Ổn định hệ thống lái tự động tàu thủy sử dụng bộ điều khiển mạng nơ ron – mờ thích nghi trực tiếp

Chia sẻ: Liễu Yêu Yêu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết "Ổn định hệ thống lái tự động tàu thủy sử dụng bộ điều khiển mạng nơ ron – mờ thích nghi trực tiếp" nghiên cứu thuật toán thích ứng để đáp ứng thực tế. Với bộ điều khiển sử dụng mạng noron - mờ đã tạo ra một hướng phát triển mới trong lĩnh vực thiết kế hệ thống điều khiển. Bộ điều khiển mạng noron - mờ được thiết kế để giữ cho hệ thống lái tự động của tàu hoạt động ổn định. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Ổn định hệ thống lái tự động tàu thủy sử dụng bộ điều khiển mạng nơ ron – mờ thích nghi trực tiếp

Kỷ yếu Hội thảo khoa học cấp Trường 2022 Tiểu ban Khoa học hàng hải Ổn Định Hệ Thống Lái Tự Động Tàu Thủy Sử Dụng Bộ Điều Khiển Mạng Nơ Ron – Mờ Thích Nghi Trực Tiếp Võ Công Phương Đào Học Hải Viện Hàng hải Viện Hàng hải Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam phuong.vo@ut.edu.vn hochai_dv@hcmutrans.edu.vn Nguyễn Tiến Dũng Nguyễn Bảo Trung Khoa Điện-Điện tử viễn thông Viện Hàng hải Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam tiendung.nguyen@.ut.edu.vn trung_dv@hcmutrans.edu.vn Tóm tắt - Hiện nay, lĩnh vực điều khiển tự động ngày ( m  mx )u  ( m  my )vr  X   1 càng phát triển mạnh mẽ, các bộ điều khiển được chế tạo để điều khiển nhiều đối tượng khác nhau. Yêu cầu ( m  my )v  ( m  mx )ur  my y r  my l y p  Y   2 thực tế đặt ra là điều khiển các hệ thống động lực rất phức tạp, trong điều kiện hệ số bất định càng tăng, cần ( I x  J x ) p  myl y v  mxl xur  K  WGMT   4 có bộ điều khiển chất lượng cao hơn,... Do đó, bộ điều khiển có thuật toán thích ứng để đáp ứng thực tế. Với ( I z  J z )r  my y v  N  xgY   6 bộ điều khiển sử dụng mạng noron - mờ đã tạo ra một Các lực, mô men (moment) thủy động và phục hồi hướng phát triển mới trong lĩnh vực thiết kế hệ thống được thể hiện như sau: điều khiển. Bộ điều khiển mạng noron - mờ được thiết kế để giữ cho hệ thống lái tự động của tàu hoạt động ổn X  X (u )  (1  t )T  X vr vr  X vv v 2  X rr r 2  X  2  định. Chúng có thể được thiết kế với chất lượng hệ  cRX FN sin  thống nhất định với độ chính xác tùy ý và công việc của Y  Yv v  Yr r  Yp p  Y  Yvvv v 3 Yrrr r 3  Yvvr v 2r  chúng dựa trên các nguyên tắc tư duy của con người. Keywords—Tàu thủy, điều khiển tàu thủy, mạng  Yvrr vr 2  Yvv v 2  Yv v 2  Yrr r 2  noron – mờ, điều khiển thích nghi, nhiễu sóng biển.  Yr r 2  (1  aH ) FN cos  1. ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN K  K v v  K r r  K p p  K  K vvv v 3  K rrr r 3  K vvr v 2r   K vrr vr 2  K vv v 2  K v v 2  K rr r 2   K r r 2  (1  aH ) zR FN cos  N  N v v  N r r  N p p  N  N vvv v 3  N rrr r 3   N vvr v 2 r  N vrr vr 2  N vv v 2  N v v 2   N rr r 2  N r r 2  ( xR  aH xH ) FN cos  Trong đó X (u) là vận tốc phụ thuộc vào hệ số cản X (u )  X |u|u | u | u . Lực bánh lái có thể được mô tả: Hình 1: Mô hình tàu và hệ trục. Đối với tàu thủy chuyển động thường được giới 6.13 AR 2 FN   . (u  v 2 )sin  R hạn trong 04 bậc tự do: Trượt dọc, trượt ngang, quay   2.25 L2 R R trở (hướng), lắc ngang. Xét mô hình toán phi tuyến uR  u p 1  8kKT / ( J 2 ) của tàu theo các trục X ,Y quay trở (hướng), lắc ngang được trình bày bởi Son va Nomoto [1]-[3].  R    tan 1 (vR  uR ) vR   v  cRr r  cRrrr r 3  cRrrr r 2v 234
Võ Công Phương, Đào Học Hải, Nguyễn Tiến Dũng, Nguyễn Bảo Trung Ở đây: Như vậy chuyển động của tàu thủy theo hướng u pU yout được mô tả tổng quát bởi hệ phương trình: J nD  I  A( )  G    u p  cos v (1  wp )   (v  x p r ) 2  c pv v  c pr r}    J ( ) (3)  y   out  n : Tốc độ quay chân vịt (vòng/phút);  D : Đường kích chân vịt; Các hệ số phương trình (3) được tính toán phụ thuộc vào thông số thực tế của từng loại tàu, mô tả  AR : Diện tích bánh lái; đầy đủ mô hình toán cho tàu thủy trong mô phỏng và   : Góc quay bánh lái; điều khiển trong điều kiện chưa xét đến các nhiễu môi  L : Chiều dài thân tàu. trường như sóng, gió và dòng chảy: Từ các điều kiện trên, có thể thiết lập phương trình  cRX FN sin   chuyển động của tàu dưới dạng:  (1  a ) F cos   I  A( )  G     H N  (1)  (1  aH ) z R FN cos     Trong đó: ( xR  aH xH ) FN cos   v  u v p r T II. PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA TÀU  m  mx 0 0 0  THỦY KHI CÓ XÉT ĐẾN CÁC NHIỄU LOẠN  0 m  my my l y m y y  Khi xét đến nhiễu môi trường gồm gió, sóng và I   0 my l y Ix  Jx 0  dòng chảy đại dương, hệ phương trình (3) được viết   như sau:  0 my y 0 I x  J z   I  A(td )td  G    d  X uuu X vv v   0 Yv  Yvvv vv  Yvv v  Yv    J ( ) (4) A  y   out  0 K v  K vvv vv  K vv v  K v   0 N v  N vvv vv  N vv v  N v Với: 0 X vr v  X rr r  ( m  my )v      c  [utd , vtd , p, r ]T ; Yp Yr  Yrrr rr  Yvvr vv  Yvrr vr  ( m  mx )u  c  [uc , vc , 0, 0]T : Vận tốc dòng chảy đối với hệ  K p K r  K rrr rr  K vvr vv  K vrr vr  mxl xu  tọa độ gắn liền;  d   gió   sóng : Nhiễu gió và sóng. Np N r  N rrr rr  N vvr vv  N vrr vr   (1  t )T ( J )  X  2  III. SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG CHẢY ĐẠI   DƯƠNG ĐỐI VỚI CHUYỂN ĐỘNG  Y  Yrr r   Yr r 2 2  G CỦA TÀU THỦY K   K v v  K rr r   K r r  W GM  2 2 2    Vận tốc dòng chảy Vc được phân tích thành các  N  N rr r 2  N r r 2  thành phần ucE , vcE thuộc hệ tọa độ cố định tâm Trái Chuyển động của tàu được mô tả trong hệ tọa độ cố định tâm Trái Đất được giới hạn 04 bậc tự do: Đất trong mặt phẳng ngang thông qua góc  .   J ( ) (2) ucE  Vc cos Trong đó: vcE  Vc sin    x y    T Vận tốc dòng chảy đối với hệ tọa độ gắn liền trong cos  sin 0 0  mặt phẳng ngang được ký hiệu c  [uc , vc , 0, 0] , T  sin cos 0 0  J ( )   trong đó, uc , vc là các thành phần vận tốc dòng chảy  0 0 1 0    theo các trục X b , Yb .  0 0 0 cos   235
Ổn định hệ thống lái tự động tàu thủy sử dụng bộ điều khiển mạng nơ ron – mờ thích nghi trực tiếp Mối quan hệ giữa vận tốc dòng chảy trong hệ tọa 1  3 H s2 16 3 độ gắn liền và hệ tọa độ địa lý được mô tả thông qua S (w)  exp( )(m 2 s ) 4 Tz4 5 Tz4 4 góc hướng . Với Tz : Hệ số phụ thuộc vào mức sóng trung bình. uc  ucE   v   J l ( )  E  T Tuyến tính hóa mô hình sóng biển PM có thể viết  c  vc  ngõ ra y(s) từ mô hình sóng là y(s)  h(s)(s) .  cos sin  Với: J ( )    Trong đó:   sin cos  Ta có:  ( s) : Nhiễu trắng Gaussian có mức trung bình uc  Vc cos(   ) bằng 0 với năng lượng phổ pww ( )  1 ; vc  Vc sin(   ) h(s) : Hàm truyền đề nghị [1]: Vận tốc tương đối: K s h( s )  vtd  v  vc  utd , vtd , p, r  s  20 s  02 T 2 IV. SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA GIÓ ĐỐI VỚI Với hằng số độ lợi K được định nghĩa: CHUYỂN ĐỘNG CỦA TÀU THỦY K  20  ; Mô men (moment) và lực tác động của gió đối với    : Hằng số mô tả cường độ sóng (m); tàu thủy thường được xác định bởi các thành phần vận tốc gió VR (hải lý) và góc  R (độ) [1].   : Hệ số ma sát;   0 : tần số trội (rad/s). 1 X gió  C X ( R )  wVR2 AT 2 Mô hình sóng biển cấp ba với các thông số  ;  0 1 Ygió  CY ( R )  wVR2 AL (rad/s);    0.5 (m) được mô phỏng như sau: 2 Mô hình lực và mô men đối với nhiễu sóng biển 1 N gió  C N ( R )  wVR2 AL L theo [1]: 2 N Trong đó: X sóng (t )    gBLTcos si (t )  C X , CY : Các hệ số lực; i 1 N  C N : Hệ số mô men; Ysóng (t )     gBLT sin si (t ) i 1   w : Mật độ không khí (kg/m3); N 1 N sóng (t )    gBL( L2  B 2 )sin 2 si2 (t )  AT : Bề mặt theo phương ngang và phương dọc i 1 24 2 thân tàu (m ); Trong đó:  L chiều dài thân tàu.   : Góc giữa hướng tàu và phương sóng; Véc tơ (vector) mô men và lực tác động của gió  g: Gia tốc trọng trường (m/s2); đối với tàu thủy: T   : Mật độ nước;  gió   X gió Ygió N gió   si (t ) : Độ nghiêng sườn sóng thứ i; V. SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG BIỂN ĐỐI VỚI  L : Chiều dài thân tàu theo bề mặt ướt; CHUYỂN ĐỘNG CỦA TÀU THỦY  B : Bề rộng tàu theo bề mặt ướt; Gió tạo ra sóng thường được trình bày là tổng một  T : Mớn nước tàu. số lượng lớn các sóng thành phần. Cường độ sóng Ai Véc tơ mô men và lực tác động của sóng biển đối của sóng thành phần i liên quan đến hàm mật độ phổ với tàu thủy: sóng S (i ) . Mô hình phổ PM được xây dựng vào  sóng   X sóng Ysóng N sóng  T năm 1978: 236
Võ Công Phương, Đào Học Hải, Nguyễn Tiến Dũng, Nguyễn Bảo Trung VI. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MẠNG NƠRON Yr  e  A (Yr  e)  B[ f ( x)  g( x)u f  g( x)v  d ] MỜ THÍCH NGHI TRỰC TIẾP CHO TÀU THỦY 04 BẬC TỰ DO e  A e  BKcT eˆ  B[  f ( x )  yr( n )  K cT eˆ  Cho hệ thống:  g ( x )u f  g ( x )v  d ]  Yr  A Yr  Byr( n ) x(t )  Ax(t )  Bu(t ) (5) e1  C T e Có điều kiện đầu x(0)  x0 Hay: Ở đây x  R n , u  R , A R nxn , B  R nx1 . e  Ae  BK cT eˆ  B[ g ( x)u *  g ( x)u f  g ( x)v  d ] Giả sử A là ma trận