Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi để nâng cao chất lượng hệ thống lái tự động tàu nổi có choán nướcNghiên cứu ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi để nâng cao chất lượng hệ thống lái tự động tàu nổi có choán nướcNghiên cứu ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi để nâng cao chất lượng hệ thống lái tự động tàu nổi có choán nướcNghiên cứu ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi để nâng cao chất lượng hệ thống lái tự động tàu nổi có choán nướcNghiên cứu ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi để nâng cao chất lượng hệ thống lái tự động tàu nổi có choán nướcNghiên cứu ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi để nâng cao chất lượng hệ thống lái tự động tàu nổi có choán nướcNghiên cứu ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi để nâng cao chất lượng hệ thống lái tự động tàu nổi có choán nướcNghiên cứu ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi để nâng cao chất lượng hệ thống lái tự động tàu nổi có choán nướcNghiên cứu ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi để nâng cao chất lượng hệ thống lái tự động tàu nổi có choán nướcNghiên cứu ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi để nâng cao chất lượng hệ thống lái tự động tàu nổi có choán nước
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Hoàng Thị Tú Uyên NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG LÁI TỰ ĐỘNG TÀU NỔI CÓ CHOÁN NƯỚC Ngành: Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS Phan Xuân Minh PGS.TS Lê Quang Hà Nội – 2018 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân hướng dẫn giáo viên hướng dẫn nhà khoa học Tài liệu tham khảo luận án trích dẫn đầy đủ Các kết nghiên cứu luận án trung thực chưa tác giả khác công bố Hà Nội, ngày … tháng … năm … Tập thể hướng dẫn Nghiên cứu sinh GS.TS Phan Xuân Minh PGS.TS Lê Quang Hoàng Thị Tú Uyên ii Lời cảm ơn Trong trình làm luận án, tơi nhận nhiều góp ý chuyên môn ủng hộ giúp đỡ tập thể cán hướng dẫn, nhà khoa học, đồng nghiệp Tôi xin gửi tới họ lời cảm ơn sâu sắc Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến tập thể hướng dẫn trực tiếp hướng dẫn tâm huyết suốt thời gian qua Tôi xin chân thành cảm ơn nhà khoa học, tập thể Bộ môn Điều khiển tự động, Viện Điện, Viện đào tạo sau đại học, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho suốt trình học tập nghiên cứu thực luận án Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn đến đồng nghiệp khoa Điện – Cơ, đặc biệt ban chủ nhiệm khoa, ban giám hiệu trường Đại học Hải Phòng nơi tơi cơng tác, tạo điều kiện thuận lợi để yên tâm học tập nghiên cứu Cuối lời cảm ơn ủng hộ, động viên khích lệ gia đình thân u để tơi hồn thành nhiệm vụ học tập Hà Nội, ngày … tháng … năm … Nghiên cứu sinh Hoàng Thị Tú Uyên iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ x MỞ ĐẦU .1 Tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Phương pháp nghiên cứu Bố cục luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ LÁI TÀU THỦY 1.1 Mô hình động lực học phương tiện hàng hải 1.1.1 Phân tích vị trí hướng chuyển động tàu 1.1.2 Phương trình chuyển động phương tiện hàng hải (Dynamics) 1.1.2.1 Phương trình chuyển động vật rắn 1.1.2.2 Lực momen thủy động lực học 10 1.1.2.3 hải Hệ phương trình