BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

---------------------------------------

LÊ TOÀN THẮNG

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG
TÀU THỦY TRỌNG TẢI LỚN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS BÙI QUỐC KHÁNH

Hà Nội – Năm 2010


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................................1
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..........................................................2
DANH MỤC CÁC BẢNG ....................................................................................................2
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ...............................................................................................2
LỜI MỞ ĐẦU........................................................................................................................4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG CÂN BẰNG TÀU VÀ CÁC PHƯƠNG
TIỆN NỔI. .............................................................................................................................6
1.1 Tình hình khai thác các tàu và phương tiện nổi trên thế giới. .....................................6
1.2. Vấn đề cân bằng phương tiện nổi. ..............................................................................9
1.3. Một số công trình nhiên cứu trên thế giới về cân bằng tàu thủy .............................13
1.4. Tình hình nghiên cứu trong nước .............................................................................15

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC TÀU THỦY, CÁC THUẬT TOÁN VÀ
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG TÀU. .........................................................18
2.1. Tìm hiểu một số mô hình động học tàu thủy............................................................18
2.1.1. Hệ thống két chống cuộn thụ động và chủ động...............................................18
2.1.2. Hệ thống két chủ động chống cuộn dạng chuyển động sáu bậc tự do ..............22
2.2. Các phương pháp điều khiển cân bằng tàu thủy và phương tiện nổi........................24
2.2.1. Các kỹ thuật ổn định chuyển động cuộn và cân bằng tàu thuỷ .........................24
2.2.2. Phương pháp dùng con quay hồi chuyển ..........................................................26
2.2.3. Phương pháp dùng sống đáy tàu .......................................................................26
2.2.4. Phương pháp ổn định kiểu vây và kiểu quay bánh lái ......................................28
2.2.5. Phương pháp dùng thùng chứa chống cuộn ......................................................29
2.2.6. Lựa chọn phương án thích hợp cho bài toán cân bằng tàu thủy.......................34
2.3. Các thuật toán thông minh trong bài toán điều khiển cân bằng tàu thủy. ................36
2.3.1. Ứng dụng thuật toán điều khiển dự báo theo mô hình (MPC)..........................36
2.3.2. Ứng dụng thuật toán điều khiển Logic mờ (Fuzzy Logic Control) .................41
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG
CHO TÀU LASH . ..............................................................................................................51
3.1. Tìm hiểu về tàu LASH đối tượng để xây dựng hệ thống cân bằng. .........................51
3.1.1. Các thông số chính của Tàu LASH...................................................................51
3.1.2. Sơ lược quá trình làm hàng trên tàu Lash .........................................................52
3.1.3. Thực trạng hệ thống cân bằng bằng tay trên tàu LASH....................................53
3.1.4. Các yêu cầu và giải pháp cho bài toán cân bằng tàu LASH. ............................56
3.2. Xây dựng hệ thống cân bằng cho tàu LASH ............................................................61
3.2.1. Định hướng thiết kế hệ thống điều khiển cân bằng cho tàu Lash mẹ. ..............61
3.2.2. Cấu trúc hệ thống cơ cấu chấp hành và cảm biến. ............................................62
3.2.3. Cấu trúc phần cứng hệ PLC điều khiển cân bằng tàu LASH............................65
3.2.4. Xây dựng phần mềm điều khiển và giám sát hệ thống. ....................................71
3.3. Kết quả và đánh giá việc thử nghiệm hệ thống cân bằng tàu ...................................90
3.3.1. Quá trình tiến hành thử nghiệm ........................................................................90
3.3.2. Kết quả thử nghiệm và các đánh giá .................................................................92

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................................95
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................97


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp này là do tôi tự hoàn thành dưới sự
hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS. BÙI QUỐC KHÁNH. Các số liệu kết quả trong
luận văn là hoàn toàn trung thực.
Để hoàn thành luận văn này, tôi chỉ sử dụng các tài liệu đó ghi trong mục tài
liệu tham khảo, không sử dụng các tài liệu khác mà không được ghi trong phần tài
liệu tham khảo.
Học viên

Lê Toàn Thắng

1


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
FLFS

Cấu trúc nổi rất lớn

FSO

Kho chứa nổi

DWT

Trọng lượng rẽ nước của tàu


FLC

Điều khiển Logic mờ

MPC

Điều khiển theo mô hình dự báo

RRS

Hệ thống ổn định bánh lái

MIMO

Nhiều đầu vào – nhiều đầu ra

AHCS

Hệ thống điều khiển chống nghiên

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Kiểu bộ thăng bằng – Ví dụ ứng dụng......................................................25
Bảng 3.1. Tham số chính của các bơm, van trong thiết kế ......................................63
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của PLC dòng CS1H ...................................................69

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 2.1 Nguyên lý hệ thống két chống chuyển động cuộn ......................................18
Hình 2.2 Cơ sở thiết lập mô hình toán cho chuyển động cuộn.................................19
Hình 2.3 Sơ đồ khối mô tả điều khiển chuyển động cuộn tàu thủy...........................21

Hình 2.4. Cơ sở thiết lập mô hình toán chuyển động cuộn 6 bậc tự do....................22
Hình 2.5. Sử dụng con quay hồi chuyển trong hệ thống cân bằng tàu ....................26
Hình 2.6 Sự xếp bố trí dằn đáy sống tàu..................................................................26
Hình 2.7 Kết cấu và vị trí lắp đặt các vây hai bên mạn để ổn định tàu....................28
Hình 2.8 Nguyên lý của hệ thống chống nghiêng lệch ngang kiểu thùng chứa.......29
Hình 2.9 Chi tiết về mặt cắt của thùng điển hình và vị trí ngang trên thân tàu ......30
Hình 2.10: Âu nổi của Kongsberg Maritime............................................................31
Hình 2.11 Âu nổi SWM Pride of San Diego và màn hình hiển thị trạng thái..........32
Hình 2.12 Hệ thống bơm xả trên xà lan dằn (Barge Ballasting) của hãng JGP.....33
Hình 2.13 Màn hình hiển thị trạng thái và bàn điều khiển cân bằng trên xà lan.....33
Hình 2.14 Phương tiện nổi chở các kết cấu siêu trường, siêu trọng. ......................33
Hình 2.15. Cấu trúc giảm lắc trong hệ thống điều khiển lái tự động RRS ...............37
Hình 2.16. Sơ đồ khối biểu diễn cấu trúc điều khiển trượt mờ chống ......................49
2


Hình 3.1. Tàu Lash mẹ chở xà lan ...........................................................................51
Hình 3.2. Mâm cặp của cẩu lắp trên tàu Lash dùng để cặp xà ...............................52
Hình 3.3. Panel điều khiển bằng tay bơm van dằn ...................................................53
Hình 3.4. Các van và bộ nguồn điều khiển thuỷ lực .................................................54
Hình 3.5. Panel chỉ báo mức các khoang két trên tàu Lash ....................................54
Hình 3.6. Một ví dụ về bố trí két chống lắc, két dằn .................................................56
Hình 3.7. Yêu cầu về giao diện vận hành giám sát...................................................60
Hình 3.9. Cấu trúc hệ thống điều khiển cân bằng tàu LASH....................................63
Hình 3.5. Panel chỉ báo mức các khoang két trên tàu Lash ....................................64
Hình 3.6. Kết cấu bộ đo góc nghiêng cơ cấu CAM dùng cảm biến kiểu chiết áp ...65
Hình 3.8. Cấu hình cơ bản của hệ thống PLC .........................................................69
Hình 3.9. Sơ đồ tổ chức nhóm khoang khoang két...................................................71
Hình 3.10. Ván bập bênh thăng bằng .......................................................................72
Hình 3.11. Cấu trúc của bộ điều kiển mờ trong modul LCB01 ...............................73

Hình 3.12. Dạng hàm liên thuộc có thể sử dụng trong bộ điều khiển mờ ...............75
Hình 3.13. Cách thiết lập hàm liên thuộc đầu vào (điều kiện) ................................76
Hình 3.14. Cách thiết lập hàm liên thuộc đầu ra (kết luận) ....................................76
Hình 3.15. Biễu diễn cách cách suy luận ..................................................................77
Hình 3.16. Cách thiết lập luật hợp thành max.........................................................78
Hình 3.17. Xác định đầu ra bằng phương pháp trọng tâm......................................78
Hình 3.18. Thuật toán xử lý các trạng thái nghiêng lệch ........................................80
Hình 3.19. Giao diện vận hành giám sát hệ thống ..................................................88
Hình 3.20. Giao diện vận hành bơm Ballast............................................................89
Hình 3.21. Giao diện vận hành van và giám sát mức nước khoang két ..................89
Hình 3.22. Cấu trúc hệ thống thử nghiệm................................................................90
Hình 3.23. Mô hình tàu LASH thử nghiệm ..............................................................91
Hình 3.24. Tàu LASH trên sông Sài Gòn – Đối tượng để thử nghiệm......................92
Hình 3.25. Kết quả thử nghiệm trên tàu LASH lúc 01:00 PM ngày 17/03/2010......92
Hình 3.26. Kết quả thử nghiệm trên tàu LASH lúc 02:06 PM ngày 17/03/2010......93
Hình 3.27. Kết quả thử nghiệm trên tàu LASH lúc 03:32 PM ngày 17/03/2010......93
Hình 3.28. Kết quả thử nghiệm trên tàu LASH lúc 04:48 PM ngày 17/03/2010......94

