Ứng dụng PLC để thiết kế bộ điều khiển bám tín hiệu mô phỏng hàng hải của tổ hợp drive/động cơ Servo

KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ 
66 SỐ 66 (4-2021) 
TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 
JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 
ỨNG DỤNG PLC ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BÁM TÍN HIỆU 
MÔ PHỎNG HÀNG HẢI CỦA TỔ HỢP DRIVE/ĐỘNG CƠ SERVO 
USING PLC FOR DESIGN THE CONTROLLER TRACKING MARINE 
SIMULATOR SIGNAL OF THE DRIVE/SERVO SYSTEM 
TRƯƠNG CÔNG MỸ1*, ĐINH ANH TUẤN2, NGUYỄN KIM PHƯƠNG3 
1Phòng Công tác sinh viên, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam 
2Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam 
3Viện Đào tạo Sau đại học, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam 
*Email liên hệ:congmy@vimaru.edu.vn 
Tóm tắt 
Hiện nay, hệ thống mô phỏng hàng hải được sử 
dụng rộng rãi nhằm hiểu được sự tương tác giữa 
thuyền viên và con tàu, của hành vi người điều 
khiển tàu và trong đào tạo thuyền viên. Trong 
nghiên cứu này, sàn chuyển động của ca bin lái đề 
xuất là kiểu trục song song, được truyền động bởi 
ba động cơ servo. Từ đó, bài báo trình bày một bộ 
điều khiển dựa trên PLC và Drive nhằm tạo ra sự 
kết hợp động học phi tuyến của mô hình động học 
3 bậc tự do Stewart trong thuật toán điều khiển 
Feedforward, bù mô men tải và dự báo số để tăng 
độ trung thực và khả năng bám của tín hiệu mô 
phỏng hàng hải. Các mô phỏng đã được thực hiện 
đầy đủ, chỉ số chất lượng bám cũng được xác định 
để so sánh một cách khách quan kết quả của các 
thuật toán khác nhau được đề xuất. Dữ liệu thu 
được cho thấy chất lượng bám tham chiếu tốt hơn 
với sai số góc quay lắc ngang và dọc thấp hơn. 
Cuối cùng, tác dụng bộ điều khiển bám dựa trên 
PLC cũng làm cho các chuyển động của bộ truyền 
động servo mượt mà hơn. 
Từ khóa: Hệ thống điều khiển nối tầng, điều khiển 
vị trí, mô phỏng hàng hải. 
Abstract 
Nowadays, marine simulator systems are widely 
used for understanding sailor–ship interaction, 
sailor behavior and in crew training. In this 
research, the motion platform deck of cabine 
proposed the parallel manipulator is moved by 
three servo drives. This paper presents a 
controller-based PLC and Drive which 
incorporates the nonlinear kinematics of the 
3DOF Stewart motion platform within the 
Feedforward control, load torque compensation 
and digital predict algorithm in order to increase 
the cueing fidelity and tracking capabilities of 
marine simulator signal. Full simulations were 
carried out, tracking performance indicators were 
defined to objectively compare the result of the 
proposed different algorithm. It is concluded that 
a better reference tracking with lower roll, pitch 
angle error. Lastly, the effect of the tracking 
controller-based PLC was also observed in the 
form of smoother servo-actuator movements. 
Keywords: Cascade control system, position 
control, marine simulation. 
1. Đặt vấn đề 
Từ kết quả có được từ công trình [1], mục tiêu tiếp 
theo là tạo ra hệ thống mô phỏng tàu thủy có chuyển 
động giống như buồng lái của một con tàu. Trong [1], 
kích thước của buồng lái được thiết kế là 4x4m và 
chiều cao là 1,75m. Khối lượng đủ tải của buồng lái 
khoảng ≈1500kg. Buồng lái được gắn trên một sàn 
chuyển động trong ba bậc tự do. Sàn chuyển động 
được thiết kế trên nguyên tắc của Stewart platform. 
