Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Ứng dụng mạng nơron nhận dạng các tham số khí động kênh độ cao nhằm nâng cao hiệu quả thiết kế thiết bị bay

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:161

Thêm vào BST

Báo xấu

40
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nghiên cứu nhằm xây dựng được các mô hình động học trong kênh độ cao của một lớp máy bay cánh bằng sử dụng cho các vấn đề nhận dạng đạo hàm hệ số khí động; xây dựng cấu trúc mạng nơron hàm cơ sở xuyên tâm (RBF) xấp xỉ mô hình động học phi tuyến kênh độ cao máy bay; kết hợp mạng RBFvới thuật toán Gauss–Newton(GN) thực hiện nhận dạng các đạo hàm hệ số khí động cho kênh độ cao của máy bay; đề xuất sử dụng mạng nơron đột biến(SNN) để nhận dạng các đạo hàm hệ số khí động.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Ứng dụng mạng nơron nhận dạng các tham số khí động kênh độ cao nhằm nâng cao hiệu quả thiết kế thiết bị bay

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ----------------------- NGUYỄN ĐỨC THÀNH ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON NHẬN DẠNG CÁC THAM SỐ KHÍ ĐỘNG KÊNH ĐỘ CAO NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ THIẾT KẾ THIẾT BỊ BAY LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ----------------------- NGUYỄN ĐỨC THÀNH ỨNG DỤNG MẠNG NƠRON NHẬN DẠNG CÁC THAM SỐ KHÍ ĐỘNG KÊNH ĐỘ CAO NHẰM NÂNG CAO HIỆU QUẢ THIẾT KẾ THIẾT BỊ BAY Chuyên 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. TS. Trương Đăng Khoa 2. TS. Hoàng Minh Đắc Hà Nội - 2021
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những nội dung, số liệu và kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa có tác giả nào công bố trong bất cứ một công trình nào khác. Các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Tác giả luận án Nguyễn Đức Thành
ii LỜI CẢM ƠN Công trình nghiên cứu này được thực hiện tại Viện Tên lửa, Viện Tự động hoá kỹ thuật quân sự thuộc Viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Bộ Quốc phòng. Tác giả xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới TS. Trương Đăng Khoa và TS. Hoàng Minh Đắc đã định hướng nghiên cứu và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tác giả luận án xin chân thành cảm ơn thủ trưởng Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Phòng Đào tạo/ Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Viện Tên lửa, Viện Tự động hoá kỹ thuật quân sự Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, khoa KTĐK Học viện KTQS và các đồng nghiệp đã luôn động viên, quan tâm và giúp đỡ để tác giả hoàn thành luận án. Xin chân thành cám ơn các Thầy giáo, các nhà Khoa học và gia đình, người thân cùng bạn bè đã quan tâm giúp đỡ, đóng góp nhiều ý kiến quý báu, cổ vũ và động viên tác giả hoàn thành công trình khoa học này. NCS Nguyễn Đức Thành
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii MỤC LỤC ........................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................ x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ......................................................................... xi MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NHẬN DẠNG CÁC HỆ SỐ KHÍ ĐỘNG CỦA MÁY BAY ............................................................................................... 7 1.1. Nhiệm vụ nhận dạng các đạo hàm hệ số khí động trong quy trình thiết kế thiết bị bay ................................................................................................. 7 1.1.1. Các giai đoạn thiết kế thiết bị bay ................................................... 7 1.1.2. Mô hình khí động của thiết bị bay ................................................... 9 1.1.3. Vai trò nhận dạng các đặc tính khí động ....................................... 16 1.2. Nhận dạng các đạo hàm hệ số khí động từ dữ liệu bay ........................ 17 1.2.1. Mô hình động học chuyển động của máy bay ............................... 18 1.2.2. Thử nghiệm bay, thu nhận dữ liệu ................................................. 19 1.2.3. Ước lượng tham số khí động và xác định trạng thái ..................... 21 1.2.4. Xác nhận mô hình .......................................................................... 24 1.3. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ......................................................... 25 1.4. Tình hình nghiên cứu trong nước ......................................................... 33 1.5. Đặt vấn đề nghiên cứu .......................................................................... 35 1.5.1. Những vấn đề còn tồn tại ............................................................... 35 1.5.2. Xây dựng hướng nghiên cứu của luận án ...................................... 36 1.6. Kết luận chương 1 ................................................................................. 37
iv CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CHO MỘT LỚP MÁY BAY CÁNH BẰNG ........................................................................................ 38 2.1. Mô hình động học máy bay .................................................................. 38 2.1.1. Các hệ tọa độ sử dụng trong mô tả chuyển động của máy bay ..... 38 2.1.2. Các quy ước về chiều và dấu các tác động điều khiển .................. 41 2.1.3. Mô hình động học phi tuyến .......................................................... 43 2.2. Mô hình động học máy bay trong kênh độ cao .................................... 48 2.2.1. Mô hình trạng thái chuyển động phi tuyến .................................... 48 2.2.2. Mô hình trạng thái chuyển động tuyến tính kênh độ cao .............. 49 2.3. Mô hình động học dùng cho nhận dạng các đạo hàm hệ số khí động của thiết bị bay khi ứng dụng mạng nơron nhân tạo ................................... 52 2.3.1. Mô hình động học thiết bị bay dùng cho mạng nơron nhân tạo .... 52 2.3.2. Mạng nơron đột biến...................................................................... 54 2.4. Kết luận chương 2 ................................................................................. 63 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN NHẬN DẠNG MỘT SỐ ĐẠO HÀM HỆ SỐ KHÍ ĐỘNG CỦA MÁY BAY ................................................. 64 3.1. Thuật toán nhận dạng các đạo hàm hệ số khí động của máy bay theo các phương pháp truyền thống ..................................................................... 64 3.1.1. Thuật toán nhận dạng các đạo hàm hệ số khí động của máy bay theo phương pháp hồi quy tuyến tính ...................................................... 64 3.1.2. Thuật toán nhận dạng các đạo hàm hệ số khí động của máy bay theo phương pháp sai số đầu ra................................................................ 68 3.2. Xây dựng thuật toán nhận dạng các đạo hàm hệ số khí động của máy bay sử dụng mạng nơron nhân tạo ............................................................... 80 3.2.1. Xây dựng thuật toán nhận dạng các đạo hàm hệ số khí động của máy bay sử dụng mạng RBF.................................................................... 80
