Hiện nay, kết quả nghiên cứu củađề tài này đang được ứng dụng cụ thể vào tàu Seabird tại Hải Phòng. Các công việc về cơ khí- thuỷ lựcđã xong, thiết bịđiều khiển tựđộngđang hoàn thiện những công đoạn cuối. Trong thời gian tới, khi tàu có thể chạyđược (điều khiển trực tiếp) tôi sẽ có điều kiện kiểm nghiệm lại sản phẩm trong điều kiện khai thác thực tế.
- Trước khi cho hệ thống hoạt động ở chế độ tự động cần kiểm tra độ chính
xác của phần tử đo (la bàn). Chất lượng hoạt động của la bàn sẽ quyết định chất lượng hoạt động của hệ thống.
- Tiến hành chỉnh định các thông số hiệu chỉnh trong 3 trường hợp cần thiết
sau:
+ Trọng tải tàu thay đổi: Không tải, tải trunbình và toàn tải.
+ Có sự thay đổi tốc độ: Toàn tốc, tốc độ trung bình và tốc độ chậm. + Khi thời tiết thay đổi.
- Khi chỉnh định, hệ thống lái tự động cần đạt được các chỉ tiêu sau:
+ Đảm bảo độ chính xác cho phép trong điều kiện góc bẻ lái nhỏ nhất để đảm bảo vận tốc khai thác của tàu.
+ Khi tàu hành trình trong sóng gió to, không nên giảm độ dao động của tàu bằng cách tăng độ nhạy của hệ thống vì lúc đó số lần đóng mở của hệ thống tăng quá lớn, khi đó, cần phải giảm độ nhạy của hệ thống. Khi số lần đóng mở của hệ thống tăng hơn 400 lần, không nên tăng độ chính xác nữa vì hệ thống sẽ buộc phải làm việc quá tải.
- Để thực hiện được các yêu cầu trên ta chỉnh bằng cách: Tiến hành chỉnh định từng thông số một. Trước tiên, cần chỉnh định thông số phản hồi góc bẻ lái sau đó tiến hành chỉnh tiếp các thông số khác. Khi chỉnh như vậy cần dùng máy ghi lại hướng đi thực của tàu hoặc kiểm tra tín hiệu phản ảnh.
− Điều chỉnh hệ số phản hồi góc bẻ lái K4: Khi tàu chạy toàn tải với tốc độ trung bình, nếu tàu lệch khỏi hướng đi cho trước một góc ∆α nào đó, để tàu
quay về hướng đi cũ, bánh lái phải được quay một góc β lớn hơn khi tàu chạy không tải, tức là phải điều chỉnh để giảm hệ số K4đi. Khi tốc độ tàu tăng lên, lực cản trên bánh lái tăng, lúc này chỉ cần một góc bẻ lái nhỏ cũng duy trì được tàu ở hướng đi cho trước. Khi sóng to, gió lớn thì giảm K4đi, tuy nhiên, K4chỉ giảm tới mức độ nhất định nếu hệ thống mất ổn định.
− Điều chỉnh hệ số truyền khâu vi phân góc lệch hướng đi K2: Mặt biển càng yên càng cần tăng hệ số K2để tăng độ nhạy cho hệ thống. Khi tàu gặp sóng to, gió lớn cần giảm K2, đôi khi phải ngắt hẳn khâu đó ra khỏi hệ thống. Khi trọng tải tàu càng tăng thì càng cần giảm bớt K2.
− Điều chỉnh hệ số truyền khâu tích phân góc lệch hướng đi K3: Khi thời tiết tốt cần tăng K3 đểtăng độ chính xác cho hệ thống. Khi sóng to, gió lớn, cần giảm hoặc ngắt hoàn toàn khâu tích phân khỏi hệ thống.
− Chỉnh hệ số truyền cả hệ thống: Ta cần quan tâm tới hệ số khuyếch đại, khi thời tiết tốt muốn tăng độ chính xác cần tăng hệ số khuyếch đại, ngược lại, khi thời tiết xấu ta giảm hệ số khuyếch đại đi.
− Chỉnh vùng không nhạy K1: Thường vùng không nhạy nằm ở đầu vào
của các tầng khuyếch đại đệm, khi mặt biển yên cần thu hẹp vùng không nhạy, khi thời tiết xấu điều chỉnh để tăng vùng không nhạy.
CHƯƠNG 4
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
Tóm lại với mục tiêu nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống lái tự động cho tàu thuỷ, đồ án đã từng bước giới thiệu các bước cũng như các phần hình thành lên hệ thống lái tự động và đã có một số các kết quả như sau:
- Khái quát chung tính cấp thiết và khả năng ứng dụng tự động hoá và các
thành tựu về khoa học kỹ thuật vào hệ thống điều khiển tàu thuỷ (chương 1).
- Xây dựng cơ sở lý thuyết cho việc thiết kế và chế tạo hệ thống lái tự động bao gồm: mô hình hoá động học của tàu và phương trình điều khiển hướng Nomoto bậc nhất. Đồng thời giới thiệu bộ điều khiển PID (khuếch đại, vi phân, tích phân ) phù hợp để ứng dụng cho hệ thống lái (chương 2) và các kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển bằng Mathlab trongcác trường hợp có các góc đặt lái
khác nhau.
- Giới thiệu về tàu có hệ thống lái tự động là sản phẩm của đề tài này, đồng thời giới thiệu một số các môdun trong hệ thống lái tự động đã và đang thực hiện như bộ truyền động điện-thuỷ lực, bộ hiển thị, thiết bị phản hồi góc lái…
Do lĩnh vực nghiên cứu điều khiển tự động tàu thuỷ rất rộng và do hạn chế về mặt thời gian của một đồ án thạc sỹ, tôi mới dừng lại ở việc báo cáo về những nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết điều khiển để xây dựng hệ thống lái tự động cho tàu thuỷ, giới thiệu những modun tôi đã chế tạo được và lắp đặt trên tàu SEABIRD. Trong thời gian sắp tới, khi tàu được tiến hành chảy thử, các kết quả tính toán sẽ được kiểm nghiệm trong thực tế.
Trong tương lai, để có thể hoàn thiện hướng nghiên cứu và chế tạo hệ thống lái tự động này và ứng dụng rộng dãi ở Việt Nam, đồ án cần tiếp tục nghiên cứu và giải quyết những vấn đề sau:
- Sau khi thử nghiệm sẽ tiến hành hiệu chỉnh lại bộ vi điều khiển, các khâu khuếch đại, vi phân, tích phân cho phù hợp với các điều kiện khai thác tàu.
- Tiến hành lập hải đồ điện tử cho vùng biển Việt Nam dựa vào các cơ sở
dữ liệu của Cục Bản Đồ để cung cấp cho người sử dụng những tiện ích lớn nhất.
- Nghiên cứu khả năng giao tiếp với “hộp đen” để có thể ứng dụng cho các
tàu có trọng tải lớn chạy tuyến quốc tế.
- Tiến hành từng bước hoàn thiện lại toàn bộ sản phẩn hệ thống đặc biệt là về mỹ thuật công nghiệp.
- Hướng tới việc thương mại sản phẩm, chế tạo theo loạt để hạ giá thành.
- Kiến nghị với cơ quan liên quan (Cục Đăng Kiểm Việt Nam) phải có những quy định cụ thể hơn nữa đối vói hệ thống lái tự động.
Những kết quả thu được trong đề tài rất tích cực và thiết thực không chỉ trong lĩnh vực nghiên cứu lý thuyết mà cả trong thực tiễn sản xuất khai thác, chế tạo hệ thống điều khiển và máy lái thuỷ lực cho tàu biển.
Chúng tôi mong muốn sản phẩm của mình có thể đóng góp được phần
nào cho công nghiệp đóng tàu trong nhà.
Mặc dù có nhiều cố gắng, nhưng trong khoảng thời gian tương đối hạn chế của một đồ án thạc sỹ, đồ án còn tồn tại nhiều thiếu sót. Lĩnh vực điều khiển
lái tàu thuỷ là một lĩnh vực rộng đòi hỏi mất nhiều thời gian nghiên cứu, do đó, trong khoảng thời gian sắp tới, hy vọng hướng nghiên cứu của tôisẽ được hoàn thiện hơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Doãn Phước, 2007, Lý thuyết điều khiển tuyết tính, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà nội.
[2] Nguyễn Doãn Phước, 2005, Lý thuyết điều khiển nâng cao, Nhà xuất bản
Khoa học và Kỹ thuật, Hà nội.
[3] Phạm Văn Khảo, Các phần tử và thiết bị thuỷ lực, khí nén công nghiệp
(Quyển I,II), 1998
[4] Phạm văn Hội, 1990, Sổ tay thiết bị tàu thuỷ (Tập 1), Nhà xuất bản giao thông vận tải
[5] Quy phạm phân cấp và đóng tàu biển vỏ thép TCVN-2003 (Quyển I,II,III)
[6] Thor I. Fossen, 1994, 1994, Guidance and Control fo Ocean Vehicles, John Wiley & Sons, New York, USA.
[7] Thor I. Fossen, 1994, 2002, Marine Control systems: Guidance, Navigation and Control of ships, Rigs and Underwarter Vehicles, John Wiley & Sons, New York, USA.
