Nghiên cứu điều khiển máy tạo sóng nước sử dụng trong phòng thí nghiệm Study on control of water wavemaker using in laboratory Đặng Quang Vinh, Nguyễn Duy Anh và Nguyễn Tấn Tiến Trường
Trang 1Nghiên cứu điều khiển máy tạo sóng nước sử dụng
trong phòng thí nghiệm Study on control of water wavemaker using in laboratory
Đặng Quang Vinh, Nguyễn Duy Anh và Nguyễn Tấn Tiến
Trường ĐHBK Tp.Hồ Chí Minh e-Mail: quangvinh242003@yahoo.com
Tóm tắt
Bài báo giới thiệu nghiên cứu điều khiển biên độ sóng nước sử dụng kỹ thuật điều khiển Fuzzy Mô hình hóa hệ thống được sử dụng để tiến hành mô phỏng cho ra kết quả biên độ sóng nước gần đúng mong muốn và dạng sóng điều hòa theo thời gian
Abstract
This paper study on fuzzy control of water wave amplitude used in experimental model Mathematical modeling is used for simulation the system with fuzzy control to give the good results: desired approximate water wave amplitude and time-harmonic waveform are achieved
Ký hiệu
Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa
0
S m Biên độ dao động cần lắc
S m Vị trí dao động cần lắc
η Bề mặt sóng
p
k Số sóng tiến
A m Biên độ sóng “first-order wave”
2p
a m Biện độ sóng “Stokes 2nd-order
wave”
x m Vị trí tại tọa độ x xét
1
w Trọng số cho sai số
2
w Trọng số cho đạo hàm sai số
h Trọng số cho ngõ ra bộ điều khiển
e m Sai số
t s Thời gian
h m Chiều sâu nước
H m Chiều cao sóng nước
g m / s2
Gia tốc trọng trường
r
η Tác động của nhiễu
μ Hàm liên thuộc
1 Đặt vấn đề
Sóng biển là nguyên nhân chính gây ra sự xói mòn
hoặc phá hủy các công trình ven biển, những giàn
khoan dầu khí xa bờ đòi hỏi phải đứng vững trước
sự phá hoại khủng khiếp của sóng khi có bão Trên
mặt nước, tàu thuyền luôn phải chịu sự tác động
của sóng, vô số tàu đã bị đánh chìm bởi những con
sóng thần cao đến 34m Hơn nữa, sóng còn gây ra
những trở ngại nhất định trong quá trình di chuyển của tàu thuyền Việc sử dụng máy tạo sóng (wavemaker) trong phòng thí nghiệm đã trở thành một công nghệ quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật
bờ biển và đại dương Ngày nay, hầu hết những nghiên cứu về công trình biển và các hiện tượng liên quan đều dùng đến bể tạo sóng: mô hình 2D hay 3D loại có dạng hẹp, dài, một đầu là cơ cấu tạo sóng, đầu kia là bờ triệt sóng hay loại có dạng hẹp, dài, chảy quay thành hình tròn và không có
bờ triệt sóng Có nhiều kiểu cơ cấu tạo sóng khác nhau: kiểu Piston, Plunger, Flap, … Trong bài báo này sẽ sử dụng cơ cấu tạo sóng kiểu Flap và bể dài, hẹp, có bờ triệt sóng và áp dụng cho mô hình 2D
H1: Mô hình bể tạo sóng nước
Đặc biệt, nước ta có bờ biển dài hơn 3260kmvà những lợi ích từ biển đối với người dân là không nhỏ từ việc nuôi trồng thủy hải sản, đánh bắt cá, thu năng lượng từ sóng biển, du lich…bên cạnh những lợi ích từ biển mang lại thì biển cũng gây ra không ít tổn thất cho người dân như sóng thần, sạt
lở đất, ngập mặn, … Những đặt trưng thể hiện rõ ràng nhất của biển là sóng biển Vì vậy, việc tạo ra một mô hình chuẩn tạo sóng trong phòng thí nghiệm để phục vụ thí nghiệm và các ứng dụng
khác là hết sức cần thiết Đã có một số các nghiên
cứu của các tác giả ngoài nước liên quan đến vấn
đề đang nghiên cứu:
Trang 2M.R Khalilabadi[1] miêu tả thiết kế, xây dựng và
kiểm tra bể nước thiết kế có sóng biên độ nhỏ và
