Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Tổng hợp hệ thống điều khiển trượt cho một lớp đối tượng phi tuyến bất định

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:127

Thêm vào BST

Báo xấu

27
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của đề tài là Nghiên cứu xây dựng luật điều khiển trượt cho một lớp đối tượng phi tuyến bất định, vừa đảm bảo tồn tại chế độ trượt, vừa đảm bảo cho hệ thống tiến nhanh về mặt trượt và giảm hiện tượng rung. Nghiên cứu tổng hợp hệ thống điều khiển trượt cho pháo PPK 37mm-2N, nhằm đảm bảo độ chính xác, độ bền vững và khả năng kháng nhiễu, đáp ứng yêu cầu của thực tế chiến đấu và sẵn sàng chiến đấu.

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 trượt cho một lớp đối tượng phi tuyến bất định

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ LÊ VIỆT HỒNG TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT CHO MỘT LỚP ĐỐI TƢỢNG PHI TUYẾN BẤT ĐỊNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ LÊ VIỆT HỒNG TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT CHO MỘT LỚP ĐỐI TƢỢNG PHI TUYẾN BẤT ĐỊNH Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số: 62 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN VŨ PGS.TS TRẦN ĐỨC THUẬN
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án này là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác, các số liệu tham khảo có trích dẫn đầy đủ Tác giả luận án
ii LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành cám ơn Thủ trưởng Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, viện Tự động hóa KTQS và các đồng nghiệp đã luôn động viên, quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu của mình. Tôi xin bày tỏ sự biết ơn chân thành và sâu sắc đến các đại tá, PGS.TS Nguyễn Vũ, Phó cục trưởng Cục Khoa học Quân sự người hướng dẫn khoa học chính và đại tá, PGS.TS Trần Đức Thuận người hướng dẫn thứ hai đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành bản luận án này. Tôi xin chân thành cám ơn các nhà khoa học của Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, viện Tự động hóa KTQS đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành cám ơn cán bộ phòng Đào tạo/Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, các cán bộ phụ trách đào tạo chuyên ngành kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa đã luôn tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong trong suốt quá trình nghiên cứu của mình. Cuối cùng tôi xin chân thành cám ơn gia đình và bạn bè đã luôn chia sẻ, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu.
iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ...................................... V DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ...............................................................................VII MỞ ĐẦU........................................................................................................................ 1 CHƢƠNG 1. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HOẠT ĐỘNG TRONG CHẾ ĐỘ TRƢỢT .................................................................................................................. 7 1.1. Khái niệm chung về hệ thống điều khiển hoạt động trong chế độ trƣợt.………………………………………………………………………7 1.2. Tổng hợp hệ thống điều khiển hoạt động trong chế độ trƣợt. ........... 13 1.2.1. Tổng hợp bộ điều khiển hoạt động trong chế độ trượt...................................14 1.2.2. Điều kiện tồn tại chế độ trượt ...........................................................................15 1.2.3. Hiện tượng chattering trong chế độ trượt ........................................................17 1.3. Một số phƣơng pháp tổng hợp bộ điều khiển hoạt động trong chế độ trƣợt điển hình cho các đối tƣợng phi tuyến .................................. 