Ứng dụng điều khiển mờ trong tự động điều khiển động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2013 THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ TRONG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY CỠ NHỎ USING FUZZY CONTROL IN AUTOMATIC CONTROL DIESEL ENGINE OF SMALL VESSEL Đoàn Phước Thọ1 Ngày nhận bài: 14/3/2012; Ngày phản biện thông qua: 12/6/2013; Ngày duyệt đăng: 10/9/2013 TÓM TẮT Bài báo này giới thiệu về việc ứng dụng lí thuyết điều khiển mờ trong tự động điều khiển động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ. Một giải thuật mờ đã được thiết kế và cài đặt thành công cho thiết bị tự động điều khiển tay ga động cơ. Kết quả thử nghiệm thực tế trên động cơ Yanmar-4CH cho thấy sự làm việc đúng đắn của giải thuật, phù hợp với yêu cầu điều khiển tự động cho động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ. Từ khóa: điều khiển mờ, điều khiển tự động, động cơ Diesel ABSTRACT This article introduces the application of fuzzy theory in automatic control diesel engine of small vessel. The fuzzy algorithm has been designed and successfully installed for the device to control automatically the diesel engine. The results of testing on Yanmar - 4CH engine showed that it was suitable between the fuzzy algorithm and the requirement in automatic control for diesel engine of small vessels. Keywords: fuzzy theory, diesel engine, automatic control. I. ĐẶT VẤN ĐỀ hóc ngay trong quá trình sử dụng, điều này đặc biệt Những năm gần đây, việc ứng dụng mạnh mẽ nguy hiểm khi tàu đang khai thác xa bờ. Vì vậy, việc công nghệ cao trong việc xây dựng các hệ thống nghiên cứu công nghệ và thiết bị để tự động điều điều khiển tự động trang bị cho các thiết bị và các chỉnh quá trình làm việc hợp lí cho các động cơ trên hệ thống trên tàu có ý nghĩa đặc biệt trong việc nâng là hết sức cần thiết trong bối cảnh hiện nay. cao chất lượng làm việc, độ an toàn, tin cậy và tính Điều khiển mờ là một trong những kỹ thuật điều kinh tế của con tàu. khiển hiện đại ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong lĩnh Trong thực tế nước ta hiện nay, hầu hết các vực điều khiển. Với kỹ thuật mô phỏng trên phương động cơ chính trang bị trên các tàu thủy cỡ nhỏ là thức xử lý thông tin và điều khiển của con người nên các động cơ ngoại nhập, với nhiều chủng loại và còn được gọi là điều khiển “thông minh”. Khác hẳn thường đã qua sử dụng, các dụng cụ đo lường, với kỹ thuật điều khiển kinh điển là hoàn toàn dựa kiểm tra trên động cơ không còn đủ, tài liệu hướng vào sự chính xác tuyệt đối của thông tin mà trong dẫn kỹ thuật đi kèm rất ít nên không cho phép người nhiều ứng dụng không cần thiết hoặc không thể có sử dụng có đầy đủ cơ sở để khai thác thiết bị động được, điều khiển mờ chỉ cần xử lý những thông tin lực hiệu quả nhất để đảm bảo tin cậy cho tàu đi “không chính xác” hay không đầy đủ mà vẫn có thể biển. Mặt khác, đối tượng sử dụng thường là các đưa ra những quyết định chính xác. ngư dân không được trang bị đầy đủ kiến thức về Kỹ thuật điều khiển này đáp ứng được yêu cầu vận hành máy tàu nên có xu hướng sử dụng không điều khiển cho các động cơ diesel tàu thủy có quá hợp lí làm tăng giá thành khai thác, giảm tuổi thọ trình làm việc với tính chất của phụ tải liên tục biến động cơ. Trong một số trường hợp còn gây hỏng động (do sự thay đổi hướng gió, dòng chảy, sự thay 1 Đoàn Phước Thọ: Khoa Kỹ thuật giao thông - Trường Đại học Nha Trang 60 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2013 đổi của chiều chìm, trạng thái vỏ tàu, trạng thái kỹ Đặc trưng cho tải trọng nhiệt có: nhiệt độ nước thuật của động cơ) kéo theo sự thay đổi liên tục làm mát tmat, nhiệt độ khí xả tkx, áp suất chỉ thị pi và vị của các thông số vận hành. Sự thay đổi của các trí tay ga nhiên liệu thông số này luôn “không đầy đủ”, “không chính Lựa chọn thông số điều khiển cho bộ điều khiển xác” và “không chắc chắn” nên rất khó sử dụng kỹ tự động cần thỏa mãn yêu cầu về tính khả thi của thuật kinh điển để điều khiển. Vì vậy, điều khiển mờ phương án. Tốt nhất cho điều khiển tự động là giám được lựa chọn để xây dựng giải thuật điều khiển sát được toàn bộ các thông số đã nêu ở trên. Tuy cho bộ điều khiển tay ga tự động. nhiên, đối với các động cơ thủy cỡ nhỏ việc trang bị các cảm biến áp suất sẽ làm tăng giá thành do II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU các cảm biến này có giá rất cao. Hơn nữa, để lắp Quá trình thực nghiệm được tiến hành trên đặt các cảm biến này ta cần can thiệp sâu vào động động cơ Yanmar-4CH có tại Phòng Thực hành Bộ cơ đó là khoan lỗ ở các xy lanh tại các buồng cháy. môn Động lực, Khoa Kỹ thuật Giao thông, Trường Như vậy, phương án này là không khả thi đối với đối Đại học Nha Trang. Động cơ Yanmar-4CH là một tượng nghiên cứu. trong những động cơ thủy được sử dụng nhiều trên Trong các thông số nêu trên, nhằm kiểm tra tình các tàu cá, tàu giao thông thủy cỡ nhỏ, có các thông trạng làm việc của động cơ việc sử dụng các thông số kỹ thuật phù hợp, đại diện cho đối tượng nghiên số số vòng quay và nhiệt độ khí xả là đơn giản hơn cứu. Thiết bị tạo tải được sử dụng là phanh thủy lực cả (giá thành thiết bị thấp, cách thức tiến hành đơn Dynomite 13 Dual - rotor của hãng LAND & SEA. giản không cần can thiệp sâu vào động cơ). So với Phương pháp nghiên cứu được lựa chọn kết nhiệt độ khí xả, nhiệt độ nước làm mát có quán tính hợp giữa lí thuyết với thực nghiệm. Thông qua khảo chậm, không phản ánh kịp thời tình trạng làm việc sát, tổng hợp các kết quả nghiên cứu, các ứng dụng của động cơ, nên không được lựa chọn làm thông có trước để xác định mối liên hệ giữa các thông số số điều khiển. vận hành, chế độ làm việc của động cơ diesel tàu Thông số tốc độ vòng quay của động cơ sẽ thủy cỡ nhỏ và yêu cầu về vận hành hợp lí của động quyết định đến tốc độ hành trình của con tàu, tốc cơ. Trên cơ sở đó phân tích và lựa chọn các thông độ vòng quay thấp sẽ không đảm bảo được hành số vận hành, thỏa mãn yêu cầu về vận hành hợp trình cho trước. Ngược lại nếu số vòng quay vượt lí, làm thông số điều khiển. Dựa vào thực nghiệm quá số vòng quay cho phép sẽ làm tăng công suất, để kiểm chứng mối quan hệ này từ đó xây dựng tăng tải trọng quán tính gây nguy hiểm cho động cơ giải thuật điều khiển mờ. Giải thuật điều khiển được và chính con tàu. chấp nhận trên cơ sở thử nghiệm sự làm việc của Nhiệt độ khí xả không những là thông số phản bộ điều khiển và hiệu chỉnh nhiều lần cho đến khi ảnh ứng suất nhiệt của động cơ mà ở một mức độ bộ điều khiển làm việc thỏa mãn được yêu cầu điều nhất định nó còn phản ánh tình trạng phát công suất khiển đặt ra đối với đối tượng nghiên cứu. của động cơ. Trước đây trên các động cơ cỡ lớn để giám sát sự cân bằng công suất ở các xylanh của III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN động cơ người ta dùng các đồng hồ nhiệt độ đặt tại 1. Lựa chọn thông số điều khiển các cửa xả của động cơ. Thậm chí, ở một số động Cơ sở để xây dựng bộ điều khiển tay ga tự cơ người ta còn dùng nhiệt độ khí xả để xác định động là điều khiển lượng nhiên liệu chu trình sao công suất động cơ khi tình trạng kỹ thuật của động cho công suất động cơ phát ra phù hợp với công cơ còn tốt [4]. Thực nghiệm trên động cơ Yanmar- suất của tải, đáp ứng được hành trình của tàu. Đồng 4CH tại phòng thực hành động cơ đốt trong thuộc thời, phải đảm bảo cho quá trình làm việc tin cậy Bộ môn Động lực đã chứng thực mối quan hệ này. của động cơ, loại trừ khả năng làm việc quá tải cho Vì vậy, chúng tôi lựa chọn 2 thông số này làm thông động cơ. Quá trình làm việc của động cơ được xem số điều khiển cho bộ điều khiển tay ga tự động. xét dựa trên 3 chỉ tiêu cơ bản: chỉ tiêu kinh tế - năng 2. Xây dựng giải thuật điều khiển lượng, ứng suất cơ và ứng suất nhiệt. [3], [4] Thiết kế hệ mờ được bắt đầu bằng việc xác Đặc trưng cho chỉ tiêu năng lượng của động cơ định các biến ngôn ngữ dùng trong hệ thống. Các có các thông số: áp suất Pe, công suất động cơ Ne, biến này được xem như là nền tảng cho các luật momen động cơ Me. hoạt động. Kế đến là thiết kế cấu trúc của hệ, mang Đặc trưng cho tải trọng cơ học có các thông số: thông tin về dòng điều khiển bên trong hệ, như là áp suất khí cháy lớn nhất pz, tỉ số tăng áp suất Pz/Pc, tập mờ nào kết hợp với tập mờ nào, đưa ra tập mờ tốc độ tăng áp suất Dp/Dj. nào, Thiết kế hệ luật được xem như là phần thiết TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 61 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2013 kế chính yếu, thể hiện tri thức của con người về khí thải. Trên cơ sở sự thay đổi của hai thông số đối tượng đang điều khiển. Cuối cùng là lựa chọn này, bộ điều khiển sẽ quyết định thay đổi vị trí phương pháp giải mờ thích hợp. [1], [2], [5], [6] tay ga để điều chỉnh lượng nhiên liệu phù hợp Bộ điều khiển làm việc dựa trên hai thông số cấp cho động cơ. Cấu trúc của chương trình điều điều khiển đầu vào là tốc độ động cơ và nhiệt độ khiển như sau: Hình 1. Cấu trúc chương trình điều khiển mờ Theo sơ đồ trên, hai biến ngôn ngữ đầu vào là linh hoạt chọn số giá trị của biến ngôn ngữ đầu vào tốc độ động cơ và nhiệt độ khí thải còn biến ngôn là 5 và đầu ra là 6. ngữ đầu ra là lượng thay đổi tay ga nhiên liệu cấp Bộ điều khiển mẫu được thiết kế để điều khiển cho động cơ. tay ga cho động cơ Yanmar-4CH tại Bộ môn Động Có khá nhiều dạng hàm điều khiển như hàm lực. Vì vậy, căn cứ vào khả năng chịu tải của bệ, tình chữ Z, chữ S, dạng hình thang, dạng tam giác [1], trạng kỹ thuật hiện tại của động cơ, kết hợp với kết [2], [6] nhưng do yêu cầu của bộ điều khiển cần quả chạy thử nghiệm chúng tôi chọn miền xác định tránh sự tác động điều khiển liên tục gây nguy của các biến như sau: hiểm cho động cơ nên chúng tôi chọn hàm phụ - Biến ngôn ngữ tốc độ n = [1100 ÷ 1800] rpm; thuộc theo hình thang. Với dạng hàm này sẽ có - Biến nhiệt độ ứng với giá trị tốc độ khai thác là những khoảng giá trị của biến mà ở đó độ phụ khoảng t = [260 ÷ 400] (oC). thuộc không đổi bằng 1, dẫn tới tay ga sẽ được giữ - Biến ngôn ngữ cho đầu ra là lượng % thay đổi nguyên vị trí trong những khoảng giá trị xác định vị trí tay ga có giá trị (-20) đến (+10) là lượng thay của biến. Để đảm bảo cho bộ điều khiển làm việc đổi % tay ga quy ước. Hình 2. Miền xác định của biến ngôn ngữ tốc độ quay và nhiệt độ khí xả của động cơ Xây dựng luật hợp thành cho chương trình điều khiển theo bảng dưới: Bảng 1. Luật hợp thành cho chương trình điều khiển BIẾN NGÔN NGỮ NHIỆT ĐỘ Rất thấp Thấp Vừa Cao Rất Cao Rất thấp DN6 DN6 DN4 DN3 DN1 BIẾN NGÔN Thấp DN6 DN5 DN4 DN3 DN1 NGỮ Vừa DN4 DN4 DN4 DN3 DN1 TỐC Cao DN3 DN3 DN2 DN2 DN1 ĐỘ Rất cao DN1 DN1 DN1 DN1 DN1 Với DN1: tay ga giảm nhiều (-20%); DN2: tay ga giảm vừa (-10%); DN3: tay ga giảm ít (-5%); DN4: tay ga không đổi (0%); DN5: tay ga tăng ít (+5%); N6: % tay ga tăng vừa (+10%). 62 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2013 Để xác định chính xác giá trị đầu ra của DN sử dụng luật Max-Min; Sum Min theo mô hình mờ Tagaki - Sugeno để giải mờ. Theo đó, lưu đồ giải thuật chính của chương trình điều khiển sẽ như sau: Hình 3. Lưu đồ giải thuật chính của chương trình điều khiển 3. Thiết kế, chế tạo thiết bị tự động điều khiển tay ga nhiên liệu và thử nghiệm Hình 4. Sơ đồ khối thiết bị điều khiển Sơ đồ hệ thống điều khiển gồm 3 khối chính là Khối đo thông số đầu vào: khối đầu vào, khối xử lý trung tâm và khối đầu ra. - Cảm biến nhiệt độ: có nhiệm vụ chuyển đổi Nhiệm vụ của khối đầu vào bao gồm việc thu thập tín hiệu của nhiệt độ môi trường (nhiệt độ khí xả và các tín hiệu đo lường từ các cảm biến, tín hiệu điều nhiệt độ nước làm mát) thành tín hiệu điệ n đưa tới khiển từ thiết bị giao tiếp và gửi tới bộ xử lý trung ECU. Tùy thuộc vào giá trị điện áp nhận được từ tâm. Bộ xử lý trung tâm sau khi nhận tín hiệu sẽ tiến cảm biến ECU sẽ tính toán chuyển đổi thành giá trị hành phân tích, chuyển đổi, tính toán và xuất các nhiệt độ của đối tượng cần đo. tín hiệu điều khiển cho khối đầu ra. Khối đầu ra bao - Cảm biến tốc độ: có nhiệm vụ báo tín hiệu gồm thiết bị hiển thị và các mạch điều khiển các cơ cho ECU khi động cơ làm việc. Thông thường, các cấu chấp hành. tín hiệu được gửi về dưới dạng xung. ECU sẽ xác TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 63 Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2013 định khoảng thời gian