Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu giải pháp điều khiển bám quỹ đạo tàu thủy có ràng buộc tín hiệu và bất định hàm ở đầu vào" do nghiên cứu sinh Nguyễn Hữu Quyền thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Trần Anh Dũng, chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa (mã số: 9520216) tại Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, bảo vệ năm 2019.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Theo các định hướng về phát triển kinh tế biển và hiện đại hóa phương tiện thủy, ngành công nghiệp đóng tàu cùng các đơn vị vận tải biển trong nước đã và đang đẩy mạnh việc thiết kế, đóng mới nhiều chủng loại tàu chở hàng trọng tải lớn, tàu nghiên cứu biển, tàu kiểm ngư và tàu chuyên dụng. Cùng với sự phát triển của công nghệ tự động hóa, các trang thiết bị kỹ thuật như hệ thống lái tự động (Auto Pilot), hệ thống điều khiển chuyển động theo quỹ đạo, hệ thống định vị động DP (Dynamic Position), hệ thống dẫn đường GPS và Radar được trang bị nhằm nâng cao hiệu quả khai thác tàu.

Tuy nhiên, bài toán điều khiển chuyển động tàu thủy đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật:

  1. Môi trường hoạt động đại dương phức tạp và không có cấu trúc xác định, tạo ra các thành phần nhiễu loạn khó dự báo như sóng, gió và dòng chảy.
  2. Mô hình động lực học tàu thủy có tính phi tuyến cao, các tham số phụ thuộc vào biến trạng thái điều khiển, phương trình vi phân mô tả chuyển động là bậc cao, thời gian quá độ dài, quá trình dao động lớn và độ dự trữ ổn định thấp.
  3. Việc tổng hợp các bộ điều khiển phi tuyến hiện nay chủ yếu dựa trên hàm điều khiển Lyapunov, vốn phức tạp trong việc xác định và chứng minh.
  4. Các nghiên cứu trước đây thường giải quyết đơn lẻ từng bài toán (chỉ bám quỹ đạo, hoặc chỉ ổn định hướng, hoặc chỉ xử lý nhiễu). Luận án chỉ ra khoảng trống: chưa có công trình nào tích hợp đồng thời bài toán bám quỹ đạo, xử lý ràng buộc biên độ tín hiệu điều khiển, bù thành phần bất định hàm trong mô hình và khử nhiễu ngẫu nhiên trong cùng một cấu trúc điều khiển cho tàu thiếu cơ cấu chấp hành.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục đích chính của luận án là ứng dụng lý thuyết điều khiển dự báo theo mô hình MPC (Model Predictive Control) với nguyên tắc trượt dọc trên trục thời gian RHC (Receding Horizon Control), dựa trên kỹ thuật tuyến tính hóa từng đoạn mô hình phi tuyến dọc trục thời gian để thiết kế hệ thống điều khiển tàu thủy bám quỹ đạo đặt, thỏa mãn các ràng buộc tín hiệu điều khiển và thích ứng với mô hình có chứa thành phần bất định.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân định thành 5 nội dung:

  1. Nhiệm vụ 1: Nghiên cứu mô hình toán học mô tả chuyển động tàu thủy và các dạng biến đổi mô hình; phân tích tổng quan các phương pháp điều khiển chuyển động tàu thủy trong và ngoài nước để xác định hướng tiếp cận.
  2. Nhiệm vụ 2: Nghiên cứu lý thuyết điều khiển tối ưu có ràng buộc với bộ điều khiển dự báo MPC.
  3. Nhiệm vụ 3: Nghiên cứu xây dựng bộ quan sát trạng thái trực tiếp và bộ ước lượng nhằm bù thành phần bất định hàm ở đầu vào.
  4. Nhiệm vụ 4: Áp dụng nguyên lý MPC trên cơ sở tuyến tính hóa từng đoạn mô hình phi tuyến để xây dựng bộ điều khiển cho tàu thủy ba bậc tự do thiếu cơ cấu chấp hành bám quỹ đạo đặt có ràng buộc tín hiệu và có bất định.
  5. Nhiệm vụ 5: Mô phỏng trên máy tính và xây dựng mô hình thực nghiệm phần cứng trong vòng lặp HIL (Hardware In the Loop) để kiểm chứng các thuật toán điều khiển đã đề xuất.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Tàu nổi, choán nước, có mô hình toán học ba bậc tự do dạng thiếu cơ cấu chấp hành (Underactuated) trong bài toán điều khiển bám quỹ đạo đặt trên mặt phẳng ngang.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Mô hình toán học khảo sát chuyển động ba bậc tự do (trượt dọc $u$, trượt ngang $v$, quay trở $r$) xét trên mặt phẳng ngang ($x, y, \psi$).
    • Bài toán xem xét điều kiện có ràng buộc tín hiệu điều khiển đầu vào (lực đẩy trượt dọc $\tau_u$ và mô-men quay trở $\tau_r$, tương ứng với góc bẻ lái $\delta$) và bất định hàm ở đầu vào, không đi sâu vào mô hình động lực học chi tiết bên trong của cơ cấu chấp hành.
    • Tàu hoạt động ở chế độ chạy kiểm tra tính năng điều động, quay trở trong điều kiện môi trường có sóng, gió, dòng chảy không vượt quá cấp 5 (nhiễu ngẫu nhiên từ môi trường ngoài ở mức độ nhỏ và vừa).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trong và ngoài nước

