Luận án Phân tích thủy động lực học và thiết kế hệ thống điều khiển theo công nghệ hướng đối tượng cho phương tiện tự hành dưới nước

Luận án Phân tích thủy động lực học và thiết kế hệ thống điều khiển theo công nghệ hướng đối tượng cho phương tiện tự hành dưới nước trang 1

Trang 1

Luận án Phân tích thủy động lực học và thiết kế hệ thống điều khiển theo công nghệ hướng đối tượng cho phương tiện tự hành dưới nước trang 2

Trang 2

Luận án Phân tích thủy động lực học và thiết kế hệ thống điều khiển theo công nghệ hướng đối tượng cho phương tiện tự hành dưới nước trang 3

Trang 3

Luận án Phân tích thủy động lực học và thiết kế hệ thống điều khiển theo công nghệ hướng đối tượng cho phương tiện tự hành dưới nước trang 4

Trang 4

Luận án Phân tích thủy động lực học và thiết kế hệ thống điều khiển theo công nghệ hướng đối tượng cho phương tiện tự hành dưới nước trang 5

Trang 5

Luận án Phân tích thủy động lực học và thiết kế hệ thống điều khiển theo công nghệ hướng đối tượng cho phương tiện tự hành dưới nước trang 6

Trang 6

Luận án Phân tích thủy động lực học và thiết kế hệ thống điều khiển theo công nghệ hướng đối tượng cho phương tiện tự hành dưới nước trang 7

Trang 7

Luận án Phân tích thủy động lực học và thiết kế hệ thống điều khiển theo công nghệ hướng đối tượng cho phương tiện tự hành dưới nước trang 8

Trang 8

Luận án Phân tích thủy động lực học và thiết kế hệ thống điều khiển theo công nghệ hướng đối tượng cho phương tiện tự hành dưới nước trang 9

Trang 9

Luận án Phân tích thủy động lực học và thiết kế hệ thống điều khiển theo công nghệ hướng đối tượng cho phương tiện tự hành dưới nước trang 10

Trang 10

Tải về để xem bản đầy đủ

pdf 141 trang nguyenduy 25/02/2024 411
Bạn đang xem 10 trang mẫu của tài liệu "Luận án Phân tích thủy động lực học và thiết kế hệ thống điều khiển theo công nghệ hướng đối tượng cho phương tiện tự hành dưới nước", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.

Tóm tắt nội dung tài liệu: Luận án Phân tích thủy động lực học và thiết kế hệ thống điều khiển theo công nghệ hướng đối tượng cho phương tiện tự hành dưới nước

Luận án Phân tích thủy động lực học và thiết kế hệ thống điều khiển theo công nghệ hướng đối tượng cho phương tiện tự hành dưới nước
n nghiên 
cứu và thử nghiệm, tiết kiệm được chi phí đầu tư mà còn có thể nghiên cứu sâu 
hơn bản chất hiện tượng tính toán mô phỏng ở những điều kiện mà thực nghiệm 
gặp khó khăn hoặc không thể tiến hành được. 
2.1.2.1. Ưu điểm của CFD 
 CFD cho phép tiết kiệm thời gian và chi phí nghiên cứu đưa ra sản phẩm 
mới. Khi chưa có các công cụ hỗ trợ của máy tính, các sản phẩm mới thường phải 
qua rất nhiều lần làm thử nghiệm, hiệu chỉnh để có thể tối ưu sản phẩm. Mỗi lần 
49 
thử nghiệm là phải đầu tư thời gian và tiền bạc. Làm việc trong môi trường mô 
phỏng có thể đánh giá được thiết kế để đưa ra hiệu chỉnh trước khi làm thực 
nghiệm. Mô phỏng được những điều kiện thực, điều kiện ảo, điều kiện lý tưởng. 
Trong những điều kiện làm việc đặc biệt, ví dụ: siêu thanh, không trọng lực, nhiệt 
độ lớn, v.v, không phải lúc nào con người cũng có thể tạo ra, đo đạc và giám sát 
được. Khi tiến hành thực nghiệm, do hạn chế về công nghệ, chi phí nên mỗi lần 
tiến hành ta chỉ xác định được một số dạng thông số, tại những điểm nhất định; 
trong khi đó, CFD cho phép ta xác định toàn bộ trường kết quả tại tất cả những 
điểm trong vùng khảo sát và tại tất cả thời điểm khảo sát. 
2.1.2.2. Hạn chế của CFD 
Về mô hình vật lý: CFD giải quyết bài toán trên cơ sở mô hình vật lý được 
tạo lập, mỗi dạng bài toán chỉ phù hợp với mô hình vật lý của nó. Việc chọn sai mô 
hình vật lý có thể dẫn đến sai lệch về kết quả. 
Về sai số: Sai số do mô hình toán, sai số bởi năng lực tính toán của máy, sai 
số khi xây dựng và chọn bài toán. Từ đó nên chọn mô hình toán và xây dựng mô 
hình phù hợp để giảm sai số. 
Về điều kiện biên: Điều kiện biên chọn khi tính toán rất quan trọng, quyết 
định kết quả tính toán chính xác hay không. 
2.2. CÔNG CỤ HỖ TRỢ VÀ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TRONG MÔ HÌNH 
HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC AUV 
2.2.1. Công cụ hỗ trợ tính toán 
Ansys [8] hiện nay là một phần mềm rất mạnh và được dùng rộng rãi trong 
lĩnh vực mô phỏng số. Ansys cung cấp các khả năng tính toán mô phỏng với rất 
nhiều dạng mô hình từ mô hình vật rắn, thể lỏng, khí hay hóa học, điện từ trường, 
v.v Ngoài ra, Ansys Fluent [9] là một phần trong gói phần mềm Ansys về động 
50 
lực học dòng chất lưu; nó có thể được sử dụng mô phỏng dòng chảy chất lỏng, 
nhiệt với dạng hình học phức tạp. Để tiến hành tính toán mô phỏng trong Ansys 
Fluent cần phải trải qua các bước cơ bản mô tả ngắn gọn trên Hình 2.1. 
Hình 2.1. Sơ đồ tính toán trong Ansys Fluent [9] 
Trước tiên trong mô phỏng cần có mô hình, Ansys cung cấp phần mềm 
DesignModeler để người dùng có thể xây dựng các mô hình dạng hình học của mô 
hình nghiên cứu. DesignModeler có đầy đủ các công cụ vẽ đồ họa để có thể xây 
dựng được các mô hình từ đơn giản tới phức tạp. Người dùng cũng có thể sử dụng 
bất cứ phần mềm đồ họa kĩ thuật nào để xây dựng mô hình để đưa vào mô phỏng. 
Các phần mềm hỗ trợ trực tiếp như: ACIS, CATIA v5, IGES, Parasoild, Pro-
ENGINEER, Solid Edge, SolidWorks và STEP. 
Mô hình dạng hình học xây dựng được sẽ được chuyển sang bước lưới hóa 
trong phần MESHING. Nó cung cấp khả năng linh hoạt trong việc chia lưới cho 
mô hình hoànchỉnh, bao gồm cả khả năng sử dụng lưới phi cấu trúccó thể tạo được 
lưới cho các mô hình hình học phức tạp tương đối dễ dàng. Các loại lưới hỗ trợ bao 
• DesignModeler
• Xây dựng mô 
hình
• Có thể sử dụng 
các phần mềm 
đồ họa kỹ thuật 
khác như 
Solidworks
MÔ HÌNH DẠNG 
HÌNH HỌC
• MESHING
• Chia lưới
• Định nghĩa 
các đường, 
mặt và khối 
của mô hình
MÔ HÌNH ĐÃ 
LƯỚI HÓA
• Ansys Fluent
• Khai báo đặt 
điều kiện biên 
để tính toán
• Tiến hành các 
công việc tiền 
xử lý số liệu
• Tính toán
KẾT QUẢ
51 
gồm 2D: hình tam giác, tứ giác; 3D: tứ diện, lục diện, kim tự tháp, nêm, đa diện và 
hỗn hợp [9]. 
Sau khi chia lưới mô hình được đưa vào khai báo và tính toán xử lý trong 
Fluent. Ansys Fluent cung cấp môi trường làm việc rất trực quan giúp người dùng 
có thể thao tác một cách thuận tiện đặt điều kiện biên, kết xuất và xử lí số liệu một 
cách dễ dàng. 
2.2.2. Căn bản lý thuyết tính toán được sử dụng trong công cụ hỗ trợ 
Fluent sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn [66] để giải các phương trình 
mô tả đặc tính cho các bài toán khác nhau, trong phạm vi bài toán mô phỏng dòng 
chảy thì phương trình cơ bản chính là phương trình liên tục: 
( ) 0=+
∂
∂ Vdiv
t
ρρ
 (2.1)
Với chất lỏng không nén được, ta có các phương trình Navier-Stokes và 
phương trình năng lượng: 
VgradpF
dt
Vd 
∆+−= ν
ρ
1
 (2.2)
( ) ( )( ) ( ) h
j
effjjeff SVtJhTkdivpEVdivEt
+