v 3.2.2. Xây dựng thuật toán nhận dạng đạo hàm hệ số khí động của máy bay ứng dụng mạng nơron đột biến ......................................................... 83 3.3. Kết luận chương 3 ................................................................................. 95 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC THUẬT TOÁN NHẬN DẠNG CÁC ĐẠO HÀM HỆ SỐ KHÍ ĐỘNG CỦA MÁY BAY ................. 96 4.1. Mô phỏng và đánh giá các thuật toán nhận dạng các đạo hàm hệ số khí động của máy bay sử dụng phương pháp truyền thống ......................... 97 4.1.1. Mô phỏng và đánh giá thuật toán nhận dạng các đạo hàm hệ số khí động theo phương pháp LR ............................................................... 97 4.1.2. Mô phỏng và đánh giá thuật toán nhận dạng đạo hàm hệ số khí động theo phương pháp OEM................................................................ 100 4.2. Mô phỏng và đánh giá thuật toán nhận dạng đạo hàm hệ số khí động ứng dụng mạng nơron nhân tạo ................................................................. 103 4.2.1. Mô phỏng và đánh giá thuật toán nhận dạng đạo hàm hệ số khí động ứng dụng mạng RBF ..................................................................... 104 4.2.2. Mô phỏng và đánh giá thuật toán nhận dạng các đạo hàm hệ số khí động ứng dụng mạng nơron đột biến ............................................... 109 4.3. Kết luận chương 4 ............................................................................... 116 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................... 118 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .............. 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 121 PHỤ LỤC ...........................................................................................................a
vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1. Danh mục các ký hiệu ,  Góc tấn công, góc trượt  0  0 Góc tấn công đảm bảo cho máy bay ở chế độ bay bằng ,  ,  Góc gật, góc liệng, góc hướng  0  δe , δr , δa Góc lệch cánh lái độ cao, cánh lái hướng, cánh lái liệng  0  δe0 Góc lệch cánh lái độ cao đảm bảo máy bay ở chế độ bay bằng  Mật độ không khí  kg / m3   Sai lệch chuẩn  Véc tơ các tham số mô hình  x ,  y ,  z Các thành phần tốc độ góc trong hệ tọa độ liên kết  0 /s 2    A, B, C, D Ma trận hệ thống tuyến tính ax , ay , az Các thành phần gia tốc trong hệ tọa độ liên kết  m / s 2  bA , bAe Cung khí động trung bình cánh nâng, cánh lái độ cao  m  CL , CD Hệ số lực nâng và hệ số lực cản trong hệ tọa độ tốc độ CD , CL , m y Đạo hàm hệ số lực cản, hệ số lực nâng, hệ số mô men gật theo góc tấn công 1 / 0    CD , CL , my Đạo hàm hệ số lực cản, hệ số lực nâng, hệ số mô men gật theo y y z tốc độ góc gật  s / 0  CD , CL , my e e e Đạo hàm hệ số lực cản, hệ số lực nâng, hệ số mô men gật theo góc lệch cánh lái độ cao 1 / 0  Cx , C y , Cz Các thành phần hệ số lực khí động trong hệ tọa độ liên kết
vii F Véc tơ lực tác động lên thiết bị bay  N  FA Véc tơ lực khí động tác động lên thiết bị bay  N  FG Véc tơ trọng lực tác động lên thiết bị bay  N  FP Véc tơ lực đẩy động cơ tác động lên thiết bị bay  N  g Gia tốc trọng trường  m / s 2  H Độ cao thiết bị bay  m  I Ma trận mô men quán tính  kg.m2  Ix, I y , Iz Các mô men quán tính trong hệ tọa độ liên kết  kg.m2  l , le Sải cánh nâng, cánh lái độ cao  m  L, D Lực nâng và lực cản trong hệ tọa độ tốc độ  N  m Khối lượng của thiết bị bay  kg  M Véc tơ mô men tác động lên thiết bị bay  Nm  MA Véc tơ mô men khí động tác động lên thiết bị bay  Nm  MP Véc tơ mô men lực đẩy động cơ tác động lên thiết bị bay  Nm  Mx, M y, Mz Các thành phần mô men khí động trong hệ tọa độ liên kết  Nm  mx , my , mz Các thành phần hệ số mô men khí động trong hệ tọa độ liên kết N Số điểm dữ liệu bay ghi nhận được Oxyz Hệ tọa độ liên kết Oxa ya za Hệ tọa độ tốc độ OxE y E z E Hệ tọa độ mặt đất Oxg yg zg Hệ tọa độ mặt đất di động P Lực đẩy động cơ  N 
viii q Áp suất khí động  N / m3  R Ma trận hiệp phương sai sai số S Diện tích đặc trưng cánh  m 2  x Véc tơ tham số trạng thái X, Y, Z Các thành phần lực khí động trong hệ tọa độ liên kết  N  y, z Véc tơ tham số đầu ra mô hình và tập dữ liệu bay V Không tốc của thiết bị bay  m / s  Vx , Vy , Vz Các thành phần tốc độ trong hệ tọa độ liên kết  m / s  2. Danh mục các chữ viết tắt 2.1. Tiếng Anh ANN Artificial Neural Network Mạng nơron nhân tạo ACD Aerodynamic Coefficient Đạo hàm hệ số khí động Derivative BP Back Propagation Lan truyền ngược CFD Computational Fluid Tính toán động học chất lỏng Dynamics EKF Extended Kalman Filter Bộ lọc Kalman mở rộng FEM Filter Error Method Phương pháp sai số bộ lọc GN Gauss – Newton Thuật toán Gauss – Newton IF Integrate and Fire Tích lũy và kích hoạt LIF Leaky Integrate and Fire Tích lũy và kích hoạt có tổn thất LS Least Squares Bình phương nhỏ nhất LR Linear Regression Hồi quy tuyến tính
ix ML Maximum Likelihood Tựa thực cực đại MLP Multilayer Perceptron Perceptron nhiều lớp NSEBP Normalized Spiking Error Lan truyền ngược sai số đột biến Back Propagation chuẩn hóa NGN Neural Gauss Newton Mạng nơron Gauss-Newton OEM Output Error Method Phương pháp sai số đầu ra RBF Radial Basis Function Hàm cơ sở xuyên tâm ReSuMe Remote Supervised Method Phương pháp giám sát từ xa RProp Resilient Propagation Lan truyền đàn hồi SNN Spiking Neural Networks Mạng nơron đột biến SRM Spike Response Model Mô hình đáp ứng đột biến SpikeProp Spike Propagation Lan truyền ngược sai số đột biến UAV Unmanned Aerial Vehicle Phương tiện bay không người lái 2.2. Tiếng Việt ĐHHSKĐ Đạo hàm hệ số khí động HSKĐ Hệ số khí động HTĐ Hệ tọa độ MB Máy bay PK-KQ Phòng không - Không quân TBB Thiết bị bay TL Tên lửa
x DANH MỤC CÁC BẢNG TRANG Bảng 4.1. Kết quả nhận dạng các ĐHHSKĐ theo phương pháp LR .............. 97 Bảng 4.2. Sai lệch chuẩn đối với kết quả nhận dạng theo phương pháp LR ....... 97 Bảng 4.3. Sai lệch chuẩn đối với xác nhận mô hình theo phương pháp LR ... 98 Bảng 4.4. Kết quả nhận dạng các ĐHHSKĐ kênh độ cao theo OEM .......... 100 Bảng 4.5. Sai lệch chuẩn đối với kết quả nhận dạng tham số theo OEM .... 101 Bảng 4.6. Sai lệch chuẩn đối với kết quả xác nhận mô hình theo OEM ...... 102 Bảng 4.7. Sai lệch chuẩn đối với kiểm tra khi luyện mạng nơron RBF........ 105 Bảng 4.8. Kết quả nhận dạng các ĐHHSKĐ theo phương pháp RBF - GN ..... 106 Bảng 4.9. Sai lệch chuẩn đối với nhận dạng theo phương pháp RBF - GN ...... 107 Bảng 4.10. Sai lệch chuẩn xác nhận mô hình theo phương pháp RBF-GN ...... 108 Bảng 4.11. Sai lệch chuẩn luyện SNN đối với góc gật trong 4 epoch .......... 111 Bảng 4.12. Sai lệch chuẩn luyện SNN các tham số đầu ra sau 4 epoch....... 113 Bảng 4.13. Kết quả nhận dạng các ĐHHSKĐ theo phương pháp SNN-GN..... 114 Bảng 4.14. Sai lệch chuẩn kết quả nhận dạng theo phương pháp SNN-GN ..... 115 Bảng 4.15. Sai lệch chuẩn xác nhận mô hình theo phương pháp SNN - GN..... 116
xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TRANG Hình 1.1. Sơ đồ quy trình thiết kế thiết bị bay .................................................. 7 Hình 1.2. Ký hiệu quy ước trong hệ tọa độ liên kết của máy bay ................... 10 Hình 1.3. Sơ đồ cấu trúc nhận dạng các ĐHHSKĐ từ dữ liệu bay ................ 18 Hình 1.4. Hai tập dữ liệu bay trong kênh độ cao của máy bay ..................... 20 Hình 2.1. Mối quan hệ giữa hệ tọa độ liên kết so với hệ tọa độ tốc độ .......... 40 Hình 2.2. Mối quan hệ giữa hệ tọa độ liên kết với hệ tọa độ đất di động ...... 41 Hình 2.3. Quy ước về dấu đối với các cánh điều khiển .................................. 42 Hình 2. 4. Các hành vi nơron đột biến............................................................ 56 Hình 2. 5. Đồ thị thời gian của điện thế màng u(t) của nơron LIF ............... 57 Hình 2. 6. Mô hình SRM.................................................................................. 58 Hình 2.7. Đồ thị biểu diễn đột biến được phát khi u (t )  ung ........................ 60 Hình 3.1. Cấu trúc thuật toán nhận dạng tham số theo OEM ........................ 75 Hình 3.2. Lưu đồ nhận dạng theo OEM.......................................................... 79 Hình 3.3. Cấu trúc thuật toán nhận dạng RBF - GN ...................................... 81 Hình 3.4. Cấu trúc mạng nơron RBF cho mô hình động học kênh độ cao .... 82 Hình 3.5. Lưu đồ thuật toán nhận dạng đạo hàm hệ số khí động................... 84 Hình 3.6. Phân bố sai số đối với các lớp trong SNN có n lớp ........................ 87 Hình 3.7. Khoảng thời gian t1 , t2  đột biến đầu vào được luyện .................. 88 Hình 3.8. Lưu đồ thuật toán truyền thẳng cho một lớp nơron........................ 90 Hình 3.9. Lưu đồ thuật toán luyện mạng SNN theo thuật toán NSEBP.......... 91 Hình 3.10. Cấu trúc thuật toán nhận dạng sử dụng SNN - GN ...................... 92 Hình 3.11. Cấu trúc mô hình SNN kênh độ cao .............................................. 93 Hình 4.1. Sự phù hợp đầu ra mô hình với dữ liệu khi nhận dạng theo LR ..... 98 Hình 4.2. Giá trị đạo hàm hệ số khí động thay đổi theo số lần lặp .............. 100 Hình 4.3. Sự phù hợp giữa mô hình với dữ liệu khi nhận dạng theo OEM ..... 101
xii Hình 4.4. Sự phù hợp giữa mô hình với dữ liệu khi xác nhận theo OEM..... 102 Hình 4.5. Kết quả sai số đối với tập kiểm tra khi luyện mạng RBF ............. 104 Hình 4.6. Giá trị các đạo hàm hệ số khí động phụ thuộc bước lặp khi nhận dạng theo phương pháp RBF - GN ........................................................................ 105 Hình 4.7. Sự phù hợp giữa dữ liệu và mô hình khi nhận dạng theo phương pháp RBF - GN ....................................................................................................... 107 Hình 4.8. Mã hóa thời gian - giá trị tham số góc gật .................................... 109 Hình 4.9. Kết quả luyện mạng SNN trong 4 epoch đối với góc gật .............. 110 Hình 4.10. Kết quả luyện SNN trong 4 epoch đối với góc gật...................... 111 Hình 4.11. Kết quả luyện SNN đối với 6 tham số đầu ra .............................. 112
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các thiết bị bay (TBB) là một lĩnh vực khoa học và công nghệ hết sức phức tạp, mất rất nhiều thời gian, công sức và kinh tế [1], [14], [65]. Hiện nay trên thế giới cũng chỉ có những nước có nền tảng khoa học kỹ thuật và công nghệ phát triển mới có thể thực hiện được việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo TBB. Việc thiết kế chế tạo thiết bị bay là một lĩnh vực rất rộng, đòi hỏi phải có một tiềm lực lớn cả về khoa học công nghệ cũng như kinh tế, có đội ngũ cán bộ khoa học, nhà nghiên cứu, kỹ sư, kỹ thuật viên chuyên nghiệp cũng như hệ thống các viện, tập đoàn thiết kế chế tạo đủ mạnh. Một dự án thiết kế chế tạo TBB có liên quan đến rất nhiều ngành khoa học công nghệ, các lĩnh vực liên quan chặt chẽ đến kỹ thuật điều khiển và tự động hóa (phương pháp điều khiển, tự động hóa điều khiển, các bài toán nhận dạng, các bài toán điều khiển tối ưu đa mục đích, thiết kế khí động…), cũng như công nghệ vật liệu, công nghệ chế tạo động cơ, công nghệ điện tử, xử lý tín hiệu, các công cụ phần mềm trong thiết kế cũng như mô phỏng các điều kiện, chế độ hoạt động và đánh giá hiệu quả. Trong các bài toán ổn định và điều khiển, mô hình động học chuyển động của TBB thường được xây dựng dưới dạng mô hình trạng thái chuyển động (thông qua các lực và mô men tác động lên TBB) và mô hình hệ số khí động (HSKĐ) biểu diễn quan hệ giữa các tham số khí động với các đặc trưng cấu trúc khí động và điều kiện bay của TBB. Tính chất khí động học của bản thân TBB thể hiện dưới dạng các đạo hàm hệ số khí động (ĐHHSKĐ). Các phương trình điều khiển được xây dựng dựa trên mô hình đối với hệ số khí động của TBB, trong đó, các tham số điều khiển được xác định thông qua các ĐHHSKĐ trên cùng mô hình của TBB.
2 Trong thiết kế TBB, nhiệm vụ xác định các ĐHHSKĐ của TBB là rất quan trọng, chất lượng điều khiển TBB phụ thuộc vào độ chính xác của các ĐHHSKĐ. Việc xác định các ĐHHSKĐ của TBB hết sức phức tạp, các ĐHHSKĐ của TBB cần thiết kế cần phải đáp ứng các yêu cầu về tính năng kỹ - chiến thuật, cấu trúc, các tham số đặc trưng, động học của TBB và các điều kiện môi trường. Do sự phụ thuộc ĐHHSKĐ vào động học bay và điều kiện môi trường khí quyển mang tính phi tuyến, không dừng và có nhiều mối quan hệ không dễ tính toán theo các phương pháp giải tích thông thường mà thường được xác định nhờ nhận dạng. Khi thiết kế TBB, các ĐHHSKĐ của TBB có thể xác định theo các phương pháp: phương pháp tính toán lý thuyết (phương pháp giải tích và phương pháp số); phương pháp thử nghiệm (phương pháp thử nghiệm mô hình trong ống khí động và phương pháp bay thử nghiệm). Trong đó, phương pháp nhận dạng các ĐHHSKĐ bằng thử nghiệm bay có những ưu điểm hơn so với các phương pháp tính toán trên mô hình lý thuyết và thử nghiệm trên mô hình trong ống thổi khí động: có thể cung cấp dữ liệu tương đối đầy đủ và chính xác hơn các đặc tính khí động của máy bay, áp dụng cho việc mô hình hóa động học của thiết bị bay; phục vụ cho các bài toán xác định khả năng ổn định, phân tích, tổng hợp các luật điều khiển đối với TBB; đánh giá và kiểm chứng các tính toán lý thuyết, các kết quả nhận được về các tham số động học, tham số khí động TBB khi thử nghiệm mô hình trên ống thổi khí động; đánh giá và khẳng định sự phù hợp các yêu cầu đặt ra trong giai đoạn hoàn thiện thiết kế đối với TBB. Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, cùng với sự hỗ trợ của các phương tiện đo hiện đại, phần mềm tính toán chuyên dụng và máy tính có tốc độ cao. Vấn đề nhận dạng các ĐHHSKĐ của TBB từ các tập dữ liệu bay đang được quan tâm nghiên cứu nhằm phục vụ cho những bài toán thiết kế, chế tạo
3 TBB, hay trong các bài toán cải tiến nâng cao chất lượng khí động của TBB, cũng như phục vụ bài toán điều khiển. Với cách đặt vấn đề và xác định trọng tâm nghiên cứu như trên, cho thấy việc thực hiện luận án “Ứng dụng mạng nơron nhận dạng các tham số khí động kênh độ cao nhằm nâng cao hiệu quả thiết kế thiết bị bay” là cần thiết và có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng cho công tác nghiên cứu, thiết kế, chế tạo TBB, trong việc xây dựng các mô hình mô phỏng phục vụ huấn luyện, đào tạo đội ngũ người lái, hỗ trợ việc cải tiến, nâng cấp một số loại TBB trong trang bị. 2. Mục tiêu nghiên cứu Về lý thuyết: Nghiên cứu