Phụ lục 1
Hệ thống lái tàu tự động GYLOT PR-200
1. Giới thiệu chung về hệ thống lái tự động GYLOT
Hệ thống lái tự động GYLOT do hãng TOKYO KEIKY của Nhật chế tạo thành nhiều seri khác nhau. ởđây, tôi xin trình bày nhóm PR - 222 - H, PR - 226 - H thuộc seri PR - 200. Đây là hệ thống lái điện - thuỷ lực có khả năng thực hiện đầy đủ 4 chế độ lái (Lái đơn giản, lái lặp, lái lặp từ xa và lái tự động). Ngoài ra, hệ thống còn cho phép lái khi có sự cố tín hiệu tại buồng đặt máy lái.
Trong chế độ lái tự động, hệ thống phải dùng tới la bàn điện. Để tiện lợi trong việc tạo, truyền tín hiệu lái và tiện lợi trong vận hành, la bàn điện được đặt bên trong trụ lái thành một khối thống nhất, hoàn chỉnh.
Tại trụ lái, các công tắc chọn nguồn, chọn chế độ lái, các núm chỉnh định,... đều được bố trí hợp lý theo chức năng công tác, phù hợp với thao tác của người điều khiển.
Việc khởi động và dừng máy lái được bố trí hợp lý, thuận tiện cho người sử dụng. Toàn hệ thống có 3 trạm khởi động và dừng đặt tại buồng lái, buồng máy lái và buồng máy. Điều này cho phép nâng cao độ dự trữ cũng như tính sẵn sàng trong hoạt động của hệ thống.
Để giảm bớt sự căng thẳng cho người vận hành đồng thời giúp người điều khiển biết được tình trạng hoạt động của hệ thống, hệ thống được trang bị thiết bị báo động bằng còi.
2. Nguyên lý hoạt động tổng quát của hệ thống
Giả sử ta cho hệ thống làm việc với nguồn cấp thứ nhất. Khi đó công tắc chọn nguồn S262 để ở vị trí N01.
* Để hệ thống hoạt động ở chế độ lái tự động
Đặt công tắc chọn chế độ S261 ở vị trí GYRO. Tại bộ tạo tín hiệu lái tự động xảy ra sự so sánh giữa θ và θ1. (θ là hướng đi thực tế của con tàu, do la bàn con quay đo và đưa tới và θ1 là hướng đặt, do người vận hành tạo ra bằng cách xoay núm đặt đến vị trí θ1). Kết quả so sánh là tạo ra tín hiệu điều khiển, tỷ lệ với góc lệnh hướng: Uđk = K (θ1 - θ)
Nếu hướng đi thực tế của tàu trùng với huớng đặt thì tín hiệu điều khiển bằng 0. Bánh lái giữ nguyên vị trí, khi tàu bị lệch khỏi hướng đặt thì tín hiệu điều khiển khác 0, có dấu và độ lớn phụ thuộc vào chiều và độ lớn góc lệch. Sau
khi qua bộ khuyếch đại, tín hiệu điều khiển tác động lên van điện từ phải hoặc trái (tuỳ theo dấu tín hiệu) đưa dầu thuỷ lực tới xylanh lực làm quay bánh lái.
Khi bánh lái quay, làm xuất hiện tín hiệu phản hồi tại bộ tạo tín hiệu phản hồi góc bánh lái. Tín hiệu phản hồi được đưa ngược trở lại so sánh với tín hiệu
điều khiển. Độ lệch giữa hai tín hiệu này là tín hiệu ở cửa vào của bộ khuyếch đại là: UV = Uđk - Uph
Bánh lái sẽ dừng lại ở vị trí khi có sự cân bằng giữa tín hiệu điều khiển và tín hiệu phản hồi. Tàu dần dần trở lại hướng đi ban đầu làm tín hiệu điều khiển giảm dần tới 0. Khi đó bánh lái được bẻ theo chiều ngược lại do còn tồn tại tín hiệu phản hồi góc lái... Cứ như vậy sau một số lần dao động, tàu sẽ tự trở về ổn định ở hướng đi ban đầu.
*. Khi hoạt động ở chế độ lái lặp
Công tắc chọn chế độ được chuyển về vị trí HAND (H). ở chế độ này tín hiệu điều khiển được lấy từ bộ tạo tín hiệu (Bộ tạo tín hiệu là một chiết áp có con chạy gắn với vô lăng lái) so sánh với tín hiệu phản hồi góc lái rồi đưatới bộ khuyếch đại. Sau khi khuyếch đại, tín hiệu điều khiển tác động tới các van điện từ phải hoặc trái đưa chất lỏng công tác vào xylanh lực làm quay bánh lái. Bánh lái sẽ dừng lại khi có sự cân bằng giữa tín hiệu điều khiển và tín hiệu phản hồi.
* Khi hoạt động ở chế độ lái lặp từ xa
Công tắc chọn chế độ điều khiển được chuyển về vị trí REMOTE (R). Hoạt động của hệ thống ở chế độ này tương tự như ở chế độ lái lặp, chỉ khác là lúc này tín hiệu điều khiển được lấy từ chiết áp điều khiển nằm ngoài hệ thống. Tín
hiệu được đưa vào hệ thống nhờ một đường cáp bên ngoài.
*. ở chế độ lái sự cố
Công tắc chọn chế độ được đưa về vị trí LEVER (L). Tín hiệu điều khiển lấy từ tay điều khiển được đưa thẳng tới các van điện từ phải hoặc trái mà không qua bộ khuyếch đại. ở chế độ này, bánh lái chỉ dừng lại khi tay điều khiển nằm ở vị trí
0.
3. Một số phần tử cơ bản của hệ thống
* Bộ tạo tín hiệu điều khiển
ở chế độ lái tự động, để tạo tín hiệu điều khiển người ta sử dụng cầu cân bằng điện trở. (Hình 3.1)
Cầu cân bằng có 2 nhánh:
- ZL302, R208 và một phần của R209. - ZL301, R207 và một phần của R209.
Khi ZL302/ R208 = ZL301/R207 (cũng có nghĩa là ZL301 = ZL302) thì thế tại a cân bằng với thế tại e, tín hiệu điều khiển bằng 0.
Khi ZL301 ≠ ZL302: cầu mất cân bằng, có tín hiệu điều khiển đưa tới bộ so sánh. Độ lớn của tín hiệu phụ thuộc vào độ lớn sự chênh lệch giữa ZL301 và ZL302.
Để tạo được ZL301 và ZL302 có trị số thay đổi phụ thuộc vào độ lệch hướng đi của tàu người ta sử dụng một thiết bị có cấu tạo đặc biệt có tên gọi là từ kế - Megnetometer
Từ kế có cấu tạo như sau: Bộ phận chính của thiết bị là mạch từ, đó là một lõi sắt từ hình xuyến. Trên lõi có quấn 2 cuộn dây L301 và L302 có cấu tạo giống hệt nhau nhưng có chiều quấn ngược nhau. Nam châm vĩnh cửu N - S được đặt cách lõi hình xuyến một khoảng cố định và có thể quay quanh một trục. Trục quay của nam châm này được liên hệ về cơ khí với bộ phận phản ảnh của la bàn
Khi lắp ráp, chỉnh định, ta phải đặt nam châm vĩnh cửu sao cho khi mũi tàu trùng với hướng đi đặt trước (θ1 - θ = 0) thì trục từ trường của nam châm vĩnh cửu trùng với trục đối xứng của hai cuộn dây L301 và L302. Với cách đặt như vậy, từ trường của nam châm vĩnh cửu trợ từ cho phần mạch từ ở hai cuộn dây như nhau (móc vòng qua hai cuộn dây có các từ thông φ301 = φ302 có giá trị bằng nhau nhưng ngược chiều nên chúng khử nhau). Khi đó ZL301 = ZL302, cầu ở trạng thái cân bằng làm tín hiệu điều khiển Uae = 0.
Khi hướng mũi tàu lệch khỏi hướng đi cho trước một góc θ nào đó, la bàn con quay sẽ phản ảnh góc lệch này và qua bộ truyền trung gian làm quay nam châm vĩnh cửu N - S đi một góc θ' nào đó so với hướng đặt ban đầu. ở trạng thái này, ảnh hưởng của từ trường nam châm vĩnh cửu tới phần mạch từ của 2 cuộn dây L301 và L302 khác nhau. Với chú ý rằng, nguồn cấp cho cầu cân bằng là nguồn xoay chiều có tần số cao (2KHz) nên mặc dù với những góc quay rất nhỏ của nam châm vĩnh cửu đều dẫn đến sự khác nhau lớn của ZL301 và ZL302. Do ZL301 ≠ ZL302, cầu mất cân bằng làm xuất hiện tín hiệu điều khiển ở cửa ra a,
e. Dấu của tín hiệu điều khiển Uae phụ thuộc vào chiều quay của nam châm vĩnh cửu N - S.
Cầu cân bằng được chỉnh "không" nhờ chiết áp R209 hoặc chỉnh vị trí ban đầu của nam châm vĩnh cửu.
* Bộ tạo nguồn dao động 2KHz
Bộ tạo dao động 2KHz nhằm tạo nguồn xoay chiều có tần số cao cấp cho từ kế trong bộ tạo tín hiệu lái ở chế độ tự động.
Tranzitor Q301 (loại 2SB304) công tác ở chế độ rơle, đóng vai trò như một công tắc đóng mở mạch cấp nguồn cho biến áp T201. Việc đóng mở (khoá - dẫn) của Q301 tuỳ thuộc vào tần số dao động của mạch dao động được tạo bởi mạch
C301 và L301.
Mạch dao động C301, L301 là mạch dao động không tắt dần được nuôi bởi nguồn năng lượng từ thứ cấp biến áp T301.