BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Hoàng Thị Tú Uyên

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN
THÍCH NGHI ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG
LÁI TỰ ĐỘNG TÀU NỔI CÓ CHOÁN NƯỚC

Ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 9520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. GS.TS Phan Xuân Minh
2. PGS.TS Lê Quang

Hà Nội – 2018


Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn
của giáo viên hướng dẫn và các nhà khoa học. Tài liệu tham khảo trong luận án được
trích dẫn đầy đủ. Các kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa từng được
các tác giả khác công bố.
Hà Nội, ngày ….. tháng …. năm …..
Tập thể hướng dẫn

Nghiên cứu sinh

GS.TS Phan Xuân Minh PGS.TS Lê Quang

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................................................vi
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................................................................................. x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ........................................................................................................................................... x
MỞ ĐẦU .............................................................................................................................................................................1

1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu ......................................................................................................................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án ........................................................................ 2
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ................................................................................ 3
5. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................................................ 3
6. Bố cục của luận án .............................................................................................................................. 3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ LÁI TÀU THỦY ................5

1.1.

Mô hình động lực học của phương tiện hàng hải ........................................................... 5

1.1.1.

Phân tích về vị trí và hướng chuyển động của tàu ................................................ 8

1.1.2.

Phương trình chuyển động của phương tiện hàng hải (Dynamics)............... 8
1.1.2.1.

Phương trình chuyển động của vật rắn ...................................................... 8

1.1.2.2.



1.1.4.5.

Những phương trình lái tàu phi tuyến ..................................................... 18

Đánh giá tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ................................................. 19

1.2.1.

Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................................ 19

1.2.2.

Tình hình nghiên cứu ngoài nước ............................................................................ 19

1.3. Tổng quan về các phương pháp điều khiển điều độngvà bám quỹ đạo cho tàu
ba bậc tự do đủ cơ cấu chấp hành .................................................................................................. 21
1.3.1.

Phương pháp điều khiển backstepping ................................................................. 21

1.3.2.

Phương pháp điều khiển backstepping thích nghi ............................................ 22

1.3.3.

Phương pháp xấp xỉ bằng mạng nơ-ron ................................................................ 25
iv


Tổng hợp bộ điều khiển trượt backstepping ............................................................... 39

2.1.1.

Tổng hợp bộ điều khiển ............................................................................................... 40

2.1.2.

Khảo sát tính ổn định của hệ ...................................................................................... 41

2.1.3.

Kết quả mô phỏng số với mô hình tàu xác định.................................................. 43

2.2.

Tổng hợp bộ điều khiển trượt backstepping trên cơ sở mạng nơ-ron nhân tạo.
………………………………………………………………………………………………………………..57

2.2.1.

Xấp xỉ véc-tơ hàm bất định bằng mạng nơ-ron nhân tạo................................ 57

2.2.2.

Phát biểu định lý và chứng minh về tính ổn định của hệ kín......................... 58

2.3.

Mô phỏng trên nền kỹ thuật số .......................................................................................... 61


3.2.2.

Phát biểu định lý và chứng minh tính ổn định của hệ ...................................... 83

3.3.

Mô phỏng trên nền kỹ thuật số .......................................................................................... 86

3.4.

Kết luận chương 3 ................................................................................................................... 94

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN.................................................................................... 95
DANH MỤC NHỮNG CÔNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ ............................................................................. 97
Các công trình liên quan trực tiếp đến luận án ..................................................................................... 97
Các công trình không liên quan trực tiếp đến luận án ....................................................................... 98
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................................................................. 99
PHỤ LỤC ...................................................................................................................................................................... 103

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Danh Mục Các Ký Hiệu
𝑪()

Ma trận Coriolis và lực hướng tâm của phương tiện hàng hải

𝑪𝐴 ()


𝑱2 (𝜼2 )

Ma trận quay chuyển đổi vận tốc góc

𝑱(𝜼)

Ma trận quay chuyển đổi vận tốc dài và vận tốc góc

𝑚

Khối lượng của vật rắn

𝑴𝐴

Ma trận quán tính hệ thống của khối lượng nước kèm

𝑴𝑅𝐵

Ma trận quán tính hệ thống vật rắn

𝑸

Véc-tơ hồi quy của mạng nơ-ron RBF

𝑾

Véc-tơ trọng số mạng nơ-ron

𝑢


Véc-tơ sai lệch 𝑖 = 1, 2 … 𝑛

𝑥

Tọa độ của tàu theo phương 𝑥 hệ tọa độ NED

𝑦

Tọa độ của tàu theo phương 𝑦 hệ tọa độ NED

𝑧

Tọa độ của tàu theo phương 𝑧 hệ tọa độ NED



Góc lắc, xung quanh trục 𝑥 hệ tọa độ NED



Góc lật, xung quanh trục 𝑦 hệ tọa độ NED

𝜓

Góc hướng, xung quanh trục 𝑧 hệ tọa độ NED

𝒓𝑔

Véc-tơ tọa độ của trọng tâm của vật rắn


Trọng tâm trường tiếp nhận của hàm Gauss

ϛ𝑖

Độ tản

𝒍

Véc-tơ đầu vào mạng nơ-ron

𝑸

Véc-tơ hồi quy của mạng nơ-ron RBF

𝑾

Ma trận trọng số mạng nơ-ron

𝝉1

Véc-tơ lực tác động trong hệ tọa độ gắn thân
vii


𝝉2

Véc-tơ momen tác động trong hệ tọa độ gắn thân

𝝉


ANB

Adaptive neural network backstepping

Thích nghi nơ-ron backstepping

ANSB

Adaptive neural network sliding mode
backstepping

Thích nghi nơ-ron trượt
backstepping

ANSBC

Adaptive neural network sliding mode
backstepping control

Điều khiển thích nghi nơ-ron
trượt backstepping

ANDSC

Adaptive neural network dynamic
surface control

Điều khiển thích nghi nơ-ron
mặt động

trùng tâm trái đất.

ECEF

Earth-centered Earth-fixed reference
frame

Khung tọa độ tham chiếu có gốc
trùng tâm trái đất.

GPS

Global Positioning System

Hệ thống định vị toàn cầu

INS

Inertial Navigation System

Hệ thống dẫn đường quán tính

IFAC

International Federation of Automatic
Control

Hiệp hội quốc tế về tự động hóa

viii

Multiple Inputs, Multiple Outputs

Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra

MSS

Multiple sliding surface

Đa mặt trượt

MNN

Multiple layer neural networks

Mạng nơ-ron nhiều lớp

NED

North-East-Down

Hệ tọa độ có các trục hướng bắc
– hướng đông – hướng tâm trái
đất

PE

Persistent excitation

Kích thích bền (liên tục)


SNAME

Society of Naval Architects and Marine
Engineers

Hiệp hội kiến trúc hải quân và
hàng hải

ix


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1-1. Các ký hiệu của SNAME .................................................................................................. 6
Bảng 1-2 Những thông số đã được xác định của tàu CyberShip II.................................. 23

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1-1. Các biến chuyển động của phương tiện hàng hải ( nguồn [19] ) ....................... 5
Hình 1-2. Các khung tọa độ quy chiếu ( nguồn [19]) .................................................................... 6
Hình 1-3. Khung tọa độ quy chiếu quán tính gắn trái đất và khung tọa độ gắn thân ....... 9
Hình 1-4. Ổn định khuynh tâm theo chiều ngang tàu ( nguồn [19]) .................................. 13
Hình 1-5. Các bộ đẩy của tàu đủ cơ cấu chấp hành..................................................................... 20
Hình 1-6. Cơ cấu chân vịt và bánh lái của tàu thiếu cơ cấu chấp hành ............................... 20
Hình 1-7 Sơ đồ cấu trúc hệ thống DSC (nguồn [61]) ................................................................. 32
Hình 1-8. Xấp xỉ hàm bất định bằng mạng RBF .......................................................................... 36
Hình 2-1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển lái tàu thủy bằng bộ điều khiển SMB ............ 43
Hình 2-2. Quỹ đạo bám với các nhiễu tác động khác nhau: quỹ đạo đặt 𝜼𝑑 " − ", quỹ
đạo bám 𝜼 "−. " .......................................................................................................................................... 44
Hình 2-3. Sai số bám theo trục x trong các trường hợp hàm chặn 𝒑(𝜼,  ) = 0.1: ........ 45
Hình 2-4. Sai số bám theo trục x trong các trường hợp 𝒑(𝜼,  ) = 0.1:............................ 45
Hình 2-5. Sai số bám theo trục y trong các trường hợp 𝒑(𝜼,  ) = 0.1:............................. 45

Hình 2-31. Sai số bám theo trục x: không có nhiễu “−“, nhiễu hằng “- -“, nhiễu hàm 1 “.”....................................................................................................................................................................... 63
Hình 2-32. Sai số bám theo trục x: không có nhiễu “−“, nhiễu hàm 2 “- -“, nhiễu trắng
“-.” ................................................................................................................................................................... 63
Hình 2-33. Sai số bám theo trục y: không có nhiễu “−“, nhiễu hằng “- -“, nhiễu hàm 1 “.”....................................................................................................................................................................... 63
Hình 2-34. Sai số bám theo trục y: không có nhiễu “−“, nhiễu hàm 2 “- -“, nhiễu trắng
“-.” ................................................................................................................................................................... 64
Hình 2-35. Sai số bám theo 𝜓: không có nhiễu “−“, nhiễu hằng “- -“, nhiễu hàm 1 “-.”64
Hình 2-36. Sai số bám theo 𝜓: không có nhiễu “−“, nhiễu hàm 2 “- -“, nhiễu trắng “-.”
......................................................................................................................................................................... 64
Hình 2-37. Đầu vào điều khiển trên trục x: không có nhiễu “−“, nhiễu hằng “- -“, nhiễu
hàm 1 “-.”...................................................................................................................................................... 65
Hình 2-38. Đầu vào điều khiển trên trục x: không có nhiễu “−“, nhiễu hàm 2 “- -“,
nhiễu trắng “-.”........................................................................................................................................... 65
Hình 2-39. Đầu vào điều khiển trên trục y: không có nhiễu “−“, nhiễu hằng “- -“, nhiễu
hàm 1 “-.”...................................................................................................................................................... 66
Hình 2-40. Đầu vào điều khiển trên trục y: không có nhiễu “−“, nhiễu hàm 2 “- -“,
nhiễu trắng “-.”........................................................................................................................................... 66
Hình 2-41. Đầu vào điều khiển 𝜓: không có nhiễu “−“, nhiễu hằng “- -“, nhiễu hàm 1 “.”....................................................................................................................................................................... 67
Hình 2-42. Đầu vào điều khiển 𝜓 : không có nhiễu “−“, nhiễu hàm 2 “- -“, nhiễu trắng
“-.” ................................................................................................................................................................... 67
Hình 2-43. So sánh quỹ đạo bám của hai bộ điều khiển ANB (“--“) và ANSBC(“-.-“) với
quỹ đạo tham chiếu (“−")...................................................................................................................... 69
Hình 2-44. So sánh sai số bám của hai bộ điều khiển ANB (“--“) và ANSBC(“−“) .......... 70
Hình 2-45. So sánh tín hiệu điều khiển 𝜏𝑥 của hai bộ điều khiển ANB (“--“) và
ANSBC(“−“) ................................................................................................................................................ 71
Hình 2-46. So sánh tín hiệu điều khiển 𝜏𝑦 của hai bộ điều khiển ANB (“--“) và ANSBC
(“−“)............................................................................................................................................................... 71
Hình 2-47. So sánh tín hiệu điều khiển 𝜏𝜓 của hai bộ điều khiển ANB (“--“) và
ANSBC(“−“) ................................................................................................................................................ 72
Hình 3-1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển lái tàu thủy bằng bộ điều khiển DSC ............. 77

