Tốc độ của tàu phụ thuộc vào các thành phần sức cản như sức cản sóng, sức cản ma sát, sức cản áp suất, sức cản không khí và sức cản gió, sức cản tàu do sóng tạo lên. Sức cản tổng hợp theo các công trình [6,15,57,58,59,60] được tính như sau:
RTH = RS + RMS + RC + RKK + RAW
- Sức cản sóng tàu R S: Xuất hiện khi tàu chạy tạo thành sóng xung quanh tàu, công thức tính sức cản có dạng: S v C RS S . . 2 .ρ 2 =
Trong đó, RS sức cản sóng (kG), CS hệ số sức cản sóng, ρ mật độ của nước, v tốc độ tương đối của tàu so với nước (m/s), S diện tích mặt ướt (m2) là diện tích bề mặt phần ngâm nước của thân tàu.
- Sức cản ma sát R MS: Xuất hiện bởi tác dụng lực nhớt của nước, công thức tính sức cản ma sát có dạng:
n MS MS C Sv R = . .
Trong đó, RMS sức cản ma sát (kG), S diện tích mặt ướt (ft2), v tốc độ (hải lý/h), CMS hệ số phụ thuộc chiều dài bề mặt.
- Sức cản áp suất R C: Xuất hiện do hiệu số áp suất phần mũi và đuôi tàu, hiệu số này tồn tại là do sự giảm áp suất vùng đuôi tàu so với vùng mũi. Công thức tính sức cản áp suất có dạng: 2 2 . . v S C RC C ρ =
Trong đó, RC sức cản áp suất (kG), S diện tích mặt ướt (m 2), ρ mật độ của nước
(kGs2/m4), v tốc độ (m/s), CChệ số sức cản áp suất.
- Sức cản không khí và gió R KK: Xuất hiện khi có gió tác động vào diện tích hình dáng tàu của phần trên đường nước và sức cản này phụ thuộc vào tốc độ tàu. Công thức tính sức cản không khí và gió có dạng: 2 . 2 . .S v C RKK KK T ρ =
Trong đó, RKK sức cản không khí và gió (kG), ST diện tích phần trên đường nước chiếu vào mặt cắt ngang (m2), ρ mật độ của nước (kGs2/m4), v tốc độ (m/s), CKK hệ số sức cản không khí và gió.
→ Nhận xét: Các thành phần sức cản sóng, sức cản ma sát, sức cản áp suất, sức cản không khí và sức cản do gió sẽ được tính toán trong bài toán thiết kế vỏ tàu thủy cho nên trong nghiên cứu của luận án các thành phần sức cản này được coi là hằng số. Vì vậy chỉ xét thành phần sức cản sóng để tính sức cản theo năng lượng sóng khi tàu chạy trên sóng.
đổi mặt ướt do tàu lắc và sóng biển làm xuất hiện hiện tượng tràn nước lên mặt boong tàu. Sự thay đổi lực cản chủ yếu sinh ra bởi ảnh hưởng đồng thời của sóng biển và chòng chành tới dòng bao thân tàu. Việc nghiên cứu khảo sát các tính chất của lực cản khi tàu chạy trên sóng biển phải dựa vào số liệu trong các điều kiện chuyển động của mô hình tàu trong bể thử trên sóng. Lực cản khi tàu chạy trên sóng và bỏ qua sự thay đổi của lực cản nhớt RAW
được viết như sau [6]:
AW3 AW2
AW1 R R
R
RAW = + +
Trong đó, RAW1 lực cản lắc, RAW2 lực cản nhiễu xạ, RAW3 lực cản tương tác. Công thức RAW đúng ngay cả khi tàu chạy trên sóng ngẫu nhiên, tuy nhiên vai trò của từng số hạng trên sóng điều hòa và ngẫu nhiên là khác nhau.
