Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hoàn thiện phương pháp dẫn từ xa theo hướng có lợi về năng lượng tên lửa trên cơ sở lý thuyết điều khiển hiện đại.

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:139

Thêm vào BST

Báo xấu

43
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích chính của đề tài luận án là ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại và lý thuyết điều khiển tên lửa để tổng hợp thuật toán, tổng hợp cấu trúc bổ sung cho hệ lập lệnh đài ĐKTL. Thuật toán và cấu trúc bổ sung là hoàn toàn mới và tối ưu, có tác dụng nâng cao khả năng chiến thuật của tổ hợp là mở rộng VTD mà không cần can thiệp vào đạn TLPK có điều khiển.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hoàn thiện phương pháp dẫn từ xa theo hướng có lợi về năng lượng tên lửa trên cơ sở lý thuyết điều khiển hiện đại.

1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những nội dung, số liệu và kết quả đã trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa có tác giả nào công bố trong bất cứ một công trình nào khác. TÁC GIẢ LUẬN ÁN Nguyễn Thanh Tùng
2 LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến tập thể cán bộ hướng dẫn, các thầy giáo: GS TSKH Nguyễn Công Định PGSTS Vũ Hỏa Tiễn đã giúp đỡ và khuyến khích tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, tập thể cán bộ Bộ môn Tên Lửa / Khoa Kỹ thuật điều khiển đã quan tâm đóng góp ý kiến giúp tôi hoàn thiện nội dung nghiên cứu. Cuối cùng, tác giả xin cảm ơn gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn động viên, khuyến khích giúp tôi có thêm nghị lực để hoàn thành nội dung luận án. 2
3 MỤC LỤC
4 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT 1. Chữ viết tắt 2D : Phương pháp 2 điểm từ xa 2DGOC : Phương pháp 2 điểm có tính tới góc tiếp cận CGCN : Chuyển giao công nghệ CV : Phương pháp cầu vồng CV 2D : Cầu vồng – 2 điểm CV – 2DGOC : Cầu vồng – 2 điểm góc ĐĐK : Đài điều khiển ĐĐK MT : Đài điều khiển – Mục tiêu ĐKTƯ : Điều khiển tối ưu ĐKTX : Điều khiển từ xa GTPT : Gia tốc pháp tuyến HTĐK : Hệ thống điều khiển HTĐKTL : Hệ thống điều khiển tên lửa КДУ : Phương pháp vi phân động hình học KHCN : Khoa học công nghệ KHKT : Khoa học kỹ thuật MT : Mục tiêu MTT : Phương pháp 3 điểm cải tiến NNVT : Ngòi nổ vô tuyến PCĐ : Phần chiến đấu PPD : Phương pháp dẫn ПС : Phương pháp bắn đón nửa góc PSO : Tối ưu quần thể PTTCĐK : Phương tiện tiến công đường không QĐĐ : Quỹ đạo động TCTL : Phương pháp tiếp cận tỉ lệ THTLPK : Tổ hợp tên lửa phòng không TL : Tên lửa TL MT : Tên lửa – Mục tiêu TLPK : Tên lửa phòng không T/T : Phương pháp 3 điểm VĐK : Vòng điều khiển VTD : Vùng tiêu diệt 2. Ký hiệu Kí hiệu Đơn vị Ý nghĩa rtl [m] Cự ly từ đài điều khiển đến trọng tâm tên lửa Vtl [m/s] Vận tốc tên lửa Wtl [m/s2] Gia tốc pháp tuyến của tên lửa εtl [rad] Góc tà tên lửa εk [rad] Góc ngắm động của tên lửa θtl [rad] Góc nghiêng quỹ đạo của tên lửa βtl [rad] Góc phương vị tên lửa [Kg/s] Tốc độ thay đổi nhiên liệu tương đối Khối lượng tương đối của tên lửa Ps [Kg/m2] Tải trọng riêng trên cánh Hệ số dự trữ ổn định [N.s/Kg] Xung lực riêng x Hệ số lực cản chính diện C 4
5 [1/57.3rad] Đạo hàm của hệ số lực nâng [Kg/m ] 3 Mật độ không khí [rad] Góc tấn công α [rad] Góc trượt β [m/s2] Gia tốc trọng trường g ph Quá tải phát huy η yc Quá tải yêu cầu η rmt [m] Cự ly từ đài điều khiển đến mục tiêu Vmt [m/s] Vận tốc mục tiêu εmt [rad] Góc tà mục tiêu θmt [rad] Góc nghiêng quỹ đạo của mục tiêu mt [m/s2] Gia tốc pháp tuyến mục tiêu W mt [m] Tham số đường bay của mục tiêu P [m] Khoảng cách tương đối tên lửa – mục tiêu tc [m/s] Vận tốc tương đối tên lửa – mục tiêu V [rad] Góc đường ngắm tên lửa – mục tiêu [rad/s] Tốc độ xoay đường ngắm * [s] Thời điểm chuyển của PPD kết hợp t
6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU 1. Danh mục các hình vẽ. 1.1. Cấu trúc của một hệ ĐKTX theo lệnh vô tuyến 14 1.2. Động hình học phương pháp dẫn từ xa 18 1.3. Cấu trúc động học VĐK kín từ xa cho mặt phẳng thẳng đứng 24 1.4. Đặc trưng hạn chế sai lệch thẳng F(h) 25 1.5. Quỹ đạo TL, MT và đồ thị GTPT của các PPD “T/T”, “ПС” trong mặt phẳng đứng khi Vmt1 27 = 200m/s 1.6. Đồ thị tọa độ góc TL, MT trong mặt phẳng đứng và đồ thị vận tốc TL theo thời gian khi 28 Vmt1 = 200m/s 1.7. Quỹ đạo TL, MT và đồ thị GTPT của các PPD “T/T”, “ПС” trong mặt phẳng đứng khi Vmt2 28 = 350m/s 1.8. Đồ thị tọa độ góc TL, MT trong mặt phẳng đứng và đồ thị vận tốc TL theo thời gian khi 29 Vmt2 = 350m/s 1.9. Quỹ đạo TL, MT và đồ thị GTPT của các PPD “T/T”, “ПС” trong mặt phẳng đứng khi mục 29 tiêu cơ động một phía (nmt3 = 5g) 1.10. Đồ thị tọa độ góc TL, MT trong mặt phẳng đứng và đồ thị vận tốc TL theo thời gian khi 30 mục tiêu cơ động một phía (nmt3 = 5g) 1.11. Quỹ đạo TL, MT và đồ thị GTPT của các PPD “T/T”, “ПС” trong mặt phẳng đứng khi mục tiêu 31 cơ động kiểu “Con rắn” (nmt4 = 5g) 1.12. Đồ thị tọa độ góc TL, MT trong mặt phẳng đứng và đồ thị vận tốc TL theo thời gian khi mục 31 tiêu cơ động kiểu “Con rắn” (nmt4 = 5g) 2.1. Quỹ đạo động dẫn tên lửa theo phương pháp “Cầu vồng” 39 2.2. Đồ thị quỹ đạo của tên lửa và mục tiêu trong mặt phẳng thẳng đứng 42 2.3. Đồ thị GTPT (quá tải) của tên lửa trong mặt phẳng thẳng đứng 43 2.4. Đồ thị thay đổi góc tà tên lửa và mục tiêu 43 2.5. Đồ thị hàm vận tốc tên lửa, mục tiêu theo thời gian 43 2.6. Động hình học TL – MT trong mặt phẳng đứng 48 2.7. Sơ đồ khối quá trình dẫn tên lửa 49 2.8. Quỹ đạo TL – MT trong mặt phẳng đứng 55 2.9. Đồ thị quỹ đạo TL – MT trong mặt phẳng đứng 59 2.10. Đồ thị GTPT TL – MT trong mặt phẳng đứng 59 2.11. Đồ thị tọa độ góc TL – MT trong mặt phẳng đứng 59 2.12. Đồ thị vận tốc TL – MT theo thời gian 60 2.13. Đồ thị quỹ đạo TL – MT trong mặt phẳng đứng 60 2.14. Đồ thị GTPT TL – MT trong mặt phẳng đứng 61 2.15. Đồ thị tọa độ góc TL – MT trong mặt phẳng đứng 61 2.16. Đồ thị vận tốc TL – MT theo thời gian 61 2.17. Đồ thị quỹ đạo TL – MT trong mặt phẳng đứng 62 2.18. Đồ thị GTPT TL – MT trong mặt phẳng đứng 62 2.19. Đồ thị tọa độ góc TL – MT trong mặt phẳng đứng 63 2.20. Đồ thị vận tốc TL – MT theo thời gian 63 3.1. Quá trình cập nhật vị trí của mỗi cá thể trong quần thể 68 3.2. Lưu đồ thuật toán PSO 72 3.3. Đặc tính hội tụ của thuật toán PSO 74 3.4. Thuật toán PSO kết nối với PPD kết hợp 77 3.5. Đồ thị quỹ đạo TL – MT trong mặt phẳng đứng của PPD “CV2D” với điểm chuyển 85 không tối ưu 3.6. Đồ thị quỹ đạo TL – MT trong mặt phẳng đứng của PPD “CV2DGOC” với điểm chuyển 85 không tối ưu 3.7. Đồ thị quỹ đạo TL – MT trong mặt phẳng đứng khi mục tiêu cơ động một phía 88 3.8. Đồ thị gia tốc pháp tuyến TL – MT theo thời gian 88 6
