Tổng hợp bộ điều khiển cho hệ thống ổn định tiếp cận cầu cảng kiểu robot song song gough stewart TT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ NGUYỄN THÀNH SƠN TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH TIẾP CẬN CẦU CẢNG KIỂU ROBOT SONG SONG GOUGH-STEWART Chuyên ngành Mã số : Kỹ thuật điều khiển tự động hóa : 52 02 16 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2021 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Vũ TS Hoàng Quang Chính Phản biện 1: GS.TS Nguyễn Dỗn Phước Đại học Bách khoa Hà Nội Phản biện 2: GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn Đại học Hàng hải Việt Nam Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Quang Vịnh Viện Khoa học Công nghệ quân Luận án bảo vệ Hội đồng đánh giá luận án cấp Viện họp viện Khoa học Công nghệ quân vào hồi ngày tháng năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học Công nghệ quân - Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài luận án Trong điều kiện sóng to gió lớn biển khơi, để đảm bảo an toàn phục vụ vận chuyển lên/xuống tàu, tàu với đảo, với nhà giàn với cột điện gió, v.v hệ thống ổn định tiếp cận cầu cảng (HTOĐ) đặt tàu hệ thống có vai trị quan trọng Đây hệ thống điều khiển phức tạp có nhiều tham số phi tuyến bất định Hiện kết nghiên cứu hệ thống nhìn chung cịn khiêm tốn, đặc biệt điều khiển Vì tổng hợp điều khiển cho HTOĐ đặt tàu biển cần thiết, có ý nghĩa khoa học thực tiễn cao Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu Mục đích: Xây dựng kết cấu, mơ hình điều khiển, nghiên cứu mơ phỏng, phân tích yếu tố ảnh hưởng đến trạng thái ổn định phần cơng tác q trình vận chuyển người, hàng hố biển, sau thực tổng hợp luật điều khiển cho điều khiển ổn định phần công tác Đối tượng nghiên cứu: HTOĐ phần cơng tác hệ thống điều khiển giữ ổn định Phạm vi nghiên cứu: Tập trung xây dựng tổng hợp điều khiển ổn định phần công tác HTOĐ kiểu robot song song GoughStewart giả định gá đặt sàn tàu Phương pháp nghiên cứu Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với mô phỏng, sử dụng cơng cụ lý thuyết để xây dựng mơ hình HTOĐ, tổng hợp điều khiển sử dụng phần mềm mô phỏng, đánh giá Bố cục luận án Luận án gồm 112 trang trình bày thành chương, 83 hình vẽ, 10 bảng biểu, chia thành chương, mục bố cục sau: Mở đầu Chương Tổng quan hệ thống tiếp cận cầu cảng Chương Xây dựng mơ hình tốn mơ hình mô HTOĐ Chương Tổng hợp điều khiển PD KGCT cho HTOĐ Chương Tổng hợp điều khiển thích nghi cho HTOĐ Kết luận Ý nghĩa thực tiễn ý nghĩa khoa học luận án Ý nghĩa thực tiễn: Các kết trình bày luận án có ý nghĩa quan trọng việc xây dựng sở lý thuyết kiểm chứng độ tin cậy điều khiển cho HTOĐ Từ kết mơ phân tích, đánh giá, tiến tới cài đặt cho mơ hình thực nghiệm trước tiến tới áp dụng chế tạo hệ thống thật Ý nghĩa khoa học: Nội dung nghiên cứu luận án đề xuất số phương pháp giải toán điều khiển hệ thống song song đặt sàn di động Đây tốn khó có cơng trình nghiên cứu cơng bố giới giải trọn vẹn tốn Chính kết nghiên cứu luận án có ý nghĩa khoa học việc giải toán điều khiển cho hệ thống robot lắp đặt phương tiện di động Chương TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TIẾP CẬN CẦU CẢNG 1.1 Tổng quan hệ thống tiếp cận cầu cảng 1.1.1 Tiếp cận trực tiếp từ tàu cỡ nhỏ đến tầng thấp cơng trình Tiếp cận từ tàu cỡ nhỏ trực tiếp đỗ tầng thấp sát mặt biển cơng trình, thực dựa lực cản mạn tàu với rào chặn cơng trình triệt tiêu chuyển động tịnh tiến tàu 1.1.2.Tiếp cận từ tàu lớn đến tầng cơng trình biển Tiếp cận đến tầng cơng trình biển độ cao 15-20m so với mực nước biển Chuyển động tàu sóng biển gây bù chủ động bị động Một công ty đầu Ampelmman xây dựng hệ thống dựa sở robot song song Gough-Stewart 1.1.3 Tiếp cận cơng trình biển máy bay trực thăng Tiếp cận từ điểm đỗ cao hoạt động điều kiện vận tốc gió lên tới 20m/s Phương pháp linh hoạt vận chuyển số lượng hạn chế địi hỏi cơng trình biển phải ổn định dao động, gió ơn hịa 1.1.4 Giải pháp tiếp cận cơng trình biển Việt Nam Hiện Việt Nam, phương thức chủ yếu đưa người lên/xuống cơng trình biển thực thủ cơng tồn nhiều rủi ro 1.1.5 Các dạng dao động tàu mặt nước Sáu chuyển động dao động tàu mơ tả Hình 1.6 Trong đó, a: chuyển động tịnh tiến theo phương dọc; b: chuyển động tịnh tiến theo phương ngang; c: chuyển động tịnh tiến theo phương đứng; d: chuyển động quay Hình 1.6 Hệ tọa độ tàu quanh trục dọc; e: chuyển động quay quanh trục ngang; f: chuyển động quay quanh trục đứng 1.2 Giải pháp cho HTOĐ HTOĐ phát triển dựa sở robot song song Gough-Stewart 1.3 Tổng quan hệ thống robot song song 1.3.1 Các cơng trình nghiên cứu Việt Nam Cho đến kết nghiên cứu robot song song hầu hết mang tính bản, phù hợp với mơ hình thực nghiệm mơ Qua khảo sát cơng trình cơng bố nước, chưa thấy nghiên cứu sâu tổng hợp hệ thống điều khiển robot song song dạng Gough-Stewart 1.3.2 Các cơng trình nghiên cứu giới Khi xem xét đến kết cấu khí đặc tính động học, robot song song đạt chất lượng tốt so với tay máy nối tiếp vận tốc, độ xác độ cứng vững,.v.v Đối với toán điều khiển, điều khiển PID đáp ứng tương đối tốt cho toán điều khiển robot song song Mặc dù để để giải toán tác nhân bất định phi tuyến, nhiều thuật toán tiên tiến phát triển áp dụng lý thuyết điều khiển thích nghi, điều khiển bền vững điều khiển dự báo.Trong số nghiên cứu ứng dụng kết hợp điều khiển với số phương pháp quan sát trạng thái, nhận dạng, điều khiển khác cho nhiều kết khả quan Đa số cơng trình nghiên cứu hệ thống điều khiển robot song song giải tốn trường hợp robot có phần đế gá cố định bệ đỡ cố Bài tốn điều khiển robot song song có đế di động tốn khó mở Một số cơng trình tập trung xây dựng mơ hình động lực học cho hệ thống robot với phần đế di động Một số cơng trình đề xuất phương pháp xây dựng mơ hình sóng biển đáp ứng tàu biển Thuật toán điều khiển cho hệ thống ổn định bệ đặt tàu nghiên cứu năm gần thực tế có cơng ty chế tạo thành cơng hệ thống thực sử dụng tay máy robot nối tiếp robot song song Trong hệ thống Ampelmann robot song song chân, bậc tự do, phiên đảo ngược robot Gough-Stewart Robot khổng lồ gắn tàu cỡ lớn, không cần kết nối trực tiếp với nhà giàn mà có khả tự cân tác động sóng biển Trên thực tế đa số cơng bố nói kết thử nghiệm thành cơng biển kết cấu điện- hệ thống này, kết nghiên cứu liên quan đến hệ thống điều khiển điều khiển, tính toán quỹ đạo bù chuyển động đến bậc tự cho hệ thống Ampelmann bí mật cơng ty nên chưa cơng bố rộng rãi giới tốn khó, phức tạp, có ý nghĩa khoa học thực tiễn cao Vì nội dung nghiên cứu luận án tập trung vào việc tổng hợp điều khiển cho HTOĐ có cấu trúc tương tự hệ thống Ampelmann hay kiểu robot song song Gough-Stewart 1.4 Kết luận chương Từ phân tích chương cho thấy bù dao động chủ động của hãng Ampelmann phương án khả thi phù hợp Ngồi cơng bố nước chưa thực đầy đủ tường minh, giải vấn đề ổn định tiếp cận cầu cảng nhiệm vụ luận án là: Xây dựng mơ hình tốn cho robot song song kiểu Gough-Stewart, xác định phương pháp mô Đề xuất tổng hợp điều khiển cho HTOĐ sở robot song song Gough-Stewart Mô điều khiển đề xuất với phương pháp mô xác định, so sánh đánh giá tính hiệu Chương XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN VÀ MƠ HÌNH MƠ PHỎNG HTOĐ 2.1 Xây dựng mơ hình tốn cho HTOĐ 2.1.1 Mơ hình hình học Hệ thống ổn định tiếp cận cầu cảng giữ ổn định cho cầu lại robot song song kiểu Gough-Stewart Các hệ tọa độ ký hiệu mô tả hình 2.1 Hình 2.1 Hệ tọa độ O0 OP gắn với phần đế phần công tác tương ứng Ký hiệu liên kết, hệ tọa độ gắn với liên kết chân robot định nghĩa Hình 2.2.Ma trận biến đổi chuyển từ hệ tọa độ hệ tọa độ ứng với tham số xác định (2.1) Trong đó, Rot(u,t) ma trận quay góc t quanh vectơ u, Trans(u,d) ma trận tịnh tiến khoảng d dọc theo phương vectơ u, i R j ma trận quay i Pj vectơ vị trí, Cθ j  cos θ j , Sθ j  sin θ j   i i T =  R j j  01× i Hình 2.2 Các hệ tọa độ, lực momen chân i tác dụng lên phần công tác  Cθ -Sθ j dj  j      iP Cα Sθ Cα Cθ -Sα -r Sα j j j j j  j  =  j j     Sα jSθ j Sα jCθ j Cα j r jCα j      0   R j =  i s j  i nj i (2.1) a j  =Rot  x,a j  Rot z,q j   (2.2) Giá trị khớp thứ j tính theo cơng thức: q ji  (1 σ ji )θ j  σ ji rj (2.3) 0P   PP   i   TP  i          (2.4) Từ mối quan hệ: tìm lời giải tốn hình học ngược robot.: q 3i   0Pix  0Bix    0Piy  0Biy    0Piz  0Biz  2 (2.5) 2.1.2 Mơ hình động học 2.1.2.1 Mơ hình động học ngược robot 0 (2.6) q a  J XP P T qa -vectơ vị trí khớp, X P   VPT ωTP  vectơ vận tốc không gian 2.1.2.2 Mơ hình động học ngược chân robot q i  J 3i VPi (2.9) 1 J3i - nghịch đảo ma trận Jacobian chân i Gia tốc ˆ   0 0    i = J -1 i q 3i 13×3 , - Pi  X P + ω P × ω P × Pi - J 3i q     khớp chân i:   (2.16) 2.1.3 Mơ hình động lực học 2.1.3.1 Mơ hình động lực học ngược robot Bước 1: Tính tốn fi sử dụng động lực học chân robot Dạng tổng qt mơ hình động lực học ngược chân robot: T i   0J 3i Γi  Hi qi , q i , q fi (2.17) Sử dụng phương trình (2.17) cơng thức tính Jacobian, ta có:  f   J 1 i 3i  T    Hi qi , q i , q i  J3i1 T (2.19) Γi f  H q , q , q  i xi  i i i   a3i 3i (2.20) Bước 2: Tính tốn động lực học phần công tác Tổng hợp lực momen tác dụng lên phần công tác điểm OP (hay P1): 1    Pˆ    FP = i =1 3×3 0 (2.26) fi i FP - Tổng hợp ngoại lực momen Thế (2.20) vào (2.26), ý đến cơng thức tính nghịch đảo ma trận Jacobian robot, ta có:  13×3  i=1   i      Pˆ  0a 3i Γ 3i  =  J -1P  T Γ robot (2.28) Từ dạng đầy đủ mơ hình động lực học ngược robot: Γ robot  J PT H robot (2.29)  133        Hrobot  0FP    H q , q , q      xi i i i    i1    Pi     (2.30) 2.1.3.2 Mơ hình động lực học thuận robot Bước 1: Tính tốn lực phản hồi fi chân i  0f A 1 -0P  xi  33 i  XP Axi i       ωP  0ωP 0 Pi 0 J 3i q i hxi qi ,q i  0 a3iΓ3i Trong A xi ma trận qn tính Cartesian chân i robot (đối với điểm Pi) h xi thành phần trọng lực, ma sát Coriolis chân i (2.32) Bước 2: Xây dựng mơ hình đầy đủ Thế phương trình (2.32) vào (2.26) sử dụng quan hệ (2.28) (2.34) dạng đầy đủ mô hình động lực học thuận robot:  1  1 T  JP Γ robot  h robot       X P  A robot   (2.34) 2.2 Xây dựng mơ hình mô cho HTOĐ 2.2.1 Mô với SimMechanics MATLAB/SIMULINK 2.2.1.1 Phương pháp thực Trình tự thực hiện: Thiết kế khí 3D hệ thống Xuất vẽ sang dạng STL Xây dựng khối, sơ đồ mô hệ thống MATLAB/SIMULINK nhờ SimMechanics Nếu cần thay đổi thông số chi tiết kết cấu khí, chỉnh sửa lại thiết kế 3D thực lại từ đầu 2.2.1.2 Sơ đồ mô SIMULINK Hình 2.5 Sơ đồ khối HTOĐ MATLAB-SIMULINK Trong sử dụng điều khiển PID không gian khớp điều khiển giữ ổn định phần cơng tác hệ thống với tín hiệu đặt sai lệch độ dài chân so với giá trị ban đầu tương ứng: dL i   R P  Pi  P   B i  L 0i   i  1, , 6 (2.43) 2.2.1.3 Mô với công cụ SimMechanics Các thông số thiết kế hệ thống: khối lượng phần công tác (cả cầu nối) mP=9.29kg Hành trình xylanh 0.25m, đường kính đế 0.8m, đường kính bệ di động 0.6m, chiều dài cầu nối gắn với bệ di động 1.4m, toàn làm từ vật liệu nhẹ (trọng lượng riêng 340 kg/m3) Chuyển động tàu khởi tạo với dao động xoay quanh trục x biên độ lớn (  11.46 ) dao động với biên độ nhỏ xung quanh trục y z Kết mô cho thấy khả bù dao động xung quanh trục y z không thực tốt Để nâng cao chất lượng điều khiển cần có điều khiển tốt 2.2.2 Mơ hình mơ kết hợp MSC ADAMS MATLAB/SIMULINK 2.2.2.1 Phương pháp thực Trình tự thực hiện: Thiết kế khí 3D hệ thống robot Chuyển vẽ thiết kế sang định dạng mà MSC ADAMS sử dụng Xác định tham số động lực học khâu chân robot phần đế di động Xây dựng mơ hình động lực học robot sử dụng cơng cụ MATLAB Symbolic Cuối so sánh mơ hình robot xây dựng MSC ADAMS với mô hình tốn xác 2.2.2.2 Mơ kết hợp MSC ADAMS với MATLAB/SIMULINK Hình 2.16 mơ hình động lực học thuận robot xuất từ phần mềm MSC ADAMS 2.2.2.3 Mơ đánh giá Sơ đồ Hình 2.17 xây dựng từ mơ hình động lực học ngược thuận (2.27) (2.32) Sơ đồ Hình 2.18 có mơ hình động lực học ngược xây dựng từ (2.27) mơ hình động lực học thuận Hình 2.16 Các khối SIMULINK hệ thống robot xuất từ MSC ADAMS xuất từ MSC ADAMS Kết mô từ hai sơ đồ SIMULINK cho thấy hai cho đáp ứng giống Hình 2.17 Sơ đồ khối SIMULINK hệ thống điều khiển vị trí robot khơng gian cơng tác (KGCT) sử dụng mơ hình tốn xác 11 Γ robot  J TP K Pe  K De  KP KD J TP Γ d dt Hình 3.3 Sơ đồ khối HTOĐ với điều khiển PD KGCT 3.2.2 Mô đánh giá Sơ đồ mô HTOĐ MATLAB-SIMULINK Hình 3.4 Hình 3.4 Sơ đồ mô HTOĐ với điều khiển PD KGCT Kết mơ với (K P = 70000 ×16×6 ,K D = 100 ×16×6 ) cho thấy phần cơng tác giữ vị trí cân với sai lệch điểm cơng tác (điểm P1) vị trí khoảng 4.4%, giảm khoảng 23 lần, hướng khoảng 1.5%÷2%, giảm khoảng 50 lần so với sai lệch đế (tại điểm B1) Nếu giảm hệ số, chọn K P = 10000 ×16×6 , ta nhận đáp ứng lực nhỏ hơn, nhiên sai lệch vị trí điểm công tác khoảng 13%, giảm khoảng 7.5 lần hướng khoảng 6%, giảm khoảng 17 lần Như điều khiển phụ thuộc lớn vào việc lựa chọn số (KP, KD) Tiếp theo trình bày số điều khiển PD mở rộng 3.3 Tổng hợp điều khiển PD bù lực KGCT 3.3.1 Ngun lý điều khiển Từ mơ hình động lực học ngược hệ thống (2.29), biểu diễn lại :   CX   Q  0F  (3.8) Γrobot  0JTP MX Leg Từ phương trình (3.8), đề xuất luật điều khiển sau: 12  ,X   , X Γrobot  J PT K P e  K De  Q  0FLeg q, q , q   (3.12) Trong phương pháp thực phép thay thế:   CX   K e  K e MX P D (3.13) Luật điều khiển cho phép bù thành phần lực gây lực trọng trường phần công tác động lực học chân robot 3.3.2 Tính ổn định hệ thống  - X   Khai triển (3.13) với e = X d = -X ta có với: K1  M1 K D  C, K  M1K P (3.15) Phương trình cân vịng kín hệ thống có dạng: e  K1e  K 0e  (3.16) Sử dụng tiêu chuẩn Lyapunov để đánh giá tính ổn định hệ thống Hàm Lyapunov chọn sau: 1 V = e Te + eT K 0e 2 (3.17) Tham số K P , K D  phải chọn cho K , K1  (3.15) xác định dương Đề xuất lựa chọn K P ,K D  sau: Bước 1: - Chọn K  diag  k 01,k 02 , ,k 06  , k 0i >0 i=1, ,6 - Chọn K1  diag k11,k12 , ,k16  , k1i >0 i=1, ,6 Bước 2: Chọn tham số K P ,K D  từ (3.15) K P  M  K , K D  M  K1  C (3.20)     Γ  0J TP K Pe  K De  Q  FLeg q, q , q, X , X KP KD J TP Γ d dt Q FLeg   K P  M  K  K D  M  K  C   Hình 3.10 Sơ đồ khối HTOĐ với điều khiển PD bù lực KGCT Với luật thiết kế (3.20), sơ đồ khối hệ thống Hình 3.10 Bộ tham số K P ,K D  cập nhật theo ma trận qn tính khơng gian M ma trận C 13 3.3.3 Mô đánh giá Sơ đồ mơ HTOĐ MATLAB-SIMULINK Hình 3.11 Hình 3.11 Sơ đồ mơ HTOĐ với điều khiển PD bù lực KGCT Vẫn với quy luật dao động (2.49) tàu, mô với K = 10000× 16×6 , K = 150× 16×6 cho kết sai lệch vị trí lớn khoảng 5.5%, giảm khoảng 18 lần sai lệch hướng khoảng 4.0% giảm khoảng 25 lần, tốt trường hợp trước, đồng thời giá trị lực đáp ứng chấp hành điều khiển chân tương đối tốt 3.4 Tổng hợp điều khiển PD tựa gia tốc bù lực KGCT 3.4.1 Luật điều khiển  bệ di động hàm sai lệch e: Thay vectơ gia tốc không gian X  X  w  K P e +K D e (3.21) Bộ điều khiển Tín hiệu đặt   , w  , X Γ  0J TP K 'Pe  K 'De  Q  0FLeg q,q ,q    K P e K D J TP d dt Q Tín hiệu dao động thân tàu  Γ Tín hiệu Mơ hình động đầu lực học HTOĐ FLeg KP  KD d dt   K 'P  MK P   ' K D  MK D  C   Đo lường Hình 3.14 Sơ đồ khối HTOĐ với điều khiển PD tựa gia tốc bù lực KGCT 14 Luật điều khiển trở thành:  , w , X Γrobot  0J TP  K 'Pe  K 'De  Q  0FLeg q, q , q   (3.23) với K'P  MKP , KD'  MKD C , sơ đồ khối HTOĐ Hình 3.14 3.4.2 Mơ đánh giá Sơ đồ mô HTOĐ MATLAB-SIMULINK Hình 3.15 Tiến hành mơ hệ thống với quy luật dao động (2.49) tàu, tham số K P , K D  chọn giá trị giống K , K1  Kết mô cho thấy chất lượng điều khiển hệ thống có cải thiện tốt so Hình 3.15 Sơ đồ mô HTOĐ với điều khiển tựa gia tốc bù lực KGCT với hệ thống với điều khiển PD bù lực Hình 3.11, sai lệch vị trí lớn khoảng 4.5%, giảm khoảng 22 lần, hướng khoảng 3.3%, giảm khoảng 30 lần, tốt trường hợp trước kể đáp ứng lực 3.5 Xác định tham số tối ưu cho điều khiển 3.5.1 Đặt toán tối ưu Tìm tham số r   r1,r2 , , rp  T giúp giảm thiểu hóa vài tiêu chí f r   f1 r, f r,  : ropt  argmin f r (3.24) thỏa mãn điều kiện hạn chế: rmin  r  rmax , r  Cr (3.25) rmin rmax giá trị chặn chặn vectơ tham số r Ở đây, vectơ tham số r  K P , K D  Mỗi tiêu chí fi r tính tốn dựa sai lệch đầu hệ thống HTOĐ so với vị trí cân 15 ban đầu Cr tập hợp vectơ tham số thỏa mãn tất điều kiện hạn chế phi tuyến hệ thống 3.5.2 Các tiêu chí đánh giá chất lượng điều khiển Sai lệch trung bình tuyệt đối vị trí e P ; Sai lệch trung bình tuyệt đối định hướng eΦ ; Sai lệch tuyệt đối lớn vị trí ||dP||max; Sai lệch tuyệt đối lớn định hướng ||d||max; Đáp ứng lớn lực điều khiển Fmax 3.5.3 Tham số tối ưu điều khiển PD tựa gia tốc bù lực KGCT Đưa quy trình tính tốn tham số tối ưu cho điều khiển PD tựa gia tốc bù lực KGCT hệ thống HTOĐ Hình 3.14 3.5.3.1 Lựa chọn phương pháp xây dựng tốn tối ưu Trong luận án tơi sử dụng phương pháp giới hạn hàm mục tiêu [77]) Để giải cách hiệu toán tối ưu với điều kiện hạn chế phi tuyến, sử dụng cơng cụ giải tối ưu tồn cục MATLAB (MATLAB Global Optimization Toolbox [69]) 3.5.3.2 Bài toán tối ưu theo phương pháp giới hạn hàm mục tiêu Tham số toán tối ưu r  K P ,K D  Để đơn giản hóa việc tính toán coi tất phần tử đường chéo nhau, vectơ tham số trở thành r   kP kD  Bài toán tối ưu phát biểu sau: Tìm tham số tối ưu ropt cho giúp giảm thiểu hóa hàm mục tiêu f r  T ropt  argmin f r  r (3.32) thỏa mãn điều kiện : rmin  r  rmax , g1 r   f1 r   f1max  g2 r   f r   f 2max  0, , gm r   f m r   f m max  (3.33) Trong đó, fi r  i  1, , m hàm tính toán tiêu đánh giá chất lượng đáp ứng đầu hệ thống fi max i  1, , m  giá trị lớn giới hạn giá trị hàm tiêu tương ứng Như ứng với tiêu đánh giá chất lượng ta xây dựng điều kiện hạn chế toán tối ưu : gi r  i  1, , m 3.5.3.3 Lựa chọn tiêu chí đánh giá chất lượng Với giả thiết vectơ tham số đơn giản bao gồm hai phần tử T r   kP kD  , hồn tồn biểu diễn dạng đồ thị phụ thuộc tiêu chất lượng vào biến thiên r 16 Để xác định giá trị hàm tính tốn tiêu chí eP , e , dP max , d max Fmax thực chia lưới giá trị hai tham số kP , k D Ứng với giá trị r, chương trình mơ hệ thống HTOĐ theo sơ đồ Hình 3.15 chạy với thông số khối P D gán tương ứng, sai lệch đáp ứng đầu sử dụng để tính tốn hàm tiêu chí Khoảng chia lưới lấy với kP  8000, 15200  kD  85, 200  Thời gian chạy mô T=2s Tất thông số khác giữ nguyên giá trị trường hợp sử dụng điều khiển tựa gia tốc bù lực KGCT Từ kết mơ cho thấy phải có thỏa hiệp tiêu chí đánh giá chất lượng đáp ứng đầu hệ thống 3.5.3.4 Mô điều khiển với tham số tối ưu Bài toán tối ưu phát biểu lại sau : Tìm tham số tối ưu ropt giúp giảm thiểu hóa hàm mục tiêu f r    N ropt  argmin   Pd k   P k   eP r    N k=1 r          (3.34) thỏa mãn điều kiện : rmin  [0, 0]T  r  rmax  [+, ]T , g1 r   dP g2 r   d max 1  0, g3 r   Fmax  300  o max  0.01  0, (3.35) Sử dụng ‘‘Patternsearch’’ cơng cụ MATLAB global optimization toolbox [62] tìm tham số cho toán (3.34) T ropt  12000, 115.25 , nghiệm tối ưu cục Các tiêu chất lượng trường hợp so sánh với trường hợp mô hệ thống điều khiển HTOĐ Hình 3.15 với tham số r  10000, 150  Các kết T mơ tính tốn tiêu chất lượng hai trường hợp thời gian mô hệ thống điều khiển HTOĐ 2s 10s với tham số tối ưu ropt = 12000, 115.25  cho kết tốt nhiều so với trường hợp T lại Điều khẳng định lại độ tin cậy kết giải tối ưu 17 Bảng 3.3 Tổng hợp giá trị tiêu đánh giá mô hệ thống với điều khiển PD khác KP,KD chưa tối ưu KP,KD tối ưu (KP=10000;KD=150) (KP=1200;KD=115.25) Chỉ tiêu PD PD(*) PD(**) PD(**) ||dP||max 21.51 mm 9.01 mm 7.434 mm 5.579 mm 1.013 o 0.689 o 0.575 o 0.451 o ||d||max ep 13.91 mm 3.751 mm 3.519 mm 2.457 mm o o o 0.480 0.249 0.228 0.161 o e Fmax 200.8 N 242.2 N 237.2 N 293.5 N (*) Bộ điều khiển PD bù lực KGCT (**) Bộ điều khiển PD tựa gia tốc bù lực KGCT Như nhìn vào kết mơ Bảng 3.3 thấy điều khiển PD tổng hợp cho HTOĐ điều khiển hoạt động giữ ổn định cho cầu nối hệ thống mức chất lượng Mặt khác xét giới hạn cho phép yêu cầu lực chấp hành lớn Fmax điều khiển PD tựa gia tốc bù lực có hiệu giữ ổn định tốt so với trường hợp khác 3.6 Kết luận chương Tổng hợp điều khiển PD KGCT, đề xuất hai điều khiển PD mở rộng cho HTOĐ chứng minh tính ổn định Lyapunov Các điều khiển tổng hợp kết hợp với luật điều khiển xây dựng dựa mơ hình động học động lực học ngược hệ thống Kết mô cho điều khiển cho thấy chất lượng đáp ứng điều khiển tốn điều khiển giữ ổn định phần cơng tác HTOĐ ảnh hưởng dao động tàu gây sóng biển Bên cạnh đó, quy trình tính tốn tham số tối ưu cho hệ thống điều khiển đưa ra, giúp cải thiện chất lượng đáp ứng đầu hệ thống Kết mơ minh chứng cho tính hiệu hai điều khiển mở rộng so với điều khiển PD Chương TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO HTOĐ 4.1 Nguyên lý tổng hợp điều khiển thích nghi Khi ước lượng tham số động lực học bệ di động thực chất ước lượng thành phần FP (2.30) hay ma trận M, C, Q (3.8) T Đặt Y = XX P XYP XZP YYP YZ P ZZP MX P MYP MZP m P   vectơ tham số động lực học chưa biết bệ di động Ký hiệu Y ước 18    Y  Y vectơ sai lệch ước lượng Luật điều khiển lượng vectơ Y Y thích nghi phát biểu sau:  ˆ ˆ ˆ Γ = 0JT P Mw + CX + Q + FLeg  (4.3) ˆ Q ˆ ước lượng ma trận M, C, Q tương ứng: ˆ C, Trong M, ˆ = M(Y),C ˆ ˆ = C(Y),Q ˆ ˆ = Q(Y) ˆ (4.4) M     FP Ψ  X , X Y (4.5) Ở có mối quan hệ:  + CX  + Q = Ψ X,  X   Y MX ˆ  +Q ˆ = Ψ X,  X   Y ˆ  + CX ˆ MX e  066 e  K P Đặt x    , A     (4.6) 0  166   , xây dựng  , B   66  ý e  X  166  K D    phương trình trạng thái hệ thống (4.9) có dạng tuyến tính quen thuộc: ˆ -1 Y Y  x = Ax + BM (4.9) Để xét tính ổn định hệ thống, chọn hàm Lyapunov sau:  T DY  V = x T Px + Y (4.11) Trong D ma trận đường chéo xác định dương, K ma trận xác định dương cho trước, P nghiệm phương trình Liapunov (4.12): (4.12) A T P  PA  K     Y , Giả thiết vectơ Y thay đổi nhỏ, coi Y với D cho trước Để hệ thống (4.9) ổn định tiệm cận, chọn luật cập nhật điều khiển thích nghi sau:   Y  D1Ψ T M1   T BT Px (4.16) Từ cập nhật vectơ tham số Y vòng điều khiển theo (4.17):    Y  k   Y  k-1  D1ΨT M1   T BT Px t (4.17) Các bước thiết kế điều khiển thích nghi cho HTOĐ:   theo (4.5) Bước 1: Xác định ma trận Ψ  X , X Bước 2: Chọn ma trận D  diag d1,d , ,d10  , di >0 i=1, ,10 Bước 3: Chọn số K P , K D  khâu PD Vai trò K P , K D  giống điều khiển tựa gia tốc bù lực Mục 3.4 19 Bước 4: Chọn ma trận xác định dương K (4.12) Giải phương trình Lyapunov (4.12) để xác định ma trận P  Bước 5: Cập nhật tham số động lực học ước lượng phần cơng tác Y vịng điều khiển theo (4.17) Cập nhật vectơ lực điều khiển theo (4.3) Sơ đồ khối hệ thống với điều khiển thích nghi Hình 4.1  ˆ  Q ˆ  0F ˆ  CX Bộ điều khiển Γ  J TP Mw Leg Tín hiệu đặt e ˆ K + K d  M  P D dt  ˆ C J TP FLeg d dt ˆ Q Tín hiệu dao động thân tàu  Γ Hệ thống động lực học HTOĐ Tín hiệu đầu Ước lượng vectơ Y  ˆ k   Y ˆ k 1  D1Ψ T M ˆ 1 Y  T BT Px t Đo lường Hình 4.1 Sơ đồ khối HTOĐ với điều khiển thích nghi 4.2 Mơ hệ thống điều khiển thích nghi 4.2.1 Mô với tham số chưa tối ưu Sơ đồ mơ HTOĐ MATLAB/SIMULINK Hình 4.2 Hình 4.2 Sơ đồ mơ HTOĐ với điều khiển thích nghi 20  Trong Y0 khởi tạo tham số động lực học bệ di động Các ma trận KP, KD chọn Chương 3, D, K chọn sau: K P  10000  166 , K D  150 166 , D  11010 K  10  11212 Ma trận P nghiệm phương trình Lyapunov (4.12) a)Trường hợp 1: Khi khơng có thay đổi tải cầu nối Cấu hình hệ thống thiết lập giống trường hợp nghiên cứu Chương đánh giá tiêu với điều khiển xây dựng Kết mô cho thấy tiêu chất lượng tương đối tốt so với sử dụng điều khiển tựa gia tốc bù lực KGCT Mục 3.4 b)Trường hợp 2: Khi có thay đổi tải cầu nối Thay đổi tải trọng cầu nối cách đặt khối cầu nặng lên phần đầu cầu nối (mload =1.4322 kg  15.42% mP) Khởi tạo vectơ tham  số động lực học ước lượng phần cơng tác giống Y0 trước Các ma trận KP, KD, D, K P không thay đổi Kết mơ cho thấy điều khiển có khả giữ ổn định tương đối tốt c)Trường hợp 3: Khi thay đổi tham số điều khiển *Thay đổi ma trận D  0.0511010 - giảm giá trị phần tử đường chéo ma trận D từ xuống 0.05, điều giúp tăng hệ số  khuếch đại cập nhật vectơ tham số ước lượng Yk  (4.17) Kết mô cho thấy chất lượng đáp ứng hệ thống cải thiện đáng kể *Giữ nguyên D  0.0511010 , thay đổi ma trận số K  111212 - giảm giá trị đường chéo từ 10 xuống Kết mô cho thấy điều khiển có khả giữ ổn định tương đối tốt cho thấy việc giảm K tăng D làm giảm chất lượng điều khiển hệ thống Tuy nhiên, ta tùy ý chọn lựa giá trị cho K D Khi ta chọn K lớn (ví dụ K  2011212 ) chọn D nhỏ (ví dụ với D  0.0111010 ) hệ thống trở thành ổn định Mặt khác điều kiện ban   đầu Y0 gây ảnh hưởng đến chất lượng điều khiển Nếu Y0 sát với giá trị thực ta nhận miền ổn định tốt trường hợp * Giữ nguyên tham số K P , K D , K , thay đổi ma trận D  0.05×110×10 , thay đổi giá trị khởi tạo Yˆ 0 Trong có thành phần khối lượng mP 21  thay đổi giá trị xác phần cơng tác mP  10.71895kg  , đại lượng động lực học khác giữ nguyên giá trị Kết mô cho thấy tốt so với trường hợp D  0.0511010 , K = 112×12 4.2.2 Mơ với tham số tối ưu 4.2.2.1 Sử dụng tham số KP, KD tối ưu Bộ tham số KP, KD tối ưu tìm từ tốn tối ưu (3.34) K P  12000  166 , K D  115.25  166 Chạy mô hệ thống trường hợp có tải thay đổi, D  0.0511010 , K  10  11212 giá trị khởi tạo  m P 0 =m P +m load Kết tiêu đánh giá chất lượng sai lệch đầu cho thấy đáp ứng sai lệch tuyệt đối vị trí hướng tốt so với trường hợp khác trên, điều cho thấy ảnh hưởng rõ rệt tham số tối ưu tới chất lượng đầu hệ thống Tuy nhiên đáp ứng lực chấp hành lớn so với giá trị hạn chế Chương ( Fmax =300N ) Điều khối lượng thực khâu di động tăng thêm lượng mload  15.42%m P 4.2.2.2 Tính tốn tham số tối ưu mơ cho hệ thống điều khiển thích nghi Xác định tham số tối ưu K P , K D , K , D : Trong trường hợp này, vectơ tham số cần xác định chọn với r = k P , k D , k, d  với ma trận tham số tính tốn tương ứng: K P =k P×16×6 , K D =k D ×16×6 , K =k×112×12 , D=d×110×10 Bài tốn tối ưu phát biểu sau: Tìm tham số tối ưu ropt cho giúp giảm thiểu hóa hàm mục tiêu f r  :      ropt  argmin  eP r   r N  P k   P k  N k1 d        (4.20) thỏa mãn điều kiện : rmin  [0, 0,0,0.01]T  r  rmax  [20000,1000, 20,10]T , g1 r   dP max  0.01  0, g2 r  d max 1o  (4.21) g3 r  Fmax  375  Chú ý, giá trị giới hạn toán thay đổi với khoảng giá trị cho đáp ứng khả thi (hệ thống vận hành ổn định) Giải 22 tốn (4.20) tìm tham số tối ưu ( D = 0.03 × 110×10 , K = 11.0625 × 112×12 , K P = 12512 × 6×6 , K D = 115.25 × 6×6 ) Kết tiêu đánh giá chất lượng sai lệch đầu tính tốn trường hợp (thời gian mô Trun  10s ) sai lệch vị trí định hướng tốt so với trường hợp trước Để tiện so sánh kết mô phỏng, tiêu chất lượng đầu hệ thống sử dụng với điều khiển thích nghi tổng hợp Bảng 4.1, Bảng 4.2 Bảng 4.1 Tổng hợp giá trị tiêu đánh giá mô hệ thống với điều khiển thích nghi (Bộ tham số chưa tối ưu: KP=10000,KD=150) Có thay đổi tải ( mload  1.4322kg  15.42% mP ) Không tải Chỉ tiêu D=1; D=1; D=0.05; D=0.05; D=0.05; K=10 K=10 K=10 K=1 K=10 (*) ||dP||max 7.134 mm 9.328 mm 6.980 mm 8.058 mm 6.630 mm o o o 0.746 0.483 0.642 o 0.480 o ||d||max 0.541 ep 3.497 mm 3.760 mm 3.174 mm 3.621 mm 3.104 mm o o o 0.226 0.250 0.196 0.236 o 0.196 o e Fmax 210.5 N 287.6 N 294.4 N 246.6N 249.1 N ˆ P  10.71895kg (*) Yˆ 0 khởi tạo xác thành phần m Bảng 4.2 Tổng hợp giá trị tiêu đánh giá mô hệ thống với điều khiển thích nghi (Với tham số tối ưu) Thay đổi tải ( mload  1.4322kg  15.42% mP ) (*) (KP,KD) tối ưu: (KP,KD,D,K) tối ưu: Chỉ tiêu KP=12000, KD=115.25 KP=12512; KD=115.25; D=1; K=10; D=0.03; K=11.0625 ||dP||max 4.913 mm 4.795 mm o 0.352 0.310o ||d||max ep 2.578 mm 1.963 mm o 0.196 0.127 o e Fmax 354.1 N 375.0 N ˆ P  10.71895kg (*) Yˆ 0 khởi tạo xác thành phần m 23 Kết giá trị tiêu đánh giá chất lượng hệ thống Bảng 4.1 Bảng 4.2 cho thấy điều khiển thích nghi thực luật cập nhật (4.17) ước lượng thông số động lực học hệ thống, kết hợp với luật điều khiển PD tựa gia tốc bù lực KGCT điều khiển cho HTOĐ đảm bảo giữ ổn định phần công tác (bao gồm cầu nối) phạm vi định cho thấy hiệu giữ ổn định cầu nối thể rõ dệt sử dụng điều khiển thich nghi với tham số (KP, KD, D, K) tối ưu tìm từ (4.20) 4.3 Kết luận chương Từ đánh giá mơ hình phi tuyến với nhiều tham số thay đổi trình làm việc HTOĐ, đặc biệt thông số phần cơng tác, từ nội dung chương luận án đề xuất thuật toán điều khiển thích nghi cho HTOĐ Phương pháp đề xuất giúp giải toán điều khiển HTOĐ trường hợp chưa biết xác phần thông số động lực học hệ thống Các kết nghiên cứu mô qua trường hợp giả định khác cho thấy ảnh hưởng thay đổi tham số hệ thống điều khiển tới đáp ứng đầu toán điều khiển giữ ổn định phần công tác ảnh hưởng dao động tàu gây sóng biển tốt chứng minh tính đắn điều khiển đề xuất Để đưa tham số tối ưu cho điều khiển, luận án trình bày cách xác định tham số tối ưu từ chất lượng ổn định hệ thống cải thiện đáng kể KẾT LUẬN Luận án tập trung giải thành cơng tốn xây dựng mơ hình, phương pháp mô tổng hợp điều khiển khác cho toán ổn định hệ thống tiếp cận cầu cảng dựa sở robot song song GoughStewart với đế gắn với sàn tàu Kết