chuyển động bậc tự phương tiện hàng ……………………………………………………………………………………………….12 1.1.3 Mơ hình động lực học tàu thủy ba bậc tự mặt phẳng nằm ngang ………………………………………………………………………………………………………….14 1.1.4 1.2 Các mơ hình đơn giản hóa từ mơ hình ba bậc tự tàu thủy 15 1.1.4.1 Mơ hình tàu tốc độ thấp tốn ổn định vị trí động 15 1.1.4.2 Mơ hình động lực học tàu ba bậc tự thiếu cấu chấp hành 15 1.1.4.3 Mơ hình riêng cho vận tốc tiến tính điều động (maneuvering) 16 1.1.4.4 Những phương trình lái tàu tuyến tính 17 1.1.4.5 Những phương trình lái tàu phi tuyến 18 Đánh giá tình hình nghiên cứu ngồi nước 19 1.2.1 Tình hình nghiên cứu nước 19 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước 19 1.3 Tổng quan phương pháp điều khiển điều độngvà bám quỹ đạo cho tàu ba bậc tự đủ cấu chấp hành 21 1.3.1 Phương pháp điều khiển backstepping 21 1.3.2 Phương pháp điều khiển backstepping thích nghi 22 1.3.3 Phương pháp xấp xỉ mạng nơ-ron 25 iv 1.4 Cơ sở phương pháp luận 27 1.4.1 Kỹ thuật backstepping 27 1.4.2 Điều khiển trượt 30 1.4.3 Điều khiển mặt động 31 1.4.4 Mạng nơ-ron nhân tạo RBF 35 1.5 Kết luận chương 38 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI TRƯỢT BACKSTEPPING CHO MƠ HÌNH LÁI TÀU 3D BẰNG MẠNG NƠ-RON NHÂN TẠO 39 2.1 Tổng hợp điều khiển trượt backstepping 39 2.1.1 Tổng hợp điều khiển 40 2.1.2 Khảo sát tính ổn định hệ 41 2.1.3 Kết mô số với mơ hình tàu xác định 43 2.2 Tổng hợp điều khiển trượt backstepping sở mạng nơ-ron nhân tạo ……………………………………………………………………………………………………………… 57 2.2.1 Xấp xỉ véc-tơ hàm bất định mạng nơ-ron nhân tạo 57 2.2.2 Phát biểu định lý chứng minh tính ổn định hệ kín 58 2.3 Mơ kỹ thuật số 61 2.4 Kết luận chương 73 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI MẶT ĐỘNG TRÊN CƠ SỞ MẠNG NƠ-RON NHÂN TẠO 74 3.1 Tổng hợp điều khiển kỹ thuật DSC 74 3.1.1 Tổng hợp điều khiển 74 3.1.2 Khảo sát tính ổn định hệ thống 76 3.1.3 Kết mơ số với mơ hình tàu xác định 77 3.2 DSC thích nghi cho mơ hình tàu bất định mạng nơ ron nhân tạo 83 3.2.1 Xấp xỉ véc-tơ hàm bất định mạng nơ-ron nhân tạo 83 3.2.2 Phát biểu định lý chứng minh tính ổn định hệ 83 3.3 Mô kỹ thuật số 86 3.4 Kết luận chương 94 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN 95 DANH MỤC NHỮNG CÔNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC CƠNG BỐ 97 Các cơng trình liên quan trực tiếp đến luận án 97 Các công trình khơng liên quan trực tiếp đến luận án 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO 99 PHỤ LỤC 103 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh Mục Các Ký Hiệu 𝑪() Ma trận Coriolis lực hướng tâm phương tiện hàng hải 𝑪𝐴 () Ma trận Coriolis lực hướng tâm thủy động lực học khối lượng nước kèm 𝑪𝑅𝐵 Ma trận Coriolis lực hướng tâm vật rắn 𝑫 Ma trận suy giảm thủy động lực học tuyến tính 𝑫𝑛 () Ma trận suy giảm thủy động lực học phi tuyến 𝑫() Ma trận suy giảm thủy động lực học 𝒈(𝜼) Véc-tơ lực đẩy lực trọng trường 𝑰0 Ma trận quán tính hệ thống xung quanh điểm O 𝑱1 (𝜼2 ) Ma trận quay chuyển đổi vận tốc dài 𝑱2 (𝜼2 ) Ma trận quay chuyển đổi vận tốc góc 𝑱(𝜼) Ma trận quay chuyển đổi vận tốc dài vận tốc góc 𝑚 Khối lượng vật rắn 𝑴𝐴 Ma trận quán tính hệ thống khối lượng nước kèm 𝑴𝑅𝐵 Ma trận quán tính hệ thống vật rắn 𝑸 Véc-tơ hồi quy mạng nơ-ron RBF 𝑾 Véc-tơ trọng số mạng nơ-ron 𝑢 Vận tốc dài theo phương 𝑥 hệ tọa