Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Về một phương pháp nâng cao chất lượng hệ tự động bám sát mục tiêu trên tàu Hải quân

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

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nhằm nghiên cứu các phương pháp tổng hợp hệ thống bám quang điện tử cho mục tiêu di động hoạt động trong điều kiện bị tác động bởi các yếu tố nhiễu loạn, đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng cao; đáp ứng yêu cầu bám sát các mục tiêu trong chiến tranh công nghệ cao.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Về một phương pháp nâng cao chất lượng hệ tự động bám sát mục tiêu trên tàu Hải quân

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ TRẦN VĂN NHÂN VỀ MỘT PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TỰ ĐỘNG BÁM SÁT MỤC TIÊU TRÊN TÀU HẢI QUÂN 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 TRẦN VĂN NHÂN VỀ MỘT PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TỰ ĐỘNG BÁM SÁT MỤC TIÊU TRÊN TÀU HẢI QUÂN 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. GS-TSKH Cao Tiến Huỳnh 2. TS Lê Trần Thắng Hà Nội – 2021
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Các dữ liệu tham khảo đƣợc trích dẫn đầy đủ. NGƢỜI CAM ĐOAN Trần Văn Nhân
ii LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên tôi gửi lời cảm ơn sâu sắc tới hai thầy hƣớng dẫn khoa học: Cố GS – TSKH Cao Tiến Huỳnh – Viện Tự động hóa KTQS và TS Lê Trần Thắng – Viện Tự động hóa KTQS đã trực tiếp tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám đốc Viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Bộ quốc phòng, Phòng đào tạo – Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Viện Tự động hóa KTQS đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu sinh. Xin chân thành cảm ơn Ban giám đốc - Học viện Hải quân và Khoa Tên lửa – Pháo tàu đã tạo điều kiện giúp về cơ sở vật chất, giấy tờ công tác để tôi thực hiện tốt nhiệm vụ đƣợc giao. Xin cảm ơn các nhà khoa học, các chuyên gia và các bạn đồng nghiệp đã có nhiều ý kiến đóng góp quý báu giúp tôi hoàn thành luận án. Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới mọi thành viên trong gia đình: Bố mẹ, vợ và hai con hi sinh vất vả nhiều trong thời gian vừa qua, tạo mọi thuận lợi về thời gian, vật chất và tinh thần để cho tôi tập trung nghiên cứu hoàn thành luận án. TÁC GIẢ
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ........................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ......................................................................... xi DANH MỤC CÁC BẢNG............................................................................. xiv MỞ ĐẦU………………………………………………………………….......1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BÁM QUANG ĐIỆN TỬ TRÊN TÀU HẢI QUÂN ................................................................................. 8 1.1. Khái quát hệ thống bám quang điện tử trên tàu chiến Hải quân ................ 8 1.1.1. Vai trò hệ thống bám quang điện tử ................................................. 8 1.1.2. Tham số chuyển động của mục tiêu và sai số bám sát mục tiêu ..... 10 1.1.3. Chức năng và nguyên lý hoạt động hệ thống bám quang điện tử .. 12 1.2. Tổng quan về hệ tự động bám sát mục tiêu trên tàu Hải quân ................ 19 1.2.1. Các khái niệm cơ bản...................................................................... 19 1.2.2. Chế độ điều khiển vị trí (chế độ bám) ............................................ 20 1.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của HTĐBSMT .................. 21 1.3. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc .............................................. 23 1.3.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước. .................................................. 23 1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước. .................................................. 27 1.4. Đặt bài toán ................................................................................................ 33 1.5. Kết luận chƣơng 1 ..................................................................................... 34 CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO HỆ THỐNG BÁM QUANG ĐIỆN TỬ TRÊN TÀU HẢI QUÂN................................... 35
iv 2.1. Đặc điểm chung các hệ thống vũ khí trên tàu Hải quân .......................... 35 2.2. Ảnh hƣởng của góc lắc tới các hệ thống vũ khí trên tàu ................................ 36 2.2.1. Sóng biển và các đặc trưng của sóng biển ........................................... 36 2.2.2. Ảnh hưởng của góc lắc dọc tới mặt phẳng cần ổn định ...................... 41 2.2.3. Ảnh hưởng của góc lắc ngang tới mặt phẳng cần ổn định .................. 42 2.3. Mô hình của đài quan sát quang điện tử khi gắn trực tiếp trên boong tàu ..... 44 2.3.1. Phương trình Lagrange của đài quan sát quang điện tử ............... 44 2.3.2. Mô hình toán học đầy đủ của đài quan sát ..................................... 47 2.4. Xây dựng bệ ổn định mặt phẳng ngang cho đài quan sát quang điện tử trên tàu Hải quân ............................................................................................. 50 2.4.1. Mô tả mô hình đài quan sát quang điện tử ..................................... 50 2.4.2. Định nghĩa các hệ tọa độ tham chiếu...............................................52 2.4.3. Phân tích quá trình biến đổi tọa độ từ mặt phẳng tàu tới góc định hướng của đài quan sát quang điện tử ..................................................... 53 2.4.4. Phân tích động hình học từ các xilanh thủy lực tới mặt phẳng ổn định OP1P2 ................................................................................................ 59 2.5. Mô hình của đài quan sát quang điện tử khi gắn trên bệ ổn định mặt phẳng ngang .................................................................................................... 63 2.6. Kết luận chƣơng 2 .................................................................................... 66 CHƢƠNG 3: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT CHO HỆ THỐNG BÁM QUANG ĐIỆN TỬ .............................................................................. 68 3.1. Sự cần thiết của điều khiển trƣợt trong tổng hợp HTBQĐT ................... 68 3.2. Điều khiển trƣợt và các đặc tính của nó ................................................... 68 3.2.1. Các khái niệm cơ bản về điều khiển trượt ..................................... 68
v 3.2.2. Xử lý thành phần bất định đầu vào ................................................. 72 3.2.3. Các vấn đề xung quanh mặt trượt và điều kiện trượt ..................... 73 3.2.4. Hiện tượng rung (chatteting) và điều khiển trượt bậc 2 ................. 75 3.3. Tổng hợp bộ điều khiển trƣợt và các giải pháp nâng cao chất lƣợng cho HTBQĐT trên tàu Hải quân. ........................................................................... 78 3.3.1. Mô tả hệ thống và các điều kiện ban đầu ....................................... 78 3.3.2. Đề xuất cấu trúc biến đổi cho điều khiển chế độ trượt................... 79 3.3.3. Xây dựng luật điều khiển với cấu trúc biến đổi đề xuất ................. 86 3.3.4. Giải pháp tối ưu hệ số mặt trượt ..................................................... 88 3.3.5. Giải pháp giảm chattering dùng hàm thay thế trong vùng gần bề mặt trượt. ................................................................................................................... 98 3.3.6. Giải pháp giảm “chattering” bằng phương pháp nhận dạng và bù trừ nhiễu. ........................................................................................................ 101 3.4. Kết luận chƣơng 3 .................................................................................. 105 CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG CÁC THUẬT TOÁN TRÊN MÔ HÌNH PHI TUYẾN CỦA HỆ THỐNG BÁM QUANG ĐIỆN TỬ ............................ 106 4.1. Mô hình ĐQS-QĐT và các tham số mô phỏng...................................... 106 4.2. Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ điều khiển đề xuất PSMC-2 ........... 109 4.3. Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ điều khiển PSMC-4 sử dụng bộ quan sát nhiễu và hàm chuyển mạch đề xuất. ........................................................ 119 4.4. Kết luận chƣơng 4 .................................................................................. 125 KẾT LUẬN .................................................................................................. 126 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC Đ CÔNG BỐ ......... 128
vi TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 129 PHỤ LỤC ..................................................................................................... P-1
vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT LOS Trục đƣờng ngắm. TBQĐT Thiết bị quang - điện tử . ĐQS-QĐT Đài quan sát quang điện tử. HTBQĐT Hệ tự động bám sát mục tiêu sử dụng các thiết bị quang điện tử. SMC Điều khiển trƣợt (Sliding mode control). PVS Cấu trúc biến đổi đề xuất (Proposed Variable Structure). PSF Hàm chuyển mạch đề xuất (Proposed Switching Function). PSMC Bộ điều khiển trƣợt đề xuất (Proposed Sliding mode control). D Cự li mục tiêu. mt Góc hƣớng mục tiêu. mt Góc tầm mục tiêu. x(t ) Tín hiệu ra. e (t ) Tín hiệu sai lệch (sai số). u(t) Tín hiệu điều khiển. r Góc lắc ngang (Roll). p Góc lắc dọc (Pitch).  Góc quay trở (Yaw). hs Mực sóng trung bình. hs Độ cao sóng. s Bƣớc sóng. Ts Chu kỳ sóng. Ss (s , s ) Phổ sóng biển. Ss (s ) Phổ tần số của sóng biển. Ds ( s , s ) Hàm lan truyền hƣớng sóng.
viii hs ( xs , ys , t ) Tổng độ cao bề mặt sóng của tất cả các sóng thành phần. q Giá trị tần số của sóng điều hòa. r Góc hƣớng sóng. s Khoảng hằng số của tần số s .  s Khoảng hằng số định hƣớng. qr Góc pha của sóng điều hòa; kq là số sóng. q   q1 q2  Véc tơ các biến khớp. T q1   Góc hƣớng của ĐQS-QĐT. q2   Góc tầm của ĐQS-QĐT.  Véc tơ chứa các thành phần mô men xoắn (N.m). Lg ( q,q ) Hàm Lagrange. M (q) Ma trận quán tính. K Động năng của hệ thống. P Thế năng của hệ thống. C (q,q) Véc tơ Coriolis. G(q) Véc tơ trọng lực. D(t) Nhiễu phụ thuộc thời gian. F (q,q) Nhiễu phụ thuộc trạng thái. q,q,q  R2 Biểu diễn các véc tơ vị trí, tốc độ và gia tốc tƣơng ứng. C m (q,q) Ma trận của mô men hƣớng tâm và Coriolis. G(q) R2 Véc tơ mô men gây ra bởi gia tốc trọng trƣờng. Fms (q) R2 Véc tơ các thành phần gây ra bởi ma sát. I  R2 Véc tơ các dòng điện.
ix K M  R2 x 2 Ma trận các hệ số đặc trƣng cho sự biến đổi điện – cơ. L  R2 x 2 Ma trận đặc trƣng cho cảm ứng điện từ. Dv  R 2 Véc tơ nhiễu điện áp. U c  R2 Véc tơ điện áp phần ứng. U (I,q) R2 Véc tơ của sức điện động cảm ứng và điện áp rơi trên điện trở trong. Ec (q) Sức điện động cảm ứng. Rdc  R22 Ma trận các điện trở trong của các động cơ. Ke Ma trận các hệ số tỷ lệ. M  (  ), M  ( ) Mô men quán tính của kênh hƣớng và kênh tầm. M  (q), M  (q) Ảnh hƣởng mô men quán tính của hai kênh lẫn nhau. OO1 = d1 Khoảng cách từ mặt phẳng cần ổn định tới mặt boong tàu. O1P1P2 Mặt phẳng cần ổn định và chứa ĐQS-QĐT. Od Vị trí đặt ĐQS-QĐT.  , Lần lƣợt là góc hƣớng và góc tầm của ĐQS-QĐT. Td , ,Td , Các hằng số điện từ. Tcd , ,Tcd , Các hằng số cơ điện. u Tín hiệu điều khiển. s(x,t); s(x) Mặt trƣợt. ueq Tín hiệu điều khiển tƣơng đƣơng (equivalence principle). uN Tín hiệu làm cho x (t ) tiến về mặt trƣợt. x  x (t ) Véc tơ trạng thái. V(.) Hàm Lyapunov. sign(.) Hàm dấu signum. L f V (.) Đạo hàm Lie của hàm Lyapunov.
x  Ma trận hằng số.  (t ) Ma trận hàm. sat(.) Hàm bão hòa (saturation function). tanh(.) Hàm hyperbolic tangent. f ( x, t ) Thành phần bất định của mô hình. d(t) Nhiễu phụ thuộc thời gian.  Giá trị lớn nhất của nhiễu loạn. e (t ) Sai số bám sát theo quỹ đạo. e1 (t ) Sai số bám theo vị trí góc. e2 (t ) Sai số bám theo vận tốc góc. e(t0 ) Tọa độ điểm ban đầu của hệ thống trong không gian sai số. c Hệ số mặt trƣợt. s3 Mặt trƣợt cơ sở. t1 , t2 Thời điểm chuyển quỹ đạo pha. c1; c2 ; c3 Hệ số góc tƣơng ứng của s1, s2, s3. ttc Thời gian tiếp cận.  Biên độ hàm chuyển mạch signum. AS Ổn định tiệm cận (Asymptotically Stabil). IAE Tiêu chuẩn tích phân trị tuyệt đối của sai lệch. ITAE Tiêu chuẩn tích phân của thời gian nhân trị tuyệt đối sai lệch. dˆ f Ứớc lƣợng của nhiễu d (t ) . ˆ Ứớc lƣợng vận tốc góc.
xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Hệ thống Palma trên tàu hộ vệ tên lửa Gepard 3.9 9 Hình 1.2. Tham số mục tiêu trong hệ tọa độ cầu 10 Hình 1.3. Vị trí của mục tiêu và trục đƣờng ngắm trong chế độ bám 11 sát Hình 1.4. Hình ảnh màn hình video của HTBQĐT 13 Hình 1.5. Sơ đồ chức năng của HTBQĐT trong hệ thống máy điều 14 khiển bắn pháo tàu Hình 1.6. Các góc lắc tác động lên tàu biển 17 Hình 1.7. Sơ đồ chức năng hệ thống bám quang điện tử 20 Hình 1.8. Điều khiển chế độ trƣợt 30 Hình 2.1. Profin sóng và các yếu tố của sóng 37 Hình 2.2. Các dạng sóng đơn và phổ tần số tƣơng ứng. 40 Hình 2.3. Trạng thái sóng ngẫu nhiên từ 100 sóng thành phần 40 Hình 2.4. Phổ của sóng là hàm của tần số và hƣớng sóng [57] 41 Hình 2.5. Sơ đồ cấu trúc hệ tọa độ ổn định tàu và mặt phẳng thiết bị 42 Hình 2.6. Ảnh hƣởng của góc lắc dọc tới mặt phẳng thiết bị 42 Hình 2.7. Ảnh hƣởng của góc lắc ngang tới mặt phẳng thiết bị 43 Hình 2.8. Khí tài cần ổn định mặt phẳng ngang trên tàu tên lửa 43 1241.8 Hình 2.9. Mô hình ĐQS-QĐT trên tàu Hải quân 51 Hình 2.10a. Dịch chuyển của các xilanh dƣới tác động góc lắc ngang 62 r Hình 2.10b. Dịch chuyển của các xilanh dƣới tác động góc lắc dọc p 62 Hình 2.10c. Dịch chuyển của các xilanh dƣới tác động góc lắc ngang r 63 và góc lắc dọc p Hình 3.1. Xác định tín hiệu điều khiển tiến về mặt trƣợt 70 Hình 3.2. Nguyên nhân của hiện tƣợng chattering 76 Hình 3.3. Hiện tƣợng chattering trên bề mặt trƣợt 76
xii Hình 3.4. Các hàm thay thế cho hàm dấu sign(s) 77 Hình 3.5. Các đáp ứng sai số trong không gian trạng thái với các 80 giá trị c (hệ số mặt trƣợt) khác nhau Hình 3.6. Biễu diễn cấu trúc biến đổi đề xuất trong không gian 82 sai số (Trƣờng hợp a) Hình 3.7. Biễu diễn cấu trúc biến đổi đề xuất trong không gian 85 sai số (Trƣờng hợp b) Hình 3.8. Ý nghĩa hình học của hàm chuyển mạch đề xuất sw( s) 99 Hình 4.1. Quỹ đạo pha của hệ thống đối với mặt trƣợt truyền thống 109 Hình 4.2. Quỹ đạo pha của hệ thống với cấu trúc biến đổi đề xuất 110 Hình 4.3a. Sai số bám vị trí khi sử dụng SMC truyền thống với 110   20 Hình 4.3b. Tín hiệu đặt và tín hiệu bám vị trí khi sử dụng SMC 111 truyền thống với   20 Hình 4.4a. Tín hiệu đặt và tín hiệu bám vị trí khi sử dụng bộ điều 111 khiển đề xuất PSMC-2 với   20 Hình 4.4b. Sai số bám vị trí khi sử dụng bộ điều khiển đề xuất 111 PSMC-2 với   20 Hình 4.5. Sai số bám tốc độ với bộ điều khiển trƣợt truyền thống 112 với   20 Hình 4.6. Sai số bám tốc độ với bộ điều khiển đề xuất PSMC-2 112 với   20 Hình 4.7. Tín hiệu điều khiển với bộ điều khiển trƣợt truyền thống 113 khi   20 Hình 4.8. Tín hiệu điều khiển với bộ điều khiển PSMC-2 khi 113   20 Hình 4.9. Chattering SMC truyền thống khi biên độ nhiễu   20 114 Hình 4.10. Chattering bộ điều khiển đề xuất PSMC-2 khi biên độ 114 nhiễu   20 Hình 4.11. Sai số bám vị trí khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt truyền 115 thống và biên độ nhiễu   100 Hình 4.12. Sai số bám vị trí khi sử dụng bộ điều khiển đề xuất 115 PSMC-2 và biên độ nhiễu   100 Hình 4.13. Tín hiệu điều khiển với bộ điều khiển trƣợt truyền thống 116 khi biên độ nhiễu   100
xiii Hình 4.14. Tín hiệu điều khiển với bộ điều khiển trƣợt đề xuất 116 PSMC-2 khi biên độ nhiễu   100 Hình 4.15. Chattering khi sử dụng trƣợt truyền thống với biên độ 117 nhiễu   100 Hình 4.16. Chattering PSMC-2 khi biên độ nhiễu   100 117 Hình 4.17. Quỹ đạo pha của hệ thống đối với mặt trƣợt truyền thống 118 Hình 4.18. Quỹ đạo pha của hệ thống với cấu trúc biến đổi đề xuất 118 (PVS) Hình 4.19. Góc hƣớng và tốc độ góc khi sử dụng bộ điều khiển 119 đề xuất PSMC-2 với   20 Hình 4.20. Tín hiệu đặt và tín hiệu bám vị trí khi sử dụng bộ điều 120 khiển trƣợt PSMC-4 Hình 4.21. Sai số bám vị trí khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt PSMC-4 120 Hình 4.22. Tín hiệu đặt và tín hiệu bám tốc độ góc khi sử dụng bộ 121 điều khiển trƣợt PSMC-4 Hình 4.23. Sai số bám tốc độ khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt 121 PSMC-4 Hình 4.24. Nhiễu và ƣớc lƣợng nhiễu sử dụng bộ điều khiển trƣợt 122 PSMC-4 Hình 4.25. Sai số ƣớc lƣợng nhiễu khi sử dụng bộ điều khiển trƣợt 123 PSMC-4 Hình 4.26. Tín hiệu điều khiển khi sử dụng bộ điều khiển PSMC-4 123 Hình 4.27. Chattering khi sử dụng bộ điều khiển PSMC-4 124
xiv DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Các tính năng của HTBQĐT trên tàu Hải quân 1241.8 9 Bảng 1.2. Các điều kiện làm việc của HTBQĐT trên tàu Hải quân 13 1241.8 Bảng 2.1. Hệ số chuyển tiếp từ độ cao sóng tại một điểm và độ cao 39 sóng ba chiều Bảng 2.2. Danh sách ký hiệu 52 Bảng 2.3. Các thông số của tàu tên lửa 1241.8 61 Bảng 2.4. Độ dịch của các xilanh theo sóng biển và góc lắc 62 Bảng 4.1. Các tham số của đối tƣợng 107 Bảng 4.2. Tổng hợp kết quả mô phỏng ở hình 4.19 với PSMC-2 119 Thời gian quá độ và sai số xác lập của bộ điều khiển Bảng 4.3. 122 PSMC-4 Bảng 4.4. So sánh Chattering 124
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Trong giai đoạn từ thập niên 90 của thế kỷ 20 đến nay, các cuộc chiến tranh trên thế giới nhằm lật đổ chế độ, thay đổi nhà nƣớc thƣờng đƣợc mở đầu bằng các cuộc tập kích đƣờng không sử dụng các loại tên lửa hành trình đƣợc phóng từ trên không và trên biển; cùng với các loại máy bay, tàu chiến hiện đại. Các loại vũ khí này có độ cao bay thấp, tiết diện phản xạ ra đa nhỏ, đƣợc lập trình bay bám địa hình vòng tránh hỏa lực của bên phòng thủ trƣớc khi tấn công vào mục tiêu. Từ tình hình đó, việc tổ chức phòng thủ, đánh trả và đánh trả thắng lợi các cuộc tập kích này cũng nhƣ các thủ đoạn tác chiến điện tử khác trong tƣơng lai cần có các hệ thống vũ khí mới, hiện đại, có độ chính xác cao, khả năng tính toán nhanh, phát hiện đƣợc các mục tiêu có diện tích phản xạ hiệu dụng nhỏ, bay thấp, cơ động phức tạp. Trận địa phòng thủ của lực lƣợng Hải quân cần đƣợc tổ chức cả trên không và hƣớng biển. Hàng chục năm nay quân đội nhân dân Việt Nam đã có những nghiên cứu, cải tiến, nâng cấp, hiện đại hóa các hệ thống pháo phòng không tầm thấp, đƣợc trang bị thêm các bộ khí tài điều khiển hỏa lực tích hợp các thiết bị quang - điện tử (TBQĐT) nhƣ camera ánh sáng ngày, camera ảnh nhiệt hồng ngoại, đo xa laser; các hệ thống này có thể tự động tính toán phần tử bắn, tự động bám sát mục tiêu. Hệ thống quang điện tử nêu trên đƣợc Viện Tự động hóa Kỹ thuật Quân sự nghiên cứu, chế tạo, triển khai nhân rộng và phát huy hiệu quả tốt [9] tại nhiều đơn vị trong toàn quân. Trên các tàu Hải quân hiện đại ngày nay cũng đƣợc trang bị các hệ tự động bám sát mục tiêu sử dụng các thiết bị quang điện tử, gọi tắt là HTBQĐT; đây là một kênh bổ trợ quan trọng trong điều khiển vũ khí trên tàu. Trong tác chiến hiện đại, các hệ thống điều khiển hỏa lực sử dụng các HTBQĐT có một vai trò quan trọng trong việc sục sạo, bắt và bám sát mục tiêu mà ít phải phát sóng ra không gian nhƣ khi sử dụng ra đa truyền thống (chỉ phát xạ khi đo cự
2 ly bằng thiết bị đo xa laser). Ƣu điểm này của HTBQĐT góp phần quan trọng trong việc đảm bảo tính bí mật khi hoạt động của tàu và là một kênh bổ trợ quan trọng trong các hệ thống điều khiển vũ khí trên tàu. Trong các HTBQĐT trên tàu Hải quân thì đối tƣợng điều khiển chính là đài quan sát quang điện tử (ĐQS-QĐT) trên đó gắn các camera ánh sáng ngày, camera ảnh nhiệt hồng ngoại, thiết bị đo xa laser. Về mặt cấu tạo, có thể xem ĐQS-QĐT là một hệ thống bao gồm một cơ hệ quay/quét giống nhƣ một tay máy có 2 khớp quay trên một bệ gắn liền với phƣơng tiện chuyển động để quan sát mục tiêu bằng camera, đo cự ly từ ĐQS-QĐT đến mục tiêu bằng thiết bị đo xa laser và đƣợc dẫn động bởi cơ cấu chấp hành (CCCH) là các động cơ điện [6, 7, 9, 18]. Khi sử dụng các HTBQĐT tác chiến trong điều kiện tàu chiến hoạt động trên biển, các hệ thống này chịu ảnh hƣởng của nhiều yếu tố tác động nhƣ: Ảnh hƣởng của sóng biển đƣợc đặc trƣng bởi các góc lắc ngang, góc lắc dọc; ảnh hƣởng của quá trình thực hiện bắn pháo đƣợc đặc trƣng bởi sự rung lắc; ảnh hƣởng của góc đảo lái khi tàu di chuyển làm thay đổi hƣớng của các trục tọa độ trong mặt phẳng boong tàu… Sự tác động của các góc lắc làm thay đổi vị trí trục đƣờng ngắm (LOS - Line Of Sight) – trục quang camera trong không gian; thời điểm phát bắn xảy ra, sự rung lắc của tàu có thể gây ra các nhiễu đột biến tác động lên ĐQS-QĐT; góc đảo lái làm thay đổi hệ tọa độ lấy mũi – lái tàu làm chuẩn … Các yếu tố trên đều ảnh hƣởng đến chất lƣợng bám sát của HTBQĐT, có thể làm mất bám trong quá trình bám sát mục tiêu. Từ đó đặt ra vấn đề phải đảm bảo ổn định trục đƣờng ngắm trong suốt quá trình bám sát mục tiêu. Trong các HTBQĐT trên tàu Hải quân, tùy thuộc vào công nghệ thiết kế, chế tạo mà có hai phƣơng pháp để ổn định trục đƣờng ngắm, đó là phƣơng pháp ổn định trực tiếp và phƣơng pháp ổn định gián tiếp. Trong thực tế, các hệ thống điều khiển hỏa lực tích hợp thiết bị quang điện tử có trong trang bị trên các tàu Hải quân chủ yếu do nƣớc ngoài chế tạo, tích hợp sẵn, họ không chia sẻ hay chuyển giao công nghệ cho chúng ta. Chính
3 vì thế, việc nghiên cứu làm chủ trong thiết kế, chế tạo các hệ thống này đang là yêu cầu bức thiết của quân đội ta. Đặc biệt là trong tình hình biển đảo ngày càng phức tạp, có nhiều diễn biến bất ngờ nhƣ trong giai đoạn hiện nay. Từ những phân tích đánh giá trên, luận án “Về một phương pháp nâng cao chất lượng hệ tự động bám sát mục tiêu trên tàu Hải quân” mang tính khoa học và thực tiễn, nhằm làm chủ trong cải tiến, nâng cấp, tiến tới làm chủ trong thiết kế, chế tạo tích hợp các hệ thống tự động bám sát mục tiêu (HTĐBSMT) sử dụng các thiết bị quang điện tử, với các chỉ tiêu chất lƣợng đảm bảo khả năng sẵn sàng chiến đấu cho các lực lƣợng Hải quân nhân dân Việt Nam. Để ngắn gọn và xuyên suốt trong luận án sau đây sẽ gọi tắt HTĐBSMT sử dụng các thiết bị quang điện tử là "Hệ thống bám quang điện tử" (HTBQĐT). 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu các phương pháp tổng hợp hệ thống bám quang điện tử cho mục tiêu di động hoạt động trong điều kiện bị tác động bởi các yếu tố nhiễu loạn, đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng cao; đáp ứng yêu cầu bám sát các mục tiêu trong chiến tranh công nghệ cao. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ thống bám quang điện tử được trang bị trên tàu Hải quân cho các mục tiêu di động. Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu các phƣơng pháp phân tích và tổng hợp hệ thống điều khiển phi tuyến, các giải pháp nâng cao chất lƣợng và đảm bảo tính bền vững cho hệ thống dƣới tác động của nhiễu, loại trừ đƣợc ảnh hƣởng của nhiễu đến chất lƣợng điều khiển, làm cho hệ thống có tính bền vững, tính kháng nhiễu tốt, giảm thiểu đƣợc khả năng mất bám. 4. Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu của luận án gồm: - Phân tích, xây dựng mô hình toán học mô tả động học của đài quan sát
4 quang điện tử (ĐQS-QĐT) nhƣ là đối tƣợng điều khiển của hệ thống bám quang điện tử. Phân tích mô hình toán học đầy đủ của ĐQS-QĐT dƣới tác động của nhiễu; chỉ ra các yếu tố bất định làm cơ sở cho việc tổng hợp hệ thống điều khiển chất lƣợng cao cho ĐQS-QĐT. - Nghiên cứu và đề xuất phƣơng pháp điều khiển trƣợt với mặt trƣợt có pha tiếp cận bền vững ngay từ điểm khởi đầu của hệ thống. - Nghiên cứu tổng hợp bộ điều khiển trƣợt đảm bảo các chỉ tiêu chất lƣợng cho HTBQĐT; bất biến với nhiễu loạn và sự biến đổi các tham số động học của đối tƣợng điều khiển, làm cơ sở cho việc thiết kế chế tạo hệ thống với các chỉ tiêu chất lƣợng theo yêu cầu tác chiến. - Nghiên cứu và đề xuất các giải pháp giảm dao động tần số cao (chattering) trong HTBQĐT dùng hàm chuyển mạch đề xuất trong vùng gần bề mặt trƣợt và giảm ―chattering‖ bằng các nhận dạng bù trừ nhiễu kết hợp hàm chuyển mạch đề xuất. - Mô phỏng đánh giá hiệu quả các phƣơng pháp đề xuất sử dụng bộ phần mềm mô phỏng Matlab-Simulink. 5. Ý ngh a hoa học và thực ti n Trên cơ sở các nội dung đã trình bày ở trên, các kết quả đạt đƣợc của luận án có những đóng góp mới cả về lý thuyết và ứng dụng. a. Ý nghĩa khoa học của luận án: Luận án đã đƣa ra một cách tiếp cận của điều khiển trƣợt (Sliding mode control – SMC) bằng cách đề xuất một cấu trúc biến đổi (PVS) thay thế cho pha tiếp cận truyền thống trong điều khiển trƣợt, đề xuất một hàm chuyển mạch (Proposed Switching Function - PSF) cùng với đó là tổng hợp các bộ điều khiển trƣợt (Proposed Sliding mode control – PSMC) và đƣa ra các giải pháp làm giảm chattering trong HTBQĐT. Các phƣơng pháp và thuật toán đều đƣợc phát triển trên cơ sở các công cụ của lý thuyết điều khiển hiện đại nhƣ: Điều khiển trƣợt, điều khiển bền vững, điều khiển phi tuyến, nhận dạng