Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Tổng hợp bộ điều khiển cho hệ thống ổn định tiếp cận cầu cảng kiểu robot song song Gough-Stewart

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:136

Thêm vào BST

Báo xấu

44
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nghiên cứu nhằm xây dựng kết cấu, mô hình điều khiển, nghiên cứu mô phỏng, phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến trạng thái ổn định của phần công tác trong quá trình vận chuyển người, hàng hoá trên biển, sau đó thực hiện tổng hợp các luật điều khiển cho bộ điều khiển ổn định phần công tác. Mời các bạn tham khảo nội dung chi tiết đề tài!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Tổng hợp bộ điều khiển cho hệ thống ổn định tiếp cận cầu cảng kiểu robot song song Gough-Stewart

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ NGUYỄN THÀNH SƠN TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH TIẾP CẬN CẦU CẢNG KIỂU ROBOT SONG SONG GOUGH-STEWART LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2021
i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ NGUYỄN THÀNH SƠN TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH TIẾP CẬN CẦU CẢNG KIỂU ROBOT SONG SONG GOUGH-STEWART Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS Nguyễn Vũ 2. TS Hoàng Quang Chính HÀ NỘI - 2021
ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Vũ và TS Hoàng Quang Chính. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. NGƯỜI CAM ĐOAN Nguyễn Thành Sơn
iii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên NCS xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Vũ, TS Hoàng Quang Chính đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo, tạo điều kiện tốt nhất để NCS hoàn thành luận án này. NCS xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc Viện Khoa học và Công nghệ quân sự/Bộ Quốc phòng, phòng Đào tạo và Viện Tự động hóa kỹ thuật quân sự đã tạo điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành nhiệm vụ và đạt kết quả mong muốn. Xin chân thành cảm ơn Đảng ủy, Thủ trưởng Tổng Cục Kỹ thuật, Viện Kỹ thuật Cơ giới quân sự nơi tôi đang công tác, đã tạo điều kiện để tôi hoàn thành nhiệm vụ. Xin cảm ơn các chuyên gia, các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp đã trực tiếp đóng góp nhiều ý kiến quý báu, giúp tôi vượt qua khó khăn để hoàn thành luận án. Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn tới mọi thành viên trong gia đình, đặc biệt là vợ và bố mẹ, những người đã tạo mọi điều kiện về thời gian, vật chất và hết lòng chăm sóc, động viên về tinh thần để tôi tập trung nghiên cứu hoàn thành luận án. Hà Nội, ngày.....tháng.....năm 2021 Nghiên cứu sinh Nguyễn Thành Sơn
iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................... ii LỜI CẢM ƠN ............................................................................................... iii MỤC LỤC .................................................................................................... iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ....................................................................... vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................... viii DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................ ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ........................................................................ x MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TIẾP CẬN CẦU CẢNG ............ 6 1.1. Tổng quan về hệ thống tiếp cận cầu cảng ................................................ 6 1.1.1. Tiếp cận trực tiếp từ tàu cỡ nhỏ đến tầng thấp của công trình ............... 7 1.1.2. Tiếp cận từ tàu lớn đến tầng giữa của công trình biển ........................... 9 1.1.3. Tiếp cận công trình biển bằng máy bay trực thăng.............................. 11 1.1.4. Giải pháp tiếp cận các công trình trên biển tại Việt Nam .................... 12 1.1.5. Các dạng dao động của tàu trên mặt nước........................................... 12 1.2. Giải pháp cho HTOĐ............................................................................. 14 1.3. Tổng quan về các hệ thống robot song song .......................................... 17 1.3.1. Các công trình nghiên cứu ở Việt Nam ............................................... 17 1.3.2. Các công trình nghiên cứu trên thế giới .............................................. 