Giải pháp điều khiển bám quỹ đạo tàu thủy với ràng buộc tín hiệu và bất định đầu vào

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

2. Mục đích và nhiệm vụ của đề tài

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

4. Phương pháp nghiên cứu

5. Ý nghĩa lý luận và thực tiễn

6. Bố cục của luận án

1. CHƢƠNG 1: MÔ HÌNH TOÁN VÀ TỔNG QUAN BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG TÀU THỦY

1.1. Mô hình toán mô tả chuyển động tàu thủy

1.1.1. Mô tả chuyển động tàu thủy trong hệ quy chiếu

1.1.2. Các hệ quy chiếu

1.1.3. Mô hình toán mô tả chuyển động tàu thuỷ 6 bậc tự do

1.1.3.1. Mối quan hệ giữa vị trí, hướng và vận tốc của chuyển động tàu thủy

1.1.3.2. Phương trình mô tả động lực học tàu thủy

1.1.3.3. Mô hình toán tàu thuỷ 6 bậc tự do

1.1.4. Mô hình toán mô tả chuyển động tàu thủy ba bậc tự do (xét trong mặt phẳng ngang).5 Mô hình toán mô tả chuyển động tàu thủy ba bậc tự do thiếu cơ cấu chấp hành trên mặt phẳng ngang

1.1.4.1. Mô hình toán mô tả chuyển động tàu thủy ba bậc tự do thiếu cơ cấu chấp hành trên mặt phẳng ngang dạng mô hình xác định.2 Mô hình toán bất định mô tả chuyển động tàu thủy ba bậc tự do thiếu cơ cấu chấp hành trên mặt phẳng ngang

1.2. Tổng quan các nghiên cứu về điều khiển chuyển động tàu thủy

1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước

1.2.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước

1.2.2.1. Tổng quan điều khiển chuyển động tàu thủy đủ cơ cấu chấp hành

1.2.3. Tổng quan điều khiển chuyển động tàu thủy thiếu cơ cấu chấp hành

1.3. Hướng nghiên cứu của luận án

1.3.1. Vấn đề đặt ra trong luận án

1.3.2. Ý nghĩa vấn đề ràng buộc tín hiệu điều khiển

1.4. Kết luận chương 1

2. CHƢƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG TÀU THỦY BÁM QUỸ ĐẠO ĐẶT VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CÓ RÀNG BUỘC TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN KHI MÔ HÌNH TÀU XÁC ĐỊNH

2.1. Nguyên lý điều khiển dự báo

2.1.1. Cấu trúc bộ điều khiển dự báo

2.1.2. Khối mô hình dự báo

2.1.3. Khối hàm mục tiêu

2.1.4. Nguyên lý trượt dọc trên trục thời gian

2.2. Điều khiển dự báo hệ tuyến tính phản hồi trạng thái

2.3. Giải pháp điều khiển dự báo hệ song tuyến trên cơ sở tuyến tính hóa từng đoạn mô hình phi tuyến dọc theo trục thời gian

2.4. Một số giải pháp nâng cao chất lượng bộ điều khiển dự báo

2.4.1. Nâng cao tốc độ hội tụ của sai lệch bám nhờ hiệu chỉnh tín hiệu đặt theo nguyên lý học lặp (Iterative Learning)

2.4.2. Lọc nhiễu và chuyển phản hồi trạng thái thành phản hồi đầu ra nhờ bộ quan sát Kalman

2.5. Các phương pháp tối ưu hóa có ràng buộc

2.5.1. Những phương pháp tối ưu hóa có ràng buộc thường sử dụng

2.5.1.1. Phương pháp tối ưu hóa truyền thống

2.5.1.2. Phương pháp tối ưu tiến hóa

2.5.2. Giải pháp điều khiển tối ưu hóa có ràng buộc với bộ điều khiển MPC

2.6. Thiết kế bộ điều khiển MPC điều khiển chuyển động tàu bám quỹ đạo đặt, có ràng buộc tín hiệu điều khiển khi mô hình tàu xác định

2.6.1. Thiết kế bộ điều khiển dự báo phản hồi trạng thái điều khiển tàu chuyển động bám quỹ đạo đặt khi mô hình tàu xác định

2.6.1.1. Mô hình dự báo trên cơ sở tuyến tính hóa từng đoạn mô hình dọc trục thời gian

2.6.1.2. Xây dựng khối hàm mục tiêu của bộ điều khiển MPC

2.6.1.3. Xây dựng khối tối ưu hóa của bộ điều khiển

2.6.1.4. Thuật toán bộ điều khiển dự báo phản hồi trạng thái

2.6.1.5. Mô phỏng bộ điều khiển MPC-S

2.6.2. Thiết kế bộ điều khiển dự báo phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách để điều khiển chuyển động tàu bám quỹ đạo đặt khi mô hình tàu xác định

2.6.2.1. Xây dựng bộ quan sát trực tiếp trạng thái từ mô hình liên tục

2.6.2.2. Xây dựng bộ quan sát trạng thái và lọc nhiễu nhờ bộ lọc Kalman mở rộng (EKF)

2.6.2.3. Thuật toán điều khiển dự báo phản hồi đầu ra với bộ QSTT

2.6.2.4. Kết quả mô phỏng bộ điều khiển dự báo phản hồi đầu ra MPC-O

2.6.3. Chứng minh tính ổn định hệ điều khiển dự báo đề xuất

2.7. Kết luận chương 2

3. CHƢƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG TÀU THỦY BÁM QUỸ ĐẠO ĐẶT VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO KHI MÔ HÌNH TÀU CÓ CHỨA THÀNH PHẦN BẤT ĐỊNH

3.1. Cấu trúc mô hình bù thành phần bất định

3.2. Giải pháp bù thành phần bất định

3.2.1. Bù thành phần bất định

3.2.2. Mô phỏng bộ ước lượng bù bất định

3.2.2.1. Mô phỏng kiểm chứng bộ ước lượng với tín hiệu bất định dạng hàm bất định tác động từ bên ngoài

3.2.2.2. Mô phỏng kiểm chứng bộ ước lượng với tín hiệu bất định sinh ra từ mô hình đối tượng

3.2.3. Đánh giá bộ ước lượng bù bất định

3.3. Thiết kế bộ điều khiển dự báo điều khiển chuyển động tàu thủy bám quỹ đạo đặt khi mô hình có bất định hàm ở đầu vào

3.3.1. Thiết kế bộ điều khiển dự báo bù bất định phản hồi trạng thái

3.3.1.1. Thuật toán điều khiển dự báo bù bất định phản hồi trạng thái

3.3.1.2. Cài đặt bộ điều khiển dự báo bù bất định phản hồi trạng thái DMPC-S

3.3.1.3. Kết quả mô phỏng, đánh giá chất lượng bộ điều khiển DMPC-S

3.3.2. Thiết kế bộ điều khiển dự báo bù bất định phản hồi đầu ra

3.3.2.1. Thuật toán điều khiển dự báo bù bất định phản hồi đầu ra

3.3.2.2. Mô phỏng bộ điều khiển dự báo bù bất định phản hồi đầu ra DMPC-O

3.3.2.3. Kết quả mô phỏng, đánh giá chất lượng bộ điều khiển DMPC-O

3.4. Kết luận chương 3

3.4.1. Những vấn đề đã thực hiện được

3.4.2. Các vấn đề còn tồn tại

4. CHƢƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM, KIỂM CHỨNG, ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐÃ ĐỀ XUẤT

4.1. Phương pháp kiểm nghiệm bộ điều khiển chạy trên nền thời gian thực (Real time)

4.2. Xây dựng mô hình thực nghiệm, kiểm chứng bộ điều khiển MPC đề xuất theo phương pháp HIL (Hardware In the Loop)

4.2.1. Cấu trúc mô hình thực nghiệm HIL với bộ điều khiển MPC

4.2.2. Thư viện mô phỏng thiết bị hàng hải MSS-GNC Toolbox

4.2.3. Card ghép nối Arduino Due R3, thư viện Arduino Libarary I/O

4.2.4. Ghép nối mô hình thực nghiệm HIL, cài đặt thông số với bộ điều khiển MPC đề xuất

4.2.4.1. Mô hình tàu, mô hình nhiễu bất định và tham số cài đặt

4.2.4.2. Xây dựng, cài đặt mô hình nhiễu đo

4.2.4.3. Ghép nối, cài đặt mô hình bộ đo tín hiệu quỹ đạo, hướng tàu bằng GPS - Gyrocompass

4.2.4.4. Ghép nối, cài đặt Card Arduino Due R3 Atemega16u2 và chuyển đổi tín hiệu NMEA0183

4.2.4.5. Mô hình bộ điều khiển MPC cài đặt trên máy tính 1 (PC1)

4.2.4.6. Hình ảnh mô hình vật lý thực nghiệm HIL với bộ điều khiển MPC đề xuất

4.2.5. Kết quả thực nghiệm, kiểm chứng bộ điều khiển MPC đề xuất

4.3. Kết luận chương 4

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1. Những vấn đề đã được giải quyết

