I. Tổng Quan Nghiên Cứu Điều Khiển Bám Quỹ Đạo Tàu Thủy Hiện Nay
Nghị quyết 36-NQ/TW nhấn mạnh phát triển bền vững kinh tế biển, yêu cầu ứng dụng khoa học công nghệ tiên tiến, ngang tầm khu vực ASEAN. Trong bối cảnh đó, ngành công nghiệp đóng tàu Việt Nam đang có những bước tiến đáng kể, với việc thiết kế và chế tạo nhiều loại tàu hiện đại. Cùng với sự phát triển này, việc ứng dụng các hệ thống tự động hóa tiên tiến trên tàu thủy, bao gồm hệ thống điều khiển bám quỹ đạo tàu thủy, hệ thống lái tự động tàu thủy và hệ thống định vị tàu DP (Dynamic Position) trở nên cấp thiết. Các hệ thống này giúp nâng cao hiệu quả khai thác, giảm thiểu rủi ro và tăng cường an toàn hàng hải. Theo Nguyễn Hữu Quyền (2019) trong luận án tiến sĩ, việc nghiên cứu các giải pháp điều khiển hiện đại cho tàu thủy là vô cùng quan trọng để đáp ứng yêu cầu phát triển của ngành hàng hải Việt Nam. Việc ứng dụng Maritime autonomous surface ships (MASS) là xu hướng tất yếu.
1.1. Ứng Dụng Hệ Thống Điều Khiển Tự Động Trong Ngành Hàng Hải
Sự phát triển của công nghệ điện tử và cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 thúc đẩy việc ứng dụng các thiết bị kỹ thuật tự động hóa tiên tiến trên tàu thủy. Các hệ thống điều khiển tự động tàu thủy giúp cải thiện và nâng cao chất lượng khai thác. Ví dụ, hệ thống lái tự động giúp duy trì hướng đi ổn định, hệ thống điều khiển chuyển động theo quỹ đạo giúp tàu di chuyển chính xác theo lộ trình định sẵn, và hệ thống định vị DP giúp tàu giữ vị trí ổn định trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt.
1.2. Các Nghiên Cứu Tiên Tiến Về Điều Khiển Tàu Thủy
Các nhà khoa học trên thế giới đã không ngừng nghiên cứu và phát triển các bộ điều khiển tiên tiến cho tàu thủy. Từ các bộ điều khiển kinh điển như PID, LQR, LQG đến các bộ điều khiển phi tuyến như Backstepping, trượt SMC, điều khiển mặt động DSC, và điều khiển thích nghi. Các nghiên cứu này nhằm giải quyết các yếu tố bất định phức tạp trong mô hình tàu, nâng cao chất lượng điều khiển và giảm thiểu tác động của môi trường lên hoạt động của tàu thủy. Việc tích hợp các bộ điều khiển phi tuyến kết hợp với điều khiển mờ, Neural, SMC-Backstepping, SMC-thích nghi để tăng cường hiệu quả.
II. Thách Thức Trong Điều Khiển Bám Quỹ Đạo Tàu Thủy Hiện Đại
Bài toán điều khiển chuyển động tàu thủy đặt ra nhiều khó khăn do: i) môi trường hoạt động phức tạp, nhiễu loạn khó dự đoán từ dòng chảy, sóng, gió; ii) mô hình động lực học tàu thủy phi tuyến bất định, tham số mô hình phụ thuộc vào biến trạng thái điều khiển. Động học tàu thủy có tính chất như quá trình dao động, thời gian quá độ dài và độ dự trữ ổn định thấp. Luận án của Nguyễn Hữu Quyền (2019) tập trung vào giải quyết những vấn đề này bằng các phương pháp điều khiển hiện đại, đặc biệt là khi có ràng buộc tín hiệu điều khiển và bất định hàm ở đầu vào. Các yếu tố bất định trong mô hình đòi hỏi các giải pháp điều khiển mạnh mẽ và linh hoạt.
2.1. Yếu Tố Môi Trường Ảnh Hưởng Đến Điều Khiển Tàu Thủy
Tàu thủy hoạt động trong môi trường biển phức tạp, chịu tác động của nhiều yếu tố như sóng, gió, dòng chảy, và thời tiết. Những yếu tố này gây ra nhiễu loạn và làm thay đổi động lực học của tàu, gây khó khăn cho việc điều khiển chính xác. Việc xây dựng các mô hình toán học chính xác để mô tả các tác động này là một thách thức lớn.
