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
1.2. ĐỘNG LỰC HỌC TRONG ĐIỀU KHIỂN AUV
1.2.3. Một số luật và phân phối điều khiển cho AUV
Có nhiều phương pháp và luật điều khiển khác nhau đã được thực hiện cho các hệ thống tàu ngầm trên thế giới, trong đó có AUV. Giải thuật PID đã đƣợc sử dụng thành công để điều khiển các loại máy khác nhau bao gồm cả phương tiện tự động. Tuy nhiên, PID không phải là rất hiệu quả trong việc xử lý các tình huống AUV có mô hình động lực phi tuyến; do đó nó thường được sử dụng cho AUV rất đơn giản làm việc trong môi trường mà không nhiễu loạn bên ngoài[43]. Một giải thuật thay thế đƣợc gọi là điều khiển trƣợt (SMC) đã đƣợc chứng minh hiệu quả hơn khi xử lý mô hình động lực học phi tuyến với nhiễu loạn phi tuyến[26]. SMC là một cách tiếp cận điều khiển phi tuyến[3], trong đó sử dụng các giải thuật chuyển đổi phi tuyến để có đƣợc một đáp ứng quá độ nhanh nhằm giữ trạng thái ổn định cho hệ thống.
1.2.3.1. Một số luật điều khiển sử dụng cho AUV + Bộ điều chỉnh PID:
Bộ điều khiển PID có ba thành phần cơ bản là khâu khuếch đại P, khâu vi phân D và khâu tích phân I. Bộ điều khiển PID đơn giản về cả cấu trúc và nguyên
28
lý làm việc nên nó đƣợc sử dụng rộng rãi trong điều khiển các đối tƣợng theo nguyên lý hồi tiếp. Hình 1.3 giới thiệu sơ đồ khối của bộ điều chỉnh PID.
Hình 1.3. Sơ đồ khối bộ điều khiển PID
Bộ điều chỉnh PID có nhiệm vụ đƣa sai lệch của hệ thống về “O” sao cho quá trình quá độ thoả mãn các yêu cầu về chất lƣợng.
Mô hình toán học của bộ điều chỉnh PID đƣợc mô tả nhƣ sau:
k e t T e d T dedtt
t
u D
t
I p
0
1
(1.5)
Trong đó: kp; kd = TD; ki = kp/Ti lần lƣợt là các hệ số khuếch đại của khâu khuếch đại, hằng số thời gian vi phân của khâu vi phân, hằng số thời gian tích phân của khâu tích phân.
Đã có nhiều ứng dụng trong hệ thống lái các phương tiện biển tự động và điều khiển vòng lặp kín có kèm theo bộ điều chỉnh PID. Các tín hiệu hồi tiếp đƣợc xử lý bởi máy vi tính hoặc thiết bị điều khiển đặc chủng ví dụ nhƣ là PLC hoặc các bộ vi điều khiển công nghiệp.Trong đó, bộ điều chỉnh PID đƣợc thực thi bằng phần mềm tính toán nhằm mục đích nâng cao hiệu năng và chất lƣợng điều khiển của hệ thống[25], [68].
29 + Giải thuật SMC:
Nhƣ đã tổng hợp ở trên, SMC là giải thuật điều khiển đƣợc áp dụng khi xử lý các mô hình động lực học phi tuyến với nhiễu loạn phi tuyến. Để mô tả áp dụng giải thuật SMC cho AUV, mô hình động lực học điều khiển AUV (1) trong hệ tọa độ NED được viết lại dưới dạng sau:
( ) ̈ ( ̇ ) ( ) (1.6)
Ở đây ( ̇ ) biễu diễn các động lực học phi tuyến bao gồm các lực ly tâm và Coriolis, các lực giảm chấn tuyến tính và phi tuyến, lực và mô men của trọng trường và nổi cùng với các nhiễu loạn tác động bên ngoài.
Mặt điều khiển trƣợt đƣợc xác định nhƣ sau:
̇ (1.7)
( ) ( ) (1.8)
Vì vậy, vấn đề điều khiển đƣợc đơn giản hóa khi mà một luật điều khiển đƣợc áp dụng nhƣ là:
( )
( ̇ ) ( ) ( ̇ ) (1.9)
Nếu η đƣợc thay thế bởi sai lệch giữa các trạng thái hiện tại và mong muốn của AUV thì có thể đƣợc thấy rằng ứng dụng luật điều khiển này sẽ cho phép AUV theo vết một quỹ đạo đã định trước.
