Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hoàn thiện phương pháp dẫn từ xa theo hướng có lợi về năng lượng tên lửa trên cơ sở lý thuyết điều khiển hiện đại.

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:31

Thêm vào BST

Báo xấu

31
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án giải quyết bài toán nâng cao hiệu quả vũ khí trang bị bằng cách nâng cao độ chính xác dẫn và mở rộng giới hạn xa vùng tiêu diệt trong cải tiến khí tài TLPK với chi phí tối thiểu.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hoàn thiện phương pháp dẫn từ xa theo hướng có lợi về năng lượng tên lửa trên cơ sở lý thuyết điều khiển hiện đại.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ ******* NGUYỄN THANH TÙNG NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN PHƯƠNG PHÁP DẪN TỪ XA THEO HƯỚNG CÓ LỢI VỀ NĂNG LƯỢNG TÊN LỬA TRÊN CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN HIỆN ĐẠI Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số : 9 52 02 16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Hà Nội – 2019 2
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: 1. GSTSKH. Nguyễn Công Định 2. PGSTS. Vũ Hỏa Tiễn Phản biện 1: GS.TS Phan Xuân Minh Phản biện 2: TS Tống Xuân Đại Phản biện 3: PGS.TS Đào Tuấn Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện theo quyết định số 1595/QĐHV, ngày 17 tháng 5 năm 2019 của Giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp tại Học viện Kỹ thuật Quân sự vào hồi .........giờ.......ngày....... tháng ........ năm 2019.
Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân sự Thư viện Quốc gia 4
CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 01.“Tổng hợp một phương pháp dẫn từ xa cho tên lửa phòng không trên cơ sở phương pháp dẫn cầu vồng và phương pháp dẫn 2 điểm có tính tới góc tiếp cận ”, Hội nghị Tự động hóa toàn quốc VCCA – 2017 (12/2017). 02.“Khảo sát vòng điều khiển kín từ xa tên lửa phòng không theo một số phương pháp dẫn làm cơ sở hoàn thiện và phát triển luật dẫn cầu cồng ”, Tạp chí Nghiên cứu khoa học và công nghệ quân sự, số 51 (10/2017). 03.“Application of the particle swarm optimization algorithm for optimal finding the transient for antiaircraft guided missiles”, The Second International Scientific Congress of Scientists of Europe and Asia, Austria 2017 04.“Evaluating effectiveness of extending engagement zone of surface – to air missile using the combinational guidance law2DGOC”, Tạp chí “Khoa học và Kỹ thuật” – Học viện KTQS, Số 196 (02 – 2019).
MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Từ thực tế vài năm gần đây, Quân đội ta đã cải tiến một số tổ hợp TLPK theo hình thức chuyển giao công nghệ (CGCN) của nước ngoài. Kết quả nghiệm thu cho thấy hiệu quả của tổ hợp tăng lên rõ rệt, đặc biệt là cự ly xa vùng tiêu diệt (VTD) tăng tới (1.5÷1.8) lần [11], trong khi đạn TLPK không hề được cải tiến, vậy mấu chốt vấn đề tăng cự ly xa VTD nằm ở đâu? Trong thuyết minh CGCN [11] có nói đến việc thay thế hai PPD cũ là “T/T” và “ПC” bằng hai PPD mới là MTT và КДУ làm cho quỹ đạo bay của tên lửa luôn nằm phía trên đường ngắm đài điều khiển – mục tiêu (ĐĐKMT). Có nghĩa là hiệu quả mở rộng VTD của khí tài cải tiến có nguyên nhân từ việc áp dụng hai PPD mới, cho phép tối ưu hóa quỹ đạo bay của tên lửa. Tuy nhiên, trong tài liệu CGCN, thông tin về hai PPD mới (КДУ và MTT) đối tác đã áp dụng vào khí tài cải tiến rất ít ỏi, không tường minh và không có khả năng khai thác vì được mã hóa dưới dạng chương trình phần mềm. Từ phân tích trên, luận án đặt ra bài toán “ Nghiên cứu hoàn thiện phương pháp dẫn từ xa theo hướng có lợi về năng lượng tên lửa trên cơ sở lý thuyết điều khiển hiện đại” nhằm xây dựng một PPD mới, áp dụng cho các tổ hợp TLPK có trong trang bị, để mở rộng VTD và đảm bảo độ chính xác dẫn. Vấn đề nghiên cứu trên là hết sức cần thiết và cấp bách. 2. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là các PPD và hệ lập lệnh đài ĐKTL như một khâu trong VĐK kín từ xa. Phạm vi nghiên cứu: Luận án giới hạn trong phạm vi nghiên cứu về động lực học tên lửa, động hình học điều khiển thiết bị bay, động học vòng điều khiển kín từ xa TLPK và mô hình hóa toán học VĐK kín bằng mô phỏng. Quá trình nghiên cứu được tiến hành bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết gắn với mô phỏng thử nghiệm. 3. Nội dung nghiên cứu 6
Nội dung của Luận án được trình bày trong 117 trang, 10 bảng biểu, 56 hình vẽ và đồ thị, 85 tài liệu tham khảo. Nội dung nghiên cứu nhằm giải quyết bốn bài toán cụ thể: Lựa chọn một PPD có QĐĐ dạng đạn đạo, cho phép tên lửa tiếp cận mục tiêu từ phía trên xuống, tạo ra khả năng biến thế năng thành động năng, duy trì vận tốc bay của tên lửa trong giai đoạn bay thụ động. QĐĐ dạng đạn đạo như vậy cho phép mở rộng VTD. Lựa chọn một PPD có độ chính xác cao ngay trong điều kiện mục tiêu cơ động phức tạp. PPD cần thực tế hóa trong đài ĐKTX cùng với các PPD truyền thống, tức là PPD mới không đòi hỏi bổ sung thiết bị và không làm thay đổi chất lượng động học của VĐK kín từ xa. Nghiên cứu hợp nhất hai PPD đã nêu thành PPD kết hợp mới, được tối ưu hóa trên cơ sở lý thuyết điều khiển hiện đại. Mô phỏng đánh giá hiệu quả của PPD mới (sau tổng hợp) theo hai tiêu chí: độ chính xác dẫn trong điều kiện mục tiêu cơ động và mở rộng VTD. Bố cục luận án gồm: Phần mở đầu. Chương 1: Phân tích đánh giá các phương pháp dẫn từ xa tên lửa phòng không và đặt vấn đề nghiên cứu. Chương 2: Tổng hợp phương pháp dẫn từ xa, thích ứng với mục tiêu cơ động và có lợi về động năng. Chương 3: Ứng dụng thuật toán tối ưu quần thể (PSO) tìm thời điểm chuyển cho phương pháp dẫn kết hợp Chương 4: Đánh giá hiệu quả mở rộng vùng tiêu diệt của phương pháp dẫn kết hợp “CV2DGOC” Kết luận. 4. Tính thực tiễn, tính khoa học và đóng góp mới của luận án Tính thực tiễn Luận án giải quyết bài toán nâng cao hiệu quả vũ khí trang bị bằng cách nâng cao độ chính xác dẫn và mở rộng giới hạn xa vùng tiêu diệt trong cải tiến khí tài TLPK với chi phí tối thiểu. Tính khoa học của luận án 7
