Hình 5.15.b. Kết quả mô phỏng 9: Quỹ đạo di chuyển của tàu với bộ điều khiển PID
Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển bậc cao
Hình 5.16.a. Kết quả mô phỏng 9: Kết quả với bộ điều khiển bộ điều khiển bậc cao
Hình 5.16.c. Kết quả mô phỏng 9: Giá trị a1, a2, a3 của bộ điều khiển bậc cao
STT Tham số Giá trị lớn nhất Giá trị nhỏ nhất Giá trị trung bình 1 a1 -0.001 -1.1 -0.91 2 a2 0.095 -0.322 -0.183 3 a3 0.32 -0.26 0.188 4 b0 0.072 -0.0225 0.155 5 b1 0.0697 -0.2256 -0.195 6 b3 0.1764 -0.0245 0.158
Bảng 5.9.c. Trường hợp mô phỏng 9: Giá trị ước lượng của bộ điều khiển bậc cao
Nhận xét: Với trường hợp có nhiễu tác động, góc lệch hướng của tàu đạt tới góc đặt
hướng sau khoảng thời gian 50 (s) với bộ điều khiển bậc cao và 75(s) với bộ điều khiển PID. Sau đó, giá trị của góc lệch hướng dao động xung quanh giá trị góc đặt hướng với sai lệch với hai bộ điều khiển là sấp sỉ nhau (hình 5.17), sai lệch lớn nhất khoảng 60. Nhưng với bộ điều khiển bậc cao, tín hiệu điều khiển (góc bẻ lái ) ổn định hơn (hình 5.16.a và hình 5.16.b).
Hình 5.17. Sai lệch hướng của bộ PID (trên) và bộ điều khiển bậc cao (dưới)
5.2.2.2. Trường hợp mô phỏng 10
Tiếp tục tiến hành đánh giá chất lượng của bộ điều khiển PID và bộ điều khiển bậc cao với cùng các giá trị điểm cực, và cùng một góc đặt hướng.
STT Thông số đầu vào Ký hiệu Giá trị
1 Góc đặt hướng r 300
2 Thời gian lấy mẫu 0.5(s)
3 Hệ số quá khứ 0.995 4 Giá trị B B 0.03 5 Điểm cực 0.2 0.9 p1 0.9131 + 0.0398i p2 0.9131 - 0.0398i A 0.9139 2.49750
Bảng 5.10.a. Trường hợp mô phỏng 10: Thông số đầu vào
Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển PID
Hình 5.18.b. Kết quả mô phỏng 10: Quỹ đạo di chuyển của tàu với bộ PID
Với trường hợp có nhiễu tác động, góc đặt hướng của tàu đạt tới góc đặt hướng sau khoảng thời gian 40 (s) và dao động xung quanh góc đặt hướng (hình 5.18.a, b, c). Các giá trị ước lượng của bộ điều khiển PID được thống kê ở bảng 5.10.b.
STT Tham số Giá trị lớn nhất Giá trị nhỏ nhất Giá trị trung bình
1 a1 -0.001 -1.27 -1.054
2 a2 0.26 -0.4 0.189
3 b0 0.064 0.03 0.031
Bảng 5.10.b. Trường hợp mô phỏng 10: Giá trị ước lượng của bộ điều khiển PID
Kết quả mô phỏng bộ điều khiển bậc cao
Hình 5.19.b. Kết quả mô phỏng 10: Quỹ đạo di chuyển của tàu với bộ ĐK bậc cao
Hình 5.19.d. Kết quả mô phỏng 10: Giá trị b0, b1, b2 của bộ điều khiển bậc cao
STT Tham số Giá trị lớn nhất Giá trị nhỏ nhất Giá trị trung bình
1 a1 -0.001 -1.175 -0.159 2 a2 0.0982 -0.3376 -0.157 3 a3 0.3254 -0.4107 0.168 4 b0 0.0979 -0.0266 -0.0094 5 b1 0.03 -0.0717 -0.025 6 b3 0.0636 -0.0159 0.0412
Bảng 5.10.c. Trường hợp mô phỏng 10: Các giá trị ước lượng của bộ điều khiển bậc cao
Nhận xét: Tương tự với trường hợp mô phỏng 9, kết quả mô phỏng 10 cũng cho kết
quả có ý nghĩa tương tự. Sau khi, giá trị góc lệch hướng của tàu tiến tới giá trị góc đặt hướng, giá trị góc lệch hướng dao động xung quanh giá trị góc đặt hướng. Sai lệch hướng của hai bộ điều khiển đều nằm trong vi nhỏ hơn 60 (hình 5.20). Nhưng với bộ điều khiển bậc cao, giá trị góc lệch hướng dao động gần với giá trị góc đặt
hướng hơn. Bên cạnh đó, góc bẻ lái () của bộ điều khiển bậc cao cũng ổn định hơn (hình 5.18.a, hình 5.19.a).
Hình 5.20. Sai lệch hướng của bộ PID (trên) và bộ điều khiển bậc cao (dưới)
5.2.2.3. Trường hợp mô phỏng 11
Trong trường hợp mô phỏng 11, ta tiến hành đánh giá chất lượng của bộ điều khiển PID và bộ điều khiển bậc cao với cùng góc đặt hướng. Thông số đầu vào được liệt kê ở bảng 5.11.a.
STT Thông số đầu vào Ký hiệu Giá trị
1 Góc đặt hướng r 700
2 Thời gian lấy mẫu 0.5(s)
3 Hệ số quá khứ 0.995 4 Giá trị B B 0.03 5 Điểm cực 0.2 0.85 p1 0.9172 + 0.0484i p2 0.9172 - 0.0484i A 0.9185 3.01820
Kết quả mô phỏng bộ điều khiển PID
Hình 5.21.a. Kết quả mô phỏng 11: Kết quả với bộ điều khiển PID
Từ hình 5.21.a, ta nhận thấy tín hiệu điều khiển (góc bẻ lái ) của bộ điều khiển PID khá "nhạy cảm" với nhiễu, góc bẻ lái () liên tục thay đổi. Mặc dù vậy, nhìn chung quỹ đạo di chuyển của tàu vẫn giữ đúng hướng, tàu ngoặt đi một góc 700.
STT Tham số Giá trị lớn nhất Giá trị nhỏ nhất Gia trị trung bình
1 a1 -0.001 -1.396 -0.951
2 a2 0.3947 -0.4226 0.142
3 b0 0.0491 0.03 0.037
Hình 5.21.b. Kết quả mô phỏng 11: Quỹ đạo di chuyển của tàu với bộ PID
Kết quả mô phỏng bộ điều khiển bậc cao
Hình 5.22.a. Kết quả mô phỏng 11: Kết quả với bộ điều khiển bộ điều khiển bậc cao
Hình 5.23.c. Kết quả mô phỏng 11: Giá trị a1, a2, a3 của bộ điều khiển bậc cao
STT Tham số Giá trị lớn nhất Giá trị nhỏ nhất Giá trị trung bình 1 a1 -0.001 -1.118 -0.919 2 a2 0.1375 -0.379 -0.095 3 a3 0.233 -0.3405 0.186 4 b0 0.0713 -0.06 0.026 5 b1 0.03 -0.2757 -0.137 6 b3 0.2265 -0.0115 0.102
Bảng 5.11.c. Trường hợp mô phỏng 11: Các giá trị ước lượng của bộ điều khiển bậc cao
Nhận xét: Từ kết quả mô phỏng 11 và hai kết quả mô phỏng 9 và 10, ta nhận thấy
với hai bộ điều khiển PID và bộ điều khiển bậc cao, sai lệch hướng của tàu đều nằm trong phạm vi nhỏ hơn 60, nhưng với bộ điều khiển bậc cao, giá trị góc lệch hướng dao động gần giá trị góc đặt hướng hơn (hình 5.23). Và tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển bậc cao ổn định hơn (hình 5.21.a, hình 5.22.a).
Hình 5.23. Sai lệch hướng của bộ PID (trên) và bộ điều khiển bậc cao (dưới)
5.2.2.4. Trường hợp mô phỏng 12
Trong trường hợp mô phỏng 12, ta tiến hành đánh giá chất lượng của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển bậc cao có tham số thay đổi theo thời gian và bộ điều
khiển PD có các hệ số điều khiển cố định. Cả ba bộ điều khiển có cùng các điểm cực như nhau và cùng có một tín hiệu góc đặt hương như nhau.
STT Thông số đầu vào Ký hiệu Giá trị
1 Góc đặt hướng r 500
2 Thời gian lấy mẫu 0.5(s)
3 Hệ số quá khứ 0.995 4 Điểm cực 0.15 0.75 p1 0.9441 + 0.0469i p2 0.9441 - 0.0469i A 0.9453 2.84230 5 Hệ số khâu tỉ lệ kp 1.5341 6 Hệ số khâu vi phân kd 2.0455
Bảng 5.12.a. Trường hợp mô phỏng 12: Thông số đầu vào
Hình 5.24.b. Kết quả mô phỏng 12: Quỹ đạo di chuyển của tàu với bộ ĐK PD
Nhận xét: Tiến hành đánh giá kết quả thu được từ bộ điều khiển PID với các hệ số
thay đổi trong quá trình nhận dạng (hình 5.15.a), bộ điều khiển bậc cao (hình 5.16.a) và bộ điều khiển PD với thông số hệ thống cố định (hình 5.24.a), ta nhận thấy rằng với cả ba bộ điều khiển này cùng trong một yêu cầu, cùng đặt một điểm cực:
Tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển bậc cao ổn định hơn.
Với hai bộ điều khiển PID và bộ điều khiển bậc cao có sai lệch hướng nhỏ hơn so với bộ điều khiển PD (hình 5.25).
STT Trường hợp Giá trị trung bình
1 Bộ điều khiển PID với thông số hệ thống thay đổi 3.80
2 Bộ điều khiển bậc cao 3.90
3 Bộ điều khiển PD với thông số hệ thống cố định 5.20
Hình 5.25. Sai lệch hướng của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển bậc cao, bộ điều khiển PD
5.3. KẾT LUẬN
Sau khi tiến hành mô phỏng quá trình hoạt động của bộ lái tự động với hai bộ điều khiển PID và bộ điều khiển bậc cao, ta có một số kết luận sau:
Với cả hai bộ điều khiển, khi hệ số suy giảm tăng giá trị thì hệ thống điều khiển tàu tiến tới chế độ xác lập nhanh hơn.
Hệ số quá khứ có cùng ảnh hưởng như nhau với hai bộ điều khiển: khi hệ số giảm thì thời gian quá độ của hệ thống cũng giảm.
Trong trường hợp hệ thống có nhiễu bên ngoài tác động, trong ba trường hợp mô phỏng cho cả hai bộ điều khiển cùng đặt các điểm cực như nhau thì tàu luôn tiến tới góc đặt hướng và góc lệch hướng của tàu dao động xung quang giá trị góc đặt hướng. Sai số của cả hai hệ thống điều khiển là gần như nhau. Nhưng với bộ điều khiển bậc cao thì tín hiệu điều khiển (góc bẻ lái ) ổn định hơn so với bộ điều khiển PID. Như vậy, trong điều kiện có nhiễu, hệ thống điều khiển bậc cao đạt được độ ổn định hơn bộ điều khiển PID.
So với bộ điều khiển PD có thông số kp, kd cố định, thì kết quả sai lệch hướng của hai bộ điều khiển thu được là thấp hơn.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
Với mục tiêu "Nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi xây dựng 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 dựa trên mô hình điều khiển thích nghi gián tiếp:
Mô hình hoá hệ thống động học của tàu (Chương 2). Đồ án đã trình khái quát mô hình động học của phương tiện thuỷ và phương trình điều khiển hướng Nomoto bậc 1 và bậc 2.
Sử dụng phương pháp đặt điểm cực xây dựng bộ điểu khiển rời rạc: bộ điều khiển PID và bộ điều khiển bậc cao (Chương 3).
Áp dụng phương pháp bình phương cực tiều hồi quy (RLS) để nhận dạng các thông số của mô hình tham chiếu ARX (Chương 4).
Cuối cùng, để chứng minh tính khả thi của phương pháp, đồ án đã đưa ra một số kết quả mô phỏng với bộ điều khiển PID và bộ điều khiển bậc cao trong hai trường hợp: tàu hoạt động trong môi trường không có nhiễu và trong môi trường có nhiễu tác động.
Trong phạm vi nghiên cứu của đồ án thạc sỹ, đồ án mới dừng lại ở việc nghiên cứu, ứng dụng mô hình điều khiển thích nghi gián tiếp xây dựng hệ thống lái tự động cho tàu thuỷ ở phạm vi điều khiển tuyến tính. Nhưng kết quả nghiên cứu ban đầu của đồ án cũng đưa ra những tín hiệu mang tính khả thi cho việc ứng dụng hướng nghiên cứu này trong thực tế.
Trong tương lai, để có thể hoàn thiện hướng nghiên cứu này và có thể ứng dụng vào trong điều kiện hoạt động thực tế, những vấn đề cần phát triển và nghiên cứu:
Mở rộng phạm vi nghiên cứu với mô hình phi tuyến.
Nghiên cứu ứng dụng một số phương pháp nhận dạng khác như: Ước lượng giá trị hồi quy (Recursive Maximum Likelihood Estimation), bộ lọc Kalman mở rộng (State Augmented Extended Kalman Filter).
Ứng dụng phương pháp tối ưu để thiểt kế bộ điều khiển.
Nghiên cứu đầy đủ sự ảnh hưởng của các tác động bên ngoài (sóng bậc 1 và sóng bậc 2) lên tham số của tàu.
Ngoài ra ngày nay, trong tình hình phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, hướng nghiên cứu của đồ án là một phần nghiên cứu để xây dựng một hệ điều khiển đa nhiệm vụ cho các phương tiện thuỷ. Do đó, bên cạnh hoàn thiện hướng nghiên cứu hiện có thì cũng cần nghiên cứu tìm ra cách kết hợp với các hướng nghiên cứu khác như định vị động, tránh va chạm, ...
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 hạn chế và thiếu sót. Lĩnh vực điều khiển các phương tiện 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 sẽ 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] Nguyễn Doãn Phước và Phan Xuân Minh, 2001, Nhận dạng hệ thống điều khiển, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà nội.
[4] Thor I. Fossen, 1994, 1994, Guidance and Control fo Ocean Vehicles, John Wiley & Sons, New York, USA.
[5] Thor I. Fossen, 1994, 2002, Marine Control systems: Guidance, Navigation and Control of ships, Rigs and Underwarter Vehicles, John Wiley & Sons, New York, USA.
[6] P.E Wellstead and M.B. Zarrop, 1991, Self-tuning Systems: Control and Signal Processing, John Wiley & Sons, New York, USA.