Thực tế, để sàn mô phỏng bám theo 3 chuyển động 
(lắc ngang 𝝓, lắc dọc 𝜽, thẳng đứng 𝒛) của tàu được 
cấp từ máy tính chủ 3D với độ chính cao là rất khó đạt 
được [2, 4, 7]. Cấu trúc điều khiển vị trí của servo 
drive dạng ba mạch vòng nối tầng là loại rất phổ biến 
hiện nay trong các hệ mô phỏng [3]. Mạch vòng trong 
cùng là điều khiển dòng (mô men) với tần số cắt lớn 
đặc trưng cho quá trình điện từ và điện tử với thời gian 
đáp ứng rất nhanh khoảng 2,5-20ms. Mạch vòng ở 
giữa là vòng tốc độ đặc trưng cho quá trình điện cơ 
với thời gian đáp ứng 20-100ms. Ngoài cùng là mạch 
vòng vị trí đặc trưng cho quá trình chuyển động có 
thời gian đáp ứng từ 200ms đến hàng giây, nó tùy 
thuộc vào quán tính của hệ. Để giảm thời gian đáp ứng 
của vòng điều khiển vị trí đã có nhiều công trình 
nghiên cứu xoay quanh kiểu cấu trúc tương tự này như 
các công trình [2, 3, 4, 5, 7, 8]. Các công trình này đều 
cho phép tính toán gần đúng góc quay động cơ servo 
𝜶𝒊 trên một máy tính khác rồi thực hiện điều khiển tổ 
hợp Drive/Servo motor qua hệ thống mạng CAN. Tuy 
KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ 
67 SỐ 66 (4-2021) 
TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 
JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 
nhiên, tốc độ mạng CAN là khoảng 125kbit/s, mỗi 
khung truyền chỉ có 8 byte, quá trình truyền được thực 
hiện quét lần lượt theo thứ tự qua 3 servo, điều này lại 
làm tăng thêm thời gian trễ [2, 4, 7], thời gian trễ lũy 
tiến theo khảo sát khoảng 0,75÷2,8s dẫn đến làm giảm 
tính trung thực trong mô phỏng chuyển động tàu thủy. 
Vì vậy, nhóm tác giả sẽ tập trung vào việc phân tích 
các nguyên nhân dẫn đến làm tăng độ trễ và đề xuất 
một số giải pháp ứng dụng bộ điều khiển khả trình 
PLC kết h ...  
dạng 3 bậc tự do trên cơ sở cấu trúc của Stewart 
platform như Hình 1. Trong bài báo này tác giả nghiên 
cứu cấu trúc có điều chỉnh trong đó 3 trục song song 
thay bằng 3 tay đòn được nối khớp với 3 tay quay 
truyền động bởi 3 động cơ servo. Như vậy, tín hiệu 
điều khiển trực tiếp chuyển động của sàn cabine là giá 
trị góc của 3 tay quay: 𝛼 = [𝛼1 𝛼2 𝛼3]𝑇 
a) b) 
Hình 1. Mô hình mô phỏng chuyển động 3 bậc tự do a) 
Mặt sàn để gắn cabine buồng lái, b) Giá đỡ khung tam 
giác gồm 3 động cơ servo truyền động 
a) b) 
Hình 2. a) Sơ đồ hình học của mô hình 3DOF, 
 b) Tay quay và tay đòn của 1 trục 
Cấu trúc hình học thể hiện ở Hình 2, trong đó 
𝑃1, 𝑃2, 𝑃3 là ba điểm trên sàn di động được nối khớp 
với cánh tay đòn; 𝐵1 , 𝐵2, 𝐵3 là 3 tâm trục quay của 
hệ servo/hộp số trên sàn cố định và 𝐴1, 𝐴2, 𝐴3 là 3 
khớp nối giữa tay đòn 𝑏 và tay quay 𝑎. Hai tam giác 
đều 𝑃1 𝑃2 𝑃3 và 𝐵1 𝐵2 𝐵3 có kích thước bằng nhau 
và độ dài mỗi cạnh là 𝐿 = 1255𝑚𝑚. Ở vị trí ban đầu 
sàn di động (𝑃1 𝑃2 𝑃3) cách mặt sàn cố định 
(𝐵1 𝐵2 𝐵3) là: ℎ𝑧 = 458𝑚𝑚. Cabine buồng lái Hình 
1a đặt cách mặt sàn di động (𝑃1 𝑃2 𝑃3) Hình 1b là 
ℎ0 ≈ 0 . Ngoài ra, có 𝐴𝑖𝑃𝑖 = 𝑏 = 500𝑚𝑚;𝐵𝑖𝐴𝑖 =
𝑎 = 200𝑚𝑚;𝑂0𝑂 = ℎ𝑧. 
Trục tọa độ gắn cố định trên mặt sàn di động 
(𝑃1 𝑃2 𝑃3) có các trục 𝑥, 𝑦, 𝑧 như trên Hình 2. Với 
mặt phẳng này tạo ra 3 chuyển động bao gồm: chuyển 
động quay quanh trục 𝑦 là 𝜙 (lắc ngang); chuyển 
động quay quanh trục 𝑥 là 𝜃 (lắc dọc) và chuyển 
động trượt dọc trục thẳng đứng là 𝑧. Như vậy, ta có 3 
trạng thái của sàn là: 𝜂 = [𝜙 𝜃 𝑧]𝑇. Để đồng bộ 
trạng thái của mặt sàn di động theo buồng lái của tàu 
mô phỏng ta phải chuyển đổi 3 trục tọa độ về hệ trục 
tọa độ gắn trên sàn cố định (𝐵1 𝐵2 𝐵3) bằng các ma 
trận chuyển đổi trục. Theo [1, 8] mô hình động học 
ngược rất quan trọng cho bài toán xác định góc quay 
của mỗi trục động cơ 𝛼𝑖 (𝑖 = 1,2,3) từ dữ liệu độ 
nghiêng, độ lắc và độ cao tương đối trong vector 𝜂 
của mô hình mô phỏng 3D con tàu. Đặt độ cao ban 
đầu của tâm sàn (𝑃1 𝑃2 𝑃3) so với sàn cố định là hz, 
khi đó tâm 𝑂 có cao độ là 𝑧𝑓 = hz + z và toạ độ 
trong mặt phẳng cố định có dạng: 
 𝑂 = [0 0 ℎ𝑧 + 𝑧]
𝑇. 
Kết hợp các phép biến đổi trục ta được tọa độ các 
điểm 𝑃123 có dạng như (1) như sau: 
𝑃123 =
[
𝐿
2
cos𝜙 −
√3𝐿
6
sin 𝜃 sin𝜙 −
𝐿
2
cos𝜙 −
√3𝐿
6
sin 𝜃 sin 𝜙 −
√3𝐿
3
sin 𝜃 sin 𝜙
√3𝐿
6
cos 𝜃
√3𝐿
6
cos𝜃 −
√3𝐿
3
cos𝜃
𝐿
2
sin 𝜙 +
√3𝐿
6
sin 𝜃 cos𝜙 + 𝑧𝑓 −
𝐿
2
sin 𝜙 +
√3𝐿
6
sin 𝜃 cos𝜙 + 𝑧𝑓 −
√3𝐿
3
sin 𝜃 cos𝜙 + 𝑧𝑓]
 (1) 
Phương trình (1) cho ta tọa độ của ba điểm trên 
mặt sàn di động kết nối khớp với ba thanh truyền động, 
nó chính là sàn cabine buồng lái khi xét tàu mô phỏng 
đặt trong tọa độ cố định. Theo [1] từ (1) ta sẽ tính được 
chính xác góc 𝛼𝑖 như phương trình (2, 3) sau đây: 
𝛼𝑖 = 𝜋 − (𝛿1𝑖 + 𝛿2𝑖) (2) 
Trong đó: 
𝛿1𝑖 = 𝑐𝑜𝑠
−1
(
 𝑐−√𝑥𝑖
2+𝑦𝑖
2
√𝑧𝑖
2+(𝑐−√𝑥𝑖
2+𝑦𝑖
2)
2
)
; 𝛿2𝑖 =
𝑐𝑜𝑠−1
(
 𝑎
2+𝑧𝑖
2+(𝑐−√𝑥𝑖
2+𝑦𝑖
2)
2
−𝑏2
2𝑎(√𝑧𝑖
2+(𝑐−√𝑥𝑖
2+𝑦𝑖
2)
2
)
)
; 𝑐 = 𝑂0𝐵𝑖 =
𝐿
√3
(3) 
𝑃3 
𝑃2 
𝑃1 
KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ 
68 SỐ 66 (4-2021) 
TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 
JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 
3. Xây dựng cấu trúc điều khiển bám tín hiệu 
mô phỏng của tổ hợp Drive/Servo ứng dụng 
PLC 
Để điều khiển các góc quay của động cơ theo 
phương trình (2, 3) thì cấu trúc vòng lặp điều khiển 
động cơ servo thường gồm 03 mạch vòng kín nối tầng 
như Hình 3. Vòng trong cùng là điều khiển mô men, 
ở giữa là vòng điều khiển tốc độ và ngoài cùng là vòng 
điều khiển vị trí. 
Tiếp theo nhóm tác giả đề xuất phương án điều 
khiển vị trí sử dụng PLC và Servo Motor như Hình 4. 
Trong đó, PLC sẽ nhận tín hiệu từ máy tính, tiến hành 
xử lý sau đó sử dụng các đầu ra tốc độ cao Y0, Y1 
phát xung điều khiển vị trí tới bộ Drive/Servo, Bộ 
Drive/Servo này làm việc giống như thiết bị biến tần, 
nó thực hiện điều khiển các van IGBT để cấp điện áp 
và tần số cho động cơ servo. Tín hiệu dòng và encoder 
gắn trên đầu trục động cơ sẽ thực hiện phản hồi dòng 
điện, tốc độ và vị trí chính xác đảm bảo góc quay của 
trục động cơ bám theo vị trí yêu cầu với đáp ứng 
nhanh và chất lượng tối ưu. Như vậy, với giải pháp 
ghép nối tín hiệu trực tiếp giữa tín hiệu giữa PLC và 
Drive đã giảm được thời gian trễ so với ghép nối mạng 
CAN. 
Họ PLC của hãng Delta có loại PLC 
DVP28SV11T2 có 4 cặp (8 đầu ra) có thể phát xung 
tốc độ cao từ 10÷200kHz là: Y0, Y1, Y2, Y3, Y4, Y5, 
Y6 và Y7, vì vậy nhóm tác giả lựa chọn loại PLC này. 
Trên cơ sở tải trọng của ca bin buồng lái và tỷ số 
truyền của hộp số là 𝑖 = 120, tần số dao động của 
sàn 0,25Hz ta sẽ chọn 03 Drive/động cơ servo 3 
pha ASDA-B2 có công suất là 1,5kW, tốc độ định 
mức 2000 vòng/phút, hình ảnh PLC Drive/Servo lựa 
chọn và kết quả sau khi hoàn thành lắp đặt hệ thống 
như Hình 5. 
 Tín hiệu chuyển động lắc ngang 𝜙, lắc dọc 𝜃 
và thẳng đứng 𝑧 của con tàu được cấp từ máy tính 
chủ 3D thông qua giao thức Modbus TCP đến PLC. 
Trong chương trình lập trình của PLC ta sẽ sử dụng 
các lệnh Float 32bit để tính ra giá trị góc của 3 tay 
quay: 𝛼 = [𝛼1 𝛼2 𝛼3]𝑇 theo các công thức (2) và 
(3) với chu kỳ tính là 100ms. Bên cạnh đó, để phát 
xung điều khiển từ PLC cho Drive ta sử dụng thuật 
toán Hình 6 với cấu trúc lệnh DRVA như sau: 
DRVA S1 S2 D1 D2 
Trong đó: 
S1: Số lượng xung cần phát ra, chính là giá trị góc 
quay 𝛼𝑖 tính được ở trên, đối với động cơ servo mà 
ta lựa chọn thì 1 vòng có 160000 xung. 
S2: Đặt tần số phát xung, được chọn là 44kHz. 
D1: Đầu ra phát xung, tùy thuộc vào điều khiển 
servo nào trong 3 servo mà ta cài đặt sao cho phù hợp. 
D2: Đầu ra cho đảo chiều quay của động cơ. 
Ba động cơ servo sẽ truyền động độc lập cho ba 
đỉnh của giá đỡ sàn tam giác (𝑃1 𝑃2 𝑃3), do đó mô 
men tải 𝑀𝑐 và mô men quán tính 𝐽 đối với hệ truyền 
động điện của mỗi động cơ sẽ có sự thay đổi ngẫu 
nhiên tùy thuộc trạng thái chuyển động của con tàu. 
Điều này dẫn đến chất lượng điều khiển vị trí sẽ bị suy 
giảm lớn cả về độ chính xác lẫn thời gian đáp ứng. Để 
cải thiện, ta cần phải thiết kế bộ điều khiển PID của 
Drive hoạt động tối ưu hơn thông qua việc cài đặt chế 
độ ‘AMT - AUTO MODE TUNING’ nhằm tự động 
tính toán mô men quán tính 𝐽 của hệ. Tuy nhiên, khi 
cho hoạt động thực tế trong chế độ này chất lượng của 
Hình 4. Cấu trúc điều khiển sử dụng PLC và Servo 
Motor của hãng Delta 
Hình 3. Cấu trúc vòng lặp trong điều khiển nối tầng 
động cơ servo 
Hình 5. PLC model DVP28SV11T2 và Drive/Servo 
ASDA-B2 của hãng Delta 
KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ 
69 SỐ 66 (4-2021) 
TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 
JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 
hệ cũng không được cải thiện nhiều do 𝐽 biến thiên 
liên tục như (4) trong khi thời gian cập nhật của chế 
độ AMT là 5 phút. 
𝐽 = 𝐽𝐷𝐶 + 
𝐽𝑖
𝑖2
+
𝑚
12𝑔𝑖2
(
𝐿
√3
𝑐𝑜𝑠(𝜑𝑗))
2
 (4) 
Trong đó: 𝐽𝐷𝐶 , 𝐽𝑖 là mô men quán tính của động 
cơ, hộp số; 𝑚 là tải trọng cabine; 𝑖 là tỷ số truyền; 
𝑔 là gia tốc trọng trường; 𝜑𝑗 là góc nghiêng của 
đỉnh tam giác thứ 𝑗. 
Ngoài ra, trong mạch vòng điều khiển vị trí tồn tại 
hai đầu vào là lượng đặt (setpoint) từ hệ thống máy 
tính mô phỏng 3D và nhiễu tải 𝑀𝑐. Hai đầu vào này 
đều là các tín hiệu ngẫu nhiên do phụ thuộc vào các 
chuyển động (roll, pitch, heave) của con tàu và số 
lượng người trên ca bin mô phỏng. Theo [7], để giảm 
được sai số điều chỉnh do sự biến thiên của lượng đặt 
gây ra thì cấp vô sai của hệ hở phải lớn hơn cấp vô sai 
của lượng đặt một bậc. 
Tuy nhiên, cấp vô sai của lượng đặt cũng biến đổi 
ngẫu nhiên nên không dễ để thực hiện được giải pháp 
này. Mặt khác, đối với bộ điều khiển ASDA-B2 của 
Delta ta còn có phương án thứ hai là cài đặt cấu trúc 
Feedforward đầu vào bằng khâu vi phân cho hai vòng 
điều khiển vị trí (P2-02) và tốc độ (P2-07) như Hình 7. 
Tiếp theo, để khử sai lệch quỹ đạo do nhiễu tải gây 
ra các bộ Drive đều cho phép chúng ta thực hiện bằng 
mạch bù Feedforward Hình 8 có dạng: 
𝐹𝐹𝐹𝑊(𝑠) = 
�̃�𝑐
𝐹𝑚
; 𝑣ớ𝑖 𝐹𝑚 ≈
𝐾𝑚
𝑇𝑚𝑆+1
 (5) 
�̃�𝑐 =
𝑚𝐿
3𝑖
𝑐𝑜𝑠(𝜑𝑗) ±
∆𝑀
𝑖
+
𝜔
2
𝑑𝐽
𝑑𝑡
 (6) 
Trong đó: �̃�𝑐 là mô mem cản quy đổi; ∆𝑀 là 
thành phần mô men tổn thất của cơ cấu; 𝐹𝑚 là hàm 
truyền đạt của mạch vòng điều khiển mô men, có thể 
xấp xỉ thành khâu quá tính bậc 1. 
Việc tính toán �̃�𝑐 rất khó khăn do sự biến thiên 
của tải trọng theo số lượng ngẫu nhiên của học viên 
trong cabine. Tuy nhiên, kết hợp với các thông số gửi 
đến từ máy tính chủ 3D ta có thể ước lượng gần đúng 
(6) trong chương trình PLC và sau đó chuyển giá trị 
�̃�𝑐 cho Drive thông qua cổng RS485/Modbus RTU 
để bù sai số. 
Để kiểm chứng cài đặt cho các thuật toán điều 
khiển trên ta cho hệ thống hoạt động và thu thập dữ 
liệu từ PLC về máy tính bằng công cụ OPC toolbox 
trong Matlab/Simulink với OPC server là 
KEPServerEX 6. Tàu mô phỏng là loại TT400 có 
chiều dài 55m, chiều rộng 9,2m, mớn nước 2,6m và 
tải trọng là 429 tấn. Kết quả có được ở Hình 9, trong 
đó giá trị từ máy tính chủ 3D đo được là đường nét 
Hình 6. Thuật toán điều khiển vị trí bằng lệnh DRVA 
a) 
b) 
Hình 7. Cấu trúc vòng lặp vị trí (a) và tốc độ (b) 
trong chế độ có Feedforward đầu vào 
Hình 8. Sơ đồ mạch bù nhiễu tải Feedforward 
KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ 
70 SỐ 66 (4-2021) 
TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 
JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 
đứt bao gồm góc quay lắc ngang (roll_f) hình trên và 
lắc dọc (pitch_f) hình dưới; giá trị góc quay bám theo 
của sàn cabine là roll_model và pitch_model là đường 
nét đậm. 
Qua kết quả trên, kết hợp với nhiều lần khảo sát và 
đo đạc ta nhận thấy đáp ứng chuyển động của sàn 
cabine luôn có độ trễ từ 500÷1500ms; biên độ max 
bám theo của sàn có sai số khoảng 12%. Điều này có 
thể giải thích được là do các khâu Feedforward chính 
xác rất khó để thực hiện nên đều xấp xỉ chúng dưới 
dạng khâu vi phân (Hình 7), luôn tồn tại một khoảng 
thời gian trễ truyền thông tín hiệu từ máy tính chủ tới 
PLC và đồng thời việc tính toán mô men cản �̃�𝑐, mô 
men quán tính 𝐽 đều là gần đúng. Các nguyên nhân 
này rất khó khắc phục nếu ta không dùng một phương 
pháp mới khác. 
Hình 9. Đặc tính đáp ứng bám theo các góc quay con tàu 
của sàn cabine 
4. Cải thiện chất lượng điều khiển vị trí bằng 
thuật toán dự báo số trên cơ sở PLC 
Từ kết quả và phân tích nguyên nhân ở mục 3 ta 
thấy đây là các hạn chế phổ biến trong các hệ thống 
mô phỏng chuyển động (motion) hiện nay [5]. Để cải 
thiện được điều đó trong mục này nhóm tác giả đề 
xuất sử dụng các thuật toán dự báo đơn giản. Việc ứng 
dụng các thuật toán dự báo hiện đại như MPC [7] hay 
mạng nơron nhân tạo sẽ được nhóm tác giả nghiên cứu 
trong bài báo khác. Trong khuôn khổ bài báo ứng 
dụng PLC để thiết kế bộ điều khiển bám ta sẽ sử dụng 
thuật toán dự báo đơn giản trên cơ sở điều khiển số 
cho PLC nhưng vẫn đem lại hiệu quả. 
Theo [6] ta có phương trình động học tàu thủy 6 
bậc tự do (DOF) có dạng: 
�̇�1 = 𝐽1(𝜂1)𝜐1 (7) 
�̇�2 = 𝐽2(𝜂2)𝜐2 (8) 
Trong đó: 
𝜂1 = [𝑥 𝑦 𝑧]
𝑇; 𝜂2 = [𝜙 𝜃 𝜓]
𝑇 
𝜐1 = [𝑢 𝑣 𝑤]
𝑇; 𝜐2 = [𝑝 𝑞 𝑟]
𝑇 
𝐽1(𝜂1) và 𝐽2(𝜂2) là các ma trận chuyển đổi trục 
Từ (7) và (8) ta có phương trình động học tàu thủy 
viết cho 3 biến trạng thái 𝜙, 𝜃, 𝑧 như sau: 
 (9) 
Từ (9) do vế trái là các đạo hàm nên ta có thể thiết 
kế các thuật toán dự báo để lập trình cho PLC gồm hai 
bước như sau: 
- Bước 1: Cập nhật các giá trị ở chu kỳ hiện tại từ 
máy tính chủ thông qua mạng Modbus TCP: 
𝑝(𝑘), 𝑞(𝑘), 𝑟(𝑘), 𝑢(𝑘), 𝑣(𝑘), 𝑤(𝑘), 𝜙(𝑘), 𝜃(𝑘), 𝑧(𝑘) 
- Bước 2: Dự báo các trạng thái lắc ngang, lắc dọc, 
trượt dọc 𝜙(𝑘 + 1), 𝜃(𝑘 + 1), 𝑧(𝑘 + 1) theo công 
thức (10) như sau: 
(10) 
Thời gian cắt mẫu 𝑇𝑠 cho chu kỳ tính toán được 
chọn nằm trong dải 500÷1500ms. Sau khi lập trình, 
cài đặt vào hệ thống và thu thập dữ liệu ta được các 
đồ thị như Hình 10. 