Kết quả nghiên cứu của luận án góp phần bổ sung vào lý thuyết dẫn tên lửa bằng thuật toán mới tối ưu trên cơ sở vận dụng lý thuyết điều khiển hiện đại vào giải quyết vấn đề do thực tế đặt ra. Những đóng góp mới của luận án 1. Đã tổng hợp thành công PPD “CV2DGOC” tối ưu trên cơ sở mô hình của hai PPD “CV” và “2DGOC”. PPD kết hợp mới có tác dụng mở rộng VTD cho tổ hợp TLPK điều khiển từ xa; 2. Đã ứng dụng thành công thuật toán tối ưu quần thể (PSO) để tổng hợp phương pháp tìm thời điểm chuyển tối ưu cho PPD kết hợp mới. Tính tối ưu và hội tụ của thời điểm chuyển giai đoạn PPD kết hợp mới đã được kiểm chứng bằng mô phỏng và thống kê; 3. Đã xây dựng được phương pháp xác định các đặc trưng giới hạn của VTD tổ hợp TLPK trên cơ sở mô hình và cấu trúc đầy đủ của VĐK kín từ xa cho TLPK có ứng dụng PPD kết hợp mới “CV 2DGOC”. CHƯƠNG 1 PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG PHÁP DẪN TỪ XA TÊN LỬA PHÒNG KHÔNG VÀ ĐẶT BÀI TOÁN NGHIÊN CỨU 1.1. Hệ thống điều khiển từ xa tên lửa phòng không theo lệnh vô tuyến Theo lý thuyết [2] PPD từ xa đối với TLPK là vô hạn, tuy nhiên chỉ những PPD có hiệu quả mới được sử dụng. Khái niệm về hệ thống điều khiển từ xa (ĐKTX) được hiểu là tập hợp các phương tiện kỹ thuật mặt đất có chức năng thu thập, xử lý thông tin về mục tiêu và tên lửa, hình thành lệnh điều khiển, truyền theo đường vô tuyến lên tên lửa trong không gian, bảo đảm cho tên lửa tạo ra lực và mômen chuyển động theo một quỹ đạo tính toán, tiếp cận tới mục tiêu, tiêu diệt mục tiêu bằng năng lượng của phần chiến đấu (PCĐ) với một xác suất cho trước. 1.2. Những đặc trưng cơ bản của vòng điều khiển kín từ xa TLPK 8
Xét theo cấu trúc động học thì hệ thống ĐKTX có dạng một vòng điều khiển (VĐK) kín với các khâu động học cơ bản. Trong đó khâu lập lệnh với PPD đóng vai trò là bộ điều khiển (Controler) và bộ lọc định hình (Shaping Filter) cho VĐK. Quy luật điều khiển sẽ xác định quỹ đạo chuyển động của tên lửa trong không gian mà ta gọi là quỹ đạo động (QĐĐ). Khảo sát đánh giá hiệu quả của một VĐK kín từ xa TLPK theo một PPD nào đó, người ta đặc biệt quan tâm hai đặc trưng cơ bản là gia tốc pháp tuyến yêu cầu của PPD và gia tốc pháp tuyến (GTPT) đáp ứng của tên lửa (tức là quá tải mà tên lửa có thể tạo ra được) trước yêu cầu của PPD. Mối liên hệ giữa hai đặc trưng này về cơ bản sẽ xác định giá trị sai số dẫn tên lửa tại điểm gặp mục tiêu [2,8]. 1.3. Một số phương pháp dẫn tên lửa từ xa truyền thống 1.3.1. Phương pháp dẫn 3 điểm Phương pháp dẫn ba điểm, còn gọi tắt là “T/T”, là phương pháp làm trùng liên tục đường ngắm ĐĐK TL với đường ngắm ĐĐK MT trong toàn bộ thời gian dẫn. Tức là tại mọi thời điểm của quá trình dẫn, vị trí yêu cầu của trọng tâm tên lửa luôn phải nằm trên đường ngắm ĐĐK – MT, tức là theo [2,8] (1.12) 1.3.2. Phương pháp bắn đón nửa góc Phương pháp bắn đón nửa góc, ký hiệu “ ПС”, là phương pháp yêu cầu vị trí trọng tâm của tên lửa luôn vượt trước một lượng nào đó so với đường ngắm ĐĐK – TL. Phương pháp bắn đón nửa góc (ПС) là PPD được sử dụng phổ biến trong các tổ hợp TLPK. Phương trình PPD “ПС” có dạng như [2,8]: (1.17) 1.3.3. Phương pháp dẫn đối với mục tiêu bay thấp Để loại trừ khả năng chạm đất của tên lửa trong giai đoạn đầu điều khiển và đảm bảo sự giảm dần góc đón tới thời điểm kết thúc quá trình đưa tên lửa vào quỹ đạo động, phương trình của góc ngắm động hình học với lượng nâng [2] có dạng: 9
(1.20) Trong đó, các tham số ε0 và τ cần được chọn để thỏa mãn hai yêu cầu đã nêu. 1.4. Khảo sát đánh giá các phương pháp dẫn cơ bản Để phân tích, làm rõ sự hạn chế của các PPD truyền thống (“T/T”, “ПС”) theo hai tiêu chí nêu trên, ta tiến hành khảo sát VĐK kín từ xa TLPK theo cấu trúc động học (hình 1.3) nêu trong [2,8]. Giả thiết rằng các hệ thống xác định tọa độ mục tiêu và tên lửa là lý tưởng. Nội dung khảo sát tập trung vào hai vấn đề chính là: Đánh giá sai số dẫn (sai lệch thẳng) của hai PPD “T/T” và “ПС” với những phương án mục tiêu cho trước; Đánh giá mức độ suy giảm vận tốc tên lửa trong giai đoạn bay thụ động (khi động cơ hành trình ngừng làm việc) làm cơ sở đánh giá VTD. Hình 1.3. Cấu trúc động học VĐK kín từ xa cho mặt phẳng thẳng đứng Tham số của tên lửa và của các phần tử thuộc VĐK được lựa chọn từ phiên bản có trong thực tế trang bị, nêu trong bảng 1.1. Bảng 1.1. Tham số của tên lửa và các khâu trong VĐK kín Tham số tên lửa Giá Tham số các khâu Giá trị trị Khối lượng cất cánh [kg] 952,7 Hằng số th/g T1, 0.1 [s] Khối lượng tầng phóng [kg] 530,4 Hằng số th/g T2, 0.003 10
[s] Khối lượng tầng hành trình 422,3 Hằng số th/g T3, 0.05 [kg] [s] Khối lượng tên lửa bay thụ 330 Hằng số th/g T4, 0.002 động [kg] [s] Tải trọng riêng trên cánh 600 Hằng số th/g T5, 0.001 [kg/m2] [s] GTPT cực đại của tên lửa 100 Hằng số th/g TTL, 0.035 [m/s2] [s] Thời gian làm việc tầng 4 Hệ số truyền TL, 1÷1.5 phóng [s] Ktl Thời gian làm việc tầng 20 Hệ số cản ξp 0.7 hành trình [s] Hệ số lực cản [1/s2] 0,0523 Hằng số th/g Ttl, 0.1 [s] Hệ số lực nâng [1/s2] 0,035 Thời gian bay 8.1 autonom, [s] Hệ số dự trữ ổn định tĩnh 0,1 1.5. Đặt vấn đề tổng hợp PPD mới có tác dụng nâng cao độ chính xác dẫn và mở rộng vùng tiêu diệt Thông qua nghiên cứu động hình học dẫn tên lửa từ xa và kết quả khảo sát VĐK kín TLPK theo các PPD truyền thống ở các mục 1.3 và 1.4. ta nhận thấy: Để tổng hợp được PPD mới, đồng thời thỏa mãn hai tiêu chí trên, rõ ràng là ta phải lần lượt giải quyết bốn bài toán sau: Bài toán thứ nhất: Phân tích, biện luận và lựa chọn một PPD có QĐĐ dạng đạn đạo, cho phép tên lửa tiếp cận mục tiêu từ phía trên xuống, tạo ra khả năng biến thế năng thành động năng, duy trì vận tốc bay của tên lửa trong giai đoạn bay thụ động. QĐĐ dạng đạn đạo như vậy cho phép mở rộng VTD. 11
Bài toán thứ hai: Phân tích, biện luận và lựa chọn một PPD có độ chính xác cao ngay trong điều kiện mục tiêu cơ động phức tạp. PPD cần lựa chọn có thể thực tế hóa trong đài ĐKTX cùng với các PPD truyền thống, tức là PPD mới không đòi hỏi bổ sung đáng kể về thiết bị và không làm thay đổi chất lượng động học của VĐK kín từ xa. Bài toán thứ ba: Nghiên cứu hợp nhất hai PPD trong bài toán thứ nhất và thứ hai thành PPD kết hợp mới được tối ưu hóa trên cơ sở lý thuyết điều khiển hiện đại. Bài toán thứ tư: Mô phỏng kiểm tra, đánh giá hiệu quả của PPD kết hợp mới (sau tổng hợp) theo hai tiêu chí: độ chính xác dẫn trong điều kiện mục tiêu cơ động và mở rộng VTD. PPD kết hợp mới được tích hợp trong cấu trúc VĐK kín từ xa như đã dẫn trên hình 1.3. 1.6. Kết luận chương Trong chương 1, trên cơ sở khảo sát, phân tích các PPD cũ, đã đặt ra vấn đề nghiên cứu tổng hợp một PPD mới đồng thời thỏa mãn hai yêu cầu về độ chính xác dẫn và mở rộng VTD của TLPK. Theo cách đặt vấn đề trong mục 1.5, đã xác định được bốn bài toán cần giải ở những chương tiếp theo của luận án. CHƯƠNG 2 TỔNG HỢP PHƯƠNG PHÁP DẪN TỪ XA, THÍCH ỨNG VỚI MỤC TIÊU CƠ ĐỘNG VÀ CÓ LỢI VỀ ĐỘNG NĂNG 2.1. Đặt vấn đề Vấn đề xây dựng một PPD mới có lợi về động năng cho tên lửa trên toàn quỹ đạo bay là rất quan trọng, bởi tại thời điểm động cơ hành trình ngừng làm việc tên lửa có một động năng khá lớn và được duy trì trong khoảng thời gian dài bởi PPD. Cơ sở có thể để lựa chọn và tổng hợp được một PPD mới đáp ứng đồng thời hai tiêu chí trên là những PPD mà ta đã biết như: phương pháp “Cầu vồng” [8], ký hiệu là CV; phương pháp 2 điểm từ xa [9], ký hiệu là 2D; PPD hai điểm có tính tới góc tiếp cận [53,54], ký hiệu là 2DGOC. Sở dĩ có sự lựa chọn như vậy bởi PPD 12
“CV” cho phép hình thành QĐĐ dạng đạn đạo ngay từ giai đoạn đầu quá trình điều khiển, còn PPD “2D” và “2DGOC” cho phép nâng cao độ chính xác dẫn đối với mục tiêu cơ động. 2.2. Phương pháp dẫn “Cầu vồng” [8, 82] 2.2.1. Phương trình phương pháp dẫn “Cầu vồng” Phương pháp dẫn “CV”, theo [8], được áp dụng cho điều khiển từ xa đối với những lớp mục tiêu bay thấp, hoặc cố định trên mặt đất, mặt nước. Phương trình PPD “CV” trong mặt phẳng đứng có dạng như sau: (2.2) Trong đó: kcv – hệ số cầu vồng; góc ngắm cực đại của tên lửa so với mục tiêu, giới hạn bởi độ rộng cánh sóng anten phát lệnh ĐĐK và độ cao bay của MT; khoảng cách TLMT; rtl – cự ly nghiêng của tên lửa. Trong mặt phẳng phương vị vẫn sử dụng PPD ba điểm “T/T”. 2.2.2. Gia tốc pháp tuyến yêu cầu của phương pháp dẫn “Cầu vồng” Để xác định GTPT yêu cầu của PPD “CV” ta sử dụng phương trình (2.2) và biểu thức tính GTPT yêu cầu trong mặt phẳng đứng khi dẫn từ xa (1.9), đồng thời sử dụng các phép đơn giản hóa sau: , có tính tới . Ta nhận được biểu thức GTPT yêu cầu tại điểm gặp khi dẫn theo PPD “CV” là: (2.10) 2.2.3. Khảo sát đánh giá phương pháp dẫn “Cầu vồng” Sử dụng cấu trúc động học VĐK kín từ xa TLPK (hình 1.3) với bộ tham số các khâu cơ bản như bảng 1.1 trong khảo sát ở mục 1.4 chương 1. Riêng trong khâu lập lệnh thuật toán PPD được thay bằng PPD “CV” như đã phân tích trong mục 2.2.1 Kết luận: Nếu chỉ sử dụng đơn thuần PPD “CV” thì hiệu quả đáp ứng 2 tiêu chí về độ chính xác và động năng tên lửa cao chỉ có khi mục tiêu bay thấp (dưới 3000m) và bay với vận tốc dưới 200m/s. 13
Việc nâng quỹ đạo tên lửa ở giai đoạn đầu với yêu cầu quá tải nhỏ là một yêu cầu bắt buộc để hình thành nên quỹ đạo dạng đạn đạo và là tiền đề quan trọng để duy trì động năng tên lửa ở giai đoạn bay tiếp theo. Ưu điểm này có thể lựa chọn để tổng hợp PPD mới. 2.3. Tổng hợp luật dẫn hai điểm tối ưu 2.3.1. Mô hình dẫn tối ưu dạng toàn phương tuyến tính bằng phương pháp trượt (Sweep method, [48]) Phương trình trạng thái và các điều kiện biên của hệ tuyến tính có dạng: (2.11) Trong đó: x vector trạng thái kích thước (m1 x 1) ; đạo hàm của x; x0 giá trị ban đầu của x ở thời điểm t0; giá trị xác định thứ i của x ở thời điểm cuối tf ; u vector điều khiển kích thước m2 (m2 = 1, 2,...); A ma trận trạng thái kích thước (m1 x m1) và B là ma trận điều khiển kích thước (m1 x m2). Không mất tính tổng quát, ta giả sử rằng . Hệ thống được mô tả bởi (2.11) được giả sử là điều khiển được hoàn toàn với u không bị chặn. Xét bài toán điều khiển tối ưu dưới đây. Tìm u để cực tiểu hàm chỉ tiêu J: (2.12) Trong đó: Q ma trận bán xác định dương, kích thước (m1 x m1); R ma trận xác định dương kích thước (m2 x m2). Các điều kiện ràng buộc ở (2.11) liên hệ với hàm mục tiêu (2.12) bằng các nhân tử như sau: (2.13) Trong đó: vi (i= 1 2, ...,p) là các nhân tử thực dương của các trạng thái cuối xi(tf). Các phương trình EulerLagrange cho bài toán tối ưu trên có dạng [16, 48]: (2.14) 14
Từ (2.14) và (2.11), ta nhận được bài toán hai điểm biên: (2.15) Bài toán hai điểm biên trên có thể giải được bằng phương pháp trượt [48]. Qua các phép biến đổi toán học, chúng ta có thể nhận được tín hiệu điều khiển tối ưu [48]: (2.21) Trong trường hợp nếu Q = 0 và v = 0 thì hàm là tổng năng lượng của tín hiệu điều khiển: (2.24) Từ phương trình Riccati [48], ta thấy rằng nếu Q = 0 thì ta nhận được S = 0. Do đó ta có [48]: (2.25) Tín hiệu điều khiển tối ưu (2.23), trong trường hợp này được biểu diễn lại như sau: (2.26) 2.3.2. Luật dẫn tên lửa tối ưu theo các điều kiện ràng buộc Trước tiên ta xét tương quan động hình học TLMT trong mặt phẳng đứng như trên hình 2.6. Hình 2.6. Động hình học TLMT trong mặt phẳng đứng Để thuận lợi trong những biến đổi toán học sau này, ta ký hiệu và quy ước trong mặt phẳng thẳng đứng, độ cao tương đối giữa TLMT . Xét trong hệ tọa độ của ĐĐK ta có: (2.27) Sơ đồ khối mô tả quá trình dẫn TL được thể hiện trên hình 2.7. 15
Hình 2.7. Sơ đồ khối quá trình dẫn tên lửa Để đơn giản hóa bài toán, ta giả sử tên lửa là một khâu lý tưởng và =1. Trong đó ac là gia tốc yêu cầu của lệnh điều khiển. Đặt các biến trạng thái: , ta có và biến điều khiển . Xét trong trường hợp mục tiêu không cơ động theo góc (), khi đó phương trình (2.27) biểu diễn trong không gian trạng thái có dạng: (2.28) Hàm mục tiêu là tổng năng lượng điều khiển: (2.30) Bài toán dẫn tối ưu được phát biểu như sau: Tìm biến điều khiển u(t) để hình thành nên quỹ đạo tên lửa bắt đầu từ trạng thái t0 sao cho hàm mục tiêu (2.30) là nhỏ nhất theo các điều kiện ràng buộc khác nhau. 2.3.2.1. Luật dẫn hai điểm tối ưu theo độ trượt tại điểm gặp Điều kiện độ trượt tại điểm gặp nhỏ nhất, tức là: =0, hoặc biểu diễn dưới dạng ma trận: (2.31) Trong đó: (2.32) Giải các phương trình và sử dụng các quan hệ động hình học, ta nhận được: (2.42) Xuất phát từ biểu thức (2.42), luật dẫn tiếp cận tỉ lệ có tính tới sự cơ động của mục tiêu có dạng [10, 38]: (2.43) Các giải pháp để hiện thực hóa luật dẫn (2.43) dưới ĐĐK đã được [9] chỉ ra, phương pháp dẫn này còn được gọi là PPD hai điểm và ký hiệu là 2D. 16
2.3.2.2. Luật dẫn hai điểm tối ưu theo độ trượt tại điểm gặp có tính tới góc tiếp cận Giá trị độ trượt và tốc độ thay đổi độ trượt tại điểm gặp là: (2.44) Trong đó góc tiếp cận TLMT tại điểm gặp. Thông qua các biến đổi toán học, ta nhận được tín hiệu điều khiển tối ưu: (2.51) Sử dụng các quan hệ động hình học như ở mục 2.3.2.1 và giá trị ở (2.44) thay vào (2.51) ta nhận được: (2.53) Khi tính tới yếu tố cơ động của mục tiêu thì biểu thức (2.53) trở thành [57]: (2.54) PPD có biểu thức như (2.54) gọi là phương pháp hai điểm có tính góc tiếp cận và được ký hiệu là 2DGOC. 2.4. Tổng hợp phương pháp dẫn kết hợp Phương pháp dẫn kết hợp bao gồm hai giai đoạn dẫn: Giai đoạn (1) dùng để nâng quỹ đạo tên lửa, sử dụng PPD “CV”; Giai đoạn (2) dùng để tiếp cận mục tiêu, sử dụng PPD hai điểm. Biểu thức của PPD kết hợp “CV” với “2D” (ký hiệu là “CV 2D”) trong mặt phẳng đứng được viết như sau: (2.55) Biểu thức của PPD kết hợp “CV” với “2DGOC” (ký hiệu “CV 2DGOC”) trong mặt phẳng đứng được viết như sau: (2.56) 2.5. Mô phỏng kiểm chứng Cơ sở để khảo sát hai PPD kết hợp như đã đề xuất vẫn là cấu trúc động học VĐK kín từ xa (hình 1.3) với bộ tham số các khâu cơ 17
bản như bảng 1.1 trong khảo sát ở mục 1.4 chương 1. Riêng khâu lập lệnh ta sử dụng các thuật toán (2.55) và (2.56) tương ứng với từng phương án kết hợp. Đánh giá: Phương pháp dẫn từ xa “CV2DGOC” có độ chính xác cao trong mọi phương án mục tiêu và duy trì động năng (vận tốc) cho tên lửa tốt hơn các PPD khác. Đây chính là cơ sở để lựa chọn PPD từ xa “CV2DGOC” bổ sung cho hệ lập lệnh các ĐĐK thế hệ cũ nhằm mở rộng VTD, nâng cao hiệu quả của tổ hợp trong điều kiện chiến tranh hiện đại. 2.6. Kết luận chương Trong chương 2 đã biện luận và tổng hợp được hai PPD kết hợp “CV2D” và “CV2DGOC” từ ba PPD “CV”, “2D” và “2DGOC”. Kết quả tổng hợp được thể hiện qua hai biểu thức mô tả GTPT yêu cầu là (2.55) và (2.56). Kết quả mô phỏng trong cùng điều kiện cho thấy PPD “CV2DGOC” có đáp ứng tốt hơn “CV2D”. Tuy nhiên thời điểm chuyển t* còn mang tính mặc định, nên chưa thể kết luận là PPD nào tốt hơn. CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN TỐI ƯU QUẦN THỂ (PSO) TÌM THỜI ĐIỂM CHUYỂN CHO PHƯƠNG PHÁP DẪN KẾT HỢP 3.1. Đặt vấn đề Thuật toán PSO [49] đã được ứng dụng rộng rãi khi giải các bài toán tối ưu, nó có ưu điểm về tính ổn định, độ chính xác và tính tác động nhanh [52]. Trong lĩnh vực dẫn đường tên lửa, thuật toán PSO đã được sử dụng để tổng hợp luật dẫn tên lửa như [50,51,52] đã đề cập. Đó chính là lý do mà luận án đề xuất sử dụng thuật toán PSO để tìm thời điểm chuyển t* cho phương pháp dẫn kết hợp. 3.2. Tổng quan về thuật toán tối ưu quần thể (PSO) 3.2.1. Mở đầu PSO được khởi tạo bởi một nhóm ngẫu nhiên các Particle, sau đó tìm kiếm giải pháp tối ưu bằng việc cập nhật các thế hệ. Trong mỗi thế hệ, mỗi Particle được cập nhật theo hai giá trị: thứ 18
nhất là Pbest (là nghiệm tốt nhất đạt được cho tới thời điểm hiện tại), nó chính là giá trị fitness của Particle tốt nhất trong thế hệ hiện tại; thứ hai là Gbest (là nghiệm tốt nhất của cá thể lân cận cá thể này đạt được cho tới thời điểm hiện tại), là giá trị fitness của Particle tốt nhất trong tất cả các thế hệ từ trước đến thời điểm hiện tại. Quá trình cập nhật của Particle dựa trên hai biểu thức sau: (3.1) (3.2) Trong đó: N số phần tử trong quần thể; D Kích thước quần thể; k số lần lặp lại (chỉ số thế hệ); vận tốc của cá thể thứ i tại thế hệ thứ k; w hệ số quán tính; c1, c2 hệ số gia tốc; rand() hàm tạo giá trị ngẫu nhiên trong khoảng (0,1); vị trí cá thể thứ i tại thế hệ thứ k; vị trí tốt nhất của cá thể thứ i. 3.2.2. Thuật toán tối ưu quần thể PSO Các bước thực hiện thuật toán PSO được mô tả như sau: Bước 1: Đặt các tham số W, c1 và c2 cho PSO; Bước 2: Khởi tạo quần thể theo vị trí X và vận tốc V; Bước 3: Tính hàm fitness của mỗi cá thể ; Bước 4: Cập nhật giá trị Pbest của quần thể: Nếu thì nếu không thì Bước 5 : Cập nhật Gbest của cả quần thể: Nếu thì nếu không thì đặt Bước 6 : Cập nhật vị trí và vận tốc của mỗi cá thể; (3.3) (3.4) Bước 7: Nếu chỉ số hội tụ đạt ngưỡng hoặc số vòng lặp bằng Kmax thì dừng việc tìm kiếm và xuất ra giá trị Gbest, nếu không thì quay trở lại Bước 3; 3.3. Ứng dụng thuật toán PSO tìm thời điểm chuyển cho phương pháp dẫn kết hợp Chỉ tiêu tối ưu của thuật toán PSO tìm thời điểm chuyển cho các PPD kết hợp là: và với V0, h0 là những giá trị vận tốc và độ 19
trượt cho trước bảo đảm xác suất tiêu diệt mục tiêu. Hàm mục tiêu của thuật toán PSO khi đó có dạng: (3.9) Sơ đồ khối quá trình tìm thời điểm chuyển t* tối ưu của PPD kết hợp theo thuật toán PSO được mô tả trên hình 3.4. Hình 3.4. Thuật toán PSO kết nối với PPD kết hợp 3.4. Khảo sát thời điểm chuyển của phương pháp dẫn kết hợp theo PSO 3.4.1. Khảo sát tính ổn định của thuật toán PSO Dữ liệu để khảo sát gồm: Cấu trúc động học VĐK kín từ xa (hình 1.3) với bộ tham số các khâu cơ bản như bảng 1.1 ở chương 1. Thuật toán lập lệnh áp dụng cho khâu lập lệnh là phương trình (2.55) cho PPD “CV2D” và phương trình (2.56) cho PPD “CV2DGOC”. Tham số mục tiêu theo phương án được chỉ ra trong bảng 3.1. Đánh giá chung: 20