Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tổng hợp thuật toán dẫn và điều khiển máy lái cho một lớp thiết bị bay hai kênh quay quanh trục dọc

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:152

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu tổng hợp thuật toán dẫn và điều khiển máy lái cho một lớp thiết bị bay hai kênh quay quanh trục dọc" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về TBB hai kênh và vấn đề tổng hợp lệnh cho TBB tiếp cận mục tiêu cơ động trên không; Xây dựng mô hình mô tả quá trình tạo gia tốc pháp tuyến và điều khiển TBB hai kênh; Xây dựng thuật toán xác định gia tốc pháp tuyến và luật điều khiển cho TBB hai kênh tiếp cận mục tiêu cơ động trên không; Mô phỏng khảo sát thuật toán 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 tổng hợp thuật toán dẫn và điều khiển máy lái cho một lớp thiết bị bay hai kênh quay quanh trục dọc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ -------------------------- TÔ BÁ THÀNH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP THUẬT TOÁN DẪN VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY LÁI CHO MỘT LỚP THIẾT BỊ BAY HAI KÊNH QUAY QUANH TRỤC DỌC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ -------------------------- TÔ BÁ THÀNH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP THUẬT TOÁN DẪN VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY LÁI CHO MỘT LỚP THIẾT BỊ BAY HAI KÊNH QUAY QUANH TRỤC DỌC NGÀNH: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa MÃ SỐ: 9 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS Trần Đức Thuận 2. TS Đoàn Thế Tuấn HÀ NỘI – 2023
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án này là trung thực và chưa được ai công bố ở bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Ngày … tháng … năm 2023 Tác giả luận án Tô Bá Thành
ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Trần Đức Thuận và TS Đoàn Thế Tuấn, đã định hướng nghiên cứu và tận tình chỉ bảo, hướng dẫn, giúp đỡ tôi thực hiện luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Thủ trưởng Viện KH-CN quân sự, Thủ trưởng và các cán bộ Phòng Đào tạo/Viện KH-CN quân sự, Viện Tên lửa đã luôn ủng hộ, hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện và bảo vệ luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo đã giảng dạy và có những góp ý quý báu về mặt khoa học, cảm ơn các đồng nghiệp ở Viện Tên lửa, Viện Tự động hóa KTQS, Phòng Quản lý KHCN đã nhiệt tình đóng góp cho tôi các ý kiến quý báu trong quá trình học tập, nghiên cứu. Tôi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến gia đình, người thân cùng bạn bè đã luôn quan tâm, động viên và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi thực hiện luận án này. Tác giả luận án Tô Bá Thành
iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ...................................................... v DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................... vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ........................................................................ vii MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ BAY HAI KÊNH VÀ VẤN ĐỀ TỔNG HỢP LỆNH CHO THIẾT BỊ BAY TIẾP CẬN MỤC TIÊU CƠ ĐỘNG TRÊN KHÔNG .................................................................................... 6 1.1. Tổng quan về thiết bị bay hai kênh không đối không ................................ 6 1.1.1. Tổng quan về thiết bị bay hai kênh không đối không trên thế giới ........ 6 1.1.2. Nghiên cứu đặc điểm thiết bị bay hai kênh như là đối tượng điều khiển 8 1.2. Vấn đề tổng hợp lệnh cho thiết bị bay tiếp cận mục tiêu cơ động ........... 13 1.2.1. Vấn đề tổng hợp hệ thống điều khiển trên thiết bị bay ......................... 13 1.2.2. Phương pháp tự dẫn thiết bị bay tiếp cận mục tiêu cơ động ................. 19 1.3. Các vấn đề cần giải quyết khi xây dựng thuật toán điều khiển cho thiết bị bay hai kênh .................................................................................................... 25 1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước .............................................. 27 1.5. Xây dựng nhiệm vụ cho luận án .............................................................. 30 1.6. Kết luận chương 1 .................................................................................... 30 Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ TẢ QUÁ TRÌNH TẠO GIA TỐC PHÁP TUYẾN VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BAY HAI KÊNH.................. 31 2.1. Cơ sở xây dựng hệ phương trình mô tả chuyển động của thiết bị bay trong không gian ....................................................................................................... 31 2.1.1. Cơ sở thiết lập mô hình ......................................................................... 31 2.1.2. Mô hình động lực học bay của thiết bị bay ........................................... 39 2.1.3. Lực và mô-men tác dụng lên thiết bị bay.............................................. 45 2.2. Xây dựng hệ phương trình mô tả quá trình tạo góc tấn và góc trượt cạnh cho thiết bị bay hai kênh ................................................................................. 53 2.3. Xây dựng mô hình mô tả quá trình tạo gia tốc pháp tuyến cho thiết bị bay hai kênh ........................................................................................................... 58
iv 2.4. Kết luận chương 2 .................................................................................... 60 Chương 3. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH GIA TỐC VÀ LUẬT ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ BAY HAI KÊNH TIẾP CẬN MỤC TIÊU CƠ ĐỘNG TRÊN KHÔNG .................................................................................. 61 3.1. Xây dựng thuật toán xác định gia tốc pháp tuyến tối ưu dẫn thiết bị bay gặp mục tiêu cơ động trên không .................................................................... 61 3.2. Xây dựng thuật toán xác định luật điều khiển cho cặp cánh lái dạng rơ le để thiết bị bay hai kênh đạt gia tốc mong muốn ............................................. 71 3.3. Xây dựng thuật toán xác định luật điều khiển cho cặp cánh lái dạng liên tục để thiết bị bay hai kênh đạt gia tốc mong muốn ....................................... 81 3.4. Kết luận chương 3 .................................................................................... 86 Chương 4. MÔ PHỎNG KHẢO SÁT THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ......... 88 4.1. Xây dựng lưu đồ thuật toán vòng điều khiển thiết bị bay hai kênh tiếp cận mục tiêu cơ động ............................................................................................. 88 4.1.1. Mô hình động hình học thiết bị bay – mục tiêu .................................... 88 4.1.2. Lưu đồ thuật toán chung vòng điều khiển thiết bị bay ......................... 91 4.2. Mô phỏng khảo sát thuật toán điều khiển cho thiết bị bay hai kênh ....... 94 4.2.1. Xác định các đặc trưng cơ bản của thiết bị bay .................................... 94 4.2.2. Lập kịch bản mô phỏng ......................................................................... 99 4.2.3. Xây dựng các mô-đun và sơ đồ khối chương trình mô phỏng ........... 102 4.2.4. Mô phỏng quỹ đạo chuyển động của thiết bị bay ............................... 105 4.2.5. Đánh giá kết quả mô phỏng ................................................................ 129 4.3. Kết luận chương 4 .................................................................................. 130 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................... 131 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .............. 133 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................. 134 PHỤ LỤC .......................................................................................................... 1
v DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 𝑀 , 𝑀 , 𝑀 Thành phần mô-men trong hệ tọa độ liên kết. 𝜔 , 𝜔 , 𝜔 Thành phần vận tốc góc trong hệ tọa độ liên kết. 𝛿 , 𝛿 , 𝛿 Góc quay cánh lái theo phương đứng, ngang và cren. 𝑃, 𝑋, 𝑌, 𝑍 Lực đẩy và thành phần lực khí động. 𝜗, 𝜓, 𝛾 Góc chúc ngóc, góc dạt ngang và góc cren. x, h, z Tọa độ tâm khối của thiết bị bay trong hệ tọa độ mặt đất. 𝑉, 𝜃, 𝛹 Vận tốc, góc nghiêng quỹ đạo và góc dạt sườn. 𝛼, 𝛽, 𝛾 Góc tấn, góc trượt cạnh và góc cren khí động. O0X0Y0Z0 Hệ tọa độ phóng. OXgYgZg Hệ tọa độ mặt đất. OXYZ Hệ toạ độ liên kết. OXaYaZa Hệ toạ độ vận tốc. OXkYkZk Hệ toạ độ quỹ đạo. ĐKTƯ Điều khiển tối ưu. HPTCSTQ Hệ phương trình cơ sở tổng quát. MT Mục tiêu. MLLT Máy lái dạng liên tục. MLRL Máy lái dạng rơ le. PPD Phương pháp dẫn. TCTL Tiếp cận tỉ lệ. TBB Thiết bị bay. БУ Блок Управления: Khối điều khiển. ТГС Тепловая Головка Самонаведения: Đầu tự dẫn hồng ngoại.
vi DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Tính năng chiến kỹ thuật cơ bản của một lớp TBB hai kênh .......... 12 Bảng 2.1 Tham số khí quyển tiêu chuẩn theo GOST 4401-81 ....................... 34 Bảng 4.1 Kết quả tính toán tọa độ trọng tâm một lớp TBB hai kênh ............. 97 Bảng 4.2 Kết quả xác định mô-men quán tính trong 2 trường hợp ................ 98
vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 TBB không đối không tầm gần thế hệ thứ nhất .................................. 7 Hình 1.2 TBB không đối không tầm gần thế hệ thứ hai ................................... 7 Hình 1.3 TBB không đối không tầm gần thế hệ thứ ba ..................................... 8 Hình 1.4 Sơ đồ một lớp TBB hai kênh tầm gần................................................. 9 Hình 1.6 Đầu tự dẫn ........................................................................................ 10 Hình 1.7 Khoang điều khiển ........................................................................... 11 Hình 1.8 Khoang động cơ và cánh đuôi .......................................................... 12 Hình 1.9 Phối trí khí động kiểu cánh bằng ..................................................... 14 Hình 1.10 Phối trí khí động kiểu chữ thập ...................................................... 14 Hình 1.11 Cấu trúc quá trình điều khiển TBB ................................................ 16 Hình 1.12 Quan hệ giữa các bộ phận hệ thống điều khiển TBB .................... 18 Hình 1.13 Quá trình tiếp cận mục tiêu cơ động .............................................. 19 Hình 1.14 Phương pháp dẫn hướng véc tơ vận tốc ......................................... 21 Hình 1.15 Quỹ đạo TBB theo phương pháp dẫn tiếp cận song song.............. 22 Hình 1.16 TBB hai kênh sử dụng cơ cấu Rô-lê-rôn ....................................... 26 Hình 2.1 Hệ toạ độ phóng O0x0y0z0 và hệ tọa độ mặt đất di động Oxgygzg .... 34 Hình 2.2 Hệ tọa độ liên kết Oxyz và hệ tọa độ vận tốc Oxayaza ..................... 35 Hình 2.3 Phép quay chuyển đổi từ Oxgygzg sang Oxyz .................................. 36 Hình 2.4 Phép quay chuyển đổi từ Oxgygzg sang Oxkykzk .............................. 38 Hình 2.5 Các thành phần ngoại lực tác dụng lên TBB ................................... 42 Hình 2.6 Mô tả nguyên lý hoạt động của cánh lái Rô-lê-rôn.......................... 50 Hình 2.7 Sơ đồ làm việc của Rô-lê-rôn........................................................... 51 Hình 3.1 Tương quan hình học giữa TBB và MT trong mặt phẳng thẳng đứng63 Hình 3.2 Lưu đồ thuật toán tạo gia tốc pháp tuyến tối ưu .............................. 70 Hình 3.3 Đồ thị các hàm f(t) và B(t) .............................................................. 77
viii Hình 3.4 Lưu đồ thuật toán tạo tín hiệu điều khiển cặp máy lái rơ le ............ 81 Hình 3.5 Lưu đồ thuật toán tạo tín hiệu điều khiển cặp máy lái liên tục ........ 85 Hình 4.1 Vị trí tương đối TBB – MT .............................................................. 89 Hình 4.2 Lưu đồ thuật toán chung vòng điều khiển TBB hai kênh ................ 93 Hình 4.3 Hình dáng, kích thước một lớp TBB hai kênh hiện có .................... 94 Hình 4.4 Hình dáng, kích thước đầu tự dẫn .................................................... 95 Hình 4.5 Hình dáng, kích thước cánh chống ổn định ..................................... 95 Hình 4.6 Hình dáng, kích thước cánh lái ........................................................ 96 Hình 4.7 Hình dáng, kích thước cánh đuôi ..................................................... 96 Hình 4.8 Mô hình 3D một lớp TBB hai kênh hiện có .................................... 97 Hình 4.9 Hệ tọa độ gắn với trọng tâm TBB .................................................... 98 Hình 4.10 Đồ thị lực đẩy động cơ một lớp TBB hai kênh hiện có................... 98 Hình 4.11 Tham số chuyển động ban đầu của TBB và MT ......................... 103 Hình 4.12 Tham số cơ động của MT ............................................................ 103 Hình 4.13 Sơ đồ khối chương trình mô phỏng MLLT ................................. 