Luận án tiến hành tổng quan các công trình nghiên cứu theo hai nhóm đối tượng tàu đủ cơ cấu chấp hành và tàu thiếu cơ cấu chấp hành:

  1. Tình hình nghiên cứu trong nước:

    • Đặng Văn Uy (1999) [3]: Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tự động hóa và vi xử lý cho hệ thống lái tàu thủy đóng tại Việt Nam, sử dụng mô hình Nomoto đơn giản hóa một bậc tự do cho bài toán ổn định hướng đi.
    • Đào Minh Quân (2015) [7]: Nghiên cứu kiến trúc hướng mô hình kết hợp Real Time UML/MARTE trong thiết kế hệ thống điều khiển cho phương tiện tự hành trên mặt nước (USV), không áp dụng cho tàu có người lái và không giải quyết bài toán thiếu cơ cấu chấp hành.
    • Nguyễn Cảnh Minh (2016) [8]: Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại (thích nghi, trượt SMC, Backstepping và mạng Neural) điều khiển bám quỹ đạo cho tàu nổi đủ cơ cấu chấp hành ba bậc tự do, sử dụng mạng Neural để nhận dạng véc-tơ nhiễu bất định.

  2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước đối với tàu đủ cơ cấu chấp hành (Full Actuated):

    • Fossen (1994, 2011) [24], [28]: Hệ thống hóa các mô hình toán học chuyển động tàu thủy, thiết kế bộ điều khiển lái tự động bằng PID trên mô hình Nomoto bậc một, bậc hai, hoặc bộ điều khiển tuyến tính LQR, LQG [33] trên mô hình máy lái đã tuyến tính hóa.
    • Các phương pháp phi tuyến cho tàu đủ cơ cấu chấp hành: Kỹ thuật Backstepping (Fossen và Grovlen, 1998 [23]; Pettersen và Fossen, 2000 [71]); điều khiển trượt SMC (Perera và cộng sự, 2015 [37]; Ashrafiuon và cộng sự, 2008 [47]); điều khiển bề mặt động DSC (Li và cộng sự, 2017 [61]); điều khiển cửa sổ động DWC (Svec và cộng sự, 2014 [49]); điều khiển dự báo MPC (Hassani và cộng sự, 2013 [52]); điều khiển thích nghi (Dai và cộng sự, 2012 [42]).
    • Các cấu trúc điều khiển kết hợp: Backstepping kết hợp mạng Neural (Feeza và cộng sự, 2014 [15]; Witkowska và cộng sự, 2014 [73]; Zou và cộng sự, 2014 [76]); Backstepping kết hợp trượt thích nghi (Perera và cộng sự, 2015 [37]).

  3. Tình hình nghiên cứu ngoài nước đối với tàu thiếu cơ cấu chấp hành (Underactuated):

    • Mô hình đơn giản hóa ổn định hướng: Bộ điều khiển Fuzzy-LQR cho tàu USV (Liu và cộng sự, 2008 [50]); mạng Neural thích nghi trên mô hình Nomoto (Liao và cộng sự, 2009 [36]); bộ điều khiển SMC kết hợp Backstepping trên mô hình Norrbin (Unar và Murray-Smith, 1999 [66]); luật điều khiển $H_\infty$ giảm lắc ngang cho tàu container (Fang và Luo, 2006 [34]).
    • Kỹ thuật Backstepping và hàm Lyapunov cho bám quỹ đạo: Jiang (2002) [30] thiết kế điều khiển bám quỹ đạo thẳng với vận tốc không đổi và không xét bất định/nhiễu; Do, Jiang và Pan (2002, 2004) [16], [17] thiết kế điều khiển bám quỹ đạo toàn cục nhưng giả thiết tín hiệu điều khiển không bị ràng buộc độ lớn; Do (2010) [22] áp dụng DSC có xét ràng buộc tín hiệu nhưng mô hình không có thành phần bất định; Morelli và cộng sự (2014) [46] tuyến tính hóa đại số nhưng bỏ qua nhiễu và bất định.
    • Xử lý bất định và quan sát trạng thái: Sonnenburg và Woolsey (2013) [69] dùng bộ lọc UKF (Unscented Kalman Filter) kết hợp Backstepping cho tàu tự hành; Wondergem và cộng sự (2011) [67] thiết kế phản hồi đầu ra dựa trên phương trình Euler-Lagrange; Zhang và cộng sự (2015) [70] kết hợp Backstepping, DSC và phương trình sai lệch Serret-Frenet.
    • Điều khiển trượt và kháng nhiễu: Ghommam và cộng sự (2016) [48] dùng trượt thích nghi với hai mặt trượt dọc và ngang cho tàu ASV; Sun và cộng sự (2018) [60] dùng điều khiển kháng nhiễu ADRC với hệ phương trình bậc cao phức tạp.
    • Ứng dụng điều khiển dự báo MPC: Zheng và cộng sự (2014) [53] dùng MPC ổn định theo đường ngắm LOS (Line-Of-Sight); Oh và Sun (2010) [62] áp dụng NMPC phi tuyến có xét bão hòa đầu vào nhưng bỏ qua bất định; Ghommam và cộng sự (2013) [48] dùng NMPC giải bài toán tối ưu phi tuyến phức tạp với giả thiết toàn bộ biến trạng thái phải đo trực tiếp.
    • Các hệ kết hợp: Li và cộng sự (2010) [14] kết hợp mạng Neural và trượt phân cấp để xấp xỉ hàm suy giảm thủy động lực học phi tuyến nhưng không xử lý ràng buộc tín hiệu; Wang và cộng sự (2015, 2018) [68], [75] dùng trượt thích nghi kết hợp bộ quan sát nhiễu phi tuyến NDO (Nonlinear Disturbance Observer); Peng và cộng sự (2017) [64] kết hợp Neural thích nghi, DSC, Backstepping và hàm chặn Logarit.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn

Các công trình đã công bố phần lớn tiếp cận theo hướng sử dụng hàm Lyapunov phi tuyến hoặc sử dụng NMPC phi tuyến nguyên bản với khối lượng tính toán lớn, hoặc giải quyết bài toán với các giả định đơn giản hóa (không có ràng buộc cơ cấu chấp hành, bỏ qua thành phần bất định ma trận thủy động lực học, hoặc đòi hỏi đo đạc toàn bộ trạng thái). Luận án lựa chọn giải quyết đồng thời các vấn đề:

  • Điều khiển bám quỹ đạo cong bất kỳ (đường tròn, hình sin).
  • Giải quyết trực tiếp ràng buộc biên độ lực đẩy và góc bẻ lái ($\delta$).
  • Bù thành phần bất định hàm nội tại của mô hình và nhiễu ngẫu nhiên từ môi trường.
  • Áp dụng nguyên lý tuyến tính hóa từng đoạn mô hình song tuyến dọc trục thời gian kết hợp tối ưu toàn phương (QP) nhằm giảm thời gian tính toán so với NMPC phi tuyến truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình toán học

Chuyển động của tàu thủy được mô tả thông qua các hệ quy chiếu tiêu chuẩn:

  • Hệ quy chiếu định vị quán tính trái đất ECI ($i$-frame), hệ ECEF ($e$-frame), hệ quy chiếu địa lý NED ($n$-frame) và hệ quy chiếu gắn với thân tàu BODY ($b$-frame) $o x_b y_b z_b$ có gốc đặt tại trọng tâm tàu.
  • Mô hình 6 bậc tự do (6 DOF): véc-tơ vị trí $\eta = [x, y, z, \phi, \theta, \psi]^T$ và véc-tơ vận tốc $\nu = [u, v, w, p, q, r]^T$.
  • Mô hình 3 bậc tự do trên mặt phẳng ngang (3 DOF): bỏ qua chuyển động lắc ngang $p$, lắc dọc $q$ và trượt đứng $w$. Véc-tơ trạng thái vị trí $\eta = [x, y, \psi]^T$ và vận tốc $\nu = [u, v, r]^T$.
Thành phần chuyển động Lực và mô-men Véc-tơ vận tốc Vị trí và góc Euler
Trượt dọc (surge) $X$ $u$ $x$
Trượt ngang (sway) $Y$ $v$ $y$
Trượt đứng (heave) $Z$ $w$ $z$
Lắc ngang (roll) $K$ $p$ $\phi$
Lắc dọc (pitch) $M$ $q$ $\theta$
Quay trở (yaw) $N$ $r$ $\psi$

Đối với tàu thiếu cơ cấu chấp hành (chỉ có chân vịt sau lái tạo lực trượt dọc $\tau_u$ và bánh lái tạo mô-men quay trở $\tau_r$, không có chân vịt mạn tạo lực trượt ngang $\tau_v = 0$), véc-tơ tác động điều khiển là $\tau = [\tau_u, \tau_r]^T$ thông qua ma trận phân bổ lực $F = \begin{bmatrix} 1 & 0 \ 0 & 0 \ 0 & 1 \end{bmatrix}$.

Phương trình động lực học tổng quát có chứa bất định: $$\dot{\eta} = J(\psi)\nu$$ $$M\dot{\nu} + C(\nu)\nu + D(\nu)\nu + g(\eta) = F\tau + \Delta(\nu, \eta)$$

Trong đó các ma trận được thành lập dựa trên các hệ số thủy động lực học theo tiêu chuẩn SNAME 1950:

  • Ma trận quán tính: $M = \text{diag}(m_{11}, m_{22}, m_{33})$ với $m_{11} = m - X_{\dot{u}}$, $m_{22} = m - Y_{\dot{v}}$, $m_{33} = I_z - N_{\dot{r}}$.
  • Ma trận Coriolis và hướng tâm: $C(\nu) = \begin{bmatrix} 0 & 0 & -m_{22}v \ 0 & 0 & m_{11}u \ m_{22}v & -m_{11}u & 0 \end{bmatrix}$.
  • Ma trận suy giảm thủy động lực học: $D(\nu) = D + D_n(\nu)$ với các thành phần tuyến tính $d_{11} = -X_u, d_{22} = -Y_v, d_{33} = -N_r$ và các thành phần phi tuyến bậc cao $d_{iin}(\cdot)$.
  • Thành phần $\Delta(\nu, \eta) = [\Delta_u, \Delta_v, \Delta_r]^T$ đại diện cho các sai số mô hình hóa phi tuyến và nhiễu từ môi trường.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  1. Phương pháp phân tích - tổng hợp giải tích:
    • Tuyến tính hóa từng đoạn mô hình phi tuyến/song tuyến dọc theo trục thời gian tại từng bước trượt $k$.
    • Thiết lập bài toán tối ưu toàn phương SQP/QP với hàm mục tiêu đánh giá sai lệch bám vị trí, hướng đi và năng lượng điều khiển trong cửa sổ dự báo $N_p$ và cửa sổ điều khiển $N_c$.
    • Xây dựng thuật toán học lặp ILC (Iterative Learning Control) để hiệu chỉnh trước tín hiệu đặt, tăng tốc độ hội tụ.
    • Xây dựng bộ quan sát trạng thái trực tiếp (QSTT) từ mô hình liên tục và bộ lọc Kalman mở rộng EKF (Extended Kalman Filter) để khôi phục trạng thái vận tốc từ tín hiệu đo GPS và la bàn con quay (Gyrocompass).
  2. Phương pháp mô phỏng số:
    • Xây dựng thuật toán trên môi trường MATLAB/Simulink.
    • Khảo sát đáp ứng hệ thống với các quỹ đạo chuẩn: quỹ đạo tròn và quỹ đạo hình sin.
    • Kiểm chứng tính thích nghi của bộ ước lượng bất định trước các dạng tín hiệu: hàm sin, tín hiệu ngẫu nhiên (random), xung vuông và sự thay đổi đột ngột của ma trận suy giảm thủy động $D(\nu)$.
  3. Phương pháp thực nghiệm bán thực tế HIL (Hardware In the Loop):
    • Thiết lập cấu trúc lai thời gian thực kết nối máy tính tính toán thuật toán điều khiển với máy tính mô phỏng đối tượng tàu.
    • Sử dụng thư viện mô phỏng hàng hải MSS-GNC Toolbox (Marine Systems Simulator - Guidance Navigation Control Toolbox).
    • Ghép nối phần cứng thời gian thực bằng bo mạch Arduino Due R3 (vi điều khiển ATmega16U2/SAM3X8E), chuyển đổi và truyền thông giao thức hàng hải tiêu chuẩn NMEA 0183.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mô hình toán và tổng quan bài toán điều khiển chuyển động tàu thủy

Chương 1 tập trung thiết lập các mô hình toán học động học và động lực học của tàu thủy từ 6 bậc tự do xuống 3 bậc tự do trên mặt phẳng ngang cho cả hai dạng đủ cơ cấu chấp hành và thiếu cơ cấu chấp hành:

