Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi cho tàu thủy

Bài viết đề xuất phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển thích nghi cho tàu thủy theo tải trọng trong không gian sai lệch góc hướng. Đồng thời đề xuất phương pháp đánh giá nhiễu của môi trường như sóng, gió và dòng chảy tác động nên tàu thủy. Từ đó đề xuất phương án bù nhiễu cho hệ thống điều khiển tàu.

Nghiên cứu khoa học công nghệ TỔNG HỢP HỆ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO TÀU THỦY Đỗ Cơng Thắng1*,, Nguyễn Trung Kiên2 Tóm tắt: Hệ thống điều khiển góc hướng cho tàu thủy có vai trò quan trọng tàu thủy đại Bài báo đề xuất phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển thích nghi cho tàu thủy theo tải trọng không gian sai lệch góc hướng Đồng thời đề xuất phương pháp đánh giá nhiễu mơi trường sóng, gió dòng chảy tác động nên tàu thủy Từ đề xuất phương án bù nhiễu cho hệ thống điều khiển tàu Từ khóa: Điều khiển; Thích nghi; Tối ưu; LQR; Tàu thủy ĐẶT VẤN ĐỀ Vận tải đường biển có vai trò quan trọng, vận chuyển khối lượng hàng hóa lớn với giá thành rẻ Để đạt hiệu cao việc vận hành khai thác tàu thủy cần có phương tiện thiết bị hệ thống tự động hóa, hệ thống điều khiển tự động tàu theo hướng có vai trò cốt yếu Đã có nhiều cơng trình nhằm ổn định tự động điều chỉnh hướng chuyển động tàu thủy tiêu biểu [8], [3], [6], [7], [5] Các cơng trình theo hướng chủ yếu là: dùng phương pháp tổng hợp điều khiển đại, điều khiển thích nghi theo mơ hình mẫu [3], [6], [5], điều khiển mờ [3], [4] Có số nghiên cứu đề cập tới điều khiển tối ưu góc hướng tàu thủy điển hình [8] Theo hệ thống điều khiển có khả tự hiệu chỉnh tham số hệ thống sở so sánh với tham số mơ hình tham chiếu (mơ hình mẫu) Khi đó, trạng thái hệ thống hội tụ trạng thái mơ hình chuẩn, song chưa phải tối ưu tương ứng với giá trị thực với tác động thực từ bên Hơn nữa, để đối phó với ảnh hưởng thời tiết (nhiễu) trọng số tiêu chuẩn tối ưu hiệu chỉnh phụ thuộc theo kinh nghiệm người biển BiĨn lỈng BiĨn đéng   10 Mà kinh nghiệm khoảng rộng: 0,1  người biển phụ thuộc vào chủ quan người nên lựa chọn giá trị  nhiều không xác Điều khiến cho việc vận hành tàu thủy gặp khó khăn hiệu khai thác tàu không cao Như vậy, vấn đề đặt phải xây dựng hệ thống điều khiển góc hướng cho tàu thủy có khả thích nghi với yếu tố bất định đặc biệt thay đổi tải trọng sau lần bốc xếp hàng hóa cảng Đồng thời hệ phải có khả bù tác động nhiễu loạn môi trường sóng, gió dòng chảy mà khơng cần hiệu chỉnh lại trọng số tiêu chuẩn tối ưu GIẢI BÀI TOÁN TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU GĨC HƯỚNG CHO TÀU THỦY 2.1 Mơ hình trạng thái tàu thủy không gian trạng thái sai lệch góc hướng Trong cơng trình [4] tác giả mơ tả mơ hình tốn học động học tàu thủy biển lặng (chưa có nhiễu sóng, gió dòng chảy tác động vào tàu) phương trình: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 89 Kỹ thuật điều khiển & Tự động hoá  (3)   ai ( i )  k1  k2 (1) i 1 Trong đó:  góc hướng tàu so với phương