Kỷ yếu Hội thảo khoa học cấp Trường 2022

Tiểu ban Khoa học hàng hải

Ổn Định Hệ Thống Lái Tự Động Tàu Thủy Sử Dụng Bộ
Điều Khiển Mạng Nơ Ron – Mờ Thích Nghi Trực Tiếp
Võ Cơng Phương
Viện Hàng hải
Trường Đại học Giao thơng vận tải Thành phố Hồ Chí Minh
Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam


Đào Học Hải
Viện Hàng hải
Trường Đại học Giao thơng vận tải Thành phố Hồ Chí Minh
Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam


Nguyễn Tiến Dũng
Khoa Điện-Điện tử viễn thông
Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh
Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam
tiendung.nguyen@.ut.edu.vn

Nguyễn Bảo Trung
Viện Hàng hải
Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh
Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam


Tóm tắt - Hiện nay, lĩnh vực điều khiển tự động ngày

càng phát triển mạnh mẽ, các bộ điều khiển được chế
tạo để điều khiển nhiều đối tượng khác nhau. Yêu cầu
thực tế đặt ra là điều khiển các hệ thống động lực rất
phức tạp, trong điều kiện hệ số bất định càng tăng, cần
có bộ điều khiển chất lượng cao hơn,... Do đó, bộ điều
khiển có thuật tốn thích ứng để đáp ứng thực tế. Với
bộ điều khiển sử dụng mạng noron - mờ đã tạo ra một
hướng phát triển mới trong lĩnh vực thiết kế hệ thống
điều khiển. Bộ điều khiển mạng noron - mờ được thiết
kế để giữ cho hệ thống lái tự động của tàu hoạt động ổn
định. Chúng có thể được thiết kế với chất lượng hệ
thống nhất định với độ chính xác tùy ý và công việc của
chúng dựa trên các nguyên tắc tư duy của con người.

( m  mx )u  ( m  my )vr  X   1
( m  my )v  ( m  mx )ur  my y r  my l y p  Y   2

( I x  J x ) p  myl y v  mxl xur  K  WGMT   4
( I z  J z )r  my y v  N  xgY   6
Các lực, mô men (moment) thủy động và phục hồi
được thể hiện như sau:

Keywords—Tàu thủy, điều khiển tàu thủy, mạng
noron – mờ, điều khiển thích nghi, nhiễu sóng biển.

1. ĐỐI TƯỢNG ĐIỀU KHIỂN

X  X (u )  (1  t )T  X vr vr  X vv v 2  X rr r 2  X  2 
 cRX FN sin 


Y  Yv v  Yr r  Yp p  Y  Yvvv v 3 Yrrr r 3  Yvvr v 2r 
 Yvrr vr 2  Yvv v 2  Yv v 2  Yrr r 2 
 Yr r 2  (1  aH ) FN cos 
K  K v v  K r r  K p p  K  K vvv v 3  K rrr r 3  K vvr v 2r 
 K vrr vr 2  K vv v 2  K v v 2  K rr r 2 
 K r r 2  (1  aH ) zR FN cos 

N  N v v  N r r  N p p  N  N vvv v 3  N rrr r 3 
 N vvr v 2 r  N vrr vr 2  N vv v 2  N v v 2 
 N rr r 2  N r r 2  ( xR  aH xH ) FN cos 
Trong đó X (u) là vận tốc phụ thuộc vào hệ số cản

X (u )  X |u|u | u | u . Lực bánh lái có thể được mơ tả:

Hình 1: Mơ hình tàu và hệ trục.

Đối với tàu thủy chuyển động thường được giới
hạn trong 04 bậc tự do: Trượt dọc, trượt ngang, quay
trở (hướng), lắc ngang. Xét mơ hình tốn phi tuyến
của tàu theo các trục X ,Y quay trở (hướng), lắc
ngang được trình bày bởi Son va Nomoto [1]-[3].

