Luận án: Điều khiển tối ưu toàn cục hệ thống định vị động tàu thủy DP bằng thuật toán di truyền GA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH ĐỖ VIỆT DŨNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU TOÀN CỤC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ ĐỘNG TÀU THỦY DP DỰA TRÊN GIẢI THUẬT DI TRUYỀN GA Ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP. Hồ Chí Minh-2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH ĐỖ VIỆT DŨNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU TOÀN CỤC HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ ĐỘNG TÀU THỦY DP DỰA TRÊN GIẢI THUẬT DI TRUYỀN GA Ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN PGS.

Đặng Xuân Kiên TP Hồ Chí Minh-2022 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ với đề tài: “Điều khiển tối ưu toàn cục hệ thống định vị động tàu thủy DP dựa trên giải thuật di truyền GA” là công trình khoa học do chính tôi nghiên cứu độc lập. Các kết luận và kết quả trình bày trong luận án mang tính trung thực, không thực hiện sao chép dưới bất kỳ hình thức nào và từ bất kỳ nguồn tài liệu nào. Nội dung tham khảo từ các tài liệu đều đã được trích dẫn, và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo quy định. Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 6 năm 2022 Tác giả luận án Đỗ Việt Dũng ii LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn Thầy hướng dẫn, PGS.TS Đặng Xuân Kiên, đã tận tình, đã dành rất nhiều tâm sức và thời gian hướng dẫn, đóng góp những ý kiến quý giá cho tôi trong suốt quá trình thực hiện Luận án.

Cám ơn Thầy đã luôn đồng hành, chia sẻ những khó khăn với Tôi khi thực hiện Luận án. Thầy là tấm gương để Tôi phấn đấu trên con đường nghiên cứu khoa học. Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh, Viện Đào tạo Sau Đại học, Khoa Điện - ĐTVT, và các Phòng ban chức năng đã tạo hỗ trợ và giúp tôi thời gian học tập tại Trường. Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Cao đẳng Công nghệ cao Đồng An, các đồng nghiệp tại Khoa Công nghệ điện Trường Cao đẳng Công nghệ cao Đồng An, các nhà khoa học, các chuyên gia đã cho những ý kiến đóng góp giúp tôi hoàn thành luận án.

Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn tới Bố mẹ và gia đình nhỏ của tôi. Đã dành tình yêu thương, luôn hy sinh thầm lặng, và động viên giúp tôi vượt qua thử thách để hoàn thành luận án. Tuy đã nỗ lực và cố gắng trong quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận án của mình, nhưng còn hạn chế kinh nghiệm, hạn chế kiến thức, và thời gian nên luận án vẫn tồn tại sai sót. Nên tôi rất mong muốn nhận được những góp ý quý giá từ nhà khoa học cũng như bạn đọc nhằm chỉnh sửa hoàn thành luận án tốt nhất và tiếp tục nghiên cứu sau này.

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 6 năm 2022 Tác giả luận án Đỗ Việt Dũng iii TÓM TẮT Giao thông vận tải biển ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển kinh tế đất nước cũng như lĩnh vực liên quan khai thác và thăm dò dầu khí. Điều kiện thời tiết và vùng hoạt động ở các đại dương luôn biến đổi, tiềm ẩn nhiều rủi ro, điều này đặt ra thách thức lớn cho vận hành và khai thác các phương tiện hàng hải. Tàu thủy, đặc biệt là tàu dịch vụ, khi sử dụng hệ thống định vị động (DPs) sẽ đem lại độ chính xác và hiệu quả cao hơn so với các hệ thống lái loại khác khi định vị trí trên biển, do DPs có khả năng điều động tàu cơ động và dễ dàng thay đổi và duy trì tọa độ tàu mà không yêu cầu các hệ thống phụ trợ khác như neo, không phụ thuộc độ sâu nước biển, cũng như không bị giới hạn bởi địa hình đáy biển. Thực tế, việc nâng cao chất lượng điều khiển trong điều động, neo đậu và định vị trí tàu thủy không phải là nhiệm vụ dễ dàng (do các giới hạn như độ sâu vùng biển, thời gian và chế độ làm việc, và điều kiện thời tiết biển), nên việc tăng cường khả năng tự thích nghi cho hệ thống điều khiển tàu thủy vận hành trong các môi trường biến đổi, đồng thời đảm bảo an toàn, và tiết kiệm chi phí khai thác là nhiệm vụ cấp thiết.

Bên cạch đó, việc áp dụng các công nghệ tiên tiến kết hợp các lý thuyết điều khiển thông minh sẽ giúp DPs thích ứng tốt hơn với các sai số gây bởi nhiễu nội tại và nhiễu ngoại vi, sai số mô hình, các tính chất phi tuyến khác của hệ thống, qua đó nâng cao hiệu quả hoạt động của tàu trong các chế độ làm việc. Thông qua khảo sát các thế hệ DPs, các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước, phân tích tình hình ứng dụng công nghệ và học thuật liên quan, có thể thấy các nghiên cứu về DPs đang được phát triển theo xu thế sử dụng trí tuệ nhân tạo trong tối ưu hóa điều khiển nhằm đảm bảo an toàn, tiết kiệm năng lượng, nâng cao độ chính xác và ổn định bền vững cho hệ thống. Từ đó, luận án đặt vấn đề nghiên cứu “Điều khiển tối ưu toàn cục hệ thống định vị động tàu thủy DP dựa trên giải thuật di truyền GA” nhằm giải quyết các luận điểm có nội dung như sau: a) Phân tích, tổng hợp đánh giá và nhận dạng sai lệch giữa mô hình lý tưởng và mô hình thực tế DPs trong quá trình điều khiển, đặc biệt xem xét tới ảnh hưởng của tác động nhiễu môi trường, sai số của tham số và mô hình, cùng với các ảnh hưởng không mong muốn khác; b) Dựa trên nền tảng kỹ thuật mờ, đề xuất giải pháp nâng cao chất lượng đáp ứng cho DPs bằng cách xác định bộ tham số điều khiển tối ưu, cũng như tối ưu hóa cấu trúc bộ điều khiển với giải thuật mờ thích nghi tương tác và mờ đa tầng; iv c) Đề xuất giải pháp điều khiển tối ưu bền vững nhằm không những thích nghi được sai số mô hình và sai số tham số, tối ưu hóa cấu trúc điều khiển mà còn đảm bảo tính ổn định bền vững cho DPs trong chế độ làm việc định vị. Để thực hiện các mục tiêu trên, đầu tiên luận án tiến hành phân tích tổng quan các giải pháp xử lý sai số và các kỹ thuật hiện đại trong điều khiển chuyển động tàu thủy.

