TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH
TRẦN TIẾN ĐẠT
PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TỐI ƯU CÂN BẰNG
GIÀN KHOAN TỰ NÂNG
TÓM TẮT 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 TP. HỒ CHÍ MINH
TRẦN TIẾN ĐẠT
PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TỐI ƯU CÂN BẰNG
GIÀN KHOAN TỰ NÂNG
TÓM TẮT 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
1
MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Hiện nay ở nước ta trong hầu hết các ngành công nghiệp như sản xuất khai thác
dầu khí, sản xuất đường, chế biến, công nghệ thực phẩm, thép, thủy điện, nhiệt điện
đang rất cần phát triển công nghệ tự động và tối ưu hoá toàn bộ hệ thống. Đặc biệt
với sự phát triển của lý thuyết và công nghệ đã giúp con người linh hoạt hơn trong
vận hành khai thác các nhà máy, hệ thống điều khiển, trên bờ cũng như ngoài khơi,
qua đó giúp tăng khả năng tự động và làm việc độc lập của công trình ngoài khơi.
Các giàn khoan tự nâng (Jack-up Rig – JuR) được sử dụng để thăm dò, khoan và
khai thác tại các mỏ dầu khí ngoài khơi. Trên thực tế, sự kết hợp giữa tính cơ động
và khả năng nâng thân giàn lên trên mực nước biển phục vụ như một giàn cố định,
đã khiến JuR trở nên hấp dẫn trong ngành công nghiệp ngoài khơi hơn 50 năm qua
[1]*(*. Tài liệu tham khảo được sử dụng lại theo Luận án, không thay đổi về thứ tự
trích dẫn). Trong quá trình di chuyển và khai thác trên biển, các giàn khoan chịu tác
động từ các yếu tố môi trường như sóng, gió, dòng chảy [3] và các sai số cơ khí [5].
Các yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp và rất phức tạp tới hoạt động của giàn khoan
như: làm dịch chuyển vị trí gây mất ổn định, rung lắc nguy hiểm đến người, trang
thiết bị trên giàn, làm hư hỏng, phá hủy công trình, gây ra thiệt hại về kinh tế và môi
trường biển.
Trên thế giới đã ứng dụng các hệ thống điều khiển giám sát một cách hiệu quả
cao cho nhiều loại thiết bị khác nhau, đặc biệt là trong các công trình ngoài khơi [6].
Tuy nhiên, hệ thống giám sát quá trình nâng hạ giàn vẫn đang dừng giải pháp cân
bằng bán tự động mà chưa có sự hỗ trợ từ các giải pháp điều khiển cho việc cân
bằng và ổn định giàn. Trong nghiên cứu lý thuyết, có nhiều công bố chủ yếu thử
nghiệm trên các mô hình, các giải thuật điều khiển được giả lập trong điều kiện làm
việc lý tưởng hoặc một vài tác động nhỏ từ bên ngoài nhưng chưa mang lại hiệu quả
tốt. Việt Nam đã có thể chế tạo được JuR, nhưng hệ thống điều khiển giám sát thì
vẫn chủ yếu phụ thuộc nước ngoài. Vì vậy, việc cân bằng JuR sử dụng ứng dụng tự
động hóa và giải thuật điều khiển đang được quan tâm. Các nhà nghiên cứu xây
dựng, mô phỏng trên Matlab cho các trường hợp hoạt động của hệ thống nâng hạ
(Jacking system -JS) dưới các ảnh hưởng tác nhân môi trường như sóng biển [10]
và sai số cơ khí, kết quả hiện đang dừng ở những giải thuật cơ bản, chưa có phương
án đưa vào ứng dụng trong thực tế.
Xuất phát từ những điểm nêu trên, việc nghiên cứu hệ thống điều khiển nâng hạ
giàn khoan duy trì ổn định cân bằng cho mô hình JuR rất cần thiết, luận án đề xuất
hướng nghiên cứu bù sai số với giải thuật mờ tối ưu bầy đàn và tự thích nghi trên
nền lô-gíc mờ.
2. MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Mục tiêu nghiên cứu
2
Mục tiêu của luận án là xây dựng hệ thống điều khiển nâng hạ JuR nhằm duy trì
ổn định cân bằng trong điều khiển nâng hạ giàn, cụ thể:
- Đánh giá các yếu tố gây ra sai số ảnh hưởng đến quá trình nâng hạ giàn;
- Phân tích, thiết lập cấu trúc và phương trình động lực học của giàn khoan, xây
dựng mô hình vật lý;
- Thiết kế mô hình trên máy tính và kiểm nghiệm bằng mô phỏng;
- Xây dựng các giải thuật điều khiển cho hệ thống nâng hạ giàn dùng phần mềm
MATLAB, lập trình điều khiển và thử nghiệm trên mô hình mô phỏng;
- Tính toán lựa chọn cấu hình, thiết kế hệ thống điều khiển nhằm duy trì ổn định
cân bằng vị trí chính xác cho mô hình JuR.