18 1.3.1. Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển trượt trong hệ thống có thành phần nhiễu bất định ......................................................................................................18 1.3.2. Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển trượt thích nghi cho lớp đối tượng phi tuyến dưới tác động của nhiễu là hàm phi tuyến trơn .............................20 1.3.3. Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển trượt cho lớp đối tượng phi tuyến dưới tác động của nhiễu là hàm phi tuyến không trơn. ............................................22 1.3.4. Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển trượt cho một dạng thuộc lớp đối tượng phi tuyến bất định. .............................................................................................24 1.3.5. Phương pháp tổng hợp bộ điều khiển trượt tích phân thích nghi..................26 Kết luận chƣơng 1 ......................................................................................... 34 CHƢƠNG 2. XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG CHO CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ THAM SỐ HỆ THỐNG BẤT ĐỊNH ............................................................................................................................36 2.1. Giải pháp nâng cao chất lƣợng điều khiển cho hệ thống truyền động chịu tác động của nhiễu. ...................................................................... 36
iv 2.2. Tổng hợp hệ thống điều khiển bền vững cho hệ truyền động phi tuyến có tham số bất định............................................................................. 46 2.2.1. Phương pháp phân tách thành phần bất định. .................................................47 2.2.2. Phương pháp tổng hợp trực tiếp ma trận phản hồi trạng thái. .......................51 2.2.3. Mô phỏng các kết quả nghiên cứu bằng phần mềm matlab ..........................57 Kết luận chƣơng 2 ......................................................................................... 70 CHƢƠNG 3. TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG HOẠT ĐỘNG Ở CHẾ ĐỘ TRƢỢT PHỤC VỤ CẢI TIẾN PHÁO PPK 37MM-2N ....................................................................................................................71 3.1. Xây dựng mô hình cho hệ truyền động pháo phòng không ............... 73 3.2. Xác định các tham số của hệ thống pháo PPK 37mm-2N .................. 79 3.2.1. Hệ truyền động tà..............................................................................................79 3.2.2. Hệ truyền động phương vị ................................................................................81 3.2.3. Mô hình hệ truyền động pháo 37mm-2N........................................................83 3.3. Xác định tham số bộ điều khiển của hệ truyền động pháo phòng không PPK 37mm-2N. .................................................................................. 85 3.3.1. Hệ thống bám cho truyền động tà. ...................................................................85 3.3.2. Hệ thống bám cho truyền động phương vị......................................................86 3.4. Mô phỏng đánh giá hệ thống điều khiển truyền động pháo phòng không PPK 37mm-2N cải tiến .......................................................... 88 3.4.1. Chỉ tiêu thời gian chuyển trạng thái. ................................................................89 3.4.2. Chỉ tiêu tốc độ bám sát ......................................................................................92 3.4.3. Mô phỏng tổng hợp đồng thời hai kênh tà và phương vị ..............................95 Kết luận chƣơng 3 ......................................................................................... 96 KẾT LUẬN .................................................................................................................97 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ..................99 TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................100 PHỤ LỤC ................................................................................................................... P1
