Xây dựng thuật toán và mô hình hệ thống điều khiển bước chân vịt tàu thủy

 84 Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải Số 55 - 8/2018 
XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ MÔ HÌNH HỆ THỐNG 
ĐIỀU KHIỂN BƯỚC CHÂN VỊT TÀU THỦY 
DESIGN OF ALGORITHM AND MODEL OF CONTROLABLE PITCH 
PROPELLER CONTROL SYSTEM ON SHIP 
VƯƠNG ĐỨC PHÚC1, 
ĐẶNG XUÂN TÂM2, NGUYỄN LÊ CÔNG2, MAI XUÂN HẢI2, 
NGUYỄN VIỆT THẮNG2, PHẠM NGỌC THỂ2 
1Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam 
2Sinh viên ĐTT55 ĐH, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam 
Tóm tắt 
Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống điều khiển bước chân vịt ở chế độ lặp thông thường và 
không phụ thuộc vào các yếu tố khác trong các chế độ làm việc đã được đề cập nhiều. 
Tuy nhiên, nghiên cứu hệ thống điều khiển bước chân vịt có nhiều thuật toán phức tạp 
liên quan đến phân chia tải trên cùng máy chính lai, thuật toán bảo vệ, thuật toán truyền 
thông với hệ thống khác là một bài toán khó và chưa có bất cứ nghiên cứu nào tại Việt 
Nam. Hiện tại các hệ thống này thường được trang bị trên các tàu công trình, tàu dịch vụ 
đòi hỏi tính cơ động cao. Nghiên cứu này đáp ứng yêu cầu bức thiết của các công ty 
quản lý tàu, sỹ quan vận hành cũng như phục vụ sửa chữa khi gặp sự cố. Giải quyết 
được bài toán mang lại hiệu quả kinh tế vô cùng lớn và chủ động trong công nghệ. 
Từ khóa: Hệ thống chân vịt biến bước, điều khiển và giám sát, giao diện người - máy, chế độ 
điều khiển bước chân vịt. 
Abstract 
The theoretical study of the controlable pitch propeller control system (CPP) in 
conventional iterative mode and not dependent on other factors has been mentioned. 
However, studying the CPP has many complex algorithms related to loads shared on one 
main engine, protection algorithms, communication algorithms with other systems is a 
difficult problem and there isn’t any study in Vietnam. Currently these systems are usually 
equipped on dreging ships, service ships requiring high mobility. This study meets the 
urgent needs of ship management companies, operation officers as well as maintenance 
services. Solving the problem plays an important part in great economic efficiency and 
proactive in technology. 
Keywords: The controlable pitch propeller, control and monitoring, human-machine interface, 
the propeller pitch control modes 
1. Đặt vấn đề 
Trong thực tế để tạo ra lực đẩy, chiều tiến hay lùi của tàu người ta thường thực hiện theo: 
Dùng máy chính (Diesel) lai trực tiếp chân vịt, việc đảo chiều hay thay đổi tốc độ được thực hiện 
thông qua điều khiển Diesel; cách khác là thay đổi chiều thông qua hộp số [2,3]; còn đối với tàu 
công trình, dịch vụ, do tính cơ động cao nên người ta thường dùng chân vịt biến bước [4, 9] 
(chân vịt có bước thay đổi), còn diesel luôn quay ở tốc độ cố định. Chân vịt biến bước là chân vịt 
có các cánh có thể xoay quanh các trục thẳng đứng của nó nhờ cơ cấu truyền động thủy lực [7, 8]. 
Nhờ đó chân vịt biến bước giúp thay đổi tốc độ tàu mà không cần thay đổi vòng quay của trục 
chân vịt, thay đổi chiều chuyển động của tàu mà không cần thay đổi chiều quay của trục chân vịt. 
Chân vịt biến bước làm tăng tính cơ động và khả năng điều động, từ đó nâng cao hiệu suất sử 
dụng máy móc. 
