Luận án TS Trần Tiến Đạt: Phân tích, đánh giá, giải pháp tối ưu cân bằng giàn khoan tự nâng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRẦN TIẾN ĐẠT PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TỐI ƯU CÂN BẰNG GIÀN KHOAN TỰ NÂNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 9520116 Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 2 năm 2024 TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRẦN TIẾN ĐẠT PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TỐI ƯU CÂN BẰNG GIÀN KHOAN TỰ NÂNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 9520116 NGƯỜI HƯỚNG DẪN: NGƯT. LÊ VĂN VANG PGS. ĐẶNG XUÂN KIÊN Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 2 năm 2024 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ với đề tài: “Phân tích, đánh giá và đề xuất giải pháp tối ưu cân bằng giàn khoan tự nâng” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của NGƯT. Lê Văn Vang và PGS.

Đặng Xuân Kiên. 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 25 tháng 2 năm 2024 Nghiên cứu sinh Trần Tiến Đạt ii LỜI CÁM ƠN Sau thời gian tiến hành triển khai nghiên cứu và hoàn thành Luận án, Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới các thầy – NGƯT.

Lê Văn Vang, PGS.TS Đặng Xuân Kiên đã dành nhiều tâm sức, thời gian để hướng dẫn và đóng góp những ý kiến quý giá trong suốt quá trình nghiên cứu. Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh, Viện Đào tạo sau đại học, Viện Cơ khí đã tạo điều kiện thuận lợi để Nghiên cứu sinh hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy/cô trong hội đồng, các nhà khoa học, các đồng nghiệp đã có các góp ý quý báu cho Nghiên cứu sinh trong quá trình thực hiện Luận án này. Nghiên cứu sinh bày tỏ lòng biết ơn tới Bố mẹ và gia đình, đã luôn động viên, chia sẻ, ủng hộ và giúp đỡ Nghiên cứu sinh vượt qua khó khăn để hoàn thành Luận án.

Mặc dù đã có nhiều cố gắng trong suốt quá trình nghiên cứu, nhưng nghiên cứu sinh nhận thấy mình vẫn còn thiếu kiến thức và kinh nghiệm thực tiễn, nên luận án không thể tránh khỏi thiếu sót và hạn chế. Nghiên cứu sinh rất mong nhận được ý kiến đóng góp quý báu từ các nhà khoa học để hoàn thành luận án tốt nhất. Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 2 năm 2024 Nghiên cứu sinh Trần Tiến Đạt iii TÓM TẮT Hiện nay, hầu hết các ngành công nghiệp như sản xuất khai thác dầu khí, sản xuất nhựa đường, hóa dầu, các ngành thép, thủy điện, nhiệt điện, việc điều khiển tự động và tối ưu hoá toàn bộ hệ thống là hết sức cần thiết. Đặc biệt với sự phát triển của lý thuyết và công nghệ thông minh giúp con người linh hoạt hơn trong vận hành khai thác các nhà máy, hệ thống tự động, qua đó tăng khả năng làm việc độc lập của các công trình ngoài khơi.

Trong bối cảnh đó, ngành công nghiệp ngoài khơi, hiện nay đang đóng vai trò quan trọng trong kinh tế quốc gia cũng như các nước khác, và từng bước phát triển nhằm tránh phụ thuộc công nghệ nước ngoài. Các nghiên cứu trong nước gần đây, với thành tựu được ra đời từ cụm công trình khoa học và công nghệ cấp Nhà nước "Nghiên cứu thiết kế chi tiết và ứng dụng công nghệ để chế tạo, lắp ráp và hạ thủy giàn khoan tự nâng ở độ sâu 90m nước phù hợp với điều kiện Việt Nam", theo đánh giá của Hội đồng chuyên ngành cấp nhà nước, là công trình có giá trị rất cao về công nghệ, được ứng dụng thành công và có hiệu quả trong các công trình trọng điểm quốc gia. Các đề tài này tập trung công nghệ để chế tạo, lắp ráp và hạ thủy giàn khoan tự nâng ở độ sâu 90m, các công nghệ về điều khiển hoàn toàn sử dụng nước ngoài. Thực tế khi khảo sát các thế hệ giàn khoan tự nâng (Jack-up Rig – JuR), các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước, phân tích tình hình ứng dụng công nghệ và học thuật liên quan, cho thấy các nghiên cứu về hệ thống tự động phục vụ giàn khoan đang được phát triển theo xu thế sử dụng trí tuệ nhân tạo trong tối ưu hóa 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 “Phân tích, đánh giá và đề xuất giải pháp tối ưu cân bằng giàn khoan tự nâng” nhằm giải quyết các luận điểm có nội dung như sau: a) Phân tích, tổng hợp cấu tạo, chức năng của các hệ thống điện – cơ trên JuR, đi sâu phân tích chuyển động và mô hình toán học của hệ thống nâng hạ (Jacking system - JS), và nhận dạng các yếu tố gây sai số và ảnh hưởng đến quá trình nâng hạ giàn trong quá trình điều khiển, đặc biệt xem xét tới ảnh hưởng của tác động nhiễu môi trường, sai số cơ khí, sai số thủy động học cùng với các ảnh hưởng không mong muốn khác; b) Bằng cách phân tích toán học các yếu tố ảnh hưởng không mong muốn trong quá trình nâng hạ, Luận án đề xuất các giải pháp tăng chất lượng, tính ổn định, sự an toàn, tiết kiệm năng lượng cho hệ thống bằng khảo sát với phương pháp điều khiển vi tích phân tỉ lệ iv (Proportional integral derivative - PID) và mờ PID (Fuzzy PID); c) Dựa trên lô-gic mờ (Fuzzy logic), bộ điều khiển mờ tối ưu bầy đàn (Fuzzy Particle swarm optimization - FPSO) đề xuất giải pháp điều khiển có cấu trúc linh hoạt và các giá trị tham số của hàm mờ được tối ưu hóa để không những thích nghi được sai số, tối ưu hóa cấu trúc điều khiển mà còn đảm bảo tính ổn định bền vững cho hệ thống nâng hạ trong các chế độ làm việc. Mục tiêu tối ưu năng lượng được cải tiến trên nền bộ FPSO bằng cách phát triển thêm hàm mục tiêu mới cho quá trình tối ưu hóa cũng được trình bày trong nội dung này. d) Cuối cùng, luận án đề xuất giải thuật mờ tự thích nghi dựa trên thuật toán tối ưu bầy đàn PSO (PSO-SAFC). Kết quả là, SAFC thông qua tiêu chuẩn ổn định Lyapunov luôn duy trì sự ổn định trong các điều kiện giả định, và do đó, điều khiển mờ tự thích nghi PSO-SAFC được coi là đáp ứng tốt nhất với sai số và nhiễu không xác định trong quá trình hệ thống làm việc.

Để thực hiện các mục tiêu trên, đầu tiên luận án tiến hành phân tích tổng quan các giải pháp xử lý sai số cơ khí, động học, ảnh hưởng của môi trường và các kỹ thuật hiện đại trong quá trình nâng hạ giàn khoan. Từ đó, xác định được các khó khăn trong nghiên cứu đối tượng này chủ yếu gây bởi các yếu tố tác động không mong muốn đến giàn, cơ bản bao gồm: sóng, gió, dòng chảy, các sai số mô hình và sai lệch tham số là các nguyên nhân chính gây ra sự mất ổn định cho JS. Hơn nữa, bên cạnh việc giải quyết trực tiếp các yếu tố nêu trên, luận án xác định phương án xử lý mềm cho phép hệ thống thích nghi với mọi sự ảnh hưởng không mong muốn trong quá trình hoạt động, và logic mờ được lựa chọn như một giải pháp tốt trong hướng nghiên cứu của luận án. Bằng cách thử nghiệm giải thuật PID và PID mờ, bước đầu luận án khảo sát hệ thống với kết quả mô phỏng cho thấy đáp ứng được nhưng chưa đạt chất lượng cao, đặc biệt khả năng thích nghi còn thấp.

Tiếp theo, thông qua phân tích mô hình hóa chuyển động của hệ nâng hạ, luận án xây dựng bài toán tối ưu hóa cấu trúc điều khiển mờ cho JS 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 một hàm mục tiêu nhằm tiết kiệm năng lượng trong mô hình mờ dựa trên tối ưu bầy đàn (FPSO) nâng cao, các kết quả mô phỏng cho thấy tính khả quan và là tiền đề để phát triển giải thuật trọng tâm của luận án ở phần tiếp theo. Cuối cùng, nhằm giúp hệ thống gia tăng sự ổn định và tự thích nghi trong quá trình điều khiển, luận án đề xuất và phát triển giải pháp toàn diện hơn với mô hình mờ tự thích nghi dựa trên v thuật toán tối ưu bầy đàn. Trong đó, về mặt lý thuyết, bộ điều khiển đề xuất với các ràng buộc được chứng minh ổn định tiệm cận với tiêu chuẩn Lyapunov.

Sau khi thiết lập giải thuật, kiểm nghiệm bằng mô phỏng Matlab, kết quả cho thấy đáp ứng của hệ thống đảm bảo tính ổn định, chất lượng tốt 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 thuộc đề tài cấp Bộ giao thông vận tải, một dạng giàn khoan tự nâng với hệ thống truyền động 3 chân). Trung tâm điều khiển được lập trình nhúng trên Matlab thông qua vi xử lý STM32F746NG. Bộ xử lý trung tâm nhận giá trị vị trí và hướng di chuyển của thân giàn khoan, đọc vị trí và hướng thực tế, căn cứ đưa ra lệnh điều khiển hệ thống điện –cơ đưa thân giàn đến điểm đặt.

Kết quả thử nghiệm bước đầu thành công với giải thuật mờ PID và FPSO. Cuối cùng, tốc độ xử lý của STM32F746NG chính là một nhược điểm khi hệ thống chạy cùng lúc nhiều giải thuật tốn thời gian xử lý như PSO và Fuzzy, giải thuật nhúng để khảo sát trên các vi xử lý tốc độ cao hơn để đánh giá và đây cũng là một trong các hướng phát triển của Luận án. Từ khóa – Giàn khoan tự nâng, sai số cơ khí, tiết kiệm năng lượng, tối ưu bầy đàn, logic mờ, kỹ thuật điều khiển, cơ khí chính xác, khuếch đại động học. vi ABSTRACT Currently, the automatic control and optimization of the comprehensive system are essential in the majority of sectors, including oil and gas production and exploitation, asphalt manufacture, petrochemicals, steel industries, hydroelectricity, and thermal power.