thiết bị liên quan Năm 1993, Peter Frigaard cùng
với đồng sự [2] đã trình bày lý thuyết tạo sóng
nước Năm 2001, C.J Huang và C.M Dong [3]
giải quyết vấn đề làm sóng trong bể sóng 2D cho
máy tạo sóng để sinh ra sóng tới khác nhau bao
gồm sóng có biên độ nhỏ, biên độ có hạn hay sóng
đơn Cụ thể là, để sinh ra sóng có biên độ nhỏ thì
độ dịch chuyển của máy tạo sóng được xác định
theo lý thuyết tạo sóng tuyến tính, còn để sinh ra
sóng có hình dạng sóng điều hòa theo thời gian thì
độ dịch chuyển của máy tạo sóng được xác định
theo lý thuyết thứ hai của Madsen Sun Qiang[4]
nghiên cứu kỹ thuật điều khiển bằng luật Fuzzy
trong máy tạo sóng nước
Trong nước, chưa có nghiên cứu nào về bể tạo
sóng nước phục vụ cho thí nghiệm được công bố
Trên cơ sở của nghiên cứu [5] với mô hình thực
nghiệm
H2: Mô hình thực nghiệm bể tạo sóng nước
Nhóm đã kế thừa và đề xuất bộ điều khiển Fuzzy
kết hợp với mô hình hóa theo lý thuyết Madsen
(1971) Qua kết quả của mô phỏng cho ra hình
dạng sóng không chỉ gần đúng với biên độ sóng
xác lập mà còn hình dạng sóng điều hòa theo thời
gian Kết quả mô phỏng chứng minh giải pháp đề
nghị có thể sử dụng cho bài toán điều khiển máy
tạo sóng nước trong phòng thí nghiệm
2 Đề xuất bộ điều khiển biên độ sóng theo luật fuzzy
Do hệ là phi tuyến và có thành phần nhiễu do bờ
triệt sóng chưa hết sóng phản hồi, ma sát nước với
thành bể, cơ khí chưa chính xác… Vì vậy, vấn đề này cần được giải quyết, kỹ thuật điều khiển bằng fuzzy được đề xuất như cách đơn giản và hiệu quả trong điều khiển hệ phi tuyến Sau khi bộ fuzzy tính ra được giá trị tần số góc w cần cung cấp cho dao động cần lắc, cần lắc dao động theo dạng được
đề xuất bởi Madsen(1971), phương trình (1) Lúc này hệ thống không chỉ điều khiển được đúng biên
độ mà còn có dạng sóng điều hòa theo thời gian
Sơ đồ khối hệ thống
H3: Điều khiển hệ thống bằng luật Fuzzy
2.1 Mô hình hóa
H4: Mô hình hóa bể tạo sóng nước
Theo Madsen (1971) nếu quỹ đạo chuyển động cần lắc theo dạng
2
p
3 p
3cosh(k h)
(1) Lúc này bề mặt sóng nước thực tế
η = -Asin k x - t - a cos2 k x - t (2) với:
p
k là số sóng tiến tính theo công thức
2
p p
= gk tanh k h
0
p
p
S
k h
sinh k h cosh k h + k h
(4)
Ad
Trang 3
2
p
(5)
Biên độ trên A = ηt max
tại k x - t =p 3π+ 2kπ
2
, với k = 0,1,2…
Biên độ dưới A = ηd min
tại k x - t =p π+ 2kπ
2
, với k = 0,1,2…
Mô hình được xây dựng với chiều sâu nước
h = 0.4m, tần số góc=2π(rad/s), máy tạo sóng
kiểu flap với biên độ giao động
0
S /2=0.165/2=0.0825mvà tại vị trí x = 4m Tiến
hành mô phỏng với 2 kiểu dao động của cần lắc
máy tạo sóng: theo Madsen (1971), phương
trình(1), và S ( ) = sin( t)1 từ đó lần lượt tạo ra 2
dạng sóng nước tương ứng η(x) và η (x)1
H5: Dạng dao động cần lắc S và S 1
H6: Dạng sóng nước ngõ ra tương ứng η và
1
η
Dựa vào dạng sóng ngõ ra thì dao động cần lắc theo Madsen(1971) điều hòa hơn so với dao động cần lắc theo hình dạng sine thông thường Vì vậy nhóm nghiên cứu lựa chọn dạng dao động cần lắc theo Madsen(1971), phương trình (1), với tần số góc được điều khiển bằng bộ Fuzzy
2.2 Bộ điều khiển
H7: Hàm liên thuộc cho ngõ vào sai số e
H8: Hàm liên thuộc cho ngõ vào đạo hàm sai
số de
H9: Hàm liên thuộc cho ngõ raU
Luật Fuzzy e(t) de(t) NB (-2) NS (-1) ZR (0) PS (1) PB (2)
NB (-2) 3 2 2 1 0
NS (-1) 2 2 1 0 -1
ZR (0) 2 1 0 -1 -2