Hiện nay các hệ thống trên tàu đã có tuổi thọ cao và xuất hiện nhiều hỏng hóc cần sửa 
chữa, chi phí để khôi phục lại hoạt động của tàu vô cùng lớn. Chính vì thế nghiên cứu nhằm mục 
đích chế tạo ra sản phẩm có thể ứng dụng thực tế mà sự thay đổi phần cứng ít nhất. Làm được 
điều này sẽ giúp giảm giá thành rất nhiều so với hệ thống mua của nước ngoài, giảm chi phí thuê 
chuyên gia, mặt khác khi lắp đặt hệ thống xây dựng mới chủ tàu hoàn toàn có thể chủ động về mặt 
thiết bị và công nghệ từ đó nhanh chóng và thuận tiện trong quá trình vận hành. 
Ngoài ra kết quả của việc nghiên cứu sẽ tạo ra một sản phẩm tương đối hoàn hảo cho việc 
giảng dạy. Các sinh viên khóa sau sẽ có một cái nhìn cụ thể về một hệ thống trên tàu thủy, góp 
phần nâng cao hiệu quả học tập và nghiên cứu. 
Nhóm tác giả lựa chọn hệ thống điều khiển chân vịt mũi trên tàu Thái Bình Dương của Công 
ty Cổ phần Nạo vét và Xây dựng Đường thuỷ. Hệ thống trang bị trên tàu này rất điển hình với 
 Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải Số 55 - 8/2018 85 
nhiều chức năng hiện đại. Sau khi nghiên cứu xong nhóm tác giả sẽ đưa kết quả nghiên cứu tới 
các trung tâm đo lường có uy tín để kiểm nghiệm, kiểm tra tính đúng đắn. 
2. Kết cấu tổng thể của hệ thống 
Hình 1. Kết cấu chung hệ thống 
Tàu nạo vét Thái Bình 
Dương được trang bị hai máy 
chính lai hai chân vịt biến bước. 
Kết cấu chung được thể hiện trên 
Hình 1. Mạch nguyên lý thủy lực 
được thể hiện trên Hình 2. 
Nguyên lý: Dầu được bơm 
từ két thông qua van điều khiển tỉ 
lệ, theo đường ahead hoặc theo 
đường astern tới servo piston sẽ 
dịch chuyển mở bước chân vịt 
theo chiều tiến hoặc theo chiều 
lùi. 
Hệ thống sử dụng máy 
chính có tổng công suất là 
1.400kW dùng chung cho các 
nhiệm vụ 
- Lai bơm bùn: Máy chính 
sẽ lai bơm để thực hiện nạo vét; 
- Lai chân vịt chính: Dùng 
để cho tàu di chuyển. 
Hệ thống điều khiển từ xa 
bước chân vịt trên tàu Thái Bình 
Dương được thiết kế bởi công ty 
Noris Automation. Hệ thống có 4 trạm được liên kết mạng truyền thông SCADA kiểu phân tán bao 
gồm: Trạm trung tâm (CENTRAL UNIT), trạm buồng lái (BRIDGE PANEL), trạm buồng điều khiển 
máy (ECR PANEL) và trạm điều khiển tại chỗ (LOCAL CONTROL BOX). PLC được sử dụng là 
PLC Erweiterung có 4 modul mở rộng: modul vào, ra số (I/O digital), modul vào ra tương tự (I/O 
analog) và PLC Logo. 
Tất cả các thông số giám sát và bảo vệ được trạm trung tâm thu thập các trạm còn lại chỉ 
đóng vai trò là trạm điều khiển. Trạm trung tâm giám sát các thông số của máy chính như: Vị trí 
của thanh răng nhiên liệu, tốc độ thực máy chính, tốc độ đặt của máy chính, trạng thái ly hợp chân 
vịt, bước chân vịt, trạng thái máy phát đồng trục, 
Hệ thống sử dụng hệ truyền động điện thủy lực, thay đổi bước chân vịt nhờ dòng thủy lực 
tác động vào piston và xilanh. Có thể điều khiển thay đổi bước chân vịt từ ba vị trí: Bàn điều khiển 
tại buồng lái, bàn điều khiển buồng máy và hộp điều khiển tại chỗ. 