FN  

6.13 AR 2
. (u  v 2 )sin  R
  2.25 L2 R R

uR  u p 1  8kKT / ( J 2 )


 R    tan 1 (vR  uR )
vR   v  cRr r  cRrrr r 3  cRrrr r 2v

234


Võ Công Phương, Đào Học Hải, Nguyễn Tiến Dũng, Nguyễn Bảo Trung

Ở đây:

Như vậy chuyển động của tàu thủy theo hướng

J

u pU

yout được mô tả tổng quát bởi hệ phương trình:

nD

 I  A( )  G  

   J ( )
 y 
 out

u p  cos v (1  wp )   (v  x p r ) 2  c pv v  c pr r}
 n : Tốc độ quay chân vịt (vòng/phút);
 D : Đường kích chân vịt;


Các hệ số phương trình (3) được tính tốn phụ
thuộc vào thơng số thực tế của từng loại tàu, mơ tả
đầy đủ mơ hình tốn cho tàu thủy trong mô phỏng và
điều khiển trong điều kiện chưa xét đến các nhiễu mơi
trường như sóng, gió và dịng chảy:

 AR : Diện tích bánh lái;
  : Góc quay bánh lái;
 L : Chiều dài thân tàu.

cRX FN sin 


 (1  a ) F cos  
H
N

 
 (1  aH ) z R FN cos  


( xR  aH xH ) FN cos  

Từ các điều kiện trên, có thể thiết lập phương trình
chuyển động của tàu dưới dạng:

I  A( )  G  

(1)


Trong đó:

v  u v

p r

 m  mx
 0
I 
 0

 0

T

0
m  my
my l y
my y

0
my l y
Ix  Jx
0

II. PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA TÀU
THỦY KHI CÓ XÉT ĐẾN CÁC NHIỄU LOẠN


m y y 

0 

I x  J z 
0

Khi xét đến nhiễu mơi trường gồm gió, sóng và
dịng chảy đại dương, hệ phương trình (3) được viết
như sau:

 I  A(td )td  G    d

   J ( )
 y 
 out

X vv v
 X uuu
 0
Yv  Yvvv vv  Yvv v  Yv
A
K v  K vvv vv  K vv v  K v
 0

N v  N vvv vv  N vv v  N v
 0

    c  [utd , vtd , p, r ]T ;

c  [uc , vc , 0, 0]T : Vận tốc dòng chảy đối với hệ
tọa độ gắn liền;


d   gió   sóng : Nhiễu gió và sóng.



(1  t )T ( J )  X  2


2
2
Y  Yrr r   Yr r


G
2
2
2
K   K v v  K rr r   K r r  W GM 
 

N  N rr r 2  N r r 2



III. SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG CHẢY ĐẠI
DƯƠNG ĐỐI VỚI CHUYỂN ĐỘNG
CỦA TÀU THỦY
Vận tốc dòng chảy Vc được phân tích thành các

Chuyển động của tàu được mơ tả trong hệ tọa độ

cố định tâm Trái Đất được giới hạn 04 bậc tự do:
(2)
  J ( )

thành phần ucE , vcE thuộc hệ tọa độ cố định tâm Trái
Đất trong mặt phẳng ngang thơng qua góc  .

ucE  Vc cos

Trong đó:

vcE  Vc sin 

  x y   

T

 sin
cos
0
0

0
0 
0
0 
1
0 

0 cos  


(4)

Với:

0
X vr v  X rr r  ( m  my )v

Yp Yr  Yrrr rr  Yvvr vv  Yvrr vr  ( m  mx )u 

K p K r  K rrr rr  K vvr vv  K vrr vr  mxl xu 

Np
N r  N rrr rr  N vvr vv  N vrr vr


cos
 sin
J ( )  
 0

 0

(3)

Vận tốc dòng chảy đối với hệ tọa độ gắn liền trong
T
mặt phẳng ngang được ký hiệu c  [uc , vc , 0, 0] ,

trong đó, uc , vc là các thành phần vận tốc dòng chảy

theo các trục X b , Yb .
235


Ổn định hệ thống lái tự động tàu thủy sử dụng bộ điều khiển mạng nơ ron – mờ thích nghi trực tiếp

Mối quan hệ giữa vận tốc dòng chảy trong hệ tọa
độ gắn liền và hệ tọa độ địa lý được mơ tả thơng qua
góc hướng .

S (w) 

Với Tz : Hệ số phụ thuộc vào mức sóng trung bình.

ucE 
uc 
T
 v   J l ( )  E 
 c
 vc 
 cos sin 
Với: J ( )  

  sin cos 

Tuyến tính hóa mơ hình sóng biển PM có thể viết
ngõ ra y(s) từ mơ hình sóng là y(s)  h(s)(s) .
Trong đó:

 ( s) : Nhiễu trắng Gaussian có mức trung bình

bằng 0 với năng lượng phổ pww ( )  1 ;

Ta có:

uc  Vc cos(   )

vc  Vc sin(   )

h(s) : Hàm truyền đề nghị [1]:

Vận tốc tương đối:

h( s ) 

vtd  v  vc  utd , vtd , p, r 

T

K s
s  20 s  02
2

Với hằng số độ lợi K được định nghĩa:

IV. SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA GIÓ ĐỐI VỚI
CHUYỂN ĐỘNG CỦA TÀU THỦY
Mô men (moment) và lực tác động của gió đối với
tàu thủy thường được xác định bởi các thành phần vận

K  20  ;

   : Hằng số mơ tả cường độ sóng (m);
  : Hệ số ma sát;

tốc gió VR (hải lý) và góc  R (độ) [1].

  0 : tần số trội (rad/s).

1
X gió  C X ( R )  wVR2 AT
2
1
Ygió  CY ( R )  wVR2 AL
2
1
N gió  C N ( R )  wVR2 AL L
2

Mô hình sóng biển cấp ba với các thơng số  ;  0
(rad/s);    0.5 (m) được mô phỏng như sau:
Mơ hình lực và mơ men đối với nhiễu sóng biển
theo [1]:
N

X sóng (t )    gBLTcos si (t )

Trong đó:
 C X , CY : Các hệ số lực;

i 1


N

Ysóng (t )     gBLT sin si (t )

 C N : Hệ số mô men;

i 1

  w : Mật độ không khí (kg/m3);

N

N sóng (t )  

 AT : Bề mặt theo phương ngang và phương dọc

i 1

2

thân tàu (m );
 L chiều dài thân tàu.

1
 gBL( L2  B 2 )sin 2 si2 (t )
24

Trong đó:
  : Góc giữa hướng tàu và phương sóng;


Véc tơ (vector) mơ men và lực tác động của gió
đối với tàu thủy:

 gió   X gió Ygió

1  3 H s2
16 3
exp(
)(m 2 s )
4 Tz4 5
Tz4 4

N gió 

 g: Gia tốc trọng trường (m/s2);
  : Mật độ nước;

T

 si (t ) : Độ nghiêng sườn sóng thứ i;

V. SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG BIỂN ĐỐI VỚI
CHUYỂN ĐỘNG CỦA TÀU THỦY
Gió tạo ra sóng thường được trình bày là tổng một
số lượng lớn các sóng thành phần. Cường độ sóng Ai
của sóng thành phần i liên quan đến hàm mật độ phổ

 L : Chiều dài thân tàu theo bề mặt ướt;
 B : Bề rộng tàu theo bề mặt ướt;
 T : Mớn nước tàu.

Véc tơ mô men và lực tác động của sóng biển đối
với tàu thủy:

sóng S (i ) . Mơ hình phổ PM được xây dựng vào
năm 1978:

236

 sóng   X sóng Ysóng

N sóng 

T


Võ Công Phương, Đào Học Hải, Nguyễn Tiến Dũng, Nguyễn Bảo Trung

VI. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MẠNG NƠRON
MỜ THÍCH NGHI TRỰC TIẾP CHO TÀU THỦY
04 BẬC TỰ DO

Yr  e  A (Yr  e)  B[ f ( x)  g( x)u f  g( x)v  d ]

e  A e  BKcT eˆ  B[  f ( x )  yr( n )  K cT eˆ 
 g ( x )u f  g ( x )v  d ]  Yr  A Yr  Byr( n )

Cho hệ thống:

x(t )  Ax(t )  Bu(t )


e1  C T e

(5)

Có điều kiện đầu x(0)  x0

Hay:

Ở đây x  R n , u  R , A R nxn , B  R nx1 .

e  Ae  BK cT eˆ  B[ g ( x)u *  g ( x)u f  g ( x)v  d ]

Giả sử A là ma trận Hurwitz và u (t )  L2 e , cho

e1  C T e

 0 và 0 là các hằng số dương,   [0,  1 ] trong đó
0   1  2 0 thỏa || e A(t  ) || 0 e 

0 ( t  )

.

Vấn đề đặt ra là thiết kế bộ quan sát trạng thái để
ước lượng trạng thái véc tơ e, bộ quan sát trạng thái
được trình bày:

eˆ  A eˆ  BK cT eˆ  K 0 (e1  eˆ1 )

Ta có:


|| x(t ) || 0 e 0t || x0 || 

|| B || 0
2 0  

eˆ1  C T eˆ

|| ut ||2

Trong đó giá trị || ut ||2 được tính theo cơng
thức:

Trong đó: K 0  [ K10 , K 20 ,...,K n0 ] là véc tơ độ
lợi bộ quan sát trạng thái được chọn sao cho

A  K 0 C T thỏa Hurwitz. Sai số bộ quan sát được
định nghĩa: e~  e  eˆ và e~  e  eˆ

t

|| ut ||2  ( e  (t  ) u T ( )u( )d )1 / 2

1

0

Định nghĩa:

1


e~  ( A  K 0 )e~  B[ g ( x)u *  g ( x)u f  g ( x)v  d ]
e~  C T e~

Yr  [ y r , y r ,..., y r( n1) ]T
Sai số bám: e  Yr  x, eˆ  Yr  xˆ . Với eˆ và xˆ

1

là ước lượng của e và x.
( n1)
1

e  [e1 , e1 ,...,e

Để xấp xỉ luật điều khiển (7), tức tính u f . Giải

,... ]  [e1 , e2 ,...,en ]
T

T

Nếu các hàm f (x) và g (x) đã biết và khơng có
nhiễu ngồi d, theo tiêu chuẩn Lyapunov và dựa trên
tiếp cận tương đương, luật điều khiển:

u *  g 1 ( x)[ f ( x)  y r( n )  K cT eˆ]

thuật đề nghị sử dụng cấu trúc của một bộ xấp xỉ
noron-mờ. Cấu hình cơ bản của hệ logic mờ gồm có

một số luật nếu - thì và cơ chế suy luận mờ. Luật nếu
– thì thứ i (với i  1  h ) được viết:
i
i
Ri : Nếu e1 là A1 và … và en là An thì u f là B i

(6)

i

hồi tiếp.

K c sao cho Ak  A  B K cT thỏa

Hurwitz.
Bởi vì hệ thống (5) chỉ có ngõ ra y có thể đo lường,
các hàm f k (x) và g kj (x ) chưa biết nên luật điều
khiển (6) không thể thực hiện. Luật điều khiển được
đề nghị:

u  uf v

(7)

Với u f xấp xỉ luật điều khiển (7), v là thành phần

i

i
Trong đó: A1 , A2 ,…, An và B i là các tập mờ.


c
c
c T
Với K c  [ K n , K n 1 ,...,K1 ] là véc tơ độ lợi

Chọn

1

Khi đó, ta có:

Bộ xấp xỉ hàm noron-mờ singleton có bốn lớp: Tại
lớp 1, nút là các ngõ vào, đại diện véc tơ ngôn ngữ
đến eˆ  [eˆ1 , eˆ1 ,...,eˆn ]T . Tại lớp 2, các nút thể hiện
giá trị hàm thành viên của tổng số các biến ngôn ngữ.
Mỗi nút của lớp 2 thực hiện giá trị hàm thành viên.
Tại lớp 3, các nút là giá trị của véc tơ cơ sở mờ  .
Tại lớp 4, ngõ ra đại diện giá trị của ngõ ra mạng u f
. Liên kết giữa lớp 3 và lớp 4 được nối đầy đủ bởi véc
1
2
h T
tơ trọng số   [u , u ,...,u ] , các thơng số

này có thể điều chỉnh được.

để khử nhiễu ngồi và sai số mơ hình. Ta có:

237



Ổn định hệ thống lái tự động tàu thủy sử dụng bộ điều khiển mạng nơ ron – mờ thích nghi trực tiếp

 Bước 1: Bằng phép thử sai véc tơ độ lợi hồi tiếp
và bộ quan sát Kc, K0 được chọn:

  eˆ j  2 
 A3j (eˆ j )  exp  5  
  0.6  



K0T  28;44; KcT  24;4

  eˆ j  0.25  2 
 
 A4j (eˆ j )  exp  5
  0.6  



 Bước 2: Các thông số của thành phần bù trừ sai
số được chọn 1  0.5 , 1  0.02 . Các hệ số của
1
luật thích nghi được chọn  1  0.01 ;. Bộ lọc L ( s )
1
được chọn L ( s ) 

  eˆ j  0.5  2 

 
 A5j (eˆ j )  exp  5
  0.6  



1
.
s4

Tính các véc tơ cơ sở mờ  (eˆ)

 Bước 3: Xây dựng bộ quan sát trong xác định véc
tơ sai số ước lượng.

  eˆ j  5  2 
 
 A1j (eˆ j )  exp  5
  0.6  



 Bước 4: Xây dựng các luật mờ cho eˆ j (t ) . Từ
luật điều khiển thích nghi trực tiếp cho hệ thống lái tự
động tàu thủy. Để đơn giản và giảm khối lượng tính
tốn nhưng khơng mất tính tổng qt, nhóm tác giả
dùng véc tơ cơ sở mờ cho cả hai mạng noron. Với các
hàm liên thuộc của véc tơ cơ sở mờ được chọn:




 eˆ j  0.5  

0
.
6

 

 A (eˆ j )  exp  5

VII. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÀU
THỦY 4 BẬC TỰ DO DÙNG
MATLAB-SIMULINK

2



  eˆ j  0.25  2 
 
 A2j (eˆ j )  exp  5
  0.6  


1
j

  eˆ j  2.5  2 
 

 A2j (eˆ j )  exp  5
  0.6  



Mơ hình tàu 04 bậc tự do sử dụng trong MatlabSimulink.

Hình 2. Mơ hình tàu 04 bậc tự do.

Hình 3. Mơ hình bộ điều khiển mạng noron-mờ thích nghi trực tiếp.

Kết quả mơ phỏng
 Trường hợp 1
Khi chưa có nhiễu sóng biển tác động. Mơ phỏng Simulink đầu vào là hàm bậc thang, vận tốc tàu v = 7m/s.

238


Võ Công Phương, Đào Học Hải, Nguyễn Tiến Dũng, Nguyễn Bảo Trung
60
50

Psi (Huong mui tau)

40
30
20
10
0
-10

-20
0

0.5

1

1.5

2
tout

2.5

3

3.5

4
x 10

4

Hình 4. Đặc tính tracking với hệ thống điều khiển mạng noron-mờ thích nghi trực tiếp.

 Trường hợp 2:

Nhận xét: Khi đầu vào là hàm bậc thang, vận tốc
tàu là 7m/s đáp ứng đầu ra luôn bám theo hướng đặt
trước của tàu, độ vọt lố cho phép phù hợp với thực tế.


Khi tàu có nhiễu sóng biển tác động cấp chín.

60
50

Psi (Huong mui tau)

40
30
20
10
0
-10
-20
0

0.5

1

1.5

2
tout

2.5

3


3.5

4
x 10

4

Hình 5. Đặc tính tracking với hệ thống điều khiển mạng nơ ron-mờ thích nghi trực tiếp có nhiễu.

Nhận xét: Khi có nhiễu tác động ảnh hưởng của
nhiễu đối với chuyển động và hướng đi là nhỏ. Tuy
nhiên, khi sóng biển cấp độ cao, đáp ứng của hệ thống
vẫn giữ được hướng đi đặt trước nhưng biên độ thay
đổi nhiều làm ảnh hưởng đến vết đi của tàu và tính
kinh tế khi khai thác.
VIII. KẾT LUẬN
Kết quả mô phỏng ở cả hai trường hợp có nhiễu và
khơng nhiễu cho thấy bộ điều khiển mơ hình tàu 04
bậc tự do có thể ổn định hướng đi so với hướng đi cho
trước trong khoảng thời gian thực tế. Ưu điểm nổi bật
của bộ điều khiển là khi có sự thay đổi về vận tốc hay
có tác động của nhiễu tàu vẫn giữ hướng đi ổn định
so với hướng đi đặt trước.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]

T. I. Fossen, “Handbook of Marine Craft
Hydrodynamics and Motion Control,” NY, USA: John
Wiley & Son, ltd, 2011.


[2] Asgeir J. Sørensen, “Marine Control Systems
Propulsion and Motion Control of Ships and Ocean
Structures,” Lecture Notes, Department of Marine
Technology, Norwegian University of Science and
Technology, 2013.
[3] T. I. Fossen, “Marine Control Systems – Guidance,
Navigation, and Control of Ships, Rigs and Underwater
Vehicles,” Trondheim, Norway: Marine Cybernetics
AS, 2002.

239