bắc, [độ];  góc bẻ bánh lái, [độ]; a1, a2 , k1, k2 tham số đặc trưng cho động học tàu thủy Các tham số phụ thuộc nhiều vào tải trọng tàu, mà tải trọng tàu tham số bất định khơng biết trước Để có mơ hình tốn học phản ánh động học tàu phải nhận dạng tham số đặc trưng cho động học tàu sau lần bốc xếp hàng hóa, q trình tàu rời khỏi cảng Trong cơng trình [4] đề xuất phương pháp nhận dạng tham số a1, a2 , k1, k2 tàu thủy với biến động tải trọng với đánh giá tham số chúng tương ứng aˆ , aˆ , kˆ , kˆ sau: 2 t aˆ (t)=a m1 (t)=   ψ (σ) p3i x i (σ)dσ+aˆ (t o );  m l1 t0 i=1 t  m (σ) p3i x i (σ)dσ+aˆ (t o ); aˆ (t)=a m2 (t)=   ψ l2 t0 i=1 t ˆ (t ) kˆ1 (t)=K m1 (t)=  δ(σ) p3i x i (σ)dσ+K o l3 t o i=1 (2) t  ˆ (t ) kˆ2 (t)=K m2 (t)=  δ(σ) p3i x i (σ)dσ+K  o l4 to i=1 Trong đó: l1 , l2 , l3 , l4 hệ số dương liên quan tới tốc độ hội tụ thuật toán nhận dạng, p 3i , i=1, 2, thành phần dòng thứ ma trận P đối xứng ˆ (t ), K ˆ (t ) giá trị khởi thảo ban xác định dương aˆ (t ), aˆ (t ), K đầu trình nhận dạng Ta viết (1) dạng hàm truyền: K (1  T3 s)  (s) W1 ( s)    ( s) s(1  T1s)(1  T2 s) (3) Khi ta có quan hệ hệ số: a1  T1T2 ; a2  T1  T2 T1T2 ; k1  K T1T2 ; k2  KT3 T1T2 (4) Gần ta viết (3) thành: 90 Đ C Thắng, N T Kiên, “Tổng hợp điều khiển thích nghi cho tàu thủy.” Nghiên cứu khoa học công nghệ W2 ( s)   ( s)  ( s) K (5) s[1  (T1  T3 ) s](1  T2 s) Và ta biểu diễn (5) sau: ' (i )  (3)   ai  k1' (6) i 1 Với k1'  K T2 ( T1  T3 ) ; a1'  T2 ( T1  T3 ) ; a2'  T1  T2  T3 (7) T2 ( T1  T3 ) Gọi d góc hướng mong muốn tàu so với phương bắc (góc hướng đặt) Ta định nghĩa sai lệch góc hướng tàu e  d hay  e d (6) viết thành: 2  e(3)  (ai' e(i) )  k1'  ( d(3)  ai' d(i ) ) i 1 (8) i 1 Đặt: f ( d )   (3) d   ai' d(i ) (9) i 1 x1(t)=e (t);x1(t)=x2 (t);x (t)=x3(t) ; u(t)=δ(t) ; y t  =e (t) Từ ta có hệ phương trình trạng thái mơ tả tàu thủy khơng gian sai lệch góc hướng:  x =x2  x =x   ' ' ' x =  a1x  a x3 +k1u  f(ψd )  y=x1 (10) Hay viết dạng ma trận ta phương trình trạng thái tàu thủy khơng gian véc tơ sai lệch góc hướng:  x  Ax  Bu  f (11)   y  Cx  x1   e   x  e  Với x   x    e  véc tơ trạng thái; u tín hiệu điều khiển;     0 A   0  a32 0 0 ' '   ma trận trạng thái với a32 a1; a33 a2 ; B    ma    k1'  a33  T   1      trận đầu vào; C    ma trận đầu ra; f    véc tơ đặc trưng cho    f(ψ d )  nhiễu đầu vào Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 91 Kỹ thuật điều khiển & Tự động hố 2.2 Hệ thống điều khiển thích nghi góc hướng cho tàu thủy Để tổng hợp hệ thống điều khiển cho đối tượng trước tiên ta cần xác định tham số đối tượng Với tàu thủy tham số động học phụ thuộc tải trọng tàu lớn Thông thường, tải trọng tàu thay đổi thời gian cảng Lúc cập cảng lúc rời cảng có thay đổi tải Sự thay đổi kéo theo thay đổi lớn thông số động học tàu Ngay lúc xuất phát rời cảng hệ thống thực nhận dạng, thu mơ hình động học tàu [4] từ xác định ma trận A, B, C áp dụng thuật toán điều khiển tối ưu theo tiêu chuẩn (12) cho đối tượng (11) Dẫn tới việc điều chỉnh thông số điều khiển nhằm đảm bảo thích nghi với thơng số động học tàu, có nghĩa thích nghi với tải tàu Sau suốt hành trình cảng tải tàu không đổi Ở đối tượng cần điều khiển tuyến tính điều khiển tàu thủy cần tối thiểu hóa tổn thất tốc độ nên ta áp dụng điều khiển tối ưu phản hồi trạng thái tồn phương tuyến tính (LQR: Linear Quadratic Regulator) Tổn thất tốc độ J tàu phụ thuộc vào góc bẻ bánh lái sai lệch góc hướng Tiêu chuẩn tối ưu áp dụng cho tốn điều khiển góc hướng tàu [1]: T J ( ,  )   (   )dt  (12) Và biểu diễn dạng: T J(x,u)   (xTQx  uTRu)dt min Với: (13) 1 0  Q  0 0 ; R   0 0 Theo báo [1], việc lựa chọn  phải đảm bảo thoả mãn hai yêu cầu lực cản tàu biên độ góc bẻ bánh lái phải đủ nhỏ từ xác định trọng số phù hợp   Theo [2] gọi S nghiệm bán xác định dương phương trình vi phân Riccati: S.A + AT.S - S.B.R-1.BT S+Q= (14) -1 T Thì luật hiệu chỉnh hồi tiếp trạng thái là: u= - K.x, với K = R B S Hơn nữa, hệ thống điều khiển tàu bị ảnh hưởng nhiễu mơi trường biển (sóng, gió dòng chảy) Ta xét góc bẻ bánh lái  , giả thiết tàu bị tác động nhiễu thể đại lượng d Do tác động nhiễu nên góc hướng thực tàu  t có sai lệch lượng  so với góc hướng mơ hình tàu Mơ hình xác định thông qua nhận dạng thay đổi tải trọng tàu Khi phương trình mơ tả tàu thủy biểu diễn sau: 92 Đ C Thắng, N T Kiên, “Tổng hợp điều khiển thích nghi cho tàu thủy.” Nghiên cứu khoa học công nghệ  t(3)   ai t(i )  k1  k2  d (15) i 1 Với    t   (3) (3) (i ) (i ) Ta có: (   )   (   )  k1  k2  d (16) i 1 Từ (1), (2) (16) ta đánh giá thành phần nhiễu (nhận dạng nhiễu) để phân biệt với nhiễu thực tác động nên tàu ta ký hiệu dˆ : dˆ   (3)   aˆi (i ) (17) i 1 Như vậy, cách xác định sai lệch biến thiên góc hướng thực tế tàu so với mơ hình nhận dạng rời cảng nhiễu đánh giá Từ đó, để đối phó với tác động nhiễu nên hệ thống điều khiển lái tàu tác giả đề xuất đưa thêm mạch bù nhiễu vào hệ thống điều khiển Khối bù nhiễu có vai trò tạo tín hiệu điều khiển ud đưa đầu vào cho bù tác động nhiễu d Từ suy tín hiệu ud phải thỏa mãn: ˆ u d ( s)  d(s) (18) ˆk  skˆ  ψ t   ψ         Đặt ψ t = ψ  t  ; ψ=  ψ   ψt(3)   ψ (3)  Từ ta bù nhiễu cho hệ thống lái tàu mà không cần đo nhiễu theo cấu trúc sau: Hình Cấu trúc bù nhiễu cho tàu thủy Ngoài tác động nhiễu mơi trường biển d, tàu thủy có thành phần f phụ thuộc vào trạng thái góc hướng đặt tàu, ta coi f thành phần nhiễu đầu vào Cho nên hệ thống điều khiển tối ưu góc hướng cần phải tính đến khử nhiễu Do có thành phần f phụ thuộc vào trạng thái góc hướng đặt  d , tín hiệu tiền định Nhiễu khử Khối bù đầu vào Như vậy, cấu trúc hệ thống điều khiển thích nghi tàu thuỷ theo sai lệch góc hướng có bù nhiễu thể Hình Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 93 Kỹ thuật điều khiển & Tự động hố Hình Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển tối ưu thích nghi có bù nhiễu MƠ PHỎNG, TÍNH TỐN, THẢO LUẬN 3.1 Số liệu đầu vào Ta thực mô với tham số động học tàu thuỷ trường hợp sau: Trường hợp 1: T1=118 (s); T2=7.8 (s); T3=18.5 (s); K=0,185 (1/s) Nhiễu tổng tác động nên tàu d=0,002 (độ/s3) Trường hợp 2: Để đánh giá đáp ứng điều khiển tải trọng tàu thay đổi ứng với tham số động học tàu: T1=80 (s); T2=10 (s); T3=25 (s); K=0,3 (1/s) Nhiễu tổng tác động nên tàu d=0,002 (độ/s3) Trường hợp 3: T1=118 (s); T2=7.8 (s); T3=18.5 (s); K=0,185 (1/s) Nhiễu tổng tác động nên tàu d=0,001sin(0,5t) (độ/s3) Trường hợp 4: Để đánh giá đáp ứng điều khiển tải trọng tàu thay đổi ứng với tham số động học tàu nhiễu biến thiên: T1=100 (s); T2=18 (s); T3=42 (s); K=0,185 (1/s) Nhiễu tổng tác động nên tàu d=0,004sin(2,3)+0,001 (độ/s3) 3.2 Phương pháp, công cụ mô Để mô ta sử dụng phần mềm Matlab&Simulink Chương trình mơ gồm sau: Khối động học tàu thủy; khối mơ hình tàu; khối thực thuật tốn nhận dạng; khối tính tham số cho mơ hình (2) từ tham số mơ hình (1); Khối bù đầu vào; khối Bộ điều khiển LQR để xác định ma trận mơ hình trạng thái (11) để tìm nghiệm tốn tối ưu LQR khối bù nhiễu có chức xác định nhiễu theo (17) tính tín hiệu bù nhiễu ud theo (18) 3.3 Kết mô bình luận Trường hợp 1: 94 Đ C Thắng, N T Kiên, “Tổng hợp điều khiển thích nghi cho tàu thủy.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Tín hiệu góc bẻ bánh lái Delta (a); sai lệch góc hướng tàu thuỷ X1 (b) có nhiễu d=0,002 (độ/s3) với T1=118 (s); T2=7.8 (s); T3=18.5 (s); K=0,185 (1/s)  0, 0001 Nghiệm phương trình Riccati: S  10  0, 0013 0, 0064 Giá trị hàm đặc trưng tổn hao tốc độ: J=341189 Trường hợp 2: 0, 0004  Nghiệm phương trình Riccati: S  10 0, 0062  0, 0304 0, 0013 0, 0064  0, 0419 0, 2168 0, 2168 1,1351  0, 0062 0, 0304  0,1337 0, 7059  0, 7059 3,8249  Giá trị hàm đặc trưng tổn hao tốc độ: J=190241 Hình Góc bẻ bánh lái Delta (a) sai lệch góc hướng X1 tàu thủy (b) có nhiễu d=0,002 (độ/s3) với T1=80 (s); T2=10 (s); T3=25(s); K=0,3 (1/s) Trường hợp 3: Hình Góc bẻ bánh lái Delta (a) sai lệch góc hướng X1 tàu thủy (b) có nhiễu d=0,001sin(0,5t) (độ/s3) với T1=118 (s); T2=7,8 (s); T3=18,5 (s); K=0,185 (1/s) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 95 Kỹ thuật điều khiển & Tự động hố Nghiệm phương trình Riccati trùng với trường hợp (do tham số động học) Giá trị hàm đặc trưng tổn hao tốc độ: J=184988 Trường hợp 4: Hình Góc bẻ bánh lái Delta (a) sai lệch góc hướng X1 tàu thủy (b) có nhiễu d=0,004sin(0,5t)+0,001 (độ/s3) với T1=80 (s); T2=10 (s); T3=25 (s); K=0,3(1/s) Giá trị hàm đặc trưng tổn hao tốc độ: J=159086 Nghiệm phương trình Riccati trùng với trường hợp Qua kết mô thấy hệ thống điều chỉnh tàu thủy thích nghi tốt với tải trọng khác (thể thay đổi tham số động học tàu) Hệ có khả bù tác động nhiễu loạn sóng gió dòng chảy gây Hơn tổn thất tốc độ (thể trị số J) nhỏ đáng kể so với khơng có mạch bù hệ tác nhanh khơng có mạch bù KẾT LUẬN Trên tổng hợp hệ thống điều khiển thích nghi góc hướng tàu theo tải trọng Đã đề xuất phương pháp đánh giá nhiễu bù nhiễu cho hệ thống điều khiển tàu Vấn đề đề xuất dễ dàng thực kỹ thuật Kết mô chứng minh tính hội tụ hiệu hệ thống điều khiển đề xuất Việc ứng dụng hệ thống thích nghi