7 3.9. Đồ thị vận tốc TL – MT theo thời gian 88 3.10. Đồ thị quỹ đạo TL – MT trong mặt phẳng đứng khi mục tiêu cơ động dạng “Con rắn” 89 3.11. Đồ thị gia tốc pháp tuyến TL – MT theo thời gian 89 3.12. Đồ thị vận tốc TL – MT theo thời gian 89 4.1. Sơ đồ khối hệ thống ĐKTX theo các PPD khác nhau 94 4.2. Hình dạng VTD của tổ hợp TLPK trong mặt phẳng: a)ε; b)β. 95 4.3. Những yếu tố ảnh hưởng tới giới hạn dưới VTD 98 4.4. Đặc tính thay đổi của quá tải phát huy theo quỹ đạo dẫn 99 4.5. Đồ thị vận tốc tên lửa theo thời gian 100 4.6. Các lực tác động lên tên lửa khi bay 101 4.7. Lưu đồ thuật toán xác định VTD 106 4.8. Quỹ đạo tên lửa theo PPD “ПС” tới giới hạn xa của VTD trong mặt phẳng đứng 109 4.9. Quỹ đạo tên lửa theo PPD “CV2DGOC” tới giới hạn xa của VTD 109 trong mặt phẳng đứng 4.10. Hình chiếu VTD trong mặt phẳng đứng theo PPD “ПС” và “CV2DGOC” 110 4.11. Hình chiếu VTD trong mặt phẳng ngang theo PPD “ПС” và “CV2DGOC” 110 2. Danh mục các bảng biểu 1.1. Bảng tham số của tên lửa và các khâu trong VĐK kín 26 1.2. Bảng các tham số đặc trưng của TL tại điểm gặp theo các PPD 32 2.1. Bảng các phương án mục tiêu dùng cho khảo sát 42 2.2. Bảng tham số của hệ thống và tên lửa tại điểm gặp 44 2.3. Bảng các phương án mục tiêu dùng cho khảo sát 58 2.4. Bảng tham số tên lửa và VĐK kín tại điểm gặp theo PPD kết hợp 63 3.1. Bảng các phương án mục tiêu dùng cho khảo sát 79 3.2. Bảng thời điểm chuyển tối ưu với mục tiêu PA1 79 3.3. Bảng thời điểm chuyển tối ưu với mục tiêu PA2 80 3.4. Bảng thời điểm chuyển tối ưu với mục tiêu PA3 81 3.5. Bảng thời điểm chuyển tối ưu với mục tiêu PA4 82 3.6. Bảng thời điểm chuyển của 2 PPD kết hợp 83 3.7. Bảng tham số tên lửa tại điểm gặp theo PPD “CV2D” 84 3.8. Bảng tham số tên lửa tại điểm gặp theo PPD “CV2DGOC” 84 3.9. Bảng tham số tại điểm gặp 90 3.10. Bảng tham số tên lửa tại điểm gặp khi tcđ = var., Δt = var. 91
8 MỞ ĐẦU I. Đặt vấn đề nghiên cứu Trong những năm đầu thế kỷ 21 ta chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của KHCN thế giới, cùng với nó là những phát triển vượt bậc về khả năng chiến – kỹ thuật của các loại phương tiện tiến công đường không (PTTCĐK) với nhiều chủng loại và tính năng vượt bậc. Đối phó với các PTTCĐK hiện đại, những tiến bộ mới nhất của KHCN cũng đã được ứng dụng sâu rộng để phát triển các loại tổ hợp tên lửa phòng không (TLPK) thế hệ mới với nhiều tính năng ưu việt như các tổ hợp PAC2, THAAD của Mỹ, Spyder của Israel, C300, C400 và C500 của Nga. Trong hàng loạt cuộc chiến tranh gần đây do Mỹ và đồng minh tiến hành như: Afganistan năm 1986; Kôsôvô năm 1999; Irắc năm 2003; Syria năm 2014 đã sử dụng chiến thuật tấn công phủ đầu bằng các loại vũ khí tiến công đường không hiện đại như tên lửa Tomahawk, máy bay ném bom chiến lược tàng hình F117A, các máy bay chiến đấu F14, F15, F16. Trong cuộc chiến tranh Lybia, liên quân AnhPhápMỹ sử dụng các loại máy bay hiện đại như máy bay ném bom tàng hình B2Spirit, máy bay chiến đấu F15, F16 (Mỹ), máy bay TornadoG4, Typhoon được trang bị các tên lửa hành trình Storm Shadow (Anh), còn Pháp sử dụng máy bay chiến đấu thế hệ mới Dassault Rafale, Mirage2000 … Một số tính năng chung của các loại vũ khí này là : Có diện tích phản xạ hiệu dụng nhỏ dưới 1m2 (F22, F35, B2,…). Có độ cao hoạt động thay đổi lớn từ 0.1km đến 20km. Có khả năng cơ động cao, khả năng chịu quá tải lớn tới 10g. Dải vận tốc thay đổi từ 100m/s đến 1000m/s.
9 Các chiến thuật sử dụng PTTCĐK thường được sử dụng trong các cuộc chiến tranh hiện nay là: Tiến công từ nhiều hướng với số lượng và cường độ lớn, đa dạng về chủng loại vũ khí. Trong đó máy bay cường kích ném bom và tên lửa hành trình đóng vai trò chủ yếu. Tấn công mục tiêu từ cự ly xa, trên nhiều độ cao khác nhau. Trong điều kiện đó, các hệ thống tên lửa phòng không (TLPK) cũ có trong trang bị của quân đội ta như tổ hợp C75M, C125M sẽ không phát huy được hiệu quả do một số hạn chế. Để nâng cao hiệu quả chiến đấu đối với những hệ thống điều khiển tên lửa (ĐKTL) thế hệ cũ có thể cải tiến theo những hướng sau: 1. Tăng khối lượng phần chiến đấu của đạn tên lửa phòng không (TLPK) có điều khiển để tăng xác xuất tiêu diệt mục tiêu. 2. Nâng cao khả năng cơ động của tên lửa bằng cách bổ sung cho tên lửa phương pháp tạo lực và mômen điều khiển mới như phương pháp điều khiển gazđộng [7]. Theo đó, khả năng tác động nhanh và quá tải pháp tuyến tăng đáng kể. 3. Tăng khả năng xử lý thông tin điều khiển, tăng số lượng các kênh quan sát điều khiển, tăng khả năng phát hiện, khả năng chống nhiễu, độ chính xác dẫn tên lửa, khả năng chiến đấu liên tục của tổ hợp…. 4. Tối ưu hóa quỹ đạo bay của tên lửa để tận dụng động năng bay thụ động, mở rộng vùng tiêu diệt (VTD) cho các tổ hợp TLPK bằng cách lựa chọn và xây dựng những phương pháp dẫn (PPD) mới [4,5]. Đối với hai hướng cải tiến đầu tiên, để tăng hiệu quả chiến đấu cho tổ hợp TLPK ta cần can thiệp vào đạn tên lửa và những vấn đề này nội dung nghiên cứu của luận án sẽ không đề cập.
10 Việc tăng số lượng các kênh quan sát điều khiển, tăng khả năng phát hiện mục tiêu có diện tích phản xạ hiệu dụng nhỏ ở cự ly xa và tăng khả năng chống nhiễu bằng cách sử dụng Anten mạng pha và phương pháp xử lý tín hiệu số đã được nhiều tác giả, các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước đề cập đến, được công bố trong nhiều tài liệu. Hướng thứ 4 còn lại là hướng đề tài luận án lựa chọn bởi nhiều lý do, trong đó lý do chính là hướng cải tiến này hoàn toàn không yêu cầu phải can thiệp vào quả đạn, mức độ can thiệp vào đài điều khiển tên lửa (ĐKTL) là tối thiểu. Do đó hướng này khả thi hơn cả trong điều kiện nước ta. II. Phân tích và luận chứng về vấn đề nghiên cứu 1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu trên thế giới: Nếu xem xét theo trình tự những PPD do nước ngoài nghiên cứu đã có ứng dụng, hay những PPD có khả năng ứng dụng và đang trong giai đoạn tìm kiếm ứng dụng thì có thể nhìn thấy bức tranh sau: Những PPD đã có ứng dụng trong các tổ hợp TLPK như: phương pháp ba điểm “T/T”; bắn đón nửa góc “ПС”; “K”; “Quỹ đạo chuẩn”;..., mỗi PPD có một số ưu điểm khác nhau, được tối ưu theo những chỉ tiêu nhất định như: khả năng chống nhiễu tạp tích cực (“T/T”); khả năng tiêu diệt mục tiêu cơ động (“ПС”); khả năng tiêu diệt mục tiêu bay thấp, mục tiêu mặt đất, mặt nước (“K”); khả năng duy trì động năng (“Quỹ đạo chuẩn”); khả năng tăng độ chính xác; ... Cũng dễ nhận thấy rằng, hầu hết các PPD đã có ứng dụng trong thực tế, không có một phương pháp nào đồng thời có thể đáp ứng tất cả các chỉ tiêu hay tối ưu được tất cả các tiêu chuẩn, đảm bảo hiệu quả cao đối với mọi đối tượng mục tiêu [58, 61, 63, 76, 78, ...]. Trong những nghiên cứu về PPD từ xa trên thế giới từ trước tới nay,
11 ngoài các PPD truyền thống, một số hướng nghiên cứu hiện nay tập trung vào cải thiện chất lượng của các PPD từ xa truyền thống [63, 68, 76, 78], một số tiếp cận theo hướng ứng dụng lý thuyết điều khiển tối ưu hoặc ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại [83]. Chủ yếu tập trung vào các hướng nghiên cứu liên quan tới PPD tiếp cận tỉ lệ (TCTL). Các công trình điển hình của hướng nghiên cứu tổng hợp luật dẫn TCTL trên cơ sở ứng dụng lý thuyết điều khiển tối ưu bao gồm [20,35,38,45,46,47,48]. Một số công trình nghiên cứu theo hướng mở rộng và hoàn thiện PPD cho tên lửa tự dẫn bằng TCTL [53,54,55,56,57], v.v... Điểm chung của các nghiên cứu này là bổ sung thêm vào luật dẫn TCTL các thành phần liên quan tới sự cơ động của mục tiêu, góc tiếp cận của tên lửa với mục tiêu,.... bằng các giả thiết là gia tốc mục tiêu là không đổi hoặc là một hàm đã biết theo thời gian dẫn còn lại. Ngoài ra, trên cơ sở sự phát triển của KHCN, máy tính số chuyên dụng ngày càng được sử dụng rộng rãi, cho phép giải quyết các bài toán với số lượng lớn các phép tính trong thời gian ngắn. Các nghiên cứu về PPD sử dụng mạng nơron, giải thuật di truyền, thuật toán tối ưu quần thể (Particle Swarm Optimization PSO) đã được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm. Công trình [27] sử dụng mạng nơron để tổng hợp luật dẫn. Các công trình [50,51,52] đã sử dụng thuật toán PSO để tổng hợp PPD. Các kết quả mô phỏng của các nghiên cứu này đã chỉ ra rằng độ trượt ở điểm cuối của quá trình dẫn nhỏ hơn so với phương pháp TCTL thông thường, đồng thời quá tải tên lửa ở gần điểm gặp là xấp xỉ bằng 0. Thuật toán tối ưu quần thể có ưu điểm về tính ổn định và tính tác động nhanh. 2. Các nghiên cứu trong nước Nghiên cứu hoàn thiện hay đề xuất nghiên cứu PPD mới tối ưu theo
12 những chỉ tiêu như độ chính xác, năng lượng điều khiển hay năng lượng trung bình cả quá trình,... cũng được nhiều nhà khoa học trong nước quan tâm, thể hiện trong các công trình [4,5,9,10]. Trong đó, các tác giả ở công trình [9] đã tổng hợp được PPD hai điểm ứng dụng trong ĐKTX bằng cách sử dụng lý thuyết điều khiển tối ưu. Luật dẫn này có dạng của luật dẫn TCTL trong tự dẫn. Các thành phần trong biểu thức lập lệnh được tính thông qua việc vi phân các tham số động hình học. Công trình này cũng đã chứng minh được khả năng hiện thực hóa PPD hai điểm khi lập lệnh dưới ĐĐK. Từ thực tế khoảng vài năm gần đây, ta đã cải tiến một số tổ hợp TLPK theo chuyển giao công nghệ (CGCN) của nước ngoài. Kết quả nghiệm thu cho thấy hiệu quả của tổ hợp tăng lên rõ rệt, đặc biệt là cự ly xa vùng tiêu diệt (VTD) tăng tới (1.5÷1.8) lần [11]. Tuy nhiên, nếu quan tâm sâu thì ta thấy trong những nội dung đã cải tiến, đạn TLPK không được cải tiến, vậy mấu chốt vấn đề tăng cự ly xa VTD nằm ở đâu? Trong thuyết minh CGCN [11] có nói đến việc thay thế hai PPD cũ là “T/T” và “ПC” bằng hai PPD mới là MTT và КДУ làm cho quỹ đạo bay của tên lửa luôn nằm phía trên đường ngắm đài điều khiển – mục tiêu (ĐĐKMT). Có nghĩa là hiệu quả mở rộng VTD của khí tài cải tiến có nguyên nhân từ việc áp dụng hai PPD mới, cho phép tối ưu hóa quỹ đạo tên lửa, như hướng cải tiến thứ tư đã nêu. Tuy nhiên, trong tài liệu CGCN, thông tin về hai PPD mới ( КДУ và MTT) mà đối tác áp dụng vào khí tài cải tiến (dưới dạng chương trình phần mềm) rất ít ỏi, không tường minh và không có khả năng khai thác được. Từ phân tích trên, luận án đặt ra bài toán “ Nghiên cứu hoàn thiện phương pháp dẫn từ xa theo hướng có lợi về năng lượng tên lửa trên