104 Hình 4.14 Sơ đồ khối chương trình mô phỏng MLRL ................................. 104 Hình 4.15 Thuật toán TCTL và ĐKTƯ trong Khối điều khiển .................... 104 Hình 4.16 Điều kiện đầu vào (TH1) ............................................................. 105 Hình 4.17 Đồ thị quỹ đạo 3D TBB và MT (TH1) ........................................ 105 Hình 4.18 Đồ thị khoảng cách TBB-MT (TH1) ........................................... 105 Hình 4.19 Đồ thị tốc độ góc quanh trục dọc TBB (TH1) ............................. 106 Hình 4.20 Đồ thị góc lệch rô-lê-rôn (TH1) ................................................... 106 Hình 4.21 Đồ thị vận tốc TBB (TH1) ........................................................... 106 Hình 4.22 Đồ thị góc tấn không gian (TH1) ................................................. 107 Hình 4.23 Đồ thị góc lệch cặp cánh lái tạo góc tấn (TH1) ........................... 107 Hình 4.24 Đồ thị góc lệch cặp cánh lái tạo góc trượt cạnh (TH1) ................ 108 Hình 4.25 Đồ thị quá tải kênh đứng của TBB (TH1) ................................... 108 Hình 4.26 Đồ thị quá tải kênh ngang của TBB (TH1) .................................. 108
ix Hình 4.27 Điều kiện đầu vào (TH2) ............................................................. 111 Hình 4.28 Đồ thị quỹ đạo 3D TBB và MT (TH2) ........................................ 111 Hình 4.29 Đồ thị khoảng cách TBB-MT (TH2) ........................................... 111 Hình 4.30 Đồ thị quá tải kênh đứng của TBB (TH2) ................................... 112 Hình 4.31 Đồ thị quá tải kênh ngang của TBB (TH2) .................................. 112 Hình 4.32 Điều kiện đầu vào (TH3) ............................................................. 113 Hình 4.33 Đồ thị quỹ đạo 3D TBB và MT (TH3) ........................................ 114 Hình 4.34 Đồ thị khoảng cách TBB-MT (TH3) ........................................... 114 Hình 4.35 Đồ thị quá tải kênh đứng của TBB (TH3) ................................... 114 Hình 4.36 Đồ thị quá tải kênh ngang của TBB (TH3) .................................. 115 Hình 4.37 Điều kiện đầu vào (TH4) ............................................................. 116 Hình 4.38 Đồ thị quỹ đạo 3D TBB và MT (TH4) ........................................ 116 Hình 4.39 Đồ thị khoảng cách TBB-MT (TH4) ........................................... 116 Hình 4.40 Đồ thị quá tải kênh đứng của TBB (TH4) ................................... 117 Hình 4.41 Đồ thị quá tải kênh ngang của TBB (TH4) .................................. 117 Hình 4.42 Điều kiện đầu vào (TH5) ............................................................. 118 Hình 4.43 Đồ thị quỹ đạo 3D TBB và MT (TH5) ........................................ 118 Hình 4.44 Đồ thị khoảng cách TBB-MT (TH5) ........................................... 119 Hình 4.45 Đồ thị quá tải kênh đứng của TBB (TH5) ................................... 119 Hình 4.46 Đồ thị quá tải kênh ngang của TBB (TH5) .................................. 119 Hình 4.47 Điều kiện đầu vào (TH6) ............................................................. 120 Hình 4.48 Đồ thị quỹ đạo 3D TBB và MT (TH6) ........................................ 120 Hình 4.49 Đồ thị khoảng cách TBB-MT (TH6) ........................................... 121 Hình 4.50 Đồ thị quá tải kênh đứng của TBB (TH6) ................................... 121 Hình 4.51 Đồ thị quá tải kênh ngang của TBB (TH6) .................................. 121 Hình 4.52 Điều kiện đầu vào (TH7) ............................................................. 122 Hình 4.53 Đồ thị quỹ đạo 3D TBB và MT (TH7) ........................................ 123 Hình 4.54 Đồ thị khoảng cách TBB-MT (TH7) ........................................... 123
