Nghiên cứu thiết kế hệ thống tự động điều khiển cân bằng cho các kho nổi

Riêng vấn đề điều khiển cân bằng các phương tiện nổi cỡ lớn và kho nổi, ở trong nước lại càng là vấn đề mới mẻ do tính phức tạp và quy mô của hệ thống, không những phải giải quyết bài to

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TẬP ĐOÀN CÔNG NGHIỆP

TÀU THỦY VIỆT NAM

CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC.03

BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI Nghiên cứu thiết kế hệ thống tự động điều khiển cân bằng

cho các kho nổi

Mã số: KC.03.09/06-10

Cơ quan chủ trì đề tài: Tập đoàn Công Nghiệp tàu thuỷ Việt Nam

Chủ nhiệm đề tài: TS Đặng Xuân Hoài

8203

Hà Nội- 2010

MỤC LỤC

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt viii

Danh mục các bảng x

Danh mục các hình vẽ, đồ thị xi

Lời mở đầu 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÂN BẰNG KHO NỔI, PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG KHO NỔI 10

1.1 Vấn đề cân bằng phương tiện nổi 11

1.2 Các kỹ thuật ổn định chuyển động cuộn cho tàu thuỷ 14

1.2.1 Phương pháp dùng con quay hồi chuyển 16

1.2.2 Phương pháp dùng sống đáy tàu 17

1.2.3 Hệ thống ổn định kiểu vây và kiểu quay bánh lái 18

1.2.4 Phương pháp dùng thùng chứa chống cuộn 20

1.2.4.1 Floating dock of 60000t.m lifeting cacpacity (của Kongsberg Maritime) 22

1.2.4.2 Floating dock “Pride of San Diego” SWM’s 22,000 -tấn 23

1.2.4.3 Barge Ballasting (hãng JPG) 24

1.2.4.4 Dominion Devils Spar : Wieghing, Loadout & Ballast Monitoring của hãng JPG (John Gibson pẹcect) 25

1.3 Phân tích các phương pháp điều khiển cân bằng sức nổi 26

1.4 Lựa chọn phương pháp xây dựng hệ thống tự động cân bằng cho các kho nổi 31

1.5 Hướng giải quyết của đề tài 34

Chương 2 ĐỘNG LỰC HỌC CỦA PHƯƠNG TIỆN NỔI 37

2.1 Lịch sử điều khiển chuyển động cuộn 38

2.2 Phương pháp số để dự đoán các chuyển động của tàu 41

2.3 Hệ thống két chống cuộn thụ động và chủ động 43

2.4 Hệ thống két chủ động chống cuộn dạng chuyển động sáu bậc tự do 47

2.5 Các dạng mô tả động học khác liên quan chuyển động cuộn 50

2.6 Mô hình chuyển động gây ra bởi sóng 53

2.7 Xác định các đạo hàm thuỷ động lực học 55

Chương 3 ỨNG DỤNG CÁC THUẬT TOÁN THÔNG MINH TRONG BÀI TOÁN CÂN BẰNG KHO NỔI 59

3.1 Thuật toán thông minh dựa trên điều khiển logic mờ 61

3.1.1 Điều khiển logic mờ 61

3.1.2 Một số phương pháp sử dụng điều khiển mờ thông dụng 64

3.1.2.1 Thiết kế của các bộ điều khiển mờ giống như-PID 64 3.1.2.2 Điều khiển mờ dựa trên mô hình 69

3.1.3 Phương pháp điều khiển mở ổn định chuyển động cuộn của tàu 81

3.2 Thuật toán thông minh trên cơ sở phương pháp mô hình dự báo 90 3.2.1 Khái quát về điều khiển dự báo dựa trên mô hình 90

3.2.2 RRS: Bài toán điều khiển mang tính thử thách 97

3.2.3 Cấu trúc hệ thống điều khiển lái tự động có giảm lắc RRS 99

3.2.4 Giải pháp điều khiển dự báo mô hình 101

Chương 4 ỔN ĐỊNH ĐỐI TƯỢNG NỔI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THỰC TẾ 106

4.1 Các khái niệm về sức nổi của tàu thuỷ 106

4.1.1 Trọng tâm G 107

4.1.2 Tâm nổi B 107

4.1.3 Khuynh tâm M 109

4.1.4 Chiều cao khuynh tâm 110

4.1.5 Tác dụng của chiều cao khuynh tâm 111

4.1.6 Thí nghiệm về hiện tượng nghiêng tàu 113

4.2 Tính ổn định ngang 114

4.2.1 Các ngẫu lực và các mômem 116

4.2.2 Tính ổn định khuynh tâm 117

4.2.3 Tính ổn định ở các góc lớn hơn 118

4.2.4 Tính ổn định có cạnh tường 119

4.2.5 Ảnh hưởng về tính ổn định gây ra bởi sự thay đổi những vị trí tương đối của B, G và M 121

4.2.6 Tính các mômen xung quanh sống tàu 126

4.2.7 Tính các mômen xung quanh trọng tâm 128

4.2.8 Hiện tượng tròng trành 132

4.2.9 Hiện tượng nghiêng khi tàu đổi hướng 134

4.3 Tính ổn định theo chiều dọc, tức là độ chênh (trim) 135

4.3.1 Quy trình để giải các bài toán độ chênh 138

4.3.2 Tìm vị trí để đặt khối lượng duy trì mớm nước không đổi tại một trong những vị trí thẳng đứng (perpendicular) 144

4.3.3 Mớm nước trung bình thực 147

Chương 5 THIẾT KẾ VÀ CÁC BƯỚC XÂY DỰNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG KHO NỔI, TÀU LASH MẸ 151

5.1 Những két chống cuộn và phương pháp cân bằng kiểu dằn ballast 151

5.2 Nghiên cứu phân tích và các bước thiết kế hệ thống điều khiển cân bằng kho nổi bằng phương pháp dằn kiểu ballast 156

5.2.1 Phạm vi hoạt động và tính năng của đối tượng 157

5.2.2 Giải pháp tạo mômen cân bằng khi thiết kế các khoang két dằn 157

5.2.3 Giải pháp thiết kế hệ động lực bơm van 159

5.2.4 Giải pháp thiết kế hệ thống chức năng đo báo 160

5.2.5 Giải pháp thiết kế hệ thống điều khiển động lực bơm van 161 5.2.6 Giải pháp thiết kế chức năng giao diện 164

5.3 Thiết kế hệ thống tự động cân bằng kiểu dằn ballast cho tàu Lash mẹ 165

5.3.1 Sơ lược quá trình làm hàng trên tàu Lash 167

5.3.2 Quan điểm thiết kế hệ thống tự động điều khiển cân bằng cho tàu Lash mẹ 171

5.3.2.1 Thiết kế khoang két và hệ đo báo két, hệ động lực ống, bơm, van 173

5.3.2.2 Thiết kế thiết bị đo độ nghiêng lệch của tàu 174

5.4 Lựa chọn thiết kế phần cứng cho hệ thống cân bằng tàu Lash 180

5.4.1 Các yêu cầu cơ bản trong việc lựa chọn cấu trúc phần cứng hệ điều khiển PLC 181

5.4.2 Lựa chọn các modul cơ bản 183

5.4.3 Màn hình thao tác người máy HMI 186

5.5 Lập trình chức năng giám sát, điều khiển hệ thống 187

5.5.1 Lập trình chức năng giám sát hệ thống 187

5.5.2 Lập trình chức năng điều khiển hệ thống 198

5.5.3 Cấu trúc của bộ điều khiển mờ trong modul LB05 202

5.5.3.1 Thiết lập các tham số logic mờ 203

5.5.4 Thiết lập các luật mờ điều khiển hệ thống cân bằng trên tàu Lash 208

Chương 6 KẾT QUẢ TRIỂN KHAI THỰC TẾ VÀ LẮP ĐẶT THỬ NGHIỆM SẢN PHẨM CỦA ĐỀ TÀI TRÊN TÀU LASH MẸ 219

6.1 Kết quả triển khai thực tế sản phẩm đề tài 219

6.1.1 Thiết bị xác định độ nghiêng lệch theo 08 phương cơ bản 219

6.1.2 Tủ điều khiển 221

6.1.3 Tủ chuyển mạch cấp nguồn 24VDC cho các bơm, van dằn 222

6.1.4 Tủ chuyển mạch tín hiệu đo cho hệ thống khoang két dằn.222 6.2 Các thao tác vận hành hệ thống tự động cân bằng cho tàu Lash 223 6.2.1 Thao tác điều khiển bằng tay trên bàn điều khiển 223

6.2.2 Chế độ tự động 223

6.2.3 Chế độ bằng tay dự phòng (thao tác cho từng phần tử bơm, van) 224

6.2.4 Chức năng điều khiển tự động (thao tác bơm, van theo nhóm) 226

6.2.5 Điều khiển mờ FUZZY 226

6.3 Vấn đề kiểm tra lắp đặt, thử tính năng hệ thống tại xưởng 227

6.4 Lắp đặt, thử nghiệm hệ thống trên tàu Lash mẹ 229

Chương 7 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 235

7.1 Nội dung nghiên cứu khoa học và triển khai thực nghiệm của Đề tài và phương án thực hiện 235

7.2 Sản phẩm KH&CN chính của Đề tài và yêu cầu chất lượng cần đạt 240

7.2.1 Dạng I 240

7.2.2 Dạng II 242

7.2.3 Dạng III 243

7.2.4 Đánh giá trình độ khoa học của sản phẩm (Dạng II & III) so với các sản phẩm tương tự hiện có 243

7.2.5 Kết quả tham gia đào tạo trên đại học 243

7.2.6 Sản phẩm dự kiến đăng ký bảo hộ quyền sở hữu công nghiệp, quyền đối với giống cây trồng 243

nghiên cứu 244

7.2.7.1 Khả năng về thị trường 244

7.2.7.2 Khả năng về ứng dụng các kết quả nghiên cứu vào sản xuất kinh doanh 244

7.2.7.3 Khả năng liên doanh liên kết với các doanh nghiệp trong quá trình nghiên cứu 245

7.2.7.4 Phương thức chuyển giao 245

7.3 Phạm vi và địa chỉ (dự kiến) ứng dụng các kết quả của Đề tài 246

7.4 Tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu 260

7.4.1 Đối với lĩnh vực KH&CN có liên quan 246

7.4.2 Đối với tổ chức chủ trì và các cơ sở ứng dụng kết quả nghiên cứu 246

7.4.3 Đối với kinh tế - xã hội và môi trường 247

7.5 Mức độ sẵn sàng chuyển giao, thương mại hoá kết quả nghiên cứu 247

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 249

TÀI LIỆU THAM KHẢO 251

PHỤ LỤC TỔNG HỢP SỐ LIỆU 257

LỜI MỞ ĐẦU

Cân bằng nổi, hay nói cách khác là giữ cho phương tiện nổi đứng thẳng

trên mặt phẳng nước, bao gồm cân bằng ngang theo độ lệch giữa các mạn (lift hay heel), cân bằng dọc liên quan đến mớn nước mũi và đuôi (trim) là một đặc tính quan trọng không thể thiếu của các phương tiện nổi Khi nghiên cứu

về cân bằng phương tiện nổi, một vấn đề kỹ thuật được xem là mấu chốt đề giải quyết bài toán là chuyển động cuộn (hay roll) của phương tiện Có rất nhiều lý do để cần cố gắng kiểm soát và làm giảm chuyển động cuộn của tàu, loại chuyển động liên quan đến hầu hết các nghiên cứu quá trình ổn định phương tiện nổi, tàu thuỷ Chuyển động cuộn theo mạn luôn gắn với hiện tượng nghiêng lệch (lift hay heel), trong khi chuyển động cuộn kiểu nhấp nhô (dọc thân tàu) lại luôn gắn với hiện tượng chúi mũi hoặc chúi đuôi (trim) Chuyển động cuộn là một chuyển động không mong muốn cho hầu hết các tàu thuyền Tàu chuyển động cuộn với biên độ lớn có thể dễ dàng dẫn đến bị lật, sẽ gây ra những thiệt hại về người và tài sản Quá nhiều chuyển động có thể gây trở ngại cho hoạt động của các thuyền viên, hành khách, giảm năng lực sẵn sàng chiến đấu của tàu hải quân, gây ra sự mất mát container trên tàu thuyền chở hàng, và làm giảm các thông số hoạt động của tàu Hơn nữa, chuyển động cuộn là thành phần không mong muốn và gần như là chuyển động lớn của tàu cần phải được hạn chế Kiểm soát, giảm chuyển động cuộn của tàu là một vấn đề quan trọng trong các tình huống như vậy

Trải qua lịch sử nhiều năm nghiên cứu về lĩnh vực tàu thuyền và phương tiện nổi, các nhà khoa học trên thế giới đã đề xuất nhiều loại thiết bị điều khiển chuyển động cuộn và nhiều trong số đó đã và đang được ứng dụng vào thực tế Hầu hết chúng được sử dụng nhằm giảm chuyển động cuộn một cách hợp lý so với trọng lượng của tàu Các phương pháp thực hiện điều khiển chuyển động cuộn đã được đề xuất và nghiên cứu bao gồm hệ ổn định kiểu con quay (gyroscopic), ổn định kiểu két chống lắc (hay chống cuộn, anti roll

tank), phương pháp dùng vây (fin), ổn định kiểu di chuyển trọng lượng và hệ lái ổn định cuộn (ruder roll stability) Các công trình tiêu biểu nghiên cứu liên quan đến vấn đề này có thể kể đến như dùng ổn định kiểu vây [1], [2], [3], [11], dùng con quay hồi chuyển [7], [9], ổn định kiểu quay bánh lái [4], [5],

ổn định bằng cách di chuyển trọng lượng [14], [15], ổn định kiểu dằn (ballast) bằng các thùng chứa [6] Với những thiết bị này, nhiều thuật toán điều khiển

đã được thực hiện và triển khai, từ phương pháp cổ điển, chẳng hạn như PID [44], [45], kiểm soát tối ưu [4], và tiếp cận các phương pháp hiện đại, chẳng hạn như điều khiển thích nghi dựa trên kế hoạch được lập thành bảng [46], hay kiểm soát trên các mạng nơron [15], [46], [47], và điều khiển logic mờ [30], [32] Việc nghiên cứu thiết kế chế tạo các hệ thống như vậy thường mất nhiều thời gian, tốn kém do độ phức tạp cả lý thuyết lẫn vật tư thiết bị và đặc biệt đòi hỏi có cơ sở lý thuyết và kinh nghiệm về đối tượng nổi, nơi hệ thống được trang bị

Một thực tế hiển nhiên là hầu hết các vấn đề về nghiên cứu thiết kế trên tàu thuỷ nói riêng và phương tiện nổi nói chung đều liên quan đến đặc trưng

cơ bản nhất của đối tượng này, đó là vấn đề động học liên quan đến sức nổi (buyoancy) của đối tượng Riêng vấn đề điều khiển cân bằng các phương tiện nổi cỡ lớn và kho nổi, ở trong nước lại càng là vấn đề mới mẻ do tính phức tạp và quy mô của hệ thống, không những phải giải quyết bài toán trên quan điểm của lĩnh vực điều khiển các hệ thống dạng co giãn kiểu đàn hồi, dạng nhiều đầu vào, nhiều đầu ra với tham số bất định và có trễ v.v, mà còn phải giải quyết bài toán trên quan điểm về vấn đề thuỷ khí động lực học sức nổi Cho đến nay, trừ các tàu thông dụng (theo series) được đóng với số lượng lớn, vấn đề động học của các tàu lớn và phương tiện nổi cỡ lớn hay loại đặc biệt vẫn là vấn đề hóc búa đối với các nhà khoa học trên thế giới Các mô hình động học đưa ra đều là các mô hình gần đúng dựa trên các kết quả thực nghiệm Mặc dù vậy, các mô hình mang tính thực nghiệm kiểu này cũng rất

hạn chế, chỉ một vài quốc gia có trình độ cao về công nghệ đóng tàu, có cơ sở vật chất và phòng thi nghiệm thuỷ, khí động lực học hiện đại (chẳng hạn bể thử mô hình) mới có điều kiện nghiên cứu Các hệ thống cân bằng hiện tại đang có mặt tại Việt nam (nhập mới hoặc trên các tàu, phương tiện nổi đang khai thác), được các hãng lớn nước ngoài nghiên cứu chế tạo trên dựa trên cơ

sở vật chất, lượng thông tin cả về mặt lý thuyết lẫn thực tế, kinh nghiệm trong lĩnh vực tàu thuyền và phương tiện nổi rất phong phú Giá thành một hệ thống mang đặc thù về bề dày phát triển, tiềm lực khoa học và bí quyết công nghệ trong ngành công nghiệp đóng tàu như vậy thực tế là quá đắt, gây một áp lực cho các nhà máy đóng và sửa chữa tàu trong nước ở thế bị động, đặc biệt là về vấn đề tài chính để nhập khẩu trang thiết bị phục vụ kịp thời công tác đóng mới và sửa chữa Thực trạng hiện nay, ngành công nghiệp đóng tàu Việt nam chưa đủ khả năng cả về mặt lý thuyết lẫn thực nghiệm để có thể đưa ra được các mô hình toán và mô hình thực nghiệm kiểu vật lý cho các tàu lớn, tàu đặc biệt và nhiều loại phương tiện nổi khác Đây là một trở ngại lớn trong việc giải quyết hàng loạt bài toán liên quan mật thiết với động học của các đối tượng này, trong đó có cả bài toán cân bằng kho nổi Vấn đề này hiện nay thực sự trở nên bức xúc khi chúng ta đang chuẩn bị cho một giai đoạn phát triển mới, giai đoạn đóng tàu và các phương tiện nổi cỡ lớn, bắt buộc chúng ta phải có trình độ, hiểu biết về các thiết bị, hệ thống trên phương tiện này đề từng bước làm chủ từ khâu thiết kế, chế tạo, lắp đặt, vận hành và khai thác phương tiện an toàn và hiệu quả Chính vì vậy, tác giả đã đề xuất đề tài

“Nghiên cứu thiết kế hệ thống tự động điều khiển cân bằng cho các kho

nổi”, nhằm đáp ứng nhu cầu trang bị cho các phương tiện nổi cỡ lớn đã đang

và sẽ đóng mới trong nước và xa hơn tiến đến việc xuất khẩu

Để giải quyết được các vấn đề khó khăn đã nêu, đặc biệt là sự hạn chế về khả năng hiểu biết động học của các đối tượng nổi cỡ lớn ở điều kiện hiện tại trong nước, đề tài tập trung giải quyết các vấn đề:

1, Về lý thuyết, đề tài phải nghiên cứu áp dụng các công cụ lý thuyết mạnh, có khả năng giải quyết được các bài toán phức tạp mang nhiều yếu tố bất định trên cơ sở thiết lập được các thuật toán thông minh Các thuật toán phải linh hoạt trong giải pháp và mạnh mẽ trong tính toán Các công cụ lý thuyết được chọn là giải pháp điều khiển theo mô hình dự báo MPC thích hợp cho việc dự báo hành vi của các đối tượng phức tạp trong tương lai đồng thời đưa ra được chiến lược điều khiển tối ưu, trong khi điều khiển Logic mờ FLC lại giải quyết được các bài toán mà việc mô tả toán học của đối tượng bị hạn chế và tri thức chuyên gia lại đóng vai trò rất quan trọng Đây là những công

cụ lý thuyết đủ mạnh đẻ giải quyết bài toán cân bằng trên các đối tượng nổi

2, Về mặt thiết kế và tích hợp hệ thống, hệ thống cân bằng trên phương tiện nổi phải được thiết kế trên các phần tử có độ tích hợp cao, có khả năng lập trình linh hoạt và đặc biệt là được tích hợp các tính năng để thực hiện được các thuật toán thông minh Để thực hiện được yêu cầu này, hệ thống tự động cân bằng kho nổi (áp dụng cụ thể trên tàu Lash) được thiết kế trên PLC được tích hợp nhiều tính năng mới

Ngoài ra, trong quá trình triển khai để tài, việc nghiên cứu động học của đối tượng nổi, các vấn đề ổn định và phương pháp tính toán thực tế liên quan đến việc cân bằng đối tượng nổi được xem xét để hiểu rõ hơn bản chất của vấn đề nhằm áp dụng phương pháp đã đề xuất có hiệu quả

Việc nghiên cứu thành công đề tài này sẽ mở ra một triển vọng lớn trong việc áp dụng các tiến bộ về khoa học công nghệ, đặc biệt là các tiến bộ vượt bậc cả về lý thuyết lẫn công nghệ tích hợp hệ thống trong tự động hoá để giải quyết nhiều bài toán phức tạp trong lĩnh vực đóng tàu Ngoài ra, thành công của đề tài sẽ góp phần khuyến khích công tác nghiên cứu, thiết kế và chế tạo nhiều sản phẩm có chất lượng cao, tăng cường năng lực nội địa hoá trang thiết

bị vật tư cho ngành công nghiệp đóng tàu trong nước

Toàn bộ kết quả nghiên cứu của đề tài được trình bày trong các phần chính sau:

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÂN BẰNG KHO NỔI, PHÂN TÍCH

VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG KHO NỔI

Chương này nêu tổng quan các công trình nghiên cứu đã có trong và ngoài nước liên quan mật thiết đến đề tài, tập trung phân tích các phương pháp điều khiển cân bằng sức nổi trên cơ sở xét các nguyên lý làm việc, khả năng ứng dụng, ưu nhược điểm đối với từng phương pháp, giới hạn phạm vi nghiên cứu (đề xuất lựa chọn phương pháp điều khiển cân bằng kiểu Auto heel and trim control), nêu những vấn đề còn tồn tại (trở ngại trong nghiên cứu khi phải đối mặt với tính bất định, độ phi tuyến cao và nhiều vấn đề liên quan đến động học của phương tiện nổi), chỉ ra những vấn đề mà đề tài cần giải quyết (phương pháp phải mang tính thông minh, tính thích nghi trong giải

rộng) Phương pháp điều khiển cân bằng kiểu Auto heel and trim control là phương pháp được được chú ý đi sâu phân tích, được tìm hiểu một cách kỹ lưỡng thông qua phân tích các hệ thống đã và đang được sử dụng trên các phương tiện nổi cỡ lớn Do tính phổ dụng và những ưu điểm vượt trội trong ứng dụng, phương pháp Auto heel and trim control là phương pháp được đề

xuất lựa chọn để nghiên cứu trong đề tài Kết quả nghiên cứu được ứng dụng trên tàu Lash mẹ chở xà lan

Chương 2 ĐỘNG HỌC CỦA PHƯƠNG TIỆN NỔI

Mục đích của chương này là tìm hiểu hành vi của đối tượng nổi thông qua động học của nó xét trong những điều kiện khác nhau để nghiên cứu áp dụng chúng một cách có hiệu quả Động học của đối tượng nổi liên quan đến chuyển động cuộn và ổn định chuyển động cuộn đã được xét ở các mức độ khác nhau, từ đơn giản dạng mô tả kiểu Servo bậc hai đến dạng 6 bậc tự do có

tính phi tuyến cao Ngoài ra, tham số thuỷ động học liên quan đến động học

của đối tượng, các phương pháp xác định chúng và mức độ phức tạp của vấn

đề cũng được đề cập Các mô tả động học trong chương hoàn toàn đáp ứng về

nhu cầu nghiên cứu sâu trong việc áp dụng các dạng lý thuyết điều khiển để

giải quyết bài toán chuyển động của đối tượng nổi

Chương3 ỨNG DỤNG CÁC THUẬT TOÁN THÔNG MINH

TRONG BÀI TOÁN CÂN BẰNG KHO NỔI

Chương này đề cập đến khái niệm thuật toán thông minh và ứng dụng

thuật toán thông minh trong vấn đề giải quyết bài toán cân bằng phương tiện

nổi Các thuật toán điều khiển Logic mờ FLC và thuật toán điều kiển theo mô

hình dự báo MPC đã được phân tích khá sâu trên quan điểm tìm hiểu bản chất

và khả năng ứng dụng chúng trong bài toán cân bằng đối tượng nổi Hai áp

dụng điển hình, một cho việc ứng dụng điều khiển Logic mờ và một cho việc

ứng dụng phương pháp điều khiển mô hình dự báo MPC trong việc giải quyết

bài toán ổn định cho đối tượng nổi, là vấn đề được quan tâm nhất trong

chương này Thông qua việc nghiên cứu hai ứng dụng này, có thể thấy, việc

áp dụng các thuật toán thông minh vào các ứng dụng cụ thể, đặc biệt là các

bài toán liên quan đến động học cho đối tượng nổi rất có triển vọng và đầy

hứa hẹn Khả năng giải quyết được bài toán trong điều kiện thiếu thông tin về

đối tượng của phương pháp điều khiển logic mờ sẽ là lựa chọn để nghiên cứu

sâu và kỹ hơn trong các chương tiếp theo

Chương 4 ỔN ĐỊNH ĐỐI TƯỢNG NỔI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THỰC TẾ

Chương này phân tích các vấn đề liên quan đến sức nổi, tính ổn định của

đối tượng nổi, đặc biệt là tàu thuỷ theo hai nội dung chính: vấn đề ổn định

ngang (sự nghiêng và mặt nghiêng – heel and list) và ổn định dọc (hay độ

chênh– trim) Xuyên suốt nội dung của chương là các kiến thức cơ bản nhất

khi nghiên cứu các vấn đề liên quan đến tính ổn định và sức nổi cho đối tượng

nổi Ở mức độ của người nghiên cứu lý thuyết thì những kiến thức này không thể thiếu trong quá trình nghiên cứu về đối tượng nổi, bao gồm cả từ khái niệm thuật ngữ cho đến những nguyên tắc cơ bản nhất trong vấn đề nghiên cứu đối tượng Ở đây, các nguyên lý về tính toán lực, mô men, xác định vị trí trọng tâm G, tâm nổi B, khuynh tâm M của đối tượng nổi là nền tảng cực kỳ quan trọng trong việc giải quyết các bài toán ổn định đối tượng nổi và điều khiển sức nổi Mặc dù kiến thức đưa ra thảo luận trong chương là rất cơ bản nhưng hoàn toàn đáp ứng được mong muốn giải quyết các bài toán rất thực tế khi nghiên cứu đối tượng nổi Hàng loạt ví dụ trong phần trình bày đã cho thấy những kiến thức đưa ra hoàn toàn có thể giải quyết rất nhiều vấn đề từ đơn giản đến phức tạp, xoay quanh việc tính toán việc ổn định, tính toán điều chỉnh sức nổi, tính toán các điều kiện thay đổi tải trọng để giữ cân bằng đối tượng nổi Những kiến thức ở chương này sẽ là cơ sở cho việc giả quyết nhiều vấn đề liên quan đến điều khiển sức nổi, vấn đề ổn định đối tượng nổi

Chương 5 THIẾT KẾ VÀ CÁC BƯỚC XÂY DỰNG HỆ THỐNG

TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG KHO NỔI, TÀU LASH MẸ

Chương này đã đề cập đến những vấn đề liên quan đến quá trình xem xét thiết kế và xây đựng hệ thống tự động cân bằng cho phương tiện nổi và kho nổi nói chung và cho tàu Lash nói riêng theo phương pháp dằn (kiểu ballast) Việc thiết kế hệ thống điều khiển cân bằng kiểu dằn cho tàu Lash đã được phân tích sâu bao gồm từ giải pháp thiết kế, chọn cấu trúc phần cứng (trên hệ PLC), việc thiết kế phần mềm chức năng giao diện giám sát và điều khiển Các vấn đề về điều khiển mờ, cấu trúc bộ điều khiển mờ trong phần cứng được lựa chọn và thuật toán điều khiển cũng đã được mô tả chi tiết Ngoài ra, chương này cũng đã đề cập đến việc thiết kế thiết bị đo nghiêng lêch, một thiết bị đóng vai trò rất quan trọng trong hệ thống điều khiển cân bằng phương tiện nổi Các kết quả ở chương này thực sự là nền tảng cho việc triển khai lắp đặt và thử nghiệm hệ thống cân bằng trên tàu Lash

Chương 6 TRIỂN KHAI THỰC TẾ VÀ LẮP ĐẶT THỬ NGHIỆM SẢN PHẨM CỦA ĐỀ TÀI TRÊN TÀU LASH MẸ

Chương này mô tả các công việc triển khai lắp đặt thiết bị của hệ thống

tự động cân bằng trên tàu Lash, các sản phẩm thực tế được lắp ráp và hoàn thành tại xưởng, việc kết nối và thử nghiệm tính năng hoạt động của hệ thống tại xưởng có sự giám sát của đại diện cơ quan đăng kiểm Phần cuối cùng dành để trình bày công tác chuẩn bị triển khai lắp đặt thiết bị trên tàu Lash, quá trình thử nghiệm hệ thống trên tàu Lash

Chương 7 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

Phần này nêu các kết quả mà đề tài đạt được, đánh giá về số lượng và chất lượng so với hợp đồng KHCN và thuyết minh đã đăng ký

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Đề xuất việc sử dụng và áp dụng các kết quả nghiên cứu của đề tài

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Nêu danh mục các tài liệu được trích dẫn, sử dụng và đề cập tới để nghiên cứu và bàn luận trong báo cáo

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÂN BẰNG KHO NỔI, PHÂN TÍCH

VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG

ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG KHO NỔI

Các cấu trúc nổi rất lớn VLFS (Very large floating structures) là đối tượng nổi có thể bố trí cạnh bờ cũng như ở ngoài khơi xa bờ VLFS hay VLFF (Very Large Floating Flatforms) có thể được kết cấu để làm sân bay nổi như (The Mega-Float, a floating airport prototype Tokyo Bay, Japan.), cầu nổi như (Yumemai floating bridge, Osaka, Japan), đê chắn sóng, cầu tàu,

âu nổi, thiết bị kho chứa FSO (Floating Storage and Offloading vessels), các trạm năng lượng sức gió hoặc mặt trời, cho mục đích quân sự, mặt bằng khu công nghiệp, trạm cấp cứu, thiết bị giải trí, công viên giải trí, các cấu trúc xa

bờ di động, thậm chí có thể dùng làm nơi cư trú Thực sự, vấn đề cuối cùng đáng kỳ vọng sớm trở thành hiện thực so với các vấn đề khác Người ta đã đưa ra nhiều quan điểm xây dựng thành phố nổi hoặc tổ hợp sống phức tạp VLFS có thể chia thành hai loại: kiểu pontoon (kiểu phao) hoặc kiểu nửa chìm (semi-submersible) Kiểu cũ có cấu trúc đơn giản, phẳng, có tính ổn định cao, giá thành chế tạo thấp, dễ bảo trì, sửa chữa Khi ngoài khơi có gió

to, sóng lớn, VLFS thường có cấu trúc kiểu nửa chìm (được dằn bằng hệ thống các khoang két có thể xả vào hoặc bơm nước biển ra) để giảm thiểu ảnh hưởng của sóng trong quá trình duy trì sức nổi không thay đổi Cấu trúc nửa chìm thường được sử dụng cho mục đích khai thác dầu, khí và nhiều mục đích khác Chúng được cố định bởi các cột kiểu ống, đóng cừ hoặc các hệ gia cường và điều khiển cân bằng (ngang) bằng hệ thống điều khiển dằn kiểu ballast (điều khiển mức chất lỏng trong các két) Trái lại, kiểu pontoon (kiểu phao) đơn thuần phải nổi trên mặt biển, là một cấu trúc rất linh hoạt so với các kiểu cấu trúc ngoài khơi, do đó vấn đề biến dạng kiểu co giãn (elatics) rất quan trọng trong chuyển động vật thể rắn của chúng Như vậy, việc phân tích VLFS chính là phân tích hiện tượng co giãn thủy động học của VLFS cùng

với chuyển động của VLFS Đáp ứng của VLFS trên sóng, nước và tác động của nó trên toàn miền chất lỏng trở thành các vấn đề lớn đang được nỗ lực nghiên cứu [29].

1.1 Vấn đề điều khiển cân bằng sức nổi

Các kho nổi thường hoạt động trong điều kiện mang tính đặc thù trên môi trường nước, bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố môi trường khắc nghiệt như sóng, gió, dòng chảy, chế độ làm việc và tình trạng tải trọng v.v , nên việc điều hành các hoạt động trên kho nổi, phương tiện nổi phức tạp hơn là các trạm, kho ở trên đất liền Các công trình nghiên cứu như [14], [15], [16] đã chỉ ra rằng, kho nổi và hầu hết phương tiện nổi là đối tượng mà động học của

nó rất phức tạp, có đến 6 bậc tự do, có chu kỳ giao động riêng, hoạt động dựa trên nguyên lý sức nổi nên vấn đề điều chỉnh các quá trình động học, đặc biệt

là quá trình cân bằng ngang (tức là giữ cho phương tiện nổi thẳng đứng trên mặt phẳng nước) luôn được đặt ra nhằm đảm bảo cho phương tiện đó hoạt động được một cách tối ưu, an toàn cho phương tiện, thiết bị và con người Đối với các phương tiện nổi tự hành, việc cân bằng nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của máy lái, hiệu quả hoạt động của chân vịt, giảm rung do hệ động lực của chân vịt, máy chính, giảm các ứng suất nguy hiểm do sự chênh lệch

áp suất trên bề mặt diện tích vỏ của phần thể tích lượng chiếm nước v.v Về nguyên tắc, bánh lái và chân vịt hoạt động có hiệu quả khi ngập hẳn dưới nước (tạo được được mô men lái và lực đẩy chân vịt lớn) Nếu tàu bị chúi mũi (trim) và chân vịt hở, tốc độ con tàu có thể bị giảm rất nhiều nhưng máy chính hoàn toàn có thể bị quá tốc độ do nhẹ tải và biên độ rung có thể tăng lên rất lớn cực kỳ nguy hiểm

Khi tàu bị nghiêng mạn (lift hay heel), tính điều khiển được của con tàu

bị giảm, nhất là trường hợp bánh lái và hệ trục chân vịt được phân bố đối xứng theo sống tàu Trong trường hợp này, mô men lái và lực đẩy chân vịt có

độ chênh lệch lớn giữa các bên, rất khó giữ được hướng chuyển động của con

tàu theo hành trình Trong một số trường hợp, sự nghiêng mạn là nguyên nhân

xô lệch và trôi, dồn tải trọng rất nguy hiểm như trên các tàu chở công ten nơ

(xem Hình 1.1) Chính vì vậy trên các loại tàu này, thường yêu cầu được trang

bị các két đặc biệt chống lắc (tank anti-roll) và hệ thống tự động điều chỉnh theo các độ nghiêng lệch (Auto heel) Các két chống lắc này sẽ tạo ra các đối trọng phù hợp theo trạng thái nghiêng lệch để vừa tạo cân bằng vừa chống lắc cho phương tiện Trên hình Hình 1.2 minh họa các trạng thái nghiêng lệch ngang (heel) và nghiêng lệch dọc (trim)

Hình 1.1 Thử nghiệm về sự nguy hiểm do nghiêng lệch trên tàu công ten nơ

Hình 1.2 Các trạng thái nghiêng lệch heel và trim Ngoài các két chống lắc kiểu anti-roll, các tàu này còn được trang bị thêm két ở mũi (thậm chí cả ở phía đuôi) để điều chỉnh độ lệch dọc của tàu theo mớn nước mũi và đuôi (trim) Trong trường hợp như vậy hệ thống điều khiển cân bằng có thêm chức năng điều chỉnh độ lệch dọc (Auto heel and trim control) Các két anti–roll và các két dùng để hiệu chỉnh lệch dọc (trim) là các

két có dung tích lớn so với các két ballast (két dằn) thông thường Mỗi két này

có thể chứa hàng trăm, thậm chí hàng nghìn mét khối nước bên trong nên tác động kiểu đối trọng của chúng là rất hiệu quả Tuy vậy, thể tích nước trong két này luôn được khống chế trong khoảng từ 10-90% thể tích, bảo đảm độ dự trữ sức nổi trong mọi trường hợp phải thao tác dịch chuyển lượng nước bên trong [6], [15]

Đối với phương tiện nổi thụ động (không được trang bị hệ động lực đẩy chính), việc cân bằng là điều kiện tất yếu đảm bảo các tính năng của phương tiện, chẳng hạn các âu nổi, sân bay nổi, các cầu nổi, khách sạn nổi luôn phải ở trạng thái cân bằng trong quá trình hoạt động Các công trình nghiên cứu về kết cấu nổi, điển hình như [16], [17], [18] đã chỉ ra rằng, rất nhiều phương tiện nổi khi hoạt động phải có được tính năng cân bằng sức nổi một cách mềm mại (smooth) trong các điều kiện thời tiết, thuỷ triều lên xuống, khi chất tải lên hoặc dỡ bớt tải ra khỏi phương tiện Trong quá trình khai thác hệ thống cầu tàu nổi cho tàu chở ô tô đang hoạt động tại Ujina Nhật bản, ở Vancouver Canada, người ta thấy rằng, các cầu tàu này phải bảo đảm điều chỉnh được sức nổi để tạo đươc độ cân bằng ngang và độ dốc hợp lý ở hai đầu cầu (giữa cảng và cầu, giữa cầu và tàu) để ô tô dễ lên, xuống khi thuỷ triều thay đổi và khi mớm nước của tàu thay đổi do lương ô tô trên tàu liên tục thay đổi Nguyên tắc này được tuân thủ nghiêm ngặt hơn khi dịch chuyển các kết cấu siêu trường, siêu trọng từ cảng xuống phương tiện nổi hoặc ngược lại Trong trường hợp này, độ phẳng ngang giữa mặt phẳng bến cảng và mặt phẳng của phương tiện nổi được tính toán điều chỉnh ở mức tốt nhất có thể được (bằng cách điều chỉnh sức nổi của phương tiện nổi thông qua lượng nước trong các két dằn) Với phương tiện nổi cở lớn dạng kho chứa nổi dùng để chuyên chở, chứa và xuất dầu thô dạng lỏng, một yêu cầu đặt ra là phải đo đựợc lượng dầu trong các khoang chứa, càng chính xác càng tốt để bảo đảm không những việc nhận và xuất dầu thô một cách chính xác mà còn tránh đuợc hiện tượng xuất

hiện các ứng suất nguy hiểm lên thành vỏ phương tiện do không kiểm soát được áp suất trong các khoang chứa Lý do là mức dầu trong các khoang két này phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ, có thể ở trạng thái đông đặc khi nhiệt độ xuống thấp, và cũng có thể ở trạng thái rất lỏng khi được hâm nóng bởi bộ phận hâm dầu Khi được hâm nóng, thể tích dầu tăng lên, làm tăng áp suất trong khoang chứa, còn khi đông đặc thể tích dầu giảm, trong khoang chứa có thể xuất hiện áp suất kiểu chân không Áp suất này luôn luôn được tính toán theo mức dầu, nhiệt độ, hệ số giản nở và nhiều yếu tố vật lý khác liên quan đến loại dầu lỏng trong khoang chứa Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng, yếu tố quan trọng để kiểm soát được áp suất trong từng khoang két là phải đo được chính xác mức dầu trong các khoang két, và để thỏa mãn điều này, kho nổi phải được giữ ở trạng thái cân bằng Cũng giống các tàu chở công ten nơ, hiện nay, Công ước quốc tế về tàu biển yêu cầu các tàu chở dầu có trọng tải trên 20 ngàn tấn phải được trang bị các két chống lắc anti-roll [13]

Ngoài vấn đề vừa nêu, điều kiện cân bằng cũng là điều kiện cho các tính năng khác của phương tiện nổi hoạt động được an toàn, chẳng hạn việc cất hạ cánh lên, xuống sân bay trên kho nổi và phương tiện nổi cỡ lớn (đòi hỏi sân bay phẳng, góc nghiêng và biên độ nhấp nhô thấp v.v ), nhiều thiết bị trên phương tiện nổi như cầu thang máy không thể hoạt động nếu góc nghiêng lớn Chính vì vậy, vấn đề cân bằng phương tiện nổi nói chung và kho nổi luôn là vấn đề được quan tâm, bắt đầu từ khâu thiết kế, thi công đóng mới cho đến các quá trình khai thác phương tiện Các hệ thống này không cần thiết trên đất liền nhưng không thể thiếu trên các kho nổi hoặc các trạm nổi và nhiều loại phương tiện nổi khác

1.2 Các kỹ thuật ổn định chuyển động cuộn cho tàu thuỷ

Những yếu tố đầu tiên dẫn đến việc ổn định chuyển động cuộn (loại chuyển động chính gây nên các hiện tượng nghiêng lệch) hay còn được gọi là SRS (Ship roll stability), tốt là sự phân bố tải trọng và việc thiết kế thân tàu

cẩn thận [4], [9] Froude đã khẳng định yếu tố kích thích chuyển động lắc lư của tàu không phải là chiều cao hay độ dốc của sóng trong tài liệu còn phôi thai của ông về sự lắc lư của tàu thuỷ từ năm 1861 Ông đã chú thích thêm rằng, sóng ngắn xuất hiện dốc hơn sóng dài nên không có ưu điểm nào về việc

cố làm giảm chu kỳ lắc lư tự nhiên của tàu Thay vào đó, chu kỳ này được mở rộng nhiều đến mức có thể để tránh sự đồng bộ hoá (cộng hưởng) với tần số kích thích của sóng Điều này chỉ có thể đạt được bằng cách :

• Làm tăng mô men quán tính

• Làm giảm tính ổn định bề ngang

Yếu tố thứ nhất hoàn toàn có liên quan đến sự phân bố trọng tải trên tàu, nhưng trái lại yếu tố thứ hai lại liên quan đến hình dáng thân tàu Về phần hình dáng thân tàu và sự giảm lắc, việc làm tăng đáng kể sự giảm lắc có thể đạt được bởi những thân tàu có thiết kế với bán kính đáy tàu nhỏ, và việc bố trí những trang thiết bị phụ thuộc được định vị càng xa đến mức có thể so với trọng tâm [9], [14]

Mặc dù những cố gắng tốt đã mở rộng chu kỳ tự nhiên của tàu, nhưng điều đó không thể tránh được những kích thích của sóng gây ra hiện tượng lắc

lư ở một vài điều kiện khi đi xa Hơn nữa sự giảm lắc của thân tàu có thể không đủ để làm giảm chuyển động cuộn đến những mức như mong muốn Với những nguyên nhân này, tàu cần được trang bị những hệ thống chống chuyển động cuộn

Như đã được nhận xét trong [21], nếu xem xét những mẫu ghi được khi quan sát hiện tượng lắc lư của tàu, có một số lớn những mẫu đưa ra mà từ đó chỉ một một vài đáp ứng được nguyên mẫu ban đầu Hơn nữa, tác giả còn đưa

ra những quan sát và nhận xét rằng, hiệu quả của tất cả những bộ thăng bằng phụ thuộc vào chuyển động của khối lượng và do đó chúng có thể được phân loại theo ba tính chất cơ bản:

1, Kiểu chuyển động

• A (gia tốc) Mô men rút gọn được đưa ra bởi gia tốc khối lượng

• D (trọng lượng rẽ nước của tàu) Mô men rút gọn được đưa ra bởi tác động của trọng tâm trên khối lượng di chuyển

2, Vị trí

• I (bên trong ) Khối lượng ở bên trong tàu

• E (bên ngoài) Khối lượng ở bên ngoài tàu

3, Kiểu khối lượng

• S (chất rắn) Khối lượng là chất rắn

• F (chất lỏng) Khối lượng là chất lỏng

Rõ ràng, không phải những sự kết hợp ở trên là có thể Phần dưới đây cung cấp tổng quan về những nguyên lý làm việc của những thiết bị này và thảo luận về những ưu và nhược điểm của chúng

1.2.1 Phương pháp dùng con quay hồi chuyển

Hình 1.3 Sử dụng con quay hồi chuyển trong hệ thống cân bằng tàu

Kiểu con quay hồi chuyển (xem Hình 1.3) của bộ thăng bằng sử dụng những hiệu ứng hồi chuyển của bánh lái ở tốc độ quay chuyển lớn tạo ra mô

men rút gọn Cách sử dụng những hiệu ứng hồi chuyển đã được đề nghị như

là phương pháp để loại bỏ lắc đúng hơn là làm giảm nó Phương pháp này hiện nay không được sử dụng, nhưng nếu cần quan tâm đến có thể nghiên cứu trong nhiều tài liệu tham khảo như [16]

1.2.2 Phương pháp dùng sống đáy tàu

Sống đáy tàu (xem Hình 1.4) là dạng đơn giản nhất của bộ thăng bằng được sắp xếp bố trí thông thường Đây là những sống tàu hẹp dài đã được dựng lên theo sử đổi hướng của đáy tàu Mục đích sử dụng những sống đáy tàu được đưa ra trước Fruode ở giữa thế kỷ 19

Những sống đáy tàu làm tăng độ suy giảm lắc lư của thân tàu bằng cách tạo ra những lực kéo mà tác động vuông góc với sống tàu và chống lại những chuyển động lắc lư Theo cách này, động năng đã kết hợp với chuyển động lắc lư được biến đổi thành động năng của chất lỏng bởi những hiệu ứng dính (tung ra xoáy nước) Ưu điểm chính của những sống đáy tàu là :

• Tạo được sự suy giảm lắc tương đối hiệu quả, đặc biệt là ở những tốc

độ chậm Hiệu quả đạt được sự suy giảm góc lắc ở trong miền 10 – 20% (RMS) [4]

• Mức độ cần bảo trì thấp, không cần thiết phải có những thiết kế đặc biệt đối với thân tàu

• Không chiếm không gian, không làm tăng đáng kể trọng lượng chết

• Giá thành thấp và lắp ráp dễ dàng

Một vài nhược điểm của sống đáy tàu được chỉ ra như sau:

• Làm tăng sức cản của thân tàu trong những điều kiện nước tĩnh (khi sự làm giảm lắc lư là không cần thiết) Mặc dù điều này đã được làm giảm bớt đi bởi việc điều chỉnh cần thận phù hợp với hình dáng khí động của thân tàu, sự tăng sức cản trong nước tĩnh có thể vẫn là đáng kể [9]

• Không phải tất cả các loại tàu đều có thể phù hợp với phương pháp giảm lắc kiểu sống đáy tàu Ví dụ như, chúng có thể là bài toán tiềm tàng khó

giải đối với những tàu đánh cá sử dụng lưới, và rất dễ gây nguy hiểm cho những tàu phá băng

Để chi tiết hơn về việc thực hiện, kích thước của những sống tàu, có thể xem [4], [14] và những tài liệu tham khảo trong đó

Hình 1.4 Sự xếp bố trí dằn đáy sống tàu

1.2.3 Hệ thống ổn định kiểu vây và kiểu quay bánh lái

Hệ thống bổ trợ cho việc ổn định cân bằng kiểu vây (fin stabiliser) (xem Hình 1.5) thường lắp đối xứng hai bên mạn Mục đích của các hệ thống bổ trợ

ổn định kiểu vây hoặc kiểu quay bánh lái (Rudder Roll Stabilization System) chủ yếu là tạo ra các mô men có khả năng làm suy giảm các mô men, gây ra hiện tượng mất cân bằng đối tượng nổi, xuất hiện do chế độ hoạt động của phương tiện, chẳng hạn như mô men xuất hiện do lực ly tâm ở chế độ quay trở, mô men mất cân bằng do sóng gió trên hành trình v.v Các mô men này được tạo ra bằng cách liên tục dịch chuyển bánh lái theo một chiến lược điều khiển đặc biệt (đối với hệ thống ổn định kiểu quay bánh lái) hoặc là điều chỉnh độ mở và góc nghiêng của các vây (hệ thống ổn định kiểu vây) trên cơ

sở tận dụng ảnh hượng đặc biệt vào yếu tố tốc độ của phương tiện Các hệ thống này được thiết kế để hoạt động độc lập, hoặc có thể phối hợp với nhau Tuỳ thuộc vào tính năng được thiết kế cho đối tượng, hệ thống bổ trợ cân bằng kiểu quay bánh lái hoặc hệ thống kiểu vây có thể hoặc không được trang

bị vì lý do độ phức tạp cũng như giá thành, do điều kiện để ứng dụng được (yếu tố tốc độ)

Hình 1.5 Kết cấu và vị trí lắp đặt các vây hai bên mạn để ổn định tàu Trong thực tế, các phương pháp cải thiện ổn định cân bằng có sự trợ giúp của máy lái hoặc kiểu vây được ứng dụng trên các tàu có tốc độ cao như tàu quân sự, tàu tuần tra biển, các tàu khách cao tốc v.v Hệ thống tiêu biểu hoạt động theo phương thức này được hãng RollRoy phát triển và sử dụng khá phổ biến, cụ thể lắp trên tàu quân sự của Hải quân Hà lan (Royal Netherlands

Navy, 1991, 2001) và Hải quân Đức (German Navy, 2003) Tuy nhiên,

phương pháp này rất phức tạp, tốn kém ít hiệu quả đối với các phương tiện nổi cỡ lớn có tốc độ di chuyển thấp [13], [14]

1.2.4 Phương pháp dùng thùng chứa chống cuộn

Thùng chống cuộn, hay thường gọi là chống lắc được sử dụng rộng rãi nhất là thùng có hình ống chử U, đã được phát triển đầu tiên bởi Frahm vào năm 1911 Kiểu thùng này tạo thành hai bể chứa được đặt một ở mạn trái và một ở mạn phải của tàu và các đáy nối với nhau bằng một ống dẫn như đã chỉ

ra trong các Hình 1.6 và 1.7 Nguyên lý hoạt động của thùng chống cuộn này

là khi tàu lắc, chất lỏng bên trong thùng (thường là nước) chuyển động cùng chu kỳ chuyển động của tàu, nhưng chậm một phần tư chu kỳ so với độ lắc của tàu [20] Theo cách này, trọng lượng chất lỏng sẽ tạo ra mô men chống lại chuyển động lắc lư Mô men này đạt được giá trị cực đại khi tàu đi ngang qua

vị trí thẳng đứng của nó.

Hình 1.6 Nguyên lý của hệ thống chống nghiêng lệch ngang kiểu thùng chứa

Hình 1.7 Chi tiết về mặt cắt của thùng điển hình và vị trí ngang trên thân tàu

Những thùng chống lắc có thể là chủ động hoặc bị động Trong những thùng bị động, chất lỏng chảy tự do từ phía này sang phía kia Theo tỷ trọng

và độ nhớt của chất lỏng đã sử dụng, kích thước thùng đã cho, thời gian yêu cầu đối với hầu hết chất lỏng chảy từ phía này sang phía kia bằng chu kỳ lắc

lư tự nhiên của tàu Sự điều chỉnh chính xác có thể đạt được bằng việc điều chỉnh áp suất không khí để cho chất lỏng chảy từ phía này đến phía còn lại qua chiếc van đã chỉ ra trong Hình 1.7 Những thùng thụ động được điều chỉnh sao cho phù hợp giữa tần số tự nhiên của thùng với tần số tự nhiên lắc

lư của tàu Sự suy biến diễn ra từ từ nếu tần số của chuyển động lắc lệch so với tần số tự nhiên của thùng Điều này xảy ra do những sự biến đổi của tần

số kích thích của sóng trong những trạng thái biển khác nhau Những thùng chủ động hoạt động theo cách tương tự với bộ phận thụ động tương ứng của chúng, nhưng chúng được kết hợp chặt chẽ với hệ thống điều khiển điều chỉnh chu kỳ tự nhiên của thùng để làm phù hợp với chu kỳ lắc lư của tàu Như đã biết, tần số của chuyển động lắc lư được xác định bởi sự kết hợp của tần số kích thích của sóng và đáp ứng của tàu theo các điều kiện khi ra khơi Để thực hiện phương pháp này có hiệu quả tại những tần số thấp, hệ thống điều khiển phải liên tục cập nhật chu kỳ lắc lư, và nếu cần thiết mở rộng chu kỳ của thùng chứa Điều này có thể thực hiện được, ví dụ như bằng việc điều chỉnh áp suất không khí để điều chỉnh tốc độ dịch chuyển chất lỏng giữa các thùng hoặc bằng việc buộc hoạt động của bơm phù hợp với chuyển động của sóng Các hệ điều khiển hiện đại hơn khi có sự kết của hệ thống ống bơm, van, khí nén, điều khiển bằng máy tính v.v sẽ là những lựa chọn khi

cần có những yêu cầu cao về chất lượng điều chỉnh

Những ưu điểm chính của thùng chống lắc là :

- Hiệu quả trung bình từ thấp đến cao Hiệu quả việc giảm lắc lư có thể ước lượng được trong miền 20 – 70% (RMS) [4], [21]

- Hoạt động độc lập với tốc độ của tàu Điều này tạo cho chúng được ưa thích lựa chọn đối với những tàu thường xuyên hoạt động tại tần số thấp và yêu cầu những thân tàu sạch sẽ đối với các quá trình hoạt động (ví dụ những tàu đánh cá)

- Mức độ yêu cầu bảo trì thấp

- Chi phí tương đối thấp cho những bộ cân bằng này ở trong dải trung bình

- Bằng việc thêm vào những đặc điểm thích hợp, hệ thống thùng chứa cũng có thể xử lý chống nghiêng để bù cho sự phân bố không đều của tải trọng

Một vài nhược điểm của thùng chống lắc lư được chỉ ra như sau:

- Sự suy giảm trọng lượng chết được ước lượng trong phạm vi 1– 4% trọng lượng rẽ nước Điều này có thể được khắc phục bởi việc sử dụng hệ thống xả nước hoặc quá trình tiêu hao nhiên liệu mang theo trên boong tàu

- Chiếm những không gian lớn

- Làm ảnh hưởng đến tính ổn định của tàu do những tác động của bề mặt

tự do (mặt thoáng) Khi thùng không hoàn toàn đầy sẽ có không gian cho nước chuyển động (bề mặt tự do), có sự mất đi chiều cao khuynh tâm ngang

do chuyển động của trọng tâm Điều này cần phải được chú ý để tránh làm giảm tính ổn định của tàu Sau đây là một số hệ thống cân bằng, được áp dụng theo phương pháp kiểu thùng chứa hay còn gọi là kiểu két dằn (ballats tank)

1.2.4.1 Floating dock of 60000 m.t lifeting cacpacity (của Kongsberg Maritime) [19]

311,28 m, chiều rộng bên ngoài 63,30 m, bên trong 53,30 m Tổng số có 34 két dằn, khoảng cách giữa các poontoon (phao) là 1.24m, chiều dài giữa các phao 183,52m, độ sâu của phao ở giữa đường tâm 6,10m, chiều sâu của mức nước khi đánh chìm (đầy tải) là 12m Tổng khối lượng nước ballast có thể bổ

sung để làm chìm (hoặc cân bằng ) là 11.000 tm, sức nâng của phương tiện ở mớn nước 5,6m là 60,000tm với thời gian làm nổi là 2,5giờ Hệ thống bơm

Hình 1.8: Âu nổi của Kongsberg Maritime

bar và được lắp đặt ở buồng bơm hút khô Hệ thống ống và van được trang bị

để thực hiện thao tác mức nước dằn trong từng két Các van cánh bướm được kích hoạt để truyền động đóng mở cửa van (thêm hoặc hút nước ra khỏi két) bằng động cơ thủy lực bố trí ở buồng bơm

1.2.4.2 Floating dock "Pride of San Diego" SWM's 22,000-tấn [19]

Âu nổi SWM's 22,000-tấn (xem Hình 1.9) được biết đến như là niềm tự hào của thành phố San Diego (Mỹ) "Pride of San Diego" được trang bị hệ điều khiển tự động mang tên "ADOCS 1." Các phần tử vật lý của hệ thống

"ADOCS 1." bao gồm các đầu đo, các bơm, hệ thống van, bộ điều khiển logic công nghiệp (ILC) và hệ thống máy tính Có hai máy tính được bố trí bên trong trung tâm điều khiển, được nối mạng với nhau và sẳn sàng thay thế cho nhau nếu máy kia hỏng Máy tính được nối với hệ thống phần cứng theo phương thức truyền quang gồm 22 bộ điều khiển xử lý thời gian thực liên quan đến hệ thống các đầu đo, bơm, van Các bộ điều khiển này được lựa chọn bởi tính thuận lợi đối với phần cứng lẫn phần mềm, xử lý nhanh và linh

hoạt các số liệu toán phức tạp, bởi độ tin cậy của thiết bị Thuật toán của các

bộ ILC chủ yếu tập trung xung quanh các thông tin thu nhận từ các đầu đo mớn nước, 4 chiếc ở bốn góc, hai chiếc ở giữa nhằm xử lý độ căng và độ chùng (hog & sag : Deflection), hiệu chỉnh độ nghiêng và độ lệch dọc (heel

(trim) và độ nghiêng (heel) trong quá trình hoạt động của âu

and trim) Với những tính toán này, hệ điều khiển sẽ đưa ra quyết định xem bơm (và/hoặc) van nào được kích hoạt hoặc tắt để bơm nước vào hoặc hút (xả ra) từ 18 két dằn (ballast tank) Các tín hiệu hiệu đầu đo ở mỗi két là những tín hiệu phản hồi cho phép quyết định một cách thông minh việc phân bố nước dằn khi chất tải và giảm tải để làm giảm ứng suất ảnh hưởng lên kết cấu

của âu nổi

1.2.4.3 Barge Ballasting (hãng JPG) [19]

Xà lan dằn chở tải trọng lớn, điều khiển bằng PLC, được cấu thành từ 24

tổ bơm x 1000 mét khối/giờ, thực hiện việc bơm nước dằn vào các két (ballast) và 10 tổ bơm để bơm nước ra khỏi két (de-ballast) Hệ thống này được giới thiệu là có thể áp dụng trên các phương tiện nổi cỡ lớn và các

phương tiện nổi xa bờ (xem Hình 1.10 , 1.11)

Hình 1.10 Hệ thống bơm xả trên xà lan dằn (Barge Ballasting) của hãng JGP

Hình 1.11 Màn hình hiển thị các trạng thái và bàn điều khiển cân bằng

trên xà lan dằn (Barge Ballasting) của hãng JGP

1.2.4.4 Dominion Devils Spar : Weighing, Loadout & Ballast

Monitoring của hãng JGP (John Gibson Project) [19]

Phương tiện này (xem Hình 1.12) dùng để chở kết cấu siêu trường, siêu

trọng Chủ phương tiện là công ty PT Mc Dermott Indonesia, khai thác tại Batam, Indonesia, bắt đầu từ 21 tháng 11 năm 2003 với tổng trọng lượng 11,729 tấn, gồm 4 modul (mỗi modul có thể nâng 513 tấn), có tổng cộng 32 két dằn với 32 cảm biến kiểu áp suất, 16 bơm ballast, hệ điều khiển cân bằng sức nổi thực hiện bằng máy tính Trong quá trình đưa kết cấu siêu trường, siêu trọng lên phương tiện, độ phẳng ngang giữa mặt phẳng bến cảng và mặt

phẳng của phương tiện nổi được điều chỉnh thông qua lượng nước trong các

két dằn

Hình 1.12 Phương tiện nổi chở các kết cấu siêu trường, siêu trọng

1.3 Phân tích các phương pháp điều khiển cân bằng sức nổi

Cân bằng nổi là giữ cho phương tiện nổi đứng thẳng trên mặt phẳng nước, bao gồm cân bằng ngang theo độ lệch giữa các mạn (lift hay heel), cân bằng dọc liên quan đến mớn nước mũi và đuôi (trim) là một yêu cầu quan trọng không thể thiếu của các phương tiện nổi Các lực (mô men) tạo ra sự mất cân bằng cho phương tiện xuất phát từ nhiều lý do và phụ thuộc rất nhiều yếu tố như sự suy giảm tải trọng (hiện tượng của hệ thống có tính co giãn đàn hồi kiểu elastics), sự phân bố tải trọng không hợp lý, điều kiện môi trường như sóng, gió dòng chảy, chế độ hoạt động của phương tiện như tốc độ, chế