xây dựng thuật toán nhận dạng các ĐHHSKĐ sử dụng các tập dữ liệu bay ghi nhận được từ các chuyến bay của một lớp TBB dạng máy bay cánh bằng, cơ cấu điều khiển khí động làm cơ sở cho việc tính toán thiết kế lớp máy bay này. Về thực nghiệm: Sử dụng công cụ phần mềm Matlab - Simulink để thực hiện mô phỏng và đánh giá các thuật toán nhận dạng các ĐHHSKĐ của TBB. 3. Nội dung nghiên cứu Các nội dung nghiên cứu của luận án nhằm mục đích giải quyết ba nhiệm vụ cơ bản nhất khi nhận dạng các ĐHHSKĐ của TBB: - Xây dựng các mô hình động học kênh độ cao cho một lớp máy bay cánh bằng phục vụ cho nhận dạng các ĐHHSKĐ của TBB. - Xây dựng cấu trúc mạng nơron hàm cơ sở xuyên tâm (RBF) kết hợp với thuật toán Gauss – Newton để nhận dạng các ĐHHSKĐ trong kênh độ cao của máy bay. - Nghiên cứu mạng nơron đột biến (SNN), thuật toán lan truyền ngược sai số đột biến chuẩn hóa (NSEBP) sử dụng mô hình nơron SRM0 để luyện SNN; xây dựng cấu trúc SNN để luyện mạng với dữ liệu là các tham số chuyển
4 động và điều khiển kênh độ cao. Ứng dụng SNN để nhận dạng các ĐHHSKĐ kênh độ cao của máy bay. Để thực hiện các bài toán này cần nghiên cứu những nội dung sau: - Tổng quan về các vấn đề nhận dạng và ước lượng các tham số; các phương pháp nhận dạng các ĐHHSKĐ của TBB. - Nghiên cứu tổng quan về các HTĐ sử dụng trong việc nhận dạng tham số và điều khiển TBB, xây dựng hệ phương trình động học đầy đủ của TBB. Xây dựng mô hình động học phi tuyến và tuyến tính trong kênh độ cao cho MB cánh bằng. - Xây dựng các mô hình và thuật toán nhận dạng các ĐHHSKĐ từ dữ liệu bay theo các phương pháp truyền thống. - Nghiên cứu về cấu trúc và nguyên tắc hoạt động của mạng nơron hàm cơ sở (RBF), sử dụng mạng nơron RBF xấp xỉ gần đúng mô hình động học TTB phục vụ cho bài toán nhận dạng các ĐHHSKĐ. - Nghiên cứu về cấu trúc và nguyên tắc hoạt động, các thuật toán luyện SNN, sử dụng SNN trong bài toán nhận dạng các ĐHHSKĐ của TBB. - Sử dụng phần mềm Matlab - Simulink để mô phỏng và đánh giá chất lượng nhận dạng theo các thuật toán nhận dạng. Nhận xét, so sánh các kết quả giữa các phương pháp nhận dạng khác nhau làm cơ sở để phân tích hiệu quả và những hạn chế cho thuật toán đề xuất. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu trong luận án là mô hình động học và các thuật toán nhận dạng ĐHHSKĐ của một lớp TTB dạng máy bay cánh bằng, cơ cấu điều khiển dạng khí động. Phạm vi nghiên cứu: Luận án tiến hành nhận dạng một số ĐHHSKĐ quan trọng trong kênh độ cao của TBB sử dụng các tập dữ liệu bay ghi nhận được từ các chuyến bay.