giữa các lần tín hiệu chuyển thành tín hiệu điều khiển đầu ra cho các cơ cấu đến từ cảm biến và tính toán giá trị của tốc độ quay. chấp hành nhằm thỏa mãn các yêu cầu đặt ra của Tốc độ quay của động cơ được tính toán theo công hệ thống điều khiển thức sau: Trên cơ sở các giá trị của nhiệt độ và tốc độ dϕ n =  động cơ, bộ điều khiển trung tâm sẽ thực hiện một dt loạt các tính toán bao gồm: mờ hóa, giải mờ, tính Trong đó: n - tốc độ quay (rad/s) toán trọng số, so sánh với các giá trị cài đặt từ dφ - góc đo được (rad) chương trình... để quyết định vị trí đầu ra của cơ dt - thời gian ứng với góc đo (s). cấu chấp hành điều khiển tay ga động cơ. - Cảm biến tay ga: báo vị trí tay ga của động cơ Khối đầu ra: cho ECU ở chế độ điều khiển bằng tay. Lựa chọn - Hiển thị LCD: cho phép hiển thị các giá trị tức này nhằm tăng tính mềm dẻo cho bộ điều khiển, cho thời của các thông số khi động cơ làm việc như: chế phép người điều khiển thay đổi tay ga động cơ khi độ làm việc, vị trí % tay ga, tốc độ quay n, nhiệt độ bộ điều khiển không làm việc ở chế độ điều khiển khí xả tkx, nhiệt độ nước làm mát tnước. tự động. - Cơ cấu chấp hành: bao gồm mạch điều khiển Bộ xử lý trung tâm -ECU: và động cơ servo. Mạch điều khiển nhận tín hiệu Là bộ não của hệ thống điều khiển tự động. Bộ điều khiển từ ECU, chuyển đổi tín hiệu này thành xử lí trung tâm chứa đựng chương trình điều khiển. công suất điều khiển cho động cơ từ đó thay đổi vị Chương trình này sẽ quy định về cách thức thu thập trí tay ga nhiên liệu của động cơ. các tín hiệu đầu vào, xử lí, tính toán và chuyển đổi Bộ điều khiển sau khi chế tạo: Hình 5. Bộ điều khiển sau khi chế tạo Sau khi chế tạo các board mạch, nạp chương trình thử nghiệm được thực hiện theo trình tự như trình cho vi điều khiển, lắp ráp hoàn chỉnh bộ điều sau: thay đổi lượng nước cấp vào phanh tăng dần, khiển, chúng tôi tiến hành lắp đặt các cảm biến, theo dõi tình trạng làm việc của động cơ, quan sát kết nối cơ cấu chấp hành với tay ga động cơ và ghi lại các số liệu; tiếp tục thực hiện tương tự, Yanmar-4CH, đấu nối hộp điều khiển và tiến hành tăng lượng nước cấp cho đến khi động cơ xuất hiện khảo nghiệm động cơ. hiện tượng quá tải thì giảm dần lượng nước cấp; Khảo sát chức năng điều khiển tay ga động kiểm tra số liệu và hiệu chỉnh giải thuật. Sau nhiều cơ tự động của bộ điều khiển bằng cách thay đổi lần thử nghiệm và hiệu chỉnh, kết quả khảo nghiệm phụ tải đầu vào cấp cho động cơ Yanmar-4CH. Quá hoàn chỉnh đo được trong bảng dưới. 64 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2013 Bảng 2 Kết quả khảo nghiệm bộ điều khiển tay ga trên động cơ Yanmar 4CH Giá trị tải đầu vào Giá trị điều khiển Thông số điều khiển Me PWM điều Tay ga động cơ n tkx (ft - lb) khiển Servo (%) (v/ph) (0C) 5,86 4,42 775 43,21 1440 160 14,65 11,05 780 43,95 1440 182 21,70 16,48 781 44,09 1450 200 26,41 19,89 795 46,14 1438 250 43,58 31,95 751 39,70 1400 345 41,75 27,96 711 33,84 1279 338 39,00 29 808 48,05 1420 320 36,12 27,23 806 47,75 1440 310 30,04 22,02 805 47,61 1400 270 25,21 19,4 790 45,41 1470 230 4. Thảo