Các cặp thông số ảnh hưởng đến thành phần lực cản khi tàu chạy trên sóng biển điều hòa gồm tỷ số λ/L, h/λ, Fr, góc chạy tàu βB (góc tạo bởi hướng vận tốc tàu và hướng truyền sóng [63]). Khi tàu chuyển động trên sóng tiến βB = 1800 và chạy trên sóng theo thì βB = 00. Theo [6] khi tàu chạy trên sóng điều hòa ta có:
RAW/D = f(Fr, λ/L, h/ , λ βB)
Đề xuất đối với sóng tổng hợp thì lực cản phụ thuộc vào thành phần hàm mật độ phổ năng lượng Gx(f) nghĩa là:
RAW/D = f(Fr, λ/L, h/ , λ βB, Gx(f))
Trong đó, D lượng chiếm nước của tàu hay là thể tích chiếm nước của tàu, Fr hệ số ma sát, λ bước sóng, L chiều dài của tàu, h chiều cao sóng. Xét mối quan hệ giữa hàm mật độ phổ năng lượng sóng với lực cản,ta có:
RAW/D = f(Gx(f))
→ Vậy lực cản hay năng lượng sóng ảnh hưởng tới tốc độ của tàu khi tàu chạy trên sóng biển ngẫu nhiên sẽ được tính như sau:
RAW = D x Gx(f) kG
4.2.3. Kết quả và tính toán
Từ mô hình đối tượng CS2 đi tìm D: D = V x ρ (tấn)
Trong đó, V thể tích ngâm nước của tàu, ρ = 1,025 tỷ trọng của nước biển, δB = 0,7 hệ số béo thể tích, D lượng chiếm nước của tàu CS2.
V = T x B x δB =0,125 x 0,29 x 1,255 x 0,7 = 0,031 m3 Vậy lượng chiếm nước của tàu: D = 0,031 x 1,025 = 0,032 tấn
Theo kết quả tính trong mục 3.8 hàm mật độ phổ năng lượng của sóng cấp 1 sẽ là Gx(f) = 6400mm2s-1. Vậy kết quả tính năng lượng sóng sang lực cản theo kích thước mô hình tàu cho các cấp sóng như bảng 4.2.
Bảng 4.2: Kết quả tính lực cản từ hàm mật độ phổ năng lượng Cấp sóng Lượng chiếm nước
D (tấn) tổng hợp (mmNăng lượng sóng 2s-1) Năng lượng hay lực cản RAW
I 0,032 6400 0,0002
II 0,032 19000 0,0006
III 0,032 32000 0,001
IV 0,032 51000 0,0016
V 0,032 83000 0,0026
Các kết quả tính chuyển đổi năng lượng của sóng sang đơn vị lực tác động vào mô hình tàu và làm giảm tốc độ tàu khi chạy tàu trên sóng. Đây là kết quả sẽ được sử dụng mô phỏng, kiểm chứng và các giá trị này thay đổi theo kích thước của tàu.
Trên bảng 4.3 là điều kiện để thay đổi tốc độ đặt hay chuyển tốc độ theo năng lượng sóng và để áp dụng cho bài toán tự động điều khiển tốc độ tàu theo năng lượng sóng.
Bảng 4.3: Điều kiện thay đổi tốc độ tàu theo năng lượng sóng Cấp sóng Điều kiện chuyển tốc độ theo năng
lượng sóng RAW
Tốc độ tàu thay đổi theo năng lượng sóng
I RAW1 ≤ 0,0002 Chạy ở cấp sóng 1
II 0,0002 ≤ RAW2≤ 0,0006 Chạy ở cấp sóng 2 III 0,0006 ≤ RAW3≤ 0,001 Chạy ở cấp sóng 3 IV 0,001 ≤ RAW4 ≤ 0,0016 Chạy ở cấp sóng 4 V 0,0016 ≤ RAW5 0,0026 ≤ Chạy ở cấp sóng 5 4.3. Bài toán tính tốc đ tàu theo cấp sóng ộ
4.3.1. Đặt bài toán
Nhằm trình bày cách tính tốc độ theo cách tiếp cận mới đó là tính tốc độ tàu từ kích thước mô hình Kết quả tính sẽ được ứng dụng cho nhiều bài toán khác nhau. Cụ thể, áp . dụng cho bài toán điều khiển tốc độ tàu theo năng lượng sóng.
Theo cách tính cũ thì căn cứ vào tính toán hệ số béo thể tích của tàu [15]. Cụ thể:
Đi tính hệ số béo thể tích rồi từ đó tra theo đồ thị hình 4.5. Ứng với hệ số béo thể tích và với chiều cao sóng sẽ cho giá trị tốc độ của tàu. Hệ số béo thể tích được tính như sau:
ρ δ = LxBxTxD
Trong đó, D lượng chiếm nước, L chiều dài tàu, B chiều rộng tàu, T chiều chìm tàu, ρ mật độ của nước.
Hình 4.5: Ảnh hưởng chiều cao sóng đến tốc độ tàu (nguồn: [15]) 4.3.2. Cơ sở lý thuy t ế
Cách tiếp cận mới: Căn cứ vào kích thước tàu để xác định tốc độ theo từng cấp sóng (xét cho trường hợp 5 cấp sóng). Giả sử tốc độ đặt của tàu theo mô hình tàu CS2 là 15 hải lý/giờ tương đương 7,71m/s. Vậy căn cứ đặc tính được miêu tả trên hình 4.6 là tổng hợp các số liệu thực nghiệm trên các tàu A và B, trong đó có thể thấy mức độ ảnh hưởng của sóng đối với tốc độ tàu. Các số I, II, III, IV là hướng tới của sóng gió và có các đặc điểm như sau:
Hình 4.6: Ảnh hưởng của cấp sóng gió tới tốc độ tàu (nguồn: [7]) + Cấp sóng gió càng lớn tốc độ giảm càng nhiều.
+ Tỷ lệ chiều dài trên chiều rộng của tàu càng nhỏ thì tốc độ giảm càng lớn. + Hướng sóng gió đến từ phía mũi (I) và 2 bên mạn (II) làm giảm tốc độ lớn nhất. + Khi chịu sóng gió từ phía lái (IV), gió dưới cấp 4 5 tốc độ có tăng nhẹ, nếu sóng gió - vượt qua cấp 5 6 thì tốc độ bắt đầu giảm.-
Bảng 4.4: Thông số mô hình tàu mẫu A và B (nguồn: [7])
Kích thước Tàu A Tàu B
Chiều dài (m)
Hệ số đầy thể tích Công suất trục Tốc độ thiết kế 0,699 6000 15 0,770 13,000 16 4.3.3. K t quế ả và tính toán
Vì mô hình con tàu CS2 có tỷ lệ thật thuộc nhóm tàu mẫu A của bảng 4.4 cho nên căn cứ vào đồ thị hình 4.37 phần đường liền sẽ xác định được tốc độ tàu theo cấp sóng.
Con tàu được thiết kế với tốc độ là 15 hải lý/giờ. Quy đổi sang đơn vị m/s = (15 x 1850) : 3600 = 7,71m/s. Giả sử tốc độ đặt ban đầu là 7,71m/s khi đó hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ đặt con tàu theo các năng lượng sóng khác nhau.
Bảng 4.5 là kết quả làm tham số đầu vào để áp dụng cho bài toán điều khiển tốc độ tàu theo năng lượng sóng.
Bảng 4.5: Kết quả tính tốc độ tàu theo cấp sóng Cấp sóng Tốc độ đặt ban đầu
(m/s) theo cấp sóng (%) Tốc độ tính toán Giá trị đặt(m/s) thay đổi
I 7,71 1 7,6
II 7,71 2 7,55
III 7,71 3 7,4
IV 7,71 6 7,1
V 7,71 10 6,94
4.4. Bài toán áp dụng cho điều khiển tự động ố t c đ tàu thủộ y
Mục đích bài toán là dùng năng lượng sóng để thay đổi giá trị đặt tốc độ từ đó sẽ thay đổi tốc độ tàu thích nghi với năng lượng sóng biển.
4.4.1. Đặt bài toán
Để đưa con tàu đi tới đích đảm bảo an toàn về người, hàng hoá, phương tiện...thì vai trò của hệ thống điều khiển tốc độ kết hợp với hệ thống lái tự động tàu thuỷ [19] là rất quan trọng như tăng mức độ tự động hóa ở chế độ hành trình trên biển. Muốn thay đổi tốc độ con tàu khi hành trình trên biểngặp sóng gió (sóng đến cấp V), đối với các hệ thống điều khiển cũ thì trong suốt quá trình chạy biển phải điều chỉnh thường xuyên bằng tay nhằm đạt tốc độ mong muốn. Vì vậy luận án đề cập thiết kế, cải tiến bộ điều khiển tốc độ tàu có chức năng tự động điều chỉnh giá trị đặt. Sở dĩ như vậy vì khi hệ điều khiển tốc độ tàu thuỷ
tốc độ của tàu không thay đổi và sẽ kết hợp với hệ thống lái tự động nhằm tăng mức độ tự động hóa điều khiển lái tự động điều khiển tốc độ tàu tự động khi hành trình trê- n biển.
4.4.2. Yêu cầu về thiết kế hệ thống
Hệ thống được thiết kế theo các điều kiện sau: Không phụ thuộc vào trọng tải thực của con tàu, tàu chỉ chạy khi sóng biển nhỏ hơn hoặc bằng cấp 6, tàu chỉ chạy theo một hướng (chạy theo hướng cắt sóng), việc tự động điều chỉnh tốc độ của tàu chỉ sử dụng khi tàu khai thác ở chế độ hành trình trên biển và bỏ qua các thành phần sức cản sóng, ma sát, áp suất, không khí và gió.
4.4 . .3 Sơ đồ ấ c u trúc điều khiển
Hình 4.7: Sơ đồ cấu trúc điều khiển tốc độ tàu thủy theo năng lượng sóng - Các khối chức năng cơ bản trên hình 4.7:
Thiết bị đo và xử lý sóng biển: Làm nhiệm vụ đo sóng và tính toán năng lượng sóng. Bộ logic mờ đầu vào (F): Làm nhiệm vụ lấy năng lượng sóng để thay đổi giá trị đặt tốc độ tàu.
Bộ điều khiển tốc độ tàu (F PID): Được xây dựn - g từ việc kết hợp giữa Logic mờ và PID. Để điều khiển tốc độ con tàu(mô hình hóa CS2)thì phải điều khiển động cơ điện lai
chân vịt được thay bởi động cơ diesel lai chân vịt của mô hình tàu thật. - Nguyên lý tự động điều khiển tốc độ tàu trên hình 4.7:
+ Khi tàu hành trình chạy trên biển hệ thống điều khiển tốc độ tàu sẽ làm việc ở chế độ tự động. Ở thời điểm xuất hiện sóng gió thì phải thay đổi tốc độ tà cho thích hợp,u lúc này thiết bị đo sóng sẽ đo, ghi lại kết quả rồi phân tích và tính toán năng lượng sóng. Từ đó xây dựng luật điều khiển cho Bộ logic mờ đầu vào để tác động đến khối đặt tốc độ của hệ thống điều khiển tốc độ tàu làm thay đổi tốc độ tàu thích nghi với năng lượng sóng.
+ Các bước thiết kế bộ điều khiển mờ/Bộ logic mờ đầu vào thay đổi giá trị đặt tốc độ tàu thủy phụ thuộc vào năng lượng sóng gồm [18]:
Bước 1: Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào/ra.
Bước 2: Xác định các tập mờ cho từng biến vào/ra (mờ hoá): Miền giá trị vật lý của các biến ngôn ngữ, số lượng tập mờ, xác định hàm thuộc, rời rạc hoá tập mờ.
Bước 3: Xây dựng luật hợp thành. Bước 4: Chọn thiết bị hợp thành. Bước 5: Giải mờ và tối ưu hoá. 4.4.4.Thiết kế hệ thống
Sơ đồ điều khiển tự động tốc độ tàu thủy khi thay đổi giá trị đặt tốc độ sử dụng các bộ PID,Logic mờ, F-PID có cấu trúc như hình 4.8.
Hình 4.8: Bộ điều khiển tốc độ tàu thủy theo năng lượng sóng 4.4.4.1. Xây dựng b ộ điều khi n m u vào ể ờ đầ
Hình 4.9: Sơ đồ bộ điều khiển mờ đầu vào trong Simulink * Xác định hàm liên thuộc của các biến vào ra:
Hàm liên thuộc sử dụng ở đây là hàm liên thuộc tam giác cân. * Xây dựng các luật điều khiển:
Luật hợp thành gồm luật điều khiển.7
R1: Nếu IP = V1 Thì OP = R1 Hoặc R2: Nếu IP = V2 Thì OP = R2 Hoặc R3: Nếu IP = V3 Thì OP = R3 Hoặc R4: Nếu IP = V4 Thì OP = R4 Hoặc R5: Nếu IP = V5 Thì OP = R5 Hoặc R6: Nếu IP = V6 Thì OP = R6 Hoặc R7: Nếu IP = V7 Thì OP = R7 Hoặc
* Chọn luật hợp: Luật hợp thành R được chọn là luật hợp thành Max-Min
* Phương pháp giải mờ: Phương pháp giải mờ được chọn là phương pháp điểm trọng tâm.
4.4.4.2. B ộ điều khiển tốc độ tàu thủy sử ụng PID d
Bộ điều khiển PID được mô tả bằng phương trình toán học vào ra như sau: + + =K e t T ∫e d T dedtt t u t D I P ( ) 1 ( ) ( ) ) ( 0 τ τ (4.4)
Trong đó e(t) là tín hiệu đầu vào u(t) là tín hiệu đầu ra Kp là hệ số khuếch đại còn TI, TD
là các hằng số tích phân và vi phân tương ứng. Từ đó ta có hàm truyền đạt của mô hình như sau.
s K s K K s G I D p PID ( )= + + (4.5) trong đó: P D D I P I K K T K K T = , =
Ta sử dụng phương pháp Ziegler Nichols [22] để xác định các tham số của bộ điều – khiển PID, được thực hiện như sau:
- Thay bộ điều khiển PID trong hệ kín bằng bộ khuếch đại hình 4.10a. Sau đó tăng hệ số khuếch đại tới giá trị tới hạn kth để hệ kín ở chế độ biên giới ổn định, tức là đáp ứng có dạng dao động điều hoà hình 4.10b. Xác định chu kỳ Tthcủa dao động.
- Xác định tham số bộ điều khiển PID như sau: KP = 0,6kth; TI = 0,5 Tth và TD = 0,12 Tth
Hình 4.10: – a Sơ đồ cấu trúc xác định hằng số khuếch đại tới hạn
Hình 4.10: b – Đồ thị hàm quá độ h(t) của đối tượng
Với kth = 0,0476 thì hệ kín ở chế độ xác lập, h(t) có dạng dao động điều hoà như hình 4.10b. Từ đó xác định được Tth = 8,1s và các tham số của bộ điều khiển PID:
KP = 0,6 x 0,0476 = 0,0286 TI = 0,5 x 8,1 = 4,05
Hình 4.11: Sơ đồ bộ điều khiển mờ trong Simulink * Xác định biến ngôn ngữ và miền giá trị của nó:
Ta có 2 biến ngôn ngữ, trong đó có 1 biến vào và một biến ra
Biến vào ET (sai lệch giữa tốc độ đặt và tốc độ đo): có miền giá trị từ 50 đến 50.- Biến ra U (tín hiệu điều khiển): có miền giá trị từ 0,2 đến 0, - 2
* Xác định hàm liên thuộc của các biến vào ra: