Giải pháp điều khiển tàu thuỷ bám quỹ đạo với tín hiệu ràng buộc 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

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

2.8. 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

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

4.4. 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 tàu thủy

Điều khiển tàu thủy là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong ngành hàng hải, đặc biệt trong bối cảnh phát triển công nghệ hiện đại. Điều khiển tàu thủy không chỉ liên quan đến việc duy trì quỹ đạo mà còn phải đối mặt với các yếu tố bất định từ môi trường như sóng, gió và dòng chảy. Việc áp dụng các công nghệ tiên tiến như hệ thống lái tự động và hệ thống định vị tàu DP đã giúp cải thiện đáng kể khả năng điều khiển. Tuy nhiên, thách thức lớn nhất vẫn là việc phát triển các bộ điều khiển có khả năng xử lý các tín hiệu ràng buộc và bất định đầu vào. Các nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào việc phát triển các bộ điều khiển phi tuyến, nhưng vẫn còn thiếu các giải pháp tích hợp cho các vấn đề phức tạp này.

1.1 Tính cấp thiết của nghiên cứu

Nghiên cứu về giải pháp điều khiển tàu thủy bám quỹ đạo với tín hiệu ràng buộc và bất định đầu vào là cần thiết trong bối cảnh phát triển bền vững kinh tế biển. Nghị quyết số 36-NQ/TW đã chỉ ra tầm quan trọng của việc áp dụng công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực hàng hải. Việc phát triển các bộ điều khiển hiệu quả không chỉ giúp nâng cao chất lượng khai thác tàu thủy mà còn góp phần vào sự phát triển chung của ngành hàng hải Việt Nam.

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

Mô hình toán là nền tảng cho việc phát triển các giải pháp điều khiển. Mô hình mô tả chuyển động của tàu thủy thường được xây dựng dựa trên các phương trình vi phân bậc cao, phản ánh động lực học phức tạp của tàu. Mô hình toán tàu thủy 6 bậc tự do cho phép phân tích mối quan hệ giữa vị trí, hướng và vận tốc của tàu. Việc hiểu rõ các yếu tố này là rất quan trọng 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 như SMC và Backstepping có thể cải thiện đáng kể hiệu suất điều khiển. Tuy nhiên, vẫn cần có những nghiên cứu sâu hơn để giải quyết các vấn đề bất định trong mô hình.

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

Các nghiên cứu về điều khiển chuyển động tàu thủy đã được thực hiện rộng rãi, từ các bộ điều khiển kinh điển như PID đến các phương pháp phi tuyến hiện đại. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu chỉ tập trung vào một khía cạnh cụ thể mà chưa có sự kết hợp giữa các yếu tố như bám quỹ đạo, ràng buộc tín hiệu và bất định đầu vào. Việc phát triển một bộ điều khiển tích hợp có khả năng xử lý tất cả các yếu tố này sẽ mở ra hướng đi mới cho nghiên cứu và ứng dụng trong thực tiễn.

III. Giải pháp điều khiển tối ưu hóa có ràng buộc

Giải pháp điều khiển tối ưu hóa có ràng buộc là một trong những phương pháp tiên tiến nhất hiện nay. Bộ điều khiển MPC (Model Predictive Control) cho phép dự đoán và điều chỉnh hành vi của tàu trong thời gian thực, đồng thời xử lý các tín hiệu ràng buộc. Việc áp dụng công nghệ điều khiển này giúp cải thiện đáng kể khả năng bám quỹ đạo của tàu, ngay cả trong điều kiện bất định. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc kết hợp bộ điều khiển MPC với các phương pháp tối ưu hóa có thể nâng cao hiệu suất điều khiển, giảm thiểu sai lệch và tăng cường độ ổn định của hệ thống.

3.1 Thiết kế bộ điều khiển MPC

Thiết kế bộ điều khiển MPC bao gồm việc xây dựng mô hình dự báo và khối hàm mục tiêu. Các phương pháp tối ưu hóa có ràng buộc thường được sử dụng để đảm bảo rằng các tín hiệu điều khiển luôn nằm trong giới hạn cho phép. Việc áp dụng bộ điều khiển MPC không chỉ giúp cải thiện khả năng bám quỹ đạo mà còn tăng cường khả năng xử lý các yếu tố bất định từ môi trường. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển MPC có thể đạt được hiệu suất cao trong việc điều khiển tàu thủy bám quỹ đạo đặt.

IV. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu về giải pháp điều khiển tàu thủy bám quỹ đạo với tín hiệu ràng buộc và bất định đầu vào đã chỉ ra rằng việc phát triển các bộ điều khiển tích hợp là cần thiết để nâng cao hiệu suất điều khiển. Các giải pháp như MPC cho thấy tiềm năng lớn trong việc xử lý các yếu tố bất định và ràng buộc tín hiệu. Tuy nhiên, vẫn cần tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện các phương pháp điều khiển, đặc biệt là trong bối cảnh phát triển công nghệ hiện đại. Kiến nghị cần có sự hợp tác giữa các nhà nghiên cứu và các doanh nghiệp trong ngành hàng hải để áp dụng các giải pháp này vào thực tiễn.

Nghiên cứu giải pháp điều khiển bám quỹ đạo tàu thuỷ với tín hiệu ràng buộc và bất định đầu vào