Đoàn Phước Thọ

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2013

60 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN MỜ TRONG TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂNĐỘNG 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 TẮTBài 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

ABSTRACTThis 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.

1 Đoàn Phước Thọ: Khoa Kỹ thuật giao thông - Trường Đại học Nha Trang

THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC

I. ĐẶT VẤN ĐỀNhững năm gần đây, việc ứng dụng mạnh mẽ

công nghệ cao trong việc xây dựng các hệ thống điều khiển tự động trang bị cho các thiết bị và các hệ thống trên tàu có ý nghĩa đặc biệt trong việc nâng cao chất lượng làm việc, độ an toàn, tin cậy và tính kinh tế của con tàu.

Trong thực tế nước ta hiện nay, hầu hết các động cơ chính trang bị trên các tàu thủy cỡ nhỏ là các động cơ ngoại nhập, với nhiều chủng loại và thường đã qua sử dụng, các dụng cụ đo lường, kiểm tra trên động cơ không còn đủ, tài liệu hướng dẫn kỹ thuật đi kèm rất ít nên không cho phép người sử dụng có đầy đủ cơ sở để khai thác thiết bị động lực hiệu quả nhất để đảm bảo tin cậy cho tàu đi biển. Mặt khác, đối tượng sử dụng thường là các ngư dân không được trang bị đầy đủ kiến thức về vận hành máy tàu nên có xu hướng sử dụng không hợp lí làm tăng giá thành khai thác, giảm tuổi thọ động cơ. Trong một số trường hợp còn gây hỏng

hóc ngay trong quá trình sử dụng, điều này đặc biệt nguy hiểm khi tàu đang khai thác xa bờ. Vì vậy, việc nghiên cứu công nghệ và thiết bị để tự động điều chỉnh quá trình làm việc hợp lí cho các động cơ trên là hết sức cần thiết trong bối cảnh hiện nay.

Điều khiển mờ là một trong những kỹ thuật điều khiển hiện đại ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong lĩnh vực điều khiển. Với kỹ thuật mô phỏng trên phương thức xử lý thông tin và điều khiển của con người nên còn được gọi là điều khiển “thông minh”. Khác hẳn với kỹ thuật điều khiển kinh điển là hoàn toàn dựa vào sự chính xác tuyệt đối của thông tin mà trong nhiều ứng dụng không cần thiết hoặc không thể có được, điều khiển mờ chỉ cần xử lý những thông tin “không chính xác” hay không đầy đủ mà vẫn có thể đưa ra những quyết định chính xác.

Kỹ thuật điều khiển này đáp ứng được yêu cầu điều khiển cho các động cơ diesel tàu thủy có quá trình làm việc với tính chất của phụ tải liên tục biến động (do sự thay đổi hướng gió, dòng chảy, sự thay


TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 61

đổi của chiều chìm, trạng thái vỏ tàu, trạng thái kỹ thuật của động cơ…) kéo theo sự thay đổi liên tục của các thông số vận hành. Sự thay đổi của các thông số này luôn “không đầy đủ”, “không chính xác” và “không chắc chắn” nên rất khó sử dụng kỹ thuật kinh điển để điều khiển. Vì vậy, điều khiển mờ được lựa chọn để xây dựng giải thuật điều khiển cho bộ điều khiển tay ga tự động.

II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨUQuá trình thực nghiệm được tiến hành trên

động cơ Yanmar-4CH có tại Phòng Thực hành Bộ môn Động lực, Khoa Kỹ thuật Giao thông, Trường Đại học Nha Trang. Động cơ Yanmar-4CH là một trong những động cơ thủy được sử dụng nhiều trên các tàu cá, tàu giao thông thủy cỡ nhỏ, có các thông số kỹ thuật phù hợp, đại diện cho đối tượng nghiên cứu. Thiết bị tạo tải được sử dụng là phanh thủy lực Dynomite 13 Dual - rotor của hãng LAND & SEA.

Phương pháp nghiên cứu được lựa chọn kết hợp giữa lí thuyết với thực nghiệm. Thông qua khảo sát, tổng hợp các kết quả nghiên cứu, các ứng dụng có trước để xác định mối liên hệ giữa các thông số vận hành, chế độ làm việc của động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ và yêu cầu về vận hành hợp lí của động cơ. Trên cơ sở đó phân tích và lựa chọn các thông số vận hành, thỏa mãn yêu cầu về vận hành hợp lí, làm thông số điều khiển. Dựa vào thực nghiệm để kiểm chứng mối quan hệ này từ đó xây dựng giải thuật điều khiển mờ. Giải thuật điều khiển được chấp nhận trên cơ sở thử nghiệm sự làm việc của bộ điều khiển và hiệu chỉnh nhiều lần cho đến khi bộ điều khiển làm việc thỏa mãn được yêu cầu điều khiển đặt ra đối với đối tượng nghiên cứu.

III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

1. Lựa chọn thông số điều khiểnCơ sở để xây dựng bộ điều khiển tay ga tự

động là điều khiển lượng nhiên liệu chu trình sao cho công suất động cơ phát ra phù hợp với công suất của tải, đáp ứng được hành trình của tàu. Đồng thời, phải đảm bảo cho quá trình làm việc tin cậy của động cơ, loại trừ khả năng làm việc quá tải cho động cơ. Quá trình làm việc của động cơ được xem xét dựa trên 3 chỉ tiêu cơ bản: chỉ tiêu kinh tế - năng lượng, ứng suất cơ và ứng suất nhiệt. [3], [4]

Đặc trưng cho chỉ tiêu năng lượng của động cơ có các thông số: áp suất Pe, công suất động cơ Ne, momen động cơ Me.

Đặc trưng cho tải trọng cơ học có các thông số: áp suất khí cháy lớn nhất pz, tỉ số tăng áp suất Pz/Pc, tốc độ tăng áp suất Dp/Dj.

Đặc trưng cho tải trọng nhiệt có: nhiệt độ nước làm mát tmat, nhiệt độ khí xả tkx, áp suất chỉ thị pi và vị trí tay ga nhiên liệu

Lựa chọn thông số điều khiển cho bộ điều khiển tự động cần thỏa mãn yêu cầu về tính khả thi của phương án. Tốt nhất cho điều khiển tự động là giám sát được toàn bộ các thông số đã nêu ở trên. Tuy nhiên, đối với các động cơ thủy cỡ nhỏ việc trang bị các cảm biến áp suất sẽ làm tăng giá thành do các cảm biến này có giá rất cao. Hơn nữa, để lắp đặt các cảm biến này ta cần can thiệp sâu vào động cơ đó là khoan lỗ ở các xy lanh tại các buồng cháy. Như vậy, phương án này là không khả thi đối với đối tượng nghiên cứu.

Trong các thông số nêu trên, nhằm kiểm tra tình trạng làm việc của động cơ việc sử dụng các thông số số vòng quay và nhiệt độ khí xả là đơn giản hơn cả (giá thành thiết bị thấp, cách thức tiến hành đơn giản không cần can thiệp sâu vào động cơ). So với nhiệt độ khí xả, nhiệt độ nước làm mát có quán tính chậm, không phản ánh kịp thời tình trạng làm việc của động cơ, nên không được lựa chọn làm thông số điều khiển.

Thông số tốc độ vòng quay của động cơ sẽ quyết định đến tốc độ hành trình của con tàu, tốc độ vòng quay thấp sẽ không đảm bảo được hành trình cho trước. Ngược lại nếu số vòng quay vượt quá số vòng quay cho phép sẽ làm tăng công suất, tăng tải trọng quán tính gây nguy hiểm cho động cơ và chính con tàu.

Nhiệt độ khí xả không những là thông số phản ảnh ứng suất nhiệt của động cơ mà ở một mức độ nhất định nó còn phản ánh tình trạng phát công suất của động cơ. Trước đây trên các động cơ cỡ lớn để giám sát sự cân bằng công suất ở các xylanh của động cơ người ta dùng các đồng hồ nhiệt độ đặt tại các cửa xả của động cơ. Thậm chí, ở một số động cơ người ta còn dùng nhiệt độ khí xả để xác định công suất động cơ khi tình trạng kỹ thuật của động cơ còn tốt [4]. Thực nghiệm trên động cơ Yanmar-4CH tại phòng thực hành động cơ đốt trong thuộc Bộ môn Động lực đã chứng thực mối quan hệ này. Vì vậy, chúng tôi lựa chọn 2 thông số này làm thông số điều khiển cho bộ điều khiển tay ga tự động.

2. Xây dựng giải thuật điều khiểnThiết kế hệ mờ được bắt đầu bằng việc xác

định các biến ngôn ngữ dùng trong hệ thống. Các biến này được xem như là nền tảng cho các luật hoạt động. Kế đến là thiết kế cấu trúc của hệ, mang thông tin về dòng điều khiển bên trong hệ, như là tập mờ nào kết hợp với tập mờ nào, đưa ra tập mờ nào,… Thiết kế hệ luật được xem như là phần thiết



Theo sơ đồ trên, hai biến ngôn ngữ đầu vào là tốc độ động cơ và nhiệt độ khí thải còn biến ngôn ngữ đầu ra là lượng thay đổi tay ga nhiên liệu cấp cho động cơ.

Có khá nhiều dạng hàm điều khiển như hàm chữ Z, chữ S, dạng hình thang, dạng tam giác [1], [2], [6] nhưng do yêu cầu của bộ điều khiển cần tránh sự tác động điều khiển liên tục gây nguy hiểm cho động cơ nên chúng tôi chọn hàm phụ thuộc theo hình thang. Với dạng hàm này sẽ có những khoảng giá trị của biến mà ở đó độ phụ thuộc không đổi bằng 1, dẫn tới tay ga sẽ được giữ nguyên vị trí trong những khoảng giá trị xác định của biến. Để đảm bảo cho bộ điều khiển làm việc

linh hoạt chọn số giá trị của biến ngôn ngữ đầu vào là 5 và đầu ra là 6.

Bộ điều khiển mẫu được thiết kế để điều khiển tay ga cho động cơ Yanmar-4CH tại Bộ môn Động lực. Vì vậy, căn cứ vào khả năng chịu tải của bệ, tình trạng kỹ thuật hiện tại của động cơ, kết hợp với kết quả chạy thử nghiệm chúng tôi chọn miền xác định của các biến như sau:

- Biến ngôn ngữ tốc độ n = [1100 ÷ 1800] rpm;- Biến nhiệt độ ứng với giá trị tốc độ khai thác là

khoảng t = [260 ÷ 400] (oC).- Biến ngôn ngữ cho đầu ra là lượng % thay đổi

vị trí tay ga có giá trị (-20) đến (+10) là lượng thay đổi % tay ga quy ước.

Hình 1. Cấu trúc chương trình điều khiển mờ

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 ĐỘRất thấp Thấp Vừa Cao Rất Cao

BIẾNNGÔNNGỮTỐC ĐỘ

Rất thấp DN6 DN6 DN4 DN3 DN1Thấp DN6 DN5 DN4 DN3 DN1Vừa DN4 DN4 DN4 DN3 DN1Cao DN3 DN3 DN2 DN2 DN1

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%).

kế chính yếu, thể hiện tri thức của con người về đối tượng đang điều khiển. Cuối cùng là lựa chọn phương pháp giải mờ thích hợp. [1], [2], [5], [6]

Bộ điều khiển làm việc dựa trên hai thông số điều khiển đầu vào là tốc độ động cơ và nhiệt độ

khí thải. Trên cơ sở sự thay đổi của hai thông số này, bộ điều khiển sẽ quyết định thay đổi vị trí tay ga để điều chỉnh lượng nhiên liệu phù hợp cấp cho động cơ. Cấu trúc của chương trình điều khiển như sau:



Sơ đồ hệ thống điều khiển gồm 3 khối chính là khối đầu vào, khối xử lý trung tâm và khối đầu ra. Nhiệm vụ của khối đầu vào bao gồm việc thu thập các tín hiệu đo lường từ các cảm biến, tín hiệu điều khiển từ thiết bị giao tiếp và gửi tới bộ xử lý trung tâm. Bộ xử lý trung tâm sau khi nhận tín hiệu sẽ tiến hành phân tích, chuyển đổi, tính toán và xuất các tín hiệu điều khiển cho khối đầu ra. Khối đầu ra bao gồm thiết bị hiển thị và các mạch điều khiển các cơ cấu chấp hành.

Khối đo thông số đầu vào:- Cảm biến nhiệt độ: có nhiệm vụ chuyển đổi

tín hiệu của nhiệt độ môi trường (nhiệt độ khí xả và nhiệt độ nước làm mát) thành tín hiệu điệ n đưa tới ECU. Tùy thuộc vào giá trị điện áp nhận được từ cảm biến ECU sẽ tính toán chuyển đổi thành giá trị nhiệt độ của đối tượng cần đo.

- Cảm biến tốc độ: có nhiệm vụ báo tín hiệu cho ECU khi động cơ làm việc. Thông thường, các tín hiệu được gửi về dưới dạng xung. ECU sẽ xác

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

Để xác định chính xác giá trị đầu ra của DN sử dụng luật Max-Min; Sum Min theo mô hình mờTagaki - Sugeno để giải mờ. Theo đó, lưu đồ giải thuật chính của chương trình điều khiển sẽ như sau:

Hình 4. Sơ đồ khối thiết bị điều khiển



định khoảng thời gian giữa các lần tín hiệu chuyển đến từ cảm biến và tính toán giá trị của tốc độ quay. Tốc độ quay của động cơ được tính toán theo công thức sau:

dϕn =

dtTrong đó: n - tốc độ quay (rad/s) dφ - góc đo được (rad) dt - thời gian ứng với góc đo (s).- Cảm biến tay ga: báo vị trí tay ga của động cơ

cho ECU ở chế độ điều khiển bằng tay. Lựa chọn này nhằm tăng tính mềm dẻo cho bộ điều khiển, cho phép người điều khiển thay đổi tay ga động cơ khi bộ điều khiển không làm việc ở chế độ điều khiển tự động.

Bộ xử lý trung tâm -ECU: Là bộ não của hệ thống điều khiển tự động. Bộ

xử lí trung tâm chứa đựng chương trình điều khiển. Chương trình này sẽ quy định về cách thức thu thập các tín hiệu đầu vào, xử lí, tính toán và chuyển đổi

thành tín hiệu điều khiển đầu ra cho các cơ cấu chấp hành nhằm thỏa mãn các yêu cầu đặt ra của hệ thống điều khiển

Trên cơ sở các giá trị của nhiệt độ và tốc độ động cơ, bộ điều khiển trung tâm sẽ thực hiện một loạt các tính toán bao gồm: mờ hóa, giải mờ, tính toán trọng số, so sánh với các giá trị cài đặt từ chương trình... để quyết định vị trí đầu ra của cơ cấu chấp hành điều khiển tay ga động cơ.

Khối đầu ra:- Hiển thị LCD: cho phép hiển thị các giá trị tức

thời của các thông số khi động cơ làm việc như: chế độ làm việc, vị trí % tay ga, tốc độ quay n, nhiệt độ khí xả tkx, nhiệt độ nước làm mát tnước.

- Cơ cấu chấp hành: bao gồm mạch điều khiển và động cơ servo. Mạch điều khiển nhận tín hiệu điều khiển từ ECU, chuyển đổi tín hiệu này thành công suất điều khiển cho động cơ từ đó thay đổi vị trí tay ga nhiên liệu của động cơ.

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 cho vi điều khiển, lắp ráp hoàn chỉnh bộ điều khiển, chúng tôi tiến hành lắp đặt các cảm biến, kết nối cơ cấu chấp hành với tay ga động cơYanmar-4CH, đấu nối hộp điều khiển và tiến hành khảo nghiệm động cơ.

Khảo sát chức năng điều khiển tay ga động cơ tự động của bộ điều khiển bằng cách thay đổi phụ tải đầu vào cấp cho động cơ Yanmar-4CH. Quá

trình thử nghiệm được thực hiện theo trình tự như sau: thay đổi lượng nước cấp vào phanh tăng dần, theo dõi tình trạng làm việc của động cơ, quan sát và ghi lại các số liệu; tiếp tục thực hiện tương tự, tăng lượng nước cấp cho đến khi động cơ xuất hiện hiện tượng quá tải thì giảm dần lượng nước cấp; kiểm tra số liệu và hiệu chỉnh giải thuật. Sau nhiều lần thử nghiệm và hiệu chỉnh, kết quả khảo nghiệm hoàn chỉnh đo được trong bảng dưới.



4. Thảo luậnBộ điều khiển đã đáp ứng được yêu cầu đặt ra

ban đầu, quá trình thử nghiệm thực tế cho thấy:Động cơ làm việc ổn định theo đúng vị trí của

cảm biến tay ga nhiên liệu trong chế độ làm việc điều khiển bằng tay (Manual).

Quá trình chuyển đổi từ chế độ làm việc điều khiển bằng tay sang chế độ tự động cho thấy sự đáp ứng tốt của bộ điều khiển. Sự thay đổi tay ga nhiên liệu là phù hợp không gây ra gia tốc lớn; động cơ tăng ga đều, nhẹ không rú ga và làm việc rất ổn định trong miền tham số đã chọn.

Khi thay đổi tải (thay đổi mức nước cấp vào phanh thủy lực Dynomite), bộ điều khiển phản ứng thay đổi vị trí tay ga đảm bảo giữ giá trị tốc độ vòng quay n và nhiệt độ khí xả tkx ở vùng giá trị mong muốn. Trường hợp non tải, nhiệt độ khí xả nhỏ có giá trị nhỏ hơn hoặc nằm trong vùng làm việc mong muốn, bộ điều khiển đảm bảo động cơ làm việc trong vùng tốc độ đã chọn; Trường hợp quá tải (nhiệt độ khí xả lớn hơn vùng đã chọn) tay ga động cơ lập tức điều chỉnh giảm lượng nhiên liệu đảm bảo động cơ làm việc với nhiệt độ khí thải nằm trong vùng đã chọn.

Thử nghiệm cắt tải đột ngột cho thấy tay ga giảm nhiên liệu tức thì không xuất hiện tiếng rú ở động cơ như trong trường hợp làm việc thông

thường khi không có sự can thiệp của bộ tự động điều khiển tay ga tự động.

IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊKết quả thử nghiệm thực tế trên động cơ

Yanmar - 4CH cho thấy sự làm việc đúng đắn của giải thuật điều khiển. Quá trình làm việc của bộ điều khiển cho thấy khả năng ứng dụng kĩ thuật điều khiển mờ trong điều khiển động cơ. Bộ điều khiển sử dụng các thông số điều khiển đơn giản, có giá thành không quá cao phần nào đáp ứng được yêu cầu về vận hành an toàn cho các động cơ diesel cỡ nhỏ.

Tuy nhiên, để có thể đưa bộ điều khiển vào ứng dụng trong thực tế, tôi xin đề xuất một số ý kiến như sau:

Bộ điều khiển cần được lắp đặt thử nghiệm cho động cơ diesel chính trên các tàu thủy cỡ nhỏ.

Cần tích hợp thêm cảm biến áp lực dầu bôi trơn để thêm chức năng cảnh báo khi những thông số này không đảm bảo an toàn.

Khi đưa vào sử dụng thực tế trên những động cơ tàu thủy cỡ nhỏ, cần tìm hiểu rõ trạng thái kỹ thuật, đặc điểm động cơ và chạy thực nghiệm để cài đặt giá trị miền làm việc mong muốn một cách chính xác.

Cần nghiên cứu xây dựng mối quan hệ giữa nhiệt độ khí thải và suất tiêu hao nhiên liệu có ích. Trên cơ sở đó xây dựng vùng làm việc phát huy được hiệu quả và tính kinh tế của động cơ.

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(ft - lb)

PWM điều khiển Servo

Tay ga động cơ(%)

n (v/ph)

tkx (0C)

5,86 4,42 775 43,21 1440 16014,65 11,05 780 43,95 1440 18221,70 16,48 781 44,09 1450 20026,41 19,89 795 46,14 1438 25043,58 31,95 751 39,70 1400 34541,75 27,96 711 33,84 1279 33839,00 29 808 48,05 1420 32036,12 27,23 806 47,75 1440 31030,04 22,02 805 47,61 1400 27025,21 19,4 790 45,41 1470 230

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt1. 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 Anh5. http://www.intelligent-systems.info/classes/ee509/11.pdf6. http://www.scribd.com/doc/22059507/Fuzzy-control

Đoàn Phước Thọ

Documents

Transcript of Đoàn Phước Thọ