độ gắn thân 𝑣 Vận tốc dài theo phương 𝑦 hệ tọa độ gắn thân Vận tốc dài theo phương 𝑧 hệ tọa độ gắn thân 𝑝 Vận tốc góc quay lắc quanh trục 𝑥 hệ tọa độ gắn thân 𝑞 Vận tốc góc quay lật quanh trục y hệ tọa độ gắn thân vi 𝑟 Vận tốc góc quay hướng quanh trục 𝑧 hệ tọa độ gắn thân 𝒔 Véc-tơ mặt trượt 𝒛𝑖 Véc-tơ sai lệch 𝑖 = 1, … 𝑛 𝑥 Tọa độ tàu theo phương 𝑥 hệ tọa độ NED 𝑦 Tọa độ tàu theo phương 𝑦 hệ tọa độ NED 𝑧 Tọa độ tàu theo phương 𝑧 hệ tọa độ NED Góc lắc, xung quanh trục 𝑥 hệ tọa độ NED Góc lật, xung quanh trục 𝑦 hệ tọa độ NED 𝜓 Góc hướng, xung quanh trục 𝑧 hệ tọa độ NED 𝒓𝑔 Véc-tơ tọa độ trọng tâm vật rắn 𝜼1 Véc-tơ biểu diễn vị trí tàu hệ tọa độ gắn trái đất 𝜼2 Véc-tơ biểu diễn góc hướng tàu hệ tọa độ gắn trái đất 𝜼 Véc-tơ biểu diễn vị trí góc hướng tàu hệ tọa độ gắn trái đất 1 Véc-tơ vận tốc dài hệ tọa độ gắn thân 2 Véc-tơ vận tốc góc hệ tọa độ gắn thân Véc-tơ vận tốc dài vận tốc góc hệ tọa độ gắn thân 𝜖 Sai số xấp xỉ mạng nơ-ron 𝜇𝑖 Trọng tâm trường tiếp nhận hàm Gauss ϛ𝑖 Độ tản 𝒍 Véc-tơ đầu vào mạng nơ-ron 𝑸 Véc-tơ hồi quy mạng nơ-ron RBF 𝑾 Ma trận trọng số mạng nơ-ron 𝝉1 Véc-tơ lực tác động hệ tọa độ gắn thân vii 𝝉2 Véc-tơ momen tác động hệ tọa độ gắn thân 𝝉 Véc-tơ lực momen đẩy tác động lên tàu khung tọa độ gắn thân 𝝉𝐷 Véc-tơ lực momem suy giảm 𝝉𝐻 Véc-tơ lực momen thủy động lực 𝝉𝑅𝐵 Véc-tơ lực momen tổng quát tác động lên tàu khung tọa độ gắn thân 𝝉𝑅 Véc-tơ lực momen cảm ứng xạ tác động lên tàu 𝒘 Véc-tơ lực momen nhiễu loạn từ môi trường Danh Mục Các Chữ Viết Tắt Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt ANB Adaptive neural network backstepping Thích nghi nơ-ron backstepping ANSB Adaptive neural network sliding mode backstepping Thích nghi nơ-ron trượt backstepping ANSBC Adaptive neural network sliding mode backstepping control Điều khiển thích nghi nơ-ron trượt backstepping ANDSC Adaptive neural network dynamic surface control Điều khiển thích nghi nơ-ron mặt động BODY Body-fixed reference frame Khung tọa độ quy chiếu gắn thân CG Center of gravity Trọng tâm CB Center of buoyancy Tâm DSC Dynamic surface control Điều khiển mặt động ECI The Earth-centered inertial frame Khung tọa độ quán tính gốc trùng tâm trái đất ECEF Earth-centered Earth-fixed reference frame Khung tọa độ tham chiếu có gốc trùng tâm trái đất GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu INS Inertial Navigation System Hệ thống dẫn đường quán tính IFAC International Federation of Automatic Control Hiệp hội quốc tế tự động hóa viii ISS Input-to-state stable Ổn định trạng thái đầu vào LTĐTT Autopilot of ship Lái tự động tàu thủy LQR Linear quadratic regulator Bộ điều khiển tối ưu toàn phương LQG Linear quadratic Gaussian Bộ điều khiển tối ưu toàn phương kháng nhiễu MIMO Multiple Inputs, Multiple Outputs Nhiều đầu vào, nhiều đầu MSS Multiple sliding surface Đa mặt trượt MNN Multiple layer neural networks Mạng nơ-ron nhiều lớp NED North-East-Down Hệ tọa độ có trục hướng bắc – hướng đơng – hướng tâm trái đất PE Persistent excitation Kích thích bền (liên tục) RBF Radial basis function Hàm hướng tâm RIF Radiation-Induced Forces Lực cảm biến xạ SISO Single Input and Single Output Một đầu vào, đầu SMC Sliding mode control Điều khiển trượt SMB Sliding mode backstepping Trượt backstepping SNAME Society of Naval Architects and