CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG TIỆN TỰ HÀNH DƯỚI NƯỚC VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG, THỰC THI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG VÀ THỰC THI ÁP DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN AUV
1.3.4. Một số phương pháp mô phỏng và thực thi
1.3.4.3. Mô hình khối chức năng
Trong thực tế, để thực thi hệ thống điều khiển công nghiệp sau khi đƣợc mô phỏng, người ta thường sử dụng kiến trúc IEC. Kiến trúc này cho phép đặc tả cấu trúc của các hệ thống điều khiển có ứng xử phức tạp và đảm bảo đƣợc độ an toàn cao, cũng nhƣ nó hỗ trợ kết nối với các ngôn ngữ mô hình hóa (RealTime UML) và phần thi hành,như là: PLC hoặc các lập trình hướng đối tượng nhúng cho vi điều khiển. Sau đây là ví dụ về các đặc điểm chính của kiến trúc IEC61499[36],[47],[60]: Mỗi khối chức năng là sựcụ thể của một kiểu khối chức năng nào đó cũng tương tự như mỗi đối tượng là sự cụ thể của một lớp nào đó.
Hình 1.7 thể hiện các đặc tính của khối chức năng ở dưới dạng sơ đồ khối.
Hình 1.7. Đặc tính khối chức năng theo chuẩn IEC61499 Các đặc tính của khối chức năng:
- Tên biến (là tên của khối chức năng đó) và tên kiểu (là tên của kiểu khối chức năng mà nó phụ thuộc vào),
44
- Một tập các đầu vào sự kiện, dùng để nhận các sự kiện đến từ các liên kết sự kiện với bên ngoài. Các sự kiện đầu vào sẽ ảnh hưởng tới việc thực thi thuật toán bên trong khối chức năng,
- Một tổ hợp các đầu ra sự kiện, dùng để đẩy các sự kiện ra các liên kết sự kiện với bên ngoài tùy thuộc vào sự thực thi của thuật toán và một số yếu tố khác,
- Một tổ hợp các đầu vào dữ liệu, chúng đƣợc ánh xạ tới các biến đầu vào tương ứng,
- Một tổ hợp các đầu ra dữ liệu, chúng được ánh xạ tới các biến đầu ra tương ứng,
- Dữ liệu nội bộ, chúng đƣợc ánh xạ tới tập các biến nội bộ,
- Các đặc trƣng của khối chức năng, đƣợc xác định bằng cách kết hợp giữa dữ liệu nội bộ với thuật toán của khối chức năng.
Thuật toán bên trong khối hàm, về nguyên tắc không nhìn thấy đƣợc từ bên ngoài, trừ khi được người cung cấp khối hàm mô tả theo một cách nào đó. Hơn nữa, khối hàm có thể chứa bên trong nó các biến nội bộ hay các thông tin về trạng thái tồn tại không đổi giữa những lần gọi thuật toán của khối hàm nhƣng chúng cũng không truy cập đƣợc từ bên ngoài.
Kết luận chương
Trong chương này, luận án đã trình bày các kỹ thuật điều khiển theo chương trình cho các AUV đang đƣợc sử dụng trên thực tế, bao gồm các điểm chính sau:
- Cập nhật tổng quan về AUV;
- Nghiên cứu mô hình động lực học điều khiển tổng quát, các luật điều khiển cũng như phương pháp phân phối điều khiển cho AUV;
45
- Giới thiệu về các hệ thống điều khiển công nghiệp hiện nay: hệ thống tự đáp ứng, hệ thống thời gian thực và hệ thống động lực lai. Xuất phát từ mô hình động lực học điều khiển của AUV và các luật điều khiển đƣợc sử dụng, hệ thống điều khiển cho AUV đƣợc coi nhƣ là mang đặc tính của hệ thống động lực lai (HDS); bởi nó bao gồm phần liên tục, phần rời rạc và phần tương tác giữa liên tục và rời rạc;
- Đƣa ra một số mô hình dùng để đặc tả ứng xử AUV - HDS nhƣ: Automate lai, Grafcet, mạng Petri. Một số phương pháp mô phỏng và thực thi hệ thống như:
Modelica, MatLab & Simulink, mô hình khối chức năng (chuẩn IEC61499). Ngoài ra, luận án cũng đã giới thiệu công nghệ hướng đối tượng để phát triển các HDS, đặc tả ngôn ngữ mô hình hóa trong thời gian thực, nhằmphân tích, thiết kế và thực thi một cách có hệ thống cho AUV - HDS công nghiệp có ứng xử đƣợc mô hình hóa bởi Automate lai (HA).
Xuất phát từ các phân tích và đánh giátổng quan về AUV và phương pháp mô hình hóa, mô phỏng, thực thi hệ thống điều khiển trên đây, mục tiêu và giải pháp nghiên cứu cụ thể của luận án đã đƣợc đề xuất nhƣ sau sau:
- Nghiên cứu và phân tích thủy động lực học cho một ứng dụng AUV cỡ nhỏ cụ thể (Tàu lặn không người lái tự hành cỡ nhỏ cókích thước hình học: chiều dài 1,50m, đường kính 0,20m và vận tốc di chuyển tối đa trên mặt ngang v=1,8m/s), kèm theo sự hỗ trợ tính toán số của phần mềm AnsysFluent[10].
- Đưa ra qui trình công nghệ hướng đối tượng trong thời gian thực với RealTime UML và ROPES để phân tích, thiết kế, mô phỏng và thực thi hệ thống điều khiển bám hướng và quỹ đạo trên mặt ngang cho tàu lặn đã chọn với sự hỗ trợ của các công cụ phần mềm IBM Rational Rose RealTime[35], OpenModelica[54]
vàMatLab-Simulink[49]. Để minh họa cho qui trình đƣợc đề xuất này, bộ điều
46
khiển PID đƣợc sử dụng nhằm đơn giản hóa cho các tác tạo và hoạt động của các tác nhân tham gia vào qui trình.
- Thiết kếcủa hệ thống điều khiểnđƣợc thực hiện thông qua các gói, cổng, giao thức và bộ kết nối tổng quát trong RealTime UML nhằm có thể dễ dàng tùy biến và tái sử dụng chúng cho các ứng dụng điều khiển các loại AUV khác nhau.
Phương pháp và kỹ thuật điều khiển này sẽ được sử dụng trong các nội dung tiếp theo của luận án nhằm đƣa ra qui trình phân tích và thiết kế với RealTime UML và ROPES để phát triển hệ thống điều khiển AUV mang đặc điểm động lực lai công nghiệp; nó đƣợc gắn chặt với mô hình tính toán thủy động lực học của một AUV cụ thể được trình bày trong chương tiếp theo.
47