Phân tích thủy động lực học và thiết kế hệ thống điều khiển theo công nghệ hướng đối tượng cho phương tiện tự hành dưới nước

- NGUYỄN ĐÔNG PHÂN TÍCH THỦY ĐỘNG LỰC HỌC VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THEO CÔNG NGHỆ HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG CHO PHƯƠNG TIỆN TỰ HÀNH DƯỚI NƯỚC Chuyên ngành: CƠ HỌC CHẤT LỎNG Mã số: 62440108 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1.
- Mục đích và đối tượng nghiên cứu của luận án.
- Phần lớn các thiết bị trên tàu thủy đang phải nhập khẩu đặc biệt là thiết bị công nghệ cao trong đó có thiết bị điều khiển.
- Đối tượng nghiên cứu của luận án là AUV mô hình mô phỏng và 1 AUV mô hình thực tế với mục đích.
- Tính toán mô phỏng động lực học của nó từ đó phân tích, thiết kế và thực thi hệ thống điều khiển theo công nghệ hướng đối tượng.
- Thiết kế chi tiết của hệ thống này có thể dễ dàng tái sử dụng điều khiển cho các AUV khác với các yêu cầu luôn luôn thay đổi và tính phức tạp ngày càng tăng cao của hệ thống điều khiển.
- Phương pháp nghiên cứu đã sử dụng.
- Luận án đã đặt vấn đề nghiên cứu động lực học và điều khiển phương tiện tự hành dưới nước như một đối tượng điều khiển và đề ra phương pháp giải bài toán động lực học và điều khiển, đồng thời ứng dụng công nghệ hướng đối tượng để điều khiển.
- Các kết quả nghiên cứu được tính toán theo lý thuyết, mô phỏng trên máy tính cũng như thực nghiệm trên mô hình theo toàn đồ sau: Trong đó.
- Kết quả số 1: minh họa mô phỏng đánh giá cấu trúc điều khiển đề xuất bằng Mathlab 2 + Kết quả số 2: Các kết quả mô phỏng cho các trường hợp khác nhau bằng OpenModelica + Kết quả số 3: Kết quả thực nghiệm trên mô hình AUV 3.
- Nghiên cứu, tính toán thiết kế và chế tạo 1 mô hình tàu lặn.
- Phân tích động lực học và xây dựng phương trình chuyển động của tàu lặn đồng thời phân tích mô phỏng trên máy tính.
- Nghiên cứu công nghệ có tích hợp hướng đối tượng và thiết bị dẫn đường trong thời gian thực để phân tích, thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển cho tàu lặn, ứng dụng cho mô hình tàu lặn tương tự.
- Chế tạo và thử nghiệm thành công tàu lặn mô hình từ đó tác giả xây dựng thuật toán điều khiển và hệ thống điều khiển từ đó có thể dễ dàng tùy biến, tái sử dụng cho các ứng dụng điều khiển phương tiện tự hành dưới nước khác nhau.
- TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG TIỆN DƯỚI NƯỚC VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHTHỰC THI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN1.1.
- PHÂN TÍCH TỔNG QUAN HỆ THỐNG 1.1.1.
- Mô hình yêu cầu Sơ đồ khối điều khiển, định vị và dẫn đường của AUV1.1.2.
- Mô hình động lực học điều khiển.
- MỘT SỐ LUẬT VÀ PHÂN PHỐI ĐIỀU KHIỂN CHO AUVCó nhiều phương pháp và luật điều khiển khác nhau đhiện cho các hệ thống tàu ngầm trên thế giới, trong đó có AUV.
- GiPID đã được sử dụng thành công để điều khiển các loại máy khác nhau bao gồm cả phương tiện tự động.
- Tuy nhiên, PID thường được srất đơn giản làm việc trong môi trường mà không nhiễu loạgiải thuật thay thế được gọi là điều khiển trượt (SMC) đã ỆN TỰ HÀNH ÌNH HÓA, MÔ PHỎNG, ỰC THI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN a AUV  N CHO AUV n khác nhau đã được thực i, trong đó có AUV.
- Một ã được chứng minh 4 hiệu quả hơn khi xử lý mô hình động lực học phi tuyến với nhiễu loạn phi tuyến.
- sử dụng các giải thuật chuyển đổi phi tuyến để có được một đáp ứng quá độ nhanh nhằm giữ trạng thái ổn định cho hệ thống.
- Bộ điều chỉnh PID Bộ điều chỉnh PID có nhiệm vụ đưa sai lệch của hệ thống về “0” sao cho quá trình quá độ thoả mãn các yêu cầu về chất lượng.
- 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 trượt được xác định như sau.
- Vì vậy, vấn đề điều khiển được đơn giản hóa khi mà một luật điều khiển được áp dụng như là: lim.
- 0 Nếu η được thay thế bởi sai lệch giữa các trạng thái hiện tại và mong muốn của AUV thì có thể được thấy rằng ứng dụng luật điều khiển này sẽ cho phép AUV theo vết một quỹ đạo đã định trước.
- CÁC PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG VÀ THỰC THI ÁP DỤNG TRONG ĐIỀU KHIỂN AUV * AUV với hệ thống động lực lai Hiện nay, các hệ thống điều khiển tự động công nghiệp có thể phân theo các loại sau: 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 đặc tả về hệ thống động lực lai, hệ thống điều khiển AUV có thể xem như là một hệ thống động lực lai công nghiệp và được gọi là AUV – HDS.
- Trong hệ thống này có các phần liên tục/rời rạc và tác động qua lại giữa các phần đó, như là: các chuyển động trượt dọc, trượt ngang, trượt đứng, các chuyển động quay và các tác động từ môi trường biển do sóng, gió và dòng hải lưu.
- Ngôn ngữ mô hình hóa để thiết kế.
- UML là một ngôn ngữ đồ họa để trực quan hóa, mô tả, xây dựng hệ thống do G.
- UML đem lại cho người sử dụng phương pháp chuẩn để viết bản thiết kế hệ thống -Real time UML: là UML trong thời gian thực, bao gồm các ký hiệu của UML và các ký hiệu gói, cổng, giao thức trong hệ thống phức tạp.
- Phân tích, thiết kế điều khiển AUV- HDS - Trước đây, người ta phân tích, thiết kế điều khiển theo kiểu hướng thủ tục hoặc hướng dữ liệu.
- Phương pháp phân tích, thiết kế tiên tiến hiện nay là hướng đối tượng (Object-oriented).
- Ưu điểm lớn nhất của phân tích, thiết kế hướng đối tượng 6 là nó gần với thực tế và do đó thúc đẩy việc tái sử dụng lại những thành quả đã xây dựng được.
- Ưu điểm lớn nhất của phân tích, thiết kế phần mềm hướng đối tượng không phải nằm ở chỗ tạo ra chương trình nhanh tốn ít công sức, mà nằm ở chỗ nó gần với thực tế và do đó thúc đẩy việc tái sử dụng lại những thành quả đã xây dựng được như mã lệnh hay bản thiết kế.
- Phương pháp mô phỏng và thực thi.
- Việc mô phỏng của hệ thống công nghiệp là một nhu cầu tất yếu.
- Xuyên suốt toàn bộ quá trình thực hiện một dự án, từ ý tưởng thiết kế cho đến thực hiện và vận hành hệ thống, mô phỏng cho phép kiểm tra, đánh giá nhiều phương án khác nhau, từ đó lựa chọn được phương án thích hợp nhất để thực thi.
- Các phần mềm mô phỏng ngày càng trở nên linh hoạt, mạnh mẽ, thân thiện và gần gũi.
- Trong khuôn khổ luận án sử dụng ngôn ngũ mô phỏng là ngôn ngữ Modelica và MATLAB.
- PHÂN TÍCH VÀ MÔ HÌNH HÓA ĐỘNG LỰC HỌC CỦA AUV Mô hình hóa và mô phỏng động lực học AUV là một bước quan trọng trong chương trình.
- AUV sẽ được mô hình hóa và mô phỏng động lực học nhằm khảo sát, đánh giá và lấy số liệu các thông số động lực học tàu lặn phục vụ cho thiết kế hệ thống điều khiển.
- Chương này tập trung vào việc mô hình hóa và mô phỏng động lực học tàu lặn gồm các nội dung chính sau.
- Tổng quan về động lực học tính toán (CFD) và mô phỏng động lực học AUV, lý thuyết tính toán cơ bản và công cụ hỗ trợ mô hình hóa và mô phỏng động lực học AUV.
- Quy trình mô hình hóa và mô phỏng động lực học AUV.
- Phân tích đánh giá động lực học tàu lặn thiết kế qua mô hình hóa và mô phỏng động lực học.
- Lựa chọn cấu trúc hệ thống điều khiển cho AUV - HDS.
- Chi tiết cấu trúc Automate lai điều khiển cho AUV và một số kết quả mô phỏng.
- 7 2.1.MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC PHƯƠNG TIỆN DƯỚI NƯỚC 2.1.1.Vai trò mô hình hóa và mô phỏng động lực học phương tiện tự hành dưới nước Việc tính toán nghiên cứu tương tác giữa nước với phương tiện rất phức tạp, vấn đề này sẽ được giải quyết với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ, có thể trợ giúp con người giải quyết những vấn đề này.
- Tổng quan về CFD CFD có nghĩa là tính toán động lực học chất lưu có trợ giúp của máy tính là một ngành khoa học tính toán chuyên dự đoán các đặc tính của dòng chất lưu, các quá trình nhiệt động học, các phản ứng hóa học, v.v… 2.2.
- CÔNG CỤ HỖ TRỢ VÀ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TRONG MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC AUV 2.2.1.
- Công cụ hỗ trợ tính toán Ansys hiện nay là một phần mềm rất mạnh và được dùng rộng rãi trong lĩnh vực mô phỏng số.
- Ansys cung cấp các khả năng tính toán mô phỏng với rất nhiều dạng mô hình từ mô hình vật rắn, thể lỏng, khí hay hóa học, điện từ trường, v.v… Ngoài ra, Ansys Fluent là một phần trong gói phần mềm Ansys về động lực học dòng chất lưu.
- nó có thể được sử dụng mô phỏng dòng chảy chất lỏng, nhiệt với dạng hình học phức tạp.
- Để tiến hành tính toán mô phỏng trong Ansys Fluent cần phải trải qua các bước cơ bản mô tả ngắn gọn trên Hình 2.1.
- Lý thuyết tính toán được sử dụng trong công cụ hỗ trợ Fluent sử dụng phương pháp thể tích hữu hạnđể giải các phương trình mô tả đặc tính cho các bài toán khác nhau, trong phạm vi bài toán mô phỏng dòng chảy thì phương trình cơ bản chính là phương trình liên tục: ()0=+∂∂Vdivtrρρ Mô hình k-ε mô hình bán thực nghiệm cho nên có nhiều hằng số được định nghĩa trước đòi hỏi người sử dụng phải hiểu rõ bài toán.
- Mô hình này áp dụng việc giải độc lập hai phương trình chuyển động với năng lượng động học rối (k) và tỉ lệ khuyếch tán của nó (ε.
- QUI TRÌNH MÔ HÌNH HÓA, MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC AUV Để mô hình hóa và mô phỏng động lực học tàu ta sử dụng gói FluidFlow (Fluent) trong môi trường Workbench của Ansys và phần mềm hỗ trợ xây dựng mô hình là Solidworks.
- Trình tự tính toán tổng quan như trên Hình 2.2 dưới đây.
- Trình tự mô phỏng động lực học trong FluidFlow Bước1-2 (Geometry): Xây dựng mô hình trên Solidworks sau đó đưa vào Workbench thực hiện mô phỏng.
- Bước 4 (Setup): Chọn mô hình toán khai báo.
- Bước 5 (Solution): Tính toán trong Fluent.
- Xây dựng mô hình hình học Thông số cơ bản của AUV mô hình (tàu lặn tự hành mô hình.
- Khối lượng: 11,2 kg (bao gồm toàn bộ thiết bị: vỏ, hệ thống lặn nổi, hệ thống chân vịt đẩy, hệ thống lái, hệ thống truyền thông.
- Biên dạng tàu lặn mô hình Hình 2.4 và 2.5.
- Mô hình khảo sát và lưới biên dạng tàu lặn 2.3.2.
- Lưới hóa mô hình Hình 2.6.
- Mô hình đã chia lưới 10 Toàn bộ mô hình sau khi chia lưới bao gồm 2053513 phần tử lưới tứ diện trong đó có 383724 nút lưới.
- Chiều tính toán: 3D,Mô hình tính toán: k-ε.
- Mô phỏng với thay đổi các thông số dòng chảy để nghiên cứu động lực AUV.
- Sơ đồ mô phỏng - Do điều kiện thử nghiệm thực tế nên trong khuôn khổ luận án bước đầu chỉ nghiên cứu các trường hợp động lực học của AUV làm việc gần mặt thoáng.
- PHÂN TÍCH MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG THỦY ĐỘNG LỰC HỌC Từ kết quả mô phỏng ta xác định được tác động dòng chảy lên tàu ở các chế độ làm việc khác nhau.
- CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN AUV 2.5.1.
- Sơ đồ khối chức năng Xuất phát từ mô hình thủy động lực học của AUV đã được tính toán trên đây, các tiêu chuẩn theo TCVN-6277 cho hệ thống lái tự động các phương tiện biển (tàu thủy), các tiêu chí chất lượng hoạt động của tàu lặn mô hình kèm theo tham chiếu phương thức kết nối giữa mô hình CFD và mô hình điều khiển chuyển động của AUV được mô tả trong, luận ánđề xuất một sơ đồ khối chức năng mở rộng (Hình 2.8) kèm theo giải thuật dẫn đường được thực thi bởi luật dẫn đường (LOS) để thực hiện các hoạt động trong máy trạng thái của AUV - HDS.
- Sơ đồ khối chức năng mở rộng của AUV – HDS 12 Trong đó.
- Hệ thống dẫn đường và định vị nhằm cung cấp/thu nhận các tín hiệu dẫn đường-định vị thông qua GPS/INS của AUV.
- Mô phỏng hệ thống điều khiển Để tiến hành kiểm tra và đánh giá các cấu trúc phân tích trên đây, luận án đã dùng công cụ MabLab-Simulink nhằm mô phỏng hiệu năng điều chỉnh của hệ thống.
- Một trong những kết quả mô phỏng đáp ứng điều khiển được giới thiệu trên Hình 2.9.
- Trong trường hợp này, thời gian quá độ điều khiển bám hướng tới dần góc hướng đi mong muốn 10o sau 7,2s.
- Mô phỏng đáp ứng quá độ hướng đi của AUV - HDS 13 Với mô hình điều khiển ở trên và qua các đồ thị quá độ điều chỉnh chỉ ra rằng mô hình mô phỏng của hệ thống lái AUV hoàn toàn đáp ứng được chất lượng và hiệu năng điều chỉnh, như là: thời gian và quá độ điều chỉnh nhằm đảm bảo phù hợp với việc chế tạo, lập trình phần điều khiển và chạy thử trên tàu lặn mô hình sau này.
- Trên thực tế, luận án nghiên cứu được minh họa trên ‘Tàu lặn mô hình’ hay là AUV cỡ nhỏ, nên các cơ cấu chấp hành của AUV không yêu cầu phải dùng tới: Servo-Vavle thủy lực điều khiển (mang đặc điểm của khâu dao động) và hệ truyền động xi lanh thủy lực (mang đặc điểm của khâu quán tính).