  • Thiết lập quan hệ hình học giữa hệ quy chiếu quán tính Trái Đất ($e$-frame/NED) và hệ quy chiếu thân tàu ($b$-frame) qua ma trận biến đổi tọa độ $J(\psi)$.
  • Phân tích chi tiết các thành phần lực và mô-men thủy động lực học: lực bức xạ khối lượng nước kèm $M_A, C_A(\nu)$, lực cản giảm chấn thế năng, ma sát bề mặt, bong bóng xoáy $D(\nu)$, lực phục hồi $g(\eta)$, và lực nhiễu môi trường $\tau_w$.
  • Xây dựng hệ phương trình trạng thái 3 bậc tự do dạng khai triển cho tàu thiếu cơ cấu chấp hành khi có chứa thành phần bất định hàm $\Delta(\nu, \eta)$: $$\begin{cases} \dot{x} = u\cos\psi - v\sin\psi \ \dot{y} = u\sin\psi + v\cos\psi \ \dot{\psi} = r \ \dot{u} = \frac{m_{22}}{m_{11}}vr - \frac{d_{11}}{m_{11}}u - \frac{d_{11n}}{m_{11}}u + \frac{1}{m_{11}}\tau_u + \frac{1}{m_{11}}\Delta_u(\nu, \eta) \ \dot{v} = -\frac{m_{11}}{m_{22}}ur - \frac{d_{22}}{m_{22}}v - \frac{d_{22n}}{m_{22}}v + \frac{1}{m_{22}}\Delta_v(\nu, \eta) \ \dot{r} = \frac{m_{11}-m_{22}}{m_{33}}uv - \frac{d_{33}}{m_{33}}r - \frac{d_{33n}}{m_{33}}r + \frac{1}{m_{33}}\tau_r + \frac{1}{m_{33}}\Delta_r(\nu, \eta) \end{cases}$$
  • Phân tích ý nghĩa thực tế của việc ràng buộc tín hiệu điều khiển: giới hạn góc bẻ lái thông thường $\delta \in [-35^\circ, 35^\circ]$ và ở chế độ lái tự động $\delta \in [-10^\circ, 10^\circ]$, chỉ ra rằng nếu không xử lý ràng buộc trong bài toán tối ưu thì bộ điều khiển có thể đưa ra tín hiệu vượt ngưỡng cho phép của cơ cấu chấp hành.

Chương 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

Chương 2 giải quyết bài toán thiết kế bộ điều khiển dự báo MPC cho mô hình tàu xác định (khi $\Delta(\nu, \eta) = 0$):

  • Trình bày nguyên lý trượt dọc RHC và cấu trúc 3 khối: mô hình dự báo, hàm mục tiêu toàn phương và thuật toán tối ưu hóa có ràng buộc.
  • Đề xuất giải pháp tuyến tính hóa từng đoạn mô hình song tuyến dọc theo trục thời gian tại mỗi chu kỳ lấy mẫu, chuyển bài toán tối ưu phi tuyến phức tạp về bài toán quy hoạch toàn phương (QP) có ràng buộc bất đẳng thức $u_{\min} \le \tau(k) \le u_{\max}$.
  • Thiết kế bộ điều khiển dự báo phản hồi trạng thái MPC-S (Model Predictive Control - State):
    • Ứng dụng nguyên lý học lặp ILC để bù trước sai lệch bám quỹ đạo.
    • Tiến hành mô phỏng kiểm chứng chất lượng với quỹ đạo tròn và quỹ đạo hình sin. Kết quả cho thấy sai lệch bám vị trí $e_x, e_y$ và góc hướng $e_\psi$ nhanh chóng hội tụ về lân cận 0, các tín hiệu điều khiển lực đẩy $\tau_u$ và mô-men lái $\tau_r$ luôn nằm trong phạm vi ràng buộc đặt ra.
  • Thiết kế bộ điều khiển dự báo phản hồi đầu ra MPC-O (Model Predictive Control - Output) theo nguyên lý tách:
    • Đề xuất bộ quan sát trực tiếp trạng thái (QSTT) từ mô hình liên tục để ước lượng vận tốc $\hat{u}, \hat{v}, \hat{r}$ khi chỉ đo được vị trí $x, y, \psi$.
    • Ứng dụng bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) để lọc nhiễu đo lường ngẫu nhiên từ cảm biến.
    • So sánh hiệu năng giữa QSTT và EKF: trong điều kiện không có nhiễu đo, QSTT cho tốc độ đáp ứng nhanh; khi có nhiễu đo, bộ lọc EKF thể hiện khả năng triệt tiêu dao động tín hiệu đo tốt hơn.
  • Thực hiện chứng minh toán học về tính ổn định của hệ thống điều khiển dự báo đề xuất thông qua hàm suy giảm Lyapunov.

Chương 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

Chương 3 mở rộng bài toán khi mô hình động lực học tàu có thành phần bất định hàm và chịu tác động của nhiễu môi trường:

  • Xây dựng cấu trúc ước lượng và bù bất định trực tiếp tại đầu vào: tín hiệu bất định được gom thành véc-tơ $d = [d_1, d_2]^T$ tác động vào kênh điều khiển.
  • Thiết kế bộ ước lượng bất định trực tuyến: tính toán giá trị ước lượng $\hat{d}$ từ sai lệch giữa gia tốc thực tế và mô hình danh định, sau đó đưa tín hiệu bù trừ trực tiếp vào tín hiệu điều khiển $\tau = \tau_{\text{mpc}} - \hat{d}$.
  • Kiểm chứng bộ ước lượng bù bất định qua 4 kịch bản mô phỏng:
    1. Tín hiệu bất định dạng sóng hình sin biến thiên liên tục.
    2. Tín hiệu bất định dạng ngẫu nhiên (random).
    3. Tín hiệu bất định dạng xung vuông biến đổi đột ngột.
    4. Bất định tham số sinh ra từ sự thay đổi hệ số ma trận thủy động lực học $D(\nu)$.
    • Kết quả mô phỏng cho thấy giá trị ước lượng $\hat{d}$ bám sát các thành phần bất định thực tế trong mọi kịch bản.
  • Xây dựng và cài đặt hai thuật toán điều khiển dự báo bù bất định:
    • DMPC-S (Disturbance Model Predictive Control - State): Bộ điều khiển dự báo phản hồi trạng thái có bù bất định.
    • DMPC-O (Disturbance Model Predictive Control - Output): Bộ điều khiển dự báo phản hồi đầu ra có bù bất định kết hợp bộ quan sát trạng thái.
  • Kết quả mô phỏng trên các quỹ đạo hình tròn và hình sin khẳng định: hệ thống điều khiển duy trì độ chính xác bám quỹ đạo cao, triệt tiêu ảnh hưởng của thành phần bất định mà không làm vi phạm các điều kiện ràng buộc biên độ tín hiệu điều khiển.

Chương 4: Xây dựng mô hình thực nghiệm, kiểm chứng, đánh giá chất lượng bộ điều khiển đã đề xuất

Chương 4 thực hiện việc hiện thực hóa và kiểm chứng các thuật toán điều khiển trên hệ thống thực nghiệm bán thực tế HIL:

  • Thiết lập cấu trúc mô hình thực nghiệm HIL:
    • Máy tính 1 (PC1): Cài đặt thuật toán điều khiển dự báo đề xuất (MPC/DMPC) chạy trong môi trường MATLAB.
    • Máy tính 2 (PC2): Cài đặt mô hình mô phỏng chuyển động tàu thủy và môi trường sóng gió từ thư viện hàng hải chuyên dụng MSS-GNC Toolbox trong Simulink.
    • Khối giao tiếp phần cứng: Sử dụng card ghép nối Arduino Due R3 (vi điều khiển ATmega16U2/SAM3X8E) kết hợp thư viện Arduino I/O để thực hiện trao đổi dữ liệu hai chiều thời gian thực giữa PC1 và PC2.
  • Cài đặt mô hình cảm biến: Tích hợp khối mô phỏng cảm biến GPS và la bàn con quay Gyrocompass, mã hóa dữ liệu truyền thông theo định dạng chuẩn hàng hải quốc tế NMEA 0183.
  • Bố trí thực nghiệm tại Phòng thí nghiệm Mô hình hóa thuộc Trường Đại học Hàng hải Việt Nam.
  • Kết quả thực nghiệm kiểm chứng bộ điều khiển DMPC-O với quỹ đạo hình tròn trong môi trường thời gian thực: hệ thống hoạt động ổn định, tín hiệu trao đổi qua phần cứng Arduino chính xác, quỹ đạo tàu thực tế bám sát quỹ đạo đặt, đáp ứng tốt các ràng buộc điều khiển và loại bỏ được các thành phần bất định giả lập.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận khoa học

  1. Đề xuất giải pháp điều khiển dự báo tuyến tính hóa từng đoạn cho tàu thiếu cơ cấu chấp hành: Luận án đã đề xuất phương pháp ứng dụng điều khiển dự báo MPC dựa trên kỹ thuật tuyến tính hóa từng đoạn mô hình song tuyến dọc theo trục thời gian để điều khiển đối tượng tàu thủy ba bậc tự do thiếu cơ cấu chấp hành. Giải pháp này chuyển đổi bài toán tối ưu phi tuyến phức tạp thành chuỗi các bài toán quy hoạch toàn phương (QP), làm giảm khối lượng tính toán so với phương pháp NMPC truyền thống mà vẫn đảm bảo tính phi tuyến của đối tượng.
  2. Xây dựng bộ quan sát trạng thái và ước lượng bù bất định hàm: Luận án đã thiết kế thành công bộ quan sát trạng thái trực tiếp (QSTT) từ mô hình liên tục và cấu trúc ước lượng bù bất định hàm trực tuyến tại đầu vào. Cấu trúc này cho phép nhận dạng và triệt tiêu đồng thời các sai số mô hình hóa thủy động lực học phi tuyến và nhiễu ngẫu nhiên từ môi trường ngoài.
  3. Chứng minh toán học về tính ổn định: Luận án đã hoàn thành việc chứng minh tính ổn định tiệm cận của hệ thống điều khiển dự báo đề xuất bằng lý thuyết hàm suy giảm Lyapunov.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Giải quyết trực tiếp bài toán ràng buộc cơ cấu chấp hành: Bộ điều khiển được thiết kế đảm bảo các tín hiệu điều khiển góc bẻ lái ($\delta$) và lực đẩy ($\tau_u$) luôn nằm trong giới hạn vật lý quy định (như góc bẻ lái không vượt quá $\pm 35^\circ$ ở chế độ thông thường hoặc $\pm 10^\circ$ ở chế độ tự động), tránh hiện tượng bão hòa cơ cấu chấp hành.
  2. Xây dựng thành công hệ thống thực nghiệm HIL: Hiện thực hóa giải pháp điều khiển trên mô hình thực nghiệm phần cứng trong vòng lặp HIL sử dụng vi điều khiển Arduino Due R3 kết nối chuẩn NMEA 0183 và thư viện hàng hải MSS-GNC Toolbox tại Phòng thí nghiệm Mô hình hóa, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, làm cơ sở tin cậy cho việc ứng dụng thực tế trên tàu thủy.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Đề xuất áp dụng cấu trúc điều khiển DMPC-O vào việc nâng cấp các hệ thống lái tự động (Auto Pilot) và hệ thống dẫn đường tự động cho các loại tàu hàng, tàu chuyên dụng hoạt động trên các tuyến luồng hàng hải định sẵn.
  • Ứng dụng mô hình phần cứng HIL dựa trên Arduino Due R3 và MSS-GNC Toolbox làm công cụ nghiên cứu, thử nghiệm và đào tạo chuyên sâu trong lĩnh vực điều khiển tự động tàu thủy.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Nghiên cứu chỉ giới hạn khảo sát chuyển động trên mặt phẳng ngang (3 bậc tự do), chưa xét đến ảnh hưởng kết hợp của chuyển động lắc ngang (roll), lắc dọc (pitch) và trượt đứng (heave).
  • Điều kiện môi trường mới chỉ giới hạn ở mức sóng, gió, dòng chảy không vượt quá cấp 5 (nhiễu tác động mức độ nhỏ và vừa).
  • Luận án chưa xét đến động học chi tiết bên trong của bản thân các cơ cấu chấp hành (actuator dynamics) như độ trễ của máy lái thủy lực và đặc tính đáp ứng của động cơ diesel chính.
  • Việc kiểm chứng thực nghiệm mới dừng lại ở mức mô phỏng phần cứng trong vòng lặp HIL trong phòng thí nghiệm, chưa thử nghiệm trực tiếp trên tàu thực tế chạy trên biển.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng bài toán điều khiển cho mô hình tàu đầy đủ 6 bậc tự do trong điều kiện thời tiết phức tạp với sóng gió lớn hơn cấp 5.
  • Tích hợp mô hình động lực học của máy lái và hệ truyền động chân vịt vào bài toán tối ưu hóa ràng buộc của bộ điều khiển.
  • Triển khai lắp đặt và thử nghiệm bộ điều khiển DMPC-O trên phương tiện nổi tự hành (USV) hoặc tàu thực tế trên môi trường biển thực địa.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn có giá trị trong các lĩnh vực:

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học: Tham khảo phương pháp tiếp cận điều khiển dự báo MPC cho đối tượng phi tuyến, kỹ thuật tuyến tính hóa từng đoạn mô hình song tuyến, kỹ thuật ước lượng bù bất định và phương pháp chứng minh ổn định Lyapunov cho hệ thống điều khiển có ràng buộc.
  • Giảng viên và nhà khoa học chuyên ngành Tự động hóa, Kỹ thuật Hàng hải: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy, nghiên cứu chuyên sâu về động lực học tàu thủy 6 DOF/3 DOF theo tiêu chuẩn SNAME, thiết kế bộ lọc Kalman mở rộng EKF và tích hợp hệ thống thực nghiệm bán thực tế HIL.
  • Kỹ sư thiết kế và các doanh nghiệp đóng tàu, thiết bị hàng hải: Tham khảo giải pháp xử lý ràng buộc góc bẻ lái thực tế trên hệ thống lái tự động và quy trình kết nối truyền thông dữ liệu chuẩn NMEA 0183 với phần cứng vi điều khiển.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tàu thủy ba bậc tự do xét trên mặt phẳng ngang lại được xếp vào hệ thiếu cơ cấu chấp hành (Underactuated)?