PS (1) 1 0 -1 -2 -2
PB (2) 0 -1 -2 -2 -3
B1: Luật điều khiển
Ngõ vào tham chiếu của hệ thống là biên độ Ar
Sau khi tính toán sai số e(t)vàde(t)từ cảm biến Wave gauges đưa về và qua bộ trọng
sốw1vàw2thì e(t)vàde(t)chở thành ngõ vào của
bộ điều khiển Fuzzy Bộ điều khiển được xây
dựng dựa vào bảng luật điều khiển B1kết hợp với luật hợp thành theo quy tắc “Max-Prod” và giải
mờ theo phương pháp “Centroid” sẽ cho raU Tín hiệuUđược nhân với một giá trị trọng số h vàcấp cho hệ thống “Plant”
Hàm liên thuộc được xây dựng theo công thức sau:
Trang 41 1
2 2
2
0 x < p - δ
p - x
1 - p - δ < x < p δ
μ(x) =
p - x
1 + p < x < p + δ δ
0 x > p + δ
H10: Hàm liên thuộc Fuzzy
3 Kết quả mô phỏng
Tiến hành thực nghiệm với việc dùng bộ điều
khiển Fuzzy để điều khiển biên độ sóng nước
mong muốn cho mô hình phi tuyến Sau đó, tiến
hành kiểm nghiệm dùng bộ Fuzzy, ngõ ra của bộ
Fuzzy là tần số góc w để điều khiển dao động của
cần lắc Cần lắc dao động theo qui tắc của
Madsen(1971), phương trình (1), thì biên độ sóng
nước gần đúng với mong muốn mà còn cho hình
dạng sóng đều hòa theo thời gian
H11: Giá trị sai sốe(t)
H12: Giá trị đạo hàm sai số de(t)
H13: Giá trị bộ điều khiển u(t)
H14: Đáp ứng ngõ ra mong muốn của biên độ A t
H15: Đáp ứng ngõ ra mong muốn của sóng
nước η(t)
4 Kết quả thực nghiệm
Mô hình được thực nghiệm với chiều sâu nước
h = 0.28m , máy tạo sóng kiểu flap với biên độ giao động S /2=0.165/2=0.0825m0 , tại vị trí x=3m
và điều khiển biên độ mong muốnA =2,84cmt
Trang 5H16: Đáp ứng ngõ ra biên độ sóng nước thực
nghiệm và sóng nước lý thuyết
Từ kết quả trên ta thấy sóng nước thực tế được
điều khiển đáp ứng biên độ mong muốn và hình
dạng gần trùng với lý thuyết Madsen(1971) Tuy
nhiên, thời gian đáp ứng của sóng nước thực tế còn
chậm
5 Kết luận
Trên cơ sở mô hình hóa toán học, luật điều khiển
fuzzy được thiết kế để điều khiển biên độ sóng
nước Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy
thuật toán điều khiển đề nghị cho bài toán có thể
áp dụng cho các hệ thống tạo sóng nước trong
phòng thí nghiệm để phục vụ cho các ứng dụng
khác Nghiên cứu tiếp theo đang được thực
nghiệm để tạo ra biên độ sóng nước lớn
Tài liệu tham khảo
[1] M.R Khalilabadi; A.A Bidokhti: Design and Construction of an Optimum Wave Flume
Journal of Applied Fluid Mechanics, Vol 5, No
13, pp 99-105, 2012 [2] Peter Frigaard; Michael Hogedal; Morten Christensen: Wave Generation Theory
Hydraulics & Coastal Engineering Laboratory, Department of Civil Engineering, Aalborg University, 1993
[3] C.M Dong; C.J Huang: On a 2-D Numerical Wave Tank in Viscous Fluid Proc of the 11th
Int’l Offshore and Polar Engineering Conference, Vol 3, pp 148-155, June 2001
[4] Sun qiang: Study of Fuzzy Control Technology in Wavemaking Journal of Ship Mechanics, Vol 6,
No 4, pp 103-107, Aug 2002
[5] Trương Đức Bình: Nghiên cứu Thiết kế và Điều khiển máy tạo sóng nước LVTN Bộ môn Cơ
điện tử, Trường Đại học Bách khoa Tp.HCM, 2011
Đặng Quang Vinh sinh năm
1988 Tốt nghiệp kỹ sư chuyên ngành Cơ Điện Tử Trường Đại Học Sư Phạm
Kỹ Thuật Tp.HCM năm
2011 Hiện là học viên cao học chuyên ngành Cơ điện
tử, khoa Cơ khí, trường đại học Bách Khoa, Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh Hướng nghiên cứu chính là thiết kế điều khiển hệ thống tự động ứng dụng vào sản xuất