Trên thực tế có hai biến thể SMC tách cặp và ghép cặp, chúng đƣợc sử dụng tùy theo mức độ phức tạp của mô hình động lực học điều khiển của AUV. Chi tiết về các kỹ thuật điều khiển trƣợt đƣợc mô tả trong[27],[28], [58], [63].
30 1.2.3.2. Phân phối điều khiển
Vai trò của các luật điều khiển là để tạo ra tổ hợp tín hiệu cho lực điều khiển để AUV có đƣợc trạng thái hoạt động mong muốn. Các tín hiệu điều khiển lực τ này bao gồm sáu thành phần. Hệ thống phân bổ điều khiển chịu trách nhiệm phân phối các tín hiệu điều khiển này tới các thiết bị truyền động trên AUV. Điều này có nghĩa là mô đun phân phối điều khiển phải có đƣợc đặc tả kỹ thuật, vị trí và cấu hình của tất cả các thiết bị truyền động trên AUV.
+ Cơ cấu chấp hành:
Mô hình toán học các tín hiệu lực điều khiển cho các cơ cấu chấp hành khác nhau của AUV có thể đƣợc xây dựng nhƣ sau:
(1.10)
Ở đây: AUV hoạt động với 6 bậc tự do và với n cơ cấu truyền động; T là ma trận 6 x n thể hiện cấu hình thiết bị truyền động; K là ma trận đường chéo n x n hệ số lực; u là ma trận n x 1 tín hiệu điều khiển đầu vào. Các cấu hình cụ thể của các thiết bị truyền động sẽ cho phép xác định kích thước và cấu trúc của T, K và u. Với mỗi cột của T, ký hiệu là ti, kết hợp với đại lượng tương ứng trên đường chéo
chính của K sẽ đại diện cho một thiết bị truyền động.
Trên thực tế, các thiết bị truyền động truyền thống trong điều khiển AUV bao gồm: chân vịt, vây điều khiển, ống đạo lưu và có thể có một số thiết bị đặc biệt khác nữa tùy theo yêu cầu của nơi đặt hàng AUV. Để mô tả thiết bị truyền động trong mô hình động lực học điều khiển AUV, các ký hiệu lx, ly và lzbiểu diễn các dịch chuyển thành phần của nó lần lƣợt dọc theo trục x, y và z.
- Chân vịt là thiết bị truyền động đƣợc sử dụng phổ biến nhất để cung cấp lực điều khiển tịnh tiến chính cho phương tiện dưới nước. Nó thường được đặt ở
31
đuôi phương tiện và tác dụng một lực chính dọc theo trục dọc của phương tiện này.
Cấu trúc đại lƣợng ti cho một chân vịt đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
(1.11)
- Vây điều khiển là thiết bị truyền động tạo ra mô men quay cho AUV.
Thông thường một AUV có bốn vây điều khiển độc lập được bố trí theo cặp ngang và dọc. Cấu trúc đại lƣợng ti cho vây điều khiển đƣợc biểu thị nhƣ sau:
Vây ngang:
(1.12)
Vây dọc:
(1.13)
Ngoài ra cũng có thể suy luận đại lượng ti cho trường hợp AUV có sử dụng các ống đạo lưu. Chi tiết của các thiết bị truyền động đã được giới thiệu trong[27], [28]. Với cách biểu diễn các đại lƣợng ti nhƣ trên cho phép thực hiện dễ dàng trong phân phối điều khiển một cách lô gíc; đặc biệt là trong quá trình thực thi điều khiển bằng chương trình mã hóa.
+ Phương pháp phân phối:
Một trong những phương pháp đơn giản nhất để phân phối điều khiển là:
( ) (1.14)
Phương pháp này rất đơn giản để thực hiện, bởi nó chỉ có một phép nhân ma trận duy nhất; nó được thường được sử dụng cho các AUV có yêu cầu xử lý và tính toán các tác vụ đơn giản. Tuy nhiên, do tính đơn giản của nó nên việctối ƣu và giảm điện năng tiêu thụ của các cơ cấu truyền động là khó hơn.
Đối với các AUV có các hệ thống truyền động phức tạp nhằm xử lý và thực hiện tác vụ mang tính đa nhiệm, thì cần phải sử dụng các phương pháp phân phối
32
điều khiển khác, như là: lập trình bậc hai và giải thuật bước. Các phương pháp này đƣợc mô tả chi tiết trong[28].