|
| |
|
Mô phỏng hệ thống tàu thủy |
 HaiAu2005 | |
| | | Mô hình toán mô tả động học lái (steering dynamics) cho tàu nổi mặt nước (surface vessel) đơn giản nhất là mô hình Nomoto bậc nhất (Nomoto's first order model, còn gọi là mô hình T, K):
trong đó  và  là hằng số, được gọi là chỉ số tính năng điều động (manoeuvrability indices),  là tốc độ góc quay trở (yaw rate) (rad/s),  là góc bánh lái (rudder angle) (rad). Phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa hướng mũi tàu (heading, yaw angle) và góc bánh lái được cho như sau:
trong đó  là hướng mũi tàu. Chúng ta có quan hệ sau:
 hoặc  = \frac{1}{s}r(s)) ( còn được gọi là toán tử tích phân, integrator - trong Simulink có khối tích phân, Integrator block)
Trong thực tế hướng mũi tàu được đo bằng la bàn (la bàn từ magnetic compass, la bàn điện gyrocompass, và la bàn vệ tinh satellite compass), có giới hạn trong khoảng 0 tới 360 độ. Đối với tàu nổi, người ta quan tâm nhất tới ba chuyển động trong mặt phẳng nằm ngang (horizontal plane): surge (chuyển động theo trục dọc tàu), sway (chuyển động sang ngang - phải trái) và yaw (chuyển động quay trở). Ngoài ba chuyển động trên, người ta còn quan tâm tới chuyển động lắc ngang (roll, chuyển động quay quanh trục dọc tàu, trục X) vì chuyển động lắc ngang có ảnh hưởng lớn tới sức khỏe thuyền viên và hành khách (làm say sóng) và ổn định tàu (di chuyển hàng hóa đồ vật trên tàu).
Trong thiết kế hệ thống điều khiển số, góc bánh lái có thể được mô hình hóa bằng phương trình sau:
trong đó  là góc bánh lái mệnh lệnh (commanded rudder),  là hằng số thời gian bánh lái (rudder time constant) và  là hằng số, thường lấy bằng 1 (dùng để tránh chia cho số không). Góc bánh lái trong thực tế có giới hạn -35 độ trái (port side) tới +35 độ phải (starboard side). Theo tiêu chuẩn mới của IMO (International Maritime Organisation) thì góc bánh lái từ -40 độ tới +40 độ.
Trong mô hình Nomoto bậc nhất tốc độ tàu U (m/s) được tính:
)
trong đó  và  là tốc độ theo trục X (surge velocity) và trục Y (sway velocity). Quỹ đạo chuyển động của tàu trong hệ tọa độ cố định trên trái đất:
-vsin(\psi))
+vcos(\psi))
 là vị trí tàu theo trục X, và  vị trí tàu theo trục Y. Nếu coi rất nhỏ thì tàu chuyển động với tốc độ  không đổi. Quỹ đạo chuyển động của tàu đơn giản hóa thành mô hình sau:
)
)
Bạn đọc hãy thử lập trình mô phỏng tàu thủy dùng phương trình Nomoto bậc nhất (lấy giá trị  giây và  , tốc độ tàu  knots (hải lý/giờ), một hải lý hàng hải (nautical mile) được lấy gần đúng 1.852 mét). Giả sử tàu được điều khiển bằng máy lái tự động PID (PID Autopilot), hãy lập chương trình mô phỏng cho toàn bộ hệ thống, lựa chọn khuếch đại điều khiển  ,  và  sao cho quá độ hướng tàu khi đổi hướng là nhỏ nhất. Góc bánh lái cho máy lái tự động thường được đặt trong giới hạn -10 độ trái và +10 độ phải, góc sai số giữa hướng đặt (set course) và hướng tàu thực tế (true heading, đo bằng la bàn) nằm trong khoảng -180 độ tới +180 độ. Các giá trị góc trong mô hình khi tính toán nên tính bằng radians, khi hiển thị thì nên dùng độ.
Đây là một bài toán cơ bản ứng dụng lý thuyết điều khiển cho tàu thủy dựa trên mô hình tuyến tính, và được coi là bài toán điều khiển đầu tiên ứng dụng trong lĩnh vực điều khiển tàu thủy nói riêng, điều khiển hệ thống giao thông (thiết bị chuyển động như tàu thủy, máy bay, tên lửa, vũ trụ) nói chung.
Chú ý: Hệ tọa độ dùng cho tàu thủy được định nghĩa trong trang sau:
Mô hình toán học tàu thủy
Các bạn quan tâm có thể lập chương trình mô phỏng bằng nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau như MATLAB/Simulink, Visual C/C++, Visual Basic... cho các tàu thủy sử dụng những mô hình phi tuyến ở trang trên.
H.Â. | | | | |
|
| buihuytoan | |
| | | Thầyy cho em hỏi với
em muốn mua quyển bản dịc của thầy thì ở đâu a, còn bản tiếng anh thì download ở đâu
Marine Control Systems: Guidance, Navigation and Control of Ships, Rigs and Underwater Vehicles | | | | |
|
| HaiAu2005 | |
| | | Bản dịch tiếng Việt chưa xong, dự định khoảng tháng 7/2007 hoặc cuối năm 2007 sẽ xuất bản. Còn bản tiếng Anh thì không/chưa có chỗ download được, có thể mua ở địa chỉ của tác giả:
Thor I. Fossen
Hải Âu | | | | |
|
| buihuytoan | |
| | | em chao Thầy
với giá hiện tại của cuốn sách thì em ko thể mua bản tiếng anh được ạ, hiên tại em đang làm đồ án tốt nghiệp, mà đến thang7 thầy mới xuất bản thì em ko tham khảo được rồi, thầy có cách nào giúp em được ko,thầy có thể gửi cho em các chưong thầy đã dịch xong hoặc bản tiếng anh của thầy đã có
xin thầy cho em địa chỉ của thầy để em liên hệ mong thầy giúp em vì em đang cần mà
email của em:hongminhtoan@yahoo.com | | | | |
|
| HaiAu2005 | |
| | | Vì tôi không ở VN nên không thể cho bạn mượn bản in (hard copy) được. Tôi đang nghĩ có thể có một số cách sau:
1. Bạn kiến nghị với thày hướng dẫn của bạn thử xem thư viện trường bạn có thể mua được một cuốn tiếng Anh hay không. Cách này có khả năng thực hiện được nếu thư viện trường bạn có quỹ mua sách.
2. Nếu bạn ở Hà Nội thì có thể mượn được cuốn này của anh bạn tôi, theo cách này thì tôi sẽ giới thiệu anh bạn cho bạn. Còn mượn được hay không thì tùy theo khả năng liên hệ của bạn. Tôi sẽ gửi email riêng.
3. Tôi biết thư viện của hai trường ở VN có là: 1. Đại học Hàng hải Việt Nam (Hải Phòng), 2. Đại học Giao thông Vận tải HCM. Bạn thử tìm người quen ở đó mượn giùm thử xem sao... và dĩ nhiên để có được thì có lẽ chỉ có cách mượn và copy... lậu.
Trong lĩnh vực điều khiển tàu thủy, ngoài cuốn Marine Control Systems ra còn cuốn Guidance and Control of Ocean Vehicles của cùng tác giả, do nhà xuất bản John Wiley and Sons Inc. xuất bản năm 1994. Và còn một cuốn nữa khá nặng về lý thuyết là Ship Motion Control - Course Keeping and Roll Stabilisation Using Rudder and Fins do anh bạn tôi (Tristan Perez) viết, NXB Springer.
H.A. | | | | |
|
| HaiAu2005 | |
| | | Nếu đồ án tốt nghiệp của bạn không quá phức tạp tôi tin chắc rằng thông tin trên trang web này đã đủ để bạn làm mô phỏng hệ thống điều khiển tàu biển vì ở trang web này, trong mục Điều khiển học - Cơ sở lý thuyết điều khiển tự động - đã có một bản tiếng Anh bao gồm 5 phần, trong đó có một số ví dụ thiết kế hệ thống Autopilot cho tàu thủy sử dụng mô hình Nomoto và thuật toán điều khiển PID (có chương trình mẫu bằng Matlab và Simulink). Ngoài ra tôi cũng đã cung cấp 5 mô hình toán của tàu thủy (Mariner, Tanker, Container Vessel, Training Vessel Shioji Maru và tàu ngầm) rất đầy đủ có thể dùng để làm mô phỏng được.
Bạn cũng có thể download những tài liệu liên quan ở trang web của tôi:
Trang web để download (vào trong mục Subject 1 và Subject 2).
Dĩ nhiên bạn cần phải sàng lọc thông tin ở trong đó vì tài liệu không trực tiếp về điều khiển tàu mà chỉ có một số ví dụ minh họa.
H.A. | | | | |
|
| Comay | |
| | | Chào bác H.
Trước bác làm bằng Matlab với K-T model à?
Hic, bây giờ em làm bằng C/C++. Dùng MMG model. Điều khiển tàu chạy theo đường đi đã định dưới ảnh hưởng của gió và dòng. Khâu điều khiển em cũng dùng K-T model phân tích từ MMG theo công thức :
delta = K1.ye1 + K2.psi + K3.r/v
Với
delta : góc bẻ lái (degree)
ye1 : độ dạt ngang (m)
psi : góc lệch so với hướng đi (degree)
r : rate of turn (degree/sec)
v : tốc độ tàu hiện thời (m/s)
K1, K2, K3 : constant
Lựa chọn hệ số điều khiển K1, K2, K3 thì em lựa chọn được rồi. Tàu chạy theo đúng đường đi đã định và thể hiện rõ ảnh hưởng ngoại cảnh. Thế nhưng cơ sở lý thuyết để tính hệ số thì không có!!! Bác có tài liệu nào để tính toán K1, K2, K3 dựa trên K-T và lý thuyết điều khiển tối ưu không? Em tìm 2 hôm nay trên mạng mà không ra. Please!!!
p/s: Em chưa đọc phần hướng dẫn đánh công thức nên đánh công thức tạm như vậy, mong bác thông cảm.
comaylangthang@yahoo.com
| | | | |
|
| HaiAu2005 | |
| | | Bạn Comay có thể gửi kết quả mô phỏng lên để mọi người cùng tham khảo và trao đổi.
Việc gõ công thức trên trang web này dùng Mimetex (một dạng Latex cho trang web) cũng đơn giản thôi. Bạn nên dành thời gian xem qua một chút là gõ được ngay. Công thức của bạn
sẽ có mã như sau:
matlab code [ [\delta = K_1 \psi_1 + K_2 \psi + K_3 \frac{r}{v}] ]
Trước đây lập chương trình đầu tiên là bằng Fortran 77, sau này chủ yếu lập các chương trình bằng MATLAB/Simulink.
Những tài liệu về điều khiển tàu hiện có mà tôi biết là:
Thor I. Fossen. Marine Control Systems - Guidance, Navigation and Control of Ships, Rigs and Underwater Vehicles. Marine Cybernetics, 2002.
Thor I. Fossen. Guidance and Control of Ocean Vehicles. John Wiley and Sons, Ltd., 1994.
Tristan Perez. Ship Motion Control - Course Keeping and Roll Stabilsation Using Rudder and Fins. Springer-Verlag London Ltd, 2005.
Có phải bạn hiện đang học tại Tokyo University of Marine Science and Technology (Tokyo Kaiyo Daigaku) chỗ Hagiwara-sensei không? Nếu học ở đó, tôi tin chắc là bạn có thể tìm thấy các sách này ở thư viện của trường.
Comay viết: |
Lựa chọn hệ số điều khiển K1, K2, K3 thì em lựa chọn được rồi. Tàu chạy theo đúng đường đi đã định và thể hiện rõ ảnh hưởng ngoại cảnh. Thế nhưng cơ sở lý thuyết để tính hệ số thì không có!!! Bác có tài liệu nào để tính toán K1, K2, K3 dựa trên K-T và lý thuyết điều khiển tối ưu không? Em tìm 2 hôm nay trên mạng mà không ra. Please!!!
| |
Tìm tài liệu trên Internet nhiều lúc hơi hiếm và khó tìm được tài liệu mình muốn. Công thức tính tín hiệu điều khiển của bạn là công thức luật PID biến đổi nên tôi nghĩ rằng bạn có thể áp dụng các cách lựa chọn khuếch đại điều khiển PID theo phương pháp Ziegler-Nichols hoặc phương pháp Tustin. Trong các sách cho ở trên hai cuốn của tác giả Fossen có viết khá chi tiết về việc lựa chọn các khuếch đại điều khiển cho máy lại tự động theo tần số sóng. Hoặc đơn giản cũng có thể lựa chọn bằng cách chạy mô phỏng sao cho đáp ứng có overshoot nhỏ.
Hải Âu | | | | |
|
| Comay | |
| | | Cám ơn bác H rất nhiều.
Em không ở bên Lab của thày Hagiwara đâu.
Về kết quả mô phỏng thì phải được phép của thày hướng dẫn mới dám công bố. Xin khất một thời gian nữa.
Chúc bác một ngày làm việc vui vẻ và hiệu quả.
p/s: em vào tổ môn thì bác sang Nhật mất rồi.
| | | | |
|
| HaiAu2005 | |
| | | Vậy là bạn là người cùng nhà, lại cùng ngành rồi ha! Tôi chưa biết tên bạn là gì cả, thấy bạn nói mỗi cái tên MMG nên đoán chắc là bạn hiện đang ở Nhật. Bạn không ở lab của Hagiwara-sensei thì ở lab nào vậy? Chắc là bạn dùng mô hình MMG của tàu huấn luyện Shioji Maru? Tùy bạn thôi, nếu có thể được (thày cho phép) thì chia sẻ kết quả mô phỏng cùng với mọi người thì bạn gửi lên, còn không được thì cũng không sao cả.
Một số mô hình toán của tàu thủy (cả tàu huấn luyện Shioji Maru tôi cũng đã dịch sang tiếng Anh từ hồi còn ở Nhật) hiện đã có trong cơ sở dữ liệu của dieukhien.net, do vậy mọi người có thể sử dụng các mô hình toán này để làm mô phỏng với những thuật toán điều khiển mình ưa thích. Các tàu hiện có các mô hình là tàu dầu, tàu hàng, tàu container, phương tiện ngầm và tàu huấn luyện Shioji Maru.
Những ai quan tâm tới lĩnh vực điều khiển tàu biển có thể tham khảo trang web của Thor I. Fossen, tác giả hai cuốn sách ở trên, và download Marine System Simulators.
Hải Âu
P/S: Lúc nào rảnh bạn email cho tôi theo địa chỉ <kamome.seagull@gmail.com> nhé. | | | | |
|
| |
