Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Tổng hợp hệ thống điều khiển bám và ổn định gián tiếp trục nòng pháo trên phương tiện chiến đấu cơ động bánh xích

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:160

Thêm vào BST

Báo xấu

3
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Tổng hợp hệ thống điều khiển bám và ổn định gián tiếp trục nòng pháo trên phương tiện chiến đấu cơ động bánh xích" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về hệ thống ổn định súng pháo trên phương tiện chiến đấu cơ động bánh xích; Xây dựng mô hình động lực học cho hệ truyền động thủy lực tầm hướng của súng pháo; Tổng hợp hệ thống điều khiển bám và ổn định trục nòng pháo trên phương tiện cơ động bánh xích.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Tổng hợp hệ thống điều khiển bám và ổn định gián tiếp trục nòng pháo trên phương tiện chiến đấu cơ động bánh xích

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ -------------------------- CHU ĐỨC CHÌNH TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÁM VÀ ỔN ĐỊNH GIÁN TIẾP TRỤC NÒNG PHÁO TRÊN PHƯƠNG TIỆN CHIẾN ĐẤU CƠ ĐỘNG BÁNH XÍCH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – Năm 2025
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ -------------------------- CHU ĐỨC CHÌNH TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÁM VÀ ỔN ĐỊNH GIÁN TIẾP TRỤC NÒNG PHÁO TRÊN PHƯƠNG TIỆN CHIẾN ĐẤU CƠ ĐỘNG BÁNH XÍCH 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. GS. TSKH Cao Tiến Huỳnh 2. TS Lê Trần Thắng Hà Nội – Năm 2025
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình khoa học nào khác. Các dữ liệu tham khảo trong luận án được trích dẫn đầy đủ. Tác giả luận án Chu Đức Chình
ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới hai thầy hướng dẫn khoa học, cố GS. TSKH Cao Tiến Huỳnh và TS Lê Trần Thắng đã luôn tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ tôi thực hiện luận án. Xin trân trọng cảm ơn Thủ trưởng Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Phòng Đào tạo/Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Viện Tự động hóa KTQS cùng các thầy, các đồng nghiệp đã luôn ủng hộ, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến tập thể Phòng Điều khiển tự động - Viện Tự động hóa KTQS vì đã luôn hỗ trợ, động viên và chia sẻ công việc chuyên môn để tôi có thể yên tâm thực hiện nội dung luận án. Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới gia đình tôi, những người đã luôn tin tưởng, đồng hành và là nguồn động viên, cổ vũ lớn lao, giúp tôi có thêm nghị lực và quyết tâm hoàn thành luận án. Tác giả luận án
iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ........................................ vi DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................. xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ....................................................................... xii MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH SÚNG PHÁO TRÊN PHƯƠNG TIỆN CHIẾN ĐẤU CƠ ĐỘNG BÁNH XÍCH .............. 6 1.1. Đặc điểm của phương tiện chiến đấu cơ động bánh xích ......................... 7 1.1.1. Hệ thống treo và động lực học mô tả chuyển động của thân xe ............. 7 1.1.2. Một số đặc trưng dao động của xe bánh xích ....................................... 11 1.2. Vai trò và phân loại các hệ thống ổn định súng pháo ............................. 13 1.2.1. Vai trò của hệ thống ổn định súng pháo ............................................... 13 1.2.2. Phân loại hệ thống ổn định súng pháo .................................................. 15 1.3. Hệ thống truyền động vũ khí và bài toán bắn trong hành tiến ................ 18 1.3.1. Hệ truyền động vũ khí ........................................................................... 18 1.3.2. Bài toán bắn trong hành tiến ................................................................. 21 1.4. Tổng quan tình hình nghiên cứu ............................................................. 22 1.4.1. Tình hình nghiên cứu trong nước.......................................................... 22 1.4.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ......................................................... 23 1.5. Thuật toán điều khiển ADRC tuyến tính bậc 2 ....................................... 27 1.6. Đặt bài toán nghiên cứu .......................................................................... 30 1.7. Kết luận Chương 1 .................................................................................. 32 Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC TẦM HƯỚNG CỦA SÚNG PHÁO ....... 33 2.1. Các hệ tọa độ sử dụng trong mô tả chuyển động của phương tiện ......... 33
iv 2.1.1. Hệ tọa độ cố định mặt đất ..................................................................... 33 2.1.2. Hệ tọa độ chuẩn và hệ tọa độ liên kết ................................................... 34 2.2. Hệ phương trình động lực học của cơ hệ tháp - pháo ............................. 35 2.2.1. Mô tả cơ hệ tháp - pháo trên phương tiện cơ động bánh xích .............. 35 2.2.2. Xây dựng các phương trình động lực cho kênh tầm ............................. 40 2.2.3. Xây dựng các phương trình động lực cho kênh hướng ........................ 44 2.3. Hệ phương trình động lực học của cơ cấu chấp hành thủy lực .............. 47 2.3.1. Bơm thủy lực pít-tông hướng trục ........................................................ 48 2.3.2. Động cơ thủy lực trục nghiêng ............................................................. 53 2.4. Mô hình hệ thống truyền động tháp - pháo ............................................. 55 2.5. Kết luận Chương 2 .................................................................................. 59 Chương 3. TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÁM VÀ ỔN ĐỊNH TRỤC NÒNG PHÁO TRÊN PHƯƠNG TIỆN CƠ ĐỘNG BÁNH XÍCH .................................................................................................. 60 3.1. Tổng hợp thuật toán xác định tham số véc-tơ đường bắn trong điều kiện tư thế xe và phần tử bắn biến đổi ............................................................ 60 3.1.1. Mô tả tư thế của phương tiện trong hệ tọa độ chuẩn ............................ 60 3.1.2. Tổng hợp thuật toán xác định tư thế xe với bộ lọc Kalman mở rộng ... 64 3.1.3. Xây dựng hệ phương trình xác định tham số véc-tơ đường bắn .......... 73 3.2. Tổng hợp thuật toán bám sát tốc độ pháo ADRC với bộ quan sát mở rộng ESO cải tiến ứng dụng mạng nơ-ron RBF.............................................. 76 3.2.1. Thiết kế bộ quan sát trạng thái mở rộng ESO dựa trên mạng RBF ...... 76 3.2.2. Phân tích tính ổn định của hệ thống ước lượng trạng thái và nhiễu ..... 81 3.2.3. Xây dựng cấu trúc bộ điều khiển ADRC bám sát tốc độ pháo ............. 84 3.3. Tổng hợp hệ thống điều khiển bám và ổn định trục nòng pháo ............. 86 3.3.1. Tổng hợp bộ điều khiển PID bám sát vị trí pháo .................................. 86 3.3.2. Phân tích tính ổn định của hệ thống điều khiển .................................... 88
v 3.4. Kết luận Chương 3 .................................................................................. 91 Chương 4. MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ......................................... 93 4.1. Thông số mô phỏng của hệ thống ........................................................... 93 4.2. Thực nghiệm khảo sát đặc trưng nhiễu tác động lên đường bắn ............ 95 4.2.1. Đối tượng và mục tiêu khảo sát ............................................................ 95 4.2.2. Phương tiện đo và phương pháp tiến hành ........................................... 95 4.2.3. Kết quả khảo sát .................................................................................... 96 4.3. Mô phỏng đánh giá chất lượng bộ quan sát trạng thái mở rộng cải tiến dựa trên mạng RBF ....................................................................................... 102 4.4. Mô phỏng đánh giá chất lượng bộ điều khiển bám sát tốc độ ADRC .. 104 4.4.1. Đáp ứng quá độ của hệ thống.............................................................. 104 4.4.2. Mô phỏng đánh giá chất lượng bám sát tốc độ quay pháo ................. 105 4.5. Mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống ổn định đường bắn ............... 107 4.5.1. Đáp ứng quá độ của hệ thống.............................................................. 108 4.5.2. Kịch bản xe cơ động và chuyển hướng trên địa hình ......................... 109 4.5.3. Kịch bản xe cơ động theo vòng tròn và bắn mục tiêu cố định ........... 111 4.5.4. Kịch bản xe cơ động trên địa hình và bám sát mục tiêu bay .............. 115 4.6. Một số kết quả thử nghiệm thực tế ....................................................... 119 4.7. Kết luận Chương 4 ................................................................................ 122 KẾT LUẬN .................................................................................................. 124 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ......... 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 127 PHỤ LỤC ....................................................................................................... P1
vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT b a Véc-tơ gia tốc tịnh tiến của xe trong HTĐ (B) AXaYaZa HTĐ liên kết khối hướng (A) BXbYbZb HTĐ liên kết thân xe (B) cx cos(x) Dom [m] Cự ly điểm ngắm giả định D0 [m] Cự ly ban đầu của mục tiêu d0 [m] Cự ly ngang ban đầu của mục tiêu Dmt [m] Cự ly của mục tiêu dmt [m] Cự ly ngang của mục tiêu Ed [J] Tổng năng lượng tiêu tán Ek [J] Tổng động năng Ep [J] Tổng thế năng EXeYeZe HTĐ liên kết khối tầm (E) F(t) Lực tổng quát hóa g0 [m/s2] Gia tốc trọng trường o g Véc-tơ gia tốc trọng trường H Véc-tơ động lượng J Ma trận mô-men quán tính Jxx, Jyy, Jzz [kg.m2] Mô-men quán tính theo các trục X, Y, Z Jxy, Jxz, Jyz [kg.m2] Mô-men tích Ks Ma trận độ cứng lò xo OgXgYgZg HTĐ cố định mặt đất [Og] OX0Y0Z0 HTĐ chuẩn [O] q Tọa độ suy rộng q Đơn vị quarternion Rx(), Ry(), Rz() Ma trận quay quanh các trục X, Y, Z o b R Ma trận quay từ hệ tọa độ (B) sang (O)
vii b o R Ma trận quay từ HTĐ (O) sang (B) sx sin(x) o v Véc-tơ vận tốc tịnh tiến của xe trong HTĐ (O) vf [m/s] Vận tốc theo hướng tiến của xe cơ sở Vmt [m/s2] Vận tốc mục tiêu β [rad] Tham số góc hướng của pháo βr [rad] Tọa độ góc hướng của véc-tơ đường bắn βy [rad] Tham số góc hướng của phần tử bắn ΔQ [rad] Lượng bù ổn định góc hướng Δβ[rad] Sai lệch bám sát góc hướng Δε [rad] Sai lệch bám sát góc tầm ΔΦ [rad] Lượng bù ổn định góc tầm ε [rad] Tham số góc tầm pháo εr [rad] Tọa độ góc tầm của véc-tơ đường bắn θ [rad] Góc pitch của xe cơ sở ϕ [rad] Góc roll của xe cơ sở φy [rad] Tham số góc tầm của phần tử bắn ψ [rad] Góc yaw của xe cơ sở vbx [m/s] Vận tốc của xe theo trục X trong HTĐ (B) vox, voy, voz [m/s] Vận tốc tịnh tiến của xe theo các trục X, Y, Z trong HTĐ (O) ωbx, ωby, ωbz [rad/s] Vận tốc góc của xe theo các trục X, Y, Z trong HTĐ liên kết (B) b ω Véc-tơ vận tốc góc của xe trong HTĐ liên kết (B) abx, aby, abz [m/s2] Gia tốc tịnh tiến của xe theo các trục X, Y, Z trong HTĐ liên kết (B) pox, poy, poz [m] Tọa độ Đề-các của xe trong HTĐ (Oe) o Xm, oYm, oZm [m] Tọa độ Đề-các của điểm ngắm trong HTĐ (O)
