CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH MÔ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC HỌC VÀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CỦA AUV
3.2. QUY TRÌNH PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾT TRONG PHÁT TRIỂN AUV –
3.2.3. Mô hình thực thi của AUV - HDS công nghiệp
3.2.3.1. Mô hình mô phỏng hướng đối tượng
Mô phỏng hệ thống điều khiển công nghiệp là một phần rất quan trọng trong quá trình xây dựng hệ thống, đặc biệt khi các hệ thống ngày càng trở nên phức tạp.
Nhu cầu này xuất phát từ nhiều yếu tố khác nhau, tuy nhiên có thể đƣa ra mấy nguyên nhân chính nhƣ sau:
89
- Đầu tư cho các hệ thống thường rất cao (ngay cả hệ thống thí nghiệm bán công nghiệp); đặc biệt là các thiết bị dùng trong công nghiệp. Chi phí này bao gồm tiền mua thiết bị, đầu tƣ phòng ốc, chi phí vận hành, bảo dƣỡng vàsửa chữa.
- Mô phỏng các hệ thống cho phép thực hiện việc đánh giá, kiểm tra chất lượng hệ thống trước khi thực thi trong thực tế, nhất là với các hệ thống công nghiệp lớn và phức tạp.
- Mô phỏng hệ thống cho phép quá trình thiết kế, xây dựng và vận hành hệ thống đƣợc thực hiện linh hoạt và hiệu quả.
Để tiến hành mô phỏng điều khiển AUV - HDS có thể sử dụng các ngôn ngữ lập trình hoặc công cụ khác nhau nhƣ là: C++, Java, LabVIEW, Modelica[29], MatLab-Simulink nhằm thực thi mô hình thiết kế mô phỏng của nó. Hiện nay, phiên bản mới nhất của MatLab-Simulink đã đƣợc bổ sung các khối mô phỏng hướng đối tượng công nghiệp thông dụng kết hợp giao diện đồ họa trực quan để tăng khả năng tương tác và tính thực tế. Do đó, luận án đã dùng công cụ phần mềm MatLab-SimuLink vàOpenModelica[54]để mô phỏng điều khiển hệ thống AUV – HDS.
OpenModelica đƣợc xây dựng trên nền tảng mã nguồn mở bởi ngôn ngữModelica[29]; nó gắn chặt với ngôn ngữ mô hình hóa và mô phỏng hướng đối tƣợng và đƣợc sử dụng chủ yếu để phân tích các yếu tố động lực học liên tục và rời rạc của hệ thống phức tạp dựa trên việc giải các phương trình vi phân và đại số. Do đó, luận án đã sử dụng OpenModelica để mô phỏng toàn bộ các kịch bản của ứng dụng. Dựa vào các đặc điểm của mô hình thiết kế bằng RealTime UML trên đây các đặc điểm của ngôn ngữ mô hình hóa và mô phỏng Modelica/OpenModelica, luận án đƣa ra các luật chuyển đổi từ thiết kế vớiRealTime UML sang mô hình Modelica/OpenModelicanhƣ sau:
90
- Mỗi gói được thực thi tương ứng với một khối (B - Block); mỗi gói con của nó tương ứng với một B thành phần cục bộ tương ứng.
- Kết nối truyền đạt giữa các gói chính với nhau hoặc giữa gói chính với gói thành phần tuân theo luật “tích hợp” trong mô hình B.
- Các giao thức đƣợc thực thi bởi sự kiện và dữ liệu vào/ra của mô hình B.
- Các cổng đƣợc chuyển đổi nhƣ là các tổ hợp đầu vào/ra của mô hình B.
- Các lớp thực thể (các phần tử liên tục hoặc các dòng liên tục cụ thể Fi) đƣợc chuyển đổi thành chức năng (Function) của B đƣợc kết hợp với thuật toán cụ thể.
- Nếu các gói có chứa các đại lƣợng bất biến Invtrong Automate lai, thì các đại lượng này tương ứng với dữ liệu bên trong của B.
- Các máy trạng thái của các gói được thực thi bởi StateGraph của B tương ứng.
Để tiến hành kiểm tra và đánh giá các luật chuyển đổi trên đây, luận án đã mô phỏng lại hiệu năng điều chỉnh của hệ thốngbởi mô hình thực thi dạng OpenModelicavới cấu trúc và tham số điều khiển trong ví dụ đã mô tả ở mục 2.5.4 của Chương 2.
Hình 3.6 minh họa cấu trúc điều khiển tàu lặn mô hình thông qua mô hình OpenModelica. Hình 3.7 mô tả đáp ứng quá độ hướng đi của AUV hoàn toàn phù hợp với kết quả mô phỏng đáp ứng điều khiển đƣợc giới thiệu trên Hình 2.15 trong Chương 2. Trong trường hợp này, thời gian quá độ điều khiển bám hướng tới dầnhướng đi mong muốn 10o sau 7,2s.
Với mô hình điều khiển đƣợc chuyển đổi từ RealTime UML sang Modelica/OpenModelica ở trên cho thấy rằng: hệ thống lái AUV hoàn toàn đã đáp ứng đƣợc chất lƣợng và hiệu năng điều chỉnh theo IMO[2], nhƣ là: thời gian và quá độ điều chỉnh.
91
Hình 3.6. Minh họa cấu trúc điều khiển tàu lặn thông qua mô hình OpenModelica
Hình 3.7. Mô phỏng đáp ứng quá độ hướng đi của AUV – HDS tương ứng với kết quả mô phỏng trên Hình 2.15 trong Chương 2
92
Mô hình mô phỏng này cho phép xác định một cách dễ dàng các tham số của phần tử điều khiển và kiểm định về mặt lý thuyết hiệu năng điều chỉnh của hệ thống trước khi thi hành triển khai nó. Sau đó, mô hình thiết kế với RealTime UML sẽ đƣợc cập nhật lại với các giá trị thành phần điều khiển với mô hình mô phỏng tối ƣu nhất, nhằm đảm bảo phù hợp cho việc chế tạo, lập trình phần điều khiển và chạy thử trên tàu lặn mô hình thực tế.