+ 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 sóngCấp sóng Tốc độ đặt ban đầu 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: * 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:
Hàm liên thuộc sử dụng ở đây là hàm liên thuộc tam giác cân và mô hình các hàm liên thuộc có dạng như hình 4.12 và 4.13.
Hình 4.13: Hàm liên thuộc đầu ra U * Xây dựng các luật điều khiển: * Xây dựng các luật điều khiển:
Luật hợp thành gồm 7 luật điều khiển.
R1: Nếu ET = N3 Thì U = L1 Hoặc R2: Nếu ET = N2 Thì U = L1 Hoặc R3: Nếu ET = N1 Thì U = L2 Hoặc R4: Nếu ET = ZE Thì U = L3 Hoặc R5: Nếu ET = P1 Thì U = L4 Hoặc R6: Nếu ET = P2 Thì U = L5 Hoặc R7: Nếu ET = P3 Thì U = L5
* 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.
4.4.4.4. B ộ điều khiển tốc độ tàu thủy sử ụng d F-PID
Do cấu trúc đơn giản và bền vững nên các bộ điều khiển PID (tỷ lệ, tích phân, đạo hàm) được dùng phổ biến trong các hệ điều khiển công nghiệp. Chất lượng của hệ thống phụ thuộc vào các tham số KP, TI, TDcủa bộ điều khiển PID. Nhưng vì các hệ số của bộ điều khiển PID chỉ được tính toán cho một chế độ làm việc cụ thể của hệ thống, do vậy trong quá trình vận hành luôn phải chỉnh định các hệ số này cho phù hợp với thực tế để phát huy tốt hiệu quả của bộ điều khiển. Dựa theo nguyên lý chỉnh định đó, ta thiết kế bộ điều khiển mờ ở vòng ngoài để chỉnh định tham số bộ PID ở vòng trong. Một bộ điều khiển chất
- Phương pháp thông dụng để chỉnh định bộ điều khiển này là giải thuật Ziegler Nichols. Các tham số KP, KI, KD được chỉnh định theo bộ điều khiển mờ dựa trên sai lệch e(t). Có nhiều phương pháp khác nhau để chỉnh định bộ PID như là dựa trên phiếm hàm mục tiêu, chỉnh định trực tiếp, chỉnh định theo Zhao, Tomizuka và Isaka … Nhưng nguyên tắc chung là bắt đầu với các giá trị KP, KI, KDtheo Ziegler Nichols, sau đó dựa vào đáp - ứng và thay đổi dần để tìm ra hướng chỉnh định thích hợp. Và đây là cách cách tiếp cận để chỉnh định giá trị KP, KI, KDcủa luận án [20].
Xây dựng khối Logic m : ờ
* Xác định biến ngôn ngữ của bộ mờ:
Sơ đồ bộ điều khiển mờ gồm 1 đầu vào và 3 đầu ra có dạng như hình 4.14.
Hình 4.14: Sơ đồ bộ điều khiển mờ trong simulink
Biến đầu vào: Gồm 1 biến sai lệch ET = Y - X (tín hiệu đo trừ tín hiệu đặt) và có miền giá trị từ - 50 đến 50
Đầu ra: Gồm 3 biến KP, KI, KD
- Hệ số tỉ lệ KP: Có miền giá trị từ 0,024 đến 0,0278 - Hệ số tích phân KI: Có miền giá trị từ 0,0016 đến 0,0035 - Hệ số vi phân KD: Có miền giá trị từ 0,0269 đến 0,0289 * Xác định hàm liên thuộc của các biến vào ra:
Hàm liên thuộc sử dụng ở đây là hàm liên thuộc tam giác cân và mô hình các hàm liên thuộc có dạng như hình 4.15, 4.16, 4.17, 4.18.
Hình 4.15: Hàm liên thuộc sai lệch ET
Hình 4.18: Hàm liên thuộc đầu ra K I* Xây dựng các luật điều khiển: * Xây dựng các luật điều khiển:
Luật hợp thành gồm 9 luật điều khiển.
R1: Nếu ET = N4 Thì KP = LP5, KD = LD5, KI = LI5 Hoặc R2: Nếu ET = N3 Thì KP = LP4, KD = LD5, KI = LI4 Hoặc R3: Nếu ET = N2 Thì KP = LP3, KD = LD3, KI = LI3 Hoặc R4: Nếu ET = N1 Thì KP = LP2, KD = LD2, KI = LI2 Hoặc R5: Nếu ET = ZE Thì KP = LP1, KD = LD1, KI = LI2 Hoặc R6: Nếu ET = P1 Thì KP = LP2, KD = LD2, KI = LI2 Hoặc R7: Nếu ET = P2 Thì KP = LP3, KD = LD3, KI = LI3 Hoặc R8: Nếu ET = P3 Thì KP = LP4, KD = LD5, KI = LI4 Hoặc
R1: Nếu ET = P4 Thì KP = LP5, KD = LD5, KI = LI5 * 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. 4.5. Kết quả và bàn lu n ậ
Trên hình 4.19 biểu diễn năng lượng sóng theo các cấp sóng khác nhau để đặt tham số cho bộ mờ đầu vào(xây dựng luật điều khiển). Nhiệm vụ của bộ mờ đầu vào nhằm để tự động điều chỉnh tốc độ đặt khi mà tàu hành trình trên biển.
Hình 4.19: Năng lượng sóng của bộ mờ đầu vào
Trên hình 4.20 biểu diễn giá trị tốc độ đặt thay đổi theo năng lượng sóng. Các giá trị thay đổi đó được tính toán cụ thể đã được trình bày ở các phầntrên.
Hình 4.21: Tự động thay đổigiá trị đặt theo năng lượng sóng
Hình 4.22: Mối quan hệ giữa năng lượng sóng với tốc độ tàu
- Kết quả hình 4.2 miêu tả nguyên tắc tự động thay đổi tốc độ đặt có guyên lý hoạt 1 n động như sau:
Trong điều kiện mặt biển yên lặng và tốc độ tàu chạy biển đặt ban đầu là 7,71m/s, đến thời điểm 50s khi sóng biển ở cấp 1 tức là năng lượng RAW1= 0,0002 thì tốc độ tàu ở mức 7,6m/s tương ứng với tốc độ tàu giảm 1%. Đến thời điểm 80s khi sóng biển ở cấp 2 tức là năng lượng RAW2= 0,0006 thì tốc độ tàu ở mức 7,5m/s tương ứng với tốc độ tàu giảm 2%. Đến thời điểm 120s khi sóng biển ở cấp 3 tức là năng lượng RAW3 = 0,001 thì tốc độ tàu ở
mức 7,4m/s tương ứng với tốc độ giảm giảm 3%. Đến thời điểm 140s khi sóng biển ở cấp 4 tức là năng lượng RAW4 = 0,0016 thì tốc độ tàu ở mức 7,1m/s tương ứng với tốc độ tàu giảm 6%. Đến thời điểm 180s khi sóng biển ở cấp 5 tức là năng lượng RAW5= 0,0026 thì tốc độ tàu ở mức 6,94m/s tương ứng với tốc độ tàu giảm 10%. Tại thời điểm 200s khi mặt biển trở lại trạng thái yên lặng thì tốc độ tàu chạy biển trở lại tốc độ đặt ban đầu 7,71m/s.
- Trên hình 4.22cho biết mối quan hệ giữa năng lượng sóng với tốc độ tàu khi cấp sóng (chiều cao sóng) thay đổi. Nói cách khác khi năng lượng sóng thay đổi thì đáp ứng tốc độ tàu cũng thay đổi theo.
→ Từ phân tích nguyên lý điều khiểntrêncho thấy việc lấy năng lượng sóng để tự động điều khiển giá trị đặt làm thay đổi tốc độ theo năng lượng sóng là một đóng góp mới vì đã khắc phục nhược điểm của hệ các hệ thống điều khiển tốc độ tàu trước đây (việc điều chỉnh tốc độ được thay đổi bằng tay trong suốt quãng đường chạy biển). Kết quả và các số liệu mô phỏng đã cho thấy sự phù hợp với nguyên tắc điều khiển hàng hải đó là “khi sóng lớn thì tốc độ của tàu phải giảm để đảm bảo an toàn của con tàu.” Ý nghĩa của kết quả góp phần làm tăng mức độ tự động hóa trong các hệ thống tự động trên tàu thủy nói chung và đặc biệt là vấn đềđiều khiển tốc độ tàu thủynói riêng.
Kết luận Chương 4
1. Căn cứ vào đối tượng điều khiển (truyền động động cơ điện lai chân vịt) đ sử dụng ã các bộ điều khiển tốc độ tàu PID, Logic mờ, F PID để mô phỏng và kiểm chứng.-