So sánh sự ổn định của hệ thống lái tàu với giải thuật PSO - PID và Fuzzy

Trong bài viết này, các tác giả nghiên cứu sự ổn định của hệ thống lái tàu thủy và so sánh với giải thuật điều khiển PSO - PID và Fuzzy dưới ảnh hưởng của nhiễu môi trường bao gồm dòng chảy, gió, sóng và nhiễu sóng tần số cao tác động vào tàu.

TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THƠNG VẬN TẢI, SỐ 36-05/2020 21 SO SÁNH SỰ ỔN ĐỊNH CỦA HỆ THỐNG LÁI TÀU VỚI GIẢI THUẬT PSO-PID VÀ FUZZY A COMPARISON OF THE STABILITY OF THE SHIP AUTOPILOT SYSTEM USING PSO-PID AND FUZZY ALGORITHMS Hồ Lê Anh Hoàng, 2Trương Huỳnh Như, 3Đặng Xuân Kiên Đại học Văn Hiến Cao đẳng nghề Bà Rịa Vũng Tàu Đại học Giao thơng vận tải Thành phố Hồ Chí Minh, dangxuankien@hcmutrans.edu.vn Tóm tắt: Mục tiêu điều khiển hệ thống lái tàu điều khiển giữ hướng chuyển hướng tàu theo hướng đặt trước ảnh hưởng yếu tố bên tác động lên tàu Trong báo này, tác giả nghiên cứu ổn định hệ thống lái tàu thủy so sánh với giải thuật điều khiển PSO - PID Fuzzy ảnh hưởng nhiễu môi trường bao gồm dịng chảy, gió, sóng nhiễu sóng tần số cao tác động vào tàu Đặc biệt, tham số yếu tố tác động vào tàu khảo sát từ điều kiện vùng biển thực tế môi trường biển Việt Nam từ Bình Thuận đến Cà Mau tăng tính ứng dụng cho giải thuật điều khiển đề xuất Hiệu suất giải thuật được đánh giá thông qua kết mô sử dụng phần mềm Matlab/Simulink Từ khóa: Fuzzy, hệ thống lái tàu, nhiễu, PSO-PID, tác động môi trường Chỉ số phân loại: 2.2 Abstract: The control objective of the ship control system is to control the heading and change of direction of the ship to follow up the desired heading under the effect of external factors acting on the ship In this paper, we study the stability of a ship autopilot system based on the PSO-PID control algorithm and the Fuzzy control algorithm under the effects of environmental disturbances, including current, wind, wave, and high-frequency wave noise Especially, the parameters of the factors affecting the ship were surveyed by the actual conditions of the Vietnam sea environment from Binh Thuan province to Ca Mau province, which can increase the reliability of the proposed algorithm The performance of the algorithms was evaluated through simulation results using Matlab/Simulink software Keywords: Fuzzy, ship autopilot system, disturbances, PSO-PID, environmental impact Classification number: 2.2 Giới thiệu Mục tiêu điều khiển hệ thống lái tàu điều khiển giữ hướng chuyển hướng tàu theo hướng đặt trước ảnh hưởng nhiễu môi trường Việc thiết kế hệ thống lái tàu hoạt động ổn định ảnh hưởng nhiễu thách thức cho nhà khoa học tàu đối tượng phi tuyến phức tạp Trước đây, giải thuật điều khiển hướng tàu chủ yếu PID Cho đến thời điểm nhiều kỹ thuật áp dụng điều khiển lai ghép khiến chúng trở lên thông minh điều khiển kinh điển trước Các giải thuật điều khiển lai ghép ứng dụng vào đối tượng tàu, giải thuật Nơron – Mờ cho hệ thống lái tự động tàu thủy tác động dịng chảy, gió sóng lên tàu [1] Kết nghiên cứu giải thuật Nơron – Mờ cho thấy đáp ứng tốt, cần khảo sát điều kiện môi trường vùng biển cụ thể tác động vào tàu để thực tế Để chất lượng hệ thống lái tàu nâng cao, nghiên cứu khác ứng dụng giải thuật điều khiển tối ưu bầy đàn để tối ưu điều khiển PID [2] cho hệ thống lái tàu ảnh hưởng dịng chảy, sóng gió Những