3


LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay khi mà không gian trên đất liền ngày càng hạn chế do áp lực về
dân số và môi trường. Một số nước phát triển đã tìm cách khai thác không gian
ngoài biển khơi rộng lớn sử dụng các tàu thuyền và các phương tiện nổi. Và việc
đảm bảo cân bằng cho các phương tiện này được quan tâm nhiều trong đó tập trung
vào việc xử lý chuyển động cuộn (Roll) gây mất cân bằng cho các tàu thuyền nhằm
giữ cho tàu cân bằng ngang theo độ lệch giữa các mạn (Lift hay Heel) và cân bằng
dọc liên quan đến mớn nước ở mũi và đuôi tàu (Trim). Có như vậy mới đảm bảo
được an toàn cho người và hàng hóa trên các tàu thuyền. Trải qua nhiều năm,

nghiên cứu về lĩnh vực này các nhà khoa học trên thế giới đã đề xuất nhiều thiết bị
để hạn chế chuyển động cuộn và phần nhiều đã được triển khai thực tế. Tuy nhiên
các giải pháp này thường khá tốn kém về mặt đầu tư triển khai. Trước tình hình đó
ngành công nghiệp đóng tàu trong nước đang có những bước phát triển, và mong
muốn làm chủ công nghệ từ khâu thiết kế, chế tạo, lắp đặt, vận hành và khai thác
phương tiện an toàn và hiệu quả. Nhóm thực hiện đề tài đã đề xuất giải quyết vấn đề
này trong đề tài cấp nhà nước KC.03.09/06-10.
Trong quá trình khảo sát và phối hợp thực hiện đề tài cấp nhà nước mã số
KC.03.09/06-10. Tác giả đã đi sâu tìm hiểu và giải quyết các vấn đề có liên quan
trong đề tài bao gồm:
* Về lý thuyết, đề tài phải nghiên cứu áp dụng các công cụ lý thuyết mạnh,
có khả năng giải quyết được các bài toán phức tạp mang nhiều yếu tố bất định trên
cơ sở thiết lập được các thuật toán thông minh. Các thuật toán phải linh hoạt trong
giải pháp và mạnh mẽ trong tính toán. Các công cụ lý thuyết được chọn là giải pháp
điều khiển theo mô hình dự báo MPC thích hợp cho việc dự báo hành vi của các đối
tượng phức tạp trong tương lai đồng thời đưa ra được chiến lược điều khiển tối ưu,
trong khi điều khiển Logic mờ FLC lại giải quyết được các bài toán mà việc mô tả
toán học của đối tượng bị hạn chế và tri thức chuyên gia lại đóng vai trò rất quan
trọng... Đây là những công cụ lý thuyết đủ mạnh đẻ giải quyết bài toán cân bằng
trên các đối tượng nổi.
4


* Về mặt thiết kế và tích hợp hệ thống, hệ thống cân bằng trên phương tiện
nổi phải được thiết kế trên các phần tử có độ tích hợp cao, có khả năng lập trình linh
hoạt và đặc biệt là được tích hợp các tính năng để thực hiện được các thuật toán
thông minh. Để thực hiện được yêu cầu này, hệ thống tự động cân bằng kho nổi (áp
dụng cụ thể trên tàu Lash) được thiết kế trên PLC được tích hợp nhiều tính năng
mới.
Nội dung chính của của luận văn bao gồm ba chương :

Chương 1 : Tổng quan các hệ thống cân bằng tàu và các phương tiện nổi.
Chương 2 : Tìm hiểu mô hình động học tàu thủy, các thuật toán và phương pháp
trong bài toán cân bằng tàu .
Chương 3 : Xây dựng thử nghiệm hệ thống điều khiển cân bằng cho tàu LASH .
Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu tác giả đã có nhiều thuận lợi khi
được tạo mọi điều kiện hết sức thuận lợi về các trang thiết bị cũng như điều kiện
làm việc. Được cung cấp rất nhiều tài liệu nghiên cứu rất hữu ích trong quá trình
triển khai thử nghiệm. Tôi chân thành cảm ơn PGS.TS Bùi Quốc Khánh và TS.
Đặng Xuân Hoài người có kinh nghiệm làm việc thực tế lâu năm trong lĩnh vực
công nghiệp tàu thủy với kiến thức chuyên sâu đã chỉ dẫn nhiệt tình cho tôi trong
quá trình thực hiện luận văn này. Tôi cũng gửi lời cảm ơn đến các đồng nghiệp của
tôi đã góp ý, hỗ trợ tôi trong suốt thời gian qua.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2010

Học viên

Lê Toàn Thắng

5


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN CÁC HỆ THỐNG CÂN BẰNG TÀU VÀ CÁC PHƯƠNG
TIỆN NỔI.
1.1 Tình hình khai thác các tàu và phương tiện nổi trên thế giới.
Ngày nay khi mà việc khai thác không gian trên đất liền đang bị thu hẹp do

áp lực của sự tăng dân số và các vấn đề môi trường. Một số nước phát triển trên thế
giới như Nhật bản, Hà Lan, Singapo... đã và đang tìm cách để khai thác mở rộng
lãnh thổ trên biển. Các nước này đã đề xuất và xây dựng trên biển các cấu trúc nổi
rất lớn VLFS/VLFF (Very Large Floating Structures/ Flatforms). Các cấu trúc ngoài
khơi này có thể bố trí cạnh bờ cũng như ở ngoài khơi xa bờ, có thể kể đến một số
kết cấu loại này như: Sân bay nổi The Mega-Float ở Vịnh Tokyo, Nhật bản; Cầu nổi
Yumemai ở Osaka, Nhật bản. Ngoài ra còn có các cầu tàu, đê chắn song, hay các
kho chứa nổi FSO (Floating Storage and Offloading vessels), các trạm năng lượng
sức gió hoặc mặt trời, cho mục đích quân sự, mặt bằng khu công nghiệp, trạm cấp
cứu, thiết bị giải trí, công viên giải trí, các cấu trúc xa bờ di động, thậm chí có thể
dùng làm nơi cư trú. Các cấu trúc nổi VLFF này thường có thể chia thành hai loại:
Kiểu phao (Pontong) có cấu trúc đơn giản, phẳng, có tính ổn định cao, giá thành chế
tạo thấp, dễ bảo trì, sửa chữa. Tuy nhiên cần phải chủ trọng đến vấn đề đề biến dạng
kiểu co giãn (elatics) đổi với khối vật rắn trên nó và không chụi được các biến động
lớn của sóng gió chỉ thích hợp khi đặt gần bờ. Trong khi kiểu nửa chìm (semisubmersible) được sử dụng đối với các kết cấu ngoài khơi sóng to, gió lớn. Cấu trúc
này thường được sử dụng cho mục đích khai thác dầu khí và nhiều mục đích khác.
Chúng được cố định bởi các cột kiểu ống, đóng cừ hoặc các hệ gia cường và điều
khiển cân bằng (ngang) bằng hệ thống điều khiển dằn kiểu ballast (điều khiển mức
chất lỏng trong các két).
Trong lĩnh vực khai thác và vận chuyển bằng đường thủy, đặc biệt lĩnh vực
khai thác dầu mỏ ngoài khơi ở độ cách xa bờ, vấn đề lưu giữ và trung chuyển các
sản phẩm dầu mỏ là một bài toán cực kỳ phức tạp liên quan đến tính an toàn và kinh
tế. Sản phẩm vừa khai thác không thể chuyển ngay vào đất liền hoặc vận chuyển
đến các nhà máy chế biến do khối lượng thường là không đủ lớn để vận hành các hệ
thống trung chuyển trực tiếp. Thông thường, các sản phẩm vừa khai thác được tạm
thời lưu giữ ở các kho chứa nổi FSO, các trạm nổi, ở đấy có thể chứa được hàng
triệu mét khối sản phẩm dầu mỏ. Sau một khoảng thời gian, sản phẩm trên kho chứa
đủ mức đáp ứng bài toán kinh tế và kỹ thuật của vấn đề trung chuyển, chẳng hạn đủ
6