v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 𝐴, 𝐴 Các ma trận trạng thái hệ thống 𝐵, 𝐵 Các ma trận điều khiển hệ thống ∆𝐴 Thành phần bất định của ma trận trạng thái ∆𝐵 Thành phần bất định của ma trận hệ thống 𝐶𝑇 Véc tơ của siêu mặt trượt 𝑐𝑇 Véc tơ hệ số mặt trượt d(t ), d (t ) Nhiễu phụ thuộc thời gian tác động vào hệ thống 𝑒 Sai số 𝑔 𝑥 , 𝑓(𝑥) Các véc tơ hàm mô tả hệ thống i, j Các chỉ số hàng, cột của ma trận J Mô men quán tính 𝑘, 𝑘1 , 𝑘2 , 𝛿, 𝜇, 𝜂, 𝛼 Hệ số trong điều khiển mode trượt klx Hệ số cứng lò xo m Khối lượng M Mô men lực P, Q Các ma trận giá trị chặn trên của thành phần bất định ∆𝐴, ∆𝐵 R Ma trận giá trị chặn dưới của thành phần bất định trong ma trận điều khiển B s Toán tử Laplace 𝑠(𝑥) Mặt trượt 𝑠 𝑥 Siêu mặt trượt 𝑇1 , 𝑇2 Tham số động học của pháo PPK37mm-2N V (X ) Hàm Lapunov
vi 𝑢 Vector các tín hiệu đầu vào (tín hiệu điều khiển) 𝑥 Vector các tín hiệu trạng thái y (t ) Tín hiệu đầu ra của hệ thống. yd (t ) Tín hiệu đặt đầu vào của hệ thống. 𝜑, 𝜑, 𝜑 Giá trị góc, vận tốc góc, gia tốc góc của hệ truyền động 𝜑𝑖𝑗 , 𝛼𝑖𝑗 , 𝛽𝑖,𝑗 Các hệ số của bộ chuyển mạch trạng thái (𝑥) Hàm thành phần của bộ điều khiển trượt 𝜍(𝑥) Mặt trượt bậc cao 𝛾 Hệ số điều khiển thích nghi ∆𝐹 Tổng các thành phần bất định (𝑥) Hàm đo lường đầu ra. 𝑊𝑖 Trọng số điều khiển mờ 𝜔𝑛𝑜𝑟𝑚 Tín hiệu điều khiển MIMO Hệ nhiều đầu vào nhiều đầu ra PPK Pháo Phòng Không SISO Hệ một đầu vào một đầu ra SMC Bộ điều khiển chế độ trượt VSC Bộ điều khiển có cấu trúc biến đổi
vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển .................................................... 8 Hình 1.2 Hệ thống có khâu phi tuyến hai vị trí ................................................. 9 Hình 1.3 Mặt phẳng pha của hệ thống ........................................................... 10 Hình 1.4 Xây dựng quỹ đạo pha ..................................................................... 11 Hình 1.5 Hiện tượng trượt ............................................................................... 12 Hình1.6 Sơ đồ cấu trúc hệ thống trượt thích nghi trên cơ sở mạng nơ ron ... 22 Hình 1.7 Sơ đồ cấu trúc bộ đánh giá sai số ..................................................... 24 Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển .................................................. 24 Hình 2.1 Sơ đồ mô phỏng hệ thống sử dụng bộ điều khiển đối chứng .......... 43 Hình 2.2 Kết quả mô phỏng hệ thống sử dụng bộ điều khiển đối chứng ...... 44 Hình 2.3 Sơ đồ mô phỏng hệ thống sử dụng bộ điều khiển đề xuất ............... 45 Hình 2.4 Kết quả mô phỏng hệ thống sử dụng bộ điều khiển đề xuất ............ 46 Hình 2.5 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển đề xuất ........................................... 62 Hình 2.6 Sai số bám sát (Rad) khi giá trị đặt dạng Bước ............................... 63 Hình 2.7 Sai số bám sát (Rad) khi giá trị đặt dạng hàm SIN .......................... 63 Hình 2.8 Sai số bám sát (Rad) khi giá trị đặt dạng Bước ............................... 64 Hình 2.9 Sai số bám sát (Rad) khi giá trị đặt dạng SIN .................................. 64 Hình 2.10 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển đề xuất .......................................... 68 Hình 2.11 Kết quả mô phỏng với đầu vào là hàm bước ................................. 69 Hình 2.12 Kết quả mô phỏng với đầu vào là hàm SIN ................................... 