2.2. Đối tượng nghiên cứu
Từ các mục tiêu của luận án nêu tại phần 2.1, luận án tập trung vào đối tượng
nghiên cứu là Hệ thống nâng hạ giàn khoan và lý thuyết điều khiển thích nghi. Trong
đó, thiết kế hệ thống điều khiển với giải thuật tối ưu và thích nghi trên nền lô-gíc
mờ nhằm duy trì ổn định cân bằng cho hệ thống nâng hạ JuR là nhiệm vụ gắn liền
với đối tượng nghiên cứu, cụ thể như sau:
- Mô hình động học cùng với các phương trình toán học được phân tích, tính toán,
lựa chọn thông số nhằm phục vụ cho quá trình nghiên cứu, mô phỏng và thử
nghiệm giải thuật.
- Hệ thống cơ khí: tính toán thiết kế, mô phỏng, và xây dựng mô hình vật lý (bao
gồm phần cơ khí – điện – điều khiển) của JuR.
- Hệ thống nhúng phục vụ điều khiển: tính toán thiết kế, mô phỏng thử nghiệm
giải thuật trên máy tính và thiết kế board mạch phần cứng.
- Giải thuật: Đề xuất giải thuật để mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng trên đối
tượng.
2.3. Phạm vi nghiên cứu
Để hoàn thành các mục tiêu luận án, phạm vi nghiên cứu được giới hạn như sau:
- Về lý thuyết: Phân tích được kết cấu cơ khí, phương trình động học và mô hình
hóa tuyến tính đối tượng phục vụ cho mô phỏng và thực nghiệm giải thuật đề
xuất.
- Về mô hình: Thiết kế được mô hình toán và mô phỏng thử nghiệm; xây dựng
được mô hình vật lý kết nối máy tính số để thực nghiệm lấy kết quả trong phòng
thí nghiệm.
- Về giải thuật: đề xuất được giải thuật mới phù hợp với hệ thống nâng hạ JuR, so
sánh với giải thuật khác để làm rõ hiệu quả.
- Về tiêu chuẩn cần đạt về độ ổn định của hệ thống: Tiêu chuẩn Lyapunov.
2.4. Phương pháp nghiên cứu
3
Nhằm thu được kết quả phù hợp với mục tiêu nghiên cứu trong phạm vi nêu trên,
phương pháp nghiên cứu của luận án được xác định như sau:
- Phân tích và đánh giá hiện trạng các nghiên cứu liên quan: Phân tích các công
trình nghiên cứu giàn khoan tự nâng, phân tích ảnh hưởng của sai số cơ khí,
nhiễu và các ảnh hưởng động học khác.
- Xây dựng mô hình toán lý thuyết của hệ thống chuyển động của JuR ở chế độ
nâng hạ: xây dựng mô hình toán tổng quát, mô hình toán rút gọn đã tuyến tính
hóa, phân tích lực và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nâng hạ của JuR.
- Mô phỏng: Mô hình toán được triển khai trên Matlab – Simulink với các chương
trình con, chương trình nhúng viết trên m.file.
- Nghiên cứu lý thuyết ổn định, áp dụng cho giàn khoan tự nâng: Dựa trên tiêu
chuẩn ổn định Lyapunov, kết quả mô phỏng đánh giá tính ổn định nhằm đạt được
mục tiêu trong mục 2.1.
- Thực nghiệm: Tính toán lựa chọn cấu hình, thiết kế, chế tạo hệ thống cơ-điện
duy trì ổn định cân bằng vị trí chính xác cho mô hình JuR.
3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
Ý nghĩa khoa học: Luận án đã đề xuất các giải thuật tối ưu và thích nghi trên
nền lô-gíc mờ bằng cách chứng minh toán học và mô phỏng trong các điều kiện giả
lập, các kết quả được viết và công bố trên các tạp chí có uy tín trong nước và quốc
tế minh chứng cho tính mới và ý nghĩa khoa học của các nội dung nghiên cứu cũng
như kết quả đạt được.
Ý nghĩa thực tiễn: Luận án đã nghiên cứu và xây dựng mô hình thực nghiệm,
các kết quả thực nghiệm cho đáp ứng ổn định, có thể nghiên cứu để ứng dụng vào
thực tiễn, chứng tỏ tiềm năng trong lĩnh vực cơ điện hàng hải cũng như cơ khí tự
động hóa cho trang thiết bị ngoài khơi, tuy còn cần phải thử nghiệm và kiểm định
ngoài thực tế thêm trước khi ứng dụng.
Ngoài ra, các tài liệu tham khảo giúp Luận án hoạch định và liệt kê toàn diện các
vấn đề liên quan đến cấu tạo và nguyên lý hoạt động của giàn khoan tự nâng, các hệ
thống phục vụ, đi sâu phân tích đánh giá hệ thống nâng hạ. Các tài liệu mới, là nền
tảng cho các nhà nghiên cứu tham khảo khi tìm hiểu về lĩnh vực này, có ý nghĩa
phục vụ đào tạo và nghiên cứu.
4. ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
- Luận án đã xây dựng và hệ thống hóa các vấn đề liên quan đến điều khiển tối ưu
cho giàn khoan tự nâng. Các vấn đề liên quan đến sai số và nhiễu được chỉ rõ và
mô hình hóa bằng toán học;
- Đề xuất mô hình điều khiển tối ưu hóa cấu trúc mờ cho hệ thống nâng hạ với
giải thuật tối ưu bầy đàn (PSO). Mô hình này cho phép hệ thống tự lựa chọn các
bộ luật mờ phù hợp với điều kiện làm việc, một cách làm “mềm hóa” giải thuật
mờ, hiệu quả được kiểm nghiệm và so sánh bằng các kết quả mô phỏng;