằn (điều chỉnh sức nổi bằng lượng nước dằn trong các két dằn), hay nói một cách khác thực hiện chủ yếu bởi hệ thống Auto hell and trim control Các cấu trúc nổi kiểu dằn, cố định cứng (được cố định bằng các trụ, thép hoặc bê tông, bên trong có các xi lanh lớn điều chỉnh được hành trình) Việc điều chỉnh cân bằng các đối tượng này thực hiện bằng cách phối hợp điều chỉnh hành trình của các xi lanh Với các đối tượng nổi tự hành (được trang bị hệ động lực tạo sức đẩy), việc cân bằng phụ thuộc vào trạng thái hoạt động, tức là chế độ neo đậu tại bến để làm hàng (chất lên hoặc tháo dỡ hàng hoá khỏi phương tiện) hay chế độ trên hành trình Ở chế độ neo đậu tại bến, phần lớn việc cân bằng loại phương tiện này cũng được thực hiện bằng phương thức dằn Auto hell and trim control, giống hệt các phương tiện nổi cỡ lớn thụ động, được cố định mềm Tuy nhiên trên hành trình, việc cân bằng cho các đối tượng này thường được thực hiện bằng cách phối hợp hoạt động của hệ thống dằn Auto hell and trim control với các hệ thống có chức năng bổ trợ cho việc ổn định cân bằng kiểu quay bánh lái (Rudder Roll Stabilization System) hoặc hệ thống bổ trợ ổn định cân bằng kiểu vây (fin stabiliser System), thường lắp đối xứng hai bên mạn Mục đích của các hệ thống bổ trợ ổn định kiểu quay bánh lái hoặc hệ thống kiểu vây chủ yếu là tạo ra các mô men có khả năng làm suy giảm các mô men làm mất cân bằng đối tượng nổi, xuất hiện do chế độ hoạt động của phương tiện, chẳng hạn như mô men xuất hiện do lực ly tâm ở chế độ quay trở, mô men mất cân bằng do sóng gió trên hành trình v.v Các mô men này được tạo ra bằng cách liên tục dịch chuyển bánh lái theo một chiến lược điều khiển đặc biệt (đối với hệ thống ổn định kiểu quay bánh lái) hoặc là điều chỉnh độ mở và góc nghiêng của các vây (hệ thống ổn

định kiểu vây) trên cơ sở tận dụng ảnh hượng đặc biệt vào yếu tố tốc độ của phương tiện Các hệ thống này được thiết kế để hoạt động độc lập, hoặc có thể phối hợp với nhau Tuỳ thuộc vào tính năng được thiết kế cho đối tượng, hệ thống bổ trợ cân bằng kiểu quay bánh lái hoặc hệ thống kiểu vây có thể hoặc không được trang bị do

độ phức tạp cũng như giá thành, do điều kiện để ứng dụng được (yếu tố tốc độ) Trái lại, hệ thống dằn bằng nước lại được trang bị cho hầu hết các phương tiện nổi, kho nổi, cho hầu hết các tàu, đặc biệt là các tàu cỡ lớn Hơn nữa, chế độ hoạt động của hệ thống Auto hell and trim control được xem là nặng nề nhất (không có sự tham gia của các hệ thống bổ trợ cân bằng kiểu lái và vây, ở điều kiện dễ mất cân bằng nhất khi thay đổi lượng tải lớn và rất nhanh khi làm hàng) là chế độ neo đậu Như vậy, về mặt nguyên lý, ở chế độ neo đậu làm hàng (không có yếu tố tốc độ), việc cân bằng cho các phương tiện nổi, các tàu cỡ lớn bằng hệ thống nước dằn rất giống với việc cân bằng các kho nổi và thường được thực hiện bằng cách thức điều khiển cân bằng kiểu Auto hell and trim control Khi ở trên hành trình, vai trò của hệ thống này ngoài việc xác lập lại trạng thái mất cân bằng của phương tiện (chủ yếu là

sự suy giảm nhiên liệu do hoạt động của máy móc trên hành trình), nó còn thực hiện được việc hạn chế tác động của các sóng gió có chu kỳ Điều này được thực hiện khi thiết kế hệ thống Auto hell and trim control, nó phải đáp ứng được điều kiện là khả năng dịch chuyển hoàn toàn lượng chất lỏng (được xem như là đối trọng cần thiết để xác lập lại cân bằng) giữa các phía, nhanh gấp từ 02 đến 06 lần tần số lắc riêng của phương tiện Với cách thiết kế như vậy, có thể dịch chuyển lượng lượng lớn chất lỏng đủ nhanh, có pha ngược với pha của sóng gió tác động, pha của tần số lắc riêng của phương tiện hạn chế tối thiểu ảnh hưởng của loại nhiễu này [6] Như đã phân tích ở trên, nguyên tắc chung của các hệ thống cân bằng phương tiện nổi là điều khiển sức nổi một cách hợp lý thông qua việc tạo ra các lực (hay mô men) nổi ngược chiều và bằng với các lực (hay mô men) gây ra sự mất cân bằng cho phương tiện Để thực hiện được điều này, thường các giải pháp sau đây được áp dụng :

- Kết hợp việc dịch chuyển các khối chất lỏng trong khoang két với các thiết

bị tạo phản lực nước kiểu cánh đựợc bố trí ở hai bên mạn (fin stabiliser) hoặc kết hợp với hệ thống lái tự động có chức năng bổ trợ việc cân bằng (rudde roll stability) Tất cả các phương pháp cải thiện ổn định có sự trợ giúp của máy lái hoặc kiểu vây được ứng dụng trên các tàu có tốc độ cao như tàu quân sự, tàu tuần tra biển , … Hệ thống tiêu biểu hoạt động theo phương thức này được hãng RollRoy

(Royal Netherlands Navy, 1991, 2001) và Hải quân Đức (German Navy, 2003) Tuy

nhiên phương pháp này rất phức tạp, tốn kém ít hiệu quả đối với các phương tiện nổi cỡ lớn có tốc độ di chuyển thấp

- Bổ sung, lấy bớt hoặc dich chuyển các khối chất lỏng trong các khoang két

ở các vị trí sống tàu, hai bên mạn, mũi, đuôi (hệ thống các két dằn ballast, két chống lắc ani-roll, két hiệu chỉnh lệch dọc theo mớn nước mũi và đuôi trim ) trên phương

tiện nổi Hệ thống này được gọi là Hệ thống điều khiển theo phương thức Ballast

(dằn) hay thường được gọi là Auto hell and trim control Hệ thống giám sát và điều khiển làm hàng kiểu thiết bị đo thùng chứa loại K (Cargo monitoring and control system, K-Gauge Tank Gauging System) của hãng KONGSBERG , là hệ thống tiêu biểu cho phương thức hoạt động này, có tính năng như giám sát hệ thống nước dằn, két trực nhật, giám sát mớn nước, độ nghiêng (mạn), độ lệch dọc (trim) Công việc này được thực hiện thông qua hệ thống ống, bơm nước (thường dùng các bơm ly tâm để bơm nước bổ sung hoặc hút bớt nước vào hoặc ra khỏi các két dằn, két chống lắc), hoặc các bơm khí nén (nén khí với áp suất cao vào các két để đẩy hoặc dịch chuyển các khối chất lỏng giữa các két) cùng với các van có lưu lượng lớn (điều khiển bằng tay hoặc từ xa) Hệ thống bơm van phân phối nước dằn được điều khiển bằng tay hoặc ở mức hiện đại thì được điều khiển bằng các trung tâm điều khiển có sự tham gia của máy tính, được cung cấp các thông tin phản hồi từ các đầu

đo độ sâu ở từng góc, ở từng két của phương tiện trong chế độ thời gian thực, bảo đảm thông tin cho quá quá trình tự động điều chỉnh độ cân bằng cho phương tiện nổi Ngoài ra, hệ thống tự động cân bằng phương tiện nổi trên cơ sở lượng nước dằn trong các két (Ballast Control System) hoạt động theo các phương thức trên để hiệu chỉnh độ nghiêng lệch (trim and lift) cũng thường được trang bị cho tàu quân sự, cụ

thể của Hải quân Hà lan (Royal etherlands Navy, 1998, 2002) và Hải quân Singapo

(Republic of Singapore Navy, 2000), tàu của hãng Schelde Naval Shipyard The Netherlands 2002 Như vậy, hệ thống cân bằng dạng ballast là hệ thống được sử dụng rất phổ biến, trên hầu hết các phương tiện nổi hiện nay do tính đơn giản, kinh

tế và hiệu quả, đặc biệt là trên các phương tiện nổi cỡ lớn, thường là đối tượng có tốc độ di chuyển thấp, ít hiệu quả trong việc cân bằng từ các thiết bị phụ như hệ lái, vây, hoặc thiết bị tạo phản lực (momen tỉ lệ với bình phương tốc độ) Ngoài ra, vì lý

do an toàn, trên phương tiện nổi cỡ lớn, kể cả các kho nổi, thường thiết kế hệ thống khoang két dằn lớn cả về số lượng và dung tích để vừa dự trữ sức nổi, vừa sử dụng làm các đối trọng khi thực hiện quá trình cân bằng

1.3 Một số công trình nhiên cứu trên thế giới về cân bằng tàu thủy

Có rất nhiều lý do để cố gắng kiểm soát và làm giảm chuyển động của tàu Quá nhiều chuyển động có thể gây trở ngại cho hoạt động của các thuyền viên, hành khách, giảm năng lực sẵn sàng chiến đấu của tàu hải quân, gây ra sự mất mát container trên tàu thuyền chở hàng và làm giảm các thông số hoạt động của tàu Qua nhiều năm, nhiều loại thiết bị điều khiển chuyển động đã được nghĩ ra Hầu hết

đã được sử dụng nhằm giảm chuyển động cuộn một cách hợp lý so với trọng lượng của tàu Hơn nữa, chuyển động cuộn là thành phần không mong muốn và hầu hết là các chuyển động lớn nhất của tàu cần phải được kiểm soát Các phương pháp bao gồm hệ ổn định kiểu con quay (gyroscopic), ổn định kiểu két chống lắc, (anti-roll tank), phương pháp dùng vây (fin), di chuyển trọng lượng và bánh lái động hầu hết, các phương pháp đầu tiên đều xuất phát từ việc kiểm soát thụ động và sau đó phát triển thành kiểm soát một cách chủ động Schlick (1904) đề nghị đặt một con quay hồi chuyển lớn để cung cấp một mô-men chống lại chuyển động cuộn Hệ thống này được cài đặt trên một chiếc tàu ngư lôi Đức vào năm 1906 Sperry sau đó tiếp tục theo đuổi phương pháp kiểm soát hoạt động của tàu bằng cách sử dụng một con quay hồi chuyển để chống lại chuyển động lăn, mà sau này, ông đã được cấp bằng sáng chế Năm 1875 Watts là người đầu tiên giới thiệu két chống cuộn như là một phương pháp thụ động để giảm xóc trong chuyển động lăn Ông sử dụng chuyển động của nước nằm trong các bể được kết nối Các chuyển động của con tàu gây ra khi nước di chuyển từ két đến xe két Két và bộ phận kết nối đã được điều chỉnh như vậy cùng với chuyển động của nước tạo thành thiết bị giảm chuyển động cuộn

đã gây được tiếng vang trong giai đoạn này Hort Rellstab lần đầu tiên triển khai thực hiện hoạt động cho hệ thống này vào năm 1930, trong điều kiện bổ sung áp suất không khí vào trong các két nhằm khống chế lượng nước qua lại một cách hợp

lý hơn Các phân tích chi tiết về các hệ thống bồn chứa thụ động đã được thực hiện bởi Vasta, Giddings, Taplin, và Stilwell (1961) với kết luận rất khả quan về hiệu quả sử dụng

Vào những năm 1940, Minorsky sử dụng một hệ thống máy bơm để di chuyển nước giữa các két Hải quân Mỹ tiếp tục sử dụng hệ thống bồn chứa dạng này cho mãi đến tận năm 1970, các yếu tố áp suất và van kiểm soát mới được thiết

kế bổ sung Webster (1967) cho thấy, việc sử dụng các két chống chuyển động cuộn với một chiến lược điều khiển đơn giản, đã cho kết quả tốt hơn nhiều so với các hệ thống thụ động Vây nhỏ nhô ra từ sống đáy tàu (Bilge keels) tăng giảm xóc đối với

chế được bất kỳ một tác động đáng kể từ bên ngoài Chính vì vậy, việc sử dụng của

nó bị hạn chế Hệ thống vây kiểu thụ động vừa nêu đã được sử dụng từ những nỗ lực đầu tiên bởi nhà phát triển tiếng người Anh Wilson vào năm 1890 và Motora tại Nhật Bản vào đầu những năm 1900 Các tiến bộ đáng kể nhất đến từ giữa Thế chiến

I và Thế chiến II khi Denny, Brown Brothers, và các phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân ở Anh đã bắt đầu một nỗ lực chung để phát triển một hệ thống vây chủ động Đề án của họ được sử dụng với ý nghĩa như cánh phụ, được điều khiển bởi con quay hồi chuyển đo vị trí góc cuộn và tốc độ lộn vòng Hệ thống vây chủ động

có một nhược điểm lớn là cồng kềnh và phức tạp, chỉ hiệu quả đối với chuyển động

có tốc độ lớn

Năm 1910, các thử nghiệm kiểu di chuyển hệ thống trọng lượng lần đầu được thử nghiệm bởi Cremieu Ông đã sử dụng một khối lượng 10 tấn được đặt trong một bể đáy cong chứa glycerin và nước Các vật thể được tự do di chuyển trên đáy cong giúp triệt tiêu động năng của hệ thống Thật không may, hệ thống này đã không được điều chỉnh đúng khi mà ảnh hưởng các điểm dừng ở hai đầu của đáy bể của vật thể đã tạo ra những cú sốc lớn Norden đã được cấp bằng sáng chế ở Mỹ cho một chương trình tương tự vào năm 1929 Việc sử dụng phương pháp di chuyển khối lượng chưa được khai thác đầy đủ cho đến những năm gần đây do kích thước của khối lượng cần thiết để có được một hiệu quả làm giảm đáng kể trong chuyển động lăn Baitis Schmidt (1989) đã trình bày việc sử dụng bánh lái để làm ổn định cuộn trên một tàu khu trục lớp DD-963 (Spruance) của Hải quân Mỹ Các bánh lái

sử dụng ổn định chuyển động cuộn thời điểm tạo ra bởi cuộn bánh lái lớn trên tàu

để làm yếu các chuyển động cuộn

Như vậy, chuyển động của tàu và việc điều khiển chuyển động của chúng là tiêu điểm của nghiên cứu sâu rộng qua nhiều năm Một con tàu hoạt động trên biển thường có các chuyển động phức tạp, có thể làm giảm phạm vi hoạt động và giảm hiệu quả trên biển, có gây khó chịu hoặc thậm chí nguy hiểm cho thuỷ thủ đoàn Điều khiển các chuyển động của tàu là điều rất được quan tâm của nhiều bên trong lĩnh vực hàng hải Như vừa phân tích, đã có rất nhiều loại thiết bị được thiết kế để giảm chuyển động của tàu Ví dụ loại vây chống lắc (fin anti-roll) được sử dụng trong trường hợp tàu tốc độ cao trong khi loại két chứa chống lắc (hay két chống cuộn anti-roll tank) lại thường trang bị cho các phương tiện nổi, tàu cỡ lớn mà yếu

tố tốc độ là không quan trọng Hệ thống bồn chứa chống lắc thường sử dụng các tổ hợp két phân bố đối xứng giữa các mạn, liên kết với nhau bằng hệ thống ống dẫn để thực dịch chuyển chất lỏng, như nước để cung cấp lực chống lại sự mất cân bằng

hoặc do phân bố tải trọng hoặc các lực kích thích từ những con sóng v.v Các chuyển động chất lỏng làm giảm góc cuộn của tàu và mở rộng chế độ hoạt động của tàu Hệ thống bồn chứa có thể được thiết kế ở dạng thụ động hoặc chủ động sễ được

mô tả cụ thể hơn ở các phần sau Động lực chính của nghiên cứu phần này là đưa ra một số cơ sở lý luận khoa học làm căn cứ cho việc triển khai thiết kế và áp dụng giải pháp để cân bằng phương tiện nổi

1.4 Tình hình nghiên cứu trong nước

Có thể nói ở Việt nam các thiết bị, hệ thống điện, điều khiển, tự động hoá tàu thủy đã được quan tâm từ rất sớm Bắt đầu từ những năm 1980-1990 Chương trình

Tự động hoá (52B) đã hỗ trợ tiến hành nghiên cứu thiết kế chế thử một số thiết bị,

hệ thống tự động mang đặc thù cơ bản của tàu thuỷ, chẳng hạn hệ thống báo cháy tự động, hệ thống hòa tự động máy phát, hệ thống tự động hoá buồng máy Chương trình Tự động hoá KC.02-11 (giai đoạn 1992-1995) đã hỗ trợ để nghiên cứu đề tài

hệ thống lái tự động, chương trình KC.06 hỗ trợ để thực hiện nhiều đề tài nghiên cứu thiết kế hoàn thiện một số hệ thống tự động hoá trên tàu thuỷ như ứng dụng hệ thống SCADA , nhằm hiện đại hoá hệ thống tự động hoá tàu thuỷ, hệ thống đo báo tập trung, hệ tự động hoá buồng máy, hệ thống lái điện thuỷ lực, hệ thống báo cháy,

hệ thống quản lý trạm phát điện tàu thuỷ v v Bên cạnh đó, các chương trình khoa học công nghệ cấp bộ của Bộ Giao thông Vận tải cũng đã hỗ trợ để triển khai nhiều

đề tài, dự án mang tính thực tế lớn như Đề tài nghiên cứu thiết kế máy lái điện thuỷ lực công suất lớn, hệ thống điều khiển vô cấp chân vịt mũi truyền động cơ điện, ứng dụng chip thông minh để chế tạo các hệ thống điều khiển trên tàu , hệ thống điều khiển truyền động điện ứng dụng thiết bị điện tử công suất lớn, chế tạo một số phần

tử và thiết bị điều khiển, đo lường quan trọng trên tàu thuỷ bằng phương pháp chuẩn module và ứng dụng các công nghệ tiên tiến, chế tạo bộ điều khiển tự động theo công nghệ khả trình cho các hệ thống, thiết bị tự động tàu thủy

Bước sang giai đoạn những năm cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21, do sự lớn mạnh vượt bậc của Tổng công ty Công nghiệp tàu thuỷ Việt nam (nay là Tập đoàn Công nghiệp tàu thuỷ thuỷ Việt nam), ngành công nghiệp đóng tàu trong nước đã có

cơ hội để phát triển vượt bậc Trong giai đoạn này, các chương trình khoa học công nghệ đã dành một sự quan tâm đặc biệt cho mục đích triển khai nghiên cứu, thiết kế, hoàn thiện công nghệ và chế tạo các thiết bị trên tàu thuỷ theo những định hướng hiện đại và thiết thực hơn Hàng loạt các đề tài liên quan đến lĩnh vực tàu thuỷ đã được triển khai hướng đến nhiều lĩnh vực liên quan đến công nghệ đóng tàu Qui

mô các đề tài đã bao hàm nhiều lĩnh vực và mang tầm tổng quát hơn, tập trung hướng đến các đối tượng là tàu có tải trọng lớn, tàu chở dầu và tàu xuất khẩu Từ dự

án đóng tàu dầu 100 ngàn tấn trong nước của tập đoàn Vinashin đã có hàng chục đề tài, hàng chục dự án thuộc nhiều lĩnh vực như công nghệ thiết kế, công nghệ làm sạch vỏ, sơn, hàn, công nghệ thiết kế chế tạo các thiết bị điện, điều khiển, máy, các thiết bị tời neo, cần cẩu phục vụ cho việc triển khai dự án này Song song với dự

án này là các dự án khác có tầm cỡ và qui mô rất lớn như dự án đóng tàu chở ô tô đến 4900 chiếc, dự án đóng mới kho nổi FSO5 150 ngàn tấn v.v Mặc dù sự phát triển của ngành công nghiệp đóng tàu Việt nam đang phát triển theo xu hướng đa dạng hoá sản phẩm, tăng qui mô về trọng tải và hiện đại hoá các sản phẩm nhưng vấn đề tự thiết kế chế tạo các trang thiết bị cơ khí, điện tử, tự động hoá trong nước

để phục vụ nhu cầu đóng mới và sửa chữa phương tiện nổi, đặc biệt là các trang thiết bị cho phương tiện nổi cỡ lớn, trong đó có các hệ điều khiển cân bằng hầu như chưa có những nghiên cứu cụ thể để triển khai chế tạo trong nước, đang thực sự là vấn đề bức xúc trong xu thế phát triển của ngành Đây là cơ hội lớn và cũng là thách thức lớn đối với các nhà nhà khoa học, các nhà thiết kế và sản xuất trong ngành công nghiệp đóng tàu Việt nam

Qua phân tích có thể thấy, mặc dù việc cân bằng cho các phương tiện nổi là một yêu cầu phải được thực hiện và không thể thiếu được trên hầu hết các phương tiện nổi, đặc biệt là các phương tiện nổi cỡ lớn, nhưng hiện tại ở Việt Nam vấn đề này chưa có những nghiên cứu sâu kể cả lý thuyết lẫn các ứng dụng cụ thể Một thực tế rất rõ là hầu hết các vấn đề về nghiên cứu thiết kế trên tàu thuỷ nói riêng và phương tiện nổi nói chung đều liên quan đến đặc trưng cơ bản nhất của đối tượng này, đó là vấn đề động học liên quan đến sức nổi (buyoancy) của đối tượng Riêng vấn đề điều khiển cân bằng các phương tiện nổi cỡ lớn và kho nổi kiểu FSO, ở trong nước lại càng là vấn đề mới mẽ do tính phức tạp và qui mô của hệ thống, không những phải giải quyết bài toán trên quan điểm của lĩnh vực điều khiển các hệ thống dạng Elastic, dạng MIMO bất định và có trễ v.v, mà còn phải giải quyết bài toán trên quan điểm về vấn đề thuỷ khí động lực học sức nổi Cho đến nay, trừ các tàu thông dụng (theo series) được đóng với số lượng lớn, vấn đề động học của các tàu lớn và phương tiện nổi cỡ lớn hay loại đặc biệt vẫn là vấn đề hóc búa đối với các nhà khoa học trên thế giới Các mô hình động học đưa ra đều là các mô hình gần đúng dựa trên các kết quả thực nghiệm Mặc dù vậy, các mô hình mang tính thực nghiệm kiểu này cũng rất hạn chế, chỉ một vài quốc gia có trình độ cao về công nghệ đóng tàu, có cơ sở vật chất và phòng thi nghiệm thuỷ, khí động lực học hiện

đại (chẳng hạn bể thử mô hình) mới có điều kiện nghiên cứu Các hệ thống cân bằng hiện tại đang có mặt tại Việt nam (nhập mới hoặc trên các tàu, phương tiện nổi đang khai thác), được các hãng lớn nước ngoài nghiên cứu chế tạo trên dựa trên cơ

sở vật chất, lượng thông tin cả về mặt lý thuyết lẫn thực tế, kinh nghiệm trong lĩnh vực tàu thuyền và phương tiện nổi rất phong phú Giá thành một hệ thống mang đặc thù về bề dày phát triển, tiềm lực khoa học và bí quyết công nghệ trong ngành Công nghiệp đóng tàu như vậy thực tế là quá đắt, gây một áp lực cho các nhà máy đóng

và sửa chữa tàu trong nước ở thế bị động, đặc biệt là về vấn đề tài chính để nhập khẩu trang thiết bị phục vụ kịp thời công tác đóng mới và sữa chữa Thực trạng hiện nay, ngành công nghiệp đóng tàu Việt nam chưa đủ khả năng cả về mặt lý thuyết lẫn thực nghiệm để có thể đưa ra được các mô hình toán và mô hình thực nghiệm kiểu vật lý cho các tàu lớn, tàu đặc biệt và nhiều loại phương tiện nổi khác Đây là một trở ngại lớn trong việc giải quyết hàng loạt bài toán liên quan mật thiết với động học của các đối tượng này, trong đó có cả bài toán cân bằng kho nổi Vấn đề này hiện nay thực sự trở nên bức xúc khi chúng ta đang chuẩn bị cho một giai đoạn phát triển mới, giai đoạn đóng tàu và các phương tiện nổi cỡ lớn, bắt buộc chúng ta phải có trình độ, hiểu biết về các thiết bị, hệ thống trên phương tiện này để từng bước làm chủ từ khâu thiết kế, chế tạo, lắp đặt, vận hành và khai thác phương tiện

an toàn và hiệu quả, tiết kiệm ngoại tệ cho đất nước Chính vì vậy, tác giả đã đề xuất đề tài này, nhằm tập trung nghiên thiết kế hệ thống tự động điều khiển cân bằng cho các kho nổi nhằm phục vụ nhu cầu đóng mới và sửa chữa loại phương tiện

này trong nước và xa hơn có thể tiến tới xuất khẩu

Trong khuôn khổ đề tài này, các kết quả nghiên cứu sẽ được áp dụng thử nghiệm trên tàu Lash mẹ chở xà lan có trọng tải 10.900 DWT Đây là một đối tượng nổi có kích thước tương đối lớn so với trọng tải, có chiều dài lớn nhất Lmax là 176,9m, chiều rộng B là 25,0m, mớn nước T là 6m Tàu được thiết kế có hệ thống cân bằng kiểu Ballast với hệ thống khoang két, ống dằn cùng với các thiết bị bơm, van điều khiển bằng tay Như vậy, cơ sở để thiết lập một hệ thống Auto hell and

trim control system trên tàu Lash mẹ chở xà lan là rất khả thi, bảo đảm được tính

qui mô của bài toán (là đối tượng nổi cỡ lớn, bài toán thực tế hoàn toàn phù hợp nội dung và mục tiêu nghiên cứu, có độ phức tạp cao, rất tiêu biểu cho phương tiện nổi như âu nổi, các tàu nổi cỡ lớn, tàu chở công ten nơ và đặc biệt là các loại kho nổi cố định mềm)

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC TÀU THỦY, CÁC THUẬT TOÁN

VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG TÀU

2.1 Tìm hiểu một số mô hình động học tàu thủy

2.1.1 Hệ thống két chống cuộn thụ động và chủ động

Hình 2.1 Nguyên lý hệ thống két chống chuyển động cuộn

Hệ két thụ động và hệ thống két chủ động hoạt động trên nguyên tắc, một chất lỏng, thường là nước, di chuyển từ một bồn chứa đến một bồn chứa khác trên con tàu trong khoảng thời gian nào đó để chống lại hiện tượng chuyển động Hai két thường nằm cách xa nhất có thể để cho cánh tay đòn của mô men phục hồi có giá trị lớn Trong Hình 2.1, các két được kết nối bằng đường ống, có thể được (hoặc không) trang bị máy bơm Các máy bơm cho phép kiểm soát hoạt động của chất lỏng chuyển động trong hệ thống chủ động, và sự vắng mặt của các máy bơm cho phép chất lỏng tự do di chuyển trong một hệ thống thụ động Để dễ mô tả, chuyển động của chất lỏng này được coi là xấp xỉ bởi chuyển động của một khối chất điểm tương đương, theo tác động có chủ định (hệ chủ động) hoặc không (hệ bị động) Các giao động nhỏ có thể bỏ qua

Hình 2.2 Cơ sở thiết lập mô hình toán cho chuyển động cuộn

Các chuyển động của chất lỏng trong các thùng chứa được xấp xỉ bởi chuyển động của một chất điểm có khối lượng, di chuyển từ mạn trái sang mạn phải Cơ sở xây dựng ban đầu của hệ thống này chỉ xét khi mà chuyển động của khối chất điểm chỉ bị ảnh hưởng đến bậc tự do của chuyển động cuộn và chuyển động lắc lư của tàu mà thôi Tuy nhiên, việc xây dựng các biểu thức chỉ dựa vào sự chuyển động lăn của tàu và không có bất kỳ một ảnh hưởng từ sự chuyển động khác được sử dụng ở đây Trên hình 2.2 thể hiện cách thức khối điểm m di chuyển Vị trí của m là một hàm của thời gian d(t), được quy định bởi một đạo luật kiểm soát Góc cuộn được quy định bởi f, và vận tốc cuộn quy định bởi p

Mô hình toán học cho hệ thống hoạt động ở dạng hai bậc tự do là một ứng dụng đơn giản của luật Newton Các phương trình chuyển động cho các tàu ở tọa độ cầu, được mô tả bởi Fossen (1995) và được liệt kê như sau:

RB

6 6

RB C

ở đây, υ là vector của các vận tốc và các vi phân của của các góc Euler cho tất cả sáu bậc tự do, và τRB là một vector của các lực Cộng các lực và mô men do tác động của m lên tàu vào phía bên tay phải của các phương trình chuyển động ta có:

6 6 RB

6 6

, 0 A )

t(

) cos(

) t(

d m

Mô men được tạo ra bởi lực từ tâm trọng lượng của vật nặng, lực được tạo ra

từ sự gia tăng khối lượng và khoảng cách tương ứng của chúng đến tâm trọng lượng (Cg) của tàu như sau:

( d d ) 0 d

trong đó d(t) là vị trí thực tế của vật thể liên quan đến một điểm tham chiếu cố định trên tàu, dc là vị trí được chỉ định của vật thể, µ và ω là hằng số được lựa chọn để đạt được thỏa thuận hợp lý giữa các servo cơ khí thực tế và giải pháp của phương trình này Phương trình (2.5) mô tả cách vật thể phản ứng với một lệnh chỉ định Nó

có thể được giải bằng cách sử dụng phương pháp Runge-Kutta thứ tư ở mỗi bước thời gian, do đó, phương trình khác có thể được sử dụng tại chỗ của nó mà không có vấn đề gì

Lệnh điều khiển cho vật thể dc, được thực hiện bởi một bộ điều khiển PID đơn giản:

∫

−

+φ+

c G G dt G p

ở đây φ là góc cuộn của con tàu Điều này có nghĩa rằng, các vị trí điều khiển của vật thể sẽ tạo ra một mômen luôn luôn chống lại vận tốc cuộn của con tàu Ý nghĩa vật lý của hệ thống bồn chứa đang hoạt động là tạo hiệu ứng giảm xóc theo chuyển động lăn Cũng nên lưu ý rằng, trọng lượng của khối các vật thể cần thiết đê bảo đảm hiệu quả chống lăn vào khoảng 1-4% trọng lượng chiếm nước của tàu, là khá lớn Như vậy, các hệ thống máy bơm phải có khả năng tăng công suất cần thiết để

di chuyển một khối lượng lớn nước qua lại đáp ứng hiệu quả chống lăn Vì vậy, nó

là cần thiết để hạn chế giá trị tối đa cho vận tốc và gia tốc của vật thể, phản ánh gần đúng việc mô phỏng chuyển động của chất lỏng Vị trí của vật thể cũng có một giới

hạn vật lý, đó là vị trí của két thực tế Các giá trị tiêu biểu cho những hạn chế được

bổ sung vào giới hạn của vật thể đang chuyển động là:

g 8 , 0

d max = , d max = 13 ft / s, dmax =0,95B

ở đây B là một nửa chiều rộng của tàu Phương trình dạng servo với các khó khăn được mô tả trong phần này thường được sử dụng trong các hệ thống mô phỏng hoạt động cho hệ chuyển động dạng sáu bậc tự do Như đã đề cập, trọng tâm của nghiên cứu này là để thể hiện hiệu quả của hệ thống két chứa chống chuyển động cuộn thường được mô phỏng trong miền thời gian, không phải để phát triển các thuật toán điều khiển tinh vi Vì lý do này, bộ điều khiển PID đơn giản hay được sử dụng trong các hệ thống mô phỏng hoạt động cho các đối tượng

Để xác định G3 ở phương trình (2.6), có thể sử dụng lý thuyết điều khiển cổ điển (như phương pháp quĩ đạo nghiệm trong miền tần số) và sơ đồ khối biểu diễn cho mô hình hệ thống đơn giản thể hiện trong Hình 2.3 Thông tin được trình bày trong phần này có thể tìm hiểu ở phần tổng quan về kỹ thuật sử dụng quĩ đạo nghiệm (để tìm được G3) trong chương trình MATLAB Để biết thêm chi tiết về kỹ thuật locus áp dụng trong MATLAB, có thể tham khảo các tài liệu thiết kế điều khiển như Shahian & Hassul [1993]

Hình 2.3 Sơ đồ khối mô tả điều khiển chuyển động cuộn tàu thủy

Sơ đồ khối trong Hình 2.3 cho thấy những biến đổi Laplace cho phương trình bậc hai của mô hình điều khiển servo và mô hình cuộn tự do của tàu Các yếu tố đầu vào và đầu ra của các khối là d, Mroll, và p, trong đó d là vị trí khối chất điểm, Mroll

là mômen chuyển động cuộn do chuyển động của khối chất điểm tạo ra, p là vận tốc cuộn Khối khuếch K tương đương với G3 trong phương trình (2.6)

2.1.2 Hệ thống két chủ động chống cuộn dạng chuyển động sáu bậc tự do

Trong phần này, các phương trình đầy đủ cho các chuyển động của hệ thống chống cuộn tích cực dạng sáu bậc tự do của con tàu khi chuyển động được trình bày [31] Lượng chất lỏng chiếm giữ trong hệ thống chống cuộn coi là xấp xỉ như là một khối chất điểm, di chuyển từ mạn trái đến mạn phải và ảnh hưởng đến tất cả sáu bậc

tự do khi tàu chuyển động Vị trí của chất điểm được coi là hàm của khoảng cách từ

nó đến đường tâm là d(t) Một lần nữa, trong xây dựng này không xét ảnh hưởng của hiệu ứng mặt thoáng trong hệ thống các két và chuyển động của chất điểm được hạn chế đến 95 % của nửa chiều rộng tàu

Hình 2.4 Cơ sở thiết lập mô hình toán chuyển động cuộn 6 bậc tự do

Để lấy được các lực và những mômen mà chất điểm m di chuyển, tác động lên con tàu ở tất cả chuyển động sáu bậc tự do, cần thiết phải xác định được vị trí, vận tốc, gia tốc của tàu liên quan đến hệ toạ độ mặt đất, qui ước là cố định Chuyển động của chất điểm m tương đối so với con tàu phải được mô tả Việc sử dụng hai

hệ toạ độ: một cố định cho tàu và một cố định cho măt đất là rất thuận tiện trong việc phối hợp giữa chúng và sau đó là vấn đề xem xét quán tính của hệ thống Ỏ đây, hướng của {Xo, Yo, Zo} liên quan với hệ thống cố định mặt đất, {X, Y, Z} được cho bởi một tập hợp các góc Euler hoàn toàn đặc trưng cho hướng của tàu đối với các hệ tọa độ cố định mặt đất (xem Fossen 1995)

Trong hình 2.4, r0 = A(xo (t), yo (t), z0 (t)) thể hiện cho vị trí hệ toạ độ quán tính gốc trong của hệ toạ độ O cố định trên tàu Vector rm = (xm, d (t), ZM) đại diện cho vị trí của chất điểm đối với khung toạ độ cố định Vị trí của chất điểm trong hệ thống toạ độ toàn cầu được cho bởi:

m 0

m r r

R = + (2.7)

Vận tốc tuyệt đối của điểm O được cho bởi v0 = (u (t), v (t), w (t)) trong đó

u, v, và w là các thành phần dọc theo hệ thống toạ độ cố định trên tàu và các thành phần của vận tốc góc của tàu được cho bởi ω = (p (t), q (t), r (t)) trong hệ thống toạ

độ cố định trên tàu Bằng cách lấy đạo hàm bậc nhất của Rm theo thời gian, chúng

ta tìm được vận tốc của chất điểm trong hệ toạ độ toàn cầu:

m m

rr

ra

q z p rpx x

q d p d p 2 qu pv w g

(

m

jˆ ) pqx d

p d r rpz z

p x r d pw ru v g

(

m

iˆ rpz x

q qpd d r z q d r 2 rv gw u g

2 m m

z

m 2

2 m m

m y

m m

2 m

x

m

− +

+

− +

−

− +

−

−

+

− + +

− +

−

− +

−

−

+

− +

− +

− + +

pqxdpdrpzx

rdpwruvg

(

x

)rpzx

qqpddrzqdr2rvgwug(

d

[

m

jˆ)]

rpzx

qqpddrzqdr2rvgwug

(

z

)rqdz

qzprpxx

dpdp2qupvwg(x

[

m

iˆ)]

rqdz

qzprpxx

dpdp2qupvwg

(

d

)pqxd

pdrrpzz

pxrdpwruvg

2 m m y

m

m m

2 m

x

m m

2 m

x m

m

2 m

2 m m

z m

m

2 m

2 m m

z

m 2

2 m m

m y

m

−+++

−

−+

−

−

−

−+

−+

−++

−

−+

−+

−+

−++

−

−

−

−+

+

−+

−

−+

−

−+

−+

+

−+

−

−+

−

−

−

−++

−+

−

−+

2.2 Các phương pháp điều khiển cân bằng tàu thủy và phương tiện nổi

2.2.1 Các kỹ thuật ổn định chuyển động cuộn và cân bằng tàu thuỷ

Những yếu tố đầu tiên dẫn đến việc ổn định chuyển động cuộn SRS (Ship roll stability) tốt là sự phân bố tải trọng và việc thiết kế thân tàu cẩn thận Froude đã khẳng định yếu tố kích thích chuyển động lắc lư của tàu không phải là chiều cao hay độ dốc của sóng trong tài liệu còn phôi thai của ông về sự lắc lư của tàu thuỷ từ năm 1861 Ông đã chú thích thêm rằng, sóng ngắn xuất hiện dốc hơn sóng dài nên không có ưu điểm nào về việc cố làm giảm chu kỳ lắc lư tự nhiên của tàu Thay vào

đó, chu kỳ này được mở rộng nhiều đến mức có thể để tránh sự đồng bộ hoá (cộng hưởng) với tần số kích thích của sóng Điều này chỉ có thể đạt được bằng cách :

• Làm tăng mô men quán tính

• Làm giảm tính ổn định bề ngang

Yếu tố thứ nhất hoàn toàn có liên quan đến sự phân bố trọng tải trên tàu, nhưng trái lại yếu tố thứ hai lại liên quan đến hình dáng thân tàu Về phần hình dáng thân tàu và sự giảm lắc, việc làm tăng đáng kể sự giảm lắc có thể đạt được bởi những thân tàu có thiết kế với bán kính đáy tàu nhỏ, và việc bố trí những trang thiết

bị phụ thuộc được định vị càng xa đến mức có thể so với trọng tâm

Mặc dù những cố gắng tốt đã mở rộng chu kỳ tự nhiên của tàu, nhưng điều

đó không thể tránh được những kích thích của sóng gây ra hiện tượng lắc lư ở một vài điều kiên khi đi xa Hơn nữa sự giảm lắc của thân tàu có thể không đủ để làm giảm chuyển động cuộn đến những mức như mong muốn Với những nguyên nhân này, tàu cần được trang bị những hệ thống chống chuyển động cuộn

Như vậy nếu xem xét những mẫu ghi được khi quan sát hiện tượng lắc lư của tàu, có một số lớn những mẫu đưa ra mà từ đó chỉ một một vài đáp ứng được nguyên mẫu ban đầu Hơn nữa, tác giả còn đưa ra những quan sát và nhận xét rằng, hiệu quả của tất cả những bộ thăng bằng phụ thuộc vào chuyển động của khối lượng

và do đó chúng có thể được phân loại theo ba tính chất cơ bản:

a Kiểu chuyển động

• A (gia tốc) Mô mem rút gọn được đưa ra bởi gia tốc khối lượng

• D ( trọng lượng rẽ nước của tàu) Mô men rút gọn được đưa ra bởi tác động của trọng tâm trên khối lượng di chuyển

b Vị trí

• I ( Bên trong ) Khối lượng ở bên trong tàu

• E (bên ngoài) Khối lượng ở bên ngoài tàu

c Kiểu khối lượng

• S (chất rắn) Khối lượng là chất rắn

• F (chất lỏng) Khối lượng là chất lỏng

Rõ ràng, không phải những sự kết hợp ở trên là có thể Bằng việc xét khối lượng là chất lỏng hay rắn, những kiểu cơ bản có kết quả theo những phép thử theo thang đầy đủ được chỉ ra trong Bảng 2.1

Phần dưới đây cung cấp tổng quan về những nguyên lý làm việc của những thiết bị này và thảo luận về những ưu và nhược điểm của chúng

Bảng 2.1 Kiểu bộ thăng bằng – Ví dụ ứng dụng

AIS (Gia tốc của khối lượng chất rắn

bên trong)

Con quay hồi chuyển

AEF (Gia tốc của khối luợng chất lỏng

bên ngoài)

Sống đáy tàu, bộ ổn định, bánh lái

DIS (Trọng lượng rẽ sóng của khối

lượng chất rắn bên trong)

Chuyển động của trọng lượng

DIF (Trọng lượng rẽ sóng của khối

lượng chất lỏng bên trong)

Những thùng chống lắc

2.2.2 Phương pháp dùng con quay hồi chuyển

Hình 2.5 Sử dụng con quay hồi chuyển trong hệ thống cân bằng tàu

Kiểu con quay hồi chuyển của bộ thăng bằng sử dụng những hiệu ứng hồi chuyển của bánh lái ở tốc độ quay chuyển lớn tạo ra mô men rút gọn Cách sử dụng những hiệu ứng hồi chuyển đã được đề nghị như là phương pháp để loại bỏ lắc đúng hơn là làm giảm nó Phương pháp này hiện nay không được sử dụng, nhưng nếu cần quan tâm đến có thể nghiên cứu trong nhiều tài liệu tham khảo

2.2.3 Phương pháp dùng sống đáy tàu

Hình 2.6 Sự xếp bố trí dằn đáy sống tàu

Sống đáy tàu là dạng đơn giản nhất của bộ thăng bằng Đây là những sống tàu hẹp dài đã được dựng lên theo sử đổi hướng của đáy tàu Hình 2.6 chỉ ra sự sắp xếp bố trí thông thường Mục đích sử dụng những sống đáy tàu được đưa ra trước Fruode ở giữa thế kỷ 19

Những sống đáy tàu làm tăng độ suy giảm lắc lư của thân tàu bằng cách tạo

ra những lực kéo mà tác động vuông góc với sống tàu và chống lại những chuyển động lắc lư Theo cách này, động năng đã kết hợp với chuyển động lắc lư được biến đổi thành động năng của chất lỏng bởi những hiệu ứng dính (tung ra xoáy nước)

Ưu điểm chính của những sống đáy tàu là :

• Tạo được sự suy giảm lắc tương đối hiệu quả, đặc biệt là ở những tốc độ chậm Hiệu quả đạt được sự suy giảm góc lắc ở trong miền 10 – 20% (RMS)

• Mức độ cần bảo trì thấp, không cần thiết phải có những thiết kế đặc biệt đối với thân tàu

• Không chiếm không gian, không làm tăng đáng kể trọng lượng chết

• Giá thành thấp và lắp ráp dễ dàng

Một vài nhược điểm của sống đáy tàu được chỉ ra như sau:

• Làm tăng sức cản của thân tàu trong những điều kiện nước tĩnh (khi sự làm giảm lắc lư là không cần thiết) Mặc dù điều này đã được làm giảm bớt đi bởi việc điều chỉnh cần thận phù hợp với hình dáng khí động của thân tàu, sự tăng sức cản trong nước tĩnh có thể vẫn là đáng kể

• Không phải tất cả các loại tàu đều có thể phù hợp với phương pháp giảm lắc kiểu dằn sống đáy tàu Ví dụ như, chúng có thể là bài toán tiềm tàng khó giải đối với những tàu đánh cá sử dụng lưới, và rất dễ gây nguy hiểm cho những tàu phá băng

Để chi tiết hơn về việc thực hiện, kích thước của những sống tàu, có thể xem những tài liệu tham khảo trong đó

2.2.4 Phương pháp ổn định kiểu vây và kiểu quay bánh lái

Hình 2.7 Kết cấu và vị trí lắp đặt các vây hai bên mạn để ổn định tàu

Hệ thống bổ trợ cho việc ổn định cân bằng kiểu vây (fin stabiliser), (Xem Hình 2.7) thường lắp đối xứng hai bên mạn Mục đích của các hệ thống bổ trợ ổn định kiểu vây hoặc kiểu quay bánh lái (Rudder Roll Stabilization System) chủ yếu

là tạo ra các mô men có khả năng làm suy giảm các mô men, gây ra hiện tượng mất cân bằng đối tượng nổi, xuất hiện do chế độ hoạt động của phương tiện, chẳng hạn như mô men xuất hiện do lực ly tâm ở chế độ quay trở, mô men mất cân bằng do sóng gió trên hành trình v.v Các mô men này được tạo ra bằng cách liên tục dịch chuyển bánh lái theo một chiến lược điều khiển đặc biệt (đối với hệ thống ổn định kiểu quay bánh lái) hoặc là điều chỉnh độ mở và góc nghiêng của các vây (hệ thống

ổn định kiểu vây) trên cơ sở tận dụng ảnh hượng đặc biệt vào yếu tố tốc độ của phương tiện Các hệ thống này được thiết kế để hoạt động độc lập, hoặc có thể phối hợp với nhau Tuỳ thuộc vào tính năng được thiết kế cho đối tượng, hệ thống bổ trợ cân bằng kiểu quay bánh lái hoặc hệ thống kiểu vây có thể hoặc không được trang

bị vì lý do độ phức tạp cũng như giá thành, do điều kiện để ứng dụng được (yếu tố tốc độ)

Trong thực tế, các phương pháp cải thiện ổn định cân bằng có sự trợ giúp của máy lái hoặc kiểu vây được ứng dụng trên các tàu có tốc độ cao như tàu quân sự, tàu tuần tra biển, các tàu khách cao tốc v.v Hệ thống tiêu biểu hoạt động theo phương thức này được hãng RollRoy phát triển và sử dụng khá phổ biến, cụ thể lắp trên tàu quân sự của Hải quân Hà lan (Royal Netherlands Navy, 1991, 2001) và Hải quân Đức (German Navy, 2003) Tuy nhiên, phương pháp này rất phức tạp, tốn kém

ít hiệu quả đối với các phương tiện nổi cỡ lớn có tốc độ di chuyển thấp

2.2.5 Phương pháp dùng thùng chứa chống cuộn

Thùng chống cuộn, hay thường gọi là chống lắc được sử dụng rộng rãi nhất

là thùng có hình ống chử U, đã được phát triển đầu tiên bởi Frahm vào năm 1911 Kiểu thùng này tạo thành hai bể chứa được đặt một ở mạn trái và một ở mạn phải của tàu và các đáy nối với nhau bằng một ống dẫn như đã chỉ ra trong các Hình 2.8

và 2.9 Nguyên lý hoạt động của thùng chống cuộn này là khi tàu lắc, chất lỏng bên trong thùng (thường là nước) chuyển động cùng chu kỳ chuyển động của tàu, nhưng chậm một phần tư chu kỳ so với độ lắc của tàu Theo cách này, trọng lượng chất lỏng sẽ tạo ra mô men chống lại chuyển động lắc lư Mô men này đạt được giá trị cực đại khi tàu đi ngang qua vị trí thẳng đứng của nó

Hình 2.8 Nguyên lý của hệ thống chống nghiêng lệch ngang kiểu thùng chứa

Hình 2.9 Chi tiết về mặt cắt của thùng điển hình và vị trí ngang trên thân tàu

Những thùng chống lắc có thể là chủ động hoặc bị động Trong những thùng

bị động, chất lỏng chảy tự do từ phía này sang phía kia Theo tỷ trọng và độ nhớt của chất lỏng đã sử dụng, kích thước thùng đã cho, thời gian yêu cầu đối với hầu hết chất lỏng chảy từ phía này sang phía kia bằng chu kỳ lắc lư tự nhiên của tàu Sự điều chỉnh chính xác có thể đạt được bằng việc điều chỉnh áp suất không khí để cho chất lỏng chảy từ phía này đến phía còn lại qua chiếc van đã chỉ ra trong Hình 2.7.Những thùng thụ động được điều chỉnh sao cho phù hợp giữa tần số tự nhiên của thùng với tần số tự nhiên lắc lư của tàu Sự suy biến diễn ra từ từ nếu tần số của chuyển động lắc lệch so với tần số tự nhiên của thùng Điều này xảy ra do những sự biến đổi của tần số kích thích của sóng trong những trạng thái biển khác nhau Những thùng chủ động hoạt động theo cách tương tự với bộ phận thụ động tương ứng của chúng, nhưng chúng được kết hợp chặt chẽ với hệ thống điều khiển điều chỉnh chu kỳ tự nhiên của thùng để làm phù hợp với chu kỳ lắc lư của tàu

Như đã biết, tần số của chuyển động lắc lư được xác định bởi sự kết hợp của tần số kích thích của sóng và đáp ứng của tàu theo các điều kiện khi ra khơi Để thực hiện phương pháp này có hiệu quả tại những tần số thấp, hệ thống điều khiển phải liên tục cập nhật chu kỳ lắc lư, và nếu cần thiết mở rộng chu kỳ của thùng chứa Điều này có thể thực hiện được, ví dụ như bằng việc điều chỉnh áp suất không khí để điều chỉnh tốc độ dịch chuyển chất lỏng giữa các thùng hoặc bằng việc buộc hoạt động của bơm phù hợp với chuyển động của sóng Các hệ điều khiển hiện đại hơn khi có sự kết của hệ thống ống bơm, van, khí nén, điều khiển bằng máy tính v.v sẽ là những lựa chọn khi cần có những yêu cầu cao về chất lượng điều chỉnh Những ưu điểm chính của thùng chống lắc là :

- Hiệu quả trung bình từ thấp đến cao Hiệu quả việc giảm lắc lư có thể ước lượng được trong miền 20 – 70% (RMS)

- Hoạt động độc lập với tốc độ của tàu Điều này tạo cho chúng được ưa thích lựa chọn đối với những tàu thường xuyên hoạt động tại tần số thấp và yêu cầu những thân tàu sạch sẽ đối với các quá trình hoạt động (ví dụ những tàu đánh cá)

- Mức độ yêu cầu bảo trì thấp

- Chi phí tương đối thấp cho những bộ cân bằng này ở trong dải trung bình

- Bằng việc thêm vào những đặc điểm thích hợp, hệ thống thùng chứa cũng

có thể xử lý chống nghiêng để bù cho sự phân bố không đều của tải trọng

Một vài nhược điểm của thùng chống lắc lư được chỉ ra như sau:

- Sự suy giảm trọng lượng chết được ước lượng trong phạm vi 1– 4% trọng lượng rẽ nước Điều này có thể được khắc phục bởi việc sử dụng hệ thống xả nước hoặc quá trình tiêu hao nhiên liệu mang theo trên boong tàu

- Chiếm những không gian lớn

- Làm ảnh hưởng đến tính ổn định của tàu do những tác động của bề mặt tự

do (mặt thoáng) Khi thùng không hoàn toàn đầy sẽ có không gian cho nước chuyển động (bề mặt tự do), có sự mất đi chiều cao khuynh tâm ngang do chuyển động của trọng tâm Điều này cần phải được chú ý để tránh làm giảm tính ổn định của tàu Một số hệ thống cân bằng kiểu thùng chứa hay kiểu két dằn (ballast tank)

* Âu nổi 60000 m.t của Kongsberg Maritime

Hình 2.10: Âu nổi của Kongsberg Maritime

Âu nổi của Kongsberg Maritime Hình 2.10 có chiều dài cả nền: 311,28 m, chiều rộng bên ngoài 63,30 m, bên trong 53,30 m Tổng số có 34 két dằn, khoảng cách giữa các poontoon (phao) là 1.24m, chiều dài giữa các phao 183,52m, độ sâu của phao ở giữa đường tâm 6,10m, chiều sâu của mức nước khi đánh chìm (đầy tải)

là 12m Tổng khối lượng nước ballast có thể bổ sung để làm chìm (hoặc cân bằng )

là 12.000 tm, sức nâng của phương tiện ở mớn nước 5,6m là 60,000tm với thời gian

làm nổi là 2,5giờ Hệ thống bơm dằn được trang bị gồm 12 bơm ly tâm có lưu lượng 4000m3 /h ở áp suất 0,9bar và được lắp đặt ở buồng bơm hút khô Hệ thống ống và van được trang bị để thực hiện thao tác mức nước dằn trong từng két Các van cánh bướm được kích hoạt để truyền động đóng mở cửa van (thêm hoặc hút nước ra khỏi két) bằng động cơ thủy lực bố trí ở buồng bơm

* Âu nổi SWM "Pride of San Diego" - 22,000 tấn

Hình 2.11 Âu nổi SWM Pride of San Diego và màn hình hiển thị trạng thái

Âu nổi SWM 22,000-tấn (Xem hình 2.11) được biết đến như là niềm tự hào của thành phố San Diego (Mỹ) "Pride of San Diego" được trang bị hệ điều khiển tự động mang tên "ADOCS 2." Các phần tử vật lý của hệ thống "ADOCS 2." bao gồm các đầu đo, các bơm, hệ thống van, bộ điều khiển logic công nghiệp (ILC) và

hệ thống máy tính Có hai máy tính được bố trí bên trong trung tâm điều khiển, được nối mạng với nhau và sẳn sàng thay thế cho nhau nếu máy kia hỏng Máy tính được nối với hệ thống phần cứng theo phương thức truyền quang gồm 22 bộ điều khiển xử lý thời gian thực liên quan đến hệ thống các đầu đo, bơm, van Các bộ điều khiển này được lựa chọn bởi tính thuận lợi đối với phần cứng lẫn phần mềm, xử lý nhanh và linh hoạt các số liệu toán phức tạp, bởi độ tin cậy của thiết bị Thuật toán của các bộ ILC chủ yếu tập trung xung quanh các thông tin thu nhận từ các đầu đo mớn nước, 4 chiếc ở bốn góc, hai chiếc ở giữa nhằm xử lý độ căng và độ chùng (hog & sag : Deflection), hiệu chỉnh độ nghiêng và độ lệch dọc (hell and trim) Với những tính toán này, hệ điều khiển sẽ đưa ra quyết định xem bơm (và/hoặc) van nào được kích hoạt hoặc tắt để bơm nước vào hoặc hút (xả ra) từ 18 két dằn (ballast tank) Các tín hiệu hiệu đầu đo ở mỗi két là những tín hiệu phản hồi cho phép quyết định một cách thông minh việc phân bố nước dằn khi chất tải và giảm tải để làm giảm ứng suất ảnh hưởng lên kết cấu của âu nổi

* Xà lan dằn - Barge Ballasting của hãng JPG

Hình 2.12 Hệ thống bơm xả trên xà lan dằn (Barge Ballasting) của hãng JGP

Hình 2.13 Màn hình hiển thị các trạng thái và bàn điều khiển cân bằng trên xà lan

Xà lan dằn chở tải trọng lớn, điều khiển bằng PLC, được cấu thành từ 24 tổ bơm x 1000 mét khối/giờ, thực hiện việc bơm nước dằn vào các két (ballast) và 10

tổ bơm để bơm nước ra khỏi két (de-ballast) Hệ thống này được giới thiệu là có thể

áp dụng trên các phương tiện nổi cỡ lớn và các phương tiện nổi xa bờ, Xem hình 2.12 và hình 2.13

* Phương tiện nổi chở kết cấu siêu trường siêu trọng của hãng JGP

Hình 2.14 Phương tiện nổi chở các kết cấu siêu trường, siêu trọng

Phương tiện này dùng để chở kết cấu siêu trường, siêu trọng Chủ phương tiện là công ty PT Mc Dermott Indonesia, khai thác tại Batam, Indonesia, bắt đầu từ

21 tháng 11 năm 2003 với tổng trọng lượng 11,729 tấn, gồm 4 modul (mỗi modul

có thể nâng 513 tấn), có tổng cộng 32 két dằn với 32 cảm biến kiểu áp suất, 16 bơm ballast, hệ điều khiển cân bằng sức nổi thực hiện bằng máy tính Hình 2.14

Độ phẳng ngang giữa mặt phẳng bến cảng và mặt phẳng của phương tiện nổi được điều chỉnh thông qua lượng nước trong các két dằn

2.2.6 Lựa chọn phương án thích hợp cho bài toán cân bằng tàu thủy

Một thực tế rất rõ là hầu hết các vấn đề nghiên cứu thiết kế trên tàu thuỷ nói riêng và phương tiện nổi nói chung đều liên quan đến đặc trưng cơ bản nhất của con tàu, đó là vấn đề động học của đối tượng này, nó liên quan đến sức nổi của đối tượng (buyoancy) Riêng về các vấn đề điều khiển cân bằng các phương tiện nổi và kho nổi kiểu FSO ở trong nước là vấn đề khá mới mẻ do tính phức tạp và qui mô của hệ thống Cho đến nay, trừ các tàu thông dụng (theo series) được đóng với số lượng lớn, vấn đề động học của các tàu lớn và phương tiện nổi cỡ lớn hay loại đặc biệt vẫn là vấn đề hóc búa đối với các nhà khoa học trên thế giới Các mô hình động học đưa ra đều là các mô hình gần đúng dựa trên các kết quả thực nghiệm Mặc dù vậy, các mô hình mang tính thực nghiệm kiểu này cũng rất hạn chế, chỉ một vài quốc gia có trình độ cao về công nghệ đóng tàu, có cơ sở vật chất và phòng thi nghiệm thuỷ, khí động lực học hiện đại (chẳng hạn bể thử mô hình) mới có điều kiện nghiên cứu Đây là một đặc thù quan trọng trong vân đế tiếp cận nghiên cứu các đối tượng trên phương tiện nổi (mô hình phi tuyến phức tạp, tham số mô hình thay đổi theo điều kiện hoạt động, được xấp xỉ gần đúng v.v ) nên các giải pháp đưa ra phải có tính thích nghi cao nhằm thỏa mãn tính bất định của đối tượng Chính vì vậy, tác giả đã đề xuất đề tài này, nhằm tập trung nghiên cứu theo hướng xây dựng hệ thống tự động cân bằng kho nổi, phương tiện nổi hoạt động theo phương thức kiểu ballast (Auto hell and trim control system) trên cơ sở áp dụng các thuật toán điều khiển thông minh nhằm đáp ứng với điều kiện thông tin về động học của đối tượng nổi bị hạn chế Các lý do thuyết phục hơn cho việc lựa chọn này có thể kể đến là:

1, Trên tất cả các phương tiện nổi đều tồn tại hệ thống két dằn Ballast Việc thao tác hệ thống dằn rất cần thiết để điều chỉnh độ lệch dọc của phương tiện trên hành trình và hiệu chỉnh độ nghiêng lệch các mạn của phương tiện tại cảng