độ quay trở, hướng hoạt động theo chiều sóng gió, qui mô (độ lớn của phương tiện so với biên độ và bước sóng) v.v Ngoài ra, sự ảnh hưởng của hiện tượng cộng hưởng giữa các tần số lắc riêng của phương tiện (ngang, dọc, chệch hướng v.v ) với tần số của sóng biển làm cho phương tiện luôn ở trạng thái mất cân bằng Các biện pháp nhằm giảm sự mất cân bằng do các yếu tố

tự nhiên như sóng gió, dòng chảy, chế độ hoạt động như tốc độ, chế độ quay trở của phương tiện nổi là vấn đề luôn được xem xét ngay từ khâu thiết kế Đối với các trạm nổi, kho nổi cỡ lớn, vấn đề thiết kế được bắt đầu bằng việc xem xét vùng hoạt động của đối tượng, liên quan đến các yếu tố tác động của

tự nhiên lên đối tượng nổi Các sân bay nổi, hoặc các trạm nổi cỡ lớn thường được thiết kế ở dạng tấm phẳng, rộng (chiều dày rất bé so với chiều dài và rộng), hoạt động ở các vùng vịnh, nơi ít bị ảnh hưởng bỡi sóng, gió, dòng chảy, dễ neo đậu, thậm chí chúng thường được bảo vệ và giảm thiểu ảnh hưởng của các tác động này bởi các đê chắn sóng, như kiểu sân bay nổi ở vịnh Tokyo Nhật Bản Ngoài ra, kết cấu, kích thước, qui mô của phương tiện là các vấn đề được xem xét một cách thận trọng khi thiết kế nhằm đảm bảo cho đối tượng hoạt động an toàn (bao gồm cả vấn đề cân bằng) ở một cấp độ giới hạn nhất định, gọi là cấp hoạt động của các phương tiện nổi Với kho nổi hoạt động ngoài khơi, để giảm tối thiểu hiện tượng lắc do sóng, gió (nhiễu tác động từ ngoài lên đối tượng), các kích thước của phương tiện này thường được tính lớn hơn nhiều lần bước sóng biển ở vùng hoạt động của đối tượng trong điều kiện bình thường Ngoài ra, kiến trúc thượng tầng của các kho nổi (như cabin, buồng điều khiển v.v) thường được hạ thấp để giảm thiểu ảnh hưởng của gió bão Như vậy, đối với các tác động tự nhiên như sóng, gió, trong giới hạn cho phép (cấp hoạt động), đối tượng nổi cỡ lớn đã tự nó phản ứng như một bộ lọc Những tác động từ sự can thiệp của con người (hoạt động của máy móc do con người chỉ định) chủ yếu là duy trì lại hoạt động bình thường của đối tượng sau khi xuất hiện một trạng thái không bình thường do tự nhiên, hoặc chính sự hoạt động của các máy móc trên phương tiện gây ra, như thay đổi hướng gió đột ngột, việc bốc dỡ hàng hoá, sự tiêu hao nhiên liệu, sự xuất hiện khối lượng lớn nước làm mát, nước thải v.v Trong phần lớn các trường hợp, để duy trì một tính năng nào đó của đối tượng hoạt động được bình thường, người ta thường phải kết hợp nhiều hệ thống và điều này phụ thuộc vào trạng thái hoạt động của đối tượng nổi Việc cân bằng cho các đối tượng nổi cỡ lớn thụ động (không trang bị hệ động lực chính tạo sức đẩy hành trình), được cố định bằng hệ tời neo đặc biệt (cố định mềm, cố định được đối tượng theo toạ độ và phương và có thể thay đổi phương để

giảm ảnh hưởng tác động của sóng gió, dòng chảy), chủ yếu thực hiện bằng phương thức dằn (điều chỉnh sức nổi bằng lượng nước dằn trong các két dằn),

hay nói một cách khác thực hiện chủ yếu bởi hệ thống Auto heel and trim

control Các cấu trúc nổi kiểu dằn, cố định cứng (được cố định bằng các trụ,

thép hoặc bê tông, bên trong có các xi lanh lớn điều chỉnh được hành trình) Việc điều chỉnh cân bằng các đối tượng này thực hiện bằng cách phối hợp điều chỉnh hành trình của các xi lanh Với các đối tượng nổi tự hành (được trang bị hệ động lực tạo sức đẩy), việc cân bằng phụ thuộc vào trạng thái hoạt động, tức là chế độ neo đậu tại bến để làm hàng (chất lên hoặc tháo dỡ hàng hoá khỏi phương tiện) hay chế độ trên hành trình Ở chế độ neo đậu tại bến, phần lớn việc cân bằng loại phương tiện này cũng được thực hiện bằng

phương thức dằn Auto heel and trim control, giống hệt các phương tiện nổi

cỡ lớn thụ động, được cố định mềm Tuy nhiên trên hành trình, việc cân bằng cho các đối tượng này thường được thực hiện bằng cách phối hợp hoạt động

của hệ thống dằn Auto heel and trim control với các hệ thống có chức năng bổ

trợ cho việc ổn định cân bằng kiểu quay bánh lái (Rudder Roll Stabilization

System) hoặc hệ thống bổ trợ ổn định cân bằng kiểu vây (Fin stabiliser

System), thường lắp đối xứng hai bên mạn Mục đích của các hệ thống bổ trợ

ổn định kiểu kiểu quay bánh lái hoặc hệ thống kiểu vây chủ yếu là tạo ra các

mô men có khả năng làm suy giảm các mô men làm mất cân bằng đối tượng nổi, xuất hiện do chế độ hoạt động của phương tiện, chẳng hạn như mô men xuất hiện do lực ly tâm ở chế độ quay trở, mô men mất cân bằng do sóng gió trên hành trình v.v Các mô men này được tạo ra bằng cách liên tục dịch chuyển bánh lái theo một chiến lược điều khiển đặc biệt (đối với hệ thống ổn định kiểu quay bánh lái) hoặc là điều chỉnh độ mở và góc nghiêng của các vây (hệ thống ổn định kiểu vây) trên cơ sở tận dụng ảnh hưởng đặc biệt vào yếu tố tốc độ của phương tiện Các hệ thống này được thiết kế để hoạt động độc lập, hoặc có thể phối hợp với nhau Tuỳ thuộc vào tính năng được thiết kế cho đối

tượng, hệ thống bổ trợ cân bằng kiểu quay bánh lái hoặc hệ thống kiểu vây có thể hoặc không được trang bị vì lý do độ phức tạp cũng như giá thành, bởi do điều kiện để ứng dụng được (yếu tố tốc độ) Trái lại, hệ thống dằn bằng nước lại được trang bị cho hầu hết các phương tiện nổi, kho kho nổi, cho hầu hết các tàu, đặc biệt là các tàu cỡ lớn Hơn nữa, chế độ hoạt động của hệ thống

Auto heel and trim control được xem là nặng nề nhất (không có sự tham gia

của các hệ thống bổ trợ cân bằng kiểu lái và vây, ở điều kiện dễ mất cân bằng nhất khi thay đổi lượng tải lớn và rất nhanh khi làm hàng) là chế độ neo đậu Như vậy, về mặt nguyên lý, ở chế độ neo đậu làm hàng (không có yếu tố tốc độ), việc cân bằng cho các phương tiện nổi, các tàu cỡ lớn bằng hệ thống nước dằn rất giống với việc cân bằng các kho nổi và thường được thực hiện bằng cách thức điều khiển cân bằng kiểu Auto heel and trim control Khi ở trên hành trình, vai trò của hệ thống này ngoài việc xác lập lại trạng thái mất cân bằng của phương tiện (chủ yếu là sự suy giảm nhiên liệu do hoạt động của máy móc trên hành trình), nó còn thực hiện được việc hạn chế tác động của các sóng gió có chu kỳ Điều này được thực hiện khi thiết kế hệ thống Auto heel and trim control, nó phải đáp ứng được điều kiện là khả năng dịch chuyển hoàn toàn lượng chất lỏng (được xem như là đối trọng cần thiết để xác lập lại cân bằng) giữa các phía, nhanh gấp từ 02 đến 06 lần tần số lắc riêng của phương tiện Với cách thiết kế như vậy, có thể dịch chuyển lượng lượng lớn chất lỏng đủ nhanh, có pha ngược với pha của sóng gió tác động, pha của tần số lắc riêng của phương tiện hạn chế tối thiểu ảnh hưởng của loại nhiễu

này [6], [9]

Như đã phân tích ở trên, nguyên tắc chung của các hệ thống cân bằng phương tiện nổi là điều khiển sức nổi một cách hợp lý thông qua việc tạo ra các lực (hay mô men) nổi ngược chiều và bằng với các lực (hay mô men) gây

ra sự mất cân bằng cho phương tiện [4], [6] Để thực hiện được điều này, thường các giải pháp sau đây được áp dụng :

a) Kết hợp việc dịch chuyển các khối chất lỏng trong khoang két với các thiết bị tạo phản lực nước kiểu cánh đựợc bố trí ở hai bên mạn (fin stabiliser) hoặc kết hợp với hệ thống lái tự động có chức năng bổ trợ việc cân bằng ( rudde roll stability) Tất cả các phương pháp cải thiện ổn định có sự trợ giúp của máy lái hoặc kiểu vây được ứng dụng trên các tàu có tốc độ cao như tàu quân sự, tàu tuần tra biển, các tàu khách cao tốc [40 ], [42] ,[43] Hệ thống tiêu biểu hoạt động theo phương thức này được hãng RollRoy phát triển và sử dụng khá phổ biến, cụ thể lắp trên tàu quân sự của Hải quân Hà lan (Royal

Netherlands Navy, 1991, 2001) và Hải quân Đức (German Navy, 2003) Tuy

nhiên phương pháp này rất phức tạp, tốn kém ít hiệu quả đối với các phương tiện nổi cỡ lớn có tốc độ di chuyển thấp [4], [8] Trong nhiều trường hợp, việc kết hợp cả hai hệ thống này sẽ là giải pháp mang lại chất lượng ổn định rất cao cho những con tàu chuyên dụng có tốc độ cao

b) Bổ sung, lấy bớt hoặc dịch chuyển các khối chất lỏng trong các khoang két ở các vị trí sống tàu, hai bên mạn, mũi, đuôi (hệ thống các két dằn ballast, két chống lắc ani-roll, két hiệu chỉnh lệch dọc theo mớn nước mũi và đuôi trim) trên phương tiện nổi Hệ thống này được gọi là hệ thống điều khiển

theo phương thức Ballast (dằn) hay thường được gọi là Auto heel and trim

thức hoạt động này, có tính năng như giám sát hệ thống nước dằn, két trực

này được thực hiện thông qua hệ thống ống, bơm nước (thường dùng các bơm

ly tâm để bơm nước bổ sung hoặc hút bớt nước vào hoặc ra khỏi các két dằn, két chống lắc), hoặc các bơm khí nén (nén khí với áp suất cao vào các két để đẩy hoặc dịch chuyển các khối chất lỏng giữa các két ) cùng với các van có lưu lượng lớn (điều khiển bằng tay hoặc từ xa) Hệ thống bơm van phân phối

nước dằn được điều khiển bằng tay hoặc ở mức hiện đại thì được điều khiển bằng các trung tâm điều khiển có sự tham gia của máy tính, được cung cấp các thông tin phản hồi từ các đầu đo độ sâu ở từng góc, ở từng két của phương tiện trong chế độ thời gian thực, bảo đảm thông tin cho quá trình tự

1.4 Lựa chọn phương pháp xây dựng hệ thống tự động cân bằng cho các kho nổi

Qua phân tích trên có thể thấy rằng, vấn đề nghiên cứu thiết kế, chế tạo các thiết bị hệ thống tự động điều khiển cân bằng trên phương tiện nổi, đặc biệt đối với các tàu và các phương tiện nổi cỡ lớn, là một trong các nội dung đặc biệt quan trọng, là điều kiện không thể thiếu được của quá trình hiện đại hoá các loại phương tiện này Từ thực tế phát triển các hệ thống tự động điều khiển cân bằng các phương tiện nổi và kho nổi cỡ lớn, đặc biệt là hệ thống cân bằng kiểu Ballast (Auto heel and trim control system) trên thế giới, chúng

ta có thể thấy rất rõ về tác động của các hệ thống này là điều khiển sức nổi của các đối tượng (có khả năng rất đặc thù là khả năng thay đổi sức nổi một cách linh hoạt thông qua việc phân bố lượng chất lỏng trong các khoang két)

để xác lập lại trạng thái cân bằng cho đối tượng trong quá trình khai thác Bản chất của quá trình này là:

- Quá trình thay đổi hay là phân bố lại tải trọng một cách đột ngột (quá trình thay đổi rất nhanh việc phân bố lại tải trọng, thường là hàng chục đến vài trăm tấn, tạo ra các mô men mất cân bằng lớn) có ảnh hưởng nghiêm trọng đến trạng thái mất cân bằng trên phương tiện nổi, kho nổi đều diễn ra khi các phương tiện này ở trạng thái không dịch chuyển (hoặc là trạng thái neo đậu) để chất lên hoặc tháo dỡ hàng xuống khỏi phương tiện Các kho nổi chứa dầu khi bơm dầu vào hoặc hút dầu ra được thực hiện ở trạng thái neo đậu Các tàu công ten nơ thực hiện việc bốc dỡ các công ten nơ lên hoặc xuống khỏi tàu cũng thường được thực hiện tại cảng ở tình huống được neo

đậu Các phương tiện nổi khác như, các âu nổi, các kết cấu chở tải trọng lớn, các tàu chở ô tô cũng có quá trình thay đổi hoặc phân bố lại tải trọng xảy ra chủ yếu khi neo đậu Có thể thấy rằng sự phân bố lại tải trọng trong trường hợp này diễn ra với tốc độ nhanh, qui mô lớn, ảnh hưởng nghiêm trọng đến trạng thái cân bằng của phương tiện Các hệ thống tự động điều khiển cân bằng cho kho nổi hoặc phương tiện nổi kiểu Auto heel and trim control system được thiết kế để bảo đảm tự động xác lập lại trạng thái cân bằng cho phương tiện trong tình huống vừa nêu, tức là trạng thái ít bị ảnh hưởng đến yếu tố tốc độ Thực tế, hoạt động của hệ thống Auto heel and trim control

system là tích cực nhất trong quá trình làm hàng khi neo đậu ở cảng Trong

quá trình này, hệ thống có thể hoàn toàn thực hiện việc tự động cân bằng phương tiện, không cần sự tham gia của các hệ thống có chức năng hỗ trợ việc cân bằng phương tiện như hệ thống cân bằng (giảm lắc) kiểu vây, hệ thống lái đặc biệt (giảm nghiêng do lực ly tâm khi quay trở), thường được kết

hợp với hệ thống Auto heel and trim control system khi phương tiện hoạt

động trên hành trình, có yếu tố tốc độ và ảnh hưởng lớn do sóng gió

Trên cơ sở các phân tích về ưu nhược điểm, phạm vi ứng dụng của nhiều phương pháp cân bằng phương tiện nổi và nhu cầu thực tế trang bị hệ thống trên các phương tiện nổi cỡ lớn sẽ được đóng mới tại Việt Nam, trong khuôn

khổ đề tài này, hệ thống Auto heel and trim control system được lựa chọn

để nghiên cứu nhằm đáp ứng cho các nhu cầu này Các lý do thuyết phục hơn cho việc lựa chọn này có thể kể đến là:

1, Trên tất cả các phương tiện nổi đều tồn tại hệ thống két dằn Ballast Việc thao tác hệ thống dằn rất cần thiết để điều chỉnh độ lệch dọc của phương tiện trên hành trình và hiệu chỉnh độ nghiêng lệch các mạn của phương tiện tại cảng

2, Đơn giản, dễ thực hiện, kinh tế và hiệu quả, có thể áp dụng cho nhiều loại phương tiện nổi

3, Hiệu quả của việc cân bằng theo kiểu Ballast hầu như không phụ thuộc vào tốc độ của phương tiện, do vậy phạm vi ứng dụng cho các đối tượng sẽ rộng hơn

4, Phần lớn các quá trình diễn ra sự thay đổi, hay là phân bố lại tải trọng một cách đột ngột có ảnh hưởng nghiêm trọng đến trạng thái mất cân bằng trên phương tiện nổi, kho nổi đều diễn ra khi các phương tiện này ở trạng thái không dịch chuyển, trạng thái neo đậu để chất lên hoặc tháo dỡ hàng xuống khỏi phương tiện Sự phân bố lại tải trọng trong trường hợp này diễn ra với tốc độ nhanh, qui mô lớn, ảnh hướng nghiêm trọng đến trạng thái cân bằng của phương tiện Trong trường hợp này, việc cân bằng phương tiện nổi chủ yếu do hệ thống Auto heel and trim control system thực hiện, không cần sự tham gia của các hệ thống kiểu bổ trợ thêm tính năng cân bằng của hệ lái, hệ giảm lắc kiểu vây Khả năng hoạt động độc lập và hữu dụng trong các tình huống như vậy đã làm cho hệ thống này trở nên phổ biến, nhu cầu được trang

bị là rất cao

5, Như đã phân tích, kiến trúc và cách thức bố trí hệ thống khoang két dằn trên các đối tượng nổi là tương đối giống nhau Sự khác nhau trong hệ thống két dằn cho cho từng phương tiện nổi chính là số lượng, dung tích trong từng khoang két Hơn nữa, khi đối tượng nổi mang yếu tố tự hành (được trang

bị hệ động lực chính tạo sức đẩy theo hành trình), có tốc độ tương đối lớn, việc cân bằng sức nổi của đối tượng trên hành trình ngoài việc sử dụng hệ

thống Auto heel and trim control system, người ta thường phải kết hợp nhiều

hệ thống kiểu bổ trợ thêm tính năng cân bằng như hệ lái tự động giảm lắc hoặc hệ giảm lắc kiểu vây Do vậy, nếu không xét đến yếu tố tốc độ và chỉ xét đến tính năng chủ yếu của hệ thống phục vụ trong quá trình làm hàng thì hệ

thống Auto heel and trim control hoạt động trên kho nổi, trên âu nổi, trên các

phương tiện nổi cỡ lớn khác hoàn toàn được thực hiện theo một nguyên tắc giống nhau, độc lập không cần trợ giúp của các hệ thống bổ trợ cân bằng

khác Như vậy, bài toán thiết lập hệ thống Auto heel and trim control theo phương thức dằn kiểu ballast không đơn thuần chỉ ứng dụng được chỉ cho kho nổi mà còn ứng dụng cho nhiều đối tượng khác nổi khác, rất đa dạng về chủng loại và qui mô Đây cũng là mục tiêu chính của đề tài

Những phân tích, lý giải ở trên, đặc biệt là phần cuối cùng cho thấy rất rõ

về tính ứng dụng, bản chất và vai trò của hệ thống tự động cân bằng trên các loại phương tiện nổi theo tính năng và tình huống hoạt động của chúng Đây

là mấu chốt trong cách nhìn nhận vấn đề, đánh giá qui mô và tính ứng dụng của bài toán nghiên cứu thiết kế hệ thống cân bằng sức nổi kiểu Auto heel and

trim control cho phương tiện nổi, và chính các vấn đề liên quan đến hệ thống

này sẽ là mục tiêu nghiên cứu của đề tài Bài toán này có tính tổng quát cả về

lý thuyết lẫn thực tế, có khả năng ứng dụng được trên hầu hết các phương tiện nổi Điều này hoàn toàn phù hợp với thực tế khi rất nhiều hãng giới thiệu hệ

thống dạng Auto heel and trim control của họ có thể áp dụng cho hầu hết các

phương tiện nổi

1.5 Hướng giải quyết của đề tài

Một thực tế rất rõ là hầu hết các vấn đề nghiên cứu thiết kế trên tàu thuỷ nói riêng và phương tiện nổi nói chung đều liên quan đến đặc trưng cơ bản nhất của con tàu, đó là vấn đề động học của đối tượng này, nó liên quan đến sức nổi của đối tượng (buyoancy) Riêng về các vấn đề điều khiển cân bằng các phương tiện nổi và kho nổi kiểu FSO ở trong nước là vấn đề khá mới mẻ

do tính phức tạp và qui mô của hệ thống Cho đến nay, trừ các tàu thông dụng (theo series) được đóng với số lượng lớn, vấn đề động học của các tàu lớn và phương tiện nổi cỡ lớn hay loại đặc biệt vẫn là vấn đề hóc búa đối với các nhà khoa học trên thế giới Các mô hình động học đưa ra đều là các mô hình gần đúng dựa trên các kết quả thực nghiệm Mặc dù vậy, các mô hình mang tính thực nghiệm kiểu này cũng rất hạn chế, chỉ một vài quốc gia có trình độ cao

về công nghệ đóng tàu, có cơ sở vật chất và phòng thi nghiệm thuỷ, khí động