Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu nâng cao chất lượng hoạt động của đầu tự dẫn hồng ngoại cho thiết bị bay có điều khiển trên cơ sở hoàn thiện bộ định hướng và luật dẫn tiếp cận tỷ lệ tăng cường

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:158

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu nâng cao chất lượng hoạt động của đầu tự dẫn hồng ngoại cho thiết bị bay có điều khiển trên cơ sở hoàn thiện bộ định hướng và luật dẫn tiếp cận tỷ lệ tăng cường" trình bày tổng quan các công trình nghiên cứu và các hệ thống điều khiển tên lửa phòng không tự dẫn hồng ngoại; Tổng hợp thuật toán ước lượng trạng thái hệ phi tuyến trong bài toán xác định tọa độ góc mục tiêu của bộ định hướng con quay quang điện tử; Nghiên cứu phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ tăng cường có tính đến lượng bù dịch tâm điểm ngắm mục tiêu cho lớp tên lửa tự dẫn hồng ngoại.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu nâng cao chất lượng hoạt động của đầu tự dẫn hồng ngoại cho thiết bị bay có điều khiển trên cơ sở hoàn thiện bộ định hướng và luật dẫn tiếp cận tỷ lệ tăng cường

P-i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ĐOÀN VĂN THÚY NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU TỰ DẪN HỒNG NGOẠI CHO THIẾT BỊ BAY CÓ ĐIỀU KHIỂN TRÊN CƠ SỞ HOÀN THIỆN BỘ ĐỊNH HƯỚNG VÀ LUẬT DẪN TIẾP CẬN TỶ LỆ TĂNG CƯỜNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2022
ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ĐOÀN VĂN THÚY NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HOẠT ĐỘNG CỦA ĐẦU TỰ DẪN HỒNG NGOẠI CHO THIẾT BỊ BAY CÓ ĐIỀU KHIỂN TRÊN CƠ SỞ HOÀN THIỆN BỘ ĐỊNH HƯỚNG VÀ LUẬT DẪN TIẾP CẬN TỶ LỆ TĂNG CƯỜNG Ngành : Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số : 9 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯíNG DẪN KHOA HỌC 1. TS Nguyễn Xuân Căn 2. TS Phan Tương Lai HÀ NỘI – 2022
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Nghiên cứu sinh Đoàn Văn Thúy
ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất tới TS Nguyễn Xuân Căn và TS Phan Tương Lai là hai người thầy đã trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo tận tình, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án. Tôi gửi lời cảm ơn chân thành Phòng Đào tạo – Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Viện Tên lửa, Viện Tự động hóa Kỹ thuật quân sự, đã tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành bản luận án. Trân trọng cảm ơn gia đình, bè bạn đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện cho tôi hoàn thành bản luận án này. Nghiên cứu sinh Đoàn Văn Thúy
iii MỤC LỤC Trang MỤC LỤC ....................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ........................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................... x DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................ xiii MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TÊN LỬA PHÒNG KHÔNG TỰ DẪN HỒNG NGOẠI ....................................................................................... 8 1.1. Bộ định hướng con quay quang điện tử và phương pháp xác định tọa độ mục tiêu trên tên lửa tự dẫn hồng ngoại................................................. 9 1.1.1. Bộ định hướng con quay quang điện tử trên đầu tự dẫn tên lửa hồng ngoại ........................................................................................................ 9 1.1.2. Nguyên lý xác định tọa độ mục tiêu trong bộ định hướng con quay quang điện tử .................................................................................................. 11 1.2. Các phương pháp dẫn điển hình của lớp tên lửa tự dẫn hồng ngoại ........ 13 1.2.1. Phương pháp dẫn thẳng ........................................................................ 14 1.2.2. Phương pháp dẫn tiếp cận song song .................................................... 15 1.2.3. Phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ ............................................................. 17 1.3. Phân tích các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về hệ thống điều khiển tự dẫn của lớp tên lửa phòng không tự dẫn hồng ngoại ................ 18 1.3.1. Bài toán hoàn thiện, nâng cao chất lượng xử lý tín hiệu, bám sát mục tiêu cho bộ định hướng con quay quang điện tử trên đầu tự dẫn tên lửa ........ 18 1.3.2. Bài toán cải tiến phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ cho lớp tên lửa tự dẫn hồng ngoại ........................................................................................... 25 1.4. Đặt vấn đề nghiên cứu cho luận án .......................................................... 28
iv 1.5. Kết luận chương 1.................................................................................... 29 CHƯƠNG 2 TỔNG HỢP THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG TRẠNG THÁI HỆ PHI TUYẾN TRONG BÀI TOÁN XÁC ĐỊNH TỌA ĐỘ GÓC MỤC TIÊU CỦA BỘ ĐỊNH HƯỚNG CON QUAY QUANG ĐIỆN TỬ .............. 31 2.1. Nghiên cứu các phương pháp điều chế tín hiệu trong bộ định hướng con quay quang điện tử của TLPK tự dẫn hồng ngoại ................................... 31 2.1.1. Phương pháp điều chế biên độ - pha ..................................................... 32 2.1.2. Phương pháp điều chế tần số - pha ....................................................... 36 2.2. Ứng dụng thuật toán lọc Kalman phi tuyến để ước lượng tọa độ góc của mục tiêu trong phương pháp điều chế tần số - pha................................... 40 2.2.1. Ước lượng trạng thái với bộ lọc Kalman tuyến tính ............................. 40 2.2.2. Ước lượng trạng thái hệ phi tuyến với bộ lọc Kalman mở rộng ........... 45 2.2.3. Ước lượng trạng thái hệ phi tuyến với bộ quan sát Kalman thích nghi 48 2.3. Ứng dụng thuật toán lọc Kalman phi tuyến để ước lượng tọa độ góc mục tiêu trong phương pháp điều chế tần số - pha ......................................... 50 2.3.1. Mô hình trạng thái phi tuyến của tín hiệu điều chế tần số - pha FM mang thông tin về mục tiêu ............................................................................ 50 2.3.2. Tổng hợp bộ quan sát trạng thái sử dụng lọc Kalman phi tuyến để ước lượng tọa độ góc mục tiêu ....................................................................... 52 2.4. Kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink ................................................ 56 2.5. Kết luận chương 2.................................................................................... 64 CHƯƠNG 3 TỔNG HỢP THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÁM ROTOR CON QUAY CỦA BỘ ĐỊNH HƯỚNG TRÊN TÊN LỬA HỒNG NGOẠI ................................................. 66 3.1. Mô hình toán hệ truyền động bám rotor con quay trong bộ định hướng của đầu tự dẫn tên lửa hồng ngoại ....................................................... 67 3.1.1. Bộ dẫn động rotor con quay nam châm vĩnh cửu trong bộ định hướng 67
v 3.1.2. Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động bám rotor con quay trong bộ định hướng của tên lửa hồng ngoại ......................................................................... 74 3.1.3. Mô hình trạng thái hệ truyền động bám rotor con quay đầu tự dẫn tên lửa hồng ngoại .................................................................................... 78 3.2. Bộ điều khiển PID theo tiêu chuẩn ITAE trong hệ truyền động bám của rotor con quay .......................................................................................... 80 3.3. Điều khiển tối ưu toàn phương tuyến tính và ứng dụng trong hệ truyền động bám của rotor con quay .............................................................. 83 3.3.1. Bài toán điều khiển tối ưu với phiếm hàm dạng toàn phương .............. 84 3.3.2. Tổng hợp bộ điều khiển tối ưu theo tiêu chuẩn toàn phương tuyến tính cho hệ truyền động bám của rotor con quay đầu tự dẫn .......................... 87 3.4. Mô phỏng và đánh giá chất lượng hệ truyền động bám rotor con quay trong Matlab/Simulink ........................................................................... 88 3.4.1. Tiến hành mô phỏng trên môi trường Matlab/Simulink ....................... 88 3.4.2. Kết quả nghiên cứu mô phỏng và đánh giá chất lượng của hệ thống ... 90 3.5. Kết luận chương 3.................................................................................... 96 CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP DẪN TIẾP CẬN TỶ LỆ TĂNG CƯỜNG CÓ TÍNH ĐẾN LƯỢNG BÙ DỊCH TÂM ĐIỂM NGẮM MỤC TIÊU CHO CHO LỚP TÊN LỬA TỰ DẪN HỒNG NGOẠI ............. 97 4.1. Xây dựng vòng điều khiển kín cho tên lửa tự dẫn trong mặt phẳng thẳng đứng ...................................................................................................... 98 4.1.1. Mô hình động hình học tự dẫn TL-MT có tính đến sự cơ động của mục tiêu .......................................................................................................... 98 4.1.2. Sơ đồ cấu trúc vòng điều khiển kín tên lửa tự dẫn hồng ngoại ........... 101 4.2. Nghiên cứu phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ tăng cường có tính đến bù dịch tâm điểm ngắm ở pha cuối quá trình tự dẫn..................................... 103 4.3. Giải pháp kỹ thuật để thực hiện được phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ tăng cường ................................................................................................ 108
vi 4.3.1. Luận giải vấn đề.................................................................................. 108 4.3.2. Xây dựng hệ phương trình trạng thái phi tuyến của mô hình động hình học TL-MT ........................................................................................... 110 4.3.3. Tổng hợp bộ lọc Kalman mở rộng ước lượng tham số trạng thái của mục tiêu trong vòng điều khiển tự dẫn ................................................... 111 4.4. Kết quả mô phỏng vòng điều khiển kín tự dẫn tên lửa trong mặt phẳng thẳng đứng ......................................................................................... 113 4.4.1. Tham số mô phỏng vòng điều khiển kín tên lửa tự dẫn hồng ngoại ... 113 4.4.2. Kết quả mô phỏng phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ tăng cường khi mục tiêu là máy bay phản lực ....................................................................... 115 4.4.3. Kết quả mô phỏng phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ tăng cường khi mục tiêu là máy bay trực thăng ..................................................................... 119 4.4.4. Kết quả mô phỏng ước lượng trạng thái của mục tiêu sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng ..................................................................................... 123 4.5. Kết luận chương 4.................................................................................. 126 KẾT LUẬN .................................................................................................. 127 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .............. 129 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 130 PHỤ LỤC ..................................................................................................... P-1
vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT aTL Gia tốc tên lửa ( m / s 2 ) aMT Gia tốc mục tiêu ( m / s 2 ) t aTL Gia tốc tiếp tuyến của tên lửa ( m / s 2 ) t aMT Gia tốc tiếp tuyến của mục tiêu ( m / s 2 ) n aTL Gia tốc pháp tuyến của tên lửa ( m / s 2 ) n aMT Gia tốc pháp tuyến của mục tiêu ( m / s 2 ) BM Cảm ứng từ trường của nam châm vĩnh cửu ( T ) BT Cảm ứng từ trường của cuộn dây điều khiển con quay ( T ) D Cự ly tương đối giữa TL và MT ( m ) Dp Cự ly tương đối TL-MT trong luật dẫn tỷ lệ truyền thống ( m ) Dq Cự ly tương đối TL-MT trong luật dẫn tỷ lệ tăng cường ( m ) fc Tần số sóng mang của tín hiệu điều chế ( Hz ) fq Tần số quay của đĩa điều chế ( Hz ) H Mô men động lượng của rotor con quay ( Nms ) I0 Dòng điện của cuộn dây điều khiển con quay ( A ) Jr Mô men quán tính của rotor con quay ( Nms 2 ) Mk Mô men của cuộn dây điều khiển ( Nm ) N0 Hằng số dẫn Nd Số rẻ quạt trong suốt của đĩa điều chế Oxg y g z g Hệ trục tọa độ cố định, gắn liền với tên lửa Oxk yk zk Hệ trục tọa độ đo, gắn liền với rotor con quay O* xk* yk* zk* Hệ tọa độ gắn với mặt phẳng mục tiêu
viii Rd Khoảng cách dịch chuyển tâm điểm ngắm mục tiêu ( m ) sFM (t ) Tín hiệu điều chế FM mang thông tin mục tiêu ( V ) uFM (t ) Tín hiệu sai lệch bám sát mục tiêu ( V ) VFM Biên độ của tín hiệu điều chế FM ( V ) VTL Vận tốc tên lửa ( m / s ) VMT Vận tốc mục tiêu ( m / s ) Vtc Vận tốc tiếp cận TL-MT ( m / s )  D0 Vector đơn vị của cự ly  X 10 Vector đơn vị của trục dọc tên lửa α Góc pha của ảnh mục tiêu ( 0 ) β0 Hệ số điều chế FM φ Góc đường ngắm TL-MT của vector cự ly ( 0 ) φp Góc đường ngắm TL-MT trong luật dẫn tỷ lệ truyền thống ( 0 ) φq Góc đường ngắm TL-MT trong luật dẫn tỷ lệ tăng cường ( 0 )  φ tn Lệnh bù thích nghi dịch tâm điểm ngắm mục tiêu ( 0 /s ) θ MT Góc nghiêng quỹ đạo mục tiêu ( 0 )  FM (t ) Pha của của tín hiệu điều chế FM ( 0 )  Góc chúc ngóc ( 0 ) ψk Góc lệch hướng ( 0 ) θM Góc lệch của mục tiêu so với trục Oxg ( 0 ) θTL Góc nghiêng trục dọc tên lửa ( 0 ) ρ Bán kính ảnh mục tiêu so với gốc tọa độ O ( mm ) ω Vận tốc góc của rotor con quay ( 0 /s ) ωD Tốc độ góc đường ngắm TL-MT ( 0 /s )
ix M Từ thông của rotor nam châm vĩnh cửu AEKF Bộ lọc thích nghi Kalman (Adaptive Extended Kalman Filter) AM Điều chế biên độ - pha (Amplitude Modulation) EKF Bộ lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman Filter) FM Điều chế tần số - pha (Frequency Modulation) ITAE Tiêu chuẩn ITAE (Integral of Time-weighted Absolute Error) KF Bộ lọc Kalman (Kalman Filter) Điều khiển tối ưu toàn phương tuyến tính (Linear Quadratic LQR Regulator) MT Mục tiêu PID Bộ điều khiển PID PLL Vòng khóa pha (Phase Loop Lock) RMSE Sai số trung bình bình phương (Root Mean Square Erorr) SNR Tỷ số tín trên tạp (Signal to Noise Ration) TAG Dẫn thích nghi theo mục tiêu (Target adaptive guidance) TBB Thiết bị bay TL Tên lửa TLPK Tên lửa phòng không TLPKTT Tên lửa phòng không tầm thấp TL-MT Tên lửa – Mục tiêu ГОН Tín hiệu điện áp chuẩn
x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Sơ đồ vòng điều khiển bộ định hướng con quay quang điện tử........ 9 Hình 1.2. Sơ đồ mô tả tọa độ mục tiêu trong hệ thống quang của bộ định hướng .............................................................................................................. 12 Hình 1.3. Các góc không gian của tên lửa trong hệ tọa độ Oxg y g z g ............. 14 Hình 1.4. Quỹ đạo TL-MT trong phương pháp dẫn tiếp cận song song ......... 16 Hình 1.5. Phối bộ tổ hợp tên lửa phòng không tầm thấp tự dẫn hồng ngoại: . 19 Hình 1.6. Thay đổi vị trí điểm chạm trên mục tiêu bay với lệnh bù dịch tâm điểm ngắm ............................................................................................... 26 Hình 2.1. Các vị trí ảnh mục tiêu trên đĩa điều chế biên độ - pha .................. 33 Hình 2.2. Đặc tuyến truyền đạt biên độ của điều chế biên độ - pha ............... 34 Hình 2.3. Giản đồ tín hiệu trong phương pháp điều chế biên độ - pha ........... 35 Hình 2.4. Giản đồ tín hiệu trong phương pháp điều chế tần số - pha ............. 37 Hình 2.5. Đặc trưng hệ số truyền đạt K của điều chế tần số - pha.................. 37 Hình 2.6. Ước lượng trạng thái với bộ lọc Kalman ........................................ 40 Hình 2.7. Sơ đồ cấu trúc của bộ ước lượng trạng thái Kalman tuyến tính ..... 45 Hình 2.8. Lưu đồ thuật toán tổng hợp bộ ước lượng trạng thái sử dụng lọc Kalman mở rộng ước lượng tín hiệu sai lệch bám sát mục tiêu ..................... 55 Hình 2.9. Lưu đồ thuật toán tổng hợp bộ ước lượng trạng thái sử dụng lọc Kalman thích nghi để ước lượng tín hiệu sai lệch bám sát mục tiêu .............. 56 Hình 2.10. Sơ đồ cấu trúc mô phỏng xử lý tín hiệu điều chế FM với hai bộ lọc EKF và AEKF ...................................................................................... 58 Hình 2.11. Tín hiệu đầu vào bộ lọc: ............................................................... 59 Hình 2.12. Kết quả ước lượng tín hiệu sai lệch bám sát mục tiêu .................. 59 Hình 2.13. So sánh kết quả ước lượng góc pha và biên độ ............................. 60 Hình 2.14. Tín hiệu đầu vào bộ lọc: ............................................................... 61 Hình 2.15. Kết quả ước lượng tín hiệu sai lệch bám sát mục tiêu .................. 62
xi Hình 2.16. So sánh kết quả ước lượng góc pha và biên độ của tín hiệu ......... 62 Hình 3.1. Hệ tọa độ trong bộ dẫn động con quay ........................................... 68 Hình 3.2. Bộ định hướng trên đầu tự dẫn tên lửa hồng ngoại......................... 68 Hình 3.3. Sơ đồ cấu trúc bộ dẫn động con quay ............................................. 72 Hình 3.4. Biểu diễn góc xác định hướng mục tiêu ......................................... 72 Hình 3.5. Sơ đồ cấu trúc mô hình bộ định hướng con quay quang điện tử ... 73 Hình 3.6. Sơ đồ các hệ tọa độ mục tiêu trong bám sát con quay .................... 74 Hình 3.7. Sơ đồ cấu trúc truyền động bám của rotor con quay ...................... 78 Hình 3.8. Sơ đồ cấu trúc truyền động bám của rotor con quay ...................... 79 Hình 3.9. Sơ đồ điều khiển PID-ITAE truyền động bám của rotor con quay. 81 Hình 3.10. Sơ đồ bộ điều khiển phản hồi trạng thái tối ưu LQR ................... 87 Hình 3.11. Sơ đồ Simulink hệ truyền động rotor con quay trong mặt phẳng thẳng đứng với bộ điều khiển PID-ITAE ............................................. 89 Hình 3.12. Sơ đồ Simulink mô phỏng hệ truyền động bám rotor con quay với bộ điều khiển tối ưu ......................................................................... 90 Hình 3.13. Mô hình đối tượng điều khiển ..................................................... 90 Hình 3.14. Đặc tính quá độ đáp ứng đầu ra góc bám trục rotor con quay ...... 91 Hình 3.15. Đặc tính quá độ đáp ứng đầu ra góc bám trục rotor con quay ...... 93 Hình 3.16. Đặc tuyến bám sát góc khi mục tiêu di chuyển ............................ 94 Hình 3.17. Đặc tuyến bám sát góc khi mục tiêu di chuyển có tính tới ảnh hưởng của nhiễu ngoài .................................................................................... 95 Hình 4.1. Tương quan động hình học tự dẫn tên giữa tên lửa với mục tiêu ... 98 Hình 4.2. Mô hình động hình học tự dẫn TL-MT ......................................... 101 Hình 4.3. Sơ đồ cấu trúc vòng điều khiển kín tên lửa tự dẫn hồng ngoại ..... 102 Hình 4.4. Tương quan động hình học tự dẫn tên giữa tên lửa với mục tiêu khi có dịch chuyển điểm ngắm .............................................................. 104 Hình 4.5. Sơ đồ vòng bám sát con quay có tính tới lệnh bù thích nghi ........ 105 Hình 4.6. Lưu đồ thuật toán tổng bộ lọc Kalman mở rộng EKF ước lượng trạng thái của mục tiêu trong vòng điều khiển tự dẫn ........................ 112
xii Hình 4.7. Sơ đồ cấu trúc mô phỏng vòng điều khiển kín tên lửa tự dẫn hồng ngoại .................................................................................................... 113 Hình 4.8. Mô hình khối tự động lái .............................................................. 114 Hình 4.9. Khối điều khiển mô phỏng luật dẫn tiếp cận tỷ lệ tăng cường ..... 114 Hình 4.10. Mô hình gia tốc mục tiêu ở đầu vào vòng điều khiển kín ........... 115 Hình 4.11. Quỹ đạo TL-MT khi bắn đuổi mục tiêu máy bay phản lực ........ 116 Hình 4.12. Đồ thị gia tốc của tên lửa khi bắn đuổi mục tiêu máy bay phản lực ........................................................................................................ 116 Hình 4.13. Đồ thị đặc tuyến lệnh bù thích nghi dịch tâm điểm ngắm khi bắn đuổi mục tiêu máy bay phản lực ...................................................... 117 Hình 4.14. Quỹ đạo TL-MT khi bắn đón mục tiêu máy bay phản lực ......... 117 Hình 4.15. Đồ thị gia tốc của tên lửa khi bắn đón mục tiêu máy bay phản lực ........................................................................................................ 118 Hình 4.16. Đồ thị đặc tuyến lệnh bù thích nghi dịch tâm điểm ngắm mục tiêu khi bắn đón mục tiêu máy bay phản lực ........................................ 118 Hình 4.17. Kết quả mô phỏng luật dẫn tỷ lệ tăng cường khi bắn đuổi mục tiêu máy bay trực thăng: a – Quỹ đạo TL-MT; b – Gia tốc của tên lửa....... 120 Hình 4.18. Đồ thị đặc tuyến lệnh bù thích nghi dịch tâm điểm ngắm khi bắn đuổi mục tiêu máy bay trực thăng.................................................... 121 Hình 4.19. Kết quả mô phỏng luật dẫn tỷ lệ tăng cường khi bắn đón mục tiêu máy bay trực thăng: a – Quỹ đạo TL-MT; b – Gia tốc của tên lửa....... 121 Hình 4.20. Đồ thị đặc tuyến lệnh bù thích nghi dịch tâm điểm ngắm mục tiêu khi bắn đón mục tiêu máy bay trực thăng ...................................... 122 Hình 4.21. Kiểm tra tính quan sát được của hệ thống .................................. 124 Hình 4.22. Ước lượng cự ly mục tiêu ........................................................... 124 Hình 4.23. Ước lượng vận tốc tiếp cận TL-MT ............................................ 125 Hình 4.24. Ước lượng gia tốc mục tiêu ........................................................ 125
xiii DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1: So sánh sai số trung bình bình phương .......................................... 63 Bảng 3.1: Đa thức đặc trưng theo tiêu chuẩn ITAE ....................................... 82 Bảng 3.2: So sánh đặc tính quá trình quá độ .................................................. 91 Bảng 3.3: So sánh đặc tính quá trình quá độ .................................................. 93 Bảng 4.1: So sánh độ trượt tức thời khi mục tiêu là máy bay phản lực ........ 119 Bảng 4.2: So sánh độ trượt tức thời khi mục tiêu là máy bay trực thăng ..... 123
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Chất lượng hoạt động của hệ thống điều khiển tên lửa (TL) tự dẫn hồng ngoại (thiết bị bay (TBB) tự dẫn hồng ngoại) phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó độ chính xác xác định tọa độ góc mục tiêu (MT) và luật dẫn TL được áp dụng đóng vai trò quan trọng. Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển TL tự dẫn hồng ngoại trên cơ sở cải thiện hoạt động của bộ định hướng (bộ tọa độ bám sát mục tiêu) đầu tự dẫn con quay quang điện tử và cải tiến phương pháp dẫn TL đang giành được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học ở cả trong và ngoài nuớc, trong đó có các hướng nghiên cứu chính sau: Hướng thứ nhất là tiếp tục nghiên cứu cải tiến hệ thống xử lý thông tin của bộ định hướng đầu tự dẫn hồng ngoại trên cơ sở các phương pháp điều khiển, xử lý tín hiệu truyền thống nhằm nâng cao khả năng phát hiện và bám sát MT. Trong đó, vấn đề đầu tiên trong hướng này là tập trung nghiên cứu, chế tạo các loại quang trở hồng ngoại có tạp thấp, độ nhạy cao và hằng số thời gian nhỏ để có thể nhạy cảm được với bức xạ hồng ngoại của MT có cường độ thấp và bước sóng dài [4], [17], [47], [65]. Giải pháp bố trí quang trở trong bộ định hướng con quay quang điện tử tối ưu với các đường dẫn quang học cũng được nghiên cứu hợp lý để vừa thu được cường độ bức xạ hồng ngoại lớn nhất từ MT, vừa không bị các cơ cấu cơ khí của bộ dẫn động con quay ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu. Vấn đề thứ hai trong hướng này là nghiên cứu ứng dụng các thuật toán điều khiển mới, kết hợp với các thuật toán lọc số hiện đại để xử lý, nâng cao chất lượng bám sát MT của bộ định hướng con quay quang điện tử trên đầu tự dẫn TL hồng ngoại [15], [16], [40]. Hướng thứ hai trong việc nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển TL tự dẫn hồng ngoại là tối ưu hóa quỹ đạo bay tự dẫn tên lửa – mục tiêu (TL-MT)
2 [25], [36], [43], [44], [51], [55]. Đối với hầu hết các loại TL tự dẫn có mục đích tiêu diệt các MT kích thước nhỏ và cự ly gần thường dùng phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ truyền thống. Thực hiện phương pháp dẫn này trên các hệ thống kỹ thuật cụ thể cũng chỉ đạt được ở mức tương đối. Khi MT có khả năng cơ động cao, thì hiệu quả của phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ giảm đáng kể. Hiện nay, các kết quả nghiên cứu về lĩnh vực điều khiển TL tự dẫn hồng ngoại được công bố công khai theo các hướng nghiên cứu trên là rất đáng khích lệ, tuy nhiên vẫn còn nhiều bài toán còn để ngỏ, cần được tiếp tục đi sâu nghiên cứu và hoàn thiện. Đề tài luận án “Nghiên cứu nâng cao chất lượng hoạt động của đầu tự dẫn hồng ngoại cho thiết bị bay có điều khiển trên cơ sở hoàn thiện bộ định hướng và luật dẫn tiếp cận tỷ lệ tăng cường” hướng tới việc nghiên cứu, giải các bài toán trong hai hướng nghiên cứu trên. Trong đó, luận án tập trung nghiên cứu các thuật toán lọc và điều khiển hiện đại để nâng cao chất lượng hệ đo bám tọa độ MT của bộ định hướng con quay quang điện tử; tổng hợp, cải tiến luật dẫn TL đảm bảo độ chính xác dẫn cao khi MT cơ động, có tính tới sai lệch giữa tâm vùng bức xạ hồng ngoại và trọng tâm của MT nhằm nâng cao chất lượng điều khiển và hiệu quả chiến đấu cho lớp TL phòng không tự dẫn hồng ngoại thụ động chỉ có một kênh đo tốc độ góc đường ngắm TL- MT. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Luận án đặt vấn đề nghiên cứu là bài toán phát hiện, xử lý thông tin bám sát mục tiêu, tối ưu hóa quỹ đạo bay tiếp cận mục tiêu cho lớp TL phòng không tự dẫn hồng ngoại trên cơ sở tổng hợp các thuật toán lọc, điều khiển tối ưu và luật dẫn tiếp cận tỷ lệ tăng cường nhằm hoàn thiện bộ định hướng con quay quang điện tử để nâng cao hiệu quả chiến đấu cho lớp TL tự dẫn hồng ngoại.
3 3. Nội dung nghiên cứu của luận án Nội dung chủ yếu của luận án sẽ tập trung giải quyết các vấn đề chính sau: - Xây dựng mô hình toán học của tín hiệu điều chế tần số - pha mang thông tin về mục tiêu; đề xuất nghiên cứu ứng dụng các bộ lọc Kalman phi tuyến trong bài toán giải điều chế và xác định tọa độ góc mục tiêu của bộ định hướng con quay quang điện tử trên đầu tự dẫn tên lửa hồng ngoại; - Nghiên cứu tổng hợp thuật toán điều khiển tối ưu cho hệ truyền động bám rotor con quay của bộ định hướng trên đầu tự dẫn tên lửa hồng ngoại để nâng cao khả năng bám sát mục tiêu cơ động; - Tổng hợp luật dẫn tiếp cận tỷ lệ tăng cường trong vòng điều khiển tự dẫn TL-MT cho lớp tên lửa tự dẫn hồng ngoại, có tính đến lượng bù dịch tâm điểm ngắm mục tiêu ở pha cuối của quá trình tự dẫn để nâng cao xác suất tiêu diệt mục tiêu; - Nghiên cứu ứng dụng bộ lọc Kalman mở rộng trong vòng điều khiển tự dẫn TL-MT để ước lượng các tham số mục tiêu mà bộ định hướng con quay quang điện tử không đo được; - Mô phỏng kiểm chứng các kết quả của luận án. 4. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: đối tượng nghiên cứu của luận án là lớp tên lửa phòng không (TLPK) tầm thấp sử dụng đầu tự dẫn hồng ngoại thụ động với một kênh đo tốc độ góc đường ngắm TL-MT. Phạm vi nghiên cứu: phạm vi nghiên cứu của luận án được hạn chế trong khuôn khổ mô hình toán học vòng điều khiển kín của lớp TL tự dẫn hồng ngoại có tính đến các yếu tố phi tuyến trong một mặt phẳng thẳng đứng. Luận án sử dụng mô hình động hình học tự dẫn TL-MT làm nền tảng, kết hợp với lý
4 thuyết lọc và ước lượng trạng thái trong hệ thống điều khiển, lý thuyết điều khiển tối ưu, luật dẫn tên lửa làm công cụ giải quyết các bài toán đặt ra. 5. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết: Dựa trên hai nguồn kiến thức từ tài liệu công nghệ chuyển giao và từ các cơ sở lý thuyết, khái niệm, nguyên lý cơ bản để nghiên cứu làm sáng tỏ nguyên lý của hệ thống điều khiển tên lửa tự dẫn hồng ngoại. Vận dụng lý thuyết về các bộ lọc phi tuyến và ước lượng trạng thái trong hệ thống điều khiển để giải điều chế, xử lý tín hiệu mang thông tin về mục tiêu thu được sau quang trở trong điều kiện có nhiễu tác động. Vận dụng lý thuyết về điều khiển tối ưu để nâng cao độ chính xác quá trình bám sát mục tiêu trong vòng điều khiển bám sát mục tiêu của rotor con quay trong bộ định hướng của đầu tự dẫn. Vận dụng lý thuyết về phương pháp dẫn tên lửa để xây dựng và cải tiến phương pháp tiếp cận tỷ lệ truyền thống. Từ đó, tiến hành xây dựng luật dẫn tiếp cận tỷ lệ tăng cường cho lớp tên lửa tự dẫn hồng ngoại. Nghiên cứu mô phỏng: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với sử dụng kỹ thuật mô phỏng bằng Matlab/Simulink để chứng minh và đánh giá hiệu quả của các thuật toán được xây dựng, tổng hợp trong luận án. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: Việc nghiên cứu, ứng dụng các thuật toán lọc và điều khiển trong bộ định hướng con quay quang điện tử và vòng điều khiển kín động học tên lửa – mục tiêu cho lớp tên lửa tự dẫn hồng ngoại là hướng nghiên cứu mới. Hiện nay, các nội dung nghiên cứu này đang được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm và phát triển. Đây là hướng đi tiếp cận với sự phát triển của khoa học công nghệ nhằm tạo ra một lớp TL tự dẫn hồng ngoại linh hoạt, đáng tin cậy, đáp ứng được yêu cầu thực tiễn của chiến tranh hiện đại.
5 Ý nghĩa thực tiễn: Bài toán phát hiện, xử lý thông tin bám sát mục tiêu, tối ưu hóa quỹ đạo bay tiếp cận mục tiêu cho lớp TL tự dẫn hồng ngoại rất có ý nghĩa trong thực tế khi cải tiến và nâng cao chất lượng của khí tài quân sự, đặc biệt là đối với chương trình nhiệm vụ cấp quốc gia về nghiên cứu, cải tiến, nâng cấp vũ khí TL phòng không tự dẫn hồng ngoại hiện nay. 7. Bố cục của luận án Bố cục luận án bao gồm: phần mở đầu; bốn chương nội dung; phần kết luận; danh mục tài liệu tham khảo và phụ lục, với những nội dung chính sau: Mở đầu: Phần mở đầu trình bày tính cấp thiết của đề tài luận án, khái quát chung về mục tiêu, đối tượng, nội dung, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án. Chương 1: Tổng quan các công trình nghiên cứu và các hệ thống điều khiển tên lửa phòng không tự dẫn hồng ngoại. Trong chương 1, luận án trình bày tổng quan về bộ định hướng con quay quang điện tử, phương pháp xác định tọa độ mục tiêu trên đầu tự dẫn TL hồng ngoại thụ động; về các phương pháp dẫn điển hình của lớp TL tự dẫn hồng ngoại thụ động; phân tích đánh giá tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về nâng cao chất lượng hoạt động của bộ định hướng con quay quang điện tử và luật dẫn tên lửa làm cơ sở để đặt ra các vấn đề nghiên cứu cho luận án. Chương 2: Tổng hợp thuật toán ước lượng trạng thái hệ phi tuyến trong bài toán xác định tọa độ góc mục tiêu của bộ định hướng con quay quang điện tử. Chương 2 của luận án trình bày về các bộ ước lượng trạng thái và lọc Kalman phi tuyến được ứng dụng trong bài toán phát hiện và xử lý tín hiệu bám sát mục tiêu của bộ định hướng tên lửa tự dẫn hồng ngoại. Trên cơ sở mô tả sơ đồ chức năng của bộ định hướng con quay quang điện tử trên đầu tự dẫn hồng