Luận án Xây dựng phương pháp điều khiển thích nghi trên nền tối ưu cho hệ lái tàu thủy

Tên luận án:

XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI TRÊN NỀN TỐI ƯU CHO HỆ LÁI TÀU THỦY

Ngành:

Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án tập trung nghiên cứu và phát triển các phương pháp điều khiển thích nghi trên nền tối ưu cho hệ lái tàu thủy. Đề tài xuất phát từ vai trò quan trọng của vận tải biển trong thương mại quốc tế, với khoảng 80% lượng hàng hóa được vận chuyển qua đường biển. Việc nâng cao hiệu quả vận chuyển và đảm bảo an toàn hàng hải thông qua cải thiện hệ thống điều khiển bám quỹ đạo là cấp thiết, đồng thời bài toán tối ưu năng lượng cũng cần được xem xét do nguồn năng lượng trên tàu hữu hạn.

Mục đích chính của nghiên cứu là xây dựng bộ điều khiển bám tối ưu nhằm nâng cao chất lượng điều khiển và đảm bảo tính ổn định của hệ lái tự động tàu thủy trong điều kiện có nhiễu tác động. Để đạt được mục tiêu này, luận án đã thực hiện các nhiệm vụ nghiên cứu mô hình toán mô tả chuyển động của tàu thủy và các phương pháp điều khiển, đồng thời xây dựng thuật toán điều khiển bám tối ưu dựa trên giải thuật quy hoạch động thích nghi (ADP) có cấu trúc AC-NNs, cũng như thuật điều khiển tối ưu bền vững dựa trên thuật toán off-policy IRL cho hệ lái tàu thủy.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống lái tàu nổi (như tàu tuần tra, tàu dịch vụ) có mô hình phi tuyến bất định, chịu ảnh hưởng của nhiễu ngoài không biết trước (sóng, gió, dòng chảy...) và đủ cơ cấu chấp hành. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng bộ điều khiển bám tối ưu mới dựa trên lý thuyết điều khiển phi tuyến và lý thuyết điều khiển tối ưu, áp dụng cho các tàu hoạt động trên biển trong điều kiện nhiễu bị chặn.

Luận án đã đưa ra cấu trúc điều khiển mới, được phân tích ổn định dựa trên lý thuyết Lyapunov và đánh giá thông qua mô phỏng bằng phần mềm Matlab. Kết quả cho thấy sự phù hợp giữa phân tích lý thuyết và mô phỏng, đáp ứng các chỉ tiêu chất lượng cho hệ thống lái tàu tự động. Các kết quả nghiên cứu góp phần bổ sung các phương pháp điều khiển bám tối ưu quỹ đạo mới cho hệ lái tàu thủy, mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

Cụ thể, luận án đã đề xuất ba bộ điều khiển tối ưu bám quỹ đạo cho hệ thống lái tàu nổi trên biển đủ cơ cấu chấp hành: bộ điều khiển tối ưu bám quỹ đạo cấu trúc AC-RISE, cấu trúc AC-DO và bộ điều khiển bám tối ưu bền vững dựa trên giải thuật off-policy IRL. Các bộ điều khiển này được thiết kế để bù đắp các thành phần bất định và nhiễu môi trường, đảm bảo tàu bám quỹ đạo đặt trước và ổn định với sai số nhỏ. Tính hội tụ của trọng số mạng nơ-ron và tính ổn định của hệ thống điều khiển kín được phân tích và chứng minh chặt chẽ.

Mục lục chi tiết:

• MỞ ĐẦU
  • 1. Tính cấp thiết của đề tài
  • 2. Mục đích nghiên cứu
  • 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
  • 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
  • 5. Phương pháp nghiên cứu
  • 6. Bố cục của luận án
• CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC TÀU THỦY VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
  • 1.1. Mô hình động lực học tổng quát của tàu thủy
  • 1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về điều khiển chuyển động của tàu thủy
    • 1.2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước
    • 1.2.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước
  • 1.3. Hướng nghiên cứu của luận án
  • 1.4. Cơ sở phương pháp luận của luận án
  • 1.5. Kết luận chương 1
• CHƯƠNG 2. ĐIỀU KHIỂN BÁM TỐI ƯU CHO MÔ HÌNH TÀU THỦY DÙNG CẤU TRÚC ACTOR-CRITIC
  • 2.1 Tổng hợp bộ điều khiển tối ưu dựa trên cấu trúc Actor-Critic
    • 2.1.1 Biến đổi mô hình của tàu thủy
    • 2.1.2 Mô tả bài toán điều khiển tối ưu cho tàu thủy
    • 2.1.3 Tổng hợp bộ điều khiển tối ưu
    • 2.1.4 Phát biểu định lý và chứng minh tính ổn định của hệ thống
    • 2.1.5 Mô phỏng kiểm chứng
  • 2.2 Thiết kế bộ điều khiển tối ưu dựa trên cấu trúc ADP-RISE cho mô hình tàu thủy bất định và có nhiễu ngoài chưa biết
    • 2.2.1 Tổng hợp bộ điều khiển tối ưu dựa trên cơ sở cấu trúc Actor-Critic
    • 2.2.2 Thiết kế bộ điều khiển phản hồi RISE
    • 2.2.3 Phát biểu định lý và chứng minh tính ổn định của hệ kín
    • 2.2.4 Mô phỏng so sánh và đánh giá
  • 2.3. Thiết kế bộ điều khiển tối ưu dựa trên giải thuật ADP kết hợp với bộ ước lượng nhiễu DO cho mô hình tàu mặt nước bất định và nhiễu ngoài
    • 2.3.1 Thiết kế điều khiển bù nhiễu
    • 2.3.2 Tổng hợp bộ điều khiển tối ưu dựa trên cơ sở cấu trúc Actor-Critic
    • 2.3.3 Phương pháp xác định véc-tơ hàm kích hoạt
    • 2.3.3 Phát biểu định lý và chứng minh tính ổn định của hệ kín
    • 2.3.5 Mô phỏng, so sánh và đánh giá
  • 2.5 Kết luận chương 2
• CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN BÁM TỐI ƯU BỀN VỮNG CHO MÔ HÌNH TÀU THỦY
  • 3.1. Phương trình HJI bám quỹ đạo và sự ổn định của phương pháp
    • 3.1.1 Biến đổi mô hình tàu thủy
    • 3.1.2 Phương trình Hamilton-Jacobi-Isaacs cho bài toán điều khiển tối ưu bám quỹ đạo
  • 3.2 Thuật toán off-policy IRL để giải phương trình HJI bám quỹ đạo
    • 3.2.1 Thuật toán off-policy RL cho điều khiển tối ưu bám quỹ đạo
    • 3.2.2 Phân tích sự hội tụ của thuật toán 3.1
    • 3.2.3 Thuật toán học tăng cường cho phương trình HJI bám quỹ đạo
    • 3.2.4 Phân tích sự hội tụ của thuật toán 3.2
    • 3.2.5 Thuật toán off-policy IRL điều khiển bám quỹ đạo sử dụng NNs
    • 3.2.4 Mô phỏng, so sánh và đánh giá
  • 3.3 Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN
  • Kết luận:
  • Hướng phát triển của luận án: