hệ thống điều khiển hàng hải

gành giao thông vận tải biển, đóng tàu và khai thác biển của Việt Nam đang mở ra một thời kỳ mới, thời áp dụng công nghệ khoa học máy tính và công nghệ cao để vươn mình ra biển thăm dò và khai thác biển đóng góp vào công cuộc xây dựng đất nước. Nhằm đóng góp và khuyến khích phong trào nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển tự động, tôi xin trân trọng dịch và giới thiệu cuốn sách “Hệ thống điều khiển hàng hải Chỉ đạo, Dẫn dắt và Điều khiển Tàu biển, Dàn khoan và Các

Hệ thống điều

khiển hàng hải

Chỉ đạo, Dẫn dắt và Điều khiển Tàu biển, Dàn

khoan, và Các thiết bị ngầm

Marine Control Systems – Guidance, Navigation

and Control of Ships, Rigs, and Underwater Vehicles

Hệ thống điều khiển hàng hải Chỉ đạo, Dẫn dắt và Điều khiển Tàu biển, Dàn khoan, và Các thiết bị ngầm

Marine Control Systems – Guidance, Navigation and Control of Ships, Rigs, and Underwater Vehicles

Tác giả: Thor I Fossen

Norwegian University of Science and Technology

Trondheim, Norway

Người dịch: Nguyễn Đức Hùng

Australian Maritime College

Launceston, Tasmania, Australia

Bản quyền © 2007 Nguyễn Đức Hùng, Thor I Fossen Copyright © 2007 Hung D Nguyen and Thor I Fossen

Kính tặng:

Giáo sư Jens G Balchen

người đã dẫn dắt tôi tới thế giới điều khiển phản hồi kì diệu (Thor I Fossen)

Mục lục

Lời nói đầu

Danh mục các bảng

Chương 1 Giới thiệu

1.1 Từ phát minh la bàn con quay tới điều khiển tàu dựa trên mô hình

1.1.1 La bàn con quay và những đóng góp tới điều khiển tàu

1.1.2 Máy lái tự động

1.1.3 Hệ thống định vị động và buộc tàu định vị

1.1.4 Hệ thống điều khiển truy theo điểm chuyển hướng

1.1.5 Hệ thống phóng vệ tinh trên biển (Sea Launch)

1.2 Biểu diễn mô hình tàu biển

1.2.1 Mô hình cổ điển trong ngành đóng tàu

1.2.2 Biểu diễn mô hình véc tơ theo Fossen (1991)

1.3 Nguyên lý chỉ đạo, dẫn dắt và điều khiển

1.3.1 Các định nghĩa về chỉ đạo, dẫn dắt và điều khiển

1.3.2 Điều chỉnh điểm đặt và điều khiển truy theo quỹ đạo

1.4 Cấu tạo cuốn sách

Phần I Mô hình hóa tàu biển

Chương 2 Chuyển động học

2.1 Các hệ tọa độ

2.2 Biến đổi giữa hệ tọa độ BODY (hệ tọa độ cố định trên tàu) và NED (hệ tọa độ đông tây và thẳng đứng)

2.2.1 Biến đổi góc Euler (Ơ-le)

2.2.2 Bộ bốn đơn vị

2.2.3 Biến đổi góc Euler sang bộ bốn

2.2.4 Biến đổi bộ bốn sang góc Euler

2.2.5 Thuật toán QUEST xác định vị trí và động thái

2.2 Biến đổi giữa hệ tọa độ ECEF (hệ tọa độ gốc tọa độ đặt ở trọng tâm trái đất) và NED

2.3.1 Biến đổi kinh vĩ độ

2.3.2 Biến đổi tọa độ ECEF sang hệ tọa độ kinh vĩ độ

2.3.3 Biến đổi hệ tọa độ kinh độ vĩ độ sang tọa độ ECEF

2.4 Biến đổi ổn định và các trục dòng chảy

2.5 Bài tập

Chương 3 Động học tàu thủy

3.1 Động học chất rắn

3.1.1 Chuyển động ngang

3.1.2 Chuyển động quay (động học động thái)

3.1.3 Các phương trình chuyển động chất rắn

3.2 Các lực và mô men thủy động học

3.2.1 Khối lượng và quán tính gia tăng

3.2.2 Giảm lắc thủy động học

3.2.3 Mô men và quán tính hồi phục

3.2.4 Hệ thống ba lát

3.3 Phương trình chuyển động 6 bậc tự do (6DOF)

3.3.1 Phương trình chuyển động phi tuyến

3.3.2 Phương trình chuyển động tuyến tính

3.4 Biến đổi mô hình dùng Matlab

3.4.1 Ma trận biến đổi hệ thống

3.4.2 Tính toán ma trận quán tính hệ thống

3.4.3 Tính toán ma trận ly tâm Coriolis

3.4.4 Tính toán ma trận giảm lắc

3.4.5 Tính toán lực và mô men hồi phục

3.5 Các mô hình tiêu chuẩn cho tàu thủy

3.5.1 Mô hình mặt phẳng ngang 3 bậc tự do

3.5.2 Những mô hình phân ly cho vận tốc chạy tới (forward speed) và điều động (manoeuvring) 3.5.3 Những mô hình chiều dọc và chiều ngang

3.6 Bài tập

Chương 4 Mô hình gió, sóng và dòng chảy

4.1 Mô hình gió

4.1.1 Lực và mô men gió

4.1.2 Lực cản gió của tàu chở hàng (Isherwood 1972)

4.1.3 Lực cản gió của tàu chở dàu rất lớn (VLCC) (OCIMF 1977)

4.1.4 Lực cản gió của tàu dàu lớn và các tàu cỡ trung bình

4.1.5 Lực cản gió của tàu đang neo buộc và công trình nổi

4.2 Mô hình sóng do gió tạo ra

4.2.1 Mô hình tuyến tính của quang phổ sóng

4.2.2 Mô hình đáp ứng sóng tuyến tính

4.2.3 Tần số sóng tới

4.2.4 Lực và các mô men sóng

4.3 Mô hình dòng chảy (hải lưu)

4.3.1 Mô hình dòng chảy không quay 3D

4.3.2 Mô hình dòng chảy không quay 2D (mô hình mặt phẳng ngang)

4.4 Bài tập

Phần II Cơ sở lý thuyết chỉ đạo, dẫn dắt và điều khiển

Chương 5 Các hệ thống chỉ đạo hàng hải

5.1 Các mô hình tham khảo

5.1.1 Mô hình tham khảo vận tốc

5.1.2 Những mô hình tham khảo vị trí và động thái

5.1.3 Các yếu tố bão hòa

5.3.4 Giảm lắc phi tuyến tính

5.2 Hệ thống chỉ đạo điểm chuyển hướng

5.2.1 Điều khiển truy theo và điều khiển điều động

5.2.2 Biểu diễn điểm chuyển hướng

5.2.3 Phát quỹ đạo dùng mô phỏng

5.2.4 Phát đường đi và quỹ đạo dùng nội suy

5.2.5 Lộ trình thời tiết

5.3 Chỉ đạo đường ngắm (LOS = Light-of-Sight Guidance)

5.3.1 Hệ thống chỉ đạo LOS 2 chiều cho tàu mặt nước

5.3.2 Hệ thống chỉ đạo LOS 3 chiều cho thiết bị ngầm

5.4 Bài tập

Chương 6 Các hệ thống hàng hải dựa trên thiết bị ước lượng

6.1 Bộ quan sát cho máy lái tự động

6.1.1 La bàn từ và la bàn con quay

6.1.2 Lọc truyền thấp (low-pass) và lọc notch của chuyển động tần số sóng

6.1.4 Bộ lọc sóng dựa trên bộ lọc Kalman chỉ dùng số đo la bàn

6.1.5 Thiết kế bộ quan sát và bộ lọc sóng dùng cả số đo hướng và tốc độ quay trở

6.2 Bộ quan sát cho hệ thống định vị động

6.2.1 Hệ thống dẫn dắt

6.2.2 Hệ thống đo lường quán tính

6.2.3 Bộ lọc Kalman cho vận tốc và chuyển động tần số sóng

6.2.4 Bộ quan sát phi tuyến thụ động cho tốc độ và chuyển động tần số sóng

6.3 Bộ lọc tích phân 6 bậc tự do cho IMU và các hệ thống dẫn dắt vệ tinh

6.3.1 Bộ lọc tích phân cho vị trí và tốc độ tuyến tính

6.3.2 Bộ quan sát động thái

6.4 Bài tập

Chương 7 Các phương pháp điều khiển tàu biển

7.1 Điều khiển PID và phản hồi gia tốc

7.1.1 Hệ thống khối lượng-giảm xóc-lò xo tuyến tính

7.1.2 Phản hồi gia tốc

7.1.3 Phản hồi gia tốc và điều khiển PID

7.1.4 Phản hồi gia tốc MIMO và điều khiển PID phi tuyến

7.1.5 Kỹ thuật định hình quán tính dùng phản hồi gia tốc

7.2 Điều khiển tối ưu bình phương tuyến tính

7.2.1 Bộ điều hòa bình phương tuyến tính

7.2.2 Mở rộng tới truy theo quỹ đạo và hành động vi phân

7.2.3 Nghiệm tổng quá của bài toán truy theo quỹ đạo bình phương tuyến tính (LQ)

7.3 Tuyến tính hóa phản hồi trạng thái

7.3.1 Phân ly trong hệ tọa độ b (tốc độ)

7.3.2 Phan ly trong hệ tọa độ n (vị trí và động thái)

7.3.3 Tuyến tính hóa phản hồi thích nghi

7.4 Cuốn chiếu bộ tích phân

7.4.1 Sơ lược lịch sử lý thuyết cuốn chiếu

7.4.2 Ý tưởng chính của cuốn chiếu bộ tích phân

7.4.3 Cuốn chiếu hệ thống khối lượng-giảm xóc-lò xo SISO

7.4.4 Hành động tích phân dùng thích nghi hóa tham số không đổi

7.4.5 Kỹ thuật tăng cường bộ tích phân

7.4.6 Cuốn chiếu hệ thống khối lượng-giảm xóc-lò xo MIMO

7.4.7 Cuốn chiếu MIMO tàu biển

7.4.8 Thiết kế cuốn chiếu MIMO bằng phản hồi gia tốc

7.5 Chỉ định điều khiển (Control Allocation)

7.5.1 Các mô hình bộ phát động

7.5.2 Chỉ định điều khiển không ràng buộc (bộ phát động không quay được)

7.5.3 Chỉ định điều khiển ràng buộc (bộ phát động không quay được)

7.5.4 Chỉ định điều khiển ràng buộc (lực đẩy phương vị)

7.6 Bài tập

Phần 3 Ứng dụng điều khiển tàu biển và dàn khoan

Chương 8 Máy lái tự động

8.1 Mô hình máy lái tự động

8.1.1 Động học tàu thủy chất rắn

8.1.2 Phương trình lái tàu tuyến tính

8.1.3 Mô hình máy lái tự động không thứ nguyên

8.1.4 Mô hình phi tuyến tính để thiết kế máy lái tự động

8.2 Phân tích ổn định vòng mở tàu biển

8.2.1 Xem xét tính ổn định lái tàu và định vị

8.2.2 Tiêu chuẩn ổn định đoạn thẳng

8.2.3 Tiêu chuẩn ổn định hướng

8.3 Tính năng điều động

8.3.1 Vòng quay trở

8.3.2 Điều động zig-zag Kempf

8.3.3 Điều động pull-out

8.3.4 Điều động xoắn ốc Dieudonné

8.3.5 Điều động xoắn ốc lùi Bech

8.4 Máy lái giữ hướng và điều khiển quay trở

8.4.1 Mô hình tham khảo máy lái tự động

8.4.2 Điều khiển PID cổ điển

8.4.3 Điều khiển PID dùng phản hồi gia tốc

8.4.4 Điều khiển PID dùng truyền thẳng gió

8.4.5 Điều khiển tối ưu bình phương tuyến tính

8.4.6 Tuyến tính hóa phản hồi trạng thái

8.4.7 Tuyến tính hóa phản hồi thích nghi và tính tối ưu

8.4.8 Cuốn chiếu phi tuyến tính

8.4.9 Điều khiển cơ chế trượt SISO

8.4.10 Phản hồi tín hiệu ra

8.5 Bài tập

Chương 9 Máy lái tự động giảm lắc ngang

9.1 Mô hình máy lái tự động lái tàu và giảm lắc ngang

9.1.1 Mô hình tuyến tính của Van Amerongen và Van Cappelle (1981)

9.1.2 Mô hình phi tuyến tính của Son và Nomoto (1981)

9.1.3 Mô hình phi tuyến tính của Christensen và Blanke (1986)

9.2 Hệ thống điều khiển giảm lắc ngang bằng bánh lái (RRD)

9.2.1 Hệ thống điều khiển RRD tối ưu bình phương tuyến tính

9.2.2 Tiêu chuẩn đặc tính cho RRD

9.3 Hệ thống điều khiển ổn định bằng bộ thăng bằng (fin) và RRD

9.3.1 Máy lái tự động tối ưu năng lượng bình phưong tuyến tính có giảm lắc ngang

9.4 Khả năng hoạt động và tiêu chuẩn tỷ lệ say sóng

9.4.1 Tiêu chuẩn giới hạn khả năng hoạt động của con người trong lắc ngang

9.4.2 Tỷ lệ say sóng (MSI = motion sickness incidence)

9.5 Bài tập

Chương 10 Điều khiển truy theo quỹ đạo và điều động

10.1 Điều khiển truy theo quỹ đạo

10.1.1 Hệ thống truy theo cắt ngang PID cổ điển

10.1.2 Hệ thống truy theo cắt ngang đường ngắm

10.1.3 Hệ thống truy theo cắt ngang tối ưu bình phương tuyến tính

10.1.4 Điều khiền truy theo quỹ đạo kém phát động

10.2 Điều khiển điều động

10.2.1 Điều động tín hiệu ra bền vững

10.2.2 Điều động tín hiệu ra thích nghi

10.2.3 Điều khiển điều động tàu kém phát động

10.3 Bài tập

Chương 11 Hệ thống định vị

11.1 Mô hình giữ vị trí tĩnh

11.1.2 Mô hình định vị động (DP) và lực đẩy buộc vị trí (PM)

11.1.3 Nhiễu loạn môi trường

11.2 Hệ thống định vị động

11.2.1 Chỉ định lực đẩy trong hệ thống định vị động

11.2.2 Điều khiển tối ưu bình phương tuyến tính

11.2.3 Điều khiển PID phi tuyến tính

11.2.4 Nguyên lý tách ly phi tuyến tính để thiết kế điều khiển PD và bộ quan sát

11.2.5 Cuốn chiếu bộ quan sát phi tuyến tính

11.2.6 Điều khiển tối ưu nghịch đảo phi tuyến

11.2.7 Làm ổn định kém phát động

11.3 Hệ thống buộc vị trí (Position Mooring Systems)

11.4 Điều khiển định vị tối ưu thời tiết (WOPC)

11.4.1 Phương trình chuyển động ba bậc tự do dùng tọa độ cực

11.4.2 Mục tiêu điều khiển tối ưu thời tiết

11.4.3 Thiết kế điều khiển phi tuyến tính và thích nghi

11.4.4 Thí nghiệm và mô phỏng

11.5 Bài tập

Phần IV Ứng dụng điều khiển thiết bị ngầm

Chương 12 Thiết kế hệ thống điều khiển chân vịt

12.1 Mô hình tốc độ trục chân vị và mô tơ

12.1.1 Mô hình tốc độ trục chân vịt

12.1.2 Biểu diễn thống nhất các bộ điều khiển mô tơ một chiều

12.1.3 Tổn thất chân vịt

12.2 Lực đẩy chân vịt và mô hình hóa mô men quay

12.2.1 Lực đẩy và mô men quay gần ổn định tĩnh (quasi-steady)

12.3 Bộ quan sát phi tuyến tính xác định vận tốc trục chân vịt

12.3.1 Tốc độ và động học dòng chảy trục chân vịt thiết bị ngầm

12.3.2 Phương trình bộ quan sát

12.3.3 Phân tích Lyapunov

12.4 Thiết kế điều khiển phản hồi tín hiệu ra phi tuyến tính

12.4.1 Mô hình phi tuyến tính để điều khiển tốc độ trục chân vịt

12.4.2 Phân tích Lyapunov

12.4.3 Mở rộng điều khiển tích phân

Chương 13 Thiết kế máy lái tự động phân ly

13.1 Máy lái tự động hướng

13.1.1 Điều khiển PID, điều khiển tối ưu và điều khiển H∞

13.1.2 Điều khiển phi tuyến tính

13.1.3 Điều khiển mốt trượt dùng phép phân tích giá trị Eigen

13.2 Máy lái tự động độ sâu

13.2.1 Điều khiển tối ưu

13.2.2 Điều khiển cơ chế trược dùng phép phân tách giá trị Eigen

13.3 Hệ thống điều khiển tốc độ

13.3 Bài tập

Chương 14 Điều khiển vị trí và động thái 6 bậc tự do

14.1 Điều khiển PID phi tuyến tính

14.1.1 Điều chỉnh điểm đặt

14.1.2 Điều khiển truy theo quỹ đạo

14.2 Tuyến tính hóa phản hồi trạng thái

14.2.1 Điều khiển truy theo quỹ đạo

14.2.2 Tuyến tính hóa phản hồi thích nghi

14.3 Bài tập

Phần V Phụ lục

Phụ lục A Lý thuyết ổn định phi tuyến

A.1 Ổn định Lyapunov cho hệ thống tự hành

A.1.1 Ổn định và hội tụ

A.1.2 Phương pháp trực tiếp Lyapunov

A.1.3 Định lý Krasovskii – LaSalle

A.1.4 Ổn định hàm số mũ toàn cục

A.2 Ổn định Lyapunov của hệ thống không tự hành

A.2.1 Bổ đề Barbalat

A.2.2 Định lý LaSalle – Yoshizawa

A.2.3 Định lý Matrosov

A.2.4 UGAS khi cuốn chiếu bằng hành động tích phân

Phụ lục B Các phương pháp số

B.1 Rời rạc (xung số) hóa các hệ thống thời gian liên tục

B.1.1 Mô hình không gian trạng thái tuyến tính

B.1.2 Mô hình không gian trạng thái phi tuyến tính

B.2 Phương pháp tích phân số

B.2.1 Phương pháp Euler (Ơ-le )

B.2.2 Phương pháp Adams-Bashforth bậc 2

B.2.3 Phương pháp Runge – Kutta bậc hai (phương pháp Heun)

B.2.4 Phương pháp Runge – Kutta bậc 4

B.3 Vi phân số

Phụ lục C Hộp công cụ Matlab GNC (Matlab GNC Toolbox)

C.1 Thư viện M-file

C.2 Thư viện Simulink

Phụ lục D

Tài liệu tham khảo

Mục lục tìm kiếm theo vần

Lời nhà xuất bản (VN)

Lời giới thiệu (của người dịch)

Ngành giao thông vận tải biển, đóng tàu và khai thác biển của Việt Nam đang mở ra một thời kỳ mới, thời áp dụng công nghệ khoa học máy tính và công nghệ cao để vươn mình ra biển thăm dò và khai thác biển đóng góp vào công cuộc xây dựng đất nước Nhằm đóng góp và khuyến khích phong trào nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển tự động, tôi xin trân trọng dịch và giới thiệu cuốn sách “Hệ thống điều khiển hàng hải - Chỉ đạo, Dẫn dắt và Điều khiển Tàu biển, Dàn khoan và Các thiết bị ngầm” (Marine Control Systems – Guidance, Navigation and Control of Ships, Rigs and Underwater Vehicles) của tác giả Thor I Fossen, Khoa Công nghệ Điều khiển Tự động, Đại học Khoa học và Kỹ thuật Na Uy (NUST, Norwegian University of Science and Technology),

Trondheim, Na Uy

Cùng với sự phát triển song song với ngành khoa học máy vi tính và phầm mềm, kỹ thuật hệ thống định vị toàn cầu (GPS, GNSS) và hệ thống định vị toàn cầu vi phân (D-GPS, RTK-GPS), hệ thống hàng hải quán tính (inertial navigation systems), tàu biển, dàn khoan và các thiết bị ngầm phục vụ ngành vận tải biển, khai thác dầu khí và thăm dò nghiên cứu biển ngày càng được trang bị nhiều hệ thống điều khiển hiện đại và mức độ tự động hóa ngày càng cao Cuốn sách này được tác giả viết trên cơ sở hệ thống lại những nghiên cứu mới nhất của tác giả và các cộng sự hơn 10 năm tham gia nghiên cứu và giảng dạy ở NUST Những kết quả nghiên cứu trong cuốn sách này được phát triển trên cơ sở lý thuyết và thực hành thiết kế những hệ thống điều khiển như hệ thống điều khiển tàu, dàn khoan và các thiết bị trên biển khác tại Khoa Công nghệ Điều khiển Tự động từ khi tác giả xuất bản cuốn sách đầu tay “Chỉ đạo và điều khiển thiết bị trên biển” (Guidance and Control of Ocean Vehicles) năm 1994

Cuốn sách này đề cập đến lý thuyết điều khiển hiện đại và những ứng dụng trong thiết kế hệ thống điều khiển cho tàu biển, dàn khoan, và các thiết bị ngầm dưới nước Cuốn sách không những đề cập đến nhiều chủ đề từ việc mô hình hóa các hệ thống động lực học lái tàu của các thiết bị trên biển mà còn đề cập đến nhiều phương pháp ứng dụng lý thuyết điều khiển khác nhau như điều khiển thích nghi (adaptive control), điều khiển cơ chế trượt (sliding mode control), điều khiển PID hiện

đại.v.v… Cuốn sách có liệt kê nguồn tài liệu tham khảo phong phú giúp độc giả có thể tìm kiếm thêm thông tin Cuốn sách này thích hợp cho sinh viên đại học năm cuối học về môn điều khiển tự động, cho các kỹ sư điều khiển và những nhà lập trình ứng dụng trong việc thiết kế các hệ thống điều khiển các thiết bị trên biển Cuốn sách này cũng có thể dùng làm sách tham khảo cho sinh viên cao học và nghiên cứu sinh học chuyên sâu về ngành điều khiển tự động và ứng dụng thiết kế các

hệ thống điếu khiển tự động

Các thuật toán, ví dụ minh họa cho thuật toán và một số mô hình thiết bị trên biển trong cuốn sách này được lập trình và tính toán bằng MATLAB/Simulink®, một sản phầm phần mềm lập trình của Hãng Mathworks Inc Để độc giả tham khảo khi lập trình mô phỏng và phân tích hệ thống điều khiển tự động tác giả có cung cấp một số chương trình mẫu chạy bằng MATLAB/Simulink, Hộp công cụ Matlab GNC, mà độc giả có thể tải xuống được từ trang web của tác giả (xem trong phần Phụ lục C) Ðộc giả nên sử dụng cuốn sách này cùng với MATLAB/Simulink có thể sẽ đạt hiệu quả cao khi thực hành ứng dụng và sáng tạo trong quá trình thiết kế hệ thống điều khiển tự động Để có thể đạt kết quả tốt trong nghiên cứu và ứng dụng thiết kế hệ thống điều khiển, độc giả nên tham khảo, trang bị và sử dụng một số thiết bị thí nghiệm cần thiết được giới thiệu trong phần Phụ lục D Cuốn sách này là cuốn sách thứ hai mà tác giả Fossen viết về các hệ thống điều khiển tự động cho các thiết bị trên biển Trong thời gian lưu học tại Đại học Hàng hải Tokyo (nay là Đại học Hải dương Tokyo), tôi đã có dịp may mắn gặp được tác giả trong một hội nghị quốc tế của Hiệp hội Điều khiển Tự động Quốc tế (IFAC – International Federation of Automatic Control) ở Fukuoka và