38 he thong dieu khien dinh vi

5 20 0
  • Loading ...
1/5 trang

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 17/05/2018, 14:16

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH VỊ ĐỘNG TÀU THỦY (PHẦN 1: NGUYÊN LÝ) DYNAMIC POSITIONING SYSTEM FOR SHIPS (PART 1: PRINCIPLES) TS NGUYỄN PHÙNG HƯNG; TS NGUYỄN VIẾT THÀNH Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Tóm tắt: Bài báo trình bày nguyên lý hệ thống điều khiển định vị động cho tàu thủy Hệ thống điều khiển có hai chức điều khiển định vị dịch chuyển vị trí tàu tốc độ thấp, ứng dụng chủ yếu cho loại tàu trang bị hệ thống động lực nhiều trục, làm nhiệm vụ đặc biệt rải cáp hay đường ống ngầm, phục vụ cơng trình biển giàn khoan, v.v… Sau phần nguyên lý chung, báo trình bày sở lý thuyết hai chức hệ thống Cuối phần kết luận Từ khóa: Hệ thống điều khiển định vị động, điều khiển định vị, điều khiển dịch chuyển tốc độ thấp Abstract: This paper presents principles of a dynamic positioning (DP) system for ships The DP system has two main functions: dynamic positioning control and low-speed maneuvering control which are mainly applied to ships equipped with multi-axis propulsion system for special tasks, such as submarine cable or pipeline laying, supplying floating or ocean constructions like oil rigs, etc… The general principles are presented followed by the theory of the system’s two main functions The conclusions are finally outlined Keywords: Dynamic positioning system, Dynamic positioning control, Low-speed maneuvering control Giới thiệu Hệ thống điều khiển định vị động (dynamic positioning, viết tắt DP) cho tàu thủy hệ thống điều khiển thường có hai chức chính: điều khiển định vị động điều khiển dịch chuyển vị trí tàu tốc độ thấp [1] Tàu điều khiển theo ba bậc tự (tiến-lùi, dịch ngang quay) hệ động lực gồm chân vịt chính, chân vịt mũi, chân vịt lái, ống đạo lưu xoay Trong điều khiển định vị động, bánh lái thường khơng sử dụng có tác dụng tốc độ tàu nhỏ Từ năm 1960, hệ thống DP phát triển với điều khiển PID nối tiếp với lọc tín hiệu, điều khiển dựa vào mơ hình sử dụng lý thuyết điều khiển tối ưu lọc Kalman Các hệ thống DP truyền thống thường thiết kế cách tuyến tính hóa phương trình động học chuyển động quanh tập hợp giá trị định nghĩa trước, cho lý thuyết điều khiển tối ưu tuyến tính gain-scheduling áp dụng Xuất sau kể đến hệ thống DP như: hệ thống sử dụng điều khiển (BĐK) Linear Quadratic Gaussian (LQG) phản hồi, BĐK trực tiếp có mơ hình, BĐK phản hồi tín hiệu BĐK dựa lý thuyết phi tuyến [1] Gần số hệ thống DP ứng dụng BĐK Logic mờ [2], BĐK nơron nhân tạo [3], [4] giới thiệu Bài báo trình bày phần 1: nguyên lý hai chức hệ thống DP cho tàu thủy, ứng dụng chủ yếu cho loại tàu trang bị hệ thống động lực nhiều trục, làm nhiệm vụ đặc biệt rải cáp hay đường ống ngầm, phục vụ cơng trình biển giàn khoan, v.v… Hệ thống sử dụng BĐK nơron hỗn hợp (sẽ trình bày kỹ phần báo) giới thiệu [3], [4] Sau phần nguyên lý chung, báo trình bày sở lý thuyết hai chức hệ thống Cuối phần kết luận Trong phần giới thiệu báo tiếp theo, trình bày BĐK áp dụng cho hệ thống để thực hai chức nói kết mô hoạt động hệ thống máy tính để minh họa cho phần lý thuyết báo Nguyên lý cấu tạo hệ thống DP Như trình bày [1], [5], hệ thống DP gồm phần sau (hình 1): Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 14 - 6/2008 38 Hình 1: Sơ đồ khối hệ thống DP (tham khảo từ [5]) Đối tượng điều khiển tàu với đặc tính động học khác (ship dynamics); mơi trường bên ngồi tác động lên tàu (environment); hệ thống động lực tác dụng lên tàu (actuators); cảm biến (sensors) tốc độ, hướng, vị trí, … - Hệ thống điều khiển (control system) gồm: khối xử lý tín hiệu (signal processing); khối quan sát (observer); khối dẫn đường (guidance); khối điều khiển (controller); khối phân phối tín hiệu điều khiển (thrust allocation) Trong chức khối hệ thống tóm tắt sau [5]:  Khối dẫn đường (Guidance system): có chức thiết lập đường tàu từ vị trí ban đầu điểm đích Các hệ thống DP tiên tiến thường có chức hành trình theo điểm chuyển hướng định trước kết hợp với khả giao tiếp với hệ thống hiển thị hải đồ hay đồ Khối dẫn đường tạo tín hiệu dẫn đường phù hợp cho tàu từ điểm đầu tới điểm  Khối xử lý tín hiệu (Signal processing): có chức xử lý tín hiệu đo Các tín hiệu sai loại bỏ Các giá trị bù cho sai số vị trí gây lắc ngang lắc dọc thực Một hệ thống DP thường có hai hay ba la bàn quay hệ thống thiết bị xác định vị trí tương đối Các giá trị đo đạc vị trí tương đối quy điểm chung, dụ trọng tâm tàu thơng số chuyển động tàu theo phương thẳng đứng cần phải có lắc ngang lắc dọc có ảnh hưởng lớn đến độ xác vị trí tương đối Để thu thơng số đó, người ta trang bị cảm biến quán tính để đo chuyển động lên xuống, lắc ngang dọc tàu  Khối quan sát (Observer): có chức tính tốn, ước lượng gần thay đổi có tần số thấp vị trí tàu, hướng mũi tàu gia tốc tàu Các dao động tần số cao gây sóng lọc bỏ, giá trị gây tải, làm giảm tuổi thọ hệ thống động lực Khối có chức dự đốn chuyển động tàu trường hợp vị trí tàu hướng khơng thể đo đạc  Khối điều khiển (Controller): có chức tạo ba tín hiệu điều khiển: lực tiến-lùi theo phương mũi lái, lực dịch ngang theo phương trục ngang mô men quay theo yêu cầu điều khiển Tùy thuộc vào tình trạng hoạt động chế độ chọn, khối điều khiển xử lý tín hiệu trạng thái tàu, quỹ đạo mong muốn, điều kiện ngoại cảnh để tính tốn tín hiệu điều khiển Khối điều khiển thực thi việc chuyển đổi chế độ hoạt động, ngồi có chức cảnh báo báo động Các tín hiệu điều khiển thường tổng hợp từ BĐK phản hồi thành phần bù trực tiếp BĐK phản hồi truyền thống thường loại tỷ lệ vi phân (PD) sử dụng tín hiệu vị trí vận tốc tần số thấp lấy từ khối quan sát Tín hiệu tích phân sử dụng để bù tác động gây lệch liên tục từ môi trường BĐK bù trực tiếp thường gồm tín hiệu bù sai lệch vị trí dự đốn tín hiệu bù tác động ngoại Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 14 - 6/2008 39 cảnh Tín hiệu bù sai lệch vị trí dự đốn làm tăng khả điều khiển bám sát giá trị mong muốn, tín hiệu bù tác động ngoại cảnh làm tăng khả đáp ứng hệ thống tác động môi trường bên ngồi  Khối phân phối tín hiệu điều khiển (Thrust allocation): có chức phân phối lực mô men điều khiển từ khối điều khiển thành lệnh điều khiển trực tiếp cho thiết bị cụ thể hệ thống động lực, dụ tốc độ quay chân vịt, tỷ số chân vịt biến bước, góc ống đạo lưu xoay, góc bánh lái, v.v… Một yêu cầu quan trọng khối lệnh điều khiển trực tiếp cho thiết bị cụ thể hệ thống động lực phải khiến hệ thống động lực sinh giá trị lực mô men điều khiển cách tối ưu (có nghĩa mức tiêu hao lượng, góc xoay hay góc bẻ lái phải nhỏ nhất) Ngồi khối đảm bảo cho hệ thống động lực khơng hoạt động q mức dẫn đến cố cho hệ thống cung cấp lượng Để mơ tả chức hệ thống DP, trước hết ta xem xét mơ hình tốn học biểu diễn hệ thống Nhìn chung, để mơ tả chuyển động phương tiện biển người ta sử dụng mơ hình động học bậc tự (6 DOF), bạn đọc muốn tìm hiểu sâu thêm tham khảo [1] Từ mơ hình động học bậc tự ta thu mơ hình bậc tự dùng cho trường hợp mô tả hệ thống DP Vị trí tàu hướng hệ trục tọa độ tuyệt đối XEYEZE (gắn với trái đất, hình 2) (x, y)  biểu diễn dạng véctơ   [ x, y, ]T ; tốc độ theo trục dọc, trục ngang tốc độ quay quanh trục thẳng đứng biểu diễn véctơ   [u , v, r ]T ; tâm hệ trục tọa độ tương đối XYZ (gắn với tàu) đặt mặt phẳng trục dọc tàu, cách trọng tâm tàu khoảng xG Mơ hình biểu diễn hệ thống DP mô tả sau: (1) M  D    J T ( )b  Ev v ,   J ( ) (2) Trong Evv mơ tả yếu tố bất định tính động học tàu, với  v véctơ tín hiệu nhiễu trắng ngẫu nhiên Gaussian, Ev véctơ chéo chứa s ố tỷ lệ cường độ véctơ v ;  véc tơ lực mô men điều khiển; M ma trận quán tính bao gồm khối lượng quán tính thủy tĩnh tàu; D ma trận tắt dần có dạng sau:   [ ,  ,  ]T m  X u M     X u D    0 m  Yv mxG  N v  Yv  Nv (3)  mxG  Yr  I z  N r   mu  Yr  mxG u  N r  (4) (5) với m khối lượng tàu, Iz mô men tàu quanh trục thẳng đứng Oz, X u , Yv , Yr , N v , N r lực mơ men qn tính, X u , Yv , N v , N r lực mô men tắt dần, u0 tốc độ thiết kế theo phương trục dọc tàu Các ngoại lực sóng, gió, dòng chảy bất định gây bao gồm đại lượng b, J ( ) ma trận chuyển đổi hệ tọa độ XEYEZE hệ tọa độ XYZ có dạng: cos( )  sin( ) 0 J ( )  J ( )   sin( ) cos( ) 0  0 1 (6) với J-1() = JT() Véctơ biểu diễn tác động ngoại cảnh lên tàu theo phương tiến-lùi, phương trục ngang quay quanh trục thẳng đứng có dạng : (7) b  T 1b  n , Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 14 - 6/2008 40 n véctơ tín hiệu nhiễu trắng ngẫu nhiên Gaussian, T véctơ chéo gồm số thời gian dương,    3x véctơ chéo chứa số tỷ lệ cường độ véctơ n Phương trình (7) dùng để mô tả tác động chậm môi trường gây sóng, gió, dòng yếu tố động học bất định dạng bậc Chức điều khiển định vị (Positioning control) Dựa vào phương trình (1), BĐK tỷ lệ - vi phân cho hệ thống PD mơ tả sau [1]:    J T ( ) K p e  K d  J T ( )b (8) e    d (9) Trong K p K d véctơ số tỷ lệ vi phân BĐK;  d véctơ vị trí hướng mũi tàu mong muốn, d  ; e     d véctơ độ sai lệch vị trí, hướng mũi tàu thực tế với vị trí, hướng mũi tàu mong muốn Luật điều khiển (8), (9) dựa giả thiết b biết (được bù hoàn toàn) Tuy nhiên thực tế đo b nên [1] đề xuất dùng khối quan sát để ước lượng  ,  b đồng thời đóng vai trò lọc tín hiệu Các giá trị gần mà khối quan sát cung cấp ˆ , ˆ , bˆ Tín hiệu điều khiển trở thành:    J T ( ) K p eˆ  K dˆ  J T ( )bˆ eˆ  ˆ   d (10) (11) Như chọn véctơ vị trí hướng mong muốn tàu, dụ  d  [0, 0, 090 ]T luật điều khiển (10) giữ cho vị trí hướng tàu ổn định véctơ mong muốn Đây nguyên lý chức điều khiển định vị hệ thống DP Chức điều khiển dịch chuyển tốc độ thấp (Low-speed maneuvering control) Chức điều khiển dịch chuyển tốc độ thấp có tác dụng điều khiển tàu theo quỹ đạo mong muốn đồng thời giữ hướng mũi tàu theo giá trị định trước, dụ hướng mũi tàu chọn cho tác động sóng, gió dòng chảy lên tàu nhỏ nhất, đơn giản hướng từ vị trí tàu đến điểm Để thực chức này, phương pháp điểm tham khảo (reference point) sử dụng [2], [4] Tại chu trình điều khiển, tàu điều khiển đến điểm R(xd, yd) (hình 2) với hướng mũi tàu d Lúc véctơ vị trí hướng mũi tàu mong muốn  d  [ x d , y d ,  d ]T Giả sử muốn điểm H tàu có tọa độ (xH, yH) hệ trục XEYEZE dịch chuyển theo điểm R Trên hệ trục XYZ điểm H có tọa độ ( x , y ) Véctơ vị trí hướng mũi tàu H có XE  xd xH X R y z e H x (x,y) Y yH yd YE Hình 2: Sơ đồ nguyên lý điều khiển dịch chuyển tốc độ thấp dạng  H  [ x H , y H ,  ]T Ta có véctơ sai số vị trí tàu với giá trị mong muốn là: e  H  d (12) Vậy véctơ vị trí hướng mũi tàu hệ tọa độ XEYEZE tính sau:  x   H  ˆ  J ( )  y   ˆ  J ( )d H   (13)  T Trong d H  [ x ,  y , ] Vậy (12) trở thành: eˆ  ˆ  J ( )d H   d Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải (14) Số 14 - 6/2008 41 Kết hợp (10) (14) ta có luật điều khiển (bất điểm tàu) dịch chuyển theo điểm R(xd, yd) Để tàu dịch chuyển theo quỹ đạo mong muốn, [3] tác giả đề xuất thuật toán dịch chuyển điểm tham khảo R(xd, yd) dọc theo quỹ đạo Khoảng cách HR ze có dạng: z e  ( xH  xd )  ( y H  y d ) (15) Tốc độ dịch chuyển u điểm R chọn sau: u ( Z ep , z e ,  )  u * (1  1e   Z ep ) e   ze e    (16) với u *  , số  i > 0, i = 1, …4, 1 < 1,      d ; Zep khoảng cách từ R đến vị trí mong muốn Theo cách chọn này, tốc độ dịch chuyển điểm R có đặc tính thuận lợi sau: hai hai giá trị ze  lớn, điểm R chờ vị trí tàu hướng mũi tàu đạt giá trị mong muốn  d ; ze  nhỏ, R dịch chuyển dọc theo quỹ đạo mong muốn với tốc độ chọn u * tàu dịch chuyển theo R khoảng cách định phía trước hướng mũi tàu giữ giá trị mong muốn Kết luận Bài báo trình bày nguyên lý cấu tạo hai chức hệ thống điều khiển định vị động tàu thủy Dựa vào mơ hình tốn học mơ tả hệ thống, thiết kế BĐK định vị cho tàu Để thực chức điều khiển dịch chuyển tốc độ thấp, phương pháp điểm tham khảo áp dụng với thuật tốn di chuyển điểm tham khảo cách phù hợp với mục tiêu điều khiển Trong phần chúng tơi trình bày kỹ BĐK hỗn hợp tỷ lệ - tích phân nơron nhân tạo áp dụng cho hệ thống với kết mơ máy tính để minh họa cho phần lý thuyết TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1] T.I Fossen, “Marine Control Systems – Guidance, Navigation and Control of Ship, Rigs and Underwater Vehicles”, Marine Cybernetics, Trondheim, Norway, ISBN 82-92356-00-2, 2002 [2] C.V Nguyen, L Morawski, and A Rak, “Track Keeping Autopilot with Fuzzy Logic Controller”, Proc of the 6th Asian Conference on Marine Simulator and Simulation Research, Hai Phong, Vietnam, Mar 2006, pp 137-144 [3] Nguyễn Phùng Hưng, “A Study on the Automatic Ship Control Based on Adaptive Neural Networks”, Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, ĐHHH Hàn Quốc, Feb 2007 [4] P.H Nguyen and Y.C Jung, “Design and Application of an Adaptive Neural Network to Dynamic th Positioning Control of Ship”, Proceedings of International Symposium on GPS/GNSS (12 IAIN World Congress), Jeju, Korea, Oct 2006, Vol.1, pp 285-290 [5] K.P W Lindegaard, “Acceleration Feedback in Dynamic Positioning”, PhD Dissertation, Dept of Engineering Cybernetics, Nowaygian University of Science and Technology, NO-7491, Trondheim, Norway, Sep 2003 Người phản biện: TS Nguyễn Cơng Vịnh Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 14 - 6/2008 42 ... (Controller): có chức tạo ba tín hiệu điều khiển: lực tiến-lùi theo phương mũi lái, lực dịch ngang theo phương trục ngang mô men quay theo yêu cầu điều khiển Tùy thuộc vào tình trạng hoạt động chế... (bất điểm tàu) dịch chuyển theo điểm R(xd, yd) Để tàu dịch chuyển theo quỹ đạo mong muốn, [3] tác giả đề xuất thuật toán dịch chuyển điểm tham khảo R(xd, yd) dọc theo quỹ đạo Khoảng cách HR ze... Controller”, Proc of the 6th Asian Conference on Marine Simulator and Simulation Research, Hai Phong, Vietnam, Mar 2006, pp 137-144 [3] Nguyễn Phùng Hưng, “A Study on the Automatic Ship Control
- Xem thêm -

Xem thêm: 38 he thong dieu khien dinh vi, 38 he thong dieu khien dinh vi

Gợi ý tài liệu liên quan cho bạn

Nhận lời giải ngay chưa đến 10 phút Đăng bài tập ngay