Page 117 - Tạp chí Giao thông Vận Tải - Số Tết Dương Lịch

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Tập 6 4
Tập 64
Số 12/2024 (748)
chuyển trong một chất lỏng hoặc khí. Lực Magnus xuất động lắc của tàu; D - Lượng giãn nước của tàu; K = D.GM .α
w
0
hiện do sự chênh lệch áp suất giữa hai phía của vật thể, - Mô-men gây lắc do sóng; K - Mô-men tạo bởi thiết bị ổn
C
nguyên nhân là do tốc độ dòng chảy khác nhau của chất định lắc; k - Một hệ số thực nghiệm và phạm vi của nó là
1
lỏng hoặc khí xung quanh vật thể đang quay. Trong hàng 0,055 ∼ 0,060; L, B và H - Lần lượt là chiều dài, chiều rộng
hải, hiệu ứng Magnus đã được ứng dụng vào việc phát và độ sâu của tàu; φ - Biên độ của góc nghiêng và nên có
m
triển các hệ thống cánh buồm và thiết bị ổn định lắc trên giá trị 0,5 ∼ 0,6 rad.
tàu thủy. Những ứng dụng này góp phần tiết kiệm nhiên
liệu và giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực của chuyển động lắc 3. BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG MAGNUS
tàu thủy đối với thuyền viên, hàng hóa và con tàu. ROTOR VÀ NHỮNG HẠN CHẾ
Đối với hệ thống ổn định lắc Rotor Magnus, lực được 3.1. Bộ điều khiển PID cho hệ thống Magnus Rotor
tạo ra trên 2 cánh tay đòn. Lực này phụ thuộc vào nhiều Điều khiển tỉ lệ vi tích phân PID (Proportional Integral
yếu tố như: Tốc độ dòng chảy, tốc độ quay của cánh quay, Derivative) là bộ điều khiển phổ biến nhất trong thực tế.
kích thước và hình dáng của cánh quay. Công thức để tính Ưu điểm của nó là: Đơn giản, độ chính xác cao, dễ cài đặt
lực Magnus là: và dễ hiệu chỉnh. Trong hệ thống Magnus Rotor, PID được
(1) sử dụng để điều chỉnh tốc độ và góc quay của các Rotor
Trong đó: F - Lực Magnus; C - Hệ số Magnus, được nhằm tạo ra lực Magnus phù hợp để chống lại lắc ngang
M
M
xác định bởi hình dáng của cánh quay và tốc độ quay; ρ - [4]. Cụ thể, PID điều chỉnh tốc độ quay của các Rotor dựa
Mật độ của môi trường chất lưu (thường là nước); v - Vận trên góc lắc thực tế của tàu so với góc lắc mong muốn.
tốc của dòng chảy so với vật thể quay; A - Diện tích bề mặt Phương trình điều khiển PID có thể được viết như sau:
của vật thể tác động bởi lực Magnus.
(6)

Trong đó: u(t) - Đầu ra điều khiển (tốc độ quay của
Rotor); e(t) - Sai số giữa góc lắc mong muốn và góc lắc thực
tế; k , k , k - Các hệ số điều chỉnh của PID.
p i d
3.2. Những hạn chế của bộ điều khiển PID
Trong điều kiện hoạt động phi tuyến, chẳng hạn khi
tàu hoạt động trong môi trường biển có sóng lớn và biến
động nhanh, hệ thống PID truyền thống có thể gặp khó
khăn trong việc phản hồi nhanh và chính xác. PID thường
hoạt động tốt trong các hệ thống tuyến tính, nhưng khi
gặp phải các điều kiện bất thường như sóng không đều
hoặc khi góc lắc lớn thì hiệu suất của PID có thể bị suy giảm.
Hình 2.1: Nguyên lý hoạt động của hệ thống ổn định Rotor Magnus PID cần nhiều thời gian để điều chỉnh lại, dẫn đến hiệu quả
Hình 2.1 chỉ ra lực của thiết bị chống lắc Magnus. Khi giảm lắc không tối ưu trong những tình huống này.
tàu nghiêng sang phải, thiết bị chống lắc Magnus ở mạn
phải tạo ra lực nâng lên, tức là xi-lanh quay ngược chiều 4. ĐỀ XUẤT HƯỚNG TIẾP CẬN ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT
kim đồng hồ trong khi xi-lanh bên phải quay cùng kim PHI TUYẾN CHO HỆ THỐNG GIẢM LẮC ROTOR MAGNUS
đồng hồ tạo ra lực hướng xuống. Mô hình chuyển động lắc Hệ thống điều khiển PID mặc dù hiệu quả trong các
ngang của tàu khi trang bị thiết bị ổn định Rotor Magnus điều kiện tuyến tính vẫn gặp khó khăn khi đối mặt với các
được biểu thị bằng một phương trình phi tuyến như sau hệ thống có tính phi tuyến cao và sự thay đổi đột ngột của
[5, 6, 7, 8]: nhiễu. Để khắc phục những hạn chế này, việc nghiên cứu
(2) và áp dụng các phương pháp điều khiển phi tuyến như
điều khiển trượt (Sliding Mode Control - SMC) là cần thiết.
(3) 4.1. Ứng dụng SMC cho hệ thống Rotor Magnus
Điều khiển trượt (SMC) [3] là một phương pháp điều
(4) khiển phi tuyến mạnh mẽ, thường được sử dụng cho các hệ
thống có sự thay đổi lớn và không chắc chắn. SMC có khả
năng chống nhiễu mạnh, đảm bảo độ ổn định ngay cả khi
(5) hệ thống chịu tác động từ các yếu tố phi tuyến hoặc môi
trường biến động mạnh. Điều khiển trượt hoạt động bằng
Trong đó: ϕ - Góc lắc ngang của tàu, I và ΔI - Lần cách điều chỉnh hệ thống để giữ các biến trạng thái của hệ
xx
xx
lượt là mô-men quán tính lắc và mô-men quán tính lắc bổ thống trên một bề mặt trượt đã được xác định trước. Một
sung; 2N - Mô-men xoắn giảm lắc ngang trên một đơn vị khi hệ thống đã “trượt” trên bề mặt này, hệ thống sẽ trở
u
vận tốc góc lắc hay biểu thị hệ số suy giảm của chuyển nên ổn định và phản ứng nhanh trước các biến động mà
116