Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Phân tích, đánh giá và đề xuất giải pháp tối ưu cân bằng giàn khoan tự nâng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:188

Thêm vào BST

Báo xấu

6
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực "Phân tích, đánh giá và đề xuất giải pháp tối ưu cân bằng giàn khoan tự nâng" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về giàn khoan tự nâng; Phân tích các yếu tố ảnh hưởng quá trình nâng hạ giàn khoan tự nâng; Giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng của sai số và nhiễu trong quá trình ổn định và nâng hạ giàn khoan; Điều khiển cân bằng giàn khoan tự nâng dựa trên giải thuật tối ưu bầy đàn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Phân tích, đánh giá và đề xuất 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. TS. LÊ VĂN VANG PGS. TS. 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. TS. Lê Văn Vang và PGS. TS. 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. TS. 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. The ability to operate independently of off-shore work has increased, especially with the development of intelligence theory and technology, which has helped individuals be more flexible in running and utilizing factories and automation systems. In that light, the offshore sector, which is extremely important to the national economy as well as the economies of other nations, is progressively growing to reduce reliance on overseas technology. According to the assessment of the Specialized Council, recent domestic studies with scientific and technological achievements born from the state- level Science and Technology project cluster "Researching detailed design and manufacture, assembly and launch technology of jackup rig under 90m water in accordance with the conditions of Vietnam" have very high value in terms of science and technology successfully and effectively applied in national key projects. It is possible to view the studies on the automated process supporting the rig by investigating various jack-up rig generations, local and international research projects, analyzing the application of associated technologies, and academics. Drilling is being developed following the current trend of applying artificial intelligence in optimization to guarantee safety, save energy, increase accuracy, and guarantee system stability. The thesis then states the research question, "Analyzing, assessing and proposing optimized solutions for balancing the jack-up rig" to address the issues listed below: a) Analyze and synthesize the motion and mathematical model of the JS, as well as the structure and operation of the electromechanical systems on the jack-up rig, and pinpoint the errors-causing variables that influence the lifting and lowering process during the control process, particularly taking into account the influence of environmental disturbance, mechanical error, and hydrodynamic error, as with other undesirable effects; b) By mathematical analysis of undesirable affecting factors in the lifting and lowering process, the thesis creates recommendations for improving quality, stability, safety, and energy savings for the system through a fuzzy PID and PID control techniques to survey; c) The fuzzy controller PSO (FPSO), which is based on fuzzy
vii logic, offers a control solution with a flexible structure and optimized parameter values of the fuzzy function to not only adapt to errors, optimize the control structure, but also ensure sustainable stability for the lifting system in operating modes. This material also includes an enhanced energy optimization objective based on the FPSO suite that was created by developing a new objective function for the optimization process. The thesis examines methods for handling mechanical faults, kinematics, environmental factors, and recent approaches in lifting and lowering the rig to achieve the aforementioned goals. Then, it was determined that the challenges in studying this item were mostly brought on by elements that had negative impacts on the rig, including waves, wind, currents, and model flaws. The primary reasons for the lifting system's instability are parameter variation, and in addition to explicitly addressing the concerns, the thesis determines fuzzy logic as a soft handling option that enables the system to adjust to any undesired effects during operation and chosen as a feasible prospect in the thesis's study direction. The system was evaluated by using the fuzzy PID and PID algorithms, and simulation results indicated that the system was receptive but not of high quality, particularly the adaptability remained inadequate. The thesis then implements the issue of optimizing the fuzzy control structure for the JS with the particle swarm optimization algorithm (PSO), expanding the study in operational conditions, and gathering results by simulation has demonstrated its effectiveness. In keeping with this line of research, the thesis suggests an objective function for energy conservation in the advanced FPSO model. The satisfactory simulation findings serve as a basis for the development of the FPSO's fundamental algorithm in the next section. The thesis proposes and develops a more complete solution using a self-adaptive fuzzy model based on the swarm optimization algorithm to support the system in increasing stability and self-adaptation in the control process. Theoretically, the proposed controller with established constraints is stable in regards to the Lyapunov criteria as an asymptotic outcome. The results of algorithm testing on a Matlab simulation demonstrate that the system's reaction generally guarantees stability and excellent quality under a variety of weather situations. The thesis goes on to develop a physical model (based on the experiment model under the Ministry of Transport's project, a kind of jack-up rig) concerning the
viii experiment to test the theory and the application of the proposed algorithm in practice by selecting STM32F746NG microprocessor-based embedded control system for Matlab. The central processor receives the rig body's position value and movement direction, reads the actual position and direction, and then sends orders to command the electromechanical system to move the rig body to the designated location. The fuzzy PID and FPSO algorithms showed promising preferably results. Last but not least, the STM32F746NG's processing speed is a weakness when the system employs several time-consuming algorithms like PSO and Fuzzy, which must be integrated to conduct a study on other faster processors for evaluation, and this is also one of the thesis's development directions. Keywords – Jack-up Rig, mechanical error, energy saving, particle swarm optimization, fuzzy logic, control engineering, precision mechanics, dynamic amplification factor.