x Hình 4.55 Đồ thị quá tải kênh đứng của TBB (TH7) ................................... 123 Hình 4.56 Đồ thị quá tải kênh ngang của TBB (TH7) .................................. 124 Hình 4.57 Điều kiện đầu vào (TH8) ............................................................. 124 Hình 4.58 Đồ thị quỹ đạo 3D TBB và MT (TH8) ........................................ 125 Hình 4.59 Đồ thị khoảng cách TBB-MT (TH8) ........................................... 125 Hình 4.60 Đồ thị quá tải kênh đứng của TBB (TH8) ................................... 125 Hình 4.61 Đồ thị quá tải kênh ngang của TBB (TH8) .................................. 126 Hình 4.62 Điều kiện đầu vào (TH9) ............................................................. 127 Hình 4.63 Đồ thị quỹ đạo 3D TBB và MT (TH9) ........................................ 127 Hình 4.64 Đồ thị khoảng cách TBB-MT (TH9) ........................................... 127 Hình 4.65 Đồ thị quá tải kênh đứng của TBB (TH9) ................................... 128 Hình 4.66 Đồ thị quá tải kênh ngang của TBB (TH9) .................................. 128
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Trong trang bị của Quân đội ta đang sử dụng các loại thiết bị bay (TBB) do nước ngoài sản xuất. Để tiến tới việc tự chủ thiết kế chế tạo TBB cần phải có những bước đi ban đầu, đó là nghiên cứu các nguyên lý điều khiển chuyển động của TBB. Hiện nay, TBB một kênh (TBB chống tăng, TBB phòng không tầm thấp…), TBB ba kênh (TBB phòng không tầm trung, TBB hành trình đối hải tầm trung…) đã được nghiên cứu tương đối hoàn chỉnh trong nước. Riêng TBB hai kênh có rất ít công trình được công bố. TBB một kênh là loại TBB chỉ có một cơ cấu điều khiển tạo ra góc tấn  hoặc góc trượt cạnh  (tùy theo quy ước khi xác lập hệ tọa độ liên kết). TBB có 01 cặp cánh lái, sử dụng máy lái kiểu rơ-le. Cặp cánh lái quay đồng thời tạo ra lực khí động, lực khí động sinh ra mô-men làm quay TBB quanh trục dọc. Khi TBB quay (tốc độ quay khoảng trên, dưới 10 vòng/ giây tùy loại TBB), góc tấn thay đổi, xuất hiện lực pháp tuyến làm thay đổi hướng bay. TBB ba kênh (phối trí khí động kiểu máy bay) là loại TBB có ba cơ cấu điều khiển (ba cặp cánh lái: hướng, độ cao (gật), nghiêng (liệng) hoặc sử dụng 04 máy lái có khả năng hoạt động độc lập). Với loại TBB này lực dạt sườn Z xuất hiện chủ yếu do tác động của không khí vào thân TBB và tiết diện thẳng đứng của cánh. Diện tích cánh không tham gia vào việc tạo ra lực dạt sườn, nên lực dạt sườn nhỏ hơn rất nhiều so với lực nâng Y. Như vậy, để cơ động trong mặt phẳng ngang, TBB phải tạo ra góc Cren (góc nghiêng) để tăng lực rẽ. Do đó TBB không bị quay quanh trục dọc trong quá trình tự dẫn. Đối với TBB hành trình đối hải tầm trung, TBB phòng không tầm trung có 04 máy lái có thể quy đổi về loại TBB ba kênh như kiểu phối trí khí động máy bay. TBB hai kênh quay quanh trục dọc sẽ sử dụng hiệu ứng điều khiển của cả hai kênh: kênh góc tấn và kênh góc trượt cạnh để tạo ra lực pháp tuyến làm thay đổi hướng chuyển động của TBB.
2 TBB hai kênh được sử dụng phổ biến và chiếm số lượng khá lớn trong lớp các TBB không đối không tầm gần trên thế giới và trong trang bị của Không quân ta. Việc sửa chữa, cải tiến cũng như để có cơ sở cho định hướng phát triển lớp TBB này yêu cầu phải có những nghiên cứu sâu về mặt lý thuyết, trọng tâm là phương pháp dẫn và thuật toán điều khiển. Chính vì vậy, luận án này sẽ đi sâu vào một số vấn đề liên quan đến điều khiển chuyển động để TBB đến gặp mục tiêu (MT) cơ động trên không. 2. Mục tiêu nghiên cứu luận án Xây dựng được phương pháp và thuật toán điều khiển cho một lớp TBB hai kênh quay quanh trục dọc; xác định được mối quan hệ giữa góc lệch cánh lái và lực khí động tạo ra; thiết lập được mô hình bài toán động lực học để tiến hành mô phỏng đánh giá phương pháp và thuật toán điều khiển TBB hai kênh. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Nhiệm vụ thiết kế chế tạo TBB là rất phức tạp, đa ngành; tuy nhiên có thể chia làm hai nhiệm vụ chính: thiết kế hệ thống điều khiển và thiết kế kết cấu, phối trí khí động. Trong đó, thiết kế hệ thống điều khiển là một nhiệm vụ có tính cơ bản và có thể chia thành ba nhiệm vụ bộ phận: - Thiết kế bản thân TBB như một đối tượng điều khiển; - Thiết kế các thiết bị thực hiện nhiệm vụ điều khiển; - Đảm bảo toán học cho các thiết bị xử lý thông tin trong hệ thống điều khiển. Kết quả của việc thiết kế bản thân TBB như một đối tượng điều khiển là bắt buộc phải có cho việc thiết kế kết cấu và phối trí khí động. Các yêu cầu về tham số của đối tượng điều khiển sẽ là các dữ liệu đầu vào cho việc thiết kế phối trí khí động và bố trí kết cấu. Đối tượng nghiên cứu của luận án tập trung vào thực hiện nhiệm vụ thứ ba nêu ở trên cho một lớp TBB hai kênh hiện có trong trang bị của Không quân ta. Đối với nhiệm vụ thứ nhất và thứ hai, tác giả chủ yếu tập trung vào bóc tách thiết kế trên một đối tượng TBB hai kênh cụ thể để khép kín hệ
3 thống điều khiển phục vụ bài toán mô phỏng kiểm chứng các thuật toán đề xuất ở nhiệm vụ thứ ba. TBB hai kênh quay quanh trục dọc là loại TBB có hai cặp cánh lái khí động, sử dụng hiệu ứng khí động ở cả kênh góc tấn và kênh góc trượt cạnh để tạo ra lực pháp tuyến (bản chất là lực khí động). Để hạn chế tốc độ quay quanh trục dọc (với tốc độ quay khoảng 2-5 vòng/ giây), loại TBB này được lắp thêm cơ cấu Rô-lê-rôn trên cánh ổn định. Rô-lê-rôn là một tấm đế có thể quay quanh một trục và ở trên nó có gắn bánh xe dạng tua-bin tạo chuyển động quay với tốc độ lớn khi TBB chuyển động trong khí quyển. Khi bánh xe quay với tốc độ lớn, trên Rô-lê-rôn xuất hiện mô-men động lượng tạo hiệu ứng như con quay hai bậc tự do làm giảm chuyển động quay của TBB. TBB hai kênh có hệ thống điều khiển khác so với TBB ba kênh. Do không sử dụng kênh ổn định góc xoắn Cren như ở TBB ba kênh, nên TBB hai kênh trong quá trình điều khiển bị quay quanh trục dọc (do có tác động của các mô-men xoắn không mong muốn). Vì vậy, khi lập lệnh điều khiển cho từng kênh không thể bỏ qua hiệu ứng xoắn không gian giữa hệ tọa độ đo tham số điều khiển và hệ tọa độ chấp hành. Phạm vi nghiên cứu được tính đến động lực học của bản thân TBB, động lực học của hệ thống điều khiển trên khoang cũng như các tác động nhiễu loạn ngẫu nhiên tác động vào vòng điều khiển TBB. Bài toán động lực học đặt ra là xác định được mối quan hệ giữa góc lệch cánh lái và lực khí động tạo ra. 4. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan TBB hai kênh và đưa ra các vấn đề liên quan đến việc tạo lực pháp tuyến để TBB tiếp cận MT cơ động và điều khiển các cơ cấu lái để tạo ra lực pháp tuyến đạt yêu cầu. - Phân tích các phương trình mô tả động lực học bay và điều kiện bay của TBB hai kênh để xây dựng mô hình mô tả quan hệ giữa cơ cấu cánh lái
4 của TBB hai kênh và độ bám góc tấn và góc trượt cạnh, giữa góc tấn và góc trượt cạnh và các thành phần lực pháp tuyến. - Áp dụng luật điều khiển tối ưu để xây dựng thuật toán xác định gia tốc pháp tuyến tối ưu nhằm cực tiểu hóa sai số bám MT cơ động và tiết kiệm năng lượng, nhờ đó có thể tăng cự ly tiêu diệt MT cơ động trên không. - Áp dụng giải pháp điều khiển tuyến tính đối với TBB một kênh để xây dựng giải pháp điều khiển cho TBB hai kênh có máy lái dạng rơ-le. Áp dụng lý thuyết hệ tuyến tính để xây dựng thuật toán xác định luật điều khiển cho TBB có cánh lái dạng liên tục. Các thuật toán này nhằm điều khiển các cơ cấu lái để có gia tốc pháp tuyến đạt yêu cầu cho thuật toán xác định gia tốc pháp tuyến tối ưu đã xây dựng. - Mô phỏng đánh giá các thuật toán đã xây dựng. 5. Phương pháp nghiên cứu - Ứng dụng lý thuyết điều khiển tối ưu trong không gian trạng thái để giải bài toán điều khiển và dẫn TBB hai kênh gặp MT cơ động với các tham số động lực học được tối ưu hóa. - Trên cơ sở luật dẫn trong không gian và phương pháp ma trận chuyển đổi hệ tọa độ, tiến hành xây dựng thuật toán tạo lệnh điều khiển cho TBB hai kênh tự dẫn. - Sử dụng phần mềm tính toán, mô phỏng trên máy tính để đánh giá hiệu quả của thuật toán tạo lệnh điều khiển. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án - Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khoa học để nghiên cứu, giảng dạy về hệ thống ổn định, lập lệnh và điều khiển quỹ đạo chuyển động của TBB hai kênh quay quanh trục dọc. - Kết quả luận án sẽ là cơ sở để cải tiến, hiện đại hóa các loại TBB hai kênh hiện có và áp dụng trong thiết kế chế tạo mới một loại TBB tương tự.