thực tóm tắt sau: Các kết nghiên cứu thực luận án - Bài tốn mơ hình hóa HTOĐ: xây dựng mơ hình tốn bản, mơ hình hình học ngược, mơ hình động học thuận, mơ hình động lực học thuận ngược hệ thống robot song song dạng Gough-Stewart chân bậc tự lắp đặt sàn tàu chuyển động - Bài tốn mơ HTOĐ: xây dựng mơ hình mơ từ thiết kế 3D hệ thống sử dụng phần mềm tính tốn mơ đại cơng cụ SimMechanics MATLAB/SIMULINK MSC ADAMS 24 - Bài toán thiết kế điều khiển cho HTOĐ: Các nghiên cứu luận án tập trung vào thực thuật toán điều khiển: điều khiển PD KGCT, điều khiển PD bù lực theo thông số động lực học hệ thống, điều khiển tựa gia tốc bù lực KGCT điều khiển thích nghi Đề xuất số quy trình để xác định tham số tối ưu cho hệ thống điều khiển tương ứng, giúp tăng độ tin cậy điều khiển Những đóng góp - Xây dựng điều khiển PD (tỷ lệ vi phân) bù lực, PD tựa gia tốc bù lực KGCT cho hệ thống ổn định tiếp cận cầu cảng kiểu robot song song Gough-Stewart - Xây dựng điều khiển thích nghi cho hệ thống ổn định tiếp cận cầu cảng kiểu robot song song Gough-Stewart trường hợp có tham số bất định Hướng nghiên cứu Đối với tốn mơ hình hóa HTOĐ: việc xây dựng mơ hình tốn quan trọng cho hệ thống phải thực cách tối ưu giảm thiểu số lượng phép toán để thuận lợi cài đặt máy tính nhúng Đối với tốn mơ HTOĐ: kết nghiên cứu dừng lại việc sử dụng mô hình đơn giản có tính chu kỳ cho chuyển động tàu theo bậc tự chuyển động Trong thực tế, đặc tính sóng biển có tính phi tuyến cao, cần tiếp tục nghiên cứu khâu kiến tạo chuyển động tàu cho gần giống với đáp ứng thực tế nhằm phục vụ kiểm định đáp ứng thuật toán điều khiển cho HTOĐ Đối với toán thiết kế điều khiển cho HTOĐ: kết nghiên cứu luận án dừng lại số thuật toán điều khiển xây dựng dựa mơ hình tốn hệ thống KGCT, với giả thiết ước lượng thông số trạng thái hệ thống hệ tọa độ toàn cục ảo Điều khả thi hệ thống hỗ trợ thiết bị cảm biến chuyển động tàu theo bậc tự chuyển động Bên cạnh đó, nghiên cứu luận án giải lớp toán vấn đề điều khiển hệ thống robot song song đặt sàn di động Trong điều kiện đặc biệt, giải pháp không cho chất lượng đạt yêu cầu mong muốn, buộc phải có thuật tốn khác điều khiển bền vững, điều khiển dự báo hay kết hợp nhiều nguyên lý điều khiển với thiết kế thêm quan sát trạng thái (ví dụ, trường hợp cung cấp đầy đủ thiết bị cảm biến) Bài toán điều khiển cho HTOĐ toán mở thu hút nhà khoa học đào sâu nghiên cứu Giải thành công toán giúp mở nhiều ứng dụng thực tiễn đời sống lĩnh vực quốc phịng, an ninh./ NHỮNG CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ Nguyễn Thành Sơn, Hồng Quang Chính, Nguyễn Đình Quân, “Nghiên cứu hệ thống ổn định tiếp cận cầu cảng: Mô sử dụng công cụ SimMechanics MATLAB/SIMULINK”.Tạp chí Tự động hóa ngày nay-Hội tự động hóa Việt Nam, Số 16, 8/2016, Tr.34-43 Nguyen Thanh Son, Hoang Quang Chinh, Nguyen Dinh Quan, Le Hai, “Modeling and simulation of Gough-Stewart parallel robot using MSC ADAMS and MATLAB/SIMULINK”, Journal of Science and Technique, Military Technical Academy,Vol.183, 4/2017, p.88-100 Nguyen Thanh Son, Nguyen Vu, Hoang Quang Chinh, Nguyen Dinh Quan, “Study the offshore access system: Control system design”, Special Issue of Measure, Control and Automation, Vol 20, 12/2017, p.29-37 Nguyen Thanh Son, Nguyen Vu, Hoang Quang Chinh, Nguyen Đinh Quan, “Study the offshore access system: Adaptive control system design”, Special Issue of Measure, Control and Automation, Vol.21,8/2018, p.45-54 ... KGCT cho hệ thống ổn định tiếp cận cầu cảng kiểu robot song song Gough- Stewart - Xây dựng điều khiển thích nghi cho hệ thống ổn định tiếp cận cầu cảng kiểu robot song song Gough- Stewart trường hợp. .. việc thực tổng hợp điều khiển cho HTOĐ kiểu robot song song Gough- Stewart Chương TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN PD TRONG KGCT CHO HTOĐ 3.1 Sơ đồ khối chung hệ thống điều khiển ổn định cho HTOĐ Tín... toán điều khiển cho hệ thống robot lắp đặt phương tiện di động Chương TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TIẾP CẬN CẦU CẢNG 1.1 Tổng quan hệ thống tiếp cận cầu cảng 1.1.1 Tiếp cận trực tiếp từ tàu cỡ nhỏ đến