dầu cho một hoặc vài chuyến tàu chở dầu lấy hàng. Có thể nói, các kho nổi này là
những kho có sức chứa lớn, không thể thay thế được bằng các kho ở trên đất liền
bởi các đặc thù về điều kiện và môi trường hoạt động.
Do phải hoạt động trong điều kiện mang tính đặc thù trên môi trường nước
(đặc trưng của hệ thống có tính co giãn đàn hồi kiểu elasatic), bị ảnh hưởng bởi
nhiều yếu tố môi trường khắc nghiệt như sóng gió, dòng chảy, chế độ làm việc và
tình trạng tải trọng..., nên việc điều hành các hoạt động trên kho nổi, phương tiện
nổi phức tạp hơn là các trạm, kho ở trên đất liền. Các công trình nghiên cứu như đã
chỉ ra rằng, kho nổi và hầu hết phương tiện nổi là đối tượng mà động học của nó rất
phức tạp, có đến 6 bậc tự do, có chu kỳ giao động riêng, hoạt động dựa trên nguyên
lý sức nổi nên vấn đề điều chỉnh các quá trình động học, đặc biệt là quá trình cân
bằng ngang (tức là giữ cho phương tiện nổi thẳng đứng trên mặt phẳng nước) luôn
được đặt ra nhằm đảm bảo cho phương tiện đó hoạt động được một cách tối ưu, an
toàn cho phương tiện, thiết bị và con người. Đối với các phương tiện nổi tự hành,
việc cân bằng nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của máy lái, hiệu quả hoạt động
của chân vịt, giảm rung do hệ động lực của chân vịt, máy chính, giảm các ứng suất
nguy hiểm do sự chênh lệch áp suất trên bề mặt diện tích vỏ của phần thể tích lượng
chiếm nước. Về nguyên tắc, bánh lái và chân vịt hoạt động có hiệu quả khi ngập
hẳn dưới nước (tạo được được mô men lái và lực đẩy chân vịt lớn). Nếu tàu bị chúi
mũi và chân vịt hở, tốc độ con tàu có thể bị giảm rất nhiều nhưng máy chính hoàn
toàn có thể bị quá tốc độ do nhẹ tải và biên độ rung có thể tăng lên rất lớn cực kỳ
nguy hiểm. Khi tàu bị nghiêng mạn, tính điều khiển được của con tàu bị giảm, nhất
là trường hợp bánh lái và hệ trục chân vịt được phân bố đối xứng theo sống tàu.
Trong trường hợp này, mô men lái và lực đẩy chân vịt có độ chênh lệch lớn giữa
các bên, rất khó giữ được hướng chuyển động của con tàu theo hành trình. Trong
một số trường hợp, sự nghiêng mạn là nguyên nhân xô lệch và trôi, dồn tải trọng rất
nguy hiểm như trên các tàu chở công ten nơ. Chính vì vậy trên các loại tàu này,
thường yêu cầu được trang bị các két đặc biệt chống lắc (tank anti-roll) và hệ thống
tự động điều chỉnh theo các độ nghiêng lệch (Auto hell). Các két chống lắc này sẽ

tạo ra các đối trọng phù hợp theo trạng thái nghiêng lệch để vừa tạo cân bằng vừa
chống lắc cho phương tiện. Ngoài các két chống lắc kiểu anti-roll, các tàu này còn
được trang bị thêm két ở mũi (thậm chí cả ở phía đuôi) để điều chỉnh độ lệch dọc
của tàu theo mớn nước mũi và đuôi (trim). Trong trường hợp như vậy hệ thống điều
khiển cân bằng có thêm chức năng điều chỉnh độ lệch dọc (Auto hell and trim
control). Các két anti–roll và các két dùng để hiệu chỉnh lệch dọc (trim) là các két
7


có dung tích lớn so với các két ballast (két dằn) thông thường. Mỗi két này có thể
chứa hàng trăm, thậm chí hàng nghìn mét khối nước bên trong nên tác động kiểu
đối trọng của chúng là rất hiệu quả. Tuy vậy, thể tích nước trong két này luôn được
khống chế trong khoảng từ 10-90% thể tích, bảo đảm dự trữ sức nổi trong mọi
trường hợp phải thao tác dịch chuyển lượng nước bên trong .
Đối với phương tiện nổi thụ động (không được trang bị hệ động lực đẩy
chính), việc cân bằng là điều kiện tất yếu đảm bảo các tính năng của phương tiện,
chẳng hạn các âu nổi, sân bay nổi, các cầu nổi, khách sạn nổi luôn phải ở trạng thái
cân bằng trong quá trình hoạt động. Các công trình nghiên cứu về kết cấu nổi, điển
hình như đã chỉ ra rằng, rất nhiều phương tiện nổi khi hoạt động phải có được tính
năng cân bằng sức nổi một cách mềm mại (smooth) trong các điều kiện thời tiết,
thuỷ triều lên xuống, khi chất tải lên hoặc dỡ bớt tải ra khỏi phương tiện. Trong quá
trình khai thác hệ thống cầu tàu nổi cho tàu chở ô tô đang hoạt động tại Ujina Nhật
bản, ở Vancouver Canada, người ta thấy rằng, các cầu tàu này phải bảo đảm điều
chỉnh được sức nổi để tạo đươc độ cân bằng ngang và độ dốc hợp lý ở hai đầu cầu
(giữa cảng và cầu, giữa cầu và tàu) để ô tô dễ lên, xuống khi thuỷ triều thay đổi và
khi mớm nước của tàu thay đổi do lượng ô tô trên tàu liên tục thay đổi. Nguyên tắc
này được tuân thủ nghiêm ngặt hơn khi dịch chuyển các kết cấu siêu trường, siêu
trọng từ cảng xuống phương tiện nổi hoặc ngược lại. Trong trường hợp này, độ
phẳng ngang giữa mặt phẳng bến cảng và mặt phẳng của phương tiện nổi được tính
toán điều chỉnh ở mức tốt nhất có thể được (bằng cách điều chỉnh sức nổi của

phương tiện nổi thông qua lượng nước trong các két dằn). Với phương tiện nổi cỡ
lớn dạng kho chứa nổi dùng để chuyên chở, chứa và xuất dầu thô dạng lỏng, một
yêu cầu đặt ra là phải đo đựợc lượng dầu trong các khoang chứa, càng chính xác
càng tốt để bảo đảm không những việc nhận và xuất dầu thô một cách chính xác mà
còn tránh được hiện tượng xuất hiện các ứng suất nguy hiểm lên thành vỏ phương
tiện do không kiểm soát được áp suất trong các khoang chứa. Lý do là mức dầu
trong các khoang két này phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ, có thể ở trạng thái đông
đặc khi nhiệt độ xuống thấp, và cũng có thể ở trạng thái rất lỏng khi được hâm nóng
bởi bộ phận hâm dầu. Khi được hâm nóng, thể tích dầu tăng lên, làm tăng áp suất
trong khoang chứa, còn khi đông đặc thể tích dầu giảm, trong khoang chứa có thể
xuất hiện áp suất kiểu chân không. Áp suất này luôn luôn được tính toán theo mức
dầu, nhiệt độ, hệ số giãn nở và nhiều yếu tố vật lý khác liên quan đến loại dầu lỏng
trong khoang chứa. Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng, yếu tố quan trọng để
kiểm soát được áp suất trong từng khoang két là phải đo được chính xác mức dầu
8


trong các khoang két, và để thỏa mãn điều này, kho nổi phải được giữ ở trạng thái
cân bằng . Cũng giống các tàu chở công ten nơ, hiện nay, Công ước quốc tế về tàu
biển yêu cầu các tàu chở dầu có trọng tải trên 20 ngàn tấn phải được trang bị các két
chống lắc anti-roll.
1.2. Vấn đề cân bằng phương tiện nổi.
Các hệ thống cân bằng nổi (cân bằng theo mặt phẳng ngang) bao gồm cân
bằng ngang theo độ lệch giữa các mạn (lift hay heel), cân bằng dọc theo chiều mũi
và đuôi (trim) là hệ thống có mặt hầu hết trên các phương tiện nổi, đặc biệt là các
phương tiện nổi như tàu quân sự, tàu khách, tàu chở dầu, tàu chở công tên nơ, các
xà lan chở tải trọng lớn, các phông tông cẩu, các kết cấu kiểu phông tông, các âu
nổi, kho nổi và các phương tiện nổi cở lớn VLFS. Nguyên tắc chung của các hệ
thống này là điều khiển sức nổi một cách hợp lý thông qua việc tạo các lực (hay mô
men) nổi ngược chiều và bằng với các lực (hay mô men) gây ra sự mất cân bằng

cho phương tiện. Các lực (mô men) tạo ra sự mất cân bằng cho phương tiện xuất
phát từ nhiều lý do và phụ thuộc rất nhiều yếu tố như sự suy giảm tải trọng (hiện
tượng của hệ thống có tính co giãn đàn hồi kiểu elatics) phá vỡ tính cân bằng, sự
phân bố tải trọng không hợp lý, điều kiện môi trường như sóng, gió dòng chảy, chế
độ hoạt động của phương tiện như tốc độ, chế độ quay trở, hướng hoạt động theo
chiều sóng gió, qui mô (độ lớn của phương tiện so với biên độ và bước sóng) …
Ngoài ra, sự ảnh hưởng của hiện tượng cộng hưởng giữa các tần số lắc riêng của
phương tiện (ngang, dọc, chệch hướng...) với tần số của sóng biển làm cho phương
tiện luôn ở trạng thái mất cân bằng. Các biện pháp nhằm giảm sự mất cân bằng do
các yếu tố tự nhiên như sóng gió, dòng chảy, chế độ hoạt động như tốc độ, chế độ
quay trở của phương tiện nổi v.v... là vấn đề luôn được xem xét ngay từ khâu thiết
kế. Chẳng hạn, đối với các trạm nổi, kho nổi cỡ lớn, vấn đề thiết kế được bắt đầu
bằng việc xem xét vùng hoạt động của đối tượng, liên quan đến các yếu tố tác động
của tự nhiên lên đối tượng nổi. Các sân bay nổi, hoặc các trạm nổi cỡ lớn thường
được thiết kế ở dạng tấm phẳng, rộng (chiều dày rất bé so với chiều dài và rộng),
hoạt động ở các vùng vịnh, nơi ít bị ảnh hưởng do sóng, gió, dòng chảy, dễ neo đậu,
thậm chí chúng thường được bảo vệ và giảm thiểu ảnh hưởng của các tác động này
bởi các đê chắn sóng, như kiểu sân bay nổi ở vịnh Tokyo Nhật Bản. Ngoài ra, kết
cấu, kích thước, qui mô của phương tiện là các vấn đề được xem xét một cách thận
trọng khi thiết kế nhằm đảm bảo cho đối tượng hoạt động an toàn( bao gồm cả vấn
đề cân bằng) ở một cấp độ giới hạn nhất định, gọi là cấp hoạt động của các phương
tiện nổi. Như vậy, đối với các tác động tự nhiên như sóng, gió, trong giới hạn cho
9


phép (cấp hoạt động), đối tượng nổi nổi cỡ lớn đã tự nó phản ứng như một bộ lọc.
Những tác động từ sự can thiệp của con người (hoạt động của máy móc do con
người chỉ định) chủ yếu là duy trì lại hoạt động bình thường của đối tượng sau khi
xuất hiện một trạng thái không bình thường do tự nhiên, hoặc chính sự hoạt động
của các máy móc trên phương tiện gây ra, như thay đổi hướng gió đột ngột, việc

bốc dỡ hàng hoá, sự tiêu hao nhiên liệu, sự xuất hiện khối lượng lớn nước làm mát,
nước thải v.v. Trong phần lớn các trường hợp, để duy trì một tính năng nào đó của
đối tượng hoạt động được bình thường, người ta thường phải kết hợp nhiều hệ
thống và điều này phụ thuộc vào trạng thái hoạt động của đối tượng nổi. Chẳng hạn,
việc cân bằng cho các đối tượng nổi cỡ lớn thụ động (không trang bị hệ động lực
chính tạo sức đẩy hành trình), được cố định bằng hệ tời neo đặc biệt (cố định mềm,
cố định được đối tượng theo tọa độ và phương và có thể thay đổi phương để giảm
ảnh hưởng tác động của sóng gió, dòng chảy), chủ yếu thực hiện bằng phương thức
dằn (điều chỉnh sức nổi bằng lượng nước dằn trong các két dằn), hay nói một cách
khác thực hiện chủ yếu bởi hệ thống Auto hell and trim control. Các cấu trúc nổi
kiểu dằn, cố định cứng (được cố định bằng các trụ, thép hoặc bê tông, bên trong có
các xi lanh lớn điều chỉnh được hành trình). Việc điều chỉnh cân bằng các đối tượng
này thực hiện bằng cách phối hợp điều chỉnh hành trình của các xi lanh. Với các đối
tượng nổi tự hành (được trang bị hệ động lực tạo sức đẩy), việc cân bằng phụ thuộc
vào trạng thái hoạt động, tức là chế độ neo đậu tại bến để làm hàng (chất lên hoặc
tháo dỡ hàng hoá khỏi phương tiện) hay chế độ trên hành trình. Ở chế độ neo đậu tại
bến, phần lớn việc cân bằng loại phương tiện này cũng được thực hiện bằng phương
thức dằn Auto hell and trim control, giống hệt các phương tiện nổi cỡ lớn thụ động,
được cố định mềm. Tuy nhiên trên hành trình, việc cân bằng cho các đối tượng này
thường được thực hiện bằng cách phối hợp hoạt động của hệ thống dằn Auto hell
and trim control với các hệ thống có chức năng bổ trợ cho việc ổn định cân bằng
kiểu quay bánh lái (Rudder Roll Stabilization System) hoặc hệ thống bổ trợ ổn định
cân bằng kiểu vây (fin stabiliser System), thường lắp đối xứng hai bên mạn. Mục
đích của các hệ thống bổ trợ ổn định kiểu quay bánh lái hoặc hệ thống kiểu vây chủ
yếu là tạo ra các mô men có khả năng làm suy giảm các mô men làm mất cân bằng
đối tượng nổi, xuất hiện do chế độ hoạt động của phương tiện, chẳng hạn như mô
men xuất hiện do lực ly tâm ở chế độ quay trở, mô men mất cân bằng do sóng gió
trên hành trình v.v... Các mô men này được tạo ra bằng cách liên tục dịch chuyển
bánh lái theo một chiến lược điều khiển đặc biệt (đối với hệ thống ổn định kiểu
quay bánh lái) hoặc là điều chỉnh độ mở và góc nghiêng của các vây (hệ thống ổn

10


định kiểu vây) trên cơ sở tận dụng ảnh hượng đặc biệt vào yếu tố tốc độ của phương
tiện. Các hệ thống này được thiết kế để hoạt động độc lập, hoặc có thể phối hợp với
nhau. Tuỳ thuộc vào tính năng được thiết kế cho đối tượng, hệ thống bổ trợ cân
bằng kiểu quay bánh lái hoặc hệ thống kiểu vây có thể hoặc không được trang bị do
độ phức tạp cũng như giá thành, do điều kiện để ứng dụng được (yếu tố tốc độ).
Trái lại, hệ thống dằn bằng nước lại được trang bị cho hầu hết các phương tiện nổi,
kho nổi, cho hầu hết các tàu, đặc biệt là các tàu cỡ lớn. Hơn nữa, chế độ hoạt động
của hệ thống Auto hell and trim control được xem là nặng nề nhất (không có sự
tham gia của các hệ thống bổ trợ cân bằng kiểu lái và vây, ở điều kiện dễ mất cân
bằng nhất khi thay đổi lượng tải lớn và rất nhanh khi làm hàng) là chế độ neo đậu.
Như vậy, về mặt nguyên lý, ở chế độ neo đậu làm hàng (không có yếu tố tốc độ),
việc cân bằng cho các phương tiện nổi, các tàu cỡ lớn bằng hệ thống nước dằn rất
giống với việc cân bằng các kho nổi và thường được thực hiện bằng cách thức điều
khiển cân bằng kiểu Auto hell and trim control. Khi ở trên hành trình, vai trò của hệ
thống này ngoài việc xác lập lại trạng thái mất cân bằng của phương tiện (chủ yếu là
sự suy giảm nhiên liệu do hoạt động của máy móc trên hành trình), nó còn thực hiện
được việc hạn chế tác động của các sóng gió có chu kỳ. Điều này được thực hiện
khi thiết kế hệ thống Auto hell and trim control, nó phải đáp ứng được điều kiện là
khả năng dịch chuyển hoàn toàn lượng chất lỏng (được xem như là đối trọng cần
thiết để xác lập lại cân bằng) giữa các phía, nhanh gấp từ 02 đến 06 lần tần số lắc
riêng của phương tiện. Với cách thiết kế như vậy, có thể dịch chuyển lượng lượng
lớn chất lỏng đủ nhanh, có pha ngược với pha của sóng gió tác động, pha của tần số
lắc riêng của phương tiện hạn chế tối thiểu ảnh hưởng của loại nhiễu này [6].
Như đã phân tích ở trên, nguyên tắc chung của các hệ thống cân bằng phương tiện
nổi là điều khiển sức nổi một cách hợp lý thông qua việc tạo ra các lực (hay mô
men) nổi ngược chiều và bằng với các lực (hay mô men) gây ra sự mất cân bằng
cho phương tiện .Để thực hiện được điều này, thường các giải pháp sau đây được áp

dụng :
- Kết hợp việc dịch chuyển các khối chất lỏng trong khoang két với các thiết
bị tạo phản lực nước kiểu cánh đựợc bố trí ở hai bên mạn (fin stabiliser) hoặc kết
hợp với hệ thống lái tự động có chức năng bổ trợ việc cân bằng (rudde roll
stability). Tất cả các phương pháp cải thiện ổn định có sự trợ giúp của máy lái hoặc
kiểu vây được ứng dụng trên các tàu có tốc độ cao như tàu quân sự, tàu tuần tra
biển , … Hệ thống tiêu biểu hoạt động theo phương thức này được hãng RollRoy
phát triển và sử dụng khá phổ biến, cụ thể lắp trên tàu quân sự của Hải quân Hà lan
11


