BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ PHẠM QUANG HIẾU TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ BAY CÓ TỐC ĐỘ THAY ĐỔI Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2018
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG
Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS Trần Đức Thuận
2. PGS.TS Nguyễn Văn Lâm
Phản biện 1: GS.TS Nguyễn Doãn Phước
Phản biện 2: GS.TSKH Nguyễn Đức Cương
Phản biện 3: PGS.TS Phạm Tuấn Thành
Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án cấp Viện theo quyết định số 345/QĐ-VKHCNQS, ngày 30 tháng 3 năm 2018 của Giám đốc Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, họp tại viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào hồi .... giờ ..... ngày.... tháng..... năm 2018
Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Thư viện Quốc gia Việt Nam
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Thiết bị bay (TBB) có tốc độ thay đổi là một chủng loại bay hiện đại đang được nhiều nước sản xuất và đưa vào sử dụng. Quân đội Nhân dân Việt Nam cũng đã được trang bị chủng loại TBB này (tên lửa đối hải K310, 3M-54E; tên lửa phòng không S-300....).
Việc xuất hiện đối tượng bay có tốc độ thay đổi, đòi hỏi phải có những nghiên cứu mới để giải quyết bài toán tổng hợp hệ thống điều khiển, mà trong đó không thể áp dụng các kiến thức kinh điển về hệ tuyến tính dừng. 2. Mục đich, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận án là xây dựng phương pháp luận để tổng hợp hệ thống điều khiển (HTĐK) cho một lớp TBB có tốc độ thay đổi, với đối tượng cụ thể là một lớp tên lửa đối hải hoặc đối không.
Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn trong khuôn khổ bài toán tổng hợp luật điều khiển cho TBB có tốc độ thay đổi ở giai đoạn bay tự lập và tổng hợp luật tự dẫn cho TBB có tốc độ thay đổi đến điểm gặp mục tiêu (MT) di động. 3. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết mô hình hóa chuyển động của đối tượng bay để xây dựng mô hình động học TBB có tốc độ thay đổi; Phân tích, tổng hợp lý thuyết điều khiển hiện đại để vận dụng tổng hợp HTĐK cho TBB có tốc độ thay đổi; Mô hình hóa, mô phỏng bằng máy tính để thực nghiệm mô phỏng kiểm chứng hiệu quả của thuật toán điều khiển đã xây dựng. 4. Bố cục của luận án Toàn bộ luận án gồm 120 trang trình bày thành 4 chương, 48 hình vẽ,
03 bảng biểu và 18 phụ lục. 5. Ý nghĩa thực tiễn và ý nghĩa khoa học của luận án
Ý nghĩa thực tiễn: Chứng minh tính hiệu quả của thuật toán điều khiển mà luận án đề xuất; Là cơ sở lý luận để ứng dụng cải tiến, nâng cấp, sửa chữa và tiến tới chế tạo thiết bị điều khiển trên tên lửa có trong trang bị của Quân đội; Phục vụ cho công tác nghiên cứu, giảng dạy tại các Học viện, Nhà trường trong Quân đội.
2
Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu của luận án góp phần hoàn thiện lý thuyết điều khiển TBB có tốc độ thay đổi. Cụ thể hóa khả năng ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại vào bài toán tổng hợp hệ thống điều khiển TBB có tốc độ thay đổi.
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BAY TỰ ĐỘNG 1.1. Hệ tọa độ khảo sát và các góc đặc trưng cho chuyển động của TBB 1.1.1. Hệ tọa độ khảo sát chuyển động của thiết bị bay
Hệ tọa độ thường dùng gồm: Hệ tọa độ mặt đất (O0X0 Y0 Z0); Hệ tọa độ mặt đất di động (OXg Yg Zg); Hệ tọa độ liên kết (OXb Yb Zb); Hệ tọa độ tốc độ (OXa Ya Za); Hệ tọa độ quỹ đạo (OXk Yk Zk). 1.1.2. Các góc đặc trưng cho chuyển động của thiết bị bay
Các góc đặc trưng gồm: Góc hướng (ψ); Góc chúc ngóc (góc gật - ϑ); ); Góc
Góc nghiêng (góc Cren - γ); Góc nghiêng quỹ đạo (θ); Góc tấn ( trượt (β). 1.2. Hệ thống điều khiển thiết bị bay tự động 1.2.1. Khái quát về hệ thống điều khiển thiết bị bay tự động
Chức năng của HTĐK là lái TBB đến điểm gặp MT theo lệnh điều khiển từ hệ thống dẫn hướng hoặc theo chương trình định trước. Trong trường hợp chung, hệ thống điều khiển TBB tự động ứng dụng trong quân sự để tiến công MT (tên lửa) gồm các khâu: Xử lý thông tin MT; Phương pháp dẫn; Vòng điều khiển; Điều khiển nổ. Trong đó, khâu xử lý thông tin MT và phương pháp dẫn là căn cứ chính để phân loại hệ thống điều khiển TBB tự động.
Căn cứ vào phương pháp dẫn có thể tách hệ thống điều khiển TBB tự
động thành: HTĐK tự lập; HTĐK bằng lệnh; HTĐK tự dẫn; HTĐK kết hợp. 1.2.2. Cấu trúc hệ thống điều khiển kết hợp tự lập và tự dẫn
Thành phần cơ bản của HTĐK cho lớp TBB tự động xét đến trong
luận án được thể hiện trong hình 1.5.
3
Hình 1.5. Sơ đồ chức năng hệ thống điều khiển kết hợp tự lập và tự dẫn
1.3. Các phương pháp dẫn thiết bị bay gặp mục tiêu di động
Bản chất của bài toán dẫn là tạo ra lực pháp tuyến tác động vào tâm
khối TBB nhằm duy trì một tham số nào đó của quan hệ tương đối giữa MT và TBB, đảm bảo dẫn TBB đến vùng lân cận MT. Dựa vào mối quan hệ
giữa vị trí điều khiển, MT và TBB, trong quá trình dẫn TBB đến điểm gặp, có thể chia phương pháp dẫn thành hai nhóm: “Phương pháp dẫn ba điểm”
và “Phương pháp dẫn hai điểm”. Với lớp TBB xét đến trong luận án thì phương pháp dẫn hai điểm được ứng dụng phổ biến.
Nhóm phương pháp dẫn hai điểm còn gọi là các phương pháp dẫn TBB trong điều khiển tự dẫn. Quá trình TBB tiếp cận MT luôn luôn tồn tại
mối quan hệ thông tin giữa TBB và MT. Tùy thuộc vào cách lựa chọn quy luật quay của đường ngắm TBB-MT trong hệ tọa độ dẫn có thể chia thành
các phương pháp dẫn khác nhau: Dẫn đuổi; Dẫn hướng trục dọc TBB vào điểm đón; Dẫn véc tơ vận tốc TBB vào điểm đón; Dẫn tiếp cận song song;
Dẫn tiếp cận tỷ lệ. 1.4. Tổng quan các nghiên cứu về tổng hợp lệnh điều khiển và luật dẫn thiết bị bay tự động
1.4.1. Tổng quan các nghiên cứu về tổng hợp lệnh điều khiển TBB
Các công trình nghiên cứu tổng hợp lệnh điều khiển cho TBB tự động
trước đây đã ứng dụng cả phương pháp kinh điển, phương pháp hiện đại để
xây dựng thuật toán điều khiển, đa số các công trình đều thực hiện tuyến
tính hóa mô hình động học TBB và coi thông số tốc độ bay không đổi. Một
4
số công trình nghiên cứu của nước ngoài có đề cập đến sự thay đổi tốc độ
bay, tuy nhiên do tính chất bí mật nên bài toán đặt ra chưa tường minh.
1.4.2. Tổng quan các nghiên cứu, cải tiến và hiện đại hóa phương pháp
dẫn TBB
Trước nhu cầu khai thác, làm chủ, tiến tới chế tạo các bộ phận thay thế
trên TBB có trong trang bị của Quân đội, đã có nhiều công trình trong nước
tập trung nghiên cứu cải tiến, hiện đại hóa các phương pháp dẫn TBB.
Các kết quả nghiên cứu đã cho thấy tính hiệu quả của các thuật toán đề
xuất. Tuy nhiên điểm còn tồn tại của các công trình này là chưa giải quyết
bài toán tổng hợp luật dẫn một cách đầy đủ khi đề cập đến các yếu tố gây
sai số.
1.5. Ý nghĩa sự thay đổi tốc độ bay và vấn đề tổng hợp hệ thống điều
khiển thiết bị bay có tốc độ thay đổi
1.5.1. Ý nghĩa của sự thay đổi tốc độ bay
Đối với các TBB ứng dụng trong quân sự, thay đổi tốc độ bay là một
biện pháp nhằm hạn chế khả năng phòng không của đối phương khi TBB
tiếp cận MT và tăng khả năng phá hủy MT. Sự thay đổi tốc độ bay có thể
được thực hiện trong giai đoạn bay tự lập khi tiếp cận gần MT, hoặc thực
hiện trong giai đoạn tự dẫn. