MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Nhu cầu các nguồn tài nguyên ngoài khơi xa và kinh tế thương mại hàng hải ngày càng gia tăng trên thế giới. Cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ trong khai thác phương tiện hàng hải nên việc điều khiển chuyển động tàu thủy ngày càng đòi hỏi độ chính xác cao hơn cho nhiều loại tàu có kích cỡ lớn và thực hiện các nhiệm vụ phức tạp. Một trong các nhiệm vụ quan trọng là điều động tàu thực hiện các công việc như rải cáp ngầm, lai dắt, và lắp đặt tua bin gió.
Nhưng đảm bảo chất lượng tác vụ định vị trí tàu bị giới hạn bởi các yếu tố của hoạt động như độ sâu vùng biển, thời gian làm việc, tác động môi trường, và điều kiện đặc trưng vùng biển. Có ba giải pháp chính để định vị trí tàu đó là sử dụng hệ thống neo, lái tay và hệ thống định vị động (DPs - Dynammic positioning system). Mỗi giải pháp đều mang những ưu điểm riêng, trong đó sử dụng DPs mang tính khả thi cao nhất do khả năng cơ động giúp tàu dễ dàng dịch chuyển vị trí trong điều động. Hơn nữa DPs cũng có khả năng duy trì vị trí tàu không cần sử dụng hệ thống neo, không phụ thuộc vào độ sâu vùng biển, và không bị giới hạn bởi sự cản trở đáy biển.
Ứng dụng của DPs ngày càng mở rộng cho nhiều loại tàu như tàu chở hàng, tàu hành khách, tàu quân sự, và tàu dịch vụ nhằm cải thiện khả năng điều khiển và xử lý các nhiệm vụ trên biển. DPs điều khiển tàu chuyển động trong mặt phẳng ngang theo phương tịnh tiến, dạt ngang và quay trở dựa trên hệ động lực đẩy tàu gồm chân vịt đẩy, bánh lái, và chân vịt mũi hoặc ống đạo lưu. Hệ thống điều khiển DPs tính toán các giá trị lực phù hợp cho hệ động lực đẩy tàu để điều chỉnh sai số, giúp tàu giữ hướng, ổn định vị trí, đặc biệt giúp tàu không bị cuốn đi bởi những ảnh hưởng của sóng và gió. Đối với các tàu không trang bị DPs khi đi vào những vùng nước sâu luôn có nguy cơ va chạm với tàu khác do chuyển động tự nhiên của sóng và gió cũng như có thể di chuyển chệch hướng do tác động yếu tố môi trường.
Nếu các tàu khoan đi vào những vùng nước sâu nhất để khai thác, nơi các yếu tố môi trường có xu hướng biến đổi theo thời gian nếu sử dụng hệ thống neo tàu để định vị trí thì không mang lại hiệu quả. Do đó, DPs đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả điều khiển định vị trí tàu và dịch chuyển tàu ở tốc độ thấp [1]. Định vị trí tàu được thực hiện bởi cơ cấu lái kết hợp hệ thống thiết bị đẩy tàu nên các lực thành phần môi trường tác động lên hệ động lực đẩy tàu sẽ làm sai lệch vị trí tàu 2 [2]. Môi trường biển luôn tồn tại nhiều lực thành phần không xác định ảnh hưởng đến hoạt động của phương tiện hàng hải, trong đó sóng, gió, và dòng chảy là 3 lực thành phần chính tác động đến chuyển động tàu.
Trong mỗi điều kiện thời tiết thì các yếu tố môi trường cũng sẽ mang những tính chất riêng biệt, và dẫn đến đặc tính tác động đến chuyển động tàu cũng khác nhau [3]. Bên cạnh đó, thành phần sóng tần số cao cũng là tác nhân chính gây ra sai số tín hiệu phản hồi trong thiết bị đẩy tàu [4], cũng như tham số không chắc chắn trong quá trình điều khiển DPs [5]. Các sai số và tham số bất định này sẽ khiến cho cấu trúc DPs bị sai lệch tín hiệu đo lường hay xuất hiện lỗi hệ thống động lực đẩy tàu. Do những giới hạn vật lý nên các thiết bị đẩy tàu là bộ phận xảy ra nhiều sai số dẫn đến mất cân bằng thân tàu khi di chuyển [6].
Độ chính xác tín hiệu phản hồi của thiết bị đẩy tàu trong điều khiển vòng kín cũng giữ vai trò vô cùng quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng đáp ứng DPs [7]. Nên khi tàu hoạt động trong điều kiện thực tế có tác động các thành phần lực môi trường cũng như sự thay đổi tải trọng tàu thì các tín hiệu phản hồi của điều khiển vòng kín sẽ không có độ chính xác cao do xuất hiện nhiều tham số bất định [8]. Hơn nữa, sai số tín hiệu phát sinh trong quá trình truyền đến các thiết bị đẩy tàu cũng là nguyên nhân làm suy giảm rõ rệt chất lượng điều khiển [9]. Mỗi thiết bị đẩy tàu luôn có giới hạn làm việc nhất định nên các tác động không mong muốn sẽ làm gia tăng nguy cơ giá trị lực tác động vượt ngưỡng kiểm soát dẫn đến sai số thiết bị đẩy [10] hoặc làm cho thân tàu bị rung lắc [11].
Những khảo sát trên cho thấy sai số cấu trúc hệ thống điều khiển có tác động lớn đến quá trình vận hành DPs. Các tác động này khiến cho chất lượng đáp ứng DPs suy giảm cũng như làm phát sinh sai số phi tuyến cho quá trình điều khiển. Do đó nhu cầu phát triển các kỹ thuật điều khiển nhằm nhận dạng các sai số kết hợp cấu trúc điều khiển có tính ổn định trở lên cấp thiết trong quá trình vận hành DPs. Các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc tuyến tính hóa hệ phi tuyến, điều khiển bằng lý thuyết tuyến tính [10], nhận dạng các đại lượng phi tuyến [5-9], hoặc chuẩn đoán lỗi vận hành [6].
Khi tàu vận hành trong môi trường thực tế thì các đại lượng nhiễu động học biến đổi theo thời gian mang đến nhiều khó khăn cho quá trình điều khiển DPs do các biến phản hồi trạng thái bị sai lệch [12]-[13]. Nên thách thức lớn nhất trong việc cải thiện chất lượng điều khiển cho DPs tàu thủy chính là xử lý các sai số phi tuyến do các tác động không mong muốn gây ra [14]. Mặt khác, lỗi phát sinh trong quá trình điều khiển cũng là một thành phần ảnh hưởng không tốt đến hệ thống điều khiển DPs, dẫn đến chuyển động 3 tàu bị dao động mạnh [15]-[16]. Do đó, việc nhận dạng sai số mô hình do các tác động không mong muốn gây ra là thách thức trong điều khiển DPs tàu thủy.
Các kỹ thuật lọc nhiễu được sử dụng rộng rãi để nhận dạng sai số phi tuyến sinh ra trong quá trình điều khiển [17]-[18], tiêu biểu là kỹ thuật lọc Kalman [19], lọc Kalman phân tán (UKF) [20], lọc hạt (PF) [21], hay lọc phi tuyến [22]. Bên cạnh đó, giải pháp kết hợp kỹ thuật lọc nhận dạng sai số phi tuyến với kỹ thuật điều khiển tuyến tính trong DPs cũng là hướng nghiên cứu thu được nhiều kết quả khả thi [23]. Đối với các giải pháp hiện đại, thì tác động không mong muốn còn có thể nhận biết và xử lý thông qua xây dựng cấu trúc điều khiển linh động như kỹ thuật thích nghi [24], hay lai ghép với kỹ thuật thông minh như điều khiển thích nghi mờ [25]. Nhận thấy rằng thiết kế giải pháp điều khiển chỉnh định tham số cấu trúc thích nghi với tác động môi trường dựa trên sai số mô hình đã được nhận dạng là hướng đi tiềm năng cho điều khiển DPs.
Nhưng việc xác định tham số thích nghi phụ thuộc vào điều thiết lập ban đầu nên chất lượng chỉnh định chưa đạt giá trị tối ưu nhất trong điều kiện hoạt động có tác động các thành phần bất định. Qua đó, cho thấy tính cấp thiết việc xây dựng giải pháp điều khiển có khả năng nhận dạng được sai số đối tượng kết hợp với tham số cấu trúc điều khiển được tối ưu hóa Trong nhưng năm gần đây, có nhiều công trình ứng dụng các giải thuật tìm kiếm tham số tối ưu trong điều khiển DPs đã mang lại một số kết quả tích cực [26]-[29]. Giải thuật tối ưu được sử dụng trong việc xác định sai số phi tuyến do sự mất đồng bộ của quá trình phân phối lực đến thiết bị đẩy [30] hoặc mất cân bằng trong phân bố lực đẩy gây ra [31], từ đó xác định được thông số hoạt động tối ưu cho các thiết bị đẩy tàu [32]. Giải thuật tối ưu còn được sử dụng để xác định khả năng điều khiển hoạt động thiết bị đẩy tàu trong trường hợp mất cân đối do tác động mài mòn hay tác động môi trường [33].
Trong quá trình thiết lập cấu trúc điều khiển, giải thuật tối ưu đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tham số mô hình động học tối ưu cho quá trình điều khiển DPs có tồn tại các thành phần bất định [34], và tìm ra cấu trúc tối ưu cho hệ thống điều khiển [35]. Khi khai thác DPs trong môi trường thực tế thì quá trình điều khiển luôn chịu tác động từ các thành phần sai số phi tuyến và tham số bất định. Sử dụng giải pháp tối ưu hóa cấu trúc điều khiển bước đầu đã xử lý tốt các vấn đề phát sinh do tác động của sai số phi tuyến và tham số bất định. Nhưng DPs là đối tượng có cấu trúc phức tạp và luôn tồn tại các yếu tố gây mất cân bằng như sai số cấu trúc [30]-[34] nên cần xây dựng giải pháp có khả năng đảm bảo tính ổn định cho tổng thể quá trình điều khiển.
Tổng quan hướng nghiên cứu đề xuất của luận án Từ những phân tích và nhận định trên, tác giả đề xuất hướng nghiên cứu điều khiển tối ưu toàn cục hệ thống định vị động tàu thủy DP dựa trên giải thuật tối ưu với các luận điểm như được mô tả trong Hình 1. Tổng quan hướng nghiên cứu đề xuất của luận án như sau: 1) Nhận dạng sai số mô hình do tác động không mong muốn gây ra để cải thiện chất lượng điều khiển DPs; 2) Nâng cao chất lượng đáp ứng cho DPs dựa trên giải pháp tối ưu hóa cấu trúc điều khiển; 3) Đảm bảo tính ổn định tổng thể cho quá trình điều khiển DPs. Mục tiêu luận án Xây dựng giải pháp điều khiển thích nghi bền vững DPs dựa trên giải thuật tối ưu di truyền nhằm nâng cao chất lượng đáp ứng và đảm bảo tính ổn định tổng thể quá trình điều khiển DPs dưới ảnh hưởng của các tác động không mong muốn. Mục tiêu cụ thể của luận án thể hiện ở các điểm chính như sau: Xây dựng giải pháp nhận dạng hiệu quả sai số phi tuyến của quá trình điều khiển DPs do ảnh hưởng các tác động không mong muốn gây ra.
Cải tiến mô hình điều khiển đã đề xuất bằng cách phát triển giải pháp tối ưu cấu trúc điều khiển DPs sử dụng nhằm nâng cao chất lượng điều khiển.