(Royal Netherlands Navy, 1991, 2001) và Hải quân Đức (German Navy, 2003). Tuy
nhiên phương pháp này rất phức tạp, tốn kém ít hiệu quả đối với các phương tiện
nổi cỡ lớn có tốc độ di chuyển thấp .
- Bổ sung, lấy bớt hoặc dich chuyển các khối chất lỏng trong các khoang két
ở các vị trí sống tàu, hai bên mạn, mũi, đuôi (hệ thống các két dằn ballast, két chống
lắc ani-roll, két hiệu chỉnh lệch dọc theo mớn nước mũi và đuôi trim ) trên phương
tiện nổi. Hệ thống này được gọi là Hệ thống điều khiển theo phương thức. Ballast
(dằn) hay thường được gọi là Auto hell and trim control. Hệ thống giám sát và điều
khiển làm hàng kiểu thiết bị đo thùng chứa loại K (Cargo monitoring and control
system, K-Gauge Tank Gauging System) của hãng KONGSBERG , là hệ thống tiêu
biểu cho phương thức hoạt động này, có tính năng như giám sát hệ thống nước dằn,
két trực nhật, giám sát mớn nước, độ nghiêng (mạn), độ lệch dọc (trim). Công việc
này được thực hiện thông qua hệ thống ống, bơm nước (thường dùng các bơm ly
tâm để bơm nước bổ sung hoặc hút bớt nước vào hoặc ra khỏi các két dằn, két
chống lắc), hoặc các bơm khí nén (nén khí với áp suất cao vào các két để đẩy hoặc
dịch chuyển các khối chất lỏng giữa các két) cùng với các van có lưu lượng lớn
(điều khiển bằng tay hoặc từ xa). Hệ thống bơm van phân phối nước dằn được điều
khiển bằng tay hoặc ở mức hiện đại thì được điều khiển bằng các trung tâm điều
khiển có sự tham gia của máy tính, được cung cấp các thông tin phản hồi từ các đầu

đo độ sâu ở từng góc, ở từng két của phương tiện trong chế độ thời gian thực, bảo
đảm thông tin cho quá quá trình tự động điều chỉnh độ cân bằng cho phương tiện
nổi. Ngoài ra, hệ thống tự động cân bằng phương tiện nổi trên cơ sở lượng nước dằn
trong các két (Ballast Control System) hoạt động theo các phương thức trên để hiệu
chỉnh độ nghiêng lệch (trim and lift) cũng thường được trang bị cho tàu quân sự, cụ
thể của Hải quân Hà lan (Royal etherlands Navy, 1998, 2002) và Hải quân Singapo
(Republic of Singapore Navy, 2000), tàu của hãng Schelde Naval Shipyard The
Netherlands 2002. Như vậy, hệ thống cân bằng dạng ballast là hệ thống được sử
dụng rất phổ biến, trên hầu hết các phương tiện nổi hiện nay do tính đơn giản, kinh
tế và hiệu quả, đặc biệt là trên các phương tiện nổi cỡ lớn, thường là đối tượng có
tốc độ di chuyển thấp, ít hiệu quả trong việc cân bằng từ các thiết bị phụ như hệ lái,
vây, hoặc thiết bị tạo phản lực (momen tỉ lệ với bình phương tốc độ). Ngoài ra, vì lý
do an toàn, trên phương tiện nổi cỡ lớn, kể cả các kho nổi, thường thiết kế hệ thống
khoang két dằn lớn cả về số lượng và dung tích để vừa dự trữ sức nổi, vừa sử dụng
làm các đối trọng khi thực hiện quá trình cân bằng.

12


1.3. Một số công trình nhiên cứu trên thế giới về cân bằng tàu thủy
Có rất nhiều lý do để cố gắng kiểm soát và làm giảm chuyển động của tàu.
Quá nhiều chuyển động có thể gây trở ngại cho hoạt động của các thuyền viên, hành
khách, giảm năng lực sẵn sàng chiến đấu của tàu hải quân, gây ra sự mất mát
container trên tàu thuyền chở hàng và làm giảm các thông số hoạt động của tàu.
Qua nhiều năm, nhiều loại thiết bị điều khiển chuyển động đã được nghĩ ra. Hầu hết
đã được sử dụng nhằm giảm chuyển động cuộn một cách hợp lý so với trọng lượng
của tàu. Hơn nữa, chuyển động cuộn là thành phần không mong muốn và hầu hết là
các chuyển động lớn nhất của tàu cần phải được kiểm soát. Các phương pháp bao
gồm hệ ổn định kiểu con quay (gyroscopic), ổn định kiểu két chống lắc, (anti-roll
tank), phương pháp dùng vây (fin), di chuyển trọng lượng và bánh lái động. hầu hết,

các phương pháp đầu tiên đều xuất phát từ việc kiểm soát thụ động và sau đó phát
triển thành kiểm soát một cách chủ động. Schlick (1904) đề nghị đặt một con quay
hồi chuyển lớn để cung cấp một mô-men chống lại chuyển động cuộn. Hệ thống này
được cài đặt trên một chiếc tàu ngư lôi Đức vào năm 1906. Sperry sau đó tiếp tục
theo đuổi phương pháp kiểm soát hoạt động của tàu bằng cách sử dụng một con
quay hồi chuyển để chống lại chuyển động lăn, mà sau này, ông đã được cấp bằng
sáng chế. Năm 1875 Watts là người đầu tiên giới thiệu két chống cuộn như là một
phương pháp thụ động để giảm xóc trong chuyển động lăn. Ông sử dụng chuyển
động của nước nằm trong các bể được kết nối. Các chuyển động của con tàu gây ra
khi nước di chuyển từ két đến xe két. Két và bộ phận kết nối đã được điều chỉnh
như vậy cùng với chuyển động của nước tạo thành thiết bị giảm chuyển động cuộn
đã gây được tiếng vang trong giai đoạn này. Hort Rellstab lần đầu tiên triển khai
thực hiện hoạt động cho hệ thống này vào năm 1930, trong điều kiện bổ sung áp
suất không khí vào trong các két nhằm khống chế lượng nước qua lại một cách hợp
lý hơn. Các phân tích chi tiết về các hệ thống bồn chứa thụ động đã được thực hiện
bởi Vasta, Giddings, Taplin, và Stilwell (1961) với kết luận rất khả quan về hiệu
quả sử dụng.
Vào những năm 1940, Minorsky sử dụng một hệ thống máy bơm để di
chuyển nước giữa các két. Hải quân Mỹ tiếp tục sử dụng hệ thống bồn chứa dạng
này cho mãi đến tận năm 1970, các yếu tố áp suất và van kiểm soát mới được thiết
kế bổ sung. Webster (1967) cho thấy, việc sử dụng các két chống chuyển động cuộn
với một chiến lược điều khiển đơn giản, đã cho kết quả tốt hơn nhiều so với các hệ
thống thụ động. Vây nhỏ nhô ra từ sống đáy tàu (Bilge keels) tăng giảm xóc đối với
chuyển động cuộn. Tuy nhiên kích thước của các vây bị động phải đủ lớn để hạn
13


chế được bất kỳ một tác động đáng kể từ bên ngoài. Chính vì vậy, việc sử dụng của
nó bị hạn chế. Hệ thống vây kiểu thụ động vừa nêu đã được sử dụng từ những nỗ
lực đầu tiên bởi nhà phát triển tiếng người Anh Wilson vào năm 1890 và Motora tại

Nhật Bản vào đầu những năm 1900. Các tiến bộ đáng kể nhất đến từ giữa Thế chiến
I và Thế chiến II khi Denny, Brown Brothers, và các phòng thí nghiệm Nghiên cứu
Hải quân ở Anh đã bắt đầu một nỗ lực chung để phát triển một hệ thống vây chủ
động. Đề án của họ được sử dụng với ý nghĩa như cánh phụ, được điều khiển bởi
con quay hồi chuyển đo vị trí góc cuộn và tốc độ lộn vòng. Hệ thống vây chủ động
có một nhược điểm lớn là cồng kềnh và phức tạp, chỉ hiệu quả đối với chuyển động
có tốc độ lớn.
Năm 1910, các thử nghiệm kiểu di chuyển hệ thống trọng lượng lần đầu
được thử nghiệm bởi Cremieu. Ông đã sử dụng một khối lượng 10 tấn được đặt
trong một bể đáy cong chứa glycerin và nước. Các vật thể được tự do di chuyển trên
đáy cong giúp triệt tiêu động năng của hệ thống. Thật không may, hệ thống này đã
không được điều chỉnh đúng khi mà ảnh hưởng các điểm dừng ở hai đầu của đáy bể
của vật thể đã tạo ra những cú sốc lớn. Norden đã được cấp bằng sáng chế ở Mỹ cho
một chương trình tương tự vào năm 1929. Việc sử dụng phương pháp di chuyển
khối lượng chưa được khai thác đầy đủ cho đến những năm gần đây do kích thước
của khối lượng cần thiết để có được một hiệu quả làm giảm đáng kể trong chuyển
động lăn. Baitis Schmidt (1989) đã trình bày việc sử dụng bánh lái để làm ổn định
cuộn trên một tàu khu trục lớp DD-963 (Spruance) của Hải quân Mỹ. Các bánh lái
sử dụng ổn định chuyển động cuộn thời điểm tạo ra bởi cuộn bánh lái lớn trên tàu
để làm yếu các chuyển động cuộn.
Như vậy, chuyển động của tàu và việc điều khiển chuyển động của chúng là
tiêu điểm của nghiên cứu sâu rộng qua nhiều năm. Một con tàu hoạt động trên biển
thường có các chuyển động phức tạp, có thể làm giảm phạm vi hoạt động và giảm
hiệu quả trên biển, có gây khó chịu hoặc thậm chí nguy hiểm cho thuỷ thủ đoàn.
Điều khiển các chuyển động của tàu là điều rất được quan tâm của nhiều bên trong
lĩnh vực hàng hải. Như vừa phân tích, đã có rất nhiều loại thiết bị được thiết kế để
giảm chuyển động của tàu. Ví dụ loại vây chống lắc (fin anti-roll) được sử dụng
trong trường hợp tàu tốc độ cao trong khi loại két chứa chống lắc (hay két chống
cuộn anti-roll tank) lại thường trang bị cho các phương tiện nổi, tàu cỡ lớn mà yếu
tố tốc độ là không quan trọng. Hệ thống bồn chứa chống lắc thường sử dụng các tổ

hợp két phân bố đối xứng giữa các mạn, liên kết với nhau bằng hệ thống ống dẫn để
thực dịch chuyển chất lỏng, như nước để cung cấp lực chống lại sự mất cân bằng
14


hoặc do phân bố tải trọng hoặc các lực kích thích từ những con sóng v.v... Các
chuyển động chất lỏng làm giảm góc cuộn của tàu và mở rộng chế độ hoạt động của
tàu. Hệ thống bồn chứa có thể được thiết kế ở dạng thụ động hoặc chủ động sễ được
mô tả cụ thể hơn ở các phần sau. Động lực chính của nghiên cứu phần này là đưa ra
một số cơ sở lý luận khoa học làm căn cứ cho việc triển khai thiết kế và áp dụng
giải pháp để cân bằng phương tiện nổi.
1.4. Tình hình nghiên cứu trong nước
Có thể nói ở Việt nam các thiết bị, hệ thống điện, điều khiển, tự động hoá tàu
thủy đã được quan tâm từ rất sớm. Bắt đầu từ những năm 1980-1990. Chương trình
Tự động hoá (52B) đã hỗ trợ tiến hành nghiên cứu thiết kế chế thử một số thiết bị,
hệ thống tự động mang đặc thù cơ bản của tàu thuỷ, chẳng hạn hệ thống báo cháy tự
động, hệ thống hòa tự động máy phát, hệ thống tự động hoá buồng máy... Chương
trình Tự động hoá KC.02-11 (giai đoạn 1992-1995) đã hỗ trợ để nghiên cứu đề tài
hệ thống lái tự động, chương trình KC.06 hỗ trợ để thực hiện nhiều đề tài nghiên
cứu thiết kế hoàn thiện một số hệ thống tự động hoá trên tàu thuỷ như ứng dụng hệ
thống SCADA , nhằm hiện đại hoá hệ thống tự động hoá tàu thuỷ, hệ thống đo báo
tập trung, hệ tự động hoá buồng máy, hệ thống lái điện thuỷ lực, hệ thống báo cháy,
hệ thống quản lý trạm phát điện tàu thuỷ v v... Bên cạnh đó, các chương trình khoa
học công nghệ cấp bộ của Bộ Giao thông Vận tải cũng đã hỗ trợ để triển khai nhiều
đề tài, dự án mang tính thực tế lớn như Đề tài nghiên cứu thiết kế máy lái điện thuỷ
lực công suất lớn, hệ thống điều khiển vô cấp chân vịt mũi truyền động cơ điện, ứng
dụng chip thông minh để chế tạo các hệ thống điều khiển trên tàu , hệ thống điều
khiển truyền động điện ứng dụng thiết bị điện tử công suất lớn, chế tạo một số phần
tử và thiết bị điều khiển, đo lường quan trọng trên tàu thuỷ bằng phương pháp
chuẩn module và ứng dụng các công nghệ tiên tiến, chế tạo bộ điều khiển tự động

theo công nghệ khả trình cho các hệ thống, thiết bị tự động tàu thủy .
Bước sang giai đoạn những năm cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21, do sự lớn
mạnh vượt bậc của Tổng công ty Công nghiệp tàu thuỷ Việt nam (nay là Tập đoàn
Công nghiệp tàu thuỷ thuỷ Việt nam), ngành công nghiệp đóng tàu trong nước đã có
cơ hội để phát triển vượt bậc. Trong giai đoạn này, các chương trình khoa học công
nghệ đã dành một sự quan tâm đặc biệt cho mục đích triển khai nghiên cứu, thiết kế,
hoàn thiện công nghệ và chế tạo các thiết bị trên tàu thuỷ theo những định hướng
hiện đại và thiết thực hơn. Hàng loạt các đề tài liên quan đến lĩnh vực tàu thuỷ đã
được triển khai hướng đến nhiều lĩnh vực liên quan đến công nghệ đóng tàu. Qui

15


mô các đề tài đã bao hàm nhiều lĩnh vực và mang tầm tổng quát hơn, tập trung
hướng đến các đối tượng là tàu có tải trọng lớn, tàu chở dầu và tàu xuất khẩu. Từ dự
án đóng tàu dầu 100 ngàn tấn trong nước của tập đoàn Vinashin đã có hàng chục đề
tài, hàng chục dự án thuộc nhiều lĩnh vực như công nghệ thiết kế, công nghệ làm
sạch vỏ, sơn, hàn, công nghệ thiết kế chế tạo các thiết bị điện, điều khiển, máy, các
thiết bị tời neo, cần cẩu... phục vụ cho việc triển khai dự án này. Song song với dự
án này là các dự án khác có tầm cỡ và qui mô rất lớn như dự án đóng tàu chở ô tô
đến 4900 chiếc, dự án đóng mới kho nổi FSO5 150 ngàn tấn v.v... Mặc dù sự phát
triển của ngành công nghiệp đóng tàu Việt nam đang phát triển theo xu hướng đa
dạng hoá sản phẩm, tăng qui mô về trọng tải và hiện đại hoá các sản phẩm nhưng
vấn đề tự thiết kế chế tạo các trang thiết bị cơ khí, điện tử, tự động hoá trong nước
để phục vụ nhu cầu đóng mới và sửa chữa phương tiện nổi, đặc biệt là các trang
thiết bị cho phương tiện nổi cỡ lớn, trong đó có các hệ điều khiển cân bằng hầu như
chưa có những nghiên cứu cụ thể để triển khai chế tạo trong nước, đang thực sự là
vấn đề bức xúc trong xu thế phát triển của ngành. Đây là cơ hội lớn và cũng là thách
thức lớn đối với các nhà nhà khoa học, các nhà thiết kế và sản xuất trong ngành
công nghiệp đóng tàu Việt nam.

Qua phân tích có thể thấy, mặc dù việc cân bằng cho các phương tiện nổi là
một yêu cầu phải được thực hiện và không thể thiếu được trên hầu hết các phương
tiện nổi, đặc biệt là các phương tiện nổi cỡ lớn, nhưng hiện tại ở Việt Nam vấn đề
này chưa có những nghiên cứu sâu kể cả lý thuyết lẫn các ứng dụng cụ thể. Một
thực tế rất rõ là hầu hết các vấn đề về nghiên cứu thiết kế trên tàu thuỷ nói riêng và
phương tiện nổi nói chung đều liên quan đến đặc trưng cơ bản nhất của đối tượng
này, đó là vấn đề động học liên quan đến sức nổi (buyoancy) của đối tượng. Riêng
vấn đề điều khiển cân bằng các phương tiện nổi cỡ lớn và kho nổi kiểu FSO, ở trong
nước lại càng là vấn đề mới mẽ do tính phức tạp và qui mô của hệ thống, không
những phải giải quyết bài toán trên quan điểm của lĩnh vực điều khiển các hệ thống
dạng Elastic, dạng MIMO bất định và có trễ v.v, mà còn phải giải quyết bài toán
trên quan điểm về vấn đề thuỷ khí động lực học sức nổi. Cho đến nay, trừ các tàu
thông dụng (theo series) được đóng với số lượng lớn, vấn đề động học của các tàu
lớn và phương tiện nổi cỡ lớn hay loại đặc biệt vẫn là vấn đề hóc búa đối với các
nhà khoa học trên thế giới. Các mô hình động học đưa ra đều là các mô hình gần
đúng dựa trên các kết quả thực nghiệm. Mặc dù vậy, các mô hình mang tính thực
nghiệm kiểu này cũng rất hạn chế, chỉ một vài quốc gia có trình độ cao về công
nghệ đóng tàu, có cơ sở vật chất và phòng thi nghiệm thuỷ, khí động lực học hiện
16


đại (chẳng hạn bể thử mô hình) mới có điều kiện nghiên cứu. Các hệ thống cân
bằng hiện tại đang có mặt tại Việt nam (nhập mới hoặc trên các tàu, phương tiện nổi
đang khai thác), được các hãng lớn nước ngoài nghiên cứu chế tạo trên dựa trên cơ
sở vật chất, lượng thông tin cả về mặt lý thuyết lẫn thực tế, kinh nghiệm trong lĩnh
vực tàu thuyền và phương tiện nổi rất phong phú. Giá thành một hệ thống mang đặc
thù về bề dày phát triển, tiềm lực khoa học và bí quyết công nghệ trong ngành Công
nghiệp đóng tàu như vậy thực tế là quá đắt, gây một áp lực cho các nhà máy đóng
và sửa chữa tàu trong nước ở thế bị động, đặc biệt là về vấn đề tài chính để nhập
khẩu trang thiết bị phục vụ kịp thời công tác đóng mới và sữa chữa. Thực trạng hiện

nay, ngành công nghiệp đóng tàu Việt nam chưa đủ khả năng cả về mặt lý thuyết
lẫn thực nghiệm để có thể đưa ra được các mô hình toán và mô hình thực nghiệm
kiểu vật lý cho các tàu lớn, tàu đặc biệt và nhiều loại phương tiện nổi khác. Đây là
một trở ngại lớn trong việc giải quyết hàng loạt bài toán liên quan mật thiết với
động học của các đối tượng này, trong đó có cả bài toán cân bằng kho nổi. Vấn đề
này hiện nay thực sự trở nên bức xúc khi chúng ta đang chuẩn bị cho một giai đoạn
phát triển mới, giai đoạn đóng tàu và các phương tiện nổi cỡ lớn, bắt buộc chúng ta
phải có trình độ, hiểu biết về các thiết bị, hệ thống trên phương tiện này để từng
bước làm chủ từ khâu thiết kế, chế tạo, lắp đặt, vận hành và khai thác phương tiện
an toàn và hiệu quả, tiết kiệm ngoại tệ cho đất nước. Chính vì vậy, tác giả đã đề
xuất đề tài này, nhằm tập trung nghiên thiết kế hệ thống tự động điều khiển cân
bằng cho các kho nổi nhằm phục vụ nhu cầu đóng mới và sửa chữa loại phương tiện
này trong nước và xa hơn có thể tiến tới xuất khẩu. .
Trong khuôn khổ đề tài này, các kết quả nghiên cứu sẽ được áp dụng thử
nghiệm trên tàu Lash mẹ chở xà lan có trọng tải 10.900 DWT. Đây là một đối tượng
nổi có kích thước tương đối lớn so với trọng tải, có chiều dài lớn nhất Lmax là
176,9m, chiều rộng B là 25,0m, mớn nước T là 6m. Tàu được thiết kế có hệ thống
cân bằng kiểu Ballast với hệ thống khoang két, ống dằn cùng với các thiết bị bơm,
van điều khiển bằng tay. Như vậy, cơ sở để thiết lập một hệ thống Auto hell and
trim control system trên tàu Lash mẹ chở xà lan là rất khả thi, bảo đảm được tính
qui mô của bài toán (là đối tượng nổi cỡ lớn, bài toán thực tế hoàn toàn phù hợp nội
dung và mục tiêu nghiên cứu, có độ phức tạp cao, rất tiêu biểu cho phương tiện nổi
như âu nổi, các tàu nổi cỡ lớn, tàu chở công ten nơ và đặc biệt là các loại kho nổi cố
định mềm).

17


CHƯƠNG 2
TÌM HIỂU MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC TÀU THỦY, CÁC THUẬT TOÁN

VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG TÀU.
2.1. Tìm hiểu một số mô hình động học tàu thủy.
2.1.1. Hệ thống két chống cuộn thụ động và chủ động

Hình 2.1 Nguyên lý hệ thống két chống chuyển động cuộn
Hệ két thụ động và hệ thống két chủ động hoạt động trên nguyên tắc, một
chất lỏng, thường là nước, di chuyển từ một bồn chứa đến một bồn chứa khác trên
con tàu trong khoảng thời gian nào đó để chống lại hiện tượng chuyển động. Hai két
thường nằm cách xa nhất có thể để cho cánh tay đòn của mô men phục hồi có giá trị
lớn. Trong Hình 2.1, các két được kết nối bằng đường ống, có thể được (hoặc
không) trang bị máy bơm. Các máy bơm cho phép kiểm soát hoạt động của chất
lỏng chuyển động trong hệ thống chủ động, và sự vắng mặt của các máy bơm cho
phép chất lỏng tự do di chuyển trong một hệ thống thụ động. Để dễ mô tả, chuyển
động của chất lỏng này được coi là xấp xỉ bởi chuyển động của một khối chất điểm
tương đương, theo tác động có chủ định (hệ chủ động) hoặc không (hệ bị động).
Các giao động nhỏ có thể bỏ qua.

18


Hình 2.2 Cơ sở thiết lập mô hình toán cho chuyển động cuộn
Các chuyển động của chất lỏng trong các thùng chứa được xấp xỉ bởi chuyển
động của một chất điểm có khối lượng, di chuyển từ mạn trái sang mạn phải. Cơ sở
xây dựng ban đầu của hệ thống này chỉ xét khi mà chuyển động của khối chất điểm
chỉ bị ảnh hưởng đến bậc tự do của chuyển động cuộn và chuyển động lắc lư của
tàu mà thôi. Tuy nhiên, việc xây dựng các biểu thức chỉ dựa vào sự chuyển động lăn
của tàu và không có bất kỳ một ảnh hưởng từ sự chuyển động khác được sử dụng ở
đây. Trên hình 2.2 thể hiện cách thức khối điểm m di chuyển. Vị trí của m là một
hàm của thời gian d(t), được quy định bởi một đạo luật kiểm soát. Góc cuộn được
quy định bởi f, và vận tốc cuộn quy định bởi p.

Mô hình toán học cho hệ thống hoạt động ở dạng hai bậc tự do là một ứng
dụng đơn giản của luật Newton. Các phương trình chuyển động cho các tàu ở tọa độ
cầu, được mô tả bởi Fossen (1995) và được liệt kê như sau:
6×6

6×6

[M]

RB

υ + [C]RB υ = τ RB

(2.1)

ở đây, υ là vector của các vận tốc và các vi phân của của các góc Euler cho tất cả
sáu bậc tự do, và τ RB là một vector của các lực. Cộng các lực và mô men do tác
động của m lên tàu vào phía bên tay phải của các phương trình chuyển động ta có:
6×6

6×6

[M]


RB υ + [C]RB υ = τ RB + F( t )

[

]


T

(2.2)

ở đây, F( t ) = A 0, Fy ,0, M x ,0,0 , A là ma trận chuyển vị của tàu cố định tương đối
so với qui chiếu toàn cầu. Lực do chuyển động lắc lư được cho bởi:
19


Fy = −md( t ) cos(φ)

(2.3)

Mô men được tạo ra bởi lực từ tâm trọng lượng của vật nặng, lực được tạo ra
từ sự gia tăng khối lượng và khoảng cách tương ứng của chúng đến tâm trọng lượng
(Cg) của tàu như sau:

M x = md(t )z m − mgd(t )cos(φ)

(2.4)

Ở đây, z m là chiều cao của vật thể về phía trên tàu của hệ thống tàu cố định, điểm O
(xem hình 3-2.).
Định vị cho vật thể m có thể được thực hiện với việc sử dụng cơ cấu kiểu
servo cơ khí. Vật thể trong cơ cấu này có thể tự do di chuyển trên tàu biển theo
chiều ngang và vị trí của nó được cho bởi d(t). Các vị trí cho vật thể được mô tả bởi
phương trình sau đây:

d + µd + ω2 (d − d ) = 0

c

(2.5)

trong đó d(t) là vị trí thực tế của vật thể liên quan đến một điểm tham chiếu cố định
trên tàu, dc là vị trí được chỉ định của vật thể, µ và ω là hằng số được lựa chọn để
đạt được thỏa thuận hợp lý giữa các servo cơ khí thực tế và giải pháp của phương
trình này. Phương trình (2.5) mô tả cách vật thể phản ứng với một lệnh chỉ định. Nó
có thể được giải bằng cách sử dụng phương pháp Runge-Kutta thứ tư ở mỗi bước
thời gian, do đó, phương trình khác có thể được sử dụng tại chỗ của nó mà không có
vấn đề gì.
Lệnh điều khiển cho vật thể dc, được thực hiện bởi một bộ điều khiển PID
đơn giản:
T

d c = G 1φ + G 2 ∫ φdt + G 3 p

(2.6)

T −1

ở đây φ là góc cuộn của con tàu. Điều này có nghĩa rằng, các vị trí điều khiển của
vật thể sẽ tạo ra một mômen luôn luôn chống lại vận tốc cuộn của con tàu. Ý nghĩa
vật lý của hệ thống bồn chứa đang hoạt động là tạo hiệu ứng giảm xóc theo chuyển
động lăn. Cũng nên lưu ý rằng, trọng lượng của khối các vật thể cần thiết đê bảo
đảm hiệu quả chống lăn vào khoảng 1-4% trọng lượng chiếm nước của tàu, là khá
lớn. Như vậy, các hệ thống máy bơm phải có khả năng tăng công suất cần thiết để
di chuyển một khối lượng lớn nước qua lại đáp ứng hiệu quả chống lăn. Vì vậy, nó
là cần thiết để hạn chế giá trị tối đa cho vận tốc và gia tốc của vật thể, phản ánh gần
đúng việc mô phỏng chuyển động của chất lỏng. Vị trí của vật thể cũng có một giới

20


hạn vật lý, đó là vị trí của két thực tế. Các giá trị tiêu biểu cho những hạn chế được
bổ sung vào giới hạn của vật thể đang chuyển động là:

d = 0,8g , d = 13ft / s , d = 0,95B
max
max
max
ở đây B là một nửa chiều rộng của tàu. Phương trình dạng servo với các khó khăn
được mô tả trong phần này thường được sử dụng trong các hệ thống mô phỏng hoạt
động cho hệ chuyển động dạng sáu bậc tự do. Như đã đề cập, trọng tâm của nghiên
cứu này là để thể hiện hiệu quả của hệ thống két chứa chống chuyển động cuộn
thường được mô phỏng trong miền thời gian, không phải để phát triển các thuật
toán điều khiển tinh vi. Vì lý do này, bộ điều khiển PID đơn giản hay được sử dụng
trong các hệ thống mô phỏng hoạt động cho các đối tượng.
Để xác định G3 ở phương trình (2.6), có thể sử dụng lý thuyết điều khiển cổ
điển (như phương pháp quĩ đạo nghiệm trong miền tần số) và sơ đồ khối biểu diễn
cho mô hình hệ thống đơn giản thể hiện trong Hình 2.3. Thông tin được trình bày
trong phần này có thể tìm hiểu ở phần tổng quan về kỹ thuật sử dụng quĩ đạo
nghiệm (để tìm được G3) trong chương trình MATLAB. Để biết thêm chi tiết về kỹ
thuật locus áp dụng trong MATLAB, có thể tham khảo các tài liệu thiết kế điều
khiển như Shahian & Hassul [1993].

Hình 2.3 Sơ đồ khối mô tả điều khiển chuyển động cuộn tàu thủy
Sơ đồ khối trong Hình 2.3 cho thấy những biến đổi Laplace cho phương trình bậc
hai của mô hình điều khiển servo và mô hình cuộn tự do của tàu. Các yếu tố đầu
vào và đầu ra của các khối là d, Mroll, và p, trong đó d là vị trí khối chất điểm, Mroll
là mômen chuyển động cuộn do chuyển động của khối chất điểm tạo ra, p là vận tốc

cuộn. Khối khuếch K tương đương với G3 trong phương trình (2.6).

21


2.1.2. Hệ thống két chủ động chống cuộn dạng chuyển động sáu bậc tự do
Trong phần này, các phương trình đầy đủ cho các chuyển động của hệ thống
chống cuộn tích cực dạng sáu bậc tự do của con tàu khi chuyển động được trình bày
[31]. Lượng chất lỏng chiếm giữ trong hệ thống chống cuộn coi là xấp xỉ như là một
khối chất điểm, di chuyển từ mạn trái đến mạn phải và ảnh hưởng đến tất cả sáu bậc
tự do khi tàu chuyển động. Vị trí của chất điểm được coi là hàm của khoảng cách từ
nó đến đường tâm là d(t). Một lần nữa, trong xây dựng này không xét ảnh hưởng
của hiệu ứng mặt thoáng trong hệ thống các két và chuyển động của chất điểm được
hạn chế đến 95 % của nửa chiều rộng tàu.

Hình 2.4. Cơ sở thiết lập mô hình toán chuyển động cuộn 6 bậc tự do
Để lấy được các lực và những mômen mà chất điểm m di chuyển, tác động
lên con tàu ở tất cả chuyển động sáu bậc tự do, cần thiết phải xác định được vị trí,
vận tốc, gia tốc của tàu liên quan đến hệ toạ độ mặt đất, qui ước là cố định. Chuyển
động của chất điểm m tương đối so với con tàu phải được mô tả. Việc sử dụng hai
hệ toạ độ: một cố định cho tàu và một cố định cho măt đất là rất thuận tiện trong
việc phối hợp giữa chúng và sau đó là vấn đề xem xét quán tính của hệ thống. Ỏ
đây, hướng của {Xo, Yo, Zo} liên quan với hệ thống cố định mặt đất, {X, Y, Z}
được cho bởi một tập hợp các góc Euler hoàn toàn đặc trưng cho hướng của tàu đối
với các hệ tọa độ cố định mặt đất (xem Fossen 1995).
Trong hình 2.4, r0 = A(xo (t), yo (t), z0 (t)) thể hiện cho vị trí hệ toạ độ quán
tính gốc trong của hệ toạ độ O cố định trên tàu. Vector rm = (xm, d (t), ZM) đại diện
cho vị trí của chất điểm đối với khung toạ độ cố định. Vị trí của chất điểm trong hệ
thống toạ độ toàn cầu được cho bởi:


R m = r0 + rm

(2.7)
22


Vận tốc tuyệt đối của điểm O được cho bởi v 0 = (u (t), v (t), w (t)) trong đó
u, v, và w là các thành phần dọc theo hệ thống toạ độ cố định trên tàu và các thành
phần của vận tốc góc của tàu được cho bởi ω = (p (t), q (t), r (t)) trong hệ thống toạ
độ cố định trên tàu. Bằng cách lấy đạo hàm bậc nhất của Rm theo thời gian, chúng
ta tìm được vận tốc của chất điểm trong hệ toạ độ toàn cầu:

Vm = v 0 + rm + ω × rm

(2.8)

ở đây, rm là vận tốc của m so với so với hệ thống tọa độ cố định trên tàu. Gia tốc
của điểm O được cho bởi:

a 0 = v 0 + ω × v 0

(2.9)

ở đây, thành phần của a0 liên quan đến hệ tọa độ cố định trên tàu. Bằng cách lấy đạo

hàm đầu tiên của Vm và a α = {p ( t ), q ( t ), r( t )}, ở đây α là gia tốc góc, chúng ta tìm
được gia tốc của chất điểm trong hệ tọa độ phối hợp toàn cầu dạng:

A m = a 0 + rm + ω × rm + α × rm + ω × (rm + ω × rm )


(2.10)

Lực do khối lương và trọng lực tác dụng lên con tàu là:

Fm = − mg + mA m

(2.11)

ở đây, g={gx , gy, gz} là véc tơ gia tốc do trọng lực ở trong hệ toạ độ cố định trên
tàu. Lực do khối lượng tác dụng lên tàu được cho bởi:

Fs ≡ −Fm

= mg − mA m
(2.12)
= m(g x − u − gw + rv + 2rd − q z m + rd − qpd + q 2 x m − rpz m )ˆi +
m(g y − v − ru + pw − d − rx m + p z m − rpz m + r 2 d + p 2 d − pqx m )ˆj +

 − pv + qu − 2pd − p d + q x m − rpx m + p 2 z m + q 2 z m − rqd)kˆ
m (g z − w
Mô men Fs xung quanh điểm O trên tàu được cho bởi:

M 0 = rm × Fs

23