2.2. Tính Phi Tuyến Và Bất Định Của Mô Hình Tàu Thủy
Mô hình động lực học của tàu thủy là phi tuyến và bất định, nghĩa là các tham số của mô hình thay đổi theo thời gian và không thể xác định chính xác. Điều này gây khó khăn cho việc thiết kế các bộ điều khiển ổn định và hiệu quả. Các phương pháp điều khiển phi tuyến và thích nghi thường được sử dụng để giải quyết vấn đề này.
2.3. Ràng Buộc Tín Hiệu Điều Khiển Và Bất Định Hàm Ở Đầu Vào
Thực tế, các cơ cấu chấp hành trên tàu thủy có giới hạn về công suất và tốc độ, dẫn đến ràng buộc tín hiệu điều khiển. Ngoài ra, các yếu tố bất định hàm ở đầu vào, như sai số đo lường và nhiễu, cũng ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống điều khiển. Việc giải quyết đồng thời các vấn đề này là một thách thức lớn trong điều khiển bám quỹ đạo tàu thủy.
III. Phương Pháp Điều Khiển Dự Báo MPC cho Tàu Thủy Giải Pháp
Để giải quyết các vấn đề trên, luận án của Nguyễn Hữu Quyền (2019) đề xuất ứng dụng điều khiển dự báo theo mô hình MPC (Model Predictive Control). MPC là phương pháp điều khiển tối ưu hóa có ràng buộc, cho phép dự đoán trạng thái tương lai của hệ thống và tối ưu hóa tín hiệu điều khiển trong một khoảng thời gian nhất định. MPC đặc biệt phù hợp với các hệ thống phi tuyến, bất định và có ràng buộc. Việc áp dụng MPC giúp nâng cao độ chính xác của điều khiển bám quỹ đạo, đảm bảo tính ổn định tàu thủy, và đáp ứng các yêu cầu về ràng buộc tín hiệu điều khiển.
3.1. Nguyên Lý Hoạt Động Của Điều Khiển Dự Báo MPC
Điều khiển dự báo (MPC) hoạt động dựa trên việc dự đoán trạng thái tương lai của hệ thống, tối ưu hóa tín hiệu điều khiển trong một khoảng thời gian dự báo, và áp dụng tín hiệu điều khiển tối ưu cho hệ thống. Quá trình này được lặp lại liên tục, giúp hệ thống thích ứng với các thay đổi và nhiễu loạn. Ưu điểm lớn của MPC là khả năng xử lý các ràng buộc và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.
3.2. Ưu Điểm Của MPC Trong Điều Khiển Tàu Thủy
MPC có nhiều ưu điểm khi áp dụng vào điều khiển tàu thủy, bao gồm: khả năng xử lý các hệ thống phi tuyến và bất định, khả năng đáp ứng các ràng buộc tín hiệu điều khiển, khả năng tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống, và khả năng tích hợp các thông tin dự báo về môi trường và điều kiện hoạt động. Nhờ đó, MPC giúp nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của điều khiển bám quỹ đạo.
IV. Giải Pháp Điều Khiển Tối Ưu Có Ràng Buộc Với Bộ Điều Khiển MPC
Luận án này tập trung vào việc 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. Phương pháp này sử dụng mô hình dự báo dựa trên tuyến tính hóa từng đoạn mô hình dọc trục thời gian. Sau đó, xây dựng khối hàm mục tiêu của bộ điều khiển MPC, cùng với khối tối ưu hóa để tìm ra các tín hiệu điều khiển tối ưu. Thuật toán bộ điều khiển dự báo phản hồi trạng thái được xây dựng chi tiết và mô phỏng kiểm chứng. Bên cạnh đó, Luận án còn thiết kế bộ điều khiển dự báo phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách để điều khiển tàu.
4.1. Thiết Kế Bộ Điều Khiển Dự Báo Phản Hồi Trạng Thái MPC S
Bộ điều khiển MPC-S được thiết kế dựa trên mô hình dự báo tuyến tính hóa từng đoạn dọc trục thời gian. Khối hàm mục tiêu được xây dựng để tối ưu hóa độ chính xác bám quỹ đạo và giảm thiểu năng lượng điều khiển. Khối tối ưu hóa giải quyết bài toán tối ưu có ràng buộc để tìm ra tín hiệu điều khiển tối ưu. Thuật toán điều khiển được trình bày chi tiết và mô phỏng để kiểm chứng hiệu quả.