ix MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i LỜI CÁM ƠN................................................................................................................. ii TÓM TẮT...................................................................................................................... iii ABSTRACT ...................................................................................................................vi MỤC LỤC ......................................................................................................................ix DANH MỤC HÌNH VẼ .............................................................................................. xiii DANH MỤC BẢNG ....................................................................................................xvi DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .......................................................... xvii DANH MỤC CÁC HÀM VÀ BIẾN SỐ................................................................... xviii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài...........................................................................................1 2. Mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu ....................................2 2.1. Mục tiêu nghiên cứu .............................................................................................3 2.2. Đối tượng nghiên cứu ...........................................................................................3 2.3. Phạm vi nghiên cứu ..............................................................................................3 2.4. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................4 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .................................................................................4 4. Đóng góp mới của luận án...................................................,...................................5 5. Bố cục luận án .........................................................................................................5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ GIÀN KHOAN TỰ NÂNG ......................................6 1.1. Tổng quan về giàn khoan .....................................................................................6 1.2. Các hệ thống thường dùng trong nâng hạ giàn khoan........................................13 1.2.1. Mô tả hoạt động của giàn ............................................................................13 1.2.2. Hệ thống nâng hạ giàn khoan sử dụng cơ khí .............................................17 1.2.3. Hệ thống nâng hạ giàn khoan sử dụng thủy lực ..........................................20 1.3. Mô tả toán học tổng quát cho hệ thống nâng hạ giàn khoan ..............................20 1.3.1. Kết cấu thân giàn .........................................................................................20 1.3.2. Kết cấu chân và đế chống lún......................................................................22 1.3.3. Kết cấu Công xôn ........................................................................................25 1.3.4. Hệ phương trình toán học tổng quát chuyển động theo 3 trục của hệ thống nâng hạ...................................................................................................................26
x 1.4. Mô hình toán chuyển động nâng - hạ rút gọn của JuR .......................................30 1.5. Đặc điểm của hệ thống nâng hạ trong quá trình làm việc ..................................33 1.6. Kết luận chương 1 ..............................................................................................34 CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG QUÁ TRÌNH NÂNG HẠ .......................................................................................................................................35 2.1. Tải tác động lên giàn khoan................................................................................35 2.1.1. Tải cố định ................................................................................................... 35 2.1.2. Tải động ....................................................................................................... 36 2.1.3. Tải lắp đặt .................................................................................................... 36 2.1.4. Tổ hợp tải trọng ........................................................................................... 