2. Những vấn đề còn tồn tại

CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

CÁC KÝ HIỆU ĐƢỢC SỬ DỤNG

BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH VẼ

I. Giới thiệu về điều khiển bám quỹ đạo tàu thủy

Nghiên cứu về Giải pháp điều khiển bám quỹ đạo tàu thủy với ràng buộc tín hiệu và bất định đầu vào là một lĩnh vực quan trọng trong ngành hàng hải. Tàu thủy hoạt động trong môi trường phức tạp, nơi mà các yếu tố như sóng, gió và dòng chảy có thể gây ra nhiễu loạn không thể dự đoán. Mô hình động lực học của tàu thủy thường là phi tuyến và bất định, điều này làm cho việc thiết kế bộ điều khiển trở nên khó khăn. Các bộ điều khiển hiện tại như PID, LQR, và SMC đã được áp dụng, nhưng vẫn còn nhiều thách thức trong việc cải thiện độ chính xác và hiệu suất của hệ thống điều khiển.

1.1. Tính cấp thiết của nghiên cứu

Nghị quyết số 36-NQ/TW đã chỉ ra tầm quan trọng của việc phát triển công nghệ và nguồn nhân lực trong lĩnh vực hàng hải. Việc áp dụng các công nghệ tiên tiến như hệ thống lái tự động và điều khiển theo quỹ đạo là cần thiết để nâng cao hiệu quả khai thác tàu thủy. Nghiên cứu này không chỉ giúp cải thiện chất lượng điều khiển mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành hàng hải Việt Nam.

II. Mô hình toán và tổng quan bài toán điều khiển

Mô hình toán mô tả chuyển động tàu thủy là một phần quan trọng trong nghiên cứu này. Các phương trình động lực học được xây dựng dựa trên các yếu tố như vị trí, hướng và vận tốc của tàu. Việc xác định mối quan hệ giữa các yếu tố này là cần thiết để phát triển các bộ điều khiển hiệu quả. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc áp dụng các phương pháp điều khiển phi tuyến có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống điều khiển tàu thủy.

2.1. Các hệ quy chiếu trong mô hình toán

Các hệ quy chiếu được sử dụng để mô tả chuyển động tàu thủy bao gồm hệ quy chiếu gắn với thân tàu và hệ quy chiếu gắn với trái đất. Mỗi hệ quy chiếu có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến cách thức mô hình hóa và điều khiển tàu. Việc lựa chọn hệ quy chiếu phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác trong việc điều khiển và theo dõi quỹ đạo của tàu.

III. Giải pháp điều khiển bám quỹ đạo

Giải pháp điều khiển bám quỹ đạo tàu thủy được đề xuất trong nghiên cứu này bao gồm việc sử dụng bộ điều khiển dự báo có ràng buộc tín hiệu. Bộ điều khiển này được thiết kế để tối ưu hóa quá trình điều khiển trong điều kiện bất định. Các phương pháp tối ưu hóa có ràng buộc được áp dụng để đảm bảo rằng tín hiệu điều khiển không vượt quá giới hạn cho phép, từ đó nâng cao độ ổn định và hiệu suất của hệ thống.

3.1. Thiết kế bộ điều khiển MPC

Bộ điều khiển MPC (Model Predictive Control) được thiết kế để điều khiển chuyển động tàu bám quỹ đạo đặt. Bộ điều khiển này sử dụng mô hình dự báo để tính toán tín hiệu điều khiển tối ưu tại mỗi thời điểm. Việc áp dụng bộ điều khiển MPC giúp cải thiện tốc độ hội tụ của sai lệch bám quỹ đạo, đồng thời giảm thiểu tác động của nhiễu và bất định đầu vào.

IV. Kết quả thực nghiệm và đánh giá

Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển đề xuất có khả năng điều khiển tàu bám quỹ đạo một cách hiệu quả trong điều kiện bất định. Các mô phỏng cho thấy rằng bộ điều khiển MPC có thể duy trì độ chính xác cao trong việc theo dõi quỹ đạo, ngay cả khi có sự xuất hiện của nhiễu và bất định. Điều này chứng tỏ giá trị thực tiễn của nghiên cứu trong việc nâng cao hiệu suất điều khiển tàu thủy.

4.1. Đánh giá chất lượng bộ điều khiển

Chất lượng bộ điều khiển được đánh giá thông qua các chỉ số như độ chính xác trong việc theo dõi quỹ đạo và khả năng phản ứng với các thay đổi trong môi trường. Kết quả cho thấy bộ điều khiển đề xuất không chỉ đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật mà còn có khả năng hoạt động ổn định trong các điều kiện thực tế.

Nghiên cứu giải pháp điều khiển bám quỹ đạo tàu thủy có ràng buộc tín hiệu và bất định hàm ở đầu vào