Trên tàu thủy, hệ thống lái là một trong những hệ thống chính, đảm nhiệm chức năng ổn định con tàu theo hướng đi cho trước, nhanh chóng thay đổi hướng đi của tàu theo hướng đi đã đặt, điều động tàu khi ra vào cảng, luồng lạch… cho nên được xếp vào nhóm máy móc đặc biệt quan trọng khi phân chia loại phụ tải.

Tàu thủy là đối tượng điều khiển có tính phi tuyến lớn (phi tuyến bậc cao) chuyển động trong môi trường phức tạp, chịu sự tác động của rất nhiều nhiễu loạn, mang tính ngẫu nhiên như sóng, gió, dòng chảy... cho nên khi nghiên cứu mô hình toán tàu thủy có thể thấy đối tượng có nhiều biến trạng thái, thường xuyên có sự thay đổi về cấu trúc mô hình đối tượng và không thể dự báo do ảnh hưởng của nhiễu ngẫu nhiên. Xét về tính chất động học thì đối tượng thường có tính chất không tốt: Quá trình dao động lớn, thời gian quá độ dài, độ dự trữ ổn định thấp

Có thể thấy mỗi phương pháp điều khiển khi áp dụng đều có những ưu, nhược điểm khác nhau. Đối với việc sử dụng bộ điều khiển PID có ưu điểm là cấu trúc đơn giản, dễ thực hiện nhưng chất lượng điều khiển chưa cao và có thể làm cho đối tượng điều khiển (tàu thuỷ) kém ổn định. Trong khi đó, áp dụng bộ điều khiển mờ với ưu điểm là không cần phải xác định mô hình toán chính xác của đối tượng điều khiển, tuy nhiên nhược điểm là không quan tâm iv nhiều đến chất lượng động học và tính tối ưu năng lượng. Tổng hợp nghiên cứu về điều khiển chuyển động tàu thuỷ cho thấy mục tiêu điều khiển phải làm sao cho tàu luôn ổn định theo hướng đi cho trước trong điều kiện nhiều tham số của đối tượng chưa xác định và chịu ảnh hưởng của các nhiễu loạn ngẫu nhiên. Chính vì vậy giải pháp điều khiển thích nghi là phù hợp, làm cho đối tượng có khả năng thích ứng với sự thay đổi liên tục của các tham số và môi trường bên ngoài, dẫn đến chất lượng điều khiển được đảm bảo, đồng thời có thể đạt được tính tối ưu về năng lượng.

Hiện nay, ở các nước tiến tiến đã chế tạo được nhiều hệ thống lái tự động tàu thủy, tuy nhiên chủ yếu mới sử dụng bộ điều khiển PID, đồng thời giá thành mua thiết bị vẫn còn cao và công nghệ chế tạo không công bố vì lý do bản quyền. Trong khi đó, tại Việt Nam chưa có con tàu nào đƣợc ứng dụng phương pháp điều khiển thích nghi. Chính vì vậy, mặc dù ở Việt Nam chưa có công nghệ chế tạo hệ thống lái tự động ứng dụng phương pháp điều khiển thích nghi, nhóm tác giả mạnh dạn, chủ động trong việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống lái tự động áp dụng phương pháp điều khiển thích nghi cho tàu thủy với mong muốn vươn lên làm chủ về mặt công nghệ, phát triển công nghệ phục vụ ngành công nghiệp đóng tàu là một thành tố quan trọng và then chốt để phát triển bền vững kinh tế biển Việt Nam.

Xuất phát từ những lý do trên, Cơ quan chủ trì Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài PGS.TS Trần Anh Dũng thực hiện “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống lái tự động tàu thủy áp dụng phương pháp điều khiển thích nghi” với mục tiêu: Thiết kế và chế tạo thành công hệ thống lái tự động tàu thủy áp dụng với phương pháp điều khiển thích nghi, đảm bảo nâng cao chất lượng điều khiển tàu thủy, tối ưu hóa năng lượng trong quá trình khai thác.

Đề tài đã thực hiện nghiên cứu thiết kế, chế tạo thành công hệ thống lái tự động tàu thủy áp dụng phương pháp điều khiển thích nghi cho các tàu hàng có trọng tải 22.000 tấn trở xuống, nâng cao chất lượng điều khiển chuyển động tàu thủy theo hướng đi, tối ưu hóa năng lượng trong quá trình khai thác. Tàu thủy là đối tượng điều khiển có tính phi tuyến mạnh, có nhiều yếu tố bất định trong mô hình, đồng thời môi trường hoạt động chịu ảnh hưởng lớn của các nhiễu loạn ngẫu nhiên không xác định. Vì vậy, việc áp dụng phương pháp điều khiển thích nghi vào hệ thống lái tự động dựa trên mô hình chuẩn thiết kê theo thuật toán tối ưu làm cho hệ thống điều khiển thích ứng với sự thay đổi của đối tượng và nhiễu loạn môi trường và đạt tới tính tối ưu về năng lượng của phần tử thực hiện là bánh lái tàu. Bên cạnh đó, việc dùng bộ quan sát Kalman trong điều khiển góp phần giảm chi phí và sự phức tạp của việc đo lường các biến trạng thái đối tượng, đồng thời là công cụ giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu loạn môi trường lên chất lượng điều khiển.

Hệ thống lái tự động được nhóm tác giả thiết kế, chế tạo theo công nghệ hệ thống lái số được áp dụng rộng rãi trên các tàu thủy hiện nay, trong đó bộ điều khiển được lập trình và cài đặt trong CPU gồm thiết bị PLC và máy tính, được liên kết với màn hình HMI, các phần tử ngoại vi và Panel báo động, đáp ứng đầy đủ các chế độ lái hiện hành. Công nghệ này làm cho sự tương tác giữa người vận hành và hệ thống trở nên thuận tiện và dễ dàng hơn, đồng thời việc áp dụng thuật toán thích nghi vào bộ điều khiển là điểm mới nâng cao chất lượng điều khiển so với các hệ thống lái số sử dụng thuật toán PID kinh điển hiện nay. Việc chế tạo thành công hệ thống lái số cho phép chủ động về phần mềm và công nghệ chế tạo phần cứng, tiến tới làm chủ công nghệ chế tạo hệ thống lái tự động và giảm giá thành sản phẩm cho công nghiệp đóng tàu trong nước.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 17656/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

Đ.T.V (NASATI)