18 1.4. Kết luận chương 1 ................................................................................. 21 Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN VÀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HTOĐ .......................................................................................................... 22 2.1. Xây dựng mô hình toán cho HTOĐ ....................................................... 22 2.1.1. Mô hình hình học ............................................................................... 22 2.1.2. Mô hình động học ............................................................................... 25 2.1.3. Mô hình động lực học ......................................................................... 27 2.2. Xây dựng mô hình mô phỏng cho HTOĐ .............................................. 33 2.2.1. Mô hình mô phỏng với SimMechanics của MATLAB-SIMULINK ... 33 2.2.2. Mô hình mô phỏng kết hợp MSC ADAMS và MATLAB-SIMULINK ..................................................................................................................... 42 2.2.3. Mô hình mô phỏng HTOĐ.................................................................. 52 2.3. Kết luận chương 2 ................................................................................. 55
v Chương 3. TỔNG HỢP CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN PD TRONG KGCT CHO HTOĐ .......................................................................................................... 57 3.1. Sơ đồ khối chung hệ thống điều khiển ổn định cho HTOĐ .................... 57 3.2. Tổng hợp bộ điều khiển PD trong KGCT .............................................. 60 3.2.1. Luật điều khiển ................................................................................... 60 3.2.2. Mô phỏng và đánh giá ........................................................................ 61 3.3. Tổng hợp bộ điều khiển PD bù lực trong KGCT ................................... 65 3.3.1. Luật điều khiển ................................................................................... 65 3.3.2. Tính ổn định của hệ thống .................................................................. 66 3.3.3. Mô phỏng và đánh giá ........................................................................ 68 3.4. Tổng hợp bộ điều khiển PD tựa gia tốc và bù lực trong KGCT ............. 70 3.4.1. Luật điều khiển ................................................................................... 70 3.4.2. Mô phỏng và đánh giá ........................................................................ 71 3.5. Xác định tham số tối ưu cho bộ điều khiển ............................................ 73 3.5.1. Đặt bài toán tối ưu .............................................................................. 73 3.5.2. Các tiêu chí đánh giá chất lượng điều khiển........................................ 74 3.5.3. Tham số tối ưu bộ điều khiển PD tựa gia tốc và bù lực trong KGCT .. 76 3.6. Kết luận chương 3 ................................................................................. 85 Chương 4. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO HTOĐ ...... 86 4.1. Nguyên lý tổng hợp bộ điều khiển thích nghi ........................................ 86 4.2. Mô phỏng hệ thống điều khiển thích nghi .............................................. 90 4.2.1. Mô phỏng với bộ tham số chưa tối ưu ................................................ 90 4.2.2. Mô phỏng với bộ tham số tối ưu ....................................................... 102 4.3. Kết luận chương 4 ............................................................................... 109 KẾT LUẬN ................................................................................................ 110 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .............. 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 114
vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Pi  Pix ,Piy ,Piz  Tọa độ của điểm nối giữa các chân robot i với bệ di động. Tọa độ của tâm khớp U của từng chân robot i gắn với B i  Bix ,B iy ,Biz  phần đế robot. Ký hiệu trong cặp dấu “< >” chỉ hệ tọa độ H a(j) Phần liên kết phía trước liền kề của liên kết j μj Cho biết liên kết j là khớp chủ động hay bị động σj Cho biết khớp j là khớp tịnh tiến hay khớp quay Góc giữa hai trục tọa độ za(j) và zj xoay xung quanh trục αj tọa độ xa(j) Khoảng cách giữa hai trục tọa độ za(j) và zj dọc theo trục dj tọa độ xa(j) Góc giữa hai trục tọa độ xa(j) và xj xoay xung quanh trục θj tọa độ zj Khoảng cách giữa hai trục tọa độ xa(j) và xj dọc theo trục rj tọa độ zj Vectơ chỉ hướng của đường vuông góc chung giữa hai uij trục tọa độ zi và zj γj Góc giữa trục tọa độ xi và uij xoay quanh zi, trong đó i = a(j) Khoảng cách giữa trục tọa độ xi và uij dọc theo trục zi, bj trong đó i = a(j) Rot(u,t) Ma trận quay một góc t quanh vectơ u Trans(u,d) Ma trận tịnh tiến một khoảng d dọc theo phương của vectơ u i Ma trận biến đổi thuần nhất chuyển từ hệ tọa độ về Tj hệ tọa độ i Pj Vectơ vị trí của điểm Pj biểu diễn trong hệ tọa độ i Ma trận quay chuyển hướng của hệ tọa độ về trùng Rj với hướng của hệ tọa độ q ji Giá trị của biến khớp thứ j của chân thứ i qa Vectơ vị trí của các khớp chấp hành Γrobot Vectơ lực (hoặc momen) của các khớp chấp hành XXj, XYj, XZj, Sáu thành phần cơ bản của ma trận momen quán tính của
vii YZj, YYj, ZZj khâu thứ j, xác định quanh gốc tọa độ Ba thành phần cơ bản của vectơ momen quán tính thứ MXj, MYj, MZj nhất của khâu thứ j, xác định quanh gốc tọa độ Mj khối lượng của khâu thứ j  Vectơ của các góc quay Euler của khâu công tác Ký hiệu một vectơ có dấu mũ để chỉ ma trận tích có hướng của vectơ u 0 Ma trận Jacobian của robot biểu diễn trong hệ tọa độ JP . 0 VP Vectơ vận tốc dài của điểm công tác 0 ωP Vectơ vận tốc góc của điểm công tác 0  X P Vectơ vận tốc không gian của bệ di động tại điểm công tác 0  X Vectơ gia tốc không gian của bệ di động tại điểm công tác P u Chuẩn Euclide (chuẩn 2) của vectơ u
viii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Auto-Disturbance Rejection Bộ điều khiển tự động khử ADRC Controller nhiễu 3 Dimensions Computer-Aided Thiết kế 3D dưới sự trợ giúp 3D CAD Design của máy tính DIDO Double Input/Double Output Hai đầu vào/Hai đầu ra HTOĐ Offshore Access Stabilization System Hệ thống ổn định tiếp cận cầu cảng KGCT Workspace Không gian công tác Phần mềm thực hiện các phép MATLAB Matrix Laboratory toán trên ma trận MIMO Multiple-Input and Multiple-Output Nhiều đầu vào và nhiều đầu ra Momac-Offshore-Transfer- Hệ thống tiếp cận cầu cảng MOTS System MOMAC Phần mềm tự động phân tích MacNeal-Schwendler Corporation MSC động lực học hệ nhiều vật của Automatic Dynamic Analysis of ADAMS tổng công ty MacNeal- Multibody Systems Schwendler OAS Offshore Access System Hệ thống tiếp cận cầu cảng PC Personal Computer Máy tính cá nhân PD Proportional-Derivative Bộ điều khiển vi phân tỷ lệ PID Proportional Integral Derivative Bộ điều khiển vi tích phân tỷ lệ PTS Personnel Transfer Systems Hệ thống vận chuyển người SAFEWAY Safe Way Cầu vận chuyển an toàn SES Surface Effect Ship Tàu hiệu ứng bề mặt SWATH Small Waterplane Area Twin Hull Thủy phi cơ loại nhỏ hai phao W2W WORK TO WORK Cầu tiếp cận cầu cảng
ix DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Thông số chính của một số tàu trung chuyển chuyên dụng ............. 7 Bảng 2.1. Các tham số hình học xác định các hệ tọa độ của chân thứ i ......... 24 Bảng 2.2. Thông số hình học của robot ........................................................ 47 Bảng 2.3. Thông số động lực học của các chân robot và bệ di động ............. 47 Bảng 2.4. Thông số động lực học của các chân robot và phần công tác ........ 54 Bảng 3.1. Kết quả giải bài toán tối ưu xác định tham số cho bộ điều khiển .. 81 Bảng 3.2. Kết quả tính toán các chỉ tiêu đánh giá chất lượng đáp ứng đầu ra của hệ thống ................................................................................................. 82 Bảng 3.3. Tổng hợp giá trị các chỉ tiêu đánh giá mô phỏng hệ thống với các bộ điều khiển PD khác nhau ......................................................................... 84 Bảng 4.1. Tổng hợp giá trị các chỉ tiêu đánh giá mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển thích nghi (Với bộ tham số chưa tối ưu: KP=10000,KD=150) ... 108 Bảng 4.2. Tổng hợp giá trị các chỉ tiêu đánh giá mô phỏng hệ thống với bộ điều khiển thích nghi (Với các bộ tham số tối ưu) ...................................... 109
x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Các phương pháp phổ biến tiếp cận công trình trên biển ................. 6 Hình 1.2. Hệ thống MOTS 500 ...................................................................... 9 Hình 1.3. A-Type Ampelmann .................................................................... 10 Hình 1.4. E-Type Ampelmann..................................................................... 10 Hình 1.5. Tiếp cận công trình trên biển sử dụng máy bay trực thăng ........... 12 Hình 1.6. Hệ tọa độ tàu................................................................................. 13 Hình 1.7. Cấu trúc HTOĐ của Ampelmann .................................................. 15 Hình 1.8. Các bộ phận chính của Ampelmann ............................................. 16 Hình 1.9. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển .................................................... 16 Hình 1.10. Cơ chế hoạt động ........................................................................ 17 Hình 2.1. Hệ tọa độ O0 và OP gắn với phần đế và phần công tác tương ứng . 23 Hình 2.2. Các hệ tọa độ, lực và momen của chân i tác dụng lên bệ di động .. 23 Hình 2.3. Các bước xây dựng thệ thống mô phỏng ....................................... 34 Hình 2.4. Thiết kế 3D của HTOĐ ................................................................. 34 Hình 2.5. Sơ đồ khối của HTOĐ trên nền MATLAB-SIMULINK ............... 35 Hình 2.6. Sơ đồ khối cảm biến ghi lại vị trí tàu, tính toán giá trị đặt cho bộ điều khiển của hệ thống giữ ổn định ............................................................. 36 Hình 2.7. Sơ đồ khối hệ thống tạo dao động tàu. .......................................... 36 Hình 2.8. Sơ đồ khối hệ thống ổn định ......................................................... 37 Hình 2.9. Sơ đồ khối của một chân robot...................................................... 37 Hình 2.10. Bộ điều khiển cho hệ thống ổn định cầu ..................................... 39 Hình 2.11. Cửa sổ giao diện SimMechanics ................................................. 40 Hình 2.12. Dao động của tàu và đáp ứng của hệ thống ổn định về vị trí và hướng – Trường hợp 1 ................................................................................. 40
xi Hình 2.13. Dao động của tàu và đáp ứng của hệ thống ổn định về vị trí và hướng – Trường hợp 2 ................................................................................. 41 Hình 2.14. Phương pháp mô phỏng với MSC ADAMS ................................ 44 Hình 2.15. Mô hình robot Ghough-Stewart xây dựng trong MSC ADAMS . 45 Hình 2.16. Các khối SIMULINK của hệ thống robot được xuất từ MSC ADAMS ....................................................................................................... 46 Hình 2.17. Sơ đồ khối SIMULINK của hệ thống điều khiển vị trí robot trong KGCT sử dụng mô hình toán chính xác........................................................ 48 Hình 2.18. Sơ đồ khối SIMULINK của hệ thống điều khiển vị trí robot trong KGCT sử dụng mô hình xuất ra từ MSC ADAMS ....................................... 48 Hình 2.19. Quỹ đạo mong muốn về vị trí và hướng của điểm công tác ......... 49 Hình 2.20. Lực điều khiển trong hai trường hợp ........................................... 50 Hình 2.21. Sai số về vị trí và hướng trong trường hợp sử dụng mô hình toán chính xác ...................................................................................................... 50 Hình 2.22. Sai số về vị trí và hướng khi sử dụng mô hình MSC ADAMS .... 51 Hình 2.23. Mô hình bố trí HTOĐ trên tàu và vị trí các gốc tọa độ OE, Oo,OP,OC khi ở trạng thái ổn định cân bằng ban đầu ..................................... 52 Hình 2.24. Mô hình 3D của hệ thống ổn định trong MSC ADAMS ............. 53 Hình 2.25. Mô hình mô phỏng HTOĐ trên MATLAB-SIMULINK ............. 54 Hình 2.26. Sơ đồ trao đổi thông tin của mô hình mô phỏng HTOĐ kết hợp giữa MATLAB-SIMULINK và MSC ADAMS............................................ 55 Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ổn định cho HTOĐ...................... 58 Hình 3.2. Quỹ đạo chuyển động dao động của tàu tại điểm trọng tâm C trong hệ tọa độ ............................................................................................. 58 Hình 3.3. Sơ đồ khối HTOĐ với bộ điều khiển PD trong KGCT .................. 61 Hình 3.4. Sơ đồ mô phỏng HTOĐ với bộ điều khiển PD trong KGCT ......... 61 Hình 3.5. Chuyển động dao động của phần đế robot tại điểm B1 .................. 62 Hình 3.6. Sai lệch về vị trí và hướng của điểm công tác P1 so với vị trí cân bằng (K P = 70000 ×16×6 ,K D = 100 ×16×6 ) ..................................................... 63
xii Hình 3.7. Lực điều khiển của khớp chấp hành của các chân robot ................ 64 Hình 3.8. Sai lệch về vị trí và hướng của điểm công tác P1 ........................... 64 Hình 3.9. Lực điều khiển của khớp chấp hành của các chân robot ................ 65 Hình 3.10. Sơ đồ khối HTOĐ với bộ điều khiển PD bù lực trong KGCT ..... 68 Hình 3.11. Sơ đồ mô phỏng HTOĐ với bộ điều khiển PD bù lực trong KGCT ..................................................................................................................... 68 Hình 3.12. Sai lệch về vị trí và hướng của điểm công tác ............................. 69 Hình 3.13. Lực điều khiển của các khớp chấp hành ...................................... 70 Hình 3.14. Sơ đồ khối HTOĐ với bộ điều khiển PD tựa gia tốc và bù lực trong KGCT ................................................................................................. 71 Hình 3.15. Sơ đồ mô phỏng HTOĐ với bộ điều khiển tựa gia tốc và bù lực trong KGCT ................................................................................................. 71 Hình 3.16. Sai lệch về vị trí và hướng của điểm công tác ............................. 72 Hình 3.17. Lực điều khiển của các khớp chấp hành ...................................... 72 Hình 3.18. Các mặt phẳng đáp ứng của các tiêu chí đánh giá chất lượng sai lệch đầu ra của hệ thống ............................................................................... 79 Hình 3.19. Các đường chiếu đáp ứng của các tiêu chí đánh giá chất lượng sai lệch đầu ra của hệ thống trên mặt phẳng tham số.......................................... 80 Hình 3.20. Sai lệch về vị trí và hướng của điểm công tác ............................. 83 Hình 3.21. Lực điều khiển của các khớp chấp hành ...................................... 83 Hình 4.1. Sơ đồ khối HTOĐ với bộ điều khiển thích nghi ............................ 89 Hình 4.2. Sơ đồ mô phỏng HTOĐ với bộ điều khiển thích nghi ................... 90 Hình 4.3. Sai lệch vị trí và hướng của điểm công tác .................................... 92 Hình 4.4. Lực điều khiển của các khớp chấp hành ........................................ 92 Hình 4.5. Đáp ứng về sai lệch vectơ tham số ước lượng so với giá trị khởi tạo ..................................................................................................................... 93 Hình 4.6. Mô hình mô phỏng HTOĐ khi có tải thay đổi ............................... 94
xiii Hình 4.7. Sai lệch về vị trí và hướng của điểm công tác khi tải thay đổi mload =1.4322kg (Bộ điều khiển thích nghi) ................................................. 94 Hình 4.8. Lực điều khiển của các khớp chấp hành khi tải thay đổi mload =1.4322kg (bộ điều khiển thích nghi) .................................................. 95 Hình 4.9. Đáp ứng về sai lệch của vectơ tham số ước lượng so với giá trị khởi tạo khi tải thay đổi mload =1.4322kg ............................................................. 95 Hình 4.10. Sai lệch về vị trí và hướng của điểm công tác khi thay đổi D = 0.05×110×10 (Bộ điều khiển thích nghi) ................................................... 96 Hình 4.11. Lực điều khiển của các khớp chấp hành khi thay đổi D = 0.05×110×10 (Bộ điều khiển thích nghi) ................................................... 97 Hình 4.12. Đáp ứng về sai lệch của vectơ tham số ước lượng so với giá trị khởi tạo khi thay đổi D = 0.05×110×10 ........................................................... 97 Hình 4.13. Sai lệch về vị trí và hướng của điểm công tác khi thay đổi D = 0.05×110×10 , K = 112×12 ........................................................................... 98 Hình 4.14. Lực điều khiển của các khớp chấp hành khi thay đổi .................. 98 Hình 4.15. Đáp ứng về sai lệch của vectơ tham số ước lượng so với giá trị khởi tạo khi thay đổi D = 0.05×110×10 , K = 112×12 .......................................... 99 Hình 4.16. Sai lệch về vị trí và hướng của điểm công tác khi thay đổi ˆ P  0 = mP +mload .................................... 100 D = 0.05×110×10 , K = 10 112×12 , m Hình 4.17. Lực điều khiển của các khớp chấp hành khi thay đổi ˆ P  0 =mP +mload ......................................... 101 D=0.05×110×10 , K=10×112×12 , m Hình 4.18. Đáp ứng về sai lệch của vectơ tham số ước lượng so với giá trị ˆ P  0 =mP +mload ......... 101 khởi tạo khi thay đổi D=0.05 ×110×10 K=10×112×12 , m Hình 4.19. Sai lệch về vị trí và hướng của điểm công tác khi thay đổi D = 0.05 ×110×10 , K = 10 ×112×12 , K P = 12000 ×16×6 ,K D = 115.25 ×16×6 ˆ P  0 =mP +mload ....................................................................................... 102 m
xiv Hình 4.20. Lực điều khiển của các khớp chấp hành khi thay đổi ˆ P  0 =mP +mload , K P =12000×16×6 , D = 0.05×110×10 , K =10×112×12 , m K D = 115.25×16×6 ....................................................................................... 103 Hình 4.21. Đáp ứng về sai lệch của vectơ tham số ước lượng so với giá trị ˆ P  0 =mP +mload , khởi tạo khi thay đổi D = 0.05 ×110×10 K = 10 ×112×12 , m K P = 12000 ×16×6 ,K D = 115.25 ×16×6 ......................................................... 103 Hình 4.22. Các mặt phẳng đáp ứng của các tiêu chí đánh giá chất lượng sai lệch đầu ra của hệ thống ............................................................................. 104 Hình 4.23. Các đường chiếu đáp ứng của các tiêu chí đánh giá chất lượng sai lệch đầu ra của hệ thống trên mặt phẳng tham số........................................ 105 Hình 4.24. Sai lệch về vị trí và hướng của điểm công tác khi thay đổi ˆ P  0 =mP +mload K P = 12512 ×16×6 , D = 0.03 ×110×10 , K = 11.0625 ×112×12 , m K D = 115.25 ×16×6 ...................................................................................... 107 Hình 4.25. Lực điều khiển của các khớp chấp hành khi tải thay đổi ˆ P  0 =mP +mload K P = 12512 ×16×6 , D = 0.03 ×110×10 , K = 11.0625 ×112×12 , m K D = 115.25 ×16×6 ...................................................................................... 107 Hình 4.26. Đáp ứng sai lệch vectơ tham số ước lượng so với giá trị khởi tạo ................................................................................................................... 108
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Trong ngành vận tải nói chung, đường biển là một trong những phương thức vận tải phổ biến nắm giữ vai trò vị trí quan trọng đối với an ninh quốc phòng và các hoạt động giao thương mỗi ngày cũng như có vị trí quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, vận tải đường biển sử dụng phương tiện chuyên chở, cơ sở hạ tầng phù hợp, trong đó, phương tiện thường được dùng chủ yếu nhất là các con tàu mặt nước thuộc nhiều chủng loại, có kích thước và mức tải trọng khác nhau, tích hợp các trang thiết bị phục vụ vận chuyển người hoặc bốc dỡ hàng hóa lên/xuống tàu đảm bảo an toàn. Nước ta có khoảng gần 3000 hòn đảo lớn, nhỏ ven bờ và xa bờ, 50 cảng biển và một hệ thống 15 nhà giàn trên biển. Hàng năm có rất nhiều tàu thuyền thực hiện những chuyến đi khảo sát, thăm viếng các đảo, các nhà giàn DK, các trạm phát điện sức gió, tuy nhiên trong số những chuyến đi đó có không ít những chuyến đi không thể thực hiện được do điều kiện sóng to gió lớn, điều kiện tiếp cận các đảo, các nhà giàn,v.v... là rất khó khăn và nguy hiểm đến tính mạng con người. Điều đó cho thấy việc vận chuyển người, hàng hoá trên biển trong những điều kiện sóng gió là hết sức khó khăn và có nguy cơ sảy ra mất an toàn cao. Trong trường hợp này hệ thống thiết bị gá đặt trên tàu mà có khả năng tự động giữ ổn định một cầu nối khi sàn tàu dịch chuyển dao động do tác động của môi trường sóng gió phục vụ vận chuyển người và hàng hóa lên/xuống tàu, giữa tàu với đảo, giữa tàu với nhà giàn, cột điện gió, v.v... là vô cùng cần thiết, hệ thống này được gọi là “Hệ thống ổn định tiếp cận cầu cảng”, viết tắt là “HTOĐ”. Hệ thống ổn định tiếp cận cầu cảng trên đây là một hệ thống điều khiển ổn định bệ có gắn cầu nối cho người qua lại với nhiều tham số bất định khi gá đặt trên một con tàu và khi đó nó trở thành đối tượng nhiều bậc tự do, thực hiện điều khiển ổn định nhờ các cơ cấu truyền động chấp hành và các cơ cấu đó thường là các phần tử phi tuyến. Đây là hệ thống điều khiển phức tạp với nhiều tham số phi tuyến bất định. Hiện nay đã có các nghiên cứu về điều khiển ổn định bệ bằng các phương pháp điều khiển kinh điển và đã đạt được một số kết quả nhất định. Tuy nhiên các kết quả nghiên cứu về hệ điều khiển ổn định bệ có gắn cầu nối đặt trên tàu biển nhìn chung hiện nay vẫn còn khá khiêm tốn, đặc biệt là về thuật toán điều khiển.
2 Trong thực tế các hệ thống điều khiển ổn định như thế này có ứng dụng hết sức rộng rãi cho cả các mục đích quân sự và dân sự. Tuy nhiên, mỗi một ứng dụng có những yếu tố đặc thù iêng, đòi hỏi việc đầu tư nghiên cứu để có thể đưa ra được kết quả tốt nhất. Việc ứng dụng vào HTOĐ có ý nghĩa hết sức quan trọng và cần thiết, góp phần trong công cuộc phát triển kinh tế biển cũng như bảo vệ biển đảo. Vì vậy Nghiên cứu sinh đã lựa chọn đối tượng nghiên cứu cho luận án của mình là HTOĐ và nội dung nghiên cứu là xây dựng mô hình và tổng hợp bộ điều khiển cho HTOĐ phục vụ vận chuyển người, hàng hoá giữa tàu với các công trình trên biển. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của luận án là dựa trên cơ sở lý thuyết tiến hành xây dựng kết cấu, mô hình điều khiển cho HTOĐ, nghiên cứu mô phỏng, phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến trạng thái ổn định của hệ thống trong quá trình vận chuyển người, hàng hoá trên biển rồi thực hiện tổng hợp các luật điều khiển cho HTOĐ. Trong đó các nội dung nghiên cứu về mặt lý thuyết cần phải xây dựng được cấu hình và mô hình toán học mô tả đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng đến HTOĐ cũng như phân tích sự phức tạp của mô hình, các nội dung nghiên cứu mô phỏng cần đánh giá được chất lượng, tính ổn định của hệ thống điều khiển, trong đó cần phải nghiên cứu một số phương pháp mô phỏng, đánh giá độ chính xác của từng phương pháp từ đó lựa chọn phương pháp mô phỏng thích hợp, thuận lợi cho việc tiến hành nghiên cứu tổng hợp các bộ điều khiển khác nhau nhằm nâng cao chất lượng điều khiển HTOĐ và từ đó có thể áp dụng cho một lớp đối tượng có đặc điểm tương tự. Về mặt thực tiễn, các nội dung và các kết quả nghiên cứu của luận án cần đảm bảo tính chính xác, tin cậy làm cơ sở cho những nghiên cứu phát triển, thực nghiệm cho các đối tượng thực. 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Với mục tiêu nghiên cứu trên đây của luận án, đối tượng nghiên cứu là HTOĐ phục vụ vận chuyển người, hàng hoá trên biển giữa tàu với các đảo, nhà giàn hoặc các công trình trên biển. Phạm vi nghiên cứu của luận án tập trung vào việc xây dựng và tổng hợp các bộ điều khiển cho hệ thống ổn định tiếp cận cầu có cấu trúc điển hình trên thế giới. Hệ thống này có khả năng hoạt động linh hoạt và bù được
3 chuyển động ở tất cả mọi hướng (tối đa 6 bậc tự do). HTOĐ là một robot song song 6 chân 6 bậc tự do, có kết cấu dạng Gough-Stewart giả định được gá lắp trên sàn một con tàu được chọn làm đối tượng nghiên cứu trung tâm. 4. Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp kết hợp nghiên cứu lý thuyết với mô phỏng, trong đó sử dụng các công cụ lý thuyết để xây dựng mô hình HTOĐ, tổng hợp các bộ điều khiển và sử dụng các phần mềm hiện đại như MATLAB/SIMULINK, MSC ADAMS, v.v... để mô phỏng, đánh giá. 5. Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu được chia làm ba phần chính như sau: Nghiên cứu về đối tượng: Nghiên cứu, phân tích và đánh giá vai trò vị trí của vấn đề nghiên cứu, cũng như các công trình liên quan trong và ngoài nước. Dựa trên cơ sở lý thuyết về cơ học, cơ học hệ nhiều vật, lý thuyết điều khiển tự động, ứng dụng lý thuyết điều khiển robot song song và các công cụ mô phỏng, tính toán cần thiết để xây dựng các mô hình toán cho hệ thống phù hợp với các giả thiết đặt ra trong các bài toán thực tiễn, làm nền tảng cho việc tổng hợp các bộ điều khiển. Nghiên cứu về hệ thống điều khiển: Nghiên cứu tổng hợp bộ điều khiển cho hệ thống ổn định tiếp cận cầu. Trong đó các thuật toán điều khiển được xây dựng dựa trên các mô hình toán học của hệ thống, kế thừa và phát triển từ những công trình nghiên cứu kinh điển và hiện đại về điều khiển hệ thống robot song song như điều khiển PID, bền vững, thích nghi, dự báo, v.v... để tổng hợp các bộ điều khiển đạt chất lượng tốt. Nghiên cứu về phương pháp mô phỏng hệ thống: Mô phỏng hệ thống là một khâu rất quan trọng trong việc kiểm chứng các thuật toán điều khiển cho hệ thống trước khi cài đặt thuật toán lên đối tượng thực. Nó cho phép chúng ta đánh giá được chất lượng điều khiển của các bộ điều khiển tổng hợp từ lý thuyết, đánh giá được đáp ứng của hệ thống khi thay đổi những thông số quan trọng hay khi đưa vào những nhân tố bất định ở môi trường ngoài. Chính vì vậy cần vận dụng hợp lý các công cụ, phần mềm tính toán và mô phỏng hiện đại như MATLAB/SIMULINK, MSC ADAMS, v.v... để giải quyết bài toán mô phỏng HTOĐ với độ tin cậy cao.
