Báo cáo bài tập lớn Cơ sở tự động - Đề tài: Điều khiển tự động máy lái tàu thủ

BÁO CÁO 
À Ậ Ớ Ở Ự ỘB I T P L N CƠ S T Đ NG
ĐiỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
MÁY LÁI TÀU THỦY
GVHD: PGS TS Huỳnh Thái Hoàng
Nhóm 10
 . 
LOGO
LOGO
TỔNG QUAN
I. Giới thiệu 
II. Hệ thống lái tự động tàu thủy và các thiết bị
III. Phân tích và thiết kế máy lái tự động
IV. Kết luận
V. Tài liệu tham khảo 
LOGOGIỚI THIỆU
Tiến trình phát
triển của máy lái
LOGO
GIỚI THIỆU
Giới thiệu bộ PID
LOGO
GIỚI THIỆU
Các phương pháp thiết kế bộ PID
Phương
pháp
Ưu điểm Khuyết điểm
Điều 
ầ ời hiế kế h i ó
chỉnh thủ 
công
Không cần hiểu biết về toán
Yêu c u ngư t t p ả c
nhiều kinh nghiệm
Zi l
Không kiểm soát được độ vọt lố, 
eg er-
Nichols
Phương pháp chứng minh thời gian quá độ quá độ mong
muốn
Sử dụng
ế
phần mềm
K t quả đáng tin cậy Giá cả cao
Cohen-
Xử lý các mô hình tốt
Yêu cầu kiến thức về toán học. 
Chỉ ố đối ới á ì h bậ 1coon t t v qu tr n c
LOGO
HỆ THỐNG LÁI TỰ ĐỘNG
Một hệ thống lái tự động được thiết kế để duy 
trì hướng hay chuyển hướng 
LOGO
HỆ THỐNG LÁI TỰ ĐỘNG
Sơ đồ khối chức năng của hệ thống
LOGO
CÁC THIẾT BỊ
* Chân vịt
Để duy trì tàu có một tốc độ nào đó, cần phải có 
lực tác động lên tàu lực đó do chân vịt gây ra , .
Chân vịt có 2 loại là chân vịt biến bước và chân vịt 
định bước. Chân vịt có 1, 2, 3, 4, hoặc 5 cánh.
Chân vịt có thể nằm trong ống đạo lưu nhằm làm 
tăng lực đẩy giảm tiếng ồn và giảm dao động , .
LOGO
CÁC THIẾT BỊ
Chân vịt Chân vịt nằm trong 
ố đ lng ạo ưu
LOGO
CÁC THIẾT BỊ
Bánh lái
Bánh lái treo
BL đ ôi á u c
BL có cánh phụ BL Mariner
LOGO
CÁC THIẾT BỊ
* Máy lái: có nhiệm vụ điều khiển góc quay của bánh lái. Khi 
trên buồng lái có quyết định thay đổi hướng, bộ phận lái tự 
độ h ặ ô lă lái đ ử d để kí h h t á lái àng o c v ng ược s ụng c oạ m y , v 
máy lái lần lượt quay trụ lái và bánh lái.
LOGO
CÁC THIẾT BỊ
* Thiết bị đo hướng tàu
La bàn từ La bàn con quay
LOGO
CÁC THIẾT BỊ
La bàn vệ tinh
Hệ thống dẫn đường quán tính dùng công nghệ vi 
điện cơ (MEMS micro electro mechanical systems) - - - 
LOGO
PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ MÁY LÁI
1. Các lực cản tác động lên tàu thủy
2. Các hệ quy chiếu sử dụng
3. Mô hình động học của tàu thủy
4. Mô hình toán học của máy lái
5. Thiết kế máy lái tự động
LOGO
Các lực cản tác động lên tàu thủy
Tàu dịch chuyển trong môi trường nước chịu tác 
động của nhiều loại lực cản. Lực cản là hàm số theo 
ốlượng giãn nước, hình dáng tàu và t c độ
Lực cản có thể chia ra thành các loại sau:
- Lực cản ma sát
- Lực cản áp suất
Lực cản sóng- 
- Lực cản phụ do sóng
- Lực cản không khí 
Các lực này tác động làm cho góc hướng tàu thực 
tế sai khác với hướng tàu mong muốn. Vì vậy để 
đạt kết quả tối ưu phải sử dụng máy lái tự động
LOGO
CÁC HỆ QUY CHIẾU SỬ DỤNG
LOGO
CÁC HỆ CHIẾU SỬ DỤNG
Dựa trên hai hệ trục tọa độ trên, các chuyển động của 
tàu thủy nói riêng, phương tiện trên biển nói chung 
được định nghĩa như sau (theo SNAME - The Society 
of Naval Architects and Marine Engineers, America, 
1950):
LOGO
MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA TÀU THỦY
* Giới thiệu mô hình Nomoto 
Chuyển động của tàu rất phức tạp, những 
tính chất đó được biểu diễn thông qua hệ phương 
trình vi phân phi tuyến. Tuy nhiên để thiết kế máy 
lái tự động thì một mô hình đơn giản và gần đúng 
có thể được chấp nhận. Ta có thể sử dụng mô 
hình tuyến tính hóa của hệ phi tuyến, nhưng đơn 
iả h ữ là ử d ô hì h N tg n ơn n a s ụng m n omo o
LOGOm: khối lượng tàu
Ix,Iz: quán tính theo trục x, zMÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA TÀU THỦY
Ô Ì Ộ Ủ À Ủ
* Xây dựng mô hình Nomoto
Thực hiện tuyến tính hóa chuyển động
M H NH Đ NG HỌC C A T U TH Y thẳng về phía trước với một tốc độ không đổi u0
LOGO
MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA TÀU THỦY
Lấy biến đổi Laplace của 3 phương trình (1a), 
(1b) và (1c), ta có:
LOGO
MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA TÀU THỦY
LOGO
MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA TÀU THỦY
LOGO
TÌM HÀM TRUYỀN TỪ PT TOMONO
Tìm hàm truyền từ phương trình Tomono bậc 1
LOGO
TÌM HÀM TRUYỀN TỪ PT TOMONO
Tìm hàm truyền từ phương trình Tomono bậc 2
LOGO
MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA MÁY LÁI
Thường thì ta sử dụng 2 mô hình sau, việc sử 
dụng mô hình nào còn tùy thuộc vào trường hợp 
cụ thể trong thực tế
LOGO
MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA MÁY LÁI
Chúng ta sẽ sử dụng mô hình thứ 2 trong bài báo 
cáo này 
LOGO
THIẾT KẾ MÁY LÁI TỰ ĐỘNG
Ta sử dụng mô hình động hoc Nomoto bậc 1, 
mô hình bánh lái thứ 2 đã nêu ở trên để thiết kế 
máy lái tự động
LOGO
Mô phỏng thiết kế bộ 
điều khiển PID hiệu 
chỉnh bằng tay
LOGOKẾT LUẬN
-Hệ thống tự động ngày càng mang nhiều lợi ích cho con 
người tương tự trong điều khiển tự động 
-Với sự trợ giúp của công nghệ khoa học, các phần mềm 
tính toán hiện đại, các mô hình toán học của bánh lái 
ủ ở,phương tiện tàu th y ngày càng tr nên chính xác, bám sát 
hơn với điều kiện hoạt động của từng phương tiện khác 
nhau.
LOGO
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Marine Control Systems – Guidance, Navigation and 
Control of Ships Rigs and Underwater Vehicles author , , - 
Thor I. Fossen
2. Fundamental Properties Of Linear Ship Steering Dynamic 
C CModels- author hing-Yaw Tzeng and Ju-Fen hen
3. An Introductory Course on Automatic Control Systems –
tác giả TS.Nguyễn Đức Hùng 
4. Marine Control Systems- Propulsion and Motion Control 
of Ships and Ocean Structures- author Asgeir J. Sørensen
5 Dieukhien net. .
6. 
thuy-24495/
LOGO