Luận Án Tiến Sĩ Kỹ Thuật: Ứng Dụng Giải Thuật Di Truyền GA Trong Điều Khiển Tối Ưu Hệ Thống Định ...

• Tác giả: Đỗ Việt Dũng
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Đặng Xuân Kiên
• Trường học: Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điều khiển hệ thống định vị động tàu thủy
• Đề tài: Điều khiển tối ưu toàn cục hệ thống định vị động tàu thủy DP sử dụng giải thuật di truyền GA
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CÁM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ
• DANH MỤC BẢNG
• MỞ ĐẦU
• 1. Tính cấp thiết của đề tài
• 2. Mục tiêu luận án
• 3. Phạm vi nghiên cứu
• 4. Kết quả nghiên cứu và ý nghĩa khoa học
• 4.1. Kết quả nghiên cứu
• 4.2. Ý nghĩa khoa học
• 5. Bố cục luận án
• 1. MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ ĐỘNG TÀU THỦY
• 1.1. Hệ thống định vị động tàu thủy
• 1.1.1. Mô hình 6 bậc tự do
• 1.1.2. Mô hình 3 Bậc tự do
• 1.2. Mô hình thiết bị đẩy
• 1.3. Phân tích ảnh hưởng các tác động không mong muốn đến DPs
• 1.3.1. Tác động thành phần sóng
• 1.3.2. Tác động thành phần gió tần số thấp
• 1.3.3. Tác động thành phần dòng chảy
• 1.3.4. Tác động thành phần sóng tần số cao
• 1.4. Phân tích đặc điểm đặc trưng của vùng biển Việt Nam
• 1.5. Phân tích hiện trạng nghiên cứu điều khiển hệ thống định vị động
• 1.6. Phân tích ưu nhược điểm của kỹ thuật điều khiển mờ ứng dụng cho DPs
• 1.7. Các vấn đề tồn tại trong điều khiển hệ thống định vị động
• 1.8. Tổng kết chương 1
• 2. KHẢO SÁT HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ ĐỘNG TÀU THỦY VỚI KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN MỜ
• 2.1. Xu hướng nghiên cứu kỹ thuật mờ điều khiển hệ thống định vị động tàu thủy
• 2.2. Tổng quan về kỹ thuật điều khiển mờ
• 2.3. Điều khiển hệ thống định vị động tàu thủy dựa trên kỹ thuật mờ
• 2.4. So sánh với kỹ thuật điều khiển tuyến tính
• 2.5. Đánh giá kết quả
• 2.6. Tổng kết chương 2
• 3. GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN PHI TUYẾN HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ ĐỘNG TÀU THỦY DỰA TRÊN KỸ THUẬT MỜ
• 3.1. Phân tích xu hướng nghiên cứu kỹ thuật điều khiển phi tuyến cho DPs tàu thủy
• 3.2. Bài toán và giải pháp nhận dạng sai số mô hình hệ thống định vị động tàu thủy
• 3.2.1. Bài toán sai số mô hình hệ thống định vị động tàu thủy
• 3.2.2. Giải pháp nhận dạng sai số mô hình DPs sử dụng kỹ thuật điều khiển FAI
• 3.2.3. Đánh giá kết quả
• 3.3. Bài toán và giải pháp tối ưu cấu trúc điều khiển hệ thống định vị động tàu thủy
• 3.3.1. Tổng quan về thuật toán tối ưu bầy đàn
• 3.3.2. Bài toán tối ưu cấu trúc điều khiển hệ thống định vị động tàu thủy
• 3.3.3. Giải pháp tối ưu cấu trúc điều khiển hệ thống định vị động tàu thủy
• 3.3.4. Đánh giá kết quả
• 3.4. Kết quả thực nghiệm
• 3.5. Tổng kết chương 3
• 4. ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU BỀN VỮNG HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ ĐỘNG TÀU THỦY DỰA TRÊN GIẢI THUẬT DI TRUYỀN
• 4.1. Phân tích xu hướng nghiên cứu kỹ thuật điều khiển tối ưu bền vững cho DPs
• 4.2. Tổng quan giải thuật di truyền
• 4.3. Điều khiển tối ưu hệ thống định vị động tàu thủy
• 4.3.1. Bài toán tối ưu cấu trúc điều khiển phi tuyến hệ thống định vị động
• 4.3.2. Điều khiển tối ưu hệ thống định vị động tàu thủy sử dụng giải thuật GA
• 4.3.3. Đánh giá kết quả
• 4.4. Tối ưu hóa cấu trúc điều khiển hệ thống định vị động tàu thủy
• 4.4.1. Tối ưu cấu trúc điều khiển hệ thống định vị động sử dụng MCF
• 4.4.2. Mô đun điều khiển giám sát
• 4.4.3. Đánh giá kết quả
• 4.5. Điều khiển tối ưu bền vững hệ thống định vị động tàu thủy
• 4.5.1. Điều khiển thích nghi bền vững DPs tàu thủy dựa trên giải thuật tối ưu GA
• 4.5.2. Đánh giá sự ổn định quá trình điều khiển hệ thống định vị động
• 4.5.3. Đánh giá sự hội tụ giải thuật di truyền
• 4.5.4. Đánh giá kết quả
• 4.6. Tổng kết chương 4
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT
• CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ĐÃ CÔNG BỐ
• A. Tạp chí và Hội nghị quốc tế
• B. Tạp chí và Hội nghị trong nước
• C. Đề tài khoa học cấp trường
• D. Đề tài khoa học cấp bộ
• E. Sách và giáo trình
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• Tiêu chuẩn đánh giá ổn định
• 1. Phân tích ổn định dựa trên tiêu chuẩn Lyapunov
• 2. Phân tích ổn định dựa trên thiết lập biến số và tiêu chí hội tụ
• Xây dựng mô hình thực nghiệm
• 1. Tính toán bố trí hệ thống mạng cảm biến không dây
• 2. Chuyển đổi lực và mô men cho hệ thống thiết bị đẩy
• Cấu hình tổng thể hệ thống. Thiết kế và chỉnh định mô hình
• Sơ đồ mạch điện điều khiển và xử lý tín hiệu
• 1. Mạch điện điều khiển trung tâm
• 2. Mạch truyền dữ liệu hệ thống cảm biến
• 3. Mạch nhận dữ liệu hệ thống cảm biến
• Mạch điện điều khiển và nhận dữ liệu hệ thống cảm biến trên tàu
• Kết quả thực nghiệm
• 1. Thiết thập tham số điều khiển thực nghiệm
• 2. Thử nghiệm thu nhận và xử lý dữ liệu vị trí di chuyển mô hình tàu
• 3. Thử nghiệm định vị trí và hướng tàu sử dụng giải thuật điều khiển nhúng
• Bảng thông số các tàu dùng trong mô phỏng

Tóm tắt

I. Giới thiệu và tính cấp thiết của đề tài

Luận án tiến sĩ này tập trung vào việc điều khiển tối ưu toàn cục hệ thống định vị động tàu thủy DP sử dụng giải thuật di truyền GA. Giao thông vận tải biển đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế, đặc biệt trong khai thác dầu khí. Tuy nhiên, điều kiện thời tiết và môi trường biển luôn biến đổi, gây ra nhiều rủi ro. Hệ thống định vị động DP giúp tàu thủy duy trì vị trí chính xác mà không cần neo, nhưng việc nâng cao chất lượng điều khiển vẫn là thách thức lớn. Luận án đề xuất sử dụng giải thuật di truyền GA để tối ưu hóa hệ thống, đảm bảo tính ổn định và hiệu quả trong các điều kiện biến đổi.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận án là tối ưu hóa hệ thống định vị động tàu thủy DP bằng cách áp dụng giải thuật di truyền GA. Luận án nhằm giải quyết các vấn đề như sai số mô hình, nhiễu môi trường, và các yếu tố phi tuyến khác. Đồng thời, nghiên cứu hướng đến việc nâng cao khả năng tự thích nghi của hệ thống, đảm bảo an toàn và tiết kiệm chi phí vận hành.

1.2. Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích các mô hình toán học của hệ thống định vị động DP, đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như sóng, gió, và dòng chảy. Luận án cũng tập trung vào việc ứng dụng giải thuật di truyền GA để tối ưu hóa cấu trúc điều khiển, đảm bảo tính ổn định và hiệu quả trong các điều kiện thực tế.

II. Phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật áp dụng

Luận án sử dụng các kỹ thuật điều khiển thông minh như giải thuật di truyền GA và kỹ thuật mờ để tối ưu hóa hệ thống định vị động DP. Các phương pháp này giúp hệ thống thích ứng tốt hơn với các sai số gây ra bởi nhiễu nội tại và ngoại vi. Luận án cũng đề xuất mô hình điều khiển thích nghi bền vững dựa trên giải thuật GA, đảm bảo tính ổn định tiệm cận theo tiêu chuẩn Lyapunov.

2.1. Giải thuật di truyền GA

Giải thuật di truyền GA được áp dụng để tối ưu hóa cấu trúc điều khiển của hệ thống định vị động DP. GA giúp tìm ra các tham số điều khiển tối ưu, đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả trong các điều kiện biến đổi. Kết quả mô phỏng cho thấy GA mang lại hiệu quả cao trong việc nâng cao độ chính xác và ổn định của hệ thống.

2.2. Kỹ thuật mờ và mô hình thích nghi

Luận án đề xuất sử dụng kỹ thuật mờ đa tầng để tăng khả năng thích nghi của hệ thống. Số lượng hàm liên thuộc tăng lên theo số tầng mờ, giúp hệ thống mềm hóa và tối ưu hóa hiệu quả hơn. Kết hợp với giải thuật GA, mô hình điều khiển thích nghi bền vững được phát triển, đảm bảo tính ổn định trong các điều kiện thời tiết khác nhau.

III. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tế

Luận án đã thực hiện các thử nghiệm mô phỏng và thực nghiệm để kiểm chứng hiệu quả của giải thuật di truyền GA và kỹ thuật mờ. Kết quả cho thấy hệ thống định vị động DP hoạt động ổn định và chính xác trong các điều kiện thời tiết khác nhau. Tuy nhiên, việc xử lý đồng thời nhiều giải thuật như GA và PSO trên DSP F28379D gặp hạn chế về tốc độ xử lý. Các nghiên cứu thực nghiệm cần được triển khai trong các bể thử tiêu chuẩn để đạt kết quả chính xác hơn.

3.1. Kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng trên Matlab cho thấy hệ thống định vị động DP đạt được tính ổn định bền vững trong hầu hết các trường hợp. Giải thuật GA giúp tối ưu hóa cấu trúc điều khiển, đảm bảo hệ thống thích ứng tốt với các sai số mô hình và nhiễu môi trường.

3.2. Thử nghiệm thực tế

Luận án đã xây dựng mô hình vật lý dựa trên tàu Happy Hunter, sử dụng hệ thống truyền động 3 chân vịt. Kết quả thử nghiệm ban đầu với kỹ thuật mờ đa tầng và giải thuật GA cho thấy sự khả thi của phương pháp. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để khắc phục hạn chế về tốc độ xử lý và nâng cao độ chính xác.