- Do đó, cơ cấu chấp hành lái của tàu lặn có thể đơn giản hơn, nhưng chúng vẫn có các thuộc tính điều khiển như trên.
- QUY TRÌNH PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ VÀ THỰC THI ĐIỀU KHIỂN CỦA AUV THEO CÔNG NGHỆ HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG 3.1.
- CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN TRONG CÔNG NGHỆ HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG Công nghệ hướng đối tượng bao gồm một tập các nguyên tắc hướng dẫn xây dựng phần mềm nói chung hay phần mềm điều khiển trong công nghiệp nói riêng với các ngôn ngữ, các cơ sở dữ liệu và các công cụ hỗ trợ cho các nguyên tắc đó.
- Có bốn đặc trưng cơ bản trong công nghệ hướng đối tượng (Hình 3.1) như sau: Hình 3.1.
- Tổng quan các đặc trưng trong công nghệ hướng đối tượng Lựa chọn phương pháp hướng đối tượng Xuất phát từ yêu cầu trong ngữ cảnh sản xuất công nghiệp, việc tái sử dụng và tùy biến các mô đun điều khiển đã phát triển được áp dụng cho 14 hệ thống ứng dụng mới là rất quan trọng, nhằm giảm chi phí, thời gian và nhân công sản xuất.
- Phương pháp phân tích và thiết kế hướng đối tượng thực hiện theo các thuật ngữ và khái niệm của phạm vi lĩnh vực ứng dụng, nên nó tạo sự tiếp cận tương ứng giữa hệ thống và vấn đề thực của môi trường bên ngoài.
- Một trong những ưu điểm quan trọng bậc nhất của phương pháp phân tích và thiết kế hướng đối tượng là tính tái sử dụng.
- Cấu trúc tổng quan về mô hình phân tích của AUV – HDS Để xây dựng cấu trúc tổng quan của mô hình phân tích, luận án đưa ra 5 cộng tác đối tượng: phần liên tục (Continous part), phần rời rạc (Discrete part), ứng xử liên tục toàn cục tức thời (IGCB), giao diện bên trong (Interal interface) và giao diện bên ngoài (External interface) để dễ dàng tổ chức, quản lý theo dõi và tái sử dụng các tác tạo được tạo ra trong quá trình phân tích, thiết kế và thi hành các AUV- HDS (Hình 3.3).
- 15 Mô hình phân tích chủ yếu tập trung vào mối quan hệ giữa hệ thống với môi trường xung quanh.
- Mô tả các tình huống hệ thống sẽ được sử dụng nhưng chưa định nghĩa chi tiết về cấu trúc tĩnh bên trong của hệ thống.
- Cấu trúc tổng quan về mô hình phân tích của AUV - HDS công nghiệp 3.2.2.
- Mô hình thiết kế của AUV - HDS công nghiệp Nếu chuyển trực tiếp từ mô hình cộng tác đối tượng trên đây tới môi trường thực thi thì các mô hình cấu trúc và ứng xử chi tiết phải được bổ sung thêm, nhằm thực thi chính xác hệ thống điều khiển công nghiệp.
- Mỗi một hợp tác đối tượng hoặc gói đối tượng đã xác định ở trên thì cần ít nhất một gói với RealTime UML, ví dụ như là: gói của AUV - HDS công nghiệp toàn cục, gói của phần liên tục, gói của phần rời rạc, gói của giao diện bên trong, gói của giao diện bên ngoài, gói của IGCB.
- Các lớp chủ động trong cộng tác đối tượng hoặc gói đối tượng thì sẽ trở thành các gói tương ứng.
- Các lớp bị động trong cộng tác đối tượng hoặc gói đối tượng hợp tác thì sẽ trở thành các lớp thực thể tương ứng.
- Các cổng và giao thức được xác định bởi sự tương tác giữa các cộng tác đối tượng hoặc gói đối tượng có kèm theo các thông điệp cụ thể

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt