JournalofTransportation Science andTechnology, Vol 23, Mav2017
DIEU KHIÊN GIAM SAT CAN BÁNG CHO GIAN KHOAN TU NÂNG DlTA TRÊN GIÁI THUÂT FUZZY- PID BALANCE SUPERVISORY CONTROLLER FOR RIG BASED ON FU2ZY-PID
ALGORITHM
Dá yiî't D ng'-', Trãn Tiên Dat', Lê An Tinh' 'Tncáng Dai hoc Gioo thôngvân tái Tluinh phô Hô Chi Minh
'Truirng Cao dãng Công ngh^ cao DôngAn
^Tiuông Cao dãngnghê linh Bâ na - V nglåu Tám íåt: Hiên iiay, viéc nãng ha giún kboan lai Viêt Nam vån su duiig giái pháp cân bãng bán lu dôiig n vin inig diing tu dôiig hôa vâ giai tliuãi d êu khiên ibo viêc cán bâng gian khoan tu náng dang ãuac cpian tãin nhiêii. Nhåm nghién cirii tién hãnh thiêl ké bô ãiéii khiên Fiizsy - PID úng diing trên mô h nh cãn bãiig giãn khoan lu iiãng dê gi ôn dinh vi tii niong muôn liê thr'ing c ucrc xáy dung irên Matlah vái cc'ic Iruchig hcrp hocii dâng dirái các aiih buâng tác nhãn môi tru&ng nhu sông biên.
Vái kê quá dãp iing tôt ãã chitng minh !inh hiêu qiiã vã uu âiém cua giáiphåp dé xuát trongbâi báo Tif kháa: Oiéu khiên Fuz:\. PID, Mailab, ludôngháa,
Chisôphãn loai: 2.2
Abstract: Currently, the hft sisiems ofng are still incd lemi - auiomaiic balaiicing method in Vietnam Tberejore, ihc applicaiion oj aiilomation and coiiirol algoriilim foi balancing the rig is a high prioiin' problem The reseaich leam has already de-.igned a Fuzzy - PID coniroller which is applied on halcincing ng model to stahihze it as the fixcd localion The system is huill in Matiab iinder Ihe influence of environmenlal factors ,fiich as wave operalion cuses The proposed melhod has given the good resull, which demonstrates ihe posilive effect and advaiilages ofíhe pniposed method in the
Keywords: Fiizzy controller. PID. Muilah. auiomalion Classif catian ntimher: 2.2
Kj/ iuGu u(t)
M c(c) 0 w U ( t )
e
«>:), Ê(X]
V nghîa Tín hi?u diêu kliién Md rân phãn hôi trang thái Ma Ir^n dléu khiên Sai sô giÍTd ngô ra va lin hicu dãt Gia in goc xoay các khôp Vãn tôc goc xoay Tinhi udíittnrôc tliii l c trijng tnroiig Hãm plii tuyén dác tinh cud hf thông 1 Ciái thiêu
Cung cap kip thoi va day du nang luang dâc biet la nang luang dau khi da Iro thanh yêu C'îu can thict cho su phat tncn kinh tc Nuoc ta co nguon ning luong dau khi doi dão [1] nhung i.ac thiet bi khai thac lai phu thuôc ihieu \ao cong nghc nuac ngoai dit biêî la gian kho-in tu nang Nhimg de tai nghiên cuu trong nuac mai dung o v lec thiet ké, dong mai gian khoan [2 3] uhuT chu trpng den dicu khiLn can bang lu dong ch<
giân khTîi
Các giái thuât diêu khiên kinh diên nhu PID cho dáp úng tôt, câu trúc don gián nhung không ôn dinh. Khi hoat dông duôi ãnh hucmg cúa môi truông hay thay dôi thông sô dâu vão thi hê thông rãt de mát cân bãng [4]. Môt nhuoc dicm niia íã viêc Iira chon vá diêu chinh các Ihông sô diêu khién côn kho khãn. Mãt khác, Ftizzy lâ bô diêu khicn thông minh cô câu trúc Iinh dông, cho dáp irng xô\ ngay câ khi dôi tuong bi thay dôi thong so d^u vao hay anh huong nhieu Duoc thiet lap dua tren kinh nghiem chuyen gia va dtc tinh doÊ tuong nen giai thuit Fuzzy phu hop cho viec chinh thong so Kp K K^ bp dieu khicn PID Tu nhunt, yeu ciu cap thiet fren nhom nghien cuu Ihuc hi?n de tai ung dung yai thuat Fuzz\ PID dieu khien can biní, cho gian khoan tu naiig
Bii bao gom nam phan Phan I eiai thieu mo hinh hoi he thong 11 noi dung phan '' trong phan 3 ^e khio sat cac phuong phap diLu khiui ap dung cho gian khoin tu nang ket qua mo phong v i dinh gia phan Iich a
_TAP CHÍ KHOA HOC CÔNji_NGHEGIAOTHÔNG VAN TÃI, SO 23-05/2017 49 phãn 4, phân 5 dua ra két Itiân vâ huáng
nghién cihi mo rông
2. Mô hinh hôa giãii khoan di dông , Mô hinh giân khoan [5] vái ba kháp xoay diêu khicn bãng ba dông ca DC Servo voi
• Kháp Yaw trên truc X tuong úng gôc Q^,
• Kháp Pitch trên tmc Y tuang úng goc e^,
• Kháp Roll trên truc Z xác dinh vi trí
-. - - nôh nl 2.1. Dông lirc hoc cua mô hinh
(2)
_ Phtrong tr nh Lagrange cho n Iink lã su kêl hop dông nãng vã ihê nãng nhu sau*
L = K - V = ^Y.U S,"=, d„ (6)é,e, - V(6) (5) Vicc náng ha giãn duoc tién hânh tuong úng voi truc Z- Do dô viêc giir cân bãng chi xem xét tai khop Pitch vá khop Yaw, Phu'ang trinh các kháp dtroc xác dmh nhu sair
•^i = ('i„ + Í2„ sin^ 9; + l2_^ cos^ e^) e, +('^1. +'2,.>in(2ej)e,e2 + F„sgn(e,) (6)
+F,2S9''(S2)) (7) Tú (6), (7) co hê phucmg trinh vi phân
_ ' r i l : , , - L - ) s m ( 2 6 , ) f l , e , - K,sgn(q,)
T , - ^ (U ^ - 1 , Jsin{2G,)0,(), - F^sgn(q,) (8)
T phuong Ir nh vi phãn (8). xây dtmg phuang trhih trang Ihái vo các biên nhu sau
" l = 9 l . X 2 = Ô l . X j - 02,X4 = 8^ (9) Vây hê phtrong trinh trang ihái la
(1) Hinh 2. Cáu lao mô hinh ihiic nghiêm Dông nãng c a dôi tuang [6 - 8] n liên kêt:
K = ' ê - r y n í n,,l„,{e)XCe) h
^ '"M+lw,(9)^R{e)i,R{e)T]„(e)]
Trong dô
9 = íe,..enr: Vectorcíiabicn khtjp;
v: Vãn téc dãi c a diêm cuôi;
w. Vân ôcgôc:
lu" Vân tôc dãi khôp vái diêm cuôi, IWL: Vån tôc gôc khôp vái diêm ctiôi.
I,: ma trân quán tinh kháp xoay;
m,: Khôi lucmg cúa môt Iink Tú do, phuang trinh dông nãng
K ^ i e ' T 0 ( 6 ) 9
V6i 0(6) lã ma trân quán tinh [9] dôi xúng xác dinh duong. Thê nãng duoc cho boi phuang trinh sau'
V - Z r = i V , (3) Trong d6V| lã thê nãng cúa rtmg l nk thú
i, néu các link dêu cúng ihi thê nãng duoc sinh ra bôi irong Itrc heo công thúc sau;
V, = /g" g"^ r,dm = g"^ Jg" r,dm = g'^r^dm (4) T . - ( /
= X^
^ . - (
2U + K.) (f,. + / .
/ s n + h,-
sin{2x,)x;X, + F,,sgn{x:,) sin^X3+;^ cos''x-j)
10
^)sm(2Xi)x-,x^ + F,^sgn{x.^)
2.2. Cáe phu'ong trinh DC Servo LÍa + Rla + K b W , n - V ,Tn, = K,Ia ( I I )
Trong d ô : V Diên áp vão;
la- Dong diên phán úng;
R: Biên tro phân úng, KijK,. hê sôhãng, Wn, vân tôc goc dông co;
L: Cám kháng cuôn dãy
Khi kêt nôi vái dông co DC Servo thông qua bô Iruyén ii sô Kg - Nj/Ni. Momenl tác dông hê thông:
T = (!^) Kg(V - KbK.c) = ! ^ V - *^ã (12) 3. Kháo sát các phiroTig pháp diéu khiên
3.L Phii-oTig pháp dicu khiên PID Sa dô diroc mô tá bãng công Ihúc sau u(t) = Kp[e(t) + i ; / ; e C T ) d T + T n ^ ( l 3 )
aiofTransportat o and Technology, Vol 23, May 2 17
Trong do:
e(t) Tin hiêu dãu vâo, ti(l): Tín hiêu dãu ra, Kp: Hê sô khuêch dai;
Tr Hãng sô tíchphân, TD: Hãng sô vi phân
T mô hinh vão - ra trên, ta c6 dwpc hãm truyên dat cúa bô diéu khiên PID:
RCs)= K P ( 1 + : ^ - F T D S ) (14) Cô nhiêu phtrong pháp xác duih thain sô c a bô diêu khiên PID:
• Phuong phap Zieglcr-Nicholf.;
• Phuong pháp Chien-Hrones-Reswick,
• Pliuong pháp tôi ira modul
|.,„ p
- H ' ^ ^ C-^L''^ \f
Hinli 3. Dicu khiêu PID gian khoan lir ncing Kcl qua khao sát vã dánh giá mô hinh \6i bô dicu khién PID duoc trinh bây phãn 4
3.2. DiéukhicnFu2z\'-PID Bô diêu khiên Fuzzy [10 - 11] nãy co hai ngô vão lâ sai sô vi trí e„(t) vâ vi phân sai sô VI tri dc^[t)/d(t) giija giá Iri dãl vâ giá trj thuc, cô ba ngô ra dê diêu chinh hc sô Kp, K,, K(j cho bô diêu khiên PID.Các hé sô nây giúp hiêu chinh mién giá tri vâo ra cua bg dicu khiên cho phii hop vái dôi tuong dicu khiên.
Dmh ngh a các tãp m6 vão ra e = |NB NBB NS NSS ZE PSS PS PBB PB}
de/dt = ÍNB NS ZB PS PB) Kp = [ZE S M L BL) K, = {ZE S M L BL}
KQ = [ZE S M L BL)
Hãm Iiên thuôc ciia các biên iigôn ng duoc dinli ngh a nhtr hinh sair
Hinh 5. Hain liên Bãng 1. Liial <
«.
eW N B N B B
N S N S S Z E P S S P S P B B i ' B
hiiiii caí bie imh diiili bê oK„
•a
de/illu N B B L [ M S ZE;
s
M L B L
N S B L L M S Z E S M L B L
zr.
B L L M K Z C S M L B L
P S B L L M S 2 E S M L B L
P B B L L M S Z E S M 1. B L Báiig 2. Liiãi c
f,
""
N B N B B
N S N S S Z E P S S PS P B B P B
l nh diiih liê ôK,.
Je/d(I) N B Z E Z E Z E Z E 2 E 2 E Z E Z E Z E
N S S S S S S S S S S
Z E M M M M M M M M M
P S L L L L L L L L L
P B B L B L B L B L B L B L B L B L B L Bãng 3. Lui
Ka
e(l) N B N B B N S N S S Z E P S S l'S piîn Plî
1 chinh dmh hê s å . dddíl N B B L L M S 7.\- S M 1.
l î L N S Bl.
t.
M S
zr.
s
M L H L
7 E Bl.
[.
M
s
Z F S M . B L
P S Bl. [. M S yy
s
M T, B L
P B B L L M S Z E S M L B L
llinb 4 Ihiin hcn Ihiic.
Kêt quá khao sál vá dánh giá mô hinh voi bô diêu khiên PID dtrøc trinh bãy phân 4
4. Mô phong vã dánh giá 4.1. Lh êt lâp tham so mô phông
• Mô phong diéu khiên PID Cá nh êu phucmg pháp chon các tham sô Kp, K,, Kd nhir Ziegler - Nichols, phân mém, Cohen - Coon hoãc Ih công. Mô hinh gián khoan tir nâng c6 trpng hrong tuong dôi lon nên nhom tác giã dc xuât lua chon các tham sô diêu khiên Ircn theo phuang pháp thii
TAP CHÍ KHOA HQC CÔNG NGHÊ GIAO THÔNG VAN TÂI, SÔ 23-05/2017 công dira trcn kinh nghiêm vâ s a sai. Hé sô
PID mô phong dugc ehon:
Pitch- Kp - 79, K, = 0.2, Kd = 34- Yaw: Kp = 45, K, = 0.15, K^ = 21 Biên dô dãl: Pitch = 50, Yaw = 50
• Mô phong diêu khiên Fuzzy-PID Saisôvitri:e(t) = [-0.5 0.5].
Vân tôc sai so de(t) = [-1010]
Bicn dô dãt Pitch = 50, Yaw = 50 Trong diêu khiên PID chitng tn lua chon trirc iicp cac tham sô Kp, K,, K^ I6E nhiêu thãi gian \ a công súc Bô diéii khicn Fiizzy - PID lu diêu chinh cat hc sô K-, K,, KM tôi mi.
,.î' t / _ J
-I
ITinb 7. 'Wi pbnnf^ kliônií cmh biwiig ••oiig bií'ii Nhân ^ét:
PID Thôi gian dap tmg chãiii 3 5s cho truc Pitch vâ 6.2s truc Yaw, dô giao dông vot lô khá lcm O.Scm.
Fuzzy - PÍD. Dáp úng diroc cai ihiên dáng kê c6n 3.2s cho truc Pitch vâ 2.4s truc Yaw, dô vgt lô thâp 0,3 cm vâ sai sô xác lâp rât it vã biên dô bám sát tín hiéu dãt
• C6 ãnh huoTig ciia song biên Tác dông nhicu s6ng vá b ên dô 2m, Hinh 6. Diêu kliién Fu::z\ - l'ID yi.xi kbocin ni iiaiig
4.2. Mô phong mô hinh giãn khoan tir nâng
• Không co ánh hirong song biên
Hiiih 9. Kcl qiia iiio phoii'i < n aiih sc'ing biéii Nhán xét:
PID Thoi gian dáp iVng lât châni lên dén 7.4s vái triic Yaw vá 3 5s cho tnic Pitch, giao dông manh vái sai sô xác lâp dinh khoãng I lcm,
Fuzzy - PID Vân duy tri dtrac thôi gian dáp úng tôt 2.9s cho Iruc Pitch vâ 3.2s truc Yaw, dô vgt lô thâp 0 3 cm vá sai sô xác tãp it vâ biên dô vân bám sát tin hiêu dãt.
Vái giai Ihuât Fuzzy lua chon thông sô cho bô diêu khiên PID dâ cái thiên dáng kc chât lugng thôa dâu ra vé (hái gian dáp úng, dg vot lô vâ sai sô xác láp ngay cá trong ánh huong mô truong nhu tác dông s6ng, gio, dông chãy
4.3. \ â y dixng mô hính thuc nghiêm Mô h nh cán bãtig giân khoan tu nãng gôm Co câu khung ôn dinh cân bãug mô hinh vã lãp dãt dgng cg DC Servo, bô nguôn hê thong, Driver dúng dê diôu khiên dông ca, Card DSP - F28335 dê thu thãp vã xu ly d ' liêu, Cám biên sicu âm sc xác dinh vi tri di chuyên, giãn khoan di chuyên lên xuông trên ba chân di dông dirgc dicu khicn tôi nh mg vi iri xác dinh bôi ba dông co DC Scrvo iheo phuong Z vã cán bãng theo phuong X, Y
Journal of Transportation Science and Technology, Vol 23, iviay 2017
Hinh 10. Mô binh dcing ihi công Vôi im diêm chirng minh bãng mô phong, tác gia tiên hãnh nhúng giai thuât Fu2zy-PID vâo mô hinh thuc nghiêm kjêm chCmg sê duoc trinh bãy trong bãi viêl sau,
5. Kétluân
Nghiên cúu nây dã hoân thânh phân tich vâ mô phông h6a mô hinh giãn klioan ty nâng. Vái nhi ng kct khá quan quã dat duoc cho thây uu diém viêc áp dung giái thuât diéu khiên noi chung c ng nhu giái thuât Fuzzy - PID noi riêng trong diêu khiên tir dông hoa.
Co ihê thây dãy !â hucmg di tricn vong trong dicu khiên phuong tiên trên biên mã tiêu biéu lã giãn khoan tir náng. Mô hinh vât ly dang trong giai doan hoán thiên dê kiém chúng tinh dúng dãn vã y ngh a giai pháp dê xuât
Tãi liêu tham khão
[IJ Chnslopher W La Mar, Conversion of an abandoned offshore oil di illing i /g pialjorm inlo ayachlcliib .Conference Facilily. 1996.
[2] Subhash Chander, Dr TK Jindal, Design of Aulomaled Fire Coiilrol Syslem for C2H2/02 Piilse Deioniilion Rig. [nteraalional Joumal of Advanced Resedrch in ElectncaL Eleclronics and Insirumenlal in En[;ineering Vol 2. ISSN 227B- 8875, Febraary20l.'î,
13| Akpedeye, Kelvin Uruemu, Advancemcnt on Drilliiig lechnoiogy m Pclroleum mdiistry, Rnhimâki 2010.
[4] TK Jmdal, YS Chauhan, Devclopmeni of Fulse Detoiiation Rig. A Report on sponsored research byTBRL, June, 2012
1^] Ross Wesley Bell. The aiialysis of offshore foimdations siibjected lo combmed loadmg. A thesis degree of master scienee Hilary Term 1991 [6| Sadko Mandzuka, Jvan Bosnjak Ljupko
Simunovic, Postoplimal Anahsis in Intelligeni Sea Transporialion Syslem Optimizaiion Proceediníis of the 11 Ih WSEAS Internalional Conferencc on AutomaUc Conirol Modelling and Simulation ISSN 1790-5117. P425-429 [7] Jeroen D. Hol, Thomas B Schon Frednk
Gustafsson. Relalive Pose Calibration of a Spherical Camera and an IMU, 2008 [S| J. Barton, A Gonzalez, J. Buckley, B O'Flynn,
and S. O'Maihuna, Desigii. fabncaiion and lesling of mimaliirised wireless inerlial meiisiii-eiiienl iimn (JMU). Eleclnjnic Componenls and Technology Conference, pp 1143-1148. june 12007,
[9J NSheimy, H Hou, Xnwx. Analysis and modeling of merlial sensors using aiian variance.
IilM iimentalion and Measiireinenl. lEEE Ttiinsaciions on vol. 57, pp 140 -149, 2008 Comi.lius T Leondes, Fuz:y Logic and E.xpcrl S\siem •ipplications. Academic Press.
1998
[10] Pham Van Phuc Dang Xuán Kiên, Tiuang Duy Trung, Lonlrol \ysiein Design for Torpedo using a Duecl Adaplive Fiizzv - Neiiral Oulpiit- feedback Conlroller, Viel Nam conference on Conlrol and Aulomafion. Nov. 2013 Ngãy nhân bâi: 10/04/2017 N g â y chuyên phán biên: 13/04/2017 N g ã y hoán thânh sira bã : 01/05/2017 N g ã y cháp nhãn Sãng: 04/05/2017