+−∇=++
∂
∂ ∑
ρρ
 (2.3)
Ở đây: 
 ρ: khối lượng riêng, 
 V
: vectơ vận tốc, 
 ν: hệ số nhớt động học, 
 F
: lực khối đơn vị, 
 p: áp suất, 
 E: nhiệt dung riêng của chất lỏng, 
52 
 Keff: hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng, 
 jJ
: thông lượng khuyếch tán, 
 Sh: bao hàm nhiệt của phản ứng hoá học và các nguồn nhiệt khác. 
Mô hình k-ε [50] mô hình bán thực nghiệm cho nên có nhiều hằng số được 
định nghĩa trước đòi hỏi người sử dụng phải hiểu rõ bài toán. Mô hình này áp dụng 
việc giải độc lập hai phương trình chuyển động với năng lượng động học rối (k) và 
tỉ lệ khuyếch tán của nó (ε): 
( ) ( ) kMbk
jk
t
j
i
i
SYGG
x
k
x
ku
x
k
t
+−−++








∂
∂






+
∂
∂
=
∂
∂
+
∂
∂ ρε
σ
µµρρ
 (2.4)
( ) ( ) ( ) εεεε
ερεε
σ
µµρερε S
k
CGCG
k
C
xx
u
xt bkjk
t
j
i
i
+−++








∂
∂






+
∂
∂
=
∂
∂
+
∂
∂ 2
231
 (2.5)
Trong đó: 
µt: độ nhớt rối, 
Gk: sự phát sinh năng lượng động học rối do gradien vận tốc trung bình, 
Gb: sự phát sinh năng lượng động học do sức nổi, 
YM: thể hiện sự dãn nở biến đổi trong dòng chảy rối nén được, 
C1ε, C2εlà các hằng số (C1ε=1,44; C2ε=1,92), 
C3ε: thể hiện mức độ chịu ảnh hưởng của ε vào sức nổi, 
σk; σε là số Prandtl rối của k và ε (σk=1; σε=1,3), 
Sk; Sε: là đại lượng do người dùng định nghĩa. 
 Luận án sử dụng hai giả thiết quan trọng là: 
 - Dòng chảy rối hoàn toàn, 
 - Bỏ qua ảnh hưởng của độ nhớt phân tử. 
53 
Các bước tiến hành giải các phương trình này là: 
- Sử dụng lưới chia mô hình thành các thể tích hữu hạn, rời rạc; 
- Tích phân các phương trình theo từng thể tích hữu hạn để xây dựng 
các phương trình đại số cho các biến độc lập như vận tốc, áp suất, nhiệt độ cũng 
như các đại lượng vô hướng khác; 
- Tuyến tính hoá các phương trình rời rạc và giải các hệ phương trình 
tuyến tính. 
2.3. QUI TRÌNH MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC AUV 
 Để mô hình hóa và mô phỏng động lực học tàu ta sử dụng gói FluidFlow 
(Fluent) trong môi trường Workbench của Ansys và phần mềm hỗ trợ xây dựng mô 
hình là Solidworks. 
 Trình tự tính toán tổng quan như trên Hình 2.2 dưới đây. 
Hình 2.2. Trình tự mô phỏng động lực học trong FluidFlow (Fluent) [9] 
 Bước1-2 (Geometry): Xây dựng mô hình trên Solidworks sau đó đưa vào 
Workbench thực hiện mô phỏng. 
Bước 3 (Meshing): Chia lưới. 
Bước 4 (Setup): Chọn mô hình toán khai báo điều kiện biên trong Fluent. 
Bước 5 (Solution): Tính toán trong Fluent. 
Bước 6 (Results): Kết xuất kết quả trong CFD-Post. 
54 
2.3.1. Xây dựng mô hình hình học 
Thông số cơ bản của AUV mô hình (tàu lặn tự hành mô hình) 
- Kích thước: Dài x Rộng x Cao: 1,5m x 0,20m x 0,20m. 
- Hình dáng: Dạng hình trụ thon 2 đầu, có 04 cánh lái bố trí ở vùng đuôi 
(chiều dày: σ = 0,003m) chân vịt 2 cánh bố trí sau cùng. 
- Kích thước bánh lái: Bl x Hl = 0,06m x 0,04m. 
- Khối lượng: 11,2 kg (bao gồm toàn bộ thiết bị: vỏ, hệ thống lặn nổi, hệ 
thống chân vịt đẩy, hệ thống lái, hệ thống truyền thông không dây và pin sạc đầy). 
- Vật liệu: Thân vỏ được làm bằng vật liệu composite. 
Nguyên tắc hoạt động 
- Lặn/Nổi: mô hình dùng nguyên lý thay đổi thể tích chiếm nước để lặn nổi, 
bằng cách dùng 1 bơm bánh răng để bơm nước ra – vào một thể tích cố định trong 
thân kín nước. Khi chạy, mô hình cũng có thể lặn nổi bằng cách sử dụng hệ cánh 
ngang được lắp trên phần thân đuôi gần chân vịt hoặc cũng có thể kết hợp cả 2 
nguyên lý này đồng thời. 
- Chuyển động trên mặt ngang: Mô hình sử dụng chân vịt đẩy 2 cánh. 
Biên dạng ngoài tàu được xây dựng đúng tỉ lệ 1:1 trên phần mềm thiết kế đồ 
họa Solidworks. 
 Tàu mô hình thiết kế dựa theo [62] (Hình 2.3), tàu có bốn cánh lái đuôi, 
động lực đẩy chân vịt và bánh lái đuôi. Trong khuôn khổ bài toán ban đầu khảo sát 
động lực học tàu luận án chưa xét tới chân vịt và bánh lái nên chúng không được 
xây dựng ở đây. 
Hình 2.3. Biên dạng tàu lặn mô hình 
55 
 Với bài toán động lực học tàu, ta sẽ khảo sát dòng nước chảy bao tàu ở các 
trạng thái làm việc khác nhau. Mô hình xây dựng chứa tàu có không gian đủ rộng 
để không ảnh hưởng tới tàu. Mô hình là một hình cầu đường kính 6m (Hình 2.4) 
chứa tàu ở vị trí trung tâm: 
Hình 2.4. Mô hình khảo sát 
 Mô hình khối chất lỏng bao quanh tàu hay mô hình khảo sát được chuyển 
vào môi trường Workbench để chuẩn bị lưới hóa. 
2.3.2. Lưới hóa mô hình 
 Với mô hình bài toán 3D này lưới được sử dụng là lưới tứ diện, lưới chia 
không cấu trúc, cỡ lưới nhỏ nhất 0,003 m, cỡ lưới lớn nhất 0,2m. Kết quả mô hình 
sau khi chia lưới (Hình 2.5): 
Hình 2.5. Mô hình đã chia lưới 
Toàn bộ mô hình sau khi chia lưới bao gồm 2053513 phần tử lưới tứ diện 
trong đó có 383724 nút lưới. Lưới được chia mịn ở phần biên dạng tàu, thô dần ra 
ngoài (Hình 2.6). 
56 
Hình 2.6. Lưới biên dạng tàu lặn 
2.3.3. Đặt điều kiện biên và tính toán 
Trong tính toán mô phỏng, việc lựa chọn bài toán và đặt điều kiện biên hết 
sức quan trọng. Nó quyết định tính đúng đắn, chính xác quá trình mô phỏng. Lựa 
chọn bài toán không đúng có thể sẽ không cho phép bài toán hội tụ hay kết quả có 
được không phản ánh đúng bản chất của quá trình thực. Tùy theo mục đích nghiên 
cứu nhắm tới mà ta có thể chọn các mô hình toán phù hợp.Với bài toán dòng chảy 
thực bao tàu, dòng chảy rối, nhớt, không tính đến sự thay đổi nhiệt độ thì mô hình 
rối k-ε là phù hợp cho việc áp dụng tính toán [40]. Dưới đây là các điều kiện biên 
và tính toán được xác định: 
- Chọn thuật giải: (Giải các phương trình liên tục, phương trình bảo toàn động 
lượng và năng lượng đã được số hoá). 
- Phương pháp nội suy: Implicit. 
- Chiều tính toán: 3D. 
- Mô hình tính toán: k-ε [50]. 
- Trao đổi nhiệt: không. 
- Chọn vật liệu: chất lỏng nước. 
- Đặt điều kiện vận hành cho bài toán: Vận tốc dòng chảy tới V0. 
57 
- Đặt tiêu chuẩn hội tụ: 1e-05. 
- Đặt số vòng lặp cần thiết để bài toán hội tụ và cho bắt đầu tính toán. 
- Mô phỏng với thay đổi các thông số dòng chảy để nghiên cứu động lực 
AUV. 
- Các thông số thay đổi gồm có (Hình 2.7): 
. Vận tốc dòng chảy tới Vo (0,5m/s; 1,0m/s; 1,5m/s; 1,8m/s), 
. Góc tới α (0o; 5o). 
Hình 2.7. Sơ đồ mô phỏng 
Ở đây, luận án khảo sát mô phỏng trên hai hệ tọa độ OXoYoZo gắn với tàu 
lặn và hệ tọa độ OXYZ trục OX theo phương dòng tới. 
 Do điều kiện thử nghiệm thực tế nên trong khuôn khổ luận án bước đầu chỉ 
nghiên cứu các trường hợp động lực học của AUV làm việc gần mặt thoáng. 
2.4. PHÂN TÍCH MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG THỦY ĐỘNG LỰC 
HỌC 
2.4.1. Trường phân bố áp suất dòng chảy bao tàu lặn 
Kết quả tính toán các phân bố áp suất của các trường hợp đưa ra ở trên đây 
được thể hiện trong Bảng 2.1. 
58 
Bảng 2.1. Phân bố áp suất động của dòng chảy bao tàu 
Trường hợp Vo= 0,5m/s 
α=00 
α=50 
Trường hợp Vo= 1,0m/s 
α=00 
α=50 
Trường hợp Vo= 1,5m/s 
α=00 
59 
α=50 
Trường hợp Vo= 1,8m/s 
α=00 
α=50 
2.4.2. Các thông số động lực chất lỏng tác dụng lên tàu lặn 
 Từ kết quả mô phỏng ta xác định được tác động dòng chảy lên tàu ở các chế 
độ làm việc khác nhau. Xét với hệ tọa độ OXYZ, các thành phần lực và mômen 
dòng chảy tác dụng lên tàu cho trong Bảng 2.2. 
Bảng 2.2. Lực và mô men tác dụng lên tàu lặn theo hệ tọa độ OXYZ 
Vận tốc 0,5 m/s 1,0 m/s 1,5 m/s 1,8 m/s 
α=00 Lực 
Fx N 30,10 101,75 138,93 179,39 
Fy N 1,51 10,15 16,44 24,48 
Fz N -0,0049 -0,0270 -0,0467 -0,0312 
F N 30,14 102,26 139,90 181,05 
60 
Mômen 
Mx Nm 0,0022 0,0070 0,0093 0,0125 
My Nm 0,0079 0,0234 0,0304 0,0253 
Mz Nm 0,99 5,47 8,47 12,06 
α=50 
Lực 
Fx N 31,46 106,50 145,25 187,22 
Fy N -16,22 -58,40 -80,35 -104,13 
Fz N -0,0031 -0,0156 -0,0193 -0,0354 
F N 35,40 121,46 165,99 214,23 
Mômen 
Mx Nm 0,0023 0,0064 0,0064 0,0059 
My Nm 0,0080 0,0222 0,0270 0,0309 
Mz Nm 4,708 23,692 35,912 50,515 
 Từ kết quả trên ta tiếp tục xây dựng các biểu đồ quan hệ giữa các thành phần 
lực và mômen tác dụng lên tàu theo vận tốc dòng tới (Hình 2.8, 2.9 và 2.10). 
Hình 2.8. Biểu đồ lực cản tác dụng lên tàu lặn 
y = 20,607x2 + 67,493x - 8,8133
y = 20,798x2 + 72,038x - 9,7729
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8
Fx
 (N
)
V0 (m/s)
Góc tấn = 0 độ
Góc tấn = 5 độ
61 
Hình 2.9. Biểu đồ lực nâng tác dụng lên tàu lặn 
Hình 2.10. Biểu đồ mô men quay tác dụng lên tàu lặn 
y = 8.9474x2 - 2.929x + 0.7439
R² = 1
y = -12.139x2 - 39.751x + 6.7029
R² = 1
-120
-70
-20
30
80
130
0.4 0.9 1.4 1.9
Fy
 (N
)
V0 (m/s)
Góc tấn = 0 độ
Góc tấn = 5 độ
y = 3,5036x2 + 0,4674x - 0,1248
y = 13,506x2 + 4,1777x - 0,7591
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
0.4 0.9 1.4 1.9
M
z (
Nm
)
V0 (m/s)
Góc tấn = 0 độ
Góc tấn = 5 độ
62 
 Nhận xét: Các thành phần lực cản và lực nâng tác dụng lên tàu tăng dần theo 
vận tốc dòng tới, quan hệ có thể lấy gần đúng theo hàm bậc hai như trên các Hình 
2.8 và Hình 2.9. Độ cong các đường bậc hai đó nhỏ, ta thấy vận tốc tăng thì lực 
cũng tăng tương đối tuyến tính; ngay cả với trường hợp góc tới bằng 0o thì lực 
nâng cũng luôn dương. Biên dạng tàu theo kết cấu khá đối xứng nên các thành 
phần mômen xoay theo các phương trục OX, OY rất nhỏ chứng tỏ khả năng ổn 
định của tàu. Thành phần mômen theo trục OZ cũng tương đối và tăng dần theo 
vận tốc và quan hệ theo hàm bậc hai như trên Hình 2.10; sự gia tăng tương đối 
nhanh khi vận tốc tăng. 
 Xét với hệ tọa độ tàu OXoYoZo, các thành phần lực dọc, ngang và mômen 
dòng chảy tác dụng lên tàu được thể hiện trong Bảng 2.3. 
Bảng 2.3. Lực và mô men tác dụng lên tàu lặn theo hệ tọa độ OXoYoZo 
Vận tốc V0 m/s 0,5 1,0 1,5 1,8 
α=50 
Lực 
Fx0 N 29,93 101,01 137,70 177,44 
Fy0 N -18,62 -66,45 -91,31 -118,22 
Fz0 N -0,0031 -0,0156 -0,0193 -0,0355 
F0 N 35,25 120,91 165,23 213,22 
Mômen 
Mx0 Nm 0,0030 0,0083 0,0086 0,0085 
My0 Nm 0,0078 0,0215 0,0263 0,0304 
Mz0 Nm 4,708 23,692 35,912 50,515 
63 
Hình 2.11. Biểu đồ lực dọc tàu 
Hình 2.12. Biểu đồ lực ngang tác dụng lên tàu 
 Nhận xét: Các thành phần lực dọc tàu (Hình 2.11) thay đổi ít với góc tới là 
50. Lực dọc tăng tương đối tuyến tính với vận tốc dòng tới. Thành phần lực ngang 
tàu (Hình 2.12) thay đổi cả chiều và độ lớn khi thay đổi góc tới. Với vận tốc lớn 
y = 20,607x2 + 67,493x - 8,8133
y = 19,665x2 + 68,299x - 9,1517
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8
Fx
0
(N
)
V0 (m/s)
Góc tấn = 0 độ
Góc tấn = 5 độ
y = 8,9474x2 - 2,929x + 0,7439
y = -13,637x2 - 45,294x + 7,4448
-140
-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8
Fy
0
(N
)
V0 (m/s)
Góc tấn = 0 độ
Góc tấn = 5 độ
64 
nhất là 1,8m/s thì lực dọc lớn nhất tác dụng lên tàu là 179,39 N. Ta sơ bộ tính được 
công suất hệ động lực đẩy của tàu lặn cần phải sinh ra là N = Fmax.V0max= 324 W. 
Phụ lục 1 mô tả kết quả tính toán các thông số thủy động lực học chính của tàu lặn 
trên đây. Đó là một trong những cơ sở để tính toán và lựa chọn phương án cho bộ 
điều khiển và cơ cấu chấp hành cho tàu lặn mô hình tiếp theo. 
2.5. CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN AUV 
2.5.1. Sơ đồ khối chức năng 
Xuất phát từ mô hình thủy động lực học của AUV đã được tính toán trên 
đây, các tiêu chuẩn theo IMO [2] cho hệ thống lái tự động các phương tiện biển 
(tàu thủy), các tiêu chí chất lượng hoạt động của tàu lặn mô hình kèm theo tham 
chiếu phương thức kết nối giữa mô hình CFD và mô hình điều khiển chuyển động 
của AUV được mô tả trong [42], luận án đề xuất một sơ đồ khối chức năng mở 
rộng (Hình 2.13) kèm theo giải thuật dẫn đường được thực thi bởi luật dẫn đường 
(LOS) [45], [46] để thực hiện các hoạt động trong máy trạng thái của AUV – HDS 
(chỉ xét tới tính năng bám hướng và quỹ đạo trên mặt ngang, nghĩa là chỉ xét tới 
các chuyển động: trượt dọc, trượt ngang và quay trở của tàu lặn mô hình). 
Trong đó: 
- Hệ thống dẫn đường và định vị nhằm cung cấp/thu nhận các tín hiệu dẫn 
đường-định vị thông qua GPS/INS và hiển thị các thông số chuyển động của AUV. 
- Môi trường đại diện cho các nhiễu loạn, như là sóng, dòng hải lưu và gió. 
- PID: bộ điều chỉnh ‘PID’, 
- Ko: bộ khuyếch đại chung của AUV - HDS, 
- Kra: hệ số phản hồi góc, 
65 
- Krp: hệ số phản hồi vị trí, 
- Krc: hệ số phản hồi hướng. 
Hình 2.13. Sơ đồ khối chức năng mở rộng của AUV – HDS 
Phần tử bão hòa hay còn được gọi là bộ giới hạn (Limiter) được đưa thêm 
trước bộ điều chỉnh (PID) trong sơ đồ chức năng mở rộng của AUV - HDS nhằm: 
- Giới hạn quá độ của chuyển tiếp vị trí, 
- Giảm thời gian đáp ứng của điều khiển, khi một sự kiện tác động tới AUV. 
2.5.2. Giả thuyết thực thi Automate lai cho AUV – HDS 
Để phát triển một AUV - HDS công nghiệp cần phải đưa ra một vài giả 
thuyết ràng buộc với Automate lai để có thể bao phủ chi tiết toàn bộ cấu trúc và 
ứng xử của nó. Những nguyên tắc được đưa ra dưới đây nhằm cho các đại lượng bất 
66 
biến và điều khiển guard của Automate lai AUV – HDS có thể sinh ra các dữ kiện 
bên trong: 
- Nếu xq∉Inv(q) và Guard(a) = True, a∈A, thì có một sự kiện bên trong sinh 
ra; hệ thống thay đổi trạng thái của nó từ q tới q’ được mô tả bởi máy trạng thái của 
hệ thống, với giá trị ban đầu Jumpq’, được xác định bởi dòng liên tục cụ thể Fq’; tiến 
trình này được thực hiện bởi máy trạng thái của ứng dụng cụ thể, 
- Nếu xq∈Inv(q) và Guard(a) = True, a∈A, thì hệ thống sẽ giữ nguyên trạng 
thái hiện trạng q, 
- Nếu xq∈Inv(q) và Guard(a) = False, a∈A, thì hệ thống sẽ giữ nguyên trạng 
thái hiện trạng q, 
- Nếu xq∉Inv(q) và Guard(a) = False, a∈A, thì có sự kiện bên trong được 
phát sinh; hệ thống thay đổi tới trạng thái q” được gọi là trạng thái mặc định không 
thuận nghịch, tiến trình này được thực hiện bởi máy trạng thái của gói phần rời rạc. 
Để mô tả một hệ thống điều khiển AUV – HDS với Automate lai, các điều 
khiện ràng buộc sau đây cần phải được bổ sung. 
- Các sự kiện σ∈Σ được xem như là sự kiện của đầu vào/đầu ra của hệ thống, 
- X bao gồm tính hiệu đầu vào/đầu ra, 
- Dòng liên tục toàn cục F xuất phát từ sơ đồ khối chức năng (ví dụ trong 
Hình 2.13). Mỗi một hộp chức năng có thể có một hoặc nhiều hơn các ứng xử liên 
tục được hoạt hóa bởi các sự kiện. 
2.5.3. Chi tiết cấu trúc Automate lai của AUV – HDS 
AUV chuyển động theo 6 bậc tự do (trượt dọc, trượt ngang, trượt đứng, quay 
dọc, quay ngang và quay trở). Để thực hiện được các chuyển động này trong 
trường hợp chỉ xét AUV bám hướng và quỹ đạo trên mặt ngang (nghĩa là, chỉ xét 
67 
tới các chuyển động: trượt dọc, trượt ngang và quay trở), các thiết bị đẩy, như 
chân vịt, bánh lái (Rudder) và cánh lái (Sail plane) được kết nối với trên mô hình 
thực tế của luận án. 
Việc điều khiển các chuyển động trên đây là trường hợp hoạt động chính của 
AUV - HDS. Máy trạng thái của trường hợp sử dụng này được dùng để xác định 
các trạng thái và các đại lượng bất biến trong Automate lai của AUV - HDS. Mỗi 
trạng thái tương đương với vị trí của Automate lai này. Sơ đồ chức năng mở rộng 
(Hình 2. 13) tạo ra là để xây dựng các dòng liên tục tương ứng với các vị trí đã 
được tìm thấy. 
 - Các vị trí lái (Phải hoặc Trái) và các dòng liên tục phù hợp với Automate 
lai của AUV - HDS là các trường hợp sau: trạng thái chờ đợi (Idle) f = f0, 
Trái_ngưỡng dưới (Left_Low) f = f1, Trái_ngưỡng trên (Left_High) f = f2, Trái_ở 
giữa (Left_Midle) f = f3, Phải_ngưỡng dưới (Right_Low) f = f4, Phải_ngưỡng trên 
(Right_High) f = f5, Phải_ở giữa (Right_Middle) f = f6. 
 - Các vị trí Lặn – Nổi và các dòn

File đính kèm:

  • pdfluan_an_phan_tich_thuy_dong_luc_hoc_va_thiet_ke_he_thong_die.pdf