4 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả trình bày trong luận án có ý nghĩa quan trọng trong việc xây dựng cơ sở lý thuyết cũng như kiểm chứng độ tin cậy của các bộ điều khiển cho HTOĐ. Từ các kết quả mô phỏng và các phân tích, đánh giá, ta có thể tiến tới cài đặt cho các mô hình thực nghiệm trước khi tiến tới áp dụng trong chế tạo hệ thống thật. Ý nghĩa khoa học: Nội dung nghiên cứu của luận án đề xuất một số phương pháp giải quyết bài toán điều khiển một hệ thống song song đặt trên một sàn di động. Đây là một bài toán khó và có rất ít các công trình nghiên cứu được công bố trên thế giới giải quyết trọn vẹn bài toán này. Chính vì vậy các kết quả nghiên cứu trong luận án có ý nghĩa khoa học trong việc giải quyết bài toán điều khiển cho các hệ thống robot lắp đặt trên phương tiện di động. 7. Bố cục của luận án Với nội dung nghiên cứu đặt ra ở trên, luận án được bố cục như sau: Mở đầu: Đánh giá tính cấp thiết, ý nghĩa thực tế, ý nghĩa khoa học của đề tài, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến đề tài. Trên cơ sở đó xác định phương pháp, nội dung nghiên cứu của đề tài luận án. Chương 1. Tổng quan về hệ thống tiếp cận cầu cảng: Nội dung chính của chương 1 được chia làm ba phần. Phần đầu tiên giới thiệu tổng quan về HTOĐ bao gồm các hệ thống ổn định tiếp cận các công trình trên biển được phát triển ở các quốc gia trên thế giới và các giải pháp ở Việt Nam. Phần thứ hai giới thiệu sơ lược về đối tượng nghiên cứu trung tâm trong luận án (HTOĐ có kết cấu của một robot song song 6 chân, 6 bậc tự do dạng Gough- Stewart). Phần thứ ba trình bày sơ lược về các phương pháp điều khiển cho hệ thống robot song song nói chung và robot song song 6 chân, 6 bậc tự do dạng Gough-Stewart nói riêng. Chương 2. Xây dựng mô hình toán và mô hình mô phỏng HTOĐ: Nội dung chính của chương 2 trình bày về cách xây dựng các mô hình toán cho HTOĐ mà trọng tâm là xây dựng các mô hình động học và động lực học cho robot song song dạng Gough-Stewart. Mô hình toán được xây dựng trong chương này làm nền tảng cho các chương tiếp theo của luận án. Đồng thời trình bày về hai phương pháp mô phỏng khả thi cho hệ thống ổn định và tiếp
5 cận cầu cảng sử dụng phần mềm tính toán, mô phỏng hiện đại là MATLAB/SIMULINK và MSC ADAMS. Từ các thử nghiệm mô phỏng đưa đến lựa chọn giải pháp sử dụng phần mềm MSC ADAMS kết hợp với MATLAB/SIMULINK để mô phỏng hệ thống ổn định cho độ tin cậy cao. Chương 3. Tổng hợp các bộ điều khiển PD trong KGCT cho HTOĐ: Chương 3 trình bày một số thuật toán điều khiển cho HTOĐ dựa trên lý thuyết điều khiển kinh điển. Các bộ điều khiển PD trong KGCT, bộ điều khiển PD bù lực trong KGCT, bộ điều khiển tựa gia tốc và bù lực trong KGCT được tổng hợp phối hợp với các luật điều khiển được xây dựng dựa trên các mô hình động học và động lực học ngược của hệ thống. Chương 4. Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi cho HTOĐ: Trên cơ sở lý thuyết điều khiển hiện đại Chương 4 đề xuất thuật toán điều khiển thích nghi cho HTOĐ. Trong đó, phương pháp đề xuất giúp giải quyết bài toán điều khiển HTOĐ trong trường hợp chưa biết chính xác một phần các thông số động lực học của hệ thống. Kết luận: Phần kết luận đưa ra những đánh giá về các kết quả nghiên cứu mà luận án đã đạt được cũng như chỉ ra những mặt hạn chế còn tồn tại đối với các thuật toán điều khiển đã nghiên cứu và đề xuất, từ đó đưa ra một số hướng nghiên cứu tiếp theo để khắc phục và hoàn thiện các giải pháp.