Hurwitz và u (t )  L2 e , cho e1  C T e  0 và 0 là các hằng số dương,   [0,  1 ] trong đó Vấn đề đặt ra là thiết kế bộ quan sát trạng thái để ước lượng trạng thái véc tơ e, bộ quan sát trạng thái 0   1  2 0 thỏa || e A(t  ) || 0 e  0 ( t  ) . được trình bày: Ta có: eˆ  A eˆ  BK cT eˆ  K 0 (e1  eˆ1 ) || B || 0 || x(t ) || 0 e 0t || x0 ||  || ut ||2 eˆ1  C T eˆ 2 0   Trong đó: K 0  [ K10 , K 20 ,...,K n0 ] là véc tơ độ Trong đó giá trị || ut ||2 được tính theo công lợi bộ quan sát trạng thái được chọn sao cho thức: t A  K 0 C T thỏa Hurwitz. Sai số bộ quan sát được || ut ||2  ( e  (t  ) u T ( )u( )d )1 / 2 định nghĩa: e~  e  eˆ và e~  e  eˆ 1 1 1 0 Định nghĩa: Khi đó, ta có: Yr  [ y r , y r ,..., y r( n1) ]T e~  ( A  K 0 )e~  B[ g ( x)u *  g ( x)u f  g ( x)v  d ] Sai số bám: e  Yr  x, eˆ  Yr  xˆ . Với eˆ và xˆ e~  C T e~ 1 là ước lượng của e và x. Để xấp xỉ luật điều khiển (7), tức tính u f . Giải ( n1) e  [e1 , e1 ,...,e 1 ,... ]  [e1 , e2 ,...,en ] T T thuật đề nghị sử dụng cấu trúc của một bộ xấp xỉ Nếu các hàm f (x) và g (x) đã biết và không có noron-mờ. Cấu hình cơ bản của hệ logic mờ gồm có một số luật nếu - thì và cơ chế suy luận mờ. Luật nếu nhiễu ngoài d, theo tiêu chuẩn Lyapunov và dựa trên – thì thứ i (với i  1  h ) được viết: tiếp cận tương đương, luật điều khiển: i Ri : Nếu e1 là A1 và … và en là An thì u f là B i i u *  g 1 ( x)[ f ( x)  y r( n )  K cT eˆ] (6) i i Trong đó: A1 , A2 ,…, An và B i là các tập mờ. i Với K c  [ K n , K n 1 ,...,K1 ] là véc tơ độ lợi c c c T Bộ xấp xỉ hàm noron-mờ singleton có bốn lớp: Tại hồi tiếp. lớp 1, nút là các ngõ vào, đại diện véc tơ ngôn ngữ Chọn K c sao cho Ak  A  B K cT thỏa đến eˆ  [eˆ1 , eˆ1 ,...,eˆn ]T . Tại lớp 2, các nút thể hiện Hurwitz. giá trị hàm thành viên của tổng số các biến ngôn ngữ. Bởi vì hệ thống (5) chỉ có ngõ ra y có thể đo lường, Mỗi nút của lớp 2 thực hiện giá trị hàm thành viên. các hàm f k (x) và g kj (x ) chưa biết nên luật điều Tại lớp 3, các nút là giá trị của véc tơ cơ sở mờ  . khiển (6) không thể thực hiện. Luật điều khiển được Tại lớp 4, ngõ ra đại diện giá trị của ngõ ra mạng u f đề nghị: . Liên kết giữa lớp 3 và lớp 4 được nối đầy đủ bởi véc u  uf v (7) tơ trọng số   [u , u ,...,u ] , các thông số 1 2 h T Với u f xấp xỉ luật điều khiển (7), v là thành phần này có thể điều chỉnh được. để khử nhiễu ngoài và sai số mô hình. Ta có: 237
Ổn định hệ thống lái tự động tàu thủy sử dụng bộ điều khiển mạng nơ ron – mờ thích nghi trực tiếp  Bước 1: Bằng phép thử sai véc tơ độ lợi hồi tiếp   eˆ j  2  và bộ quan sát Kc, K0 được chọn:  A3j (eˆ j )  exp  5     0.6   K0T  28;44; KcT  24;4    Bước 2: Các thông số của thành phần bù trừ sai   eˆ j  0.25  2   A4j (eˆ j )  exp  5   số được chọn 1  0.5 , 1  0.02 . Các hệ số của   0.6     luật thích nghi được chọn  1  0.01 ;. Bộ lọc L ( s ) 1   eˆ j  0.5  2   A5j (eˆ j )  exp  5   1 được chọn L ( s )  1   0.6   s4 .    