13 cơ sở lý thuyết điều khiển hiện đại” nhằm xây dựng một PPD mới, áp dụng cho các tổ hợp TLPK có trong trang bị, để mở rộng VTD và đảm bảo độ chính xác dẫn. Vấn đề nghiên cứu trên là hết sức cần thiết và cấp bách. 3. Một số luận giải cho hướng nghiên cứu Luận giải cho việc lựa chọn hướng nghiên cứu được căn cứ trên một số cơ sở và luận điểm sau. Thứ nhất là hướng nghiên cứu không định hướng tới việc tổng hợp ra một PPD hoàn toàn mới về mô hình toán học hay vật lý, mà định hướng tới việc kết hợp những ưu điểm của các PPD đã có, đã tường minh trên cơ sở của một số tiêu chí mới như duy trì động năng của tên lửa trong thời gian bay thụ động và độ chính xác không thấp hơn những PPD đã có. Thứ hai là thuật toán dẫn mới phải đơn giản, không đòi hỏi phải can thiệp sâu vào hệ thống ĐKTL hay làm thay đổi cấu trúc hệ thống và có thể hiện thực hóa bằng nguồn chất xám và vật tư trong nước. Thứ ba là nguồn thông tin sử dụng cho PPD mới phải là những thông tin mà đài ĐKTL tự khai thác được như trước khi cải tiến, không đòi hỏi bổ sung thiết bị cảm biến hay thiết bị đo. Cuối cùng là PPD mới phải được kiểm chứng về hiệu quả và đánh giá khả năng ứng dụng trên cơ sở những thành tựu mới của KHCN liên quan tới hiện thực hóa lý thuyết điều khiển hiện đại, ứng dụng công nghệ số, công nghệ thông tin,... III. Phạm vi, nội dung và phương pháp nghiên cứu 1. Phạm vi và nội dung nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứu: Đề tài luận án giới hạn trong phạm vi nghiên cứu về động lực học tên lửa, động hình học điều khiển thiết bị bay, động
14 học vòng điều khiển (VĐK) kín từ xa TLPK và mô hình hóa toán học VĐK kín bằng mô phỏng. Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các PPD và hệ lập lệnh đài ĐKTL như một khâu nằm trong VĐK kín từ xa. Nội dung nghiên cứu: Theo những luận giải, phạm vi và đối tượng nghiên cứu đã nêu, luận án có nội dung định hướng tới giải quyết những vấn đề cơ bản sau: a) Phân tích đánh giá các phương pháp dẫn từ xa TLPK và xác định bốn bài toán cần giải. (nội dung Chương 1). Chương 1 trình bày: tổng quan về VĐK kín từ xa TLPK; một số PPD từ xa truyền thống áp dụng trong các tổ hợp TLPK; các tham số cơ bản đặc trưng cho PPD; khảo sát, phân tích đánh giá ưu nhược điểm của các PPD truyền thống với các trường hợp mục tiêu khác nhau; cơ sở để đặt bài toán xây dựng PPD mới sử dụng cho TLPK đảm bảo hai tiêu chí là mở rộng VTD và nâng cao độ chính xác dẫn. Tổng hợp PPD từ xa có lợi về động năng tên lửa, thích ứng với mục tiêu cơ động trong giai đoạn bay thụ động trên cơ sở của ba PPD “Cầu vồng”, “Hai điểm” và “Hai điểm góc”. (nội dung Chương 2). Chương 2 trình bày: cơ sở xây dựng PPD cầu vồng (CV), PPD 2 điểm từ xa có tính tới góc tiếp cận (2DGOC); khảo sát đánh giá so sánh hai PPD này với PPD bắn đón nửa góc (ПС); đề xuất hai PPD kết hợp ký hiệu là “CV2D” và “CV2DGOC”; khảo sát, đánh giá hiệu ứng kết hợp các PPD. b) Tối ưu hóa thời điểm chuyển PPD kết hợp bằng thuật toán tối ưu quần thể (PSO). (nội dung Chương 3). Chương 3 trình bày: tổng quan về thuật toán tối ưu quần thể PSO và
15 hướng ứng dụng; sử dụng thuật toán PSO tìm thời điểm chuyển tối ưu giữa hai giai đoạn “CV” và “2D” hoặc “2DGOC” đảm bảo hai tiêu chí: vận tốc và độ trượt theo giá trị cho trước; khảo sát đánh giá hiệu quả và tính ổn định của thuật toán tối ưu PSO. c) Đánh giá hiệu quả mở rộng VTD của PPD kết hợp “CV2DGOC”. (nội dung Chương 4). Chương 4 trình bày: những khái niệm cơ bản về VTD của tổ hợp TLPK; các phương pháp xây dựng VTD; thuật toán xác định giới hạn trên và giới hạn xa VTD cho tổ hợp TLPK khi sử dụng PPD “CV2DGOC”; khảo sát đánh giá hiệu quả mở rộng VTD của PPD “CV2DGOC”. 2. Phương pháp nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu được tiến hành theo hai phương pháp nghiên cứu chủ yếu là: phân tích lý thuyết và mô hình hóa các quá trình, mô phỏng, khảo sát trên máy tính. Nghiên cứu, phân tích lý thuyết dựa trên những lý thuyết sau: Cơ sở xây dựng các hệ thống điều khiển từ xa TLPK, [2,68,76]; Phương pháp động hình học nghiên cứu các hệ thống ĐKTL, [8]; Động lực học và khí động học tên lửa, [13,69]; Lý thuyết điều khiển tối ưu, [16,48]; Lý thuyết xác suất thống kê trong điều khiển, [79]. Mô hình hóa toán học và mô phỏng trên máy tính có nền tảng chủ yếu là mô hình toán học đối tượng và phần mềm Matlab. Để đơn giản hóa việc nghiên cứu, luận án bỏ qua một số yếu tố ít ảnh hưởng tới quỹ đạo của TLPK và chỉ xét những yếu tố cơ bản theo hai giả
