Luận án: Xây dựng phương pháp điều khiển thích nghi tối ưu cho hệ lái tàu thủy

Hệ thống lái tự động tàu thủy đóng vai trò trung tâm trong vận tải biển. Thiết bị này thay thế con người điều khiển bánh lái liên tục trên hải trình dài. Tàu thủy có khối lượng lớn và quán tính chuyển động rất cao. Môi trường biển thay đổi liên tục khiến hành vi động lực học của tàu biến đổi mạnh. Phương pháp điều khiển truyền thống thường bộc lộ nhiều hạn chế khi thời tiết xấu. Bánh lái phải chuyển động quá mức gây mòn cơ khí và hao tốn nhiên liệu. Việc nâng cấp hệ thống lái tự động với thuật toán thông minh là nhu cầu cấp bách. Hệ thống mới cần khả năng tự thích nghi với tải trọng thay đổi. Thuật toán lái phải tối ưu hóa góc bẻ lái để tiết kiệm năng lượng. Độ an toàn hàng hải và hiệu quả kinh tế phụ thuộc trực tiếp vào chất lượng hệ thống lái này.

Nhiệm vụ điều khiển giữ hướng tàu thủy đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật. Tàu thủy là đối tượng điều khiển phi tuyến đa biến với độ trễ lớn. Các thành phần thủy động lực học thay đổi theo vận tốc di chuyển và độ sâu luồng lạch. Nhiễu động từ môi trường biển không thể đo đạc chính xác tuyệt đối. Hiện tượng trôi dạt do dòng chảy làm lệch hướng mũi tàu liên tục. Bộ điều khiển cổ điển dễ mất ổn định khi thông số tàu biến thiên nhanh. Giải thuật hiện đại cần tích hợp khả năng nhận dạng và phản hồi tức thời. Mục tiêu chính là duy trì góc hướng la bàn ổn định với sai số tối thiểu. Cơ cấu chấp hành bánh lái cần hoạt động mượt mà, tránh hiện tượng bão hòa tín hiệu.

Quy hoạch động thích nghi (ADP) mở ra hướng đi đột phá cho ngành tự động hóa hàng hải. Phương pháp này giải quyết bài toán điều khiển tối ưu thời gian thực cho hệ phi tuyến. Thuật toán học tăng cường giúp hệ thống tự hoàn thiện chính sách điều khiển qua dữ liệu vận hành. Cấu trúc mạng nơ-ron xấp xỉ hàm giá trị tối ưu một cách chính xác. Hệ thống không cần giải phương trình vi phân phi tuyến phức tạp trong từng chu kỳ lấy mẫu. Tính ổn định của toàn hệ thống được bảo đảm theo chuẩn giới hạn đồng đều (UUB). Xu hướng kết hợp ADP với lý thuyết điều khiển bền vững mang lại độ tin cậy vượt trội. Công nghệ này đáp ứng tiêu chuẩn khắt khe cho các phương tiện thủy không người lái trong tương lai.

Mô hình toán học động học tàu thủy mô tả chi tiết quan hệ giữa lực đẩy, góc bánh lái và chuyển động thân tàu. Trong thực tế hàng hải, mô hình Nomoto bậc một và bậc hai được ứng dụng rất rộng rãi. Mô hình này thiết lập mối liên hệ trực tiếp giữa góc bẻ lái và tốc độ quay trở hướng đi. Dạng phương trình vi phân đơn giản giúp giảm bớt khối lượng tính toán cho vi xử lý trên tàu. Tuy nhiên, tính phi tuyến của mô hình Nomoto tăng cao khi tàu quay vòng gấp. Việc bổ sung các thành phần phi tuyến bậc cao giúp mô tả chính xác phản ứng của tàu lớn. Đây là cơ sở cốt lõi để thiết kế các thuật toán lái tự động hiện đại và hiệu quả.

Thông số thủy động học của tàu biến đổi liên tục theo độ sâu nước và lượng hàng chuyên chở. Kỹ thuật ước lượng tham số trực tuyến RLS hỗ trợ xác định chính xác các hệ số chuyển động theo thời gian thực. Thuật toán bình phương tối thiểu đệ quy này cập nhật ma trận trọng số liên tục sau mỗi chu kỳ đo. Bên cạnh đó, bộ lọc Kalman mở rộng xử lý hiệu quả tín hiệu nhiễu từ các cảm biến hàng hải. Bộ lọc ước lượng trạng thái vận tốc và vị trí thực tế của tàu từ dữ liệu GPS và la bàn con quay. Tín hiệu đầu ra sau lọc có độ mịn cao và loại bỏ triệt để nhiễu đo lường ngẫu nhiên. Sự kết hợp giữa RLS và lọc Kalman tạo nguồn dữ liệu tin cậy cho bộ điều khiển trung tâm.

Cấu trúc điều khiển thích nghi theo mô hình mẫu (MRAC) định hình quỹ đạo chuyển động lý tưởng cho tàu thủy. Mô hình mẫu cung cấp đáp ứng động học chuẩn mà con tàu cần bám theo. Cơ cấu thích nghi tự động điều chỉnh các hệ số khuếch đại dựa trên sai lệch giữa đầu ra thực tế và mô hình mẫu. Giải thuật đảm bảo sai số bám tiến dần về không khi thời gian tiến ra vô cùng. Phương pháp này duy trì tính năng lái ổn định ngay cả khi đặc tính vỏ tàu thay đổi do bám hà rêu. Các kỹ thuật bù phi tuyến hiện đại giúp ngăn chặn hiện tượng dao động góc lái không mong muốn. Tàu di chuyển êm ái, bám sát hành trình định sẵn và giảm tải đáng kể cho hệ thống cơ khí lái.