36 2.2. Tải môi trường ....................................................................................................37 2.2.1. Tải trọng gió: ............................................................................................... 39 2.2.2. Tải trọng sóng .............................................................................................. 40 2.2.3. Dòng chảy .................................................................................................... 42 2.2.4. Hiệu ứng khuếch đại thủy động học ............................................................ 42 2.2.5. Tải động đất ................................................................................................. 43 2.2.6. Đặc điểm môi trường tại vùng biển Đông của Việt Nam ........................... 44 2.3. Phân tích sai số cơ khí ........................................................................................47 2.3.1. Sai lệch hình học bánh răng trong hệ truyền động ...................................... 49 2.3.2. Sai lệch lắp ráp ổ trục .................................................................................. 51 2.3.3. Sai lệch do ăn mòn điện hóa ........................................................................ 52 2.4. Giải pháp xử lý sai số và sự thay đổi tải bất định ..............................................53 2.5. Tổng kết chương 2 ..............................................................................................53 CHƯƠNG 3. GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU ẢNH HƯỞNG CỦA SAI SỐ VÀ NHIỄU TRONG QUÁ TRÌNH ỔN ĐỊNH VÀ NÂNG HẠ GIÀN KHOAN ............................55 3.1. Tổng quan trang bị điện –cơ và các hệ thống phục vụ cho giàn khoan tự nâng 55 3.2. Tổng quan các nghiên cứu gần đây về quá trình nâng hạ và cơ cấu phục vụ ....58 3.3. Phân tích xu hướng nghiên cứu ứng dụng lô-gíc mờ cho hệ thống nâng hạ JuR ...................................................................................................................................60 3.3.1. Tổng quan về lô-gíc mờ ứng dụng trong hệ thống nâng hạ siêu trọng ....... 60 3.3.2. Lý thuyết mờ - mờ lai .................................................................................. 60 3.4. Ứng dụng lô-gíc mờ nhằm tăng khả năng thích nghi với ảnh hưởng của sai số 62 3.4.1. Thiết kế bộ điều khiển PID.......................................................................... 64
xi 3.4.2. Tối ưu tham số PID bằng logic mờ ............................................................. 64 3.5. Mô phỏng – đánh giá giải pháp ..........................................................................66 3.5.1. Các thông số mô phỏng ............................................................................... 66 3.5.2. Mô phỏng hệ thống trong trường hợp lý tưởng ........................................... 67 3.5.3. Mô phỏng hệ thống trong trường hợp có nhiễu tác động ............................ 68 3.5.4. Mô phỏng hệ thống trong trường hợp có ảnh hưởng của sai số cơ khí ....... 69 3.5.5 Tổng hợp kết quả mô phỏng với các điều kiện làm việc khác nhau ............ 70 3.6. Tổng kết chương 3 ..............................................................................................70 CHƯƠNG 4. ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG GIÀN KHOAN TỰ NÂNG DỰA TRÊN GIẢI THUẬT MỜ TỐI ƯU BẦY ĐÀN (F-PSO) ........................................................71 4.1. Phân tích xu hướng nghiên cứu ..........................................................................71 4.2. Khuếch đại động học trong phương trình chuyển động của JuR .......................74 4.3 Tổng quan giải thuật tối ưu bầy đàn PSO............................................................76 4.4. Tối ưu hóa hàm mờ bằng giải thuật FPSO .........................................................78 4.4.1 Bài toán tối ưu cân bằng giàn khoan bằng giải thuật FPSO ......................... 78 4.4.2 Mô phỏng – đánh giá kết quả ....................................................................... 81 4.5. Giải thuật mờ tự thích nghi dựa trên thuật toán tối ưu bầy đàn PSO -SAFC .....84 4.5.1 Các giả thiết, ràng buộc và giới hạn của bài toán ......................................... 84 4.5.2. Triển khai giải thuật mờ tự thích nghi dựa trên thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO-SAFC) với các giả thuyết và ràng buộc....................................................... 86 4.5.3. Mô phỏng..................................................................................................... 89 4.6. Tổng kết chương 4 ..............................................................................................93 CHƯƠNG 5. MÔ HÌNH VÀ THỰC NGHIỆM ...........................................................94 5.1. Đề xuất mô hình tổng thể hệ thống nâng hạ giàn khoan ....................................94 5.2. Tính toán thiết kế cơ khí .....................................................................................95 5.2.1. Thiết kế chân giàn ....................................................................................... 96 5.2.2. Thiết kế thân giàn ........................................................................................ 97 5.2.3. Thiết kế thanh răng-bánh răng..................................................................... 98 5.3. Tính toán hệ thống truyền động điện ................................................................100 5.3.1. Lựa chọn động cơ dẫn động ...................................................................... 100 5.3.2. Thiết kế mạch điều khiển động cơ ............................................................ 100 5.4. Thiết kế hệ thống điều khiển nhúng trên Matlab sử dụng bộ xử lý trung tâm STM32F746NG .......................................................................................................101
xii 5.4.1. Tính toán lựa chọn thiết bị phần cứng cho hệ thống điện ......................... 101 5.4.2. Kết nối hệ thống điện ................................................................................ 107 5.5. Viết chương trình giao tiếp truyền dữ liệu giữa phần mềm và hệ thống điện ..108 5.5.1. Chương trình thời gian thực trên phần mềm Matlab simulink .................. 108 5.5.2. Nguyên lý lập trình giao tiếp dữ liệu giữa Card STM32F746NG với các khối thu thập số liệu và điều khiển hệ thống ............................................................... 109 5.6. Chương trình giao tiếp nhận dữ liệu giữa cảm biến và card vi xử lý ...............110 5.6.1. Chương trình thu nhận dữ liệu cảm biến IMU MPU6050 ........................ 110 5.6.2. Chương trình thu nhận dữ liệu cảm biến vị trí giàn khoan ....................... 111 5.7. Viết chương trình giao tiếp truyền dữ liệu giữa card và mô hình ....................112 5.7.1. Chương trình giao tiếp điều khiển động cơ DC ........................................ 112 5.7.2. Chương trình giao tiếp truyền dữ liệu nối tiếp .......................................... 113 5.8. Thử nghiệm xác định các chế độ hoạt động giả lập trong các điều kiện làm việc .................................................................................................................................113 5.9. Đánh giá và kết luận ........................................................................................119 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT ..............................................121 CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ĐÃ CÔNG BỐ................................................123 A. Tạp chí và Hội nghị quốc tế................................................................................123 B. Tạp chí và Hội nghị trong nước ..........................................................................123 C. Đề tài khoa học cấp bộ ........................................................................................123 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................125 PHỤ LỤC ....................................................................................................................137 1. Xây dựng mô hình thực nghiệm ..........................................................................137 1.1. Xây dựng mô phỏng mô hình giàn khoan .................................................... 137 1.2. Quá trình gia công kết cấu mô hình giàn khoan ........................................... 160 2. Thông số các giàn khoan dùng trong mô phỏng .................................................162 2.1. Mô hình giàn khoan Tamdao03.................................................................... 162 2.2. Mô hình giàn khoan Tamdao05.................................................................... 162 3. Giấy chứng nhận hoàn thành đề tài cấp Bộ DT214019 ......................................163
xiii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các loại giàn khoan và độ sâu nước hoạt động [22] ........................................7 Hình 1.2 Giàn khoan tự nâng.........................................................................................11 Hình 1.3 Giàn khoan tự nâng Tam đảo 03 ....................................................................12 Hình 1.4 Giàn khoan tự nâng Tam đảo 05 đóng tại Việt Nam thiết kế theo mẫu JU- 2000E của hãng Friede & Goldman ..............................................................................13 Hình 1.5 Bố trí chung trên giàn khoan tự nâng .............................................................14 Hình 1.6 Hoạt động hạ chân của giàn khoan khi đến vị trí xác định [22].....................16 Hình 1.7 Hệ thống thanh răng-bánh răng sử dụng cho giàn khoan tự nâng..................18 Hình 1.8 Bố trí của hai hệ truyền động chính (GustoMSC jacking unit) [55] ..............19 Hình 1.9 Nâng hạ giàn sử dụng hệ thống thủy lực ........................................................20 Hình 1.10 Các phần chính của giàn khoan tự nâng .......................................................21 Hình 1.11 Chân chữ A và chân độc lập [55] .................................................................22 Hình 1.12 Các loại chân giàn khoan tự nâng [41] .........................................................24 Hình 1.13 Mô tả hình dáng Đế chống lún [58] .............................................................25 Hình 1.14 Giàn tự nâng kiểu công xôn [60] ..................................................................25 Hình 1.15 Lực tương tác (và mômen) giữa ba chân với thân giàn được biểu diễn bằng các vectơ lực [56] ..........................................................................................................28 Hình 1.16 Mô tả chuyển động của giàn theo các phương .............................................31 Hình 1.17 Sơ đồ tổng thể hệ thống điều khiển nâng hạ tính cả các thành phần nhiễu ngoại vi ..........................................................................................................................31 Hình 2.1 Cấu hình điển hình của tải trọng do sóng và dòng chảy gây ra [65]. .............37 Hình 2.2 Trường sóng-dòng chảy ở vị trí lắp đặt giàn khoan .......................................40 Hình 2.3 Phân bố gió tháng 1, 4, 7, 10 [78] ..................................................................44 Hình 2.4 Dòng chảy tháng 1, 4, 7, 10 [78] ....................................................................45 Hình 2.5 Hệ thống nâng hạ điển hình của giàn khoan tự nâng .....................................47 Hình 3.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển mờ (FLC-Fuzzy logic Control) .......................61 Hình 3.2 Các khối của bộ điều khiển mờ ......................................................................62 Hình 3.3 Sơ đồ mô tả động học giàn khoan tự nâng .....................................................63 Hình 3.4 Mô phỏng quá trình nâng hạ giàn với bộ điều khiển PID ..............................64 Hình 3.5 Thiết kế bộ Fuzzy trong Matlab simulink ......................................................65 Hình 3.6 Hàm thành viên của bộ điều khiển Fuzzy -PID.............................................65
xiv Hình 3.7 Bộ điều khiển fuzzy-PID so sánh với PID cho hệ thống khi chưa có nhiễu tác động ............................................................................................................................... 67 Hình 3.8 Kết quả mô phỏng hệ thống khi chưa có nhiễu tác động ............................... 68 Hình 3.9 Bộ điều khiển fuzzy-PID so sánh với PID cho hệ thống có nhiễu tác động .. 68 Hình 3.10 Kết quả mô phỏng hệ thống khi có nhiễu tác động ...................................... 69 Hình 3.11 Kết quả mô phỏng hệ thống khi có ảnh hưởng của sai số cơ khí ................. 69 Hình 4.1 Mô hình thiết kế 3D giàn khoan tự nâng ........................................................ 75 Hình 4.2 Sự cập nhật lại vị trí cá thể theo PSO ............................................................. 76 Hình 4.3 Lưu đồ hoạt động thuật toán tối ưu bầy đàn ................................................... 77 Hình 4.4 Cấu trúc bộ điều khiển FPSO cho hệ thống nâng hạ ...................................... 78 Hình 4.5 Các MF mờ được hiệu chỉnh tối ưu bằng thuật toán PSO ............................. 79 Hình 4.6 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển FPSO và FPID cho mô hình giàn khoan ...... 