Bước 3: Xây dựng bộ quan sát trong xác định véc Tính các véc tơ cơ sở mờ  (eˆ) tơ sai số ước lượng.   eˆ j  5  2   Bước 4: Xây dựng các luật mờ cho eˆ j (t ) . Từ  A1j (eˆ j )  exp  5     0.6   luật điều khiển thích nghi trực tiếp cho hệ thống lái tự   động tàu thủy. Để đơn giản và giảm khối lượng tính   eˆ j  2.5  2   A2j (eˆ j )  exp  5   toán nhưng không mất tính tổng quát, nhóm tác giả   0.6   dùng véc tơ cơ sở mờ cho cả hai mạng noron. Với các   hàm liên thuộc của véc tơ cơ sở mờ được chọn: VII. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÀU   eˆ j  0.5   2 THỦY 4 BẬC TỰ DO DÙNG  A (eˆ j )  exp  5  MATLAB-SIMULINK 1 j   0 .6    Mô hình tàu 04 bậc tự do sử dụng trong Matlab-   eˆ j  0.25  2  Simulink.  A2j (eˆ j )  exp  5     0.6     Hình 2. Mô hình tàu 04 bậc tự do. Hình 3. Mô hình bộ điều khiển mạng noron-mờ thích nghi trực tiếp. Kết quả mô phỏng  Trường hợp 1 Khi chưa có nhiễu sóng biển tác động. Mô phỏng Simulink đầu vào là hàm bậc thang, vận tốc tàu v = 7m/s. 238
Võ Công Phương, Đào Học Hải, Nguyễn Tiến Dũng, Nguyễn Bảo Trung 60 50 40 Psi (Huong mui tau) 30 20 10 0 -10 -20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 tout 4 x 10 Hình 4. Đặc tính tracking với hệ thống điều khiển mạng noron-mờ thích nghi trực tiếp. Nhận xét: Khi đầu vào là hàm bậc thang, vận tốc  Trường hợp 2: tàu là 7m/s đáp ứng đầu ra luôn bám theo hướng đặt Khi tàu có nhiễu sóng biển tác động cấp chín. trước của tàu, độ vọt lố cho phép phù hợp với thực tế. 60 50 40 Psi (Huong mui tau) 30 20 10 0 -10 -20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 tout 4 x 10 Hình 5. Đặc tính tracking với hệ thống điều khiển mạng nơ ron-mờ thích nghi trực tiếp có nhiễu. Nhận xét: Khi có nhiễu tác động ảnh hưởng của TÀI LIỆU THAM KHẢO nhiễu đối với chuyển động và hướng đi là nhỏ. Tuy [1] T. I. Fossen, “Handbook of Marine Craft nhiên, khi sóng biển cấp độ cao, đáp ứng của hệ thống Hydrodynamics and Motion Control,” NY, USA: John vẫn giữ được hướng đi đặt trước nhưng biên độ thay Wiley & Son, ltd, 2011. đổi nhiều làm ảnh hưởng đến vết đi của tàu và tính [2] Asgeir J. Sørensen, “Marine Control Systems kinh tế khi khai thác. Propulsion and Motion Control of Ships and Ocean Structures,” Lecture Notes, Department of Marine VIII. KẾT LUẬN Technology, Norwegian University of Science and Kết quả mô phỏng ở cả hai trường hợp có nhiễu và Technology, 2013. không nhiễu cho thấy bộ điều khiển mô hình tàu 04 [3] T. I. Fossen, “Marine Control Systems – Guidance, bậc tự do có thể ổn định hướng đi so với hướng đi cho Navigation, and Control of Ships, Rigs and Underwater trước trong khoảng thời gian thực tế. Ưu điểm nổi bật Vehicles,” Trondheim, Norway: Marine Cybernetics của bộ điều khiển là khi có sự thay đổi về vận tốc hay AS, 2002. có tác động của nhiễu tàu vẫn giữ hướng đi ổn định so với hướng đi đặt trước. 239