luận thường khi không có sự can thiệp của bộ tự động Bộ điều khiển đã đáp ứng được yêu cầu đặt ra điều khiển tay ga tự động. ban đầu, quá trình thử nghiệm thực tế cho thấy: Động cơ làm việc ổn định theo đúng vị trí của IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ cảm biến tay ga nhiên liệu trong chế độ làm việc Kết quả thử nghiệm thực tế trên động cơ điều khiển bằng tay (Manual). Yanmar - 4CH cho thấy sự làm việc đúng đắn của Quá trình chuyển đổi từ chế độ làm việc điều giải thuật điều khiển. Quá trình làm việc của bộ điều khiển bằng tay sang chế độ tự động cho thấy sự khiển cho thấy khả năng ứng dụng kĩ thuật điều khiển đáp ứng tốt của bộ điều khiển. Sự thay đổi tay ga mờ trong điều khiển động cơ. Bộ điều khiển sử dụng nhiên liệu là phù hợp không gây ra gia tốc lớn; động các thông số điều khiển đơn giản, có giá thành không quá cao phần nào đáp ứng được yêu cầu về vận cơ tăng ga đều, nhẹ không rú ga và làm việc rất ổn hành an toàn cho các động cơ diesel cỡ nhỏ. định trong miền tham số đã chọn. Tuy nhiên, để có thể đưa bộ điều khiển vào ứng Khi thay đổi tải (thay đổi mức nước cấp vào dụng trong thực tế, tôi xin đề xuất một số ý kiến như sau: phanh thủy lực Dynomite), bộ điều khiển phản ứng Bộ điều khiển cần được lắp đặt thử nghiệm cho thay đổi vị trí tay ga đảm bảo giữ giá trị tốc độ vòng động cơ diesel chính trên các tàu thủy cỡ nhỏ. quay n và nhiệt độ khí xả t ở vùng giá trị mong muốn. kx Cần tích hợp thêm cảm biến áp lực dầu bôi trơn Trường hợp non tải, nhiệt độ khí xả nhỏ có giá trị nhỏ để thêm chức năng cảnh báo khi những thông số hơn hoặc nằm trong vùng làm việc mong muốn, bộ này không đảm bảo an toàn. điều khiển đảm bảo động cơ làm việc trong vùng tốc Khi đưa vào sử dụng thực tế trên những động cơ độ đã chọn; Trường hợp quá tải (nhiệt độ khí xả lớn tàu thủy cỡ nhỏ, cần tìm hiểu rõ trạng thái kỹ thuật, hơn vùng đã chọn) tay ga động cơ lập tức điều chỉnh đặc điểm động cơ và chạy thực nghiệm để cài đặt giảm lượng nhiên liệu đảm bảo động cơ làm việc với giá trị miền làm việc mong muốn một cách chính xác. nhiệt độ khí thải nằm trong vùng đã chọn. Cần nghiên cứu xây dựng mối quan hệ giữa Thử nghiệm cắt tải đột ngột cho thấy tay ga nhiệt độ khí thải và suất tiêu hao nhiên liệu có ích. giảm nhiên liệu tức thì không xuất hiện tiếng rú Trên cơ sở đó xây dựng vùng làm việc phát huy ở động cơ như trong trường hợp làm việc thông được hiệu quả và tính kinh tế của động cơ. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Nguyễn Thị Phương Hà, 2005. Lý thuyết điều khiển hiện đại. Đại học Quốc gia, Thành phố Hồ Chí Minh. 2. Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước, 2004. Lý thuyết điều khiển mờ. NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội. 3. Lương Công Nhớ, Đặng Văn Tuấn, 2004. Khai thác hệ động lực tàu thủy. Đại học Hàng hải, Thành phố Hồ Chí Minh. 4. Iu.Ia.PHÔMIN, Trần Hữu Nghị, 1990. Xác định công suất Diesel tàu thủy và đặc tính của nó. NXB Giao thông vận tải, Thành phố Hồ Chí Minh. Tiếng Anh 5. 6. TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 65