Kiến trúc Actor-Critic phân tách bài toán điều khiển tối ưu thành hai mạng nơ-ron riêng biệt. Mạng Critic đảm nhận nhiệm vụ đánh giá chất lượng điều khiển và xấp xỉ hàm chi phí tối ưu. Mạng Actor trực tiếp sinh ra tín hiệu điều khiển góc bẻ lái để tối thiểu hóa hàm mục tiêu. Cả hai mạng cập nhật trọng số đồng thời dựa trên nguyên lý sai số Bellman. Thuật toán bảo đảm hệ thống hội tụ ổn định theo lý thuyết Lyapunov. Góc lái tạo ra luôn đảm bảo tính tối ưu về năng lượng tiêu hao và tốc độ đáp ứng. Phương pháp này giải quyết triệt để sự phức tạp của phương trình Hamilton-Jacobi-Bellman đối với hệ thống lái tàu phi tuyến.

Cấu trúc điều khiển kết hợp ADP và kỹ thuật RISE mang lại khả năng kháng nhiễu vượt trội. Thuật toán bù nhiễu sóng gió dòng chảy giúp triệt tiêu hoàn toàn các thành phần bất định từ môi trường biển. Thành phần phản hồi sai số tích phân tiệm cận mạnh (RISE) bù đắp các sai số xấp xỉ của mạng nơ-ron. Hệ kín đạt trạng thái ổn định tiệm cận thay vì chỉ đạt giới hạn đồng đều UUB thông thường. Tàu thủy duy trì hướng đi ổn định ngay cả trong điều kiện bão gió khắc nghiệt. Góc lắc ngang và độ dạt hướng giảm thiểu rõ rệt so với các bộ điều khiển phản hồi thông thường. Đây là giải pháp đột phá cho bài toán điều khiển chuyển động tàu trong hải phận phức tạp.

Bộ quan sát nhiễu (Disturbance Observer - DO) đóng vai trò ước lượng trực tiếp tổng lực cản ngoại cảnh tác động lên thân tàu. Tín hiệu ước lượng được đưa trực tiếp vào vòng lặp điều khiển để bù trừ tức thời. Phương pháp điều khiển tối ưu LQR tuyến tính hóa cục bộ cung cấp khung tham chiếu ban đầu chuẩn xác cho bài toán bám. Sự kết hợp giữa bộ ước lượng DO và giải thuật quy hoạch động tối ưu nâng cao độ chuẩn xác khi điều khiển bám quỹ đạo tàu. Sai lệch vị trí giữa tàu và đường đi mẫu nhanh chóng hội tụ về lân cận gốc tọa độ. Hệ thống không bị hiện tượng quá điều chỉnh, giữ cho cơ cấu lái luôn vận hành an toàn và mượt mà.

Bài toán điều khiển bám quỹ đạo tàu khi có nhiễu bất định nghiêm trọng được quy về trò chơi vi phân hai người chơi. Phương trình Hamilton-Jacobi-Isaacs (HJI) mô tả mối quan hệ giữa tín hiệu điều khiển tối ưu và nhiễu loạn môi trường xấu nhất. Giải pháp HJI giúp hệ thống đạt tiêu chuẩn suy giảm nhiễu H-vô-cùng nghiêm ngặt. Độ ổn định của tàu thủy được bảo đảm vững chắc trong mọi tình huống sóng to gió lớn. Thuật toán tối ưu hóa chiến lược lái đối kháng với các tác động ngoại cảnh tiêu cực nhất. Nhờ đó, quỹ đạo chuyển động thực tế bám sát hành trình mong muốn với sai số nhỏ nhất.

Thuật toán quy hoạch động tăng cường ngoại tuyến (Off-policy Integral Reinforcement Learning - IRL) là công cụ chủ chốt để giải phương trình HJI. Kỹ thuật này cho phép học chính sách lái tối ưu từ dữ liệu hành trình mà không cần biết ma trận động lực học của tàu. Mạng nơ-ron nhiều lớp đảm nhận việc xấp xỉ hàm giá trị và chính sách điều khiển phản hồi. Quá trình cập nhật trọng số mạng diễn ra liên tục dựa trên dữ liệu thu thập trong quá khứ và hiện tại. Thuật toán chứng minh được sự hội tụ đơn điệu về nghiệm tối ưu Nash. Hệ thống tự động thích ứng với sự thay đổi của vùng biển và tình trạng kỹ thuật của con tàu.

Các kịch bản mô phỏng và kiểm nghiệm thực nghiệm khẳng định tính khả thi vượt trội của phương pháp điều khiển không mô hình. Tàu thủy thực hiện chính xác các chuyển động bám đường thẳng, đường cong và quay vòng khẩn cấp. So với các bộ điều khiển PID hoặc điều khiển tối ưu LQR kinh điển, sai số bám quỹ đạo giảm đáng kể. Tần suất bẻ lái và mức độ rung lắc của thân tàu giảm rõ rệt, giúp tiết kiệm từ 5 đến 12 phần trăm nhiên liệu tiêu thụ. Hệ thống đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật an toàn hàng hải quốc tế của IMO. Đây là bước tiến quan trọng hướng tới việc ứng dụng rộng rãi trên các tàu tự hành thương mại thế hệ mới.