81 Hình 4.7 Vị trí thực tế, lực điều khiển và lực môi trường trong trạng thái biển cấp 1 .. 82 Hình 4.8 Vị trí thực tế, lực điều khiển và lực môi trường trong trạng thái biển cấp 3 .. 83 Hình 4.9 Cấu trúc giải thuật đề xuất PSO – SAFC ....................................................... 86 Hình 4.10 Hiệu suất hội tụ của PSO-SAFC .................................................................. 90 Hình 4.11 Kết quả điều khiển trường hợp 1 của hai bộ điều khiển. (a) Vị trí thực tế của giàn khoan. (b) Lực điều khiển FPID [92] và PSO-SAFC. (c) Tổng lực từ môi trường. ....................................................................................................................................... 91 Hình 4.12 Kết quả điều khiển trường hợp 2 của hai bộ điều khiển. (a) Vị trí thực tế của giàn khoan. (b) Lực điều khiển FPID [92] và lực điều khiển PSO-SAFC. (c) Tổng lực từ môi trường. ................................................................................................................ 92 Hình 5.1 Thiết kế mô hình tổng thể giàn khoan tự nâng ............................................... 94 Hình 5.2 Tổng thể mô hình giàn khoan tự nâng UT-JuR 01 ......................................... 95 Hình 5.3 Kích thước chi tiết chân mô hình giàn khoan ................................................. 96 Hình 5.4 Kết cấu 3 chân mô hình giàn khoan và định vị trí lắp ghép ........................... 97 Hình 5.5 Kết cấu mô hình thân giàn khoan ................................................................... 97 Hình 5.6 Hệ truyền động thanh răng-bánh răng ............................................................ 98 Hình 5.7 Động cơ DC sử dụng để nâng hạ giàn khoan ............................................... 100 Hình 5.8 Mạch cầu H-HI216 điều khiển động cơ DC ................................................. 101 Hình 5.9 Tổng quan về giao thức giao tiếp Phần mềm – Card – Cảm biến – Mô hình ..................................................................................................................................... 102 Hình 5.10 Mô đun truyền dữ liệu ESP32-Devkit ........................................................ 103 Hình 5.11. Bộ xử lý trung tâm STM32F746NG-DISCO ............................................ 104
xv Hình 5.12 Thư viện Target Support Package cho STM32F746NG ............................ 105 Hình 5.13 Mạch nguyên lý cảm biến IMU MPU6050 ................................................ 105 Hình 5.14 Cấu tạo biến trở trượt và biến trở xoay vòng ............................................. 106 Hình 5.15 Sơ đồ bố trí hệ thống điện điều khiển mô hình giàn khoan tự nâng........... 107 Hình 5.16 Quan hệ giữa MATLAB, CCS và STM (STM32F746NG) ....................... 108 Hình 5.17 Sơ đồ nguyên lý mạch điện điều khiển giàn khoan tự nâng ....................... 109 Hình 5.18 Sơ đồ giao tiếp của mô đun MPU6050 với STM32F746NG ..................... 111 Hình 5.19 Sơ đồ khối cảm biến đo vị trí dịch chuyển của giàn khoan ........................ 111 Hình 5.20 Chuyển đổi tín hiệu từ ADC sang vị trí và vận tốc nâng hạ giàn............... 112 Hình 5.21 Khối điều khiển động cơ DC trên phần mềm Matlab ................................ 112 Hình 5.22 Chuyển đổi tín hiệu điều khiển u sang giá trị xung ePWM ....................... 112 Hình 5.23 Khối truyền dữ liệu nối tiếp........................................................................ 113 Hình 5.24 Khối nhận dữ liệu nối tiếp .......................................................................... 113 Hình 5.25 Cấu trúc tổng thể của mô hình thí nghiệm UT-JuR 01 .............................. 115 Hình 5.26 Bộ điều khiển PSO-SAFC nhúng cho UT-JuR 01 ..................................... 115 Hình 5.27 Kết quả thử nghiệm sử dụng bộ điều khiển nhúng FPID và PSO-SAFC trong trường hợp 1 ....................................................................................................... 116 Hình 5.28 Kết quả thử nghiệm sử dụng bộ điều khiển nhúng FPID và PSO-SAFC trong trường hợp 2 ....................................................................................................... 117
