Điều khiển thích nghi hệ thống lái tự động tàu thủy dưới ảnh hưởng của thời gian trễ dựa trên logic mờ

Bài viết phân tích sự ảnh hưởng của thời gian trễ điều khiển đến ổn định và đáp ứng của hệ thống lái tàu thủy. Giải pháp xây dựng mô hình điều khiển thích nghi dựa trên kỹ thuật điều khiển Mờ được đề cập nhằm triệt tiêu những ảnh hưởng tiêu cực của thời gian trễ đến chất lượng điều khiển của hệ thống.

CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI HỆ THỐNG LÁI TỰ ĐỘNG TÀU THỦY DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN TRỄ DỰA TRÊN LOGIC MỜ Adaptive Control of Ship Autopilot under the Effect of Timedelay Based on Fuzzy Logic TS ĐẶNG XUÂN KIÊN, TS NGUYỄN XUÂN PHƯƠNG Trường Đại học GTVT Tp Hồ Chí Minh Tóm tắt Bài báo phân tích ảnh hưởng thời gian trễ điều khiển đến ổn định đáp ứng hệ thống lái tàu thủy Giải pháp xây dựng mơ hình điều khiển thích nghi dựa kỹ thuật điều khiển Mờ đề cập nhằm triệt tiêu ảnh hưởng tiêu cực thời gian trễ đến chất lượng điều khiển hệ thống Kết mô Matlab cho thấy tính hiệu ưu điểm phương pháp đưa Abstract This paper aims to provide analysis the effect of controlled time-delay on the stabilization and the response of the Ship autopilot system We have proposed the solution of the design model based on fuzzy logic technology to eliminate the negative effects of time-delay on the quality of the system The simulation results via Matlab demonstrate the usefulness and effectiveness of the proposed method Key words: Autopilot system, fuzzy logic, time delay Đặt vấn đề Trong báo này, để đơn giản phần mơ hình tốn tàu thủy, tác giả lựa chọn đối tượng thiết kế hệ thống lái tự động điều khiển hướng cho tàu hàng dựa việc điều chỉnh góc bẻ bánh lái [1-3] Khảo sát phương pháp điều khiển mờ thích nghi hệ thống lái tự động tàu thủy [1] hệ thống xem xét đối tượng phi tuyến không xác định đề cập [2], thuật tốn mờ Takagi-Sugeno áp dụng mơ hình điều khiển thích nghi Cũng phương pháp mờ thích nghi, tốn điều khiển lái tự động tàu thủy bám theo hành trình xác định trước [3], [6] giải triệt để, kết cho thấy hệ thống làm việc ổn định chưa đề cập tới ảnh hưởng nhiễu trình hoạt động Với kỹ thuật điều khiển mờ thích nghi [4], sử dụng điều khiển nơ ron [8] điều khiển lai ghép mờ nơ ron [7], ứng dụng vào đối tượng điều khiển khác ngư lôi, kết cho thấy việc áp dụng lý thuyết mờ mờ lai điều khiển ngày trở thành kỹ thuật kinh điển phổ biến Đối với đối tượng điều khiển có thời gian trễ, mơ hình dự đốn Smith mơ hình triệt tiêu hồn tồn ảnh hưởng trễ tín hiệu sau vài chu kỳ điều khiển, liên quan đến mơ hình dự đốn Smith tự thích nghi kết hợp với thuật toán nhận dạng đưa [6] với kết triệt tiêu hoàn toàn thời gian trễ đối tượng điều khiển giúp cho hệ thống hoạt động ổn định hơn, nhiên kết hợp mơ hình với điều khiển mờ thích nghi kết nào? Trong báo này, tác giả đưa phương pháp thiết kế hệ thống lái tự động tàu thủy, sử dụng mơ hình dự đốn Smith bao gồm điều khiển PID mờ kết hợp với chế ước lượng thời gian trễ điều khiển ứng dụng logic mờ Bằng mơ Matlab, tính ổn định hiệu phương pháp đưa chứng minh Phân tích hệ thống lái tự động tàu thủy với ảnh hưởng thời gian trễ 2.1 Mơ hình động học tàu thủy Hệ phương trình phụ thuộc vào trạng thái mặt biển, dòng chảy, hướng gió , mơ hình động học tương đối phức tạp chịu ảnh hưởng lớn từ yếu tố bên ngồi Theo [1], mơ hình động học tàu hàng mô tả đầy đủ, hệ thống điều khiển hướng tàu cách thay đổi góc bẻ lái theo góc đặt la bàn Như vậy, mơ hình động học tàu thủy với tốc độ khơng đổi mơ tả hệ phương trình sau: x  Ax  Bu (1) y  Cx  Du (2) Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 45 – 01/2016 80 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 Trong đó: x  R , u  R1 , y  R1 Theo [8] ma trận trọng số A, B, C, D có giá trị sau:  0.895 0.286   0.108      A   4.367 0.918  , B   0.918  , C   0 1 , D         (3) Mục tiêu tìm điều khiển bền vững cho hệ thống để điều chỉnh hướng tàu theo hướng đặt trước, hệ thống phải đáp ứng số yêu cầu giới hạn sau: Khơng bị tín hiệu đáp ứng đầu y suốt q trình điều khiển Góc bẻ lái giới hạn: u  400 Tốc độ bẻ lái giới hạn: u  100 / s 2.2 Phân tích hệ thống lái tự động tàu thủy dựa mơ hình dự đốn Smith Thực tế q trình điều khiển đối tượng vật lý có qn tính lớn tàu thủy vấn đề xử lý thời gian trễ tương đối phức tạp, đặc biệt điều khiển yêu cầu đáp ứng tín hiệu phản hồi nhanh r  Ks G p s  u yp p(s) e Gpms pm(s) ypm ys e   yfb Hình Cấu trúc hệ thống lái tự động dựa mơ hình dự đốn Smith Mơ hình Smith lựa chọn để bù thời gian trễ điều khiển tự động hệ thống lái tàu thủy có cấu trúc H.1 Trong G p (s) mơ hình động học thực tế tàu,  p (s) khoảng thời gian trễ sau tín hiệu điều khiển tác động vào bánh lái đến điều khiển nhận tín hiệu phản hồi góc lệch hướng Bộ dự đốn Smith bao gồm mơ hình mẫu G pm (s ) thời gian trễ mẫu  pm (s) thêm vào cấu trúc hệ thống Từ ta có hàm truyền hệ thống sau: y p (s)  Gp (s)e  p ( s ) y pm (s)  Gpm (s)e ys (s)  (Gpm (s)e y fb (s)  [Gp (s)e  p ( s ) u (s)  pm ( s )  pm ( s ) (4) u (s) (5)  Gpm (s))u(s) (6)  Gpm (s)e  pm ( s )  Gpm (s)]u(s) (7) Giả thiết: Mơ hình danh định thời gian trễ đối tượng chọn xác với mơ hình thực, ta có: G pm ( s )  G p ( s ) ,  pm ( s)   p ( s) (8) Như phương trình (7) tương đương: y fb (s)  Gpm (s)u(s) (9) Từ đó, ta có phương trình hàm truyền hệ kín sau: y p ( s) r ( s)  K (s)G p ( s)e  p ( s )  K ( s)G pm (s)  y p ( s) r ( s)  K (s)G p (s)  K ( s)G p (s) e  p ( s ) (10) Ảnh hưởng thời gian trễ bị loại khỏi vòng lặp kín đồng nghĩa với triệt tiêu ảnh hưởng tới tính ổn định hệ thống điều khiển Thực tế, mô hình danh định xác định thực nghiệm thời gian trễ đối tượng biến đổi khơng xác định Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 45 – 01/2016 81 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 Thiết kế mơ hình điều khiển hệ thống lái tự động dựa Logic mờ Bộ điều khiển Khối ước lượng thời gian trễ e de f  e Module  (k) pm ypm yp dt Ki Kp r  ef Fuzzy PID Kd G p s  u Gpms yp p(s) e pm(s) e ypm ys   yfb Hình.2 Cấu trúc hệ thống lái tự động dựa kỹ thuật điều khiển mờ Hình mơ tả hệ thống lái tự động thiết kế có khả ổn định thời gian trễ điều khiển lớn dựa mơ hình dự báo Smith thích nghi, kỹ thuật ước lượng thời gian trễ sử dụng Logic mờ đồng thời điều khiển Fuzzy PID nhúng vào cấu trúc hệ thống 3.1 Thiết kế điều khiển Fuzzy PID Trong báo này, điều khiển PID mờ sử dụng nhằm tận dụng tối ưu ưu điểm phương pháp điều khiển PID phương pháp điều khiển mờ, nhờ hiệu suất điều khiển tăng lên Bộ điều khiển PID mờ với hai đầu vào sai số độ lệch hướng e vi phân sai số độ lệch de/dt, đầu u(Kp), u(Ki), u(Kd) Ở sử dụng mơ hình mờ Mamdani để thực giải luật mờ, bảng luật mờ thông số PID tài liệu [6], sử dụng Matlab để tiến hành mờ hóa, thực luật hợp thành giải mờ 3.2 Thiết kế ước lượng thời gian trễ dùng logic mờ Trong mơ hình, ước lượng thời gian trễ bao gồm phần, mơ đun tính tốn online ước lượng logic mờ Mơ đun tính tốn online tính giá trị e e với đầu vào tín hiệu hệ thống y p tín hiệu mơ hình dự đốn danh định y pm , đầu thời điểm sau: e(k  1)  A( k  1)  A(k ) , e(k  1)  e(k  1)  e(k ) (11) Với A(k ) giá trị phụ thuộc vào sai lệch y p y pm , tính tốn cơng thức: k A(k )  y p (k )  y pm (k ) dk (12) Bộ điều khiển mờ với đầu vào giá trị e e , đầu thời gia trễ ước lượng  pm (k ) , luật mờ xây dựng tương tự bảng luật mờ [5] hàm liên thuộc được điều chỉnh cho phù hợp với đối tượng Như vậy, đầu ước lượng thời gian trễ cho giá trị  pm (k ) tăng từ tới  p (k ) ,  pm (k )   p (k ) lúc đạt y p  y pm , đồng thời mơ hình dự đốn Smith tương đương với mơ hình thật, hàm truyền hệ thống mơ tả phương trình (12), thời gian trễ điều khiển tách hồn tồn khỏi vòng lặp khơng ảnh hưởng tới chất lượng độ ổn định hệ thống Kết mô kết luận 4.1 Thiết lập thông số mô Mơ hình động học tàu thủy sử dụng [1] [6] có dạng thơng số phương trình (3) Mơ hình thời gian trễ ngẫu nhiên [6] hàm tín hiệu Sinusoidal  p (t )  0.3sin(3  0.1t ) với t hàm biến đổi ngẫu nhiên có biên độ dao động lựa chọn ngẫu nhiên khoảng (0-10) Nhiễu tác động vào hệ thống bao gồm sóng, gió, dòng chảy…lựa chọn mơ hình nhiễu môi trường Pierson-Mostkoviz [6] với T0  0.80s, H s  5.5mm ,  hàm ngẫu nhiên biên độ dao động thay đổi khoảng (0-10): Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 45 – 01/2016 82 CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016 S ( )  4 H s2 (0.710T0 )  exp(  16 (0.710T0 )  ) (13) 4.2 Kết mô Trường hợp 1: Hệ thống không sử dụng chế ước lượng mờ để ước lượng thời gian trễ điều khiển Đáp ứng Hình cho thấy hệ thống hoàn toàn ổn định phương pháp thiết kế dùng hoàn toàn logic mờ phương pháp [6] trì ổn định Trường hợp 2: Kết mơ Hình cho thấy đáp ứng đầu hệ thống làm việc ổn định tình trạng thời gian trễ lớn đồng thời nhiễu tác động với ngưỡng biến đổi lớn phương pháp dùng Logic mờ, phương pháp [6] hệ thống dao động quanh điểm cân với biên độ dao động lớn Hình Đáp ứng hệ thống khơng bù thời gian trễ tình trạng thời gian trễ lớn với nhiễu lớn sử dụng bù trễ Fuzzy Mơ hình dự đốn Smith thích nghi kết hợp điều khiển PID mờ với ước lượng thời gian trễ dùng logic mờ đưa báo khảo sát trường hợp nhiễu thời gian trễ lớn cho thấy dùng Logic mờ ổn định hơn, bị ảnh hưởng nhiễu lớn chưa đạt yêu cầu, chí hệ thống ổn định Việc tìm giải pháp để khắc phục điều cần thiết nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] K.J Astrom and C.G Kallstrom: Identification of Ship Dynamic Automatica, Vol.12, pp.9-222, Pergamon Press, 1976 Printed in Great Britain [2] Y.S Yang and C.J Zhou: Adaptive Fuzzy Control of Ship Autopilots with Uncertain Nonlinear Systems Proc IEEE, Conf on Cyber and Intell Syst, Singapore, pp 1323-1328, 2004 [3] J Velagic, Z Vukic and E Omerdic: Adaptive fuzzy ship autopilot for track-keeping, Control Engineering Practice, Vol 2, pp.433-443, Elselvier, 2002 [4] X K Dang, H D Tran, D C Quach, “Ship Autopilot Design Based on Adaptive Smith Predictor Under the Effect of Uncertain Time-delay and Disturbances,” Proc The 6th Vietnam Conference on Mechatronics, Hanoi, Dec, 2012 [5] X K Dang, Z H Guan, H D Tran and T Li: Fuzzy Adaptive Control of Networked Control System with Unknown Time-delay, Proc The 30th Chinese Control Conference, China, 2011 [6] X K Dang, H D Tran, D C Quach, “Robust Controller Design for Ship Autopilot with Unknown Time-delay” Proc The 1th Vietnam Conf Control and Automation, Hanoi, Dec, 2011 [7] V P Pham, X K Dang and D T Truong, “Control System Design for Torpedo using a Direct Adaptive Fuzzy-Neural Output-feedback Controller” Proc The 2th Vietnam Conference on Control and Automation, DaNang, Dec, 2013 [8] W.Y Feng, Y Li and G Chong, “Tractable Neurocontroller Design and Application to Ship Control with Actuator Limits,” IFSA World congress and 20th NAFIDS International conference, Vol.3, pp.1282-1287, July 2001 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 45 – 01/2016 83 ... trúc hệ thống lái tự động dựa kỹ thuật điều khiển mờ Hình mơ tả hệ thống lái tự động thiết kế có khả ổn định thời gian trễ điều khiển lớn dựa mơ hình dự báo Smith thích nghi, kỹ thuật ước lượng thời. .. bù thời gian trễ điều khiển tự động hệ thống lái tàu thủy có cấu trúc H.1 Trong G p (s) mơ hình động học thực tế tàu,  p (s) khoảng thời gian trễ sau tín hiệu điều khiển tác động vào bánh lái. .. bẻ lái giới hạn: u  100 / s 2.2 Phân tích hệ thống lái tự động tàu thủy dựa mơ hình dự đốn Smith Thực tế q trình điều khiển đối tượng vật lý có qn tính lớn tàu thủy vấn đề xử lý thời gian trễ