tự động điều khiển tàu thủy mang lại hiệu thiết thực cho tàu thủy, đáp ứng yêu cầu ngày cao lĩnh vực giao thông vận tải đường biển TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đỗ Công Thắng (2018), "Xây dựng tiêu chuẩn tối ưu LQR cho hệ thống điều khiển tàu thủy", Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân Số đặc san FEE-2018, tr [2] Nguyễn Doãn Phước (2002), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 408 [3] ÅstrÖm K.J (1980), "Why use adaptive techniques for steering large tankers?", int J control Vol 32(4), tr pp 689-708 [4] Do Cong Thang (2017), "A method to identify the dynamic parameters of ships", Journal of Military Science and Technology Vol 51A (Special Issue: Rapid Communications in Advanced Science and Technology ), tr pp 10-17 96 Đ C Thắng, N T Kiên, “Tổng hợp điều khiển thích nghi cho tàu thủy.” Nghiên cứu khoa học công nghệ [5] J VAN AMERONGEN and A J UDINK TEN CATE (1975), "Model Reference Adaptive Autopilots for Ships", Automatica, Elsevier Vol 11(5), tr pp 441-449 [6] Jeffery R Layne and Kevin M Passino (1993), "Fuzzy Model reference Learning Control for Cargo Ship steering", IEEE Control Systems Vol 13(6), tr pp 23-34 [7] Junsheng Ren and Xianku zhang (2013), "Fuzzy-Approximator-Based Adaptive Controller Design for Ship Course-Keeping Steering in StrictFeedback Forms", Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology Vol 6(16), tr pp 2907-2913 [8] Thor I.Fossen (1994), "Guidance and Control of Ocean vehicles", John Wiley & Sons, Chichester, New York, Brisbane,Toronto, Singapore, 494 ABSTRACT SYNTHESIS OF THE ADAPTIVE CONTROL SYSTEM FOR SHIPS Abstract: The ship heading angle control system has an important role for modern ships The paper proposes a method of synthesizing the control systems to adapt to load changes in heading angle error space At the same time, propose methods to estimate the noise of the environment such as waves, wind and ocean currents that effect to the ship, then the noise compensation plan is proposed for the ship control system Keywords: Control; Adaptation; LQR optimization; Ship Nhận ngày 21 tháng 01 năm 2019 Hoàn thiện ngày 07 tháng năm 2019 Chấp nhận đăng ngày 15 tháng năm 2019 Địa chỉ: Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên; Viện Khoa học Công nghệ quân * Email: docongthang77@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 97 ... bù hệ tác nhanh khơng có mạch bù KẾT LUẬN Trên tổng hợp hệ thống điều khiển thích nghi góc hướng tàu theo tải trọng Đã đề xuất phương pháp đánh giá nhiễu bù nhiễu cho hệ thống điều khiển tàu. .. Kết mơ chứng minh tính hội tụ hiệu hệ thống điều khiển đề xuất Việc ứng dụng hệ thống thích nghi tự động điều khiển tàu thủy mang lại hiệu thiết thực cho tàu thủy, đáp ứng yêu cầu ngày cao lĩnh... tới việc điều chỉnh thông số điều khiển nhằm đảm bảo thích nghi với thơng số động học tàu, có nghĩa thích nghi với tải tàu Sau suốt hành trình cảng tải tàu không đổi Ở đối tượng cần điều khiển tuyến