xvi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Phân loại giàn khoan [22] ................................................................................ 9 Bảng 1.2 Phân loại chân và đế chống lún[22] ............................................................... 23 Bảng 2.1 Gió quan trắc theo giờ tại trạm hải văn DK I-7 tháng 1/2016 ....................... 46 Bảng 2.2 So sánh ưu nhược điểm của các phương pháp ............................................... 54 Bảng 3.1 Các hệ thống chính trên giàn khoan tự nâng.................................................. 56 Bảng 3.2 Luật chỉnh định hệ số 𝑲𝑷 .............................................................................. 66 Bảng 3.3 Luật chỉnh định hệ số 𝑲𝑰 ............................................................................... 66 Bảng 3.4 Luật chỉnh định hệ số 𝑲𝑫 .............................................................................. 66 Bảng 3.5 Giá trị của DAF .............................................................................................. 66 Bảng 3.6 Điều kiện sóng gió ......................................................................................... 67 Bảng 3.7 Tổng hợp các điều kiện làm việc ................................................................... 70 Bảng 4.1 Các giá trị tính toán của DAF ........................................................................ 85 Bảng 4.2 Các tham số cài đặt cho giải thuật PSO-SAFC .............................................. 89 Bảng 4.3 So sánh hiệu quả của một số giải pháp cho trường hợp 1.............................. 92 Bảng 4.4 So sánh hiệu quả của một số giải pháp cho trường hợp 2.............................. 93 Bảng 5.1 Thông số hình học của mô hình UT-JuR 01 .................................................. 96 Bảng 5.2 Các thông số hình học của bộ truyền ............................................................. 99 Bảng 5.3 Thông số chính của mô hình UT-JuR 01 ..................................................... 114 Bảng 5.4 Kết quả thực nghiệm tại mô hình ................................................................. 119 Bảng 5.5 Tóm tắt đóng góp và nội dung công việc thực hiện trong luận án............... 120
xvii DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Viết đầy đủ Nghĩa tiếng Việt AFC Adaptive fuzzy control Bộ điều khiển mờ thích ứng DAF Dynamic amplification factor Hệ số khuếch đại thủy động học DP Dynamic positioning Định vị động DPs Dynamic positioning system Hệ thống định vị động GA Genetic algorithm Giải thuật di truyền FC Fuzzy control Điều khiển mờ FEM Finite element method Phương pháp phần tử hữu hạn FPID Fuzzy proportional integral derivative Mờ vi tích phân tỉ lệ FPSO Fuzzy particle swarm optimization Mờ tối ưu bầy đàn ITAE Integral time absolute error Tích phân sai số tuyệt đối JuR Jack-up Rig Giàn khoan tự nâng JS Jacking system Hệ thống nâng hạ KH&CN Khoa học và công nghệ MFs Membership functions Hàm liên thuộc LQR Linear quadratic regulator Bộ điều khiển bậc hai tuyến tính PSO Particle swarm optimization Giải thuật tối ưu bầy đàn PID Proportional integral derivative Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ Particle swarm optimization- Self Giải thuật mờ tự thích nghi dựa PSO-SAFC adaptive fuzzy controller trên thuật toán tối ưu bầy đàn SAFC Self adaptive fuzzy controller Điều khiển mờ tự thích nghi SDOF Single degree of freedom Hệ thống một bậc tự do RPD Rack phase difference Lệch pha giá đỡ VFD Variable frequency drive Biến tần
xviii DANH MỤC CÁC HÀM VÀ BIẾN SỐ Ký hiệu Mô tả 𝑑𝑥 𝑖𝑗 , 𝑑𝑦 𝑖𝑗 , 𝑑𝑧 𝑖𝑗 , 𝛿𝑥 𝑖𝑗 , 𝛿𝑦 𝑖𝑗 , 𝛿𝑧 𝑖𝑗 Các sai số thứ j của chi tiết thứ i ∆𝑥0𝑖 , ∆𝑦0𝑖 , ∆𝑧0𝑖 , ∆𝜕0𝑖 , ∆𝛽0𝑖 , ∆𝛾0𝑖 Sai số dịch chuyển 𝑚 Mô đun bánh răng 𝑅 Bán kính bánh răng 𝜔𝑛 Vận tốc góc của bánh răng α Góc ăn khớp bánh răng B Bề rộng bánh răng h Chiều cao bánh răng 𝐾 𝐻𝐿 Hệ số tuổi thọ 𝑠𝐻 Hệ số an toàn 𝑁 𝐻𝑂 Số chu kỳ làm việc cơ sở 𝑁 𝐻𝐸 Số chu kỳ làm việc tương đương 𝑚𝐻 Bậc của đường cong mỏi Z Số răng bánh răng 𝜃𝑠 Sai số góc của trục bánh răng 𝜃 𝑗𝑥 , 𝜃 𝑗𝑦 Sai số quay của trục bánh răng quanh trục x, y 𝛥𝑝 𝑘 Sai số góc do sai số bước răng 𝛾1 Góc pha của lắp ráp lệch tâm 𝑟1 , 𝑟2 Các hằng số ngẫu nhiên của quá trình tối ưu hóa PSO 𝑢 𝐹𝑃𝑆𝑂 Đáp ứng bộ điều khiển FPSO 𝑐1 , 𝑐2 Các hệ số gia tốc của quá trình tối ưu hóa PSO 𝑑𝑒(𝑡)/𝑑(𝑡) Vi phân sai số vị trí 𝑒(𝑡) Sai số vị trí 𝑝 𝜆 𝑖 (𝑘) Vị trí hiện tại cá thể của quá trình tối ưu hlóa PSO 𝑣 𝑖 ( 𝑘) Tốc độ hiện tại cá thể của quá trình tối ưu hóa PSO 𝜆 𝑖𝑃𝑏 (𝑘) Vị trí tốt nhất cá thể của quá trình tối ưu hóa PSO 𝐺𝑏 𝜆 (𝑘) Vị trí tốt nhất cả quần thể của quá trình tối ưu hóa PSO 𝜆𝑖 Hệ số hiệu chỉnh tối ưu 𝐹1𝑖 , 𝐹2𝑖 , . . 𝐹 𝑛𝑖 Giá trị các tập mờ của bộ điều khiển MCF 𝑅𝑒 Số lần lặp lại 𝑖𝑡𝑒𝑟 𝑚𝑎𝑥 Giá trị lớn nhất của số lần lặp thuật toán PSO 𝐾 𝑃 , 𝐾𝐼 , 𝐾 𝐷 Độ lợi khâu tỉ lệ, khâu tích phân, khâu vi phân