Tàu thủy thông thường (như tàu chở hàng, tàu container) chỉ được trang bị chân vịt chính phía sau lái để tạo lực trượt dọc $\tau_u$ và bánh lái chính để tạo mô-men quay trở $\tau_r$. Tàu hoàn toàn không có cơ cấu đẩy ngang để tạo trực tiếp lực trượt ngang $\tau_v$ (nghĩa là $\tau_v = 0$). Hệ thống có 3 biến trạng thái cần điều khiển ($u, v, r$ hoặc $x, y, \psi$) nhưng chỉ có 2 tín hiệu điều khiển đầu vào ($\tau_u, \tau_r$), do đó thuộc lớp đối tượng thiếu cơ cấu chấp hành.

2. Kỹ thuật tuyến tính hóa từng đoạn mô hình phi tuyến mang lại ưu điểm gì so với NMPC phi tuyến truyền thống?

Bộ điều khiển dự báo phi tuyến NMPC truyền thống đòi hỏi giải bài toán tối ưu phi tuyến phi lồi với khối lượng tính toán rất lớn, thời gian tính toán kéo dài và khó đảm bảo hội tụ trong thời gian thực. Bằng cách tuyến tính hóa từng đoạn mô hình song tuyến dọc theo trục thời gian tại mỗi bước trượt $k$, bài toán tối ưu được chuyển đổi thành bài toán quy hoạch toàn phương (QP) có ràng buộc. Điều này giúp giảm đáng kể thời gian tính toán, đảm bảo tính khả thi khi cài đặt trên các vi điều khiển thời gian thực mà vẫn giữ được độ chính xác điều khiển.

3. Thành phần bất định $\Delta(\nu, \eta)$ trong luận án bao gồm những yếu tố nào và được xử lý ra sao?

Thành phần bất định $\Delta(\nu, \eta)$ đại diện cho: (i) các sai số mô hình hóa do giả định bỏ qua các phần tử không đường chéo trong ma trận khối lượng $M$, (ii) sự biến động của ma trận suy giảm thủy động phi tuyến $D_n(\nu)$ phụ thuộc vào tải trọng và vùng nước, và (iii) nhiễu ngẫu nhiên từ môi trường (sóng, gió, dòng chảy). Luận án xây dựng bộ ước lượng trực tuyến để xác định giá trị $\hat{d}$ của thành phần bất định này và bù trừ trực tiếp vào tín hiệu điều khiển đầu vào trước khi cấp cho đối tượng.

4. Hệ thống thực nghiệm HIL trong luận án được cấu hình như thế nào?

Mô hình thực nghiệm HIL được xây dựng gồm hai máy tính và phần cứng ghép nối:

  • PC1: Chạy thuật toán điều khiển dự báo MPC/DMPC trên MATLAB.
  • PC2: Chạy mô hình mô phỏng chuyển động tàu và nhiễu môi trường sử dụng thư viện MSS-GNC Toolbox trong Simulink.
  • Phần cứng trung gian: Card Arduino Due R3 (vi điều khiển ATmega16U2/SAM3X8E) đóng vai trò thu thập, xử lý và chuyển đổi tín hiệu cảm biến GPS/Gyrocompass theo chuẩn truyền thông hàng hải NMEA 0183 để kết nối thời gian thực giữa PC1 và PC2.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Hữu Quyền đã giải quyết bài toán điều khiển bám quỹ đạo cho tàu thủy ba bậc tự do thiếu cơ cấu chấp hành trên mặt phẳng ngang trong điều kiện có ràng buộc tín hiệu điều khiển và có bất định hàm ở đầu vào. Tác giả đã đề xuất giải pháp điều khiển dự báo MPC dựa trên kỹ thuật tuyến tính hóa từng đoạn mô hình song tuyến dọc trục thời gian, kết hợp bộ quan sát trạng thái trực tiếp QSTT/EKF và bộ ước lượng bù bất định trực tuyến. Tính đúng đắn và hiệu quả của các giải pháp lý thuyết đã được chứng minh giải tích bằng hàm Lyapunov, kiểm chứng qua mô phỏng số trên MATLAB/Simulink và thử nghiệm bán thực tế thành công trên hệ thống phần cứng HIL với card Arduino Due R3 tại Trường Đại học Hàng hải Việt Nam.