BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
VÕ HỒNG HẢI
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN
PID THÍCH NGHI DỰA TRÊN MẠNG NƠ-RON
NHÂN TẠO CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
TÀU THỦY
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HẢI PHÒNG - 2020
BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
VÕ HỒNG HẢI
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN
PID THÍCH NGHI DỰA TRÊN MẠNG NƠ-RON
NHÂN TẠO CHO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
TÀU THỦY
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC HÀNG HẢI
MÃ SỐ: 9840106
Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Phạm Kỳ Quang
2. PGS. TS. Nguyễn Phùng Hưng
HẢI PHÒNG – 2020
i
MỤC LỤC
MỤC LỤC ........................................................................................................ i
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................... iv
LỜI CÁM ƠN ..................................................................................................v
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ................................. vi
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ......................................................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................. x
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án .............................................................. .1
2. Mục đích nghiên cứu ................................................................................... 3
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. ............................................................. 3
4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................ 3
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .................................................................... 4
6. Những điểm đóng góp mới ......................................................................... 5
7. Kết cấu của luận án ..................................................................................... 6
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ MẠNG NƠ-
RON NHÂN TẠO TRONG ĐIỀU KHIỂN ........................... 8
1.1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu của luận án ........................................... 8
1.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới liên quan đến luận án .......... 8
1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước liên quan đến luận án .......... 11
1.2. Mạng nơ-ron nhân tạo trong điều khiển ............................................. 12
1.2.1. Cấu trúc mạng nơ-ron nhân tạo ................................................ 12
1.2.2. Nhận dạng hệ thống sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo ............... 18
1.2.3. Phương pháp ứng dụng mạng nơ-ron trong điều khiển ........... 20
1.3. Nghiên cứu một số bộ điều khiển PID nơ-ron cho hệ thống điều khiển
hướng đi tàu thủy ......................................................................................... 21
1.3.1. Bộ điều khiển PID dựa trên mạng nơ-ron lan truyền ngược cho
điều khiển hướng đi tàu thủy .............................................................. 21
ii
1.3.2. Bộ điều khiển PID dựa trên mạng nơ-ron hàm cơ sở xuyên tâm
cho điều khiển hướng đi tàu thủy........................................................ 26
1.4. Cơ sở lý thuyết về các hệ tọa độ và và động học tàu thủy .................. 29
1.4.1. Các hệ trục tọa độ tham chiếu .................................................. 29
1.4.2. Phương trình động học của con tàu ......................................... 34
1.4.3. Phương trình động lực học của vật rắn ..................................... 36
1.4.4. Phương trình động lực học của con tàu .................................... 38
1.4.5. Thủy động lực học .................................................................... 39
1.4.6. Lực phục hồi ............................................................................. 41
1.4.7. Trọng lực thêm vào ................................................................... 42
1.5. Kết luận chương 1 ................................................................................. 42
CHƯƠNG 2. BỘ ĐIỀU KHIỂN PID NƠ-RON THÍCH NGHI DỰA
TRÊN MẠNG NƠ-RON LAN TRUYỀN NGƯỢC CHO
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HƯỚNG ĐI TÀU THỦY .... 44
2.1. Bộ điều khiển PID nơ-ron dựa trên mạng nơ-ron lan truyền ngược
không có bộ nhận dạng cho hệ thống điều khiển hướng đi tàu thủy ....... 44
2.1.1. Sơ đồ nguyên lý ......................................................................... 44
2.1.2. Thuật toán điều khiển PID ......................................................... 63
2.1.3. Thuật toán điều khiển mạng nơ-ron lan truyền ngược .............. 45
2.1.4. Huấn luyện lan truyền ngược tăng cường ................................. 49
2.1.5. Sơ đồ thuật toán huấn luyện ...................................................... 50
2.2. Bộ điều khiển PID nơ-ron dựa trên mạng nơ-ron lan truyền ngược
có bộ nhận dạng cho hệ thống điều khiển hướng đi tàu thủy .......... 51
2.2.1. Sơ đồ nguyên lý ....................................................................... 51
2.2.2. Mạng nhận dạng nơ-ron ............................................................ 52
2.3. Kết luận chương 2 ................................................................................. 55
iii
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ...................................................... 57
3.1. Mô hình toán học cho mô phỏng ......................................................... 57
3.1.1. Mô hình toán học tàu hàng Mariner ......................................... 57
3.1.2. Mô hình toán học sóng, gió và dòng chảy ............................... 58
3.2. Bộ điều khiển PID nơ-ron dựa trên mạng lan truyền ngược không có
bộ nhận dạng nơ-ron ..................................................................................... 65
3.2.1. Khi không có gió và nhiễu tác động ......................................... 65
3.2.2. Khi có gió và nhiễu tác động .................................................... 67
3.3. Bộ điều khiển PID nơ-ron dựa trên mạng lan truyền ngược có bộ
nhận dạng nơ-ron .......................................................................................... 70
3.3.1. Khi không có gió và nhiễu tác động ......................................... 70
3.3.2. Khi có gió và nhiễu tác động .................................................... 73
3.4. Kết luận chương 3 ................................................................................. 76
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ............................................... 77
4.1. Điều kiện thực nghiệm ........................................................................... 77
4.2. Kết quả thực nghiệm .............................................................................. 79
4.3. Kết luận chương 4 ................................................................................. 84
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 86
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 86
KIẾN NGHỊ .................................................................................................... 87
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN
QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI LUẬN ÁN .................................................................. 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 90
PHẦN PHỤ LỤC (Gồm 3 phụ lục)