Đo, phân tích sóng biển và áp dụng cho bài toán điều khiển tự động tốc độ tàu thủy Đo, phân tích sóng biển và áp dụng cho bài toán điều khiển tự động tốc độ tàu thủy Đo, phân tích sóng biển và áp dụng cho bài toán điều khiển tự động tốc độ tàu thủy luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐÀO QUANG THỦY ĐO, PHÂN TÍCH SĨNG BIỂN VÀ ÁP DỤNG CHO BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TỐC ĐỘ TÀU THỦY LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐÀO QUANG THỦY ĐO, PHÂN TÍCH SĨNG BIỂN VÀ ÁP DỤNG CHO BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TỐC ĐỘ TÀU THỦY Chuyên ngành: Đo lường Mã số: 62.52.62.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS PHẠM THƯỢNG HÀN Hà Nội - 2012 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu Tơi khơng có trùng lặp với cơng trình cơng bố Đồng thời quan tâm, hướng dẫn tận tình trách nhiệm cao thầy hướng dẫn khoa học PGS.TS Phạm Thượng Hàn trường Đại học Bách khoa Hà nội, Tơi hồn thành Luận án Bộ mơn kỹ thuật đo tin học công nghiệp – Viện Điện Trong q trình nghiên cứu, Tơi sử dụng tài liệu tham khảo liệt kê Nếu sai Tơi hồn tồn chịu trách nhiệm Hà nội, ngày tháng năm 2012 Tác giả Đào Quang Thuỷ i LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn khoa học PGS TS Phạm Thượng Hàn tận tình hướng dẫn, bảo đồng hành em suốt trình làm Luận án Xin trân trọng cảm ơn GS.TS Phạm Thị Ngọc Yến – Trưởng môn kỹ thuật đo tin học công nghiệp, TS Nguyễn Quốc Cường Phó trưởng mơn kỹ thuật đo tin học cơng nghiệp, TS Nguyễn Thị Lan Hương Phó viện trưởng Viện Điện, TS Phạm Văn Diễn Cục trưởng – Cục Phát triển thị trường doanh nghiệp khoa học – Bộ KH CN đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho Luận án em thêm hoàn thiện mặt nội dung hình thức Nhân em xin gửi lời tới thầy cô giáo Viện sau đại học tạo điều kiện giúp đỡ nhanh chóng mặt thủ tục, quy trình suốt q trình làm luận án Xin trận trọng cảm ơn tới tập thể cán Trung tâm bể thử mô hình - Viện KHCN tàu thủy nhiệt tình hướng dẫn tơi làm thí nghiệm tạo sóng, đo sóng, cung cấp tài liệu bể thử đóng góp nhiều ý kiến thiết thực cho Luận án Qua xin cảm ơn đến bạn NCS học khóa 2008 - 2012 trường Đại học Bách khoa Hà Nội bạn đồng nghiệp giúp nhiều kiến thức thực tế Tác giả xin trân trọng cảm ơn nhà khoa học đồng nghiệp phản biện, lý luận, đóng góp ý kiến xây dựng trao đổi vấn đề lý thuyết thực tiễn để Luận án hoàn thiện Cuối cùng, xin gửi lòng biết ơn đến bố, mẹ người thân yêu gia đình kề cận, động viên, giúp đỡ mặt vật chất tinh thần suốt trình học tập đặc biệt thời gian làm Luận án Xin trân trọng cảm ơn! ii MỤC LỤC Lời cam đoan ……………………………………………………………………………… i Lời cảm ơn…….…………………………………………………………………………… ii Mục lục…………………………………………………………………………………… iii Mở đầu……………………………………………………………………………………… Chương TỔNG QUAN VỀ PHÂN TÍCH SĨNG BIỂN………………………… 1.1 Đặc trưng hình thành phát triển sóng biển 1.2 Phân loại sóng biển .8 ………………………………….8 ………………………………………………………………….9 1.3 Các mơ hình sóng biển có …………………………………………………….10 1.3.1 Mơ hình sóng Airy ……………………………………………………….10 1.3.2 Mơ hình sóng Korteweg and De Vries Boussinesq 10 1.3.3 Mô hình sóng Cnoidal Korteweg and De Vries 1.3.4 Mơ hình sóng đơn 10 .11 1.3.5 Xấp xỉ Fourier – Mơ hình Fenton 11 1.3.6 Mơ hình sóng điều hịa 11 1.3.7 Mơ hình sóng ngẫu nhiên 11 1.4 Các mơ hình phổ sóng biển có 1.4.1 Phổ Neuman 12 .12 1.4.2 Phổ Bretschneider 12 1.4.3 Phổ Pierson – Moskovitz .12 1.4.4 Phổ ISSC (hội nghị độ bền tàu thủy) 13 1.4.5 Phổ ITTC sử dụng tham số 13 1.4.6 Phổ ITTC sử dụng hai tham số 13 1.4.7 Phổ JONSWAP ……………………………………………………………14 1.5 Khái quát tình hình nghiên cứu ……………………………… 14 1.6 Đề xuất mô hình sóng ……………………………… 21 1.6.1 Lý đề xuất 21 1.6.2 Mơ hình sóng 22 1.6.3 Ưu điểm mơ hình sóng Kết luận chương 22 ………………………………………………………………… 22 Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ PHÂN TÍCH SĨNG BIỂN 2.1 Phân tích sóng biển điều hịa s(t) ………………… 24 ……………………………………………….24 2.1.1 Xác định yếu tố sóng biển điều hịa 2.1.2 Các đại lượng đặc trưng sóng điều hịa 2.1.3 Năng lượng sóng biển điều hịa 2.1.4 Phép phân tích sóng biển điều hịa iii .……………………… 25 ……………………… 26 ……….…………………………27 ……………………… 27 2.2 Phân tích sóng biển ngẫu nhiên ξ(t) ……………… ………………………… 27 2.2.1 Hai đặc trưng thống kê ……………………………………… 28 2.2.2 Bốn đặc tính số tín hiệu ngẫu nhiên ……………………………29 2.2.3 Phép phân tích sóng biển ngẫu nhiên 2.3 Mơ hình sóng biển tổng hợp X(t) 2.3.1 Tổng quan …… ……………………… 34 ……………………………………………… 34 ……………… ………………………………………………34 2.3.2 Các đại lượng thống kê cách tính đại lượng thống kê 2.4 Phân tích sóng biển tổng hợp qua phép phân tích phổ 2.4.1 Đặt vấn đề phép phân tích phổ 2.4.2 Lấy mẫu tín hiệu …………………….36 ……………………………………36 …………………………………………………………37 2.4.3 Tính hàm mật độ phổ lượng Gx(f) hàm X(t) 2.4.4 Tính diện tích hàm mật độ phổ lượng 2.5 Đánh giá chung Kết luận chương …………….39 ……………………… 40 …………………………………………………………………….41 ……………………………………………………………………….41 Chương ĐO VÀ PHÂN TÍCH SĨNG BIỂN QUA BỂ THỬ 3.1 Giới thiệu bể thử 3.2.1 Máy tạo sóng ……………………………………… 45 3.3 Nguyên lý đo sóng cảm biến siêu âm …………………………………….46 ………………………………………………………………… 48 3.5 Đo sóng ngẫu nhiên ……………………………………………………………….49 ………………………………………………………………… 49 3.7 Phân tích phổ sóng tổng hợp …………………………………………………….51 3.8 Tính lượng sóng từ hàm mật độ phổ Gx(f) Kết luận chương …………………………………….44 ………………………………………………………………44 3.2.2 Cấu trúc đo sóng bể thử 3.4 Đo sóng điều hịa …………………… 42 ……………………………………………………………… 42 3.2 Cấu trúc tạo sóng đo sóng bể thử 3.6 Đo sóng tổng hợp ……34 ………………………………54 ……………………………………………………………………….54 Chương ÁP DỤNG CHO BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG TỐC ĐỘ TÀU THỦY ………………………………………………………………………………………56 4.1 Một số mơ hình tàu thủy ………………………………………………………….56 4.1.1 Mơ hình hóa đối tượng …………………………………………………56 4.1.2 Mơ hình tốn học tuyến tính hóa dạng hàm truyền ……… 58 4.2 Bài tốn tính lực cản từ hàm mật độ phổ lượng sóng theo kích thước mơ hình tàu ………………………………………………….………………… 60 iii 4.2.1 Đặt tốn ………………………………………………………………60 4.2.2 Cơ sở lý thuyết ………………………………………………….……… 61 4.2.3 Kết tính tốn ………………………………………… ……… 62 4.3 Bài tốn tính tốc độ tàu theo cấp sóng 4.3.1 Đặt toán … …………………………………….63 ………………………………………………………………63 4.3.2 Cơ sở lý thuyết ………………………………………………….……… 64 4.3.3 Kết tính tốn ………………………………………… ……… 65 4.4 Bài toán áp dụng cho điều khiển tự động tốc độ tàu thủy 4.4.1 Đặt toán ………….…… 66 ………………………………………………………………66 4.4.2 Yêu cầu thiết kế hệ thống ………………………………………… 66 4.4.3 Sơ đồ cấu trúc điều khiển 4.4.4 Thiết kế hệ thống …………………………………………… 67 ………………………………….…………………….68 4.4.4.1 Xây dựng điều khiển mờ đầu vào …………….……… 68 4.4.4.2 Bộ điều khiển tốc độ tàu thủy sử dụng PID 4.4.4.3 Bộ điều khiển tốc độ tàu thủy sử dụng Logic mờ 4.4.4.4 Bộ điều khiển tốc độ tàu thủy sử dụng F-PID 4.5 Kết bàn luận Kết luận chương Kết luận kiến nghị Tài liệu tham khảo ………………69 …… 71 …….…… 72 ……………………………………………………………….75 ……………………………………………………………………… 78 ……………………………………………………………………79 ………………………………………………………………………80 Danh mục cơng trình cơng bố luận án …………………………………85 Phụ lục …………………………………………………………………………………… 86 iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT THNN THNND HTQ FFT DFT FLC PD F-PI PID F-PID ĐCMC BBĐ Bt Lt Ht ℜ A∈ℜmxn Vt u v Ut v' g r r' Iz I'z mt m' Y N Tín hiệu ngẫu nhiên Tín hiệu ngẫu nhiên dừng Hàm tương quan Biến đổi Fourier nhanh Biến đổi Fourier rời rạc Điều khiển Logic mờ Bộ điều chỉnh tỷ lệ-vi phân Bộ điều chỉnh tỷ lệ-tích phân Bộ điều chỉnh tỷ lệ-tích phân-vi phân Bộ điều chỉnh mờ - tỷ lệ-tích phân-vi phân Động chiều Bộ biến đổi Chiều rộng tàu (m) Chiều dài tàu (m) Chiều sâu mớn nước trung bình (m) Tập tất số thực Ma trận thực kích thước m x n chiều Thể tích lượng chiếm nước tàu (m3) Vận tốc tàu theo hướng trục x (m/s) Vận tốc tàu theo hướng trục y Tốc độ tàu (m/s) Vận tốc dạt tàu dạng không thứ nguyên Gia tốc trọng trường (9.8m/s) Tốc độ quay tàu (độ/s) Tốc độ quay tàu dạng không thứ nguyên Mômen quán tính tàu so với trục z (tấn.m2) Mơmen qn tính dạng khơng thứ ngun Khối lượng chiếm nước tàu Khối lượng dạng không thứ nguyên Tổng lực dạt Tổng mô men DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Thang sóng biển …………………………………………………………….36 Bảng 3.1: Các bể thử nghiệm tàu thủy ……………………………………………….43 Bảng 3.2: Bảng thống kê thông số sóng biển tổng hợp -1- ………………………50 Bảng 3.3: Bảng thống kê chiều cao, chu kỳ sóng biển tổng hợp H1/3 … ………50 Bảng 3.4: Kết tính lượng sóng từ diện tích hàm mật độ phổ Bảng 4.1: Các tham số mơ hình tàu CS2 ………54 ………………………………… ……….57 Bảng 4.2: Kết tính lực cản từ hàm mật độ phổ lượng ……………… 63 Bảng 4.3: Điều kiện thay đổi tốc độ tàu theo lượng sóng Bảng 4.4: Thơng số mơ hình tàu mẫu A B Bảng 4.5: Kết tính tốc độ tàu theo cấp sóng ………………….63 …………………………… …… 65 ……………………………… 66 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Sóng hai chiều ………… …………………………………………………….9 Hình 1.2: Phổ Pierson-Moskovitz …………………………………………………….13 -2- Hình 1.3: Phổ JONSWAP ……………………………………………………………….14 Hình 1.4: Sóng ngẫu nhiên đo điểm cố định …….……………………….15 Hình 1.5: Hệ tọa độ chuyển động lắc tàu sóng ………………………….17 Hình 1.6: Bố trí đối tượng vị trí điều khiển tàu thủy …………………….19 Hình 1.7: Nguyên lý thay đổi tốc độ tàu điều khiển diesel Hình 1.8: Nguyên lý điều khiển động séc vơ Hình 2.1: Mặt cắt sóng điều hịa ……………….20 ……………………………… ….20 …………………………………………………… 24 Hình 2.2: Các thơng số sóng điều hịa Hình 2.3: Tính hàm mật độ xác suất ……………………………….25 …………………………………………….….29 Hình 2.4: Tính hàm phân bố xác suất ………………………………………… ….29 Hình 2.5: Kỳ vọng tốn học tín hiệu ngẫu nhiên ………………………….….30 Hình 2.6: Dạng tín hiệu ngẫu nhiên thay đổi nhanh ………………………… ….31 Hình 2.7: Cách ghi số thứ tự cho sóng Hình 2.8: Lấy mẫu tín hiệu …………………………………….35 ……………………………………………………… ….38 Hình 2.9: Xác định tần số fmax Hình 2.10: Bề rộng mật độ phổ …………………………………………………….….39 …………………………………………………… 40 Hình 3.1: Cấu tạo bể thử tàu thủy ……………………………………………….….43 Hình 3.2: Sơ đồ cấu trúc tạo sóng bể thử Hình 3.3: Máy tạo sóng kiểu lề ……………………………… ….44 ………………………………………………….45 Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc đo sóng bể thử ……………………………… ….46 Hình 3.5: a - Nguyên lý thu phát sóng siêu âm ……………………………………46 Hình 3.5: b - Sơ đồ mạch thu phát sóng siêu âm …………………………….….47 Hình 3.5: c,d - Bố trí thiết bị cảm biến siêu âm ……………………………….….47 Hình 3.6: Lắp đặt cảm biến siêu âm tàu thủy Hình 3.7: Sóng điều hịa đo bể thử ………………………… ….48 ……………………………………… ….48 Hình 3.8: Sóng ngẫu nhiên đo bể thử …………………………………….….49 Hình 3.9: Sóng tổng hợp gồm sóng điều hịa ngẫu nhiên Hình 3.10: Hàm mật độ phổ sóng tổng hợp Hình 4.1: Mơ hình tàu thử CS2 …………………….50 …………………………………….….53 ………………………………………………… ….58 Hình 4.2: Sơ đồ cấu trúc truyền động biến đổi, động điện chân vịt…………………………… Hình 4.3: Sơ đồ cấu trúc động điện chiều kích từ độc lập ………….….59 Hình 4.4: Sơ đồ cấu trúc điều khiển động điện chiều kích từ độc lập 60 Hình 4.5: Ảnh hưởng chiều cao sóng đến tốc độ tàu ………………………… ….64 Hình 4.6: Ảnh hưởng cấp sóng gió tới tốc độ tàu ……………………… ….65 Hình 4.7: Sơ đồ cấu trúc điều khiển tốc độ tàu thủy theo lượng sóng Hình 4.8: Bộ điều khiển tốc độ tàu thủy theo lượng sóng -3- ….67 …………… ….68 ... dựng điều khiển mờ đầu vào …………….……… 68 4.4.4.2 Bộ điều khiển tốc độ tàu thủy sử dụng PID 4.4.4.3 Bộ điều khiển tốc độ tàu thủy sử dụng Logic mờ 4.4.4.4 Bộ điều khiển tốc độ tàu thủy sử dụng. .. sóng nhằm cải thiện mức độ tự động hóa, giảm số sỹ quan phục vụ tàu Cho nên tác giả chọn đề tài? ?Đo, phân tích sóng biển áp dụng cho toán điều khiển tự động tốc độ tàu thuỷ” làm luận án Tiến sĩ... mô điều khiển tốc độ tàu thủy sử dụng F-PID Hình 5.4: Sơ đồ mơ điều khiển tốc độ tàu thủy ….109 .109 Hình 5.5: a - Bộ điều khiển tốc độ tàu thủy theo lượng sóng .….109 Hình 5.5: b - Bộ điều