viii Rij, i,j = {1,2,3} Các phần tử của ma trận chỉ hướng Cosine ||.|| Chuẩn Euclid b M Véc-tơ đường bắn chuẩn hóa b Xm, bYm, bZm [m] Tọa độ Đề-các của véc-tơ đường bắn chuẩn hóa  [rad/s] Tốc độ quay pháo trong mặt phẳng hướng  [rad/s] Tốc độ quay pháo trong mặt phẳng tầm o β [rad] Tọa độ góc hướng của pháo trong HTĐ (O) o ε [rad] Tọa độ góc tầm của pháo trong HTĐ (O) a J Ma trận mô-men quán tính của khối hướng e J Ma trận mô-men quán tính của khối tầm MEL [N.m] Mô-men ngoại lực tác động vào trục quay tầm MAZ [N.m] Mô-men ngoại lực tác động vào trục quay hướng MEm [N.m] Mô-men đầu trục động cơ thủy lực quay tầm MAm [N.m] Mô-men đầu trục động cơ thủy lực quay hướng mp Khối lượng của pít-tông chấp hành bơm thủy lực Ne Tỉ số truyền của hộp số dẫn động tầm Na Tỉ số truyền của hộp số dẫn động hướng ηe [%] Hiệu suất của hộp số dẫn động tầm ηa [%] Hiệu suất của hộp số dẫn động hướng Ap [cm2] Diện tích của pít-tông chấp hành bơm thủy lực Dp [cm] Đường kính phân bố các pít-tông chấp hành Vgp [cm3/vòng] Thể tích riêng của bơm thủy lực Qh [lít/phút] Lưu lượng của bơm thủy lực ip Số pít-tông chấp hành của bơm np [vòng/phút] Tốc độ quay của trục bơm PL [bar] Mức chênh áp suất 2 cửa bơm ηvp [%] Hệ số thể tích hiệu dụng của bơm ηmp [%] Hiệu suất chuyển đổi cơ học của bơm
ix αp [rad] Góc lệch của đĩa nghiêng bơm thủy lực xv [m] Độ dịch chuyển của ống van servo Kv [m/V] Hệ số độ lợi của van servo uv [V] Điện áp điều khiển van servo Jp [kg.m2] Mô-men quán tính của cơ cấu điều khiển đĩa nghiêng hm [cm] Hành trình của pít-tông động cơ thủy lực Dm [cm] Đường kính phân bố pít-tông động cơ thủy lực Am [cm2] Diện tích các pít-tông động cơ thủy lực αm [rad] Góc nghiêng trục pít-tông động cơ thủy lực Vgm [cm3/vòng] Thể tích riêng của động cơ thủy lực im Số pít-tông chấp hành của động cơ thủy lực nm [vòng/phút] Tốc độ quay của trục động cơ thủy lực ηvm [%] Hệ số thể tích hiệu dụng của động cơ thủy lực ηmm [%] Hiệu suất chuyển đổi cơ học của động cơ thủy lực Mle [N.m] Mô-men tải kênh tầm động lên cơ cấu điều khiển đĩa nghiêng của bơm tầm Mla [N.m] Mô-men tải kênh hướng động lên cơ cấu điều khiển đĩa nghiêng của bơm hướng ADRC Điều khiển loại trừ nhiễu chủ động (Active Disturbance Rejection Control) AZ Kênh hướng (Azimuth ) CCCH Cơ cấu chấp hành CĐCĐBX Chiến đấu cơ động bánh xích. DCM Ma trận chỉ hướng Cosine (Direction Cosine Matrix) DOF Bậc tự do (Degree Of Freedom) ĐQS Đài quan sát. EKF Bộ lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman Filter) EL Kênh tầm (Elevation)
x ESO Bộ quan sát mở rộng (Extended State Observer) FOG Con quay sợi quang (Fibre Optic Gyroscope) HTĐ Hệ tọa độ IMU Cảm biến đo lường quán tính (Inertial Measurement Unit) ISP Bệ ổn định quán tính (Inertial Stabilization Platform) LOF Đường bắn (Line Of Fire) LOS Đường ngắm (Line Of Sight) LPF Bộ lọc thông thấp (Low Pass Filter) PD Bộ điều khiển PD (Proportional Derivative) PID Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) PMSM Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet Synchronous Motor) PPK Pháo phòng không. PWM Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation) RBF Hàm cơ sở xuyên tâm (Radial Basis Function) RBFNN Mạng nơ-ron hàm cơ sở xuyên tâm (Radial Basis Function Neural Network) SISO Hệ một đầu vào, một đầu ra (Single-Input Single- Ouput) SMC Điều khiển chế độ trượt (Sliding Mode Control) SNR-DOB Bộ quan sát loại bỏ nhiễu tối giản (Simplified Noise Reduction - Disturbance Observer) SUKF Bộ lọc Kalman UKF (Uncented Kalman Filter) ZSU-23-4 Tổ hợp pháo phòng không tự hành 23mm, 4 nòng.
xi DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Biên độ và tốc độ dao động của xe tăng .......................................... 11 Bảng 4.1 Các thông số mô phỏng chính của hệ thống .................................... 94 Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật hệ thống ổn định pháo trên xe ZSU-23-4 .......... 95 Bảng 4.3 Tham số chính của cảm biến quán tính MTi-300 ............................ 95 Bảng 4.4 Kết quả kiểm tra, thử nghiệm hệ thống ......................................... 121
xii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Một số phương tiện chiến đấu cơ động bánh xích hiện đại ............... 6 Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống treo trên phương tiện bánh xích............................ 8 Hình 1.3 Sự thay đổi tư thế xe ở địa hình có độ dốc lớn ................................ 13 Hình 1.4 Chuyển động của tháp pháo khi xe cơ động .................................... 15 Hình 1.5 Ổn định trực tiếp cho bệ hỏa lực ...................................................... 16 Hình 1.6 Ổn định gián tiếp cho bệ hỏa lực ..................................................... 17 Hình 1.7 Cấu trúc hệ thống điều khiển hỏa lực trên phương tiện cơ động ..... 19 Hình 1.8 Hệ thống truyền động servo thủy lực quay pháo ............................. 20 Hình 1.9 Cấu trúc vòng lặp bộ điều khiển ADRC tuyến tính bậc 2 ............... 30 Hình 2.1 Hệ tọa độ cố định mặt đất ................................................................ 34 Hình 2.2 HTĐ chuẩn và HTĐ liên kết ............................................................ 35 Hình 2.3 Minh họa khối quay hướng pháo trên tổ hợp ZSU-23-4 ................. 36 Hình 2.4 Minh họa khối quay tầm pháo trên tổ hợp ZSU-23-4...................... 37 Hình 2.5 Minh họa cơ hệ tháp - pháo trên tổ hợp ZSU-23-4.......................... 37 Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc cơ hệ kênh tầm ......................................................... 43 Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc cơ hệ kênh hướng ..................................................... 47 Hình 2.8 Sơ đồ khối cơ cấu chấp hành thủy lực ............................................. 48 Hình 2.9 Cấu trúc hệ bơm thủy lực pít-tông hướng trục ................................ 48 Hình 2.10 Động cơ thủy lực trục nghiêng....................................................... 53 Hình 2.11 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động tầm - hướng ................................... 57 Hình 3.1 Vị trí lắp đặt cảm biến IMU trên xe cơ sở ....................................... 61 Hình 3.2 Lưu đồ thuật toán EKF ước lượng đơn vị quaternion...................... 72 Hình 3.3 Véc-tơ đường bắn trong HTĐ chuẩn ............................................... 74 Hình 3.4 Cấu trúc hệ thống ước lượng trạng thái và nhiễu............................. 79 Hình 3.5 Nhận dạng hàm phi tuyến f (t ) sử dụng mạng RBF....................... 79
xiii Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển ADRC bám sát tốc độ ....................... 85 Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển bám sát vị trí ............................ 87 Hình 3.8 Hệ thống điều khiển bám và ổn định trục nòng pháo ...................... 87 Hình 3.9 Cấu trúc vòng lặp điều khiển bám sát vị trí góc pháo...................... 90 Hình 4.1 Ảnh hưởng của nhiễu rung xe tới góc đường bắn............................ 97 Hình 4.2 Ảnh hưởng của nhiễu rung xe tới tốc độ góc đường bắn................. 97 Hình 4.3 Tác động của loạt bắn khi sử dụng hệ dẫn động cơ khí ................... 98 Hình 4.4 Tác động của loạt bắn khi sử dụng hệ dẫn động thủy lực................ 98 Hình 4.5 Phổ biên độ các thành phần dao động do loạt bắn ........................... 99 Hình 4.6 Ảnh hưởng của nhiễu địa hình tới các góc đường bắn .................. 100 Hình 4.7 Dao động của các góc đường bắn khi xe cơ động ......................... 101 Hình 4.8 Phổ biên độ của các dao động góc đường bắn khi xe cơ động ...... 101 Hình 4.9 Mật độ xác suất của thành phần gia tốc tịnh tiến ........................... 101 Hình 4.10 Ước lượng hàm tổng nhiễu f(t) .................................................... 103 Hình 4.11 Ước lượng biến trạng thái hệ thống x1 ......................................... 103 Hình 4.12 Ước lượng biến trạng thái hệ thống x2 ......................................... 103 Hình 4.13 Kết quả so sánh sai số ước lượng trạng thái và nhiễu.................. 104 Hình 4.14 Đáp ứng quá độ từ 0o/s ~ 70o/s của hệ kín ................................... 105 Hình 4.15 Sai lệch bám tốc độ khi biên độ nhiễu ~ 10% Mcmax .................... 106 Hình 4.16 Sai lệch bám tốc độ khi biên độ nhiễu ~ 20% Mcmax .................... 106 Hình 4.17 Sai lệch bám khi tốc độ đặt có gia tốc đỉnh 200o/s2 ..................... 106 Hình 4.18 Đáp ứng quá độ vị trí góc tầm từ 0o ~ 45o ................................... 108 Hình 4.19 Đáp ứng quá độ vị trí góc hướng từ 0o ~ 90o ............................... 108 Hình 4.20 So sánh đáp ứng quá độ với bộ điều khiển PID ........................... 109 Hình 4.21 Quỹ đạo tham số đường bắn khi xe cơ động chuyển hướng ....... 110 Hình 4.22 Sai lệch ổn định khi xe cơ động chuyển hướng ........................... 110 Hình 4.23 Xe chạy vòng tròn, ngắm mục tiêu cố định ................................. 111
xiv Hình 4.24 Mô tả tham số tọa độ phần tử bắn (βy, φy) tại thời điểm t ............ 112 Hình 4.25 Quỹ đạo tham số phần tử bắn (βy, φy) khi xe chạy vòng tròn ...... 113 Hình 4.26 Quỹ đạo tham số đường bắn (βr, εr) khi xe chạy vòng tròn ......... 113 Hình 4.27 Tác động của loạt bắn tới tốc độ góc đường bắn ......................... 114 Hình 4.28 Sai lệch ổn định khi bắn mục tiêu cố định ................................... 114 Hình 4.29 Các góc tư thế khi xe cơ động trên đường địa hình ..................... 116 Hình 4.30 Mô tả quỹ đạo mục tiêu bay bằng ................................................ 116 Hình 4.31 Quỹ đạo tham số phần tử bắn khi bám sát mục tiêu bay bằng .... 117 Hình 4.32 Quỹ đạo tham số đường bắn khi xe cơ động trên địa hình .......... 117 Hình 4.33 Sai lệch ổn định đường bắn khi cơ động trên đường địa hình ..... 118 Hình 4.34 Điện áp điều khiển bơm thủy lực trong khoảng t = 10s ÷ 13s ..... 118 Hình 4.35 Sơ đồ khối chứng năng Khối điều khiển pháo T-39 .................... 120 Hình 4.36 Hình ảnh Khối điều khiển ổn định T-39 ...................................... 120 Hình 4.37 Thử nghiệm hệ thống tại cơ sở nghiên cứu và trên thực địa........ 121 Hình 4.38 Kết quả bắn mục tiêu bia di động mặt đất và mục tiêu bay ......... 122
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Phương tiện chiến đấu cơ động bánh xích (CĐCĐBX) được nghiên cứu, phát triển, trang bị từ lâu và là một trong những loại phương tiện vũ khí có tầm ảnh hưởng lớn trong các cuộc chiến tranh do có nhiều ưu điểm vượt trội: có tính cơ động cao, hoạt động được trong điều kiện địa hình phức tạp; có khả năng tấn công và phòng thủ hiệu quả nhờ có thể trang bị các vũ khí tấn công hạng nặng và lớp giáp kiên cố; được phát triển để tiêu diệt các mục tiêu trên không, mặt đất, mặt nước. Bên cạnh đó, các phương tiện CĐCĐBX hiện đại còn được trang bị hệ thống ổn định súng pháo có khả năng điều khiển bám và ổn định trục nòng pháo, từ đó cho phép các phương tiện CĐCĐBX có khả năng tác chiến và khai hỏa tiêu diệt mục tiêu ngay cả trong điều kiện hành tiến. Do sự khác biệt về cấu tạo, tính năng chiến kỹ thuật nên hệ thống vũ khí trên phương tiện chiến đấu cơ động bánh xích có những đặc điểm riêng so với các phương tiện chiến đấu cơ động khác: được trang bị pháo lớn hoặc có tốc độ bắn cao nên hệ thống chịu tác động mạnh từ các phát bắn; vận hành trong điều kiện địa hình phức tạp, có khả năng vào cua đột ngột khi di chuyển, hiệu quả của hệ thống giảm xóc hạn chế nên hệ thống chịu tác động vật lý lớn trong quá trình làm việc; kíp chiến đấu, đạn dược được bố trí ngay bên trong tháp pháo nên hệ thống truyền động tháp pháo là một hệ có tham số biến đổi và không thể điều chỉnh cân bằng trọng tâm. Chính vì những đặc điểm trên mà hệ thống điều khiển vũ khí trên phương tiện cơ động bánh xích có những đặc thù riêng, chịu sự tác động lớn của nhiễu từ bên ngoài, trong đó có yếu tố đột biến và không đo được. Ngoài ra, ngày nay, trong chiến tranh hiện đại, các mục tiêu trên không và mặt đất có tính cơ động cao hơn, phạm vi hoạt động rộng hơn khiến việc bắt bám và điều khiển hỏa lực chính xác cũng trở nên khó khăn hơn. Bên cạnh đó,
2 ở nước ta, các phương tiện chiến đấu cơ động bánh xích chủ yếu là các phương tiện thế hệ cũ với hệ thống điều khiển vũ khí ứng dụng các thuật toán điều khiển truyền thống có độ chính xác, độ ổn định hạn chế và chỉ đáp ứng được ở một số trường hợp vận hành cụ thể trong điều kiện chiến tranh hiện đại. Ngoài ra, đối với một số loại phương tiện, khí tài mới được chuyển giao, do tính bảo mật về công nghệ quân sự, ta không thể tiếp cận được với các hệ thống điều khiển hiện đại đang được trang bị. Do đó, để đáp ứng được nhu cầu cải tiến, nâng cấp các hệ thống có sẵn cũng như làm tiền đề để thiết kế chế tạo mới các hệ thống vũ khí trong tương lai, việc tổng hợp hệ thống điều khiển các hệ thống vũ khí nói chung và điều khiển bám sát, ổn định trục nòng pháo nói riêng trên phương tiện CĐCĐBX nói riêng ứng dụng những thành tựu khoa học mới nhất trong lĩnh vực điều khiển là nhu cầu hết sức cần thiết. 2. Mục tiêu nghiên cứu Trên cơ sở mô hình động lực học cũng như các yếu tố đặc trưng tác động vào hệ truyền động súng pháo trên phương tiện chiến đấu cơ động bánh xích, luận án đặt mục tiêu tổng hợp thuật toán xác định tham số véc-tơ đường bắn trong điều kiện tư thế xe và phần tử bắn thay đổi. Đồng thời, tổng hợp bộ điều khiển thích nghi bền vững điều khiển bám và ổn định trục nòng pháo theo phương pháp ổn định gián tiếp nhằm nâng cao chất lượng hệ thống ổn định đường bắn, đáp ứng yêu cầu đặt ra cho phương tiện trong điều kiện tác chiến hiện đại vốn đòi hỏi khả năng bám bám sát các mục tiêu cơ động nhanh và khai hỏa trong hành tiến với độ chính xác cao. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a. Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của luận án là lớp phương tiện chiến đấu cơ động bánh xích được trang bị vũ khí là hệ thống súng, pháo.
3 b. Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống truyền động vũ khí trên phương tiện là hệ thống truyền động thủy lực 2 kênh tầm, hướng có cấu trúc tương đương, với cơ cấu chấp hành (CCCH) là bơm và động cơ thủy lực kiểu trục nghiêng; mô hình hệ thống có chứa thành phần bất định, đồng thời chịu các tác động không đo được của nhiễu xuyên kênh và nhiễu ngoại lực. Luận án tập trung vào bài toán xác định tham số véc-tơ đường bắn trên cơ sở tư thế của xe trên địa hình trong quá trình cơ động và tham số phần tử bắn từ hệ thống máy tính đường đạn. Trên cơ sở đó, tổng hợp bộ điều khiển bám sát và ổn định trục nòng pháo theo phương pháp ổn định gián tiếp. Việc tính toán các tham số phần tử bắn cũng như xử lý dữ liệu cảm biến đo góc pháo không nằm trong phạm vi nghiên cứu. Luận án sử dụng các dữ liệu này như là các đầu vào có sẵn để tổng hợp các thuật toán 4. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu các kỹ thuật phân tích hệ thống và điều khiển hiện đại làm cơ sở thực hiện luận án. - Xây dựng mô hình toán học cho đối tượng điều khiển trong điều kiện có yếu tố bất định mô hình và chịu tác động của nhiễu, có tính đến các thuộc tính động học đặc trưng của loại hình phương tiện chiến đấu bánh xích. - Nghiên cứu phương pháp xác định tư thế phương tiện cơ động trong hệ tọa độ quán tính trên cơ sở ứng dụng cảm biến đo lường hiện đại: cảm biến quán tính IMU, cảm biến từ trường 3 trục, cảm biến đo lường tham số góc,… - Nghiên cứu các phương pháp nhận dạng nhiễu phi tuyến, các thành phần bất định hệ thống ứng dụng bộ quan sát trạng thái, mạng nơ-ron RBF. - Tổng hợp hệ thống điều khiển bám và ổn định gián tiếp trục nòng pháo được xây dựng trên cơ sở các bộ điều khiển thích nghi, bền vững. - Thực nghiệm, mô phỏng đánh giá chất lượng hệ thống đã tổng hợp.
4 5. Phương pháp nghiên cứu - Sử dụng phương pháp giải tích, hình học, cơ học để xây dựng mô hình cho đối tượng nghiên cứu. - Sử dụng các diễn giải và chứng minh toán học để phân tích và tổng hợp hệ thống điều khiển. - Thực nghiệm đo đạc, thu thập dữ liệu và mô phỏng trên máy tính để kiểm chứng tính đúng đắn, độ tin cậy cũng như tính hiệu quả của giải pháp đề ra trong luận án. - Triển khai, áp dụng thử nghiệm thuật toán điều khiển trên thiết bị tích hợp trong hệ thống thực tế. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Trên cơ sở phân tích đặc điểm cấu trúc hệ thống và đặc trưng của nhiễu tác động, luận án tiến hành nghiên cứu, đề xuất phương pháp xây dựng hệ thống và giải quyết bài toán điều khiển bám sát, ổn định cho vũ khí trên phương tiện chiến đấu cơ động bánh xích có tính đến các yếu tố bất định về tham số và đặc trưng nhiễu trong môi trường hoạt động. Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khoa học để áp dụng và triển khai xây dựng cũng như cải tiến hệ thống ổn định súng pháo nói riêng và hệ thống điều khiển hỏa lực nói chung trên các phương tiện chiến đấu cơ động bánh xích. 7. Bố cục của luận án Với các mục tiêu nghiên cứu đặt ra, ngoài các phần mở đầu, kết luận, danh mục tài liệu tham khảo và phụ lục, luận án được bố cục thành 04 chương: Chương 1: Tổng quan về hệ thống ổn định súng pháo trên phương tiện chiến đấu cơ động bánh xích. Trong chương này, luận án nghiên cứu tổng quan về phương tiện chiến đấu cơ động bánh xích; đặc điểm của đối tượng và vai trò của hệ thống ổn định