Kết quả trên cho thấy các góc quay của sàn cabine 
đã bám tốt hơn so với Hình 9. Tuy nhiên, không được 
nhiều cải thiện về sai số và độ trễ. Ngoài ra, trong cả 
hai kết quả Hình 9 và 10 các đường đặc tính đáp ứng 
đều có dao động ít hơn, chuyển động mượt hơn so với 
lượng đặt do đã được lọc thông qua vòng lặp điều 
khiển vị trí thực tế là khâu quá tính bậc một. 
5. Kết luận 
Bài báo đã nghiên cứu và xây dựng thành công bộ 
điều khiển bám tín hiệu chuyển động 𝜙, 𝜃, 𝑧 của con 
tàu mô phỏng 3D ứng dụng thiết bị PLC. Trong đó, 
nhóm tác giả đã đề xuất các phương án ghép nối giữa 
PLC và Drive, phương pháp thiết kế thuật toán điều 
khiển trên PLC và Drive để nâng cao chất lượng điều 
khiển bám tín hiệu mô phỏng. Tuy nhiên, do tính chất 
thay đổi ngẫu nhiên của lượng đặt và nhiễu tải nên các 
phương pháp như Feedforward đầu vào, bù nhiễu tải, 
dự báo số mà nhóm tác giả đã thực hiện chỉ cải thiện 
một phần chất lượng bám tín hiệu tham chiếu. Vì vậy, 
hướng phát triển trong tương lai sẽ là sử dụng các 
Thời gian(s) 
Roll (độ) 
Pitch (độ) 
Hình 10. Đáp ứng bám theo các góc quay con tàu 
của sàn cabine khi sử dụng dự báo với 𝑻𝒔 = 𝟓𝟎𝟎𝒎𝒔 
KHOA HỌC - CÔNG NGHỆ 
71 SỐ 66 (4-2021) 
TẠP CHÍ ISSN: 1859-316X 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ HÀNG HẢI 
JOURNAL OF MARINE SCIENCE AND TECHNOLOGY 
phương pháp điều khiển dự báo hiện đại để khắc phục 
các nhược điểm còn tồn tại. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Đinh Anh Tuấn, Trương Công Mỹ, Đoàn Hữu 
Khánh, Xây dựng mô hình tín hiệu điều khiển cho 
thiết kế chuyển động 3 trục của hệ thống mô phỏng 
hàng hải, Tạp chí Giao thông vận tải, 2020. 
[2] Cleij, D. Venrooij, J. Pretto, Comparison between 
filter-and optimization-based motion cueing 
algorithms for driving simulation, Transp. Res. 
Part Traffic Psychol, Behav, 2019. 
[3] Derek K. Brecht, A 3-DOF Stewart Platform for 
Trenchless Pipeline Rehabilitation, Electronic 
Thesis and Dissertation, The University of 
Western Ontario, 2015. 
[4] Jun Tajima, Kouhei Maruyama, Driving Task 
Adaptive Motion-Cueing Algorithm for Driving 
Simulators. DSC Asia/Pacific 2006 - Tsubuka, 
2006. 
[5] M. Br¨unger-Koch, Motion Parameter Tuning and 
Evaluation for the DLR Automotive Simulator, 
Driving Simulator Conference 2005, North 
America, 2005. 
[6] Thor I. Fossen, Marine control systems - Guidance 
and Control of Ship, Rigs, Underwater Vehicles, 
Marine Cybernetics, Trondheim, Norway, 2002. 
[7] Van der Ploeg, Sensitivity Analysis of an MPC-
based Motion Cueing Algorithm for a Curve 
Driving Scenario, Proceedings of the 19th Driving 
Simulation and Virtual Reality Conference, 
France, 2020. 
[8] Webjørn Rekdalsbakken, Design and Application 
of a Motion Platform for a High-Speed Craft 
Simulator, IEEE Xplore, 2015. 
Ngày nhận bài: 02/3/2021 
Ngày nhận bản sửa: 12/3/2021 
Ngày duyệt đăng: 18/3/2021