2, Đơn giản, dễ thực hiện, kinh tế và hiệu quả,có thể áp dụng cho nhiều loại phương tiện nổi

3, Hiệu quả của việc cân bằng theo kiểu Ballast hầu như không phụ thuộc vào tốc độ của phương tiện, do vậy phạm vi ứng dụng cho các đối tượng sẽ rộng hơn

4, Như đã phân tích ở trên, phần lớn các quá trình diễn ra sự thay đổi, hay là phân bố lại tải trọng một cách đột ngột có ảnh hưởng nghiêm trọng đến trạng thái mất cân bằng trên phương tiện nổi, kho nổi đều diễn ra khi các phương tiện này ở trạng thái không dịch chuyển, trạng thái neo đậu để chất lên hoặc tháo dỡ hàng xuống khỏi phương tiện Sự phân bố lại tải trọng trong trường hợp này diễn ra với tốc độ nhanh, qui mô lớn, ảnh hướng nghiêm trọng đến trạng thái cân bằng của phương tiện Trong trường hợp này, việc cân bằng phương tiện nổi chủ yếu do hệ thống Auto hell and trim control system thực hiện, không cần sự tham gia của các

hệ thống kiểu bổ trợ thêm tính năng cân bằng của hệ lái, hệ giảm lắc kiểu vây Khả năng hoạt động độc lập và hữu dụng trong các tình huống như vậy đã làm cho hệ thống này trở nên phổ biến, nhu cầu được trang bị là rất cao

5, Như đã phân tích, kiến trúc và cách thức bố trí hệ thống khoang két dằn trên các đối tượng nổi là tương đối giống nhau Sự khác nhau trong hệ thống két dằn cho cho từng phương tiện nổi chính là số lượng, dung tích trong từng khoang két Hơn nữa, khi đối tượng nổi mang yếu tố tự hành (được trang bị hệ động lực chính tạo sức đẩy theo hành trình), có tốc độ tương đối lớn, việc cân bằng sức nổi của đối tượng trên hành trình ngoài việc sử dụng hệ thống Auto hell and trim control system, người ta thường phải kết hợp nhiều hệ thống kiểu bổ trợ thêm tính năng cân bằng như hệ lái tự động giảm lắc hoặc hệ giảm lắc kiểu vây Do vậy, nếu không xét đến yếu tố tốc độ và chỉ xét đến tính năng chủ yếu của hệ thống phục vụ trong quá trình làm hàng thì hệ thống Auto hell and trim control hoạt động trên kho nổi, trên

âu nổi, trên các phương tiện nổi cỡ lớn khác hoàn toàn được thực hiện theo một nguyên tắc giống nhau, độc lập không cần trợ giúp của các hệ thống bổ trợ cân bằng khác Như vậy, bài toán thiết lập hệ thống Auto hell and trim control theo phương thức dằn kiểu ballast không đơn thuần chỉ ứng dụng được chỉ cho kho nổi mà còn ứng dụng cho nhiều đối tượng khác nổi khác, rất đa dạng về chủng loại và qui mô Đây cũng là mục tiêu chính của đề tài

Những phân tích, lý giải ở trên, đặc biệt là phần cuối cùng cho thấy rất rõ về tính ứng dụng, bản chất và vai trò của hệ thống tự động cân bằng trên các loại

phương tiện nổi theo tính năng và tình huống hoạt động của chúng Đây là mấu chốt trong cách nhìn nhận vấn đề, đánh giá qui mô và tính ứng dụng của bài toán nghiên cứu thiết kế hệ thống cân bằng sức nổi kiểu Auto hell and trim control cho phương tiện nổi, và chính các vấn đề liên quan đến hệ thống này sẽ là mục tiêu nghiên cứu của đề tài Bài toán này có tính tổng quát cả về lý thuyết lẫn thực tế, có khả năng ứng dụng được trên hầu hết các phương tiện nổi Điều này hoàn toàn phù hợp với thực tế khi rất nhiều hãng giới thiệu hệ thống dạng Auto hell and trim control của

họ có thể áp dụng cho hầu hết các phương tiện nổi

Như vậy trong phần này đã tập trung phân tích các phương pháp điều khiển cân bằng sức nổi trên cơ sở xét các nguyên lý làm việc, khả năng ứng dụng, các ưu nhược điểm đối với từng phương pháp Phương pháp điều khiển cân bằng kiểu dằn hay Auto hell and trim control là phương pháp được được chú ý đi sâu phân tích, được tìm hiểu một cách kỹ lưỡng thông qua phân tích các hệ thống đã và đang được

sử dụng trên các phương tiện nổi cỡ lớn Do tính phổ dụng và những ưu điểm vượt trội trong ứng dụng, phương pháp Auto hell and trim control là phương pháp được

đề xuất lựa chọn để nghiên cứu trong đề tài, sẽ được tiếp tục nghiên cứu sâu hơn ở các chương tiếp theo

2.3 Các thuật toán thông minh trong bài toán điều khiển cân bằng tàu thủy 2.3.1 Ứng dụng thuật toán điều khiển dự báo theo mô hình (MPC)

2.3.1.1 Khái quát về điều khiển dự báo theo mô hình (MPC)

Thuật toán điều khiển dự báo dựa trên mô hình MPC phản ánh hành vi của con người, do đó chúng ta cần chọn những thao tác điều khiển sẽ dẫn đến kết quả

dự báo (hoặc đầu ra) tốt nhất trên phương ngang giới hạn Để tạo nên lựa chọn này, chúng ta sử dụng mô hình bên trong của quá trình để đặt câu hỏi Sau đó luôn cập nhật các vấn đề thảo luận dựa vào sự quan sát để tạo nên giá trị mới Do đó luật điều khiển dự báo có những thành phần sau đây:

- Luật điều khiển phụ thuộc vào trạng thái dự báo

- Những dự báo đầu vào được tính toán sử dụng mô hình của quá trình

- Đầu vào hiện tại được xác định bởi việc tối ưu hoá một vài phép đo và thực hiện dự báo

- Phương lùi ngang: đầu vào điều khiển được cập nhật ngay tại thời điểm lấy mẫu

2.3.1.2 Cấu trúc giảm lắc trong hệ thống điều khiển lái tự động RRS

Hình 2.15 Cấu trúc giảm lắc trong hệ thống điều khiển lái tự động RRS

Cấu trúc đã đề xuất đối với hệ thống điều khiển của bộ lái tự động với RRS được chỉ ra trong hình 2.15 Trong sơ đồ này, chúng ta có thể phân biệt ba phần khác nhau:

- Ước lượng tham số,

- Lọc sóng,

- Bộ điều khiển

Trình tự ở trên là phù hợp với nguyên nhân xử lý những tín hiệu đã thực hiện trong khi điều khiển đang hoạt động Thực vậy, các tham số của các mô hình được ước lượng, nếu cần thiết, và khi ấy những tín hiệu được đo (biểu diễn độ lớn vật lý) được lọc, được sử dụng bởi bộ điều khiển để tạo ra lệnh điều khiển Tuy nhiên, xử

lý thiết kế có thể không theo trình tự ở trên, mà sẽ theo trình tự sau đây:

- Xác định mô hình thiết kế điều khiển,

- Thiết kế các bộ lọc thích hợp,

- Ước lượng các tham số,

- Phát biểu những giả thiết dành cho thiết kế điều khiển,

- Đề xuất chiến lược điều khiển

- Kiểm tra sự thực hiện của sơ đồ đã đề xuất

Để thấy rõ đáp ứng của con tàu do động tác điều khiển bánh lái, có thể sử dụng mô hình toán học của tàu ở tần số thấp cùng với các lực và mô men gây ra bởi bánh lái, được tuyến tính hoá trong phần trước:

b c b b

Bài toán điều khiển tối ưu phương ngang hữu hạn

Cho điều kiện ban đầu với các trạng thái tăng x0, tìm dãy chuyển động điều khiển

)}

x ( u , ), x ( u {

1 N 0

OPT 0

T j j

T j N

T N 0

N( x , U ) x S x x Q x u R u 2 u T x

J              , (2.16)

với giả thiết là

,xCy

,uΓxΦx

j j

j j 1

Ký hiệu x được sử dụng ở đây để phân biệt trạng thái được dự báo

Các ma trận trong chi phí được cho bởi

I) PC)(Φ (C

Γ T

R PC)Γ (C

Γ R

QC C I) PC)(Φ (C

I) (Φ Q

T T

T T

T T

0

0Φ

w φ c

(2.20)