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

Ngành vận tải biển thế giới phát triển nhanh chóng với các thế hệ tàu cỡ lớn. Quá trình điều khiển lái thủ công bộc lộ nhiều hạn chế về sự tập trung của con người. Việc trang bị hệ thống lái tự động tàu thủy là giải pháp bắt buộc trên các tàu hiện đại. Hệ thống tự động duy trì hướng đi và điều khiển góc bẻ bánh lái chính xác. Chuyến hải trình trở nên an toàn hơn ngay cả trong điều kiện thời tiết xấu. Năng lượng tiêu hao cho cụm máy lái thủy lực giảm rõ rệt trong suốt chặng đường. Hệ thống tự động giúp giảm áp lực vận hành cho sĩ quan điều khiển trên buồng lái. Đây cũng là bước phát triển then chốt hướng tới mô hình tàu tự hành không người lái.

Mô hình chuyển động của thân tàu trong chất lỏng có tính phi tuyến mạnh mẽ. Tàu di chuyển trên mặt phẳng ngang với ba bậc tự do cơ bản gồm dọc, ngang và xoay. Lực cản thủy động học thay đổi liên tục theo góc dạt và tốc độ di chuyển. Tải trọng hàng hóa và lượng nhiên liệu tiêu thụ làm biến đổi mô-men quán tính thân tàu. Môi trường biển luôn xuất hiện các thành phần bất định khó lường trước. Tác động của gió, sóng và dòng chảy tạo ra mô-men nhiễu liên tục lên bánh lái. Các thuật toán điều khiển tuyến tính truyền thống dễ mất ổn định khi gặp nhiễu lớn. Việc phát triển thuật toán thích nghi phi tuyến là giải pháp duy nhất đảm bảo tính bền vững.

Mô hình động học tàu thủy Nomoto là công cụ toán học kinh điển trong kỹ thuật hàng hải. Mô hình mô tả hàm truyền giữa góc bẻ lái và tốc độ góc quay trở của thân tàu. Dạng mô hình Nomoto bậc một và bậc hai có cấu trúc toán học gọn gàng. Các tham số chính bao gồm hệ số khuếch đại quay trở và hằng số thời gian quán tính. Mô hình phản ánh trực quan phản ứng cơ bản của thân tàu khi bánh lái dịch chuyển. Tuy nhiên mô hình chỉ chính xác ở chế độ chuyển động thẳng với góc bẻ lái nhỏ. Khi tàu quay vòng gấp hoặc chuyển hướng liên tục, sai số mô hình tăng cao. Luận án đã mở rộng mô hình phi tuyến để phản ánh trung thực chuyển động thực tế.

Trong thực tế hàng hải, bộ điều khiển PID thích nghi được trang bị rất phổ biến trên tàu thương mại. Thuật toán tự động cập nhật hệ số khuếch đại theo sai số hướng đi của tàu. Cơ chế thích nghi giúp giảm hiện tượng trôi dạt khi tàu thay đổi trạng thái tải trọng. Bên cạnh đó, phương pháp điều khiển tối ưu LQR tàu thủy giải quyết bài toán cân bằng năng lượng. Thuật toán LQR tối thiểu hóa chỉ tiêu hàm mục tiêu gồm sai lệch hướng đi và góc lái. Bộ điều khiển LQR giúp hệ thống phản hồi mượt mà và tiết kiệm nhiên liệu vận hành. Tuy vậy, LQR tiêu chuẩn đòi hỏi biết trước ma trận trạng thái tuyến tính chính xác của tàu.

Để xử lý sự biến đổi thông số tàu, nhận dạng thông số tàu trực tuyến (RLS) là công cụ then chốt. Thuật toán bình phương tối thiểu đệ quy RLS liên tục ước lượng hệ số quán tính và lực cản. Dữ liệu hải trình từ la bàn số và định vị GPS được xử lý theo thời gian thực. Song song đó, bộ lọc Kalman ước lượng trạng thái tàu đóng vai trò triệt tiêu nhiễu đo lường. Bộ lọc tách tín hiệu chuyển động tần số thấp của tàu khỏi nhiễu sóng biển tần số cao. Nhờ vậy tín hiệu trạng thái gửi về bộ điều khiển luôn chuẩn xác và mượt mà. Cơ cấu bánh lái không bị rung giật liên tục do tác động của sóng biển cục bộ.

Quy hoạch động thích nghi ADP là giải pháp đột phá cho bài toán điều khiển tối ưu phi tuyến. Cấu trúc mạng nơ-ron Actor-Critic gồm hai mạng thành phần phối hợp liên tục. Mạng Critic đảm nhận nhiệm vụ xấp xỉ hàm giá trị chi phí tối ưu trong suốt hành trình. Mạng Actor sinh ra tín hiệu điều khiển bẻ lái tối ưu tương ứng theo thời gian thực. Trọng số của cả hai mạng được cập nhật thích nghi trực tuyến bằng thuật toán học gradient. Thuật toán hội tụ nhanh chóng mà không cần giải phương trình Hamilton-Jacobi-Bellman bằng giải tích. Nhờ đó góc bẻ bánh lái luôn đạt mức tối ưu tại mọi thời điểm chuyển động của tàu.

Môi trường biển thường xuyên xuất hiện các thành phần nhiễu ngoại cảnh bất định. Nhiệm vụ bù nhiễu sóng gió dòng chảy được giải quyết thông qua bộ điều khiển phản hồi RISE. Kỹ thuật RISE cung cấp khả năng triệt tiêu các thành phần nhiễu khả vi bậc cao mà không gây rung lắc. Bên cạnh đó, luận án đề xuất cấu trúc ADP kết hợp bộ ước lượng nhiễu DO chuyên biệt. Bộ ước lượng DO nhanh chóng tái tạo giá trị mô-men nhiễu thực tế tác động lên thân tàu. Tín hiệu bù nhiễu được đưa trực tiếp vào kênh điều khiển để triệt tiêu ảnh hưởng ngoại cảnh. Hướng đi của tàu duy trì ổn định cao ngay cả trong điều kiện giông bão.

Tính an toàn của hệ thống lái tự động đòi hỏi chứng minh toán học nghiêm ngặt. Phương pháp hàm Lyapunov được áp dụng để phân tích độ ổn định của hệ kín. Luận án chứng minh sai số bám quỹ đạo và sai số ước lượng trọng số mạng nơ-ron đều đạt ổn định UUB. Tính ổn định UUB khẳng định mọi quỹ đạo trạng thái của tàu đều bị chặn đều tiệm cận. Trạng thái hệ thống luôn hội tụ về một lân cận nhỏ quanh điểm cân bằng mong muốn. Các kết quả mô phỏng số trên mô hình tàu thật đã xác nhận tính đúng đắn của lý thuyết. Bánh lái hoạt động êm ái, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng bão hòa góc bẻ lái.

Bài toán điều khiển bám tối ưu bền vững cho hệ phi tuyến có nhiễu được mô tả qua phương trình HJI. Phương trình Hamilton-Jacobi-Isaacs xây dựng trên nền tảng lý thuyết trò chơi vi phân hai người chơi. Tín hiệu điều khiển bẻ lái đóng vai trò người chơi tối thiểu hóa chi phí sai số bám. Nhiễu sóng gió đóng vai trò người chơi đối kháng tối đa hóa sai lệch chuyển động của tàu. Việc tìm nghiệm giải tích của phương trình HJI cho hệ phi tuyến là bài toán vô cùng phức tạp. Luận án đã đề xuất giải pháp xấp xỉ nghiệm phương trình HJI bằng mạng nơ-ron nhân tạo. Thuật toán đảm bảo độ suy giảm nhiễu đạt tiêu chuẩn H-vô-cùng nghiêm ngặt.

Để giải phương trình HJI mà không cần mô hình tàu, thuật toán Off-Policy IRL được áp dụng. Kỹ thuật học tăng cường tích phân (Integral Reinforcement Learning - IRL) kết hợp cơ chế Off-Policy linh hoạt. Thuật toán thu thập dữ liệu hành trình thực tế từ các tín hiệu điều khiển thử nghiệm ban đầu. Quá trình học chính sách điều khiển tối ưu diễn ra độc lập mà không làm gián đoạn chuyển động của tàu. Sự hội tụ của chuỗi tham số mạng nơ-ron được phân tích toán học chi tiết và chặt chẽ. Kết quả điều khiển bám quỹ đạo đạt độ chính xác cao tương đương trường hợp đã biết đầy đủ mô hình tàu.

Nhiệm vụ điều khiển giữ hướng tàu (course keeping) là chức năng cơ bản nhất của hệ lái tự động. Khi hành trình trên biển khơi, tàu cần duy trì góc la bàn cố định theo kế hoạch tuyến đường. Sóng biển và gió ngang liên tục tạo lực đẩy làm thân tàu lệch khỏi trục đường đi mong muốn. Bộ điều khiển thích nghi tối ưu tự động tính toán góc bẻ lái đối kháng chuẩn xác. Góc bẻ bánh lái được điều chỉnh nhịp nhàng mà không gây ra dao động quá mức của bánh lái. Hiện tượng mài mòn cơ khí của cụm máy lái giảm thiểu đáng kể. Tàu giữ vững hướng đi ổn định với sai số góc cực nhỏ trong suốt hải trình dài.

Khi di chuyển qua các eo biển hoặc luồng hàng hải hẹp, điều khiển bám quỹ đạo tàu thủy (path following) là yêu cầu sống còn. Tàu phải bám sát theo đường cong tọa độ vị trí định sẵn mà không phụ thuộc ràng buộc thời gian nghiêm ngặt. Thuật toán điều khiển tối ưu liên tục tính toán sai số khoảng cách vuông góc giữa thân tàu và đường mẫu. Tín hiệu điều khiển kết hợp đồng thời góc bẻ lái và vận tốc động cơ chính. Quỹ đạo thực tế của tàu bám mượt mà theo đường cong mong muốn ngay cả khi dòng chảy mạnh. Khả năng phòng tránh va chạm và an toàn luồng lạch được nâng lên mức tối đa.

Trước đây, giải pháp điều khiển thích nghi MRAC tàu thủy (Model Reference Adaptive Control) thường được áp dụng để xử lý bất định mô hình. Cơ chế MRAC ép hành vi của tàu bám theo một mô hình mẫu tuyến tính xác định trước. Tuy nhiên MRAC truyền thống chưa xét đến chi phí năng lượng tiêu hao của cơ cấu chấp hành bánh lái. Ngược lại, cấu trúc điều khiển thích nghi trên nền tối ưu của luận án giải quyết trọn vẹn cả hai mục tiêu. Hệ thống vừa đảm bảo sai số bám quỹ đạo nhỏ nhất, vừa tối thiểu hóa năng lượng bẻ lái. Đây là bước tiến vượt trội, mở ra hướng ứng dụng thực tế cho các thế hệ tàu thông minh.