69 Hình 3.1 Hệ thống PPK37mm-2N bán tự động .............................................. 72 Hình 3.2 Kết cấu bánh răng kép ...................................................................... 74 Hình 3.3 Sơ đồ hệ cơ khí cải tiến .................................................................... 75 Hình 3.4 Mô hình hệ truyền động khối trước đàn hồi .................................... 75 Hình 3.5 Mô hình khối sau đàn hồi ................................................................. 76 Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc đối tượng có khâu đàn hồi ....................................... 76 Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động có khâu đàn hồi ............................... 77 Hình 3.8 Sơ đồ khối khâu đàn hồi................................................................... 77 Hình 3.9 Sơ đồ mô phỏng cho hệ điều khiển truyền động PPK 37mm-2N.... 88
viii Hình 3.10 Đáp ứng của hệ truyền động bám khối tà với đầu vào Bước và không có nhiễu tải ......................................................................... 89 Hình 3.11 Đáp ứng của hệ truyền động bám khối tà với đầu vào Bước và có nhiễu tải .................................................................................... 90 Hình 3.12 Đáp ứng của hệ truyền động bám khối phương vị với đầu vào Bước và không có nhiễu tải .......................................................... 91 Hình 3.13 Đáp ứng của hệ truyền động bám khối phương vị với đầu vào Bước và có nhiễu tải ..................................................................... 91 Hình 3.14 Đáp ứng của hệ truyền động bám khối tà với đầu vào SIN và không có nhiễu tải ......................................................................... 93 Hình 3.15 Đáp ứng của hệ truyền động bám khối tà với đầu vào SIN và có nhiễu tải .................................................................................... 93 Hình 3.16 Đáp ứng của hệ truyền động bám khối phương vị với đầu vào SIN và không có nhiễu tải............................................................. 94 Hình 3.17 Đáp ứng của hệ truyền động bám khối phương vị với đầu vào SIN và có nhiễu tải........................................................................ 94 Hình 3.18 Đáp ứng của hệ truyền động bám khối phương vị và Tà trong trường hợp kết hợp và có nhiễu tải ............................................... 95
1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Trong vài thập niên trở lại đây, điều khiển đối tượng phi tuyến bất định đã và đang thu hút sự quan tâm lớn của các nhà khoa học trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển và tự động hóa [12], [56]. Điều đó có nguyên nhân xuất phát từ các đòi hỏi bức thiết của thực tế. Các lĩnh vực sản xuất ngày càng đòi hỏi cao hơn đối với chất lượng của các hệ thống điều khiển nhằm nâng cao năng lực cạnh tranh. Trong lĩnh vực quân sự và quốc phòng, nhu cầu nâng cao chất lượng cho các hệ thống điều khiển của các tổ hợp vũ khí, khí tài quân sự ngày càng trở nên bức thiết hơn nhằm đáp ứng các yêu cầu của chiến tranh công nghệ cao. Để nâng cao chất lượng của hệ thống điều khiển nhất thiết phải tính đến các đặc tính phi tuyến và tính bất định của các đối tượng điều khiển. Tính phi tuyến và tính bất định tồn tại một cách khách quan, gây khó khăn cho việc thiết kế chế tạo các hệ thống điều khiển với chất lượng cao. Nhiều công trình nghiên cứu đã đề xuất nhiều giải pháp, phát triển nhiều thuật toán cho điều khiển các đối tượng phi tuyến bất định để khắc phục những khó khăn đó [10], [12], [17], [56], [75],…. Các nghiên cứu đều tập trung chủ yếu theo hướng điều khiển bền vững và điều khiển thích nghi. Điều khiển bền vững trên cơ sở sử dụng chế độ trượt còn gọi là điều khiển chế độ trượt (Sliding Mode Control) hay đơn giản hơn còn gọi là điều khiển trượt ngày càng được quan tâm phát triển bởi nó có những ưu điểm vượt trội [4], [21], [78], [79], [80], [81], [85]. Khi hoạt động ở chế độ trượt, hệ thống sẽ trở nên bất biến với sự thay đổi tham số và các yếu tố bất định khác của đối tượng điều khiển đồng thời bất biến với nhiễu bên ngoài [56], [ 78], nhờ vậy, hệ có tính bền vững cao và tính kháng nhiễu tốt. Tuy nhiên, điều khiển trượt truyền thống còn có nhược điểm là tồn tại hiện tượng rung (chattering) do thành phần điều khiển gián đoạn của luật điều
2 khiển trượt gây nên. Đó là điều khiển không mong muốn trong hầu hết các ứng dụng [3], [21], [56]. Vì vậy vấn đề đặt ra tiếp theo là phải tìm kiếm các giải pháp hạn chế hiện tượng rung này. Trong thời gian gần đây, một số giải pháp chống rung được đề xuất [9], [17], [56], [69], [75], … các giải pháp đó đều nhằm làm giảm biên độ của thành phần gián đoạn trong luật điều khiển trượt nhờ phương pháp nhận dạng nhiễu bằng mạng nơ ron và bù trừ nhiễu [17], hoặc bằng công cụ logic mờ [56], hoặc bằng cách sử dụng chế độ trượt bậc cao [36], [61], [69], [75]. Tuy nhiên khi sử dụng logic mờ việc lựa chọn hàm liên thuộc phù hợp cho từng đối tượng hoàn toàn phụ thuộc vào tri thức chuyên gia mà không phải lúc nào cũng có được. Việc sử dụng chế độ trượt bậc cao cũng gặp những khó khăn không nhỏ liên quan đến lấy đạo hàm các bậc của hàm mặt trượt, đặc biệt là các đạo hàm bậc cao. Các vấn đề đặt ra tiếp theo là xác định luật điều khiển trượt cho hệ phi tuyến bất định, vừa đảm bảo cho hệ thống tiến nhanh về mặt trượt lại vừa đảm bảo giảm thiểu độ rung, thêm vào đó, luật điều khiển trượt còn phải dễ thực hiện về mặt kỹ thuật. Đối với các lớp đối tượng phi tuyến khác nhau, các vấn đề đã đặt ra sẽ có các lời giải khác nhau. Việc tìm kiếm lời giải cho các vấn đề đó, đối với mỗi lớp phi tuyến bất định cụ thể, là vấn đề lý thú về mặt học thuật và là vấn đề có sức hấp dẫn mạnh khi phải giải bài toán ứng dụng thực tiễn. Các đối tượng phi tuyến bất định thường gặp trong các hệ thống vũ khí, khí tài quân sự đang rất cần có các hệ thống điều khiển chất lượng cao, có tính bền vững, tính kháng nhiễu tốt nhằm đáp ứng các yêu cầu bức thiết của chiến đấu và sẵn sàng chiến đấu trong điều kiện chiến tranh công nghệ cao. Chính từ những lý do nêu trên, Luận án đặt vấn đề nghiên cứu phương pháp tổng hợp các hệ thống điều khiển cho một lớp đối tượng phi tuyến bất định, đảm bảo tính bền vững và tính kháng nhiễu cao, trên cơ sở ứng dụng chế độ trượt. Đây là lớp đối tượng phi tuyến đặc thù, trong đó các tham số
3 động học biến đổi theo quy luật không biết trước hoặc phụ thuộc vào biến trạng thái theo các hàm phi tuyến phức tạp nằm trong các miền giới hạn xác định. Một điển hình của lớp đối tượng này là pháo phòng không PPK 37mm- 2N. Đây là hệ thống vũ khí phòng không tầm thấp quan trọng trong lực lượng phòng không của quân đội ta. Để đáp ứng yêu cầu chiến tranh trong tình hình mới, hiện nay các đại đội PPK 37mm-2N đang được triển khai nghiên cứu cải tiến thành hệ thống tự động có độ chính xác cao. Để giải quyết bài toán này, trên cơ sở mô hình toán học của PPK 37mm-2N, luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu đã đề xuất để tổng hợp bộ điều khiển bền vững hoạt động trong chế độ trượt cho hệ thống PPK 37mm-2N cải tiến , góp phần quan trọng để tổ hợp vũ khí này đạt được các tính năng kỹ chiến thuật theo yêu cầu của chiến tranh công nghệ cao. 2. Mục tiêu nghiên cứu Về mặt lý thuyết: Nghiên cứu xây dựng luật điều khiển trượt cho một lớp đối tượng phi tuyến bất định, vừa đảm bảo tồn tại chế độ trượt, vừa đảm bảo cho hệ thống tiến nhanh về mặt trượt và giảm hiện tượng rung. Về mặt ứng dụng: Nghiên cứu tổng hợp hệ thống điều khiển trượt cho pháo PPK 37mm-2N, nhằm đảm bảo độ chính xác, độ bền vững và khả năng kháng nhiễu, đáp ứng yêu cầu của thực tế chiến đấu và sẵn sàng chiến đấu. 3. Đối tƣợng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là các thuật toán điều khiển trượt cho các đối tượng phi tuyến bất định và hệ thống điều khiển bám cho pháo phòng không tầm thấp PPK 37mm-2N. 4. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu tổng hợp luật điều khiển, đảm bảo tồn tại chế độ trượt trên mặt trượt, trong đó hệ thống vừa tiến nhanh về mặt trượt, vừa làm giảm hiện tượng rung cho lớp các đối tượng phi tuyến bất định mà các tham số động học
4 của chúng thay đổi trong một dải xác định đồng thời hệ thống còn có thể chịu tác động của nhiễu. Đây là lớp hệ thống rất thường gặp trong các lĩnh vực kỹ thuật quân sự mà Pháo PPK 37mm-2N là một trong những đối tượng điển hình của lớp đối tượng nêu trên. Vì vậy phạm vi nghiên cứu của luận án còn là áp dụng các thuật toán điều khiển trượt thu được để tổng hợp hệ thống điều khiển pháo PPK 37mm-2N đáp ứng yêu cầu đặt ra của thực tế chiến đấu và sẵn sàng chiến đấu. 5. Nội dung nghiên cứu Để đạt được mục tiêu đề ra, luận án nghiên cứu các nội dung cụ thể sau đây: - Nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển cho một lớp đối tượng phi tuyến bất định để vừa đảm bảo tồn tại chế độ trượt, làm cho hệ thống tiến nhanh về mặt trượt vừa đảm bảo giảm hiện tượng rung của hệ thống. - Nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển trượt cho một lớp các đối tượng phi tuyến bất định mà các tham số động học của chúng thay đổi trong những dải xác định vừa đảm bảo cho hệ có tính bền vững vừa dễ thực hiện về mặt kỹ thuật. - Nghiên cứu xây dựng mô hình toán học của PPK 37mm-2N trên quan điểm điều khiển; tổng hợp hệ thống tự động điều khiển PPK 37mm-2N trên cơ sở ứng dụng chế độ trượt và chú ý đến các yếu tố bất lợi như tính phi tuyến, sự thay đổi mô men quán tính và mô men tải, làm cho hệ thống có tính bền vững và tính kháng nhiễu tốt, đáp ứng các chỉ tiêu yêu cầu đặt ra. 6. Phƣơng pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp phân tích và tổng hợp hệ thống trên cơ sở công cụ giải tích, các định lý, các kết luận đều được chứng minh chặt chẽ. Để kiểm chứng tính đúng đắn và hiệu quả của các kết quả thu được, luận án sử dụng công cụ matlab-simulink.
5 Đối với bài toán ứng dụng, luận án lấy pháo PPK 37mm-2N làm đối tượng, tiến hành khảo sát thực tế, đo đạc lấy số liệu để xây dựng mô hình toán học của nó trên quan điểm điều khiển, tiến hành tổng hợp hệ thống điều khiển bền vững trên cơ sở chế độ trượt có tính đến các yếu tố đặc thù; mô phỏng đánh giá và kiểm chứng theo các chỉ tiêu yêu cầu đặt ra đối với PPK 37mm- 2N. 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Với các định hướng nêu trên, các kết quả đạt được của luận án sẽ có những đóng góp mới cả về lý thuyết và ứng dụng. Các phương pháp tổng hợp xây dựng trong luận án được phát triển trên cơ sở lý thuyết điều khiển hiện đại về hệ thống cấu trúc biến đổi hoạt động trong chế độ trượt cho lớp đối tượng bất định chịu tác động của nhiễu. Đây là cơ sở lý thuyết để tổng hợp, thiết kế các hệ thống điều khiển ổn định và bền vững với độ chính xác cao phục vụ cho cải tiến pháo phòng không góp phần giải quyết các vấn đề cấp thiết trong phòng chống chiến tranh công nghệ cao. Từ các nghiên cứu lý thuyết, luận án đã xây dựng mô hình và tổng hợp hệ thống điều khiển phục vụ cho cải tiến hệ thống pháo phòng không tầm thấp PPK 37mm-2N. Kết quả mô phỏng đã minh chứng tính đúng đắn, hiệu quả và khả thi cao trong áp dụng hệ thống đã được tổng hợp vào thực tiễn. Các kết quả nghiên cứu có thể mở rộng áp dụng trong các hệ thống điều khiển khác phục vụ cho quốc phòng và nền kinh tế quốc dân. 8. Bố cục của luận án Luận án bao gồm: Phần mở đầu. Trình bày tính cấp thiết, mục tiêu, yêu cầu của nhiệm vụ, các nội dung nghiên cứu và phương pháp thực hiện.
6 Chương 1: Hệ thống điều khiển hoạt động trong chế độ trượt Trình bày tổng quan về phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển có cấu trúc biến đổi hoạt động trong chế độ trượt, một số phương pháp tổng hợp điển hình cho một số dạng đối tượng phổ biến trong thực tế. Chương 2: Tổng hợp thuật toán điều khiển theo chế độ trượt cho lớp đối tượng truyền động có tham số hệ thống bất định Trên cơ sở các nghiên cứu về các phương pháp tổng hợp đã trình bày trong chương 1, chương 2 sẽ phát triển các lý thuyết chung để xây dựng phương pháp tổng hợp bộ điều khiển cho một lớp đối tượng có đặc tính là tham số hệ thống bất định hoạt động dưới tác động của nhiễu. Đây là đặc tính điển hình của một số hệ truyền động phổ biến trong thực tế như: các hệ thống pháo phòng không tầm thấp, rô bốt, cẩu trục, băng tải… Chương 3: Tổng hợp hệ thống điều khiển bền vững hoạt động ở chế độ trượt phục vụ cải tiến PPK 37mm-2N Áp dụng phương pháp tổng hợp được xây dựng ở chương 2, nội dung chương 3 là tiến hành tổng hợp hệ thống điều khiển có cấu trúc biến đổi hoạt động trong chế độ trượt cho đối tượng là hệ thống pháo phòng không tầm thấp PPK 37mm-2N. Để kiểm nghiệm các kết quả nghiên cứu, hệ thống với bộ điều khiển đã tổng hợp sẽ được mô phỏng trên phần mềm matlab simulink. Từ kết quả mô phỏng tiến hành phân tích và đánh giá các kết quả nghiên cứu đã đạt được. Phần kết luận: Trình bày các kết quả nghiên cứu chính và những đóng góp mới của luận án và những phương hướng phát triển tiếp theo.
7 CHƢƠNG 1 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN HOẠT ĐỘNG TRONG CHẾ ĐỘ TRƢỢT Hiện nay, điều khiển chế độ trượt đang nhận được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học và đã được phát triển liên tục và có nhiều ứng dụng trong các bài toán thực tế. Điều này được thể hiện bởi rất nhiều các công trình khoa học ứng dụng phương pháp tổng hợp hệ thống có cấu trúc biến đổi hoạt động trong chế độ trượt cho các lớp đối tượng khác nhau đã được công bố. Trong luận án này, điều khiển chế độ trượt sẽ là công cụ chính để giải các bài toán tổng hợp các hệ phi tuyến có chứa các thành phần bất định và chịu ảnh hưởng của nhiễu. Để phát triển lý thuyết về điều khiển chế độ trượt, trước tiên cần làm rõ về điều khiển chế độ trượt và các cơ sở lý thuyết của nó. 1.1 . Khái niệm chung về hệ thống điều khiển hoạt động trong chế độ trƣợt Trong các hệ thống điều khiển, điều khiển chế độ trượt là một phương pháp điều khiển phi tuyến, nó tạo ra tín hiệu điều khiển gián đoạn để buộc hệ thống phải tiến tới một bề mặt chọn trước và nằm trên mặt phẳng đó. Khi trạng thái hệ thống nằm trên mặt phẳng được lựa chọn trạng thái của hệ thống sẽ trượt về gốc tọa độ. Luật điều khiển phản hồi trạng thái khi đó sẽ không là hàm liên tục mà sẽ được chuyển mạch từ cấu trúc này sang cấu trúc khác tùy thuộc vào giá trị của trạng thái hệ thống. Do đó chế độ trượt thuộc lớp điều khiển có cấu trúc biến đổi. Một số khái niệm cơ sở của điều khiển trượt sẽ được làm rõ dưới đây. Một hệ thống điều khiển nói chung có sơ đồ cấu trúc như trên hình 1.1 [14], [25], trong đó, bao gồm các khối chính: bộ điều khiển, đối tượng điều khiển và các cơ cấu đo phản hồi trạng thái.