kết mơ cơng trình cho thấy đáp ứng ổn định điều kiện hoạt động chưa xét đến nhiễu sóng tần số cao ảnh hưởng đến tàu Trong năm 2017, giải thuật mờ cho hệ thống lái tàu tự động có ảnh hưởng nhiễu [3] Kết đạt cho thấy giải thuật nghiên cứu có khả thích nghi với ảnh hưởng nhiễu môi trường chưa đưa thêm tác động điều kiện môi trường vùng biển cụ thể tác động vào tàu Gần đây, nghiên cứu 22 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 36, May 2020 đưa giải thuật PID với tham số PID điều chỉnh điều khiển nơron nhân tạo cho hệ thống lái tàu thủy tác động gió [4] Kết cho thấy đáp ứng tàu bám theo hướng đặt nhiên chưa xét tới thời tiết khu vực biển nhiễu dịng chảy, sóng tác động lên tàu Nhằm nâng cao hiệu suất đáp ứng hệ thống lái tàu chịu tác động từ cấu trúc mơ hình, điều khiển Fuzzy nhằm xấp xỉ hóa đối tượng phi tuyến nghiên cứu [5], phương pháp đề xuất thích nghi tốt ảnh hưởng sóng, chưa xét đến dịng chảy gió hay nhiễu sóng tần số cao tác động vào tàu Trong công trình này, nhóm nghiên cứu sử dụng giải thuật điều khiển PSOPID Fuzzy nhằm giải vấn đề có nhiễu tác động vào tàu, mơ thử nghiệm kết nghiên cứu phần mềm Matlab/Simulink đánh giá kết giải thuật điều khiển Mơ hình động học tàu thành phần nhiễu tác động vào tàu 2.1 Mơ hình động học tàu thủy Khi , N , M góc bẻ lái, ma trận giảm chấn ma trận qn tính Cơng thức (2) thể góc bẻ lái quay trở: mxG − Y  V   m − Y v r  .  mxG − N v I Z − N r   r  (2) m − Y u − Yr   −Yv Y  V  v   = + −  δ δ  − N v mxG − Yr u − N r   r   Nδ  Từ (2), áp dụng phương pháp chuyển đổi Laplace ta có phương trình xác định mối quan hệ góc bẻ lái hướng tàu biểu thức Nomoto [2]: K (1  T s) r (s)   ( s) (1  T s)(1  T s) (3) Cơng thức (3) mơ hình Nomoto có hàm truyền chức r  Khi K độ lợi góc bánh lái tàu, T , T , T số thời gian, với ( T  T  T  T ) hướng   r Véctơ điều khiển đầu vào  góc bẻ lái tàu cấu chấp hành, véctơ e đại diện cho lực mơ men dịng chảy, gió sóng Véctơ n lực sóng tần số cao thể bên dưới: e   wind  n  h( s )  current   wave (4) Hệ thống bánh lái minh họa hình thể tính hiệu góc bẻ lái [2] Góc bẻ lái tàu giới hạn: max    max  rad  Hình Hệ tọa độ tàu so với Trái đất Chuyển động biển tàu loại chuyển động phức tạp, phi tuyến tàu chịu tác động nhiễu môi trường Điều làm ảnh hưởng lớn đến hướng tàu Hệ tọa độ tàu so với đất cho hình Một mơ hình hệ thống lái tàu tuyến tính cho điều khiển hướng tàu thiết kế thể chuyển động bao gồm dịng chảy, gió, sóng, nhiễu sóng tần số cao lực tác động vào tàu sau [3]: (1) M v N (u )v  b  e  n (5) Với max tốc độ bánh lái giới hạn giá trị lớn Thời gian trễ góc đặt c góc bẻ lái thực tế  thể hàm bậc với số thời  gian   max với  pd dải tỷ lệ [2]  pd Hình Hệ thống bánh lái tàu TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 36-05/2020 2.2 Thành phần nhiễu tác động vào tàu Nhiễu môi trường tác động trực tiếp lên tàu thay đổi cách liên tục dẫn đến tàu khó giữ hướng đặt hoạt động biển Trong báo này, nhóm nghiên cứu phân tích ảnh hưởng dịng chảy, gió, sóng mơi trường vùng biển Việt Nam từ tỉnh Bình Thuận đến tỉnh Cà Mau nhiễu sóng tần số cao thành phần phi tuyến ảnh hưởng lớn đến an toàn tàu hoạt động khơi [6] Các tham số dịng chảy, gió sóng xây dựng theo điều kiện môi trường thực tế thời tiết thay đổi thất thường vùng biển Việt Nam để biết tốc độ gió độ cao trung bình sóng tác động vào thân tàu tháng năm 2017 hình [6] 23 Lực gió tác động lên mặt nước xác định theo tốc độ dòng chảy [2]: ucurrent  Vcurrent cos current    u vcurrent  Vcurrent sin current    v X current  Rwx water A uwater  (8) T 2 Ycurrent  Rwy water A vwater  L 2.2.4 Mô hình sóng tần số cao Lực sóng tần số cao tác động vào tàu định nghĩa [7]: = (s) τ n h= Kω S (9) S + 2λω S + ω 0 Thiết kế giải thuật cho hệ thống lái tàu đàn Hình Sự thay đổi sóng, gió, dịng chảy ngày biển Việt Nam tháng năm 2017 2.2.1 Mô hình lực sóng Lực sóng tác động lên tàu công thức sau [2]: N M 1  wave   ( x, y, t)    S q r  q1 r1    (6)  sin q t  qr  kq  x cos r  y sin r  2.2.2 Mô hình lực gió Lực gió [2] đưa sau:   V   v v sin  wind wind wind u wind V   u cos  wind wind  Rwx  A u Y wind air T wind    Rwy  A v Y wind air L wind  2.2.3 Mơ hình lực dòng chảy  (7) 3.1 Giải thuật điều khiển tối ưu bầy Trong nhiều năm qua, việc áp dụng thành công giải thuật tối ưu bầy đàn (PSO) với nhiều nghiên cứu ứng dụng Giải thuật PSO phương pháp tối ưu hóa ngẫu nhiên với việc dựa vào quần thể Eberhart, Kennedy phát triển [8], theo hành vi đàn chim kiếm thức ăn Hệ thống tạo quần thể lời giải ngẫu nhiên tìm kiếm lời giải tối ưu việc cập nhật cá thể qua hệ Giải thuật PSO học từ kịch ứng dụng để làm tốn tìm kiếm ngẫu nhiên Trong PSO, lời giải chim khơng gian tìm kiếm, gọi cá thể Tất cá thể có giá trị thích nghi đánh giá hàm thích nghi cần tối ưu, có vận tốc hướng theo chiều bay cá thể Với cá thể bay qua không gian toán cách bám theo cá thể tối ưu Giải thuật PSO khởi tạo nhóm cá thể ngẫu nhiên (gọi nghiệm) tìm nghiệm tối ưu cách cập nhật hệ Với hệ cá thể cập nhật theo hai giá trị tốt Giá trị thứ vị trí tốt mà phần tử đạt thời điểm tại, gọi P Một nghiệm tối ưu khác mà best 24 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 36, May 2020 cá thể bám theo gọi nghiệm tối ưu toàn cục G , vị trí tốt mà best tất trình tìm kiếm quần thể từ trước thời điểm [9], [10] thể hình 3.2 Bộ điều khiển PSO - PID cho hệ thống lái tàu Giải thuật PSO thuật tốn tìm kiếm song song, thuật tốn tạo nhóm cá thể ngẫu nhiên Sau tìm nghiệm tối ưu cách cập nhật hệ quần thể Một quần thể bao gồm nhiều cá thể đặt vào khơng gian tìm kiếm n chiều với vận tốc vị trí ban đầu chọn cách ngẫu nhiên Mỗi cá thể đại diện cho khả giải việc tối ưu hóa di chuyển đến vị trí theo vận tốc với vận tốc trước cá thể, véctơ di chuyển bám theo vị trí tốt quần thể hình [8] Hướng di chuyển y v ik x ik viGbest viPbest Pbest xik+1 Giá trị PID tối ưu sau chạy thuật toán PSO với 30 lần lặp sau: K  3.977, K  0.00274 K D  4.753 P I Để tối ưu hóa hàm mục tiêu cần chỉnh định tham số điều khiển PID dùng thuật toán PSO hình [2] Hướng di chuyển theo vị trí tốt cá thể vik+1 Gbest fitness = ISE = ∫0+∞  e2 ( t ) + e2yaw ( t ) dt (10)  pitch  Hướng di chuyển theo vị trí tốt quần thể x Hình Sơ đồ điểm tìm kiếm giải thuật PSO Hàm mục tiêu dùng để đánh giá lời giải toán tối ưu, tùy vào trường hợp tốn đặt mà cơng việc chọn hàm mục tiêu khác Trong báo này, mục tiêu đặt nhóm nghiên cứu tối ưu hóa sai số tín hiệu ngõ ngõ vào góc bẻ lái mơ tả hình Hình Lưu đồ tối ưu hóa giải thuật PID dùng điều khiển PSO 3.3 Xây dựng thuật tốn Fuzzy cho hệ thống lái tàu Hình Giải thuật Fuzzy cho hệ thống lái tàu Hình Giải thuật PSO-PID cho hệ thống lái tàu Hàm mục tiêu chọn sau: Gần có nhiều cơng trình nghiên cứu điều khiển tàu thủy [11-13] điều khiển thiết bị ngầm [14] Trong báo này, nhằm giảm đặc tính phi tuyến cho hệ thống lái tàu gây tác động khơng mong TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 36-05/2020 muốn từ vùng biển tỉnh Bình Thuận đến tỉnh Cà Mau Nhóm nghiên cứu xem xét điều khiển Fuzzy để giữ hướng tàu minh họa hình Chúng đặt giá trị đầu vào giải thuật mờ với hai đầu vào: e(t ) , d / d (t ) đầu  (t ) sử dụng e(t ) phương pháp tham chiếu mờ Takagi-Sugeno Mục đích thiết kế giải thuật Fuzzy dựa vào kinh nghiệm thực tế người lái tàu thiết lập bảng mờ đo Các đầu vào, đầu giải thuật mờ xác định: e(t )  VPS PS PM PB VPB de(t ) / dt   PS  (t )  VPS PSS PM PS PB PM PB PBB VPB Và dựa vấn đề thực tế hệ thống lái tàu ta có quy tắc điều khiển mờ chọn thể bảng Bảng 1: Các quy tắc điều khiển mờ hệ thống lái tự động tàu với giải thuật Fuzzy de(t ) / dt  (t ) e (t ) PS PM PSS PB PS PSS PS PS PM PB PBB PM PB PBB VPB VPS VPS PS PM PB VPB PM PB Trong thực tế, nhiễu từ môi trường ảnh hưởng vào tàu thường làm cho tín hiệu điều khiển tàu bị sai lệch Nguyên nhân thay đổi đặc tính động học đối tượng Các khái niệm điều khiển tự động giải thuật Fuzzy triển khai tương ứng với sai số đầu vào Sai số điều khiển giảm mục tiêu điều khiển trì Các hàm thành viên mơ tả đặc điểm đầu vào, đầu hình [7] 3.4 Tham số mơ Mơ hình mô cho báo hệ thống lái tàu theo thông số tàu thực tế sau [2]:  H = 4m V = 0m / s S wind  ω p = 1rad / s  AL = 2.4  s=4 θ = 30o wind  N = 20  Vcurrent = 1m / s  M = 10  θcurrent = 30o  ξ = 2.5  λ = 0.1  kq = 0.005 σ=  ψ = 20°  ωo = 0.8976rad / s lim thông số mô tàu sử dụng bảng [2] Bảng Thông số mô tàu Thông số tàu Chiều dài Chiều rộng Mớn nước thiết kế Lượng giãn nước Tốc độ Tốc độ lái tối đa Góc bẻ lái cực đại Thông số điều khiển Hằng số bánh lái K 76.2 m 18.8 m 2.2 m 350 m3 knots (rad/s) 40 (rad) T1 0.185s-1 118 s T2 7.8 s T3 18.5s 3.5 Kết mô đánh giá Hình Các hàm thành viên cho e(t ) , de(t ) / dt  (t ) 25 Hình So sánh đáp ứng góc bẻ lái tàu tác động sóng, gió cấp 26 Journal of Transportation Science and Technology, Vol 36, May 2020 [4] Nguyễn Phùng Hưng, Phạm Kỳ Quang, Võ Hình 10 So sánh đáp ứng hướng tàu tác động sóng, gió cấp Dưới tác động dịng chảy, gió sóng (cấp 5) kèm theo nhiễu sóng tần số cao giải thuật điều khiển PSO - PID Fuzzy hình 10 giữ ổn định hướng tàu, góc bẻ lái dao động mạnh tỷ lệ theo cấp độ tác động nhiễu môi trường làm hướng thay đổi theo, quanh giá trị hướng đặt Về mặt biên độ, giải thuật điều khiển Fuzzy cho đáp ứng dao động tốt hơn, xét thời gian đáp ứng giải thuật PSO - PID tốt Về khả thích nghi với thay đổi môi trường, giải thuật PSO - PID thích nghi tốt giải thuật Fuzzy Kết luận Các yếu tố môi trường tác động vào tàu: dịng chảy, gió, sóng nhiễu sóng tần số cao gây nên sai lệch hướng tàu Với giải thuật PSO - PID Fuzzy đề xuất kiểm nghiệm, so sánh mô phỏng, cho thấy chất lượng điều khiển nâng cao giúp tàu trì hướng mong muốn theo thời gian Giải thuật PSO - PID thích nghi so với giải thuật Fuzzy có nhiễu tác động vào tàu Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Thanh Quỳnh, Đặng Xuân Kiên, Nguyễn Xuân Phương, Thiết kế hệ thống lái tự động tàu thủy sử dụng điều khiển Nơron – mờ dựa phương pháp Takagi-Sugeno ảnh hưởng môi trường, Kỷ yếu Hội nghị Khoa học công nghệ giao thông vận tải 2015 Tr 275285; [2] Hồ Lê Anh Hoàng, Đặng Xuân Kiên, Đỗ Việt Dũng (2018), Tối ưu tham số điều khiển PID dựa vào thuật toán tối ưu bầy đàn cho hệ thống lái tự động tàu thủy ảnh hưởng môi trường biển Việt Nam Hội nghị khoa học công nghệ Giao thông vận tải, pp 255-262; [3] Nhat DM, Hung NP, Duy NA (2017), Design and simulate a Fuzzy autopilot for an Unmanned Surface Vessel Proc the International Conference on Syst Sci and Engineering, pp 475-480; Hồng Hải (2015), Bộ điều khiển PID chỉnh tham số mạng Nơ-ron dùng cho máy lái tự động tàu thủy Tạp chí Giao thơng vận tải, Tr 67-70; [5] Palanichamy P (2018), Analysis on Midified Fuzzy Logic Toolbox for Marine Navigation Application Indonesian J of Elect Engineering and Computer Science, Vol 9, pp 73-76; [6] Xuan-Kien Dang, Le Anh-Hoang Ho, VietDung Do (2018), Analyzing The Sea Weather Effects to The Ship Maneuvering in Vietnam’s Sea from Binh Thuan Province to Ca Mau Province based on Fuzzy Control Method TELKOMNIKA, ISSN: 1693-6930, Volume 16, pp 533-543; [7] Đỗ Việt Dũng, Đặng Xuân Kiên, Hồ Lê Anh Hoàng (2017), Nâng cao chất lượng Hệ thống Định vị động tàu Dịch vụ tác động không mong muốn với giải thuật Fuzzy Takagi-Sugeno Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải, pp.92-96; [8] J Kennedy, R Eberhart (1995), Particle Swarm Optimization Proceedings of IEEE International Conference on Neural Networks, pp 1942–1948; [9] L.M Abualigan, A T Khader, E S Hanandeh (2018), A new feature selection method to improve the document clustering using particle swarm optization algorithm Journal of Computational Acience, pp 456–466; [10] Ibrahim Berkan Aydilek (2018), A hybrid firefly and particle swarm optimization algorithm for computationally expensive numerical problems Applied Soft Computing, pp 232-249; [11] Xuan-Kien Dang, Xuan-Phuong Nguyen, Thanh-Quynh Nguyen, Ship Autopilot System Design and Testing on Santana Ship Model Based on Neural-Fuzzy Method, Hội nghị toàn quốc điều khiển tự động hóa lần thứ – VCCA 2015, Tr 683-689; [12] Đặng Xuân Kiên, Nguyễn Xuân Phương, Điều khiển thích nghi hệ thống lái tự động tàu thủy ảnh hưởng thời gian trễ dựa Logic mờ, Tạp chí Khoa học cơng nghệ hàng hải, Số 45 (01/2016), Tr.80-83; [13] Đặng Xuân Kiên, Đỗ Việt Dũng, Thiết bị đo ghi tiếng ồn phục vụ q trình kiểm tra tàu thủy, Tạp chí Khoa học công nghệ giao thông vận tải, Số 19-5/2015, Tr.23-28; [14] Đặng Xuân Kiên, Nguyễn Xuân Phương, Thiết kế hệ thống điều khiển tự động ngư lôi Torpedo dựa kỹ thuật điều khiển nâng cao, Tạp chí Khoa học cơng nghệ hàng hải, Số 45 (01/2016), Tr.39-42 Ngày nhận bài: 27/2/2020 Ngày chuyển phản biện: 31/3/2020 Ngày hoàn thành sửa bài: 21/4/2020 Ngày chấp nhận đăng: 19/5//2020 ... ngõ vào góc bẻ lái mơ tả hình Hình Lưu đồ tối ưu hóa giải thuật PID dùng điều khiển PSO 3.3 Xây dựng thuật toán Fuzzy cho hệ thống lái tàu Hình Giải thuật Fuzzy cho hệ thống lái tàu Hình Giải thuật. .. tàu Với giải thuật PSO - PID Fuzzy đề xuất kiểm nghiệm, so sánh mô phỏng, cho thấy chất lượng điều khiển nâng cao giúp tàu trì hướng mong muốn theo thời gian Giải thuật PSO - PID thích nghi so. .. gian đáp ứng giải thuật PSO - PID tốt Về khả thích nghi với thay đổi mơi trường, giải thuật PSO - PID thích nghi tốt giải thuật Fuzzy Kết luận Các yếu tố mơi trường tác động vào tàu: dịng chảy,