THÔNG TIN LUẬN ÁN TIẾN SĨ
Tên đề tài: Nghiên cứu nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo của phương tiện chuyển động ngầm.
Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 9520216
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Nghiên cứu sinh: Vũ Văn Quang
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Đinh Anh Tuấn; PGS.TS. Phạm Ngọc Tiệp
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Hàng hải Việt Nam
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN ÁN
1. Mục đích, đối tượng và nội dung nghiên cứu
Mục đích của luận án là áp dụng lý thuyết điều khiển hiện đại để xây dựng bộ điều khiển mới nhằm nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo của phương tiện chuyển động ngầm dạng AUV 4 DOF hệ thiểu cơ cấu chấp hành.
Đối tượng nghiên cứu của luận án bao gồm: Hệ thống điều khiển của phương tiện chuyển động ngầm tự hành AUV 4 DOF bám được quỹ đạo mong muốn với sai số nhỏ nhất trong điều kiện mô hình động học của tàu có các thành phần bất định.
Nội dung của luận án: Giới thiệu về mô hình động lực học và phân tích các đặc điểm của phương tiện ngầm. Xác định đối tượng của luận án là phương tiện chuyển động ngầm tự hành AUV 4 bậc tự do thiểu cơ cấu chấp hành. Ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại thiết kế bộ điều khiển Backstepping cho đối tượng AUV (Autonomous Underwater) thiểu cơ cấu chấp hành và bị ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài không biết trước. So sánh với bộ điều khiển Backstepping thích nghi sử dụng hệ logic mờ để chỉnh định tham số của bộ điều khiển. Từ đó khẳng định ưu điểm của bộ điều khiển kép Adaptive Fuzzy Backstepping (AFB) về độ bền vững với nhiều và thời gian quá độ giảm. Nghiên cứu lý thuyết về kỹ thuật về điều khiển trượt tầng Hierarchical Sliding Mode Controller (HSMC), và mạng nơ-ron nhân tạo làm nền tảng để phát triển bộ điều khiển thích nghi nơ-ron trượt tầng được để nâng cao chất lượng điều khiển. Hệ thống kín với ANHSMC được mô phóng kiểm chứng bằng phần mềm Matlab/Simulink.
2. Phương pháp nghiên cứu
Phân tích lý thuyết các công trình khoa học được công bố trong thời gian gần đây ở lĩnh vực điều khiển thích nghi phi tuyến. Phân tích các ưu nhược điểm của từng phương pháp để từ đó đề xuất hướng nghiên cứu và phát triển phương pháp điều khiển mới cho phương tiện chuyển động ngâm tự hành AUV 4 bậc tự do thiếu cơ cấu chấp hành.
Nghiên cứu tổng hợp kết hợp với so sánh để đưa ra các giải pháp kỹ thuật cho phương án nâng cao chất lượng điều khiển. Các giải thuật mới được đề xuất, phân tích tính ổn định dựa trên lý thuyết Lyapunov và khảo sát đánh giá thông qua mô phỏng bằng phần mềm Matlab.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học
Luận án nghiên cứu và xây dựng các kỹ thuật điều khiển thích nghỉ mới trên cơ sở điều khiển phi tuyến kết hợp với mạng nơ-ron nhân tạo và điều khiển mở cho phương tiện ngầm tự hành AUV 4 DOF có mô hình bất định, chịu ảnh hưởng của nhiễu môi trường. Mở ra hưởng nghiên cứu mới cho hệ thiểu cơ cấu chấp hành thích nghi trượt tầng theo vec tơ (khác với trượt tầng từng biến độc lập) hay còn gọi là trượt tầng suy rộng.
Luận án đề xuất hai xu hướng điều khiển cho hệ thiểu cơ cấu chấp hành ứng dụng cho đối tượng AUV một là đưa về dạng đủ cơ cấu chấp hành khi thiết kế bộ điều khiển cho các trạng thái đủ cơ cấu chấp hành, sau đó áp dụng tín hiệu điều khiển này cho hệ thiểu cơ cấu chấp hành ban đầu (bộ điều khiển Backstepping và Backsepping Fuzzy), hai là thiết kế bộ điều khiển trực tiếp cho hệ thiếu cơ cấu chấp hành (HSMC và HSMC nơ-ron).
Các giải thuật đề xuất đã được kiểm chứng thông qua mô phỏng kỹ thuật số cho một mô hình tàu thực tế. Với kết quả mô phỏng khẳng định chất lượng bám quỹ đạo thỏa mãn các yêu cầu đặt trước.
Ý nghĩa thực tiễn
Xây dựng thành công thuật toán điều khiển Backtsepping và Backstepping thích nghi sử dụng hệ logic mờ để so sánh đánh giá chất lượng điều khiển cho AUV có thành phần bất định dạng hàm số. Các kỹ thuật điều khiển được kiểm chứng trên phần mềm chuyên dụng đảm bảo bám quỹ đạo cho AUV.
Xây dựng bộ điều khiển trượt tầng Hierarchical Sliding Mode Controller (HSMC) thích nghỉ nơ-ron cho mô hình AUV bốn bậc tự do với hai tham số trọng số để tính gần đúng hàm chứa nhiều phần tử của ma trận bất định C, D. Mạng nơ ron hướng tâm hai lớp sẽ chuyển các thành phần bất định về dạng hàm và xấp xỉ tạo thành bộ điều khiển thích nghỉ nơ-ron trượt tầng (ANHSMC) trên cơ sở kết hợp điều khiển trượt tầng và mạng nơ-ron nhân tạo để nâng cao chất lượng điều khiển quỹ đạo AUV tối ưu nhất.
4. Kết quả nghiên cứu và đóng góp của Luận án
Luận án đã lựa chọn mô hình phương tiện chuyển động ngầm AUV 4 bậc tự do hệ thiểu cơ cấu chấp hành là đối tượng ứng dụng để mở ra hưởng nghiên cứu mới cho kỹ thuật điều khiển hiện đại. Với nhiệm vụ đặt ra là nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo của phương tiện chuyển động ngầm AUV 4 DOF, luận án đã đạt được một số kết quả như sau:
– Xây dựng thành công bộ điều khiển Backstepping kiểm chứng mô hình và đảm bảo quỹ đạo cho AUV 4 DOF hệ thiểu cơ cấu chấp hành.
– Ứng dụng bộ điều khiển backtepping thích nghi sử dụng hệ logic mờ để chỉnh định tham số của bộ điều khiển.
– Khẳng định ưu điểm của bộ điều khiển kép Adaptive Fuzzy Backstepping (AFB) về độ bền vững với nhiều và thời gian quá độ giảm.
– Luận án nghiên cứu thành công phương pháp điều khiển trượt tầng Hierarchical Sliding Mode Controller (HSMC) thích nghi nơ-ron cho mô hình AUV 4DOF thiếu cơ cấu chấp hành. Thông qua định lý Lyapunov chứng minh được tính ổn định của hệ thống.
– Luận án so sánh các bộ điều khiển AUV hệ thiểu cơ cấu chấp hành với nhau để đưa ra đánh giá cho người dùng lựa chọn các bộ điều khiển. Trong trường hợp mô hình khó xác định và muốn có bộ điều khiển cải đặt đơn giản thì nên dùng AFB hoặc ANHSMC. Trong trường hợp không muốn đầu tư thời gian vào thiết kế mà vẫn đảm bảo về chất lượng ổn định thì người sử dụng nên chọn BCS hoặc HSMC. Trong trường hợp phải lựa chọn 2 bộ điều khiển phi tuyến thì nên ưu tiên lựa chọn HSMC vì những ưu việt hơn về chất lượng điều khiển như điều khiển trực tiếp thu thập dữ liệu dạng online, độ quá điều chỉnh nhỏ và thời gian xác lập ngắn hơn.
– Bộ điều khiển Backstepping đảm bảo bám quỹ đạo kiểm chứng mô hình AUV 4 DOF, HSMC nơ-ron dựa trên mạng nơ-ron nhân tạo là phương án khả thi nâng cao chất lượng điều khiển bám quỹ đạo của phương tiện chuyển động ngâm được trình bày trong luận án “Nghiên cứu nâng cao chất lượng bám quỹ đạo của phương tiện chuyển động ngầm”. Kết quả mô phỏng các bộ điều khiển với nhau với cùng bộ thông số đã chứng minh các mục tiêu của luận án đạt được.