8 Trạng thái Giá trị Trạng thái yêu cầu Bộ điều điều khiển Đối tượng đối tượng khiển điều khiển Phản hồi trạng thái Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển Tổng hợp hệ thống có cấu trúc biến đổi là việc tổng hợp bộ điều khiển mà bộ điều khiển này tùy theo trạng thái hệ thống sẽ có các giá trị điều khiển không liên tục sao cho tác động đầu ra của bộ điều khiển làm cho đối tượng điều khiển hoạt động theo yêu cầu đặt ra. Điều khiển như vậy được gọi là điều khiển có cấu trúc biến đổi (VSC: Variable Structure Control). Do đó, VSC là bộ điều khiển phản hồi chuyển mạch tốc độ cao và tác động điều khiển của VSC là tác động điều khiển rời rạc. Hệ thống có cấu trúc biến đổi hoạt động trong chế độ trượt là bộ điều khiển chuyển mạch luôn đưa trạng thái của hệ thống về một bề mặt trong không gian trạng thái (do người sử dụng chọn) mà ở đó hiện tượng trượt sẽ tồn tại [14], [25], [80], [81] …. Bề mặt đó được gọi là bề mặt chuyển mạch hay còn gọi là bề mặt trượt. Chế độ trượt: hiện tượng trượt có thể xuất hiện trong các hệ thống động mô tả bởi hệ phương trình vi phân có giá trị gián đoạn ở vế bên phải của phương trình. Một trong các ví dụ điển hình cho chế độ trượt là khâu hai vị trí [14], [25] có cấu trúc sơ đồ cho ở hình 1.2. Xét hệ trong hình 1.2 ta có: bộ điều khiển gồm 2 khâu: khâu phi tuyến là khâu hai vị trí và khâu tuyến tính có hàm truyền là 1 ; đối tượng điều khiển s 1 được mô tả bằng hàm truyền và mô hình phản hồi tín hiệu được giả thiết Ts là khâu khuếch đại không có quán tính có hệ số truyền k:
9 Hình 1.2 Hệ thống có khâu phi tuyến hai vị trí Từ sơ đồ khối của hệ, ta có: 𝑦 = 𝑠𝑖𝑔𝑛 𝑒 = 1 𝑛ế𝑢 𝑒 > 0 (1.1) −1 𝑛ế𝑢 𝑒 < 0 đồng thời: 𝑑 2𝑥 𝑇 =𝑦 (1.2) 𝑑𝑡 2 Và 𝑑𝑥 𝑑𝑥 𝑑𝑥 𝑒 =𝑢−𝑧−𝑇 = 𝑢 − 𝑘𝑥 − 𝑇 = 𝑢 − (𝑘𝑥 + 𝑇 ) (1.3) 𝑑𝑡 𝑑𝑡 𝑑𝑡 Với giá trị đặt u=0, từ (1.1), (1.2), (1.3) ta có: 1 𝑑𝑥 𝑑 2𝑥 𝑛ế𝑢 𝑘𝑥 + 𝑇 0 𝑇 𝑑𝑡 𝑑𝑥 Từ (1.4) ta xây dựng được mặt phẳng pha với hai trục tọa độ x và 𝑑𝑡 (hình 1.3). Trong đó đường thẳng: 𝑑𝑥 𝑘𝑥 + 𝑇 =0 (1.5) 𝑑𝑡 phân chia mặt phẳng pha thành hai miền: miền phía trên đường thẳng là miền mà ở đó: 𝑑2𝑥 1 =− (1.6) 𝑑𝑡 2 𝑇
10 và miền phía dưới có: 𝑑2𝑥 1 = (1.7) 𝑑𝑡 2 𝑇 Hình 1.3 Mặt phẳng pha của hệ thống Lấy tích phân (1.6) ta được: 𝑑𝑥 𝑡 = − + 𝑐1 (1.8) 𝑑𝑡 𝑇 Lấy tích phân (1.8) ta có: 𝑡2 𝑇 𝑡 𝑇𝑐12 𝑇 𝑑𝑥 2 𝑥=− + 𝑐1 𝑡 + 𝑐2 = − (− + 𝑐1 )2 + 𝑐2 + =− + 𝑘1 (1.9) 2𝑇 2 𝑇 2 2 𝑑𝑡 với: 𝑇𝑐12 𝑘1 = 𝑐2 + (1.10) 2 𝑑𝑥 (0) và c1, c2 là những hằng số phụ thuộc vào các giá trị đầu x(0), . Họ đồ thị 𝑑𝑡 phương trình (1.9) cho những giá trị k1 khác nhau có dạng parabol và được biểu diễn trong hình 1.3 bằng đường nét liền. Tương tự, từ (1.7) ta cũng có: 𝑇 𝑑𝑥 2 𝑥= + 𝑘2 (1.11) 2 𝑑𝑡 và những đường parabol nét rời trong hình 1.3 là đồ thị của (1.11). Xét quỹ đạo của hệ thống khi trạng thái ban đầu là tại điểm A nằm ở phần mặt phẳng pha có 𝑘𝑥 + 𝑇𝑥 > 0. Khi đó, quỹ đạo pha của hệ thống đi