Từ đó, xác định được các khó khăn trong nghiên cứu điều khiển chuyển động tàu thủy chủ yếu gây bởi các ảnh hưởng, tác động không mong muốn đến con tàu, cơ bản bao gồm: sóng, gió, dòng chảy, dao động tần số cao, các sai số mô hình và tham số là các nguyên nhân chính gây ra sự phi tuyến cho đối tượng điều khiển. Tiếp theo, đề xuất giải thuật mờ đa tầng, bước đầu giúp hệ thống mềm hóa và thích ứng hơn trong điều khiển, với số lượng hàm liên thuộc tăng lên theo số tầng mờ, qua đó tăng khả năng tối ưu của hệ thống. Mặt khác, thông qua phân tích mô hình hóa chuyển động của hệ DP, luận án xây dựng bài toán tối ưu hóa cấu trúc điều khiển cho DPs với giải thuật tối ưu bầy đàn (PSO), và mở rộng khảo sát trong các điều kiện làm việc, thu thập các kết quả bằng mô phỏng đã cho thấy sự khả thi. Cũng trong hướng nghiên cứu này, luận án đề xuất và triển khai giải thuật di truyền (GA) nhằm tối ưu hóa cấu trúc điều khiển thích nghi mờ, tiếp tục thử nghiệm mô phỏng trong các điều kiện giả lập về thời tiết và sai số, kết quả thu được khả quan và cũng là tiền đề cho việc phát triển giải thuật trọng tâm của luận án.

Cuối cùng, nhằm giúp hệ thống gia tăng sự bền vững, luận án đề xuất và phát triển giải pháp toàn diện hơn với mô hình điều khiển thích nghi bền vững cho DPs dựa trên giải thuật tối ưu GA. Về mặt lý thuyết, bộ điều khiển đề xuất với các ràng buộc được chứng minh ổn định tiệm cận với tiêu chuẩn Lyapunov. Về kiểm nghiệm giải thuật trên mô phỏng Matlab, kết quả cho thấy đáp ứng của hệ thống đảm bảo tính ổn định bền vững trong hầu hết các trường hợp với các điều kiện thời tiết khác nhau. Liên quan đến thử nghiệm nhằm kiểm chứng lý thuyết và hướng tới áp dụng giải thuật đề xuất vào thực tế, luận án tiến hành xây dựng mô hình vật lý theo mô hình tàu Happy Hunter, một dạng tàu dịch vụ với hệ thống truyền động 3 chân vịt.

Trung tâm điều khiển nhúng trên Matlab thông qua vi xử lý DSP F28379D. Bộ xử lý trung tâm nhận giá trị vị trí và hướng đặt tàu, đọc vị trí và hướng thực tế của tàu, căn cứ đưa ra lệnh điều khiển hệ thống động lực tàu đưa tàu đến điểm đặt. Quá trình thu nhận và truyền dữ liệu trong mạng cảm biến sử dụng giao tiếp không dây. Kết quả thử nghiệm bước đầu thành công với giải thuật mờ đa tầng và tương tác.

Bộ điều khiển mờ thích nghi bền vững dựa trên giải v thuật GA còn đang trong quá trình thử nghiệm. Giới hạn về tốc độ xử lý của DSP F28379D chính là một nhược điểm khi hệ thống chạy cùng lúc nhiều giải thuật tốn thời gian xử lý như GA và PSO. Các nghiên cứu thực nghiệm cần triển khai trong các bể thử tiêu chuẩn để thu được kết quả chính xác tin cậy, cũng là hướng nghiên cứu phát triển ứng dụng của luận án. Từ khóa—điều khiển thích nghi, hệ thống định vị động, giải thuật di truyền, tác động không mong muốn, sai số phi tuyến, thích nghi bền vững, tham số điều khiển tối ưu, tiêu chuẩn đánh giá Lyapunov.

vi ABSTRACT Marine transportation is becoming increasingly significant in the country's economic development, also in the fields of oil and gas exploration and production. Weather conditions and operating locations in the oceans are changing all the time, creating numerous risks that make the operation and exploitation of marine vehicles extremely difficult. Because the DP can maneuver vessels, easily change and maintain vessel coordinates without requiring other auxiliary systems such as anchors, regardless of sea depth, and is not limited by seabed topography. However, the vessels, especially service vessels, using dynamic positioning systems (DP) intention obtain higher accuracy and efficiency than other types of steering systems when positioning at sea.

Enhancing the quality of vessel maneuvering, mooring, and positioning control is a difficult challenge (due to limitations such as sea depth, time and working mode, and controllability).