Luận án tiến sĩ: Giải pháp điều khiển bám quỹ đạo tàu thủy có ràng buộc tín hiệu - Nguyễn Hữu Quyền, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM NGUYỄN HỮU QUYỀN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO TÀU THỦY CÓ RÀNG BUỘC TÍN HIỆU VÀ BẤT ĐỊNH HÀM Ở ĐẦU VÀO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HẢI PHÕNG - 2019 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM NGUYỄN HỮU QUYỀN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO TÀU THỦY CÓ RÀNG BUỘC TÍN HIỆU VÀ BẤT ĐỊNH HÀM Ở ĐẦU VÀO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 9520216 CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Trần Anh Dũng HẢI PHÒNG - 2019 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn và các nhà khoa học. Các tài liệu tham khảo đã được trích dẫn đầy đủ. Kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa từng được ai công bố trên bất cứ một công trình nào khác. Hải Phòng, ngày 8 tháng 12 năm 2019 Giáo viên hướng dẫn Tác giả PGS.TS Trần Anh Dũng Nguyễn Hữu Quyền i Luận án tiến sĩ Kĩ thuật LỜI CẢM ƠN Trong quá trình làm luận án, tôi đã nhận được nhiều góp ý về chuyên môn cũng như sự ủng hộ giúp đỡ của giáo viên hướng dẫn, của các nhà khoa học, của các đồng nghiệp.

Tôi xin được gửi tới họ lời cảm ơn sâu sắc. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn đến giáo viên hướng dẫn đã trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt thời gian qua. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, Khoa Điện - Điện tử, Viện đào tạo sau đại học, trường Đại học Hàng hải Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện luận án. Cuối cùng là lời cảm ơn sự ủng hộ, động viên khích lệ to lớn của gia đình để tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập.

Hải Phòng, Ngày 8 tháng 12 năm 2019 Tác giả luận án Nguyễn Hữu Quyền ii Luận án tiến sĩ Kĩ thuật MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Mục đích và nhiệm vụ của đề tài 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án 3 4.

Phương pháp nghiên cứu 3 5. Ý nghĩa lý luận và thực tiễn 4 6. Bố cục của luận án 4 CHƢƠNG 1 MÔ HÌNH TOÁN VÀ TỔNG QUAN BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG TÀU THỦY 6 1.1 Mô hình toán mô tả chuyển động tàu thủy 6 1.1 Mô tả chuyển động tàu thủy trong hệ quy chiếu 6 1.2 Các hệ quy chiếu 7 1.3 Mô hình toán mô tả chuyển động tàu thuỷ 6 bậc tự do 9 1.1 Mối quan hệ giữa vị trí, hướng và vận tốc của chuyển động tàu thủy 9 1.2 Phương trình mô tả động lực học tàu thủy 10 1.3 Mô hình toán tàu thuỷ 6 bậc tự do 12 1.4 Mô hình toán mô tả chuyển động tàu thủy ba bậc tự do (xét trong mặt phẳng ngang).5 Mô hình toán mô tả chuyển động tàu thủy ba bậc tự do thiếu cơ cấu chấp hành trên mặt phẳng ngang 17 1.1 Mô hình toán mô tả chuyển động tàu thủy ba bậc tự do thiếu cơ cấu chấp hành trên mặt phẳng ngang dạng mô hình xác định.2 Mô hình toán bất định mô tả chuyển động tàu thủy ba bậc tự do thiếu cơ cấu chấp hành trên mặt phẳng ngang 21 1.2 Tổng quan các nghiên cứu về điều khiển chuyển động tàu thủy 23 1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 23 1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 24 1.1 Tổng quan điều khiển chuyển động tàu thủy đủ cơ cấu chấp hành 24 iii Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 1.2 Tổng quan điều khiển chuyển động tàu thủy thiếu cơ cấu chấp hành 25 1.3 Hướng nghiên cứu của luận án 31 1.1 Vấn đề đặt ra trong luận án 31 1.2 Ý nghĩa vấn đề ràng buộc tín hiệu điều khiển 32 1.4 Kết luận chương 1 32 CHƢƠNG 2 ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG TÀU THỦY BÁM QUỸ ĐẠO ĐẶT VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CÓ RÀNG BUỘC TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN KHI MÔ HÌNH TÀU XÁC ĐỊNH 33 2.1 Nguyên lý điều khiển dự báo 34 2.1 Cấu trúc bộ điều khiển dự báo 34 2.1 Khối mô hình dự báo 35 2.2 Khối hàm mục tiêu 36 2.4 Nguyên lý trượt dọc trên trục thời gian 37 2.2 Điều khiển dự báo hệ tuyến tính phản hồi trạng thái 38 2.3 Giải pháp điều khiển dự báo hệ song tuyến trên cơ sở tuyến tính hóa từng đoạn mô hình phi tuyến dọc theo trục thời gian 39 2.4 Một số giải pháp nâng cao chất lượng bộ điều khiển dự báo 43 2.1 Nâng cao tốc độ hội tụ của sai lệch bám nhờ hiệu chỉnh tín hiệu đặt theo nguyên lý học lặp (Iterative Learning) 43 2.2 Lọc nhiễu và chuyển phản hồi trạng thái thành phản hồi đầu ra nhờ bộ quan sát Kalman 44 2.2 Các phương pháp tối ưu hóa có ràng buộc 46 2.1 Những phương pháp tối ưu hóa có ràng buộc thường sử dụng 46 2.1 Phương pháp tối ưu hóa truyền thống 46 2.2 Phương pháp tối ưu tiến hóa 47 2.2 Giải pháp điều khiển tối ưu hóa có ràng buộc với bộ điều khiển MPC 47 2.3 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 48 iv Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 2.1 Thiết kế bộ điều khiển dự báo phản hồi trạng thái điều khiển tàu chuyển động bám quỹ đạo đặt khi mô hình tàu xác định 49 2.1 Mô hình dự báo trên cơ sở tuyến tính hóa từng đoạn mô hình dọc trục thời gian 50 2.2 Xây dựng khối hàm mục tiêu của bộ điều khiển MPC 51 2.3 Xây dựng khối tối ưu hóa của bộ điều khiển 52 2.4 Thuật toán bộ điều khiển dự báo phản hồi trạng thái 53 2.5 Mô phỏng bộ điều khiển MPC-S 55 2.2 Thiết kế bộ điều khiển dự báo phản hồi đầu ra theo nguyên lý tách để điều khiển chuyển động tàu bám quỹ đạo đặt khi mô hình tàu xác định 62 2.1 Xây dựng bộ quan sát trực tiếp trạng thái từ mô hình liên tục 63 2.2 Xây dựng bộ quan sát trạng thái và lọc nhiễu nhờ bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) 68 2.3 Thuật toán điều khiển dự báo phản hồi đầu ra với bộ QSTT 72 2.4 Kết quả mô phỏng bộ điều khiển dự báo phản hồi đầu ra MPC-O 74 2.4 Chứng minh tính ổn định hệ điều khiển dự báo đề xuất 81 2.5 Kết luận chương 2 85 CHƢƠNG 3 ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG TÀU THỦY BÁM QUỸ ĐẠO ĐẶT VỚI BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO KHI MÔ HÌNH TÀU CÓ CHỨA THÀNH PHẦN BẤT ĐỊNH 86 3.1 Cấu trúc mô hình bù thành phần bất định 86 3.2 Giải pháp bù thành phần bất định 89 3.1 Bù thành phần bất định 89 3.2 Mô phỏng bộ ước lượng bù bất định 91 3.1 Mô phỏng kiểm chứng bộ ước lượng với tín hiệu bất định dạng hàm bất định tác động từ bên ngoài 92 3.2 Mô phỏng kiểm chứng bộ ước lượng với tín hiệu bất định sinh ra từ mô hình đối tượng 93 v Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 3.3 Đánh giá bộ ước lượng bù bất định 95 3.3 Thiết kế bộ điều khiển dự báo điều khiển chuyển động tàu thủy bám quỹ đạo đặt khi mô hình có bất định hàm ở đầu vào 95 3.1 Thiết kế bộ điều khiển dự báo bù bất định phản hồi trạng thái 95 3.1 Thuật toán điều khiển dự báo bù bất định phản hồi trạng thái 95 3.2 Cài đặt bộ điều khiển dự báo bù bất định phản hồi trạng thái DMPC-S 98 3.3 Kết quả mô phỏng, đánh giá chất lượng bộ điều khiển DMPC-S 99 3.2 Thiết kế bộ điều khiển dự báo bù bất định phản hồi đầu ra 104 3.1 Thuật toán điều khiển dự báo bù bất định phản hồi đầu ra 104 3.2 Mô phỏng bộ điều khiển dự báo bù bất định phản hồi đầu ra DMPC-O 107 3.3 Kết quả mô phỏng, đánh giá chất lượng bộ điều khiển DMPC-O 108 3.4 Kết luận chương 3 115 3.1 Những vấn đề đã thực hiện được 115 3.2 Các vấn đề còn tồn tại 115 CHƢƠNG 4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM, KIỂM CHỨNG, ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐÃ ĐỀ XUẤT 116 4.1 Phương pháp kiểm nghiệm bộ điều khiển chạy trên nền thời gian thực (Real time) 116 4.2 Xây dựng mô hình thực nghiệm, kiểm chứng bộ điều khiển MPC đề xuất theo phương pháp HIL (Hardware In the Loop) 117 4.1 Cấu trúc mô hình thực nghiệm HIL với bộ điều khiển MPC 117 4.2 Thư viện mô phỏng thiết bị hàng hải MSS-GNC Toolbox 119 4.3 Card ghép nối Arduino Due R3, thư viện Arduino Libarary I/O 120 4.4 Ghép nối mô hình thực nghiệm HIL, cài đặt thông số với bộ điều khiển MPC đề xuất 122 4.1 Mô hình tàu, mô hình nhiễu bất định và tham số cài đặt 122 4.2 Xây dựng, cài đặt mô hình nhiễu đo 123 vi Luận án tiến sĩ Kĩ thuật 4.3 Ghép nối, cài đặt mô hình bộ đo tín hiệu quỹ đạo, hướng tàu bằng GPS - Gyrocompass 123 4.4 Ghép nối, cài đặt Card Arduino Due R3 Atemega16u2 và chuyển đổi tín hiệu NMEA0183 124 4.5 Mô hình bộ điều khiển MPC cài đặt trên máy tính 1 (PC1) 124 4.6 Hình ảnh mô hình vật lý thực nghiệm HIL với bộ điều khiển MPC đề xuất 126 4.3 Kết quả thực nghiệm, kiểm chứng bộ điều khiển MPC đề xuất 127 4.