Marine Engineers Hiệp hội kiến trúc hải quân hàng hải ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1-1 Các ký hiệu SNAME Bảng 1-2 Những thông số xác định tàu CyberShip II 23 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1 Các biến chuyển động phương tiện hàng hải ( nguồn [19] ) Hình 1-2 Các khung tọa độ quy chiếu ( nguồn [19]) Hình 1-3 Khung tọa độ quy chiếu quán tính gắn trái đất khung tọa độ gắn thân Hình 1-4 Ổn định khuynh tâm theo chiều ngang tàu ( nguồn [19]) 13 Hình 1-5 Các đẩy tàu đủ cấu chấp hành 20 Hình 1-6 Cơ cấu chân vịt bánh lái tàu thiếu cấu chấp hành 20 Hình 1-7 Sơ đồ cấu trúc hệ thống DSC (nguồn [61]) 32 Hình 1-8 Xấp xỉ hàm bất định mạng RBF 36 Hình 2-1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển lái tàu thủy điều khiển SMB 43 Hình 2-2 Quỹ đạo bám với nhiễu tác động khác nhau: quỹ đạo đặt 𝜼𝑑 " − ", quỹ đạo bám 𝜼 "− " 44 Hình 2-3 Sai số bám theo trục x trường hợp hàm chặn 𝒑(𝜼, ) = 0.1: 45 Hình 2-4 Sai số bám theo trục x trường hợp 𝒑(𝜼, ) = 0.1: 45 Hình 2-5 Sai số bám theo trục y trường hợp 𝒑(𝜼, ) = 0.1: 45 Hình 2-6 Sai số bám theo trục y trường hợp 𝒑(𝜼, ) = 0.1: 46 Hình 2-7 Sai số bám theo 𝜓 trường hợp 𝒑(𝜼, ) = 0.1: 46 Hình 2-8 Sai số bám theo 𝜓 trường hợp 𝒑(𝜼, ) = 0.1: 46 Hình 2-9 Đầu vào điều khiển trục x trường hợp 𝒑(𝜼, ) = 0.1: 47 Hình 2-10 Đầu vào điều khiển trục x trường hợp 𝒑(𝜼, ) = 0.1: 47 Hình 2-11 Đầu vào điều khiển trục y trường hợp 𝒑(𝜼, ) = 0.1: 48 Hình 2-12 Đầu vào điều khiển trục y trường hợp 𝒑(𝜼, ) = 0.1: 48 Hình 2-13 Đầu vào điều khiển theo 𝜓 trường hợp 𝒑(𝜼, ) = 0.1: 49 Hình 2-14 Đầu vào điều khiển theo 𝜓 trường hợp 𝒑(𝜼, ) = 0.1: 49 Hình 2-15 Quỹ đạo bám với nhiễu tác động khác nhau: quỹ đạo đặt 𝜼𝒅 " − ", quỹ đạo bám 𝜼 "− " 50 Hình 2-16 Sai số bám theo trục x trường hợp hàm chặn 𝒑(𝜼, ) = 0.5: 51 Hình 2-17 Sai số bám theo trục x trường hợp 𝒑(𝜼, ) = 0.5: 51 Hình 2-18 Sai số bám theo trục y trường hợp hàm chặn 𝒑(𝜼, ) = 0.5: 51 Hình 2-19 Sai số bám theo trục y trường hợp 𝒑(𝜼, ) = 0.5: 52 Hình 2-20 Sai số bám theo 𝜓 trường hợp hàm chặn 𝒑(𝜼, ) = 0.5: 52 Hình 2-21 Sai số bám theo 𝜓 trường hợp 𝒑(𝜼, ) = 0.5: 52 Hình 2-22 Đầu vào điều khiển trục x trường hợp 𝒑(𝜼, ) = 0.5: 53 Hình 2-23 Đầu vào điều khiển trục x trường hợp 𝒑(𝜼, ) = 0.5: 53 Hình 2-24 Đầu vào điều khiển trục y trường hợp 𝒑(𝜼, ) = 0.5: 54 Hình 2-25 Đầu vào điều khiển trục y trường hợp 𝒑(𝜼, ) = 0.5: 54 Hình 2-26 Đầu vào điều khiển 𝜓 trường hợp 𝒑(𝜼, ) = 0.5: 55 Hình 2-27 Đầu vào điều khiển 𝜓 trường hợp 𝒑(𝜼, ) = 0.5: 55 Hình 2-28 Cấu trúc mạng nơ-ron 57 Hình 2-29 Sơ đồ mơ hệ thống điều khiển ANSBC 61 Hình 2-30 Quỹ đạo bám với nhiễu tác động khác nhau: quỹ đạo đặt 𝜼𝒅 " − ", quỹ đạo bám 𝜼 "− " 62 x ... (LTĐTT) Để nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển tàu việc nghi n cứu phương pháp điều khiển đại ứng dụng cho hệ thống tự động tàu đóng vai trò quan trọng Trên giới, việc nghi n cứu hệ thống lái tự. .. Đó động lực cho việc lựa chọn đề tài nghi n cứu tác giả Mục đích nghi n cứu Mục đích luận án nghi n cứu áp dụng điều khiển thích nghi xây dựng điều khiển nhằm nâng cao chất lượng hệ thống lái tàu. .. hệ thống [6, 26, 30, 64] Thập niên cuối kỷ XX bùng nổ nghi n cứu điều khiển phi tuyến, đặc trưng ứng dụng hàm điều khiển hàm điều khiển thích nghi Lyapunov cho hệ thống lái tàu Hướng nghi n cứu