5 7. Bố cục của luận án Luận án gồm 138 trang in khổ A4 được trình bày trong 4 chương, với 93 hình vẽ và đồ thị minh họa, 04 bảng biểu, sử dụng 39 đầu tài liệu tham khảo trên ba thứ tiếng (Việt, Anh và Nga). Luận án có kết cấu gồm: Mở đầu, 4 chương, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục. Cụ thể: Chương 1. Tổng quan về TBB hai kênh và vấn đề tổng hợp lệnh cho TBB tiếp cận mục tiêu cơ động trên không Chương này giới thiệu tổng quan TBB hai kênh và đưa ra các vấn đề liên quan đến việc tạo lực pháp tuyến để TBB tiếp cận MT cơ động và điều khiển các cơ cấu lái để tạo ra lực pháp tuyến đạt yêu cầu. Chương 2. Xây dựng mô hình mô tả quá trình tạo gia tốc pháp tuyến và điều khiển TBB hai kênh Nội dung chương này giải quyết vấn đề xây dựng mô hình toán mô tả quan hệ giữa lực pháp tuyến và vấn đề để TBB đến gặp MT trong không gian, vấn đề điều khiển các cơ cấu lái tạo lực pháp tuyến. Chương 3. Xây dựng thuật toán xác định gia tốc pháp tuyến và luật điều khiển cho TBB hai kênh tiếp cận mục tiêu cơ động trên không Giải quyết hai vấn đề có tính học thuật: Thuật toán xác định gia tốc pháp tuyến mong muốn để TBB đến gặp MT cơ động trên không; các thuật toán tạo tín hiệu điều khiển cánh lái dạng rơ-le và dạng liên tục cho loại TBB hai kênh đạt gia tốc pháp tuyến theo yêu cầu. Chương 4. Mô phỏng khảo sát thuật toán điều khiển Xây dựng lưu đồ thuật toán vòng điều khiển và chương trình mô phỏng, đánh giá các thuật toán đã được xây dựng trong chương 3 với mô hình toán trong chương 2. Kết luận. Nêu rõ những kết quả nghiên cứu đã đạt được trong luận án, chỉ ra những đóng góp khoa học mới và đề xuất hướng ứng dụng và phát triển của luận án. Nội dung chính của luận án đã được công bố trong 04 công trình khoa học trên các tạp chí khoa học có uy tín và hội thảo chuyên ngành.
6 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ BAY HAI KÊNH VÀ VẤN ĐỀ TỔNG HỢP LỆNH CHO THIẾT BỊ BAY TIẾP CẬN MỤC TIÊU CƠ ĐỘNG TRÊN KHÔNG 1.1. Tổng quan về thiết bị bay hai kênh không đối không 1.1.1. Tổng quan về thiết bị bay hai kênh không đối không trên thế giới TBB không đối không được trang bị trên các máy bay chiến đấu dùng để tiêu diệt MT bay của đối phương; được chia thành ba loại theo tầm bắn như sau: - TBB tầm gần (≤ 15 km) như R-60, AIM-9... - TBB tầm trung (15 km ÷ 75 km) như R-77, AIM-7, AIM-120... - TBB tầm xa (> 75 km) như R-33, AIM-54... Trên thế giới hiện nay, lớp TBB không đối không được thiết kế chế tạo chủ yếu là loại TBB hai kênh. Các TBB này có đặc điểm chung là: - Có sơ đồ phối trí khí động kiểu “vịt”, tức là sử dụng cánh lái khí động tạo góc tấn và góc trượt cạnh để điều khiển chuyển động của TBB theo hai kênh; - Thông thường có bốn cơ cấu Rô-lê-rôn bố trí trên cánh ổn định để ổn định chuyển động quay của TBB quanh trục dọc. Lúc này các cặp cánh lái chấp hành tạo lực điều khiển TBB theo hai kênh đứng và ngang tùy theo chuyển động quay của nó quanh trục dọc; - Sử dụng đầu tự dẫn hồng ngoại thụ động để bắt bám MT, tức là đầu tự dẫn bám theo nguồn bức xạ nhiệt phát ra từ MT và TBB được điều khiển để bay theo nguồn bức xạ này. Tầm bắn của TBB phụ thuộc vào thời gian làm việc của động cơ. Thông thường, thời gian bay chủ động của TBB từ 2 đến 20 s tùy theo loại TBB. Trong thời gian này, TBB được tăng tốc đến vận tốc bay lớn nhất. Sau khi hết nhiên liệu, TBB tiếp tục quá trình tự dẫn theo quán tính đến MT. Vận tốc của máy bay chiến đấu ở thời điểm phóng TBB càng lớn, TBB càng được