Hình 3-19. Sai số bám theo trục y: không có nhiễu “−“, nhiễu hằng “- -“, nhiễu hàm 1 “.”....................................................................................................................................................................... 88
Hình 3-20. Sai số bám theo trục y: không có nhiễu “−“, nhiễu hàm 2 “- -“, nhiễu trắng
“-.” ................................................................................................................................................................... 89
Hình 3-21. Sai số bám theo 𝜓: không có nhiễu “−“, nhiễu hằng “- -“, nhiễu hàm 1 “-.”89
Hình 3-22. Sai số bám theo 𝜓: không có nhiễu “−“, nhiễu hàm 2 “- -“, nhiễu trắng “-.”
......................................................................................................................................................................... 89
Hình 3-23. Đầu vào điều khiển trên trục x: không có nhiễu “−“, nhiễu hằng “- -“, nhiễu
hàm 1 “-.”...................................................................................................................................................... 90
Hình 3-24. Đầu vào điều khiển trên trục x: không có nhiễu “−“, nhiễu hàm 2 “- -“,
nhiễu trắng “-.”........................................................................................................................................... 90
Hình 3-25. Đầu vào điều khiển trên trục y: không có nhiễu “−“, nhiễu hằng “- -“, nhiễu
hàm 1 “-.”...................................................................................................................................................... 90
Hình 3-26. Đầu vào điều khiển trên trục y: không có nhiễu “−“, nhiễu hàm 2 “- -“,
nhiễu trắng “-.”........................................................................................................................................... 90
Hình 3-27. Đầu vào điều khiển 𝜓: không có nhiễu “−“, nhiễu hằng “- -“, nhiễu hàm 1 “.”....................................................................................................................................................................... 91
Hình 3-28. Đầu vào điều khiển 𝜓: không có nhiễu “−“, nhiễu hàm 2 “- -“, nhiễu trắng “.”....................................................................................................................................................................... 91
Hình 3-29. So sánh sai số bám quỹ đạo trục x của hai bộ điều khiển ANSBC (“--“) và
ANDSC(“−“) ................................................................................................................................................ 91
Hình 3-30. So sánh sai số bám quỹ đạo trục y của hai bộ điều khiển ANSBC (“--“) và
ANDSC(“−“) ................................................................................................................................................ 92
Hình 3-31. So sánh sai số bám quỹ đạo theo ψ của hai bộ điều khiển ANSBC (“--“) và
ANDSC(“−“) ................................................................................................................................................ 92
Hình 3-32. So sánh tín hiệu điều khiển 𝜏𝑥 của hai bộ điều khiển ANSBC (“--“) và
ANDSC(“−“) ................................................................................................................................................ 92
Hình 3-33. So sánh tín hiệu điều khiển 𝜏𝑦 của hai bộ điều khiển ANSBC (“--“) và
ANDSC (“−“) ............................................................................................................................................... 93
Hình 3-34. So sánh tín hiệu điều khiển 𝜏𝜓 của hai bộ điều khiển ANSBC (“--“) và
ANDSC (“−“) ............................................................................................................................................... 93

xii

bộ điều khiển PID). Năm 1911 Elmer Sperry đã xây dựng máy lái tự động đầu tiên
bằng cách phát triển hệ điều khiển kín cho tàu [5],[20]. Năm 1922 Nicholas Minorsky
đã mở rộng kết quả của Sperry, đưa ra luật điều khiển ba trạng thái ProportionalIntegral-Derivative (PID) [41]. Những năm đầu của thập niên 70, phương pháp điều
khiển trong không gian trạng thái được phát triển. Phần lớn các công trình công bố
dựa trên điều khiển tối ưu toàn phương (LQR hoặc LQG) [9, 10, 34]. Nhược điểm cơ
bản của các phương pháp này là phải biết chính xác mô hình toán học của hệ thống lái
tàu. Thực chất các phương tiện hàng hải là các đối tượng bất định (dưới dạng tham số
hoặc hàm số), ngoài ra chịu ảnh hưởng rất lớn của nhiễu môi trường, do vậy những
năm gần đây lý thuyết điều khiển thích nghi được quan tâm nghiên cứu nhiều hơn cho
các hệ thống này [6, 26, 30, 64]. Thập niên cuối của thế kỷ XX bùng nổ các nghiên cứu
về điều khiển phi tuyến, đặc trưng là ứng dụng hàm điều khiển và hàm điều khiển
thích nghi Lyapunov cho hệ thống lái tàu. Hướng nghiên cứu này mang lại nhiều thành
công trong điều khiển các đối tượng phi tuyến có mô hình bất định kiểu hằng số.
Đối với các hệ thống phi tuyến bất định kiểu hàm số và chịu ảnh hưởng của nhiễu
môi trường thì các phương pháp điều khiển và nâng cao chất lượng luôn là những
thách thức. Đó cũng là động lực cho việc lựa chọn đề tài nghiên cứu của tác giả.
1


2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích của luận án là nghiên cứu áp dụng điều khiển thích nghi hiện đại để xây
dựng bộ điều khiển mới nhằm nâng cao chất lượng hệ thống lái tàu nổi có choán nước
(sau đây gọi tắt là tàu thủy). Để thực hiện được mục tiêu này, luận án đặt ra ba nhiệm
vụ chính sau:
- Nghiên cứu các phương pháp điều khiển thích nghi phi tuyến đã được công bố
trong và ngoài nước trong những năm gần đây, đặc biệt ở lĩnh vực điều khiển
hệ thống lái tàu thủy. Phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp đó làm
nền tảng phát triển những đóng góp mới cho luận án.
- Nghiên cứu áp dụng mạng nơ-ron nhân tạo để xấp xỉ những thành phần động
học bất định của hệ thống lái, trên cơ sở đó phát triển các giải thuật điều khiển