5 5. Phương pháp nghiên cứu Luận án chọn phương pháp nghiên cứu lý thuyết xây dựng các mô hình động học của máy bay, xây dựng các thuật toán nhận dạng các đạo hàm hệ số khí động của máy bay sử dụng các tập dữ liệu bay ghi nhận từ các chuyến bay. Sử dụng phần mềm Matlab - Simulink để đánh giá và mô phỏng kiểm chứng chất lượng các thuật toán nhận dạng các đạo hàm hệ số khí động từ các tập dữ liệu bay thực tế của máy bay. Nhận xét, so sánh các kết quả giữa các phương pháp nhận dạng khác nhau để minh chứng cho thuật toán đề xuất. 6. Ý nghĩa khoa học, thực tiễn Ý nghĩa khoa học - Phát triển thuật toán nhận dạng các ĐHHSKĐ cho một lớp máy bay cánh bằng cố định có độ cơ động cao theo các tập dữ liệu ghi nhận được từ các chuyến bay thực tế khi sử dụng ANN đóng vai trò mô hình trạng thái chuyển động của máy bay; - Nghiên cứu và ứng dụng mạng nơron thế hệ mới – mạng nơron đột biến (SNN) với thuật toán Gauss - Newton để nhận dạng các ĐHHSKĐ của TBB. Đây là cơ sở khoa học phục vụ cho việc thiết kế, chế tạo mới hoặc khai thác các loại TBB. Ý nghĩa thực tiễn Việc nghiên cứu nhận dạng các ĐHHSKĐ trong kênh độ cao của máy bay theo các tập dữ liệu ghi nhận được từ các chuyến bay thực tế sẽ cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm cho việc đánh giá các ĐHHSKĐ trong giai đoạn thiết kế TBB, nâng cao độ chính xác và rút ngắn thời gian trong toàn bộ quá trình thiết kế một lớp TBB. 7. Bố cục của luận án Luận án được bố cục bao gồm các phần: mở đầu, nội dung, kết luận, tài liệu tham khảo, phụ lục. Phần nội dung trình bày trong bốn chương.
6 Chương 1. Tổng quan về nhận dạng các ĐHHSKĐ của TBB. Trong đó, sẽ trình bày vai trò, nhiệm vụ của việc nhận dạng ĐHHSKĐ trong quá trình thiết kế, chế tạo TBB. Từ mô hình lực và mô men khí động, xác định được mô hình đối với các HSKĐ trong kênh độ cao, qua đó xác định được các ĐHHSKĐ trong kênh độ cao của TBB cần phải nhận dạng; xây dựng sơ đồ cấu trúc quá trình nhận dạng các ĐHHSKĐ từ các tập dữ liệu bay của TBB; đánh giá tình hình nghiên cứu, thiết kế TBB trong và ngoài nước, làm cơ sở để đặt ra các vấn đề cần nghiên cứu cho luận án. Chương 2. Xây dựng mô hình động học chuyển động trong kênh độ cao của một lớp máy bay cánh bằng: xây dựng mô hình động học phi tuyến đủ của MB; xây dựng mô hình động học phi tuyến kênh độ cao của MB; xây dựng mô hình động học tuyến tính hóa kênh độ cao của MB; xác định các mô hình động học sử dụng cho các phương pháp nhận dạng các ĐHHSKĐ ứng dụng ANN. Chương 3. Xây dựng các thuật toán nhận dạng các ĐHHSKĐ kênh độ cao của máy bay theo các phương pháp truyền thống. Đề xuất ứng dụng mạng nơron hàm cơ sở xuyên tâm (RBF) và mạng nơron đột biến (SNN) để nhận dạng các ĐHHSKĐ này. Trong đó, cần phải thực hiện các nhiệm vụ: xây dựng cấu trúc mô hình mạng RBF (SNN) để luyện mạng với tập dữ liệu bay kênh độ cao; xây dựng các thuật toán để luyện SNN; xây dựng thuật toán nhận dạng các ĐHHSKĐ khi kết hợp mạng RBF (SNN) với thuật toán Gauss - Newton. Chương 4. Trọng tâm của chương này là sử dụng công cụ phần mềm Matlab - Simulink để mô phỏng và đánh giá các thuật toán nhận dạng các ĐHHSKĐ trong kênh độ cao của máy bay đã được xây dựng ở chương 3 cùng với các mô hình động học và mô hình HSKĐ kênh độ cao của MB được xác định ở chương 2. Các tập dữ liệu bay ghi nhận được sử dụng để mô phỏng và đánh giá các thuật toán nhận dạng các ĐHHSKĐ được lấy từ hệ thống tự động ghi tham số trên các chuyến bay thực tế của MB Su-D.