4.2. Thiết Kế Bộ Điều Khiển Dự Báo Phản Hồi Đầu Ra MPC O
Bộ điều khiển MPC-O được thiết kế theo nguyên lý tách, sử dụng bộ quan sát trạng thái trực tiếp (QSTT) hoặc bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) để ước lượng trạng thái của tàu. Tín hiệu điều khiển được tính toán dựa trên trạng thái ước lượng và quỹ đạo đặt. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển MPC-O có khả năng bám quỹ đạo tốt và ổn định, ngay cả khi có nhiễu đo.
V. Điều Khiển Bám Quỹ Đạo Khi Mô Hình Tàu Chứa Bất Định Hàm
Luận án đề xuất giải pháp bù thành phần bất định để nâng cao khả năng chống nhiễu và độ chính xác của điều khiển bám quỹ đạo khi mô hình tàu chứa bất định hàm. Mô hình bù bất định được xây dựng và mô phỏng để kiểm chứng hiệu quả. Sau đó, bộ điều khiển dự báo bù bất định phản hồi trạng thái (DMPC-S) và phản hồi đầu ra (DMPC-O) được thiết kế và mô phỏng. Kết quả cho thấy các bộ điều khiển này có khả năng bám quỹ đạo tốt và ổn định, ngay cả khi có bất định hàm và nhiễu.
5.1. Bù Thành Phần Bất Định Trong Mô Hình Tàu
Việc bù thành phần bất định giúp giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố không chắc chắn trong mô hình tàu, như sai số tham số và nhiễu. Mô hình bù bất định được xây dựng dựa trên việc ước lượng các thành phần bất định và bù trừ chúng vào tín hiệu điều khiển. Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình bù bất định có khả năng ước lượng chính xác các thành phần bất định.
5.2. Thiết Kế Bộ Điều Khiển Dự Báo Bù Bất Định DMPC
Bộ điều khiển DMPC được thiết kế bằng cách kết hợp điều khiển dự báo với mô hình bù bất định. Hai phiên bản của DMPC được xây dựng: DMPC-S (phản hồi trạng thái) và DMPC-O (phản hồi đầu ra). Kết quả mô phỏng cho thấy cả hai bộ điều khiển đều có khả năng bám quỹ đạo tốt và ổn định, ngay cả khi có bất định hàm và nhiễu. DMPC-O cho kết quả khả quan hơn khi loại bỏ nhiễu đo và tính toán hiệu quả hơn.
VI. Thực Nghiệm Kiểm Chứng và Đánh Giá Chất Lượng Bộ Điều Khiển MPC
Luận án xây dựng mô hình thực nghiệm theo phương pháp HIL (Hardware In the Loop) để kiểm chứng và đánh giá chất lượng bộ điều khiển MPC đã đề xuất. Thư viện mô phỏng thiết bị hàng hải MSS-GNC Toolbox và card ghép nối Arduino Due R3 được sử dụng để xây dựng mô hình thực nghiệm. Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển MPC có khả năng hoạt động tốt trong môi trường thực tế và đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác và ổn định.
6.1. Xây Dựng Mô Hình Thực Nghiệm HIL
Mô hình thực nghiệm HIL cho phép kiểm tra bộ điều khiển trong môi trường gần với thực tế. Mô hình tàu, mô hình nhiễu, và bộ điều khiển được kết nối với nhau thông qua card ghép nối Arduino Due R3. Tín hiệu từ mô hình tàu được truyền đến bộ điều khiển, và tín hiệu điều khiển được truyền trở lại mô hình tàu.
6.2. Kết Quả Thực Nghiệm Và Đánh Giá
Kết quả thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển MPC có khả năng bám quỹ đạo tốt và ổn định trong môi trường thực tế. Sai số bám quỹ đạo nhỏ và thời gian đáp ứng nhanh. Điều này chứng minh tính hiệu quả của phương pháp điều khiển MPC đã đề xuất trong luận án. Các bộ điều khiển bù nhiễu cho kết quả tốt hơn khi loại bỏ được các tác động nhiễu từ bên ngoài và bất định trong hệ thống.