7 tăng tốc lớn và bay xa hơn. TBB không đối không thế hệ thứ nhất có thể kể đến như: AIM-9B, AIM- 9E, Firestreak, R-3S, RL-2... Đặc điểm chung của TBB loại này là: Đặc tính cơ động thấp, tầm bắn hiệu quả rất thấp (≤ 1,5km), vận tốc bay không lớn (≤ 1,7M), dễ bị chế áp bởi các loại nhiễu và chỉ bắt “cứng” một MT (Hình 1.1). a) AIM-9E b) R-3S c) RL-2 Hình 1.1 TBB không đối không tầm gần thế hệ thứ nhất Sự phát triển tiếp theo của TBB với đầu tự dẫn hồng ngoại đã tạo ra thế hệ thứ hai của loại TBB này như: AIM-9D, AIM-9G, AIM-9J, R-60, R550... Điểm khác biệt so với thế hệ thứ nhất là: Vận tốc lớn (2,4M ÷ 2,7M), đặc tính cơ động cao, tầm bắn hiệu quả tăng (đến 2,5 km ở trần bay thấp và đến 5 km ở trần bay cao), khả năng bảo vệ khỏi một số nhiễu như MT nhiệt giả, khả năng bắt MT bằng ra-đa và bắt “mềm” MT (Hình 1.2). Đặc tính cơ động ở thế hệ thứ hai hơn hẳn so với thế hệ thứ nhất, đặc biệt ở một số TBB như AIM-9J, R-60 và R550 Magic 1. Máy bay chứa TBB loại này có khả năng tiêu diệt MT ở khoảng cách xa, MT rất khó vòng tránh các TBB này, trừ khi nó ở khoảng cách rất gần (khoảng 600 m). a) AIM-9J b) R-60 c) R550 Magic 1 Hình 1.2 TBB không đối không tầm gần thế hệ thứ hai
8 TBB thế hệ thứ ba sử dụng công nghệ cảm biến hồng ngoại mới với độ nhạy tăng lên (Hình 1.3). Các cảm biến này có thể không chỉ nhận biết tín hiệu nhiệt từ động cơ, mà còn bắt nhiệt trên thân máy bay do ma sát với không khí trong quá trình bay. TBB thế hệ này có thể kể đến như: AIM-9L, R-60М, AIM- 92 Stinger, Mistral... Ưu điểm của nó là khả năng kháng nhiễu cao bao gồm cả nhiễu chủ động và thụ động của máy bay đối phương. a) AIM-9L b) AIM-92 Stinger c) R-60М Hình 1.3 TBB không đối không tầm gần thế hệ thứ ba Do đó, để nghiên cứu nguyên lý và xây dựng phương pháp điều khiển cho loại TBB hai kênh, luận án tập trung vào khảo sát và nghiên cứu một lớp TBB thế hệ thứ ba cụ thể đang có trong trang bị sẵn sàng chiến đấu của Không quân ta để làm số liệu đầu vào cho mô phỏng quá trình bay của TBB. TBB lớp này được lắp đặt trên một số dòng máy bay chiến đấu tiêm kích có vận tốc bay siêu vượt âm tạo vận tốc ban đầu đủ lớn cho TBB. 1.1.2. Nghiên cứu đặc điểm thiết bị bay hai kênh như là đối tượng điều khiển TBB hai kênh dùng để tiêu diệt các MT cơ động trên không của đối phương ở phạm vi tác chiến tầm gần (như máy bay, tên lửa), đồng thời để tiêu diệt các MT mặt đất có bức xạ nhiệt [34]. TBB có sơ đồ phối trí khí động kiểu “vịt”, sơ đồ bố trí cánh dạng dấu nhân, có cánh lái và cánh phá ổn định để tăng hiệu quả của cánh lái. Trên mỗi cánh nâng bố trí cơ cấu Rô-lê-rôn làm hãm tốc độ quay của TBB, đảm bảo ổn định tương đối so với trục dọc TBB trong quá trình bay (Hình 1.4).