Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại cho hệ lái tàu thủy trong đề tài khoa học cấp trường

• Tác giả: Th. Hoàng Thị Tú Uyên
• Trường học: Đại học Hải Phòng
• Chuyên ngành: Lý thuyết điều khiển hiện đại
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại cho hệ lái tàu thủy
• Loại tài liệu: đề tài khoa học cấp trường
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hải Phòng

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA PHƯƠNG TIỆN HÀNG HẢI
• 1.1. Phân tích về vị trí và hướng chuyển động của tàu
• 1.2. Phương trình chuyển động của phương tiện hàng hải (Dynamics)
• 1.2.1. Phương trình chuyển động của vật rắn
• 1.2.2. Lực và momen thủy động lực học
• 1.2.3. Hệ phương trình chuyển động 6 bậc tự do của phương tiện hàng hải
• 1.3. Mô hình động lực học của tàu thủy ba bậc tự do trên mặt phẳng nằm ngang
• 1.3.1. Các mô hình được đơn giản hóa từ mô hình ba bậc tự do của tàu thủy
• 1.3.1.1. Mô hình tàu tốc độ thấp trong bài toán ổn định vị trí động
• 1.3.1.2. Mô hình động lực học tàu ba bậc tự do hụt cơ cấu chấp hành
• 1.3.1.3. Mô hình riêng cho vận tốc tiến và tính điều động (maneuvering)
• 1.3.1.4. Những phương trình lái tàu tuyến tính
• 1.3.1.5. Những phương trình lái tàu phi tuyến
• 1.4. Kết luận của chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ LÁI TÀU THỦY
• 2.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 2.1.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 2.1.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 2.2. Tổng quan về các phương pháp điều khiển điều động và bám quỹ đạo cho tàu ba bậc tự do đủ cơ cấu chấp hành
• 2.2.1. Phương pháp điều khiển backstepping
• 2.2.2. Phương pháp điều khiển backstepping thích nghi
• 2.2.2.1. Phương pháp xấp xỉ bằng mạng nơ-ron
• 2.3. Cơ sở phương pháp luận
• 2.3.1. Kỹ thuật backstepping
• 2.3.2. Điều khiển trượt
• 2.3.3. Mạng nơ-ron nhân tạo
• 2.4. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN SLIDING MODE BACKSTEPPING THÍCH NGHI CHO MÔ HÌNH LÁI TÀU 3D BẰNG MẠNG NƠ-RON NHÂN TẠO
• 3.1. Tổng hợp bộ điều khiển trượt backstepping
• 3.1.1. Tổng hợp bộ điều khiển
• 3.1.2. Khảo sát tính ổn định của hệ thống
• 3.1.3. Kết quả mô phỏng số với mô hình tàu xác định
• 3.2. Tổng hợp bộ điều khiển trượt backstepping trên cơ sở mạng nơ-ron nhân tạo
• 3.2.1. Xấp xỉ véc-tơ hàm bất định bằng mạng nơ-ron nhân tạo
• 3.2.1.1. Phát biểu định lý và chứng minh tính ổn định của hệ kín
• 3.3. Mô phỏng kiểm chứng trên nền kỹ thuật số
• 3.4. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Lý thuyết điều khiển hiện đại

Lý thuyết điều khiển hiện đại là nền tảng chính của nghiên cứu này. Nó tập trung vào việc áp dụng các phương pháp điều khiển tiên tiến như điều khiển thích nghi, điều khiển trượt, và mạng nơ-ron nhân tạo để giải quyết các thách thức trong việc điều khiển hệ thống lái tàu thủy. Các phương pháp này giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống, đặc biệt trong môi trường biển động và phức tạp. Lý thuyết điều khiển hiện đại không chỉ cải thiện độ chính xác mà còn tăng cường khả năng thích ứng của hệ thống với các điều kiện bất định.

1.1. Điều khiển thích nghi

Điều khiển thích nghi là một trong những phương pháp chính được áp dụng trong nghiên cứu. Nó cho phép hệ thống tự điều chỉnh các tham số điều khiển dựa trên sự thay đổi của môi trường và đối tượng điều khiển. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả trong việc xử lý các mô hình bất định và nhiễu môi trường, giúp hệ thống lái tàu thủy duy trì ổn định và chính xác.

1.2. Điều khiển trượt

Điều khiển trượt là một kỹ thuật điều khiển phi tuyến, được sử dụng để đảm bảo hệ thống luôn bám theo một quỹ đạo mong muốn. Phương pháp này có khả năng chống chịu tốt với các nhiễu loạn và bất định trong mô hình động học của tàu thủy. Nó được kết hợp với các kỹ thuật khác như backstepping để tăng cường hiệu quả điều khiển.

II. Hệ lái tàu thủy

Hệ lái tàu thủy là đối tượng chính của nghiên cứu này. Hệ thống này bao gồm các thành phần như bộ điều khiển, cơ cấu chấp hành, và các cảm biến để đo lường và phản hồi thông tin. Hệ lái tàu thủy đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và hiệu quả hoạt động của tàu, đặc biệt trong các điều kiện biển động. Nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện chất lượng điều khiển của hệ thống này thông qua việc áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại.

2.1. Mô hình động lực học

Mô hình động lực học của tàu thủy được phân tích chi tiết, bao gồm các phương trình chuyển động và các lực tác động lên tàu. Mô hình này được đơn giản hóa để phù hợp với các bài toán điều khiển cụ thể, như bài toán ổn định vị trí động và điều khiển hướng. Việc hiểu rõ mô hình động lực học là cơ sở quan trọng để thiết kế các bộ điều khiển hiệu quả.

2.2. Các thách thức trong điều khiển

Hệ lái tàu thủy phải đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm sự bất định trong mô hình động học, nhiễu môi trường, và sự phức tạp của các điều kiện biển. Các phương pháp điều khiển hiện đại được nghiên cứu nhằm giải quyết các thách thức này, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và chính xác trong mọi điều kiện.

III. Ứng dụng công nghệ điều khiển

Ứng dụng công nghệ điều khiển là mục tiêu chính của nghiên cứu này. Các phương pháp điều khiển hiện đại được áp dụng để cải thiện hiệu suất của hệ lái tàu thủy, đặc biệt trong việc bám quỹ đạo và ổn định vị trí. Nghiên cứu cũng đề xuất các giải pháp mới dựa trên mạng nơ-ron nhân tạo để xử lý các thành phần bất định trong mô hình động học của tàu.

3.1. Mạng nơ ron nhân tạo

Mạng nơ-ron nhân tạo được sử dụng để xấp xỉ các thành phần bất định trong mô hình động học của tàu. Phương pháp này giúp tăng cường khả năng thích ứng của hệ thống với các điều kiện biến đổi, đồng thời cải thiện độ chính xác của các bộ điều khiển. Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả vượt trội của phương pháp này so với các phương pháp truyền thống.

3.2. Tối ưu hóa hệ thống

Tối ưu hóa hệ thống là một phần quan trọng của nghiên cứu, nhằm đảm bảo hệ thống lái tàu thủy hoạt động hiệu quả và tiết kiệm năng lượng. Các giải thuật điều khiển được thiết kế để tối thiểu hóa sai số bám quỹ đạo và giảm thiểu tác động của nhiễu môi trường, từ đó nâng cao chất lượng tổng thể của hệ thống.