16 thiết: Hệ thống điều khiển là lý tưởng. Tốc độ tên lửa là một hàm đã biết theo thời gian. Giả thiết thứ nhất cho phép bỏ qua các sai số của bản thân tên lửa và hệ thống ĐKTL. Khi đó tên lửa sẽ chuyển động chính xác theo quỹ đạo động hình học (ĐHH). Nếu coi tốc độ tên lửa là một hàm đã biết thì các phương trình ĐHH dẫn từ xa, cùng với phương trình PPD có thể giải không phụ thuộc vào các phương trình còn lại của hệ và giả thiết coi hệ thống điều khiển là lý tưởng có thể chấp nhận được. Những nghiên cứu về ĐHH chưa mô tả hết chuyển động thực của tên lửa. Tuy nhiên quỹ đạo động lực học thực tế của tên lửa, với giả thiết khâu tên lửa xấp xỉ lý tưởng, sẽ không khác nhiều quỹ đạo ĐHH của PPD. Nghiên cứu ĐHH quá trình dẫn TLPK, mặc dù là gần đúng, nhưng cũng cho phép ta xây dựng các QĐĐ của TLPK với độ chính xác đủ lớn, đánh giá được độ cong quỹ đạo và xác định được tính chất cơ động cần thiết của tên lửa. Đồng thời cũng cho phép đánh giá thời gian bay của tên lửa và xây dựng vùng phóng, VTD cho các tổ hợp TLPK. Thực tế cho thấy nghiên cứu ĐHH thuần túy không thể cho ta kết luận về sự làm việc của hệ thống điều khiển, về chuyển động thực của tên lửa để đánh giá sai số dẫn. Chỉ có nghiên cứu đồng thời động lực học tên lửa và động học hệ thống dẫn mới cho phép đánh giá một cách đúng đắn. Nghiên cứu động lực học tên lửa với PPD xác định trong cấu trúc đầy đủ của vòng điều khiển (VĐK) kín tên lửa làm cho bài toán lựa chọn PPD trở thành bài toán tổng hợp hệ thống điều khiển có tính đến các đặc tính động của các phần tử hệ thống.
17 IV. Cơ sở lý thuyết và thực tế phục vụ nghiên cứu 1. Cơ sở lý thuyết: a) Cơ sở xây dựng các hệ thống điều khiển từ xa TLPK [2,68,76] phục vụ cho việc lựa chọn một cấu trúc động học điển hình của VĐK kín từ xa với đầy đủ hàm truyền của các khâu và phương pháp xác định các tham số trong hệ thống. Đây là cơ sở chính để kiểm chứng kết quả nghiên cứu là những luật điều khiển mới “CV2D” và “CV2DGOC”. b) Phương pháp động hình học nghiên cứu các hệ thống ĐKTL [8] phục vụ cho nghiên cứu phân tích các PPD như “T/T”, “ ПС”, “CV”, “2D” và “2DGOC” cũng như là lựa chọn PPD để kết hợp tạo ra một PPD mới hiệu quả theo tiêu chí cơ bản mà đề tài đặt ra. c) Động lực học và khí động học tên lửa [13,69] phục vụ cho việc xây dựng mô hình khâu tên lửa, xác định các tham số của khâu và khảo sát phân tích VĐK kín với khâu tên lửa như đối tượng điều khiển. Qua khảo sát, có thể nhận được những đặc trưng vận tốc, quá tải phát huy, độ trượt,... là những cơ sở quan trọng để đánh giá hiệu quả của PPD mới. Lý thuyết điều khiển tối ưu [16,48] phục vụ cho việc phân tích hệ thống là VĐK kín từ xa, phân tích các PPD “2D” và “2DGOC” và lựa chọn sử dụng thuật toán PSO trong quá trình giải bài toán kết hợp các PPD. Lý thuyết xác suất thống kê trong điều khiển [79] phục vụ cho việc xử lý dữ liệu trong quá trình khảo sát bằng mô phỏng để xây dựng các đặc trưng cần thiết, cũng như tính toán xác suất tiêu diệt mục tiêu. 2. Cơ sở thực tế của luận án: a) Trang bị kỹ thuật của hai tổ hợp TLPK có trong trang bị [11,12], hệ thống sơ đồ chức năng, sơ đồ nguyên lý của các thành phần mà đề tài luận án đề cập như: hệ tọa độ [17]; hệ lập lệnh [17]; TLPK có điều khiển có
18 trong trang bị, bộ tham số tính năng kỹ chiến thuật đài ĐKTL. Cơ sở thực tế chính mà luận án lấy làm đối tượng quy chiếu là một hệ thống điều khiển TLPK có thực và đã được cải tiến dạng CGCN. b) Phần mềm MatLab và những công cụ Toolbox của nó để làm thực nghiệm mô phỏng phân đoạn và tổng thể [3]. V. Mục đích, ý nghĩa và những đóng góp mới của luận án 1. Mục đích nghiên cứu: Mục đích chính của đề tài luận án là ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại và lý thuyết điều khiển tên lửa để tổng hợp thuật toán, tổng hợp cấu trúc bổ sung cho hệ lập lệnh đài ĐKTL. Thuật toán và cấu trúc bổ sung là hoàn toàn mới và tối ưu, có tác dụng nâng cao khả năng chiến thuật của tổ hợp là mở rộng VTD mà không cần can thiệp vào đạn TLPK có điều khiển. 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: Ý nghĩa khoa học của luận án là đóng góp bổ sung cho lý thuyết điều khiển tên lửa một giải pháp nâng cao hiệu quả bằng cách cải thiện luật dẫn (luật điều khiển). Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng cho những mục đích nghiên cứu, thiết kế cải tiến hay thiết kế mới các hệ thống điều khiển từ xa TLPK trong các viện, học viện nhà trường hay các cơ sở nghiên cứu. Ý nghĩa thực tiễn của luận án là kết quả cuối cùng hay những kết quả trung gian của luận án đều có tính hiện thực hóa cao, chi phí thấp nên có thể áp dụng để làm những thử nghiệm và thực tế hóa dưới dạng thiết bị 3. Những đóng góp mới về khoa học: Từ kết quả nghiên cứu của đề tài luận án, có thể xác định được những
19 đóng góp mới về khoa học sau đây: a) Đã tổng hợp thành công PPD “CV2DGOC” tối ưu trên cơ sở mô hình của hai PPD “CV” và “2DGOC”. PPD kết hợp mới có tác dụng mở rộng VTD cho tổ hợp TLPK điều khiển từ xa; b) Đã ứng dụng thành công thuật toán tối ưu quần thể (PSO) để tổng hợp phương pháp tìm thời điểm chuyển tối ưu cho PPD kết hợp mới. Tính tối ưu và hội tụ của thời điểm chuyển giai đoạn PPD kết hợp mới đã được kiểm chứng bằng mô phỏng và thống kê; c) Đã xây dựng được phương pháp xác định các đặc trưng giới hạn của VTD tổ hợp TLPK trên cơ sở mô hình và cấu trúc đầy đủ của VĐK kín từ xa cho TLPK có ứng dụng PPD kết hợp mới “CV2DGOC”.
20 CHƯƠNG 1 PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG PHÁP DẪN TỪ XA TÊN LỬA PHÒNG KHÔNG VÀ ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Hệ thống điều khiển từ xa tên lửa phòng không theo lệnh vô tuyến Đặc điểm của một hệ thống tên lửa phòng không (TLPK) điều khiển từ xa bằng lệnh vô tuyến là lệnh điều khiển được hình thành trên cơ sở hai nguồn thông tin về mục tiêu và tên lửa, xác định bởi đài điều khiển mặt đất thông qua quan hệ động hình học tên lửa – mục tiêu (TLMT). Để TLPK có thể gặp và tiêu diệt mục tiêu, chuyển động của tên lửa nhất thiết phải gắn liền với chuyển động của mục tiêu thông qua một quy luật động hình học (ĐHH) xác định. Quy luật này xác định chuyển động của tên lửa ở thời điểm bất kỳ và bảo đảm sự tiếp cận tới mục tiêu, nó thường được gọi là phương pháp dẫn (PPD). Quá trình bay của tên lửa có điều khiển bằng lệnh vô tuyến tiếp cận tới mục tiêu theo PPD được gọi là quá trình dẫn. Theo lý thuyết [2] PPD từ xa đối với TLPK là vô hạn, tuy nhiên chỉ những PPD có hiệu quả mới được sử dụng. Khái niệm về hệ thống điều khiển từ xa (ĐKTX) được hiểu là tập hợp các phương tiện kỹ thuật mặt đất có chức năng thu thập, xử lý thông tin về mục tiêu và tên lửa, hình thành lệnh điều khiển, truyền theo đường vô tuyến lên tên lửa trong không gian, bảo đảm cho tên lửa tạo ra lực và mômen chuyển động theo một quỹ đạo tính toán, tiếp cận tới mục tiêu, tiêu diệt mục tiêu bằng năng lượng của phần chiến đấu (PCĐ) với