Hình 2. Sơ đồ mạch thủy lực thay đổi bước chân vịt 
 86 Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải Số 55 - 8/2018 
Hình 3. Cấu trúc tổng thể hệ thống điều khiển bước chân vịt 
3. Các thuật toán điều khiển 
3.1. Thuật toán điều khiển bơm thủy lực 
Bơm thủy lực nhằm tạo ra áp lực để dịch cánh chân vịt thông qua điều khiển các van. Hệ 
gồm 2 động cơ hoạt động theo hình thức dự phòng (standby) và hoạt động như sau: 
+ Ân nút khởi động ( START) để khởi động bơm, khi chạy đèn báo màu xanh sáng liên lục; 
+ Ấn nút dừng (STOP) để dừng bơm khi đó bơm dừng và đèn báo tắt; 
Trong quá trình hoạt động nếu áp lực không đủ bơm còn lại sẽ tự động chạy. 
3.2. Thuật toán lặp 
Có nhiều thuật toán và 
phương pháp thực hiện quá trình 
điều khiển [1,6] để nâng cao chất 
lượng hệ điều khiển. Với tàu Thái 
Bình Dương đây là thuật toán điều 
khiển lặp [4]. Sau khi bơm thủy lực 
đã hoạt động bình thường với các 
thông số cho phép thực hiện điều 
khiển bước. Hệ thống sẽ tiến hành 
so sánh giá trị bước đặt từ tay điều 
khiển (bước đặt: a ) và giá trị bước 
thực (b), nếu |a-b| ≥ 2 hệ thống 
mới có thể thực hiện điều khiển 
bước (vùng không nhạy). Sau khi 
giá trị so sánh đã thỏa mãn nằm 
ngoài vùng không nhạy, giả sử a > 
b bộ điều khiển sẽ cấp điện cho 
van điện từ dịch bước theo chiều 
tiến. Ngược lại a < b van điện từ 
dịch bước theo chiều lùi sẽ được 
cấp điện. Các van điện từ dịch 
bước chân vịt được cấp điện cho 
đến khi giá trị bước thực của chân 
vịt bằng với giá trị bước đặt từ tay 
điều khiển (a=b). Như vậy bước 
chân vịt đã lặp lại tín hiệu từ tay 
điều khiển (Hình 4). 
Sai 
a > b 
Bước lùi = 1 Bước tiến = 1 
a = b 
Bước lùi = 0 
Bước tiến = 0 
Kết thúc 
Ban đầu 
Bơm đang chạy 
|a-b| ≥ 2 
a = b 
Đúng 
Sai 
Đúng Sai 
Sai 
Đúng Đúng 
Hình 4. Thuật toán điều khiển lặp trong hệ thống 
 Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải Số 55 - 8/2018 87 
3.3. Thuật toán giám sát và bảo vệ cho hệ thống 
Hệ thống thực hiện giám sát và bảo vệ gồm các tín hiệu: 
- Mức dầu trong két thấp; 
- Bơm dầu thủy lực quá tải; 
- Áp lực dầu điều khiển không đủ; 
- Tải máy chính cao,.. 
Thuật toán giám sát và bảo vệ tuân theo các thuật toán được trình bày tại [5]. Ngoài chức 
năng của hệ thống giám sát và bảo vệ như thông thường thì hệ thống thiết kế còn có chức năng tự 
động thay đổi bước tùy theo công suất máy chính nhằm đảm bảo công suất cho máy chính luôn 
trong giới hạn cho phép (Hình 5). 
Hình 5. Thuật toán khi máy chính có tải lớn 
3.4. Xây dựng mô hình điều khiển 
Dựa trên các thuật toán đã phân tích nhóm tác giả đã xây dựng mô hình điều khiển bước 
chân vịt với phần cứng là: Bộ điều khiển trung tâm sử dụng PLC S7-1200 của SIEMENS được cấp 
nguồn 24VDC. Màn hình giao diện người máy HMI kết nối trực tiếp với bộ điều khiển trung tâm 
qua cổng truyền thông ETHERNET. 
Các tín hiệu đầu vào của bộ điều khiển PLC được lấy từ các cảm biến và các chiết áp phản 
hồi. Hộp điều khiển tại chỗ bao gồm các nút ấn điều khiển, các đèn, còi báo động và bảo vệ các 
thông số của hệ thống. Hai van điện từ để điều khiển thay đổi bước. Giao diện được thể hiện trên 
hình 6 và 7 [5]. 
