MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, ở nước ta trong hầu hết các ngành công nghiệp như công nghiệp sản xuất khai thác dầu khí, công nghiệp sản xuất đường, công nghiệp chế biến, công nghệ thực phẩm, các ngành thép, thủy điện, nhiệt điện… Việc điều khiển tự động và tối ưu hoá toàn bộ hệ thống là hết sức cần thiết. Đặc biệt với sự phát triển của lý thuyết và công nghệ điều khiển đã giúp con người linh hoạt hơn trong vận hành khai thác các nhà máy, hệ thống điều khiển, trên bờ cũng như ngoài khơi, qua đó giúp tăng khả năng tự động và làm việc độc lập của công trình ngoài khơi. Trong bối cảnh đó, ngành công nghiệp ngoài khơi, hiện nay đang đóng vai trò quan trọng trong kinh tế quốc gia cũng như các nước khác, đang từng bước phát triển nhằm tránh phụ thuộc công nghệ nước ngoài.
Các giàn khoan tự nâng được sử dụng để thăm dò, khoan và làm việc tại các mỏ dầu khí ngoài khơi. Trên thực tế, sự kết hợp giữa tính cơ động và khả năng nâng thân giàn lên trên mực nước biển phục vụ như một giàn cố định, đã khiến chúng trở nên hấp dẫn trong ngành công nghiệp ngoài khơi hơn 50 năm qua [1], [2]. Trong quá trình di chuyển và khai thác trên biển, các giàn khoan chịu tác động từ các yếu tố môi trường như sóng, gió, dòng chảy [3], [4] và các sai số cơ khí [5]. Các yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp và rất phức tạp tới hoạt động của giàn khoan như: làm dịch chuyển vị trí, gây mất ổn định, rung lắc gây nguy hiểm đến người và trang thiết bị trên giàn và nghiêm trọng hơn có thể làm hư hỏng, phá hủy công trình gây thiệt hại về con người, kinh tế và môi trường biển.
Các nghiên cứu trên chỉ dừng lại ở mức độ tính toán kết cấu đảm bảo chịu được tác động của môi trường mà chưa đưa ra biện pháp giám sát sự ổn định cân bằng của hệ thống một cách tối ưu. Hiện nay, trên thế giới đã ứng dụng các hệ thống điều khiển giám sát một cách hiệu quả cho nhiều loại thiết bị khác nhau, đặc biệt là trong các công trình ngoài khơi [6], [7], [8], tuy nhiên, hệ thống giám sát quá trình nâng hạ giàn vẫn dùng giải pháp cân bằng bán tự động mà chưa có sự hỗ trợ từ các giải pháp điều khiển cho việc cân bằng và ổn định giàn. Một số nghiên cứu đã và đang được triển khai để ứng dụng điều khiển giám sát sự ổn định của giàn [9] nhưng chưa kể đến ảnh hưởng của điều kiện môi trường tác động lên hệ thống dẫn đến kết quả nghiên cứu vẫn có hạn chế nhất định. Về mặt lý 2 thuyết, có nhiều công bố chủ yếu thử nghiệm trên các mô hình, các giải thuật điều khiển được giả lập trong điều kiện làm việc lý tưởng hoặc một vài tác động nhỏ từ bên ngoài chưa thực tế.
Các giải thuật thử nghiệm còn nhiều hạn chế, dựa trên các kết quả mô phỏng để đánh giá giải thuật. Trong những năm gần đây, nhiều công trình nghiên cứu với lý thuyết hiện đại nhằm giảm sai số và nâng cao chất lượng điều khiển cho giàn khoan được công bố. Việt Nam hiện nay đã có thể chế tạo được JuR, nhưng hệ thống điều khiển giám sát thì vẫn chủ yếu phụ thuộc nước ngoài. Mặt khác, vẫn dùng giải pháp cân bằng bán tự động để nâng hạ các chân của giàn.
Vì vậy, việc cân bằng JuR sử dụng ứng dụng tự động hóa và giải thuật điều khiển đang được quan tâm. Các trường hợp hoạt động của hệ thống nâng hạ dưới các ảnh hưởng tác nhân môi trường như sóng biển [10], [11] và sai số cơ khí được các nhà nghiên cứu xây dựng, mô phỏng trên Matlab, kết quả hiện đang dừng ở những giải thuật cơ bản, chưa có phương án đưa vào ứng dụng trong thực tế. Về triển khai ứng dụng thực tiễn, trên thế giới, việc thiết kế hệ thống tự động điều khiển và tự nâng cho các giàn khoan được các hãng lớn như ABB, Siemens thiết kế, công nghệ hoàn toàn được giữ kín với tổng giá trị hàng chục triệu USD, việc tiếp cận các công nghệ này rất khó khăn ngay cả dưới hình thức chuyển giao công nghệ. Các nghiên cứu trong nước gần đây tại Việt nam phải kể tới thành tựu KH&CN này được ra đời từ cụm công trình KH&CN cấp Nhà nước "Nghiên cứu thiết kế chi tiết và ứng dụng công nghệ để chế tạo, lắp ráp và hạ thủy giàn khoan tự nâng ở độ sâu 90m nước phù hợp với điều kiện Việt Nam".
Theo đánh giá của Hội đồng chuyên ngành cấp nhà nước, công trình có giá trị rất cao về công nghệ, được ứng dụng thành công và có hiệu quả trong các công trình trọng điểm quốc gia. Các đề tài này tập trung công nghệ để chế tạo, lắp ráp và hạ thủy JuR ở độ sâu 90m, các công nghệ về điều khiển hoàn toàn sử dụng nước ngoài (hãng Siemens - Germany). Xuất phát từ những điểm nêu trên, việc nghiên cứu hệ thống điều khiển nâng hạ giàn khoan duy trì ổn định cân bằng cho mô hình JuR rất cần thiết, luận án đề xuất hướng nghiên cứu bù sai số với giải thuật mờ tối ưu bầy đàn và tự thích nghi trên nền lô-gíc mờ. Mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu 3 2.
Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của luận án là xây dựng hệ thống điều khiển nâng hạ giàn khoan nhằm duy trì ổn định cân bằng cho mô hình JuR, cụ thể: - Đánh giá các yếu tố gây ra sai số ảnh hưởng đến quá trình nâng hạ giàn; - Phân tích, thiết lập cấu trúc và phương trình động lực học của giàn khoan, xây dựng mô hình vật lý; - Thiết kế mô hình kiểm nghiệm bằng mô phỏng; - Xây dựng các giải thuật điều khiển cho hệ thống nâng hạ trên phần mềm MATLAB, lập trình điều khiển và thử nghiệm trên mô hình JuR; - Tính toán lựa chọn cấu hình, thiết kế hệ thống điều khiển duy trì ổn định cân bằng vị trí chính xác cho mô hình JuR. Đối tượng nghiên cứu Từ các mục tiêu của luận án nêu tại phần 2.1, luận án tập trung vào đối tượng nghiên cứu là Hệ thống nâng hạ giàn khoan và lý thuyết điều khiển thích nghi cho hệ thống. Trong đó, thiết kế hệ thống điều khiển với giải thuật tối ưu và thích nghi trên nền lô-gíc mờ nhằm duy trì ổn định cân bằng cho mô hình JuR là nhiệm vụ gắn liền với đối tượng nghiên cứu, cụ thể như sau: - Mô hình động học cùng với các phương trình toán học được phân tích, tính toán, lựa chọn thông số nhằm phục vụ cho quá trình nghiên cứu, mô phỏng và thử nghiệm giải thuật. - Hệ thống cơ khí: tính toán thiết kế, mô phỏng, và xây dựng mô hình vật lý (bao gồm phần cơ khí – điện – điều khiển) của JuR.
- Hệ thống nhúng phục vụ điều khiển: tính toán thiết kế, mô phỏng thử nghiệm giải thuật trên máy tính và thiết kế board mạch phần cứng. - Giải thuật: Đề xuất giải thuật để mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng trên đối tượng. Phạm vi nghiên cứu Để hoàn thành các mục tiêu luận án, phạm vi nghiên cứu được giới hạn như sau: - Về lý thuyết: Phân tích được kết cấu cơ khí, phương trình động học và mô hình hóa đối tượng phục vụ cho mô phỏng và thực nghiệm giải thuật đề xuất. - Về mô hình: Thiết kế được mô hình toán và mô phỏng thử nghiệm; xây dựng 4 được mô hình vật lý kết nối máy tính số để thực nghiệm lấy kết quả trong phòng thí nghiệm.
- Về giải thuật: đề xuất được giải thuật mới phù hợp với đối tượng JuR, so sánh với giải thuật khác để làm rõ hiệu quả. - Về tiêu chuẩn cần đạt về độ ổn định của hệ thống: Tiêu chuẩn Lyapunov. Phương pháp nghiên cứu Nhằm thu được kết quả phù hợp với mục tiêu nghiên cứu trong phạm vi nêu trên, phương pháp nghiên cứu của luận án được xác định như sau: - Phân tích và đánh giá hiện trạng nghiên cứu: Phân tích các công trình nghiên cứu liên quan đến đối tượng trong mục 2.2, đi sâu phân tích ảnh hưởng của sai số cơ khí, nhiễu và các ảnh hưởng động học khác. - Xây dựng mô hình toán lý thuyết của hệ thống chuyển động của giàn khoan tự nâng ở chế độ nâng hạ: xây dựng mô hình toán tổng quát, mô hình toán rút gọn, phân tích lực và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nâng hạ của JuR.
- Mô phỏng: Mô hình toán được triển khai trên Matlab – Simulink với các chương trình con, chương trình nhúng viết trên m. - Nghiên cứu lý thuyết ổn định, áp dụng cho đối tượng ở mục 2.2: Dựa trên tiêu chuẩn ổn định Lyapunov, kết quả mô phỏng đánh giá tính ổn định nhằm đạt được mục tiêu trong mục 2. - Thực nghiệm: Tính toán lựa chọn cấu hình, thiết kế, chế tạo hệ thống cơ-điện duy trì ổn định cân bằng vị trí chính xác cho mô hình JuR. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Nếu các kết quả nghiên cứu dựa trên mô phỏng và thực nghiệm đạt được, thì Luận án sẽ có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, cụ thể như sau: Ý nghĩa khoa học: Luận án đã đề xuất các giải thuật tối ưu và thích nghi trên nền lô-gíc mờ bằng cách chứng minh toán học và mô phỏng trong các điều kiện giả lập, các kết quả được viết và công bố trên các tạp chí có uy tín trong nước và quốc tế đủ để minh chứng cho tính mới và khoa học của các nội dung nghiên cứu cũng như kết quả đạt được.
Ý nghĩa thực tiễn: Luận án đã nghiên cứu và xây dựng mô hình thực nghiệm, các kết quả thực nghiệm cho đáp ứng ổn định, có thể nghiên cứu để ứng dụng vào thực tiễn, 5 chứng tỏ tiềm năng trong lĩnh vực cơ điện hàng hải cũng như cơ khí tự động hóa cho trang thiết bị ngoài khơi, tuy còn cần phải thử nghiệm và kiểm định ngoài thực tế thêm trước khi ứng dụng. Ngoài ra, các tài liệu tham khảo giúp Luận án hoạch định và liệt kê toàn diện các vấn đề liên quan đến cấu tạo và nguyên lý hoạt động của JuR, các hệ thống phục vụ, đi sâu phân tích đánh giá hệ thống nâng hạ. Các tài liệu mới, là nền tảng cho các nhà nghiên cứu tham khảo khi tìm hiểu về lĩnh vực này, có ý nghĩa phục vụ đào tạo và nghiên cứu.