 88 Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải Số 55 - 8/2018 
Hình 6. Giao diện mô hình điều khiển bước 
Hình 7. Giao diện mô hình điều khiển bơm thủy lực và giám sát các thông số 
Hình 8. Hệ thống hoàn chỉnh khi xây dựng 
4. Kết luận 
Bài báo đã nghiên cứu các thuật toán điều khiển bước chân vịt trên tàu Thái Bình Dương và 
xây dựng được hệ thống thực hiện điều khiển và giám sát có sử dụng màn hình HMI, điện thoại [5] 
cho hệ thống điều khiển chân vịt biến bước cụ thể có nhiều chức năng như hệ thống trong thực tế; 
 Tạp chí khoa học Công nghệ Hàng hải Số 55 - 8/2018 89 
Giao diện hệ thống có tính tùy biến cao, hiển thị được các thông số chính như: Giá trị bước 
đặt, giá trị bước thực, chỉ báo áp lực của bơm thủy lực, công suất máy chính, cho phép điều khiển 
tới thiết bị di động. Hiển thị được các báo động và bảo vệ của hệ thống: Mức dầu thủy lực, nhiệt 
độ dầu thủy lực, quá tải bơm thủy lực,... qua đó người vận hành có thể biết được cụ thể trạng thái 
làm việc của hệ thống; 
Chế tạo được một cơ cấu thực hiện mô phỏng chân thực quá trình hoạt động của cánh 
Chân vịt biến bước giống thực tế, tăng tính trực quan cho mô hình chế tạo; 
Ngoài ra còn ứng dụng được phần mềm VNC Viewer để điều khiển từ xa hệ thống trên màn 
hình điện thoại, giúp cho việc vận hành trở nên dễ dàng và nhẹ nhàng đi rất nhiều, từ đây nâng 
cao năng suất làm việc cũng như đảm bảo sức khỏe cho người vận hành; 
Hệ thống mà nhóm tác giả chế tạo đã được Trung tâm kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất 
lượng Hải Phòng xác nhận các thông số ký thuật và chức năng điều khiển, hệ thống cũng được 
Công ty cổ phần Nạo vét và Xây dựng Đường thuỷ (là công ty quản lý tàu Thái Bình Dương) đặt 
hàng để nghiên cứu và ứng dụng. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Phạm Công Ngô, “Lý thuyết điều khiển tự động”, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2006. 
[2] Lưu Đình Hiếu, “Truyền động điện tàu thủy”, NXB Xây dựng, 2004. 
[3] Hoàng Đức Tuấn, Đinh Anh Tuấn, Nguyễn Tất Dũng, “Hệ thống tự động tàu thủy tập 1”, NXB 
Hàng hải, 2015. 
[4] Vương Đức Phúc, Nguyễn Tất Dũng, “Hệ thống điện tự động máy phụ và an toàn tàu thủy”, 
NXB Hàng hải, 2015. 
[5]. Đào Minh Quân, Vương Đức Phúc, “Nghiên cứu hệ thống điều khiển bước chân vịt trong các 
chế độ hoạt động của tàu Thái Bình Dương”, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường năm 
2017-2018. 
[6] Franklin, G.F., Powell, J.D., Workman, M.L, “Digital control of dynamical systems”, Addison 
Wesley, Reading, 1980. 
[7] Bakker, J.C, “Dynamic behavior and nonlinear aspects of the controllable pitch propeller”, 
Master’s thesis, Technische Universiteit Delft, 2005. 
[8] Huijbers, J.H., “Nonlinear Propeller Pitch Control”, Master’s thesis, Technische Universiteit Eind 
hoven, 2008. 
[9] F.P.M. Dullens, “Modeling and Control of a Controllable Pitch Propeller”, Master’s thesis, 
Eindhoven, 11/2009. 
Ngày nhận bài: 28/6/2018 
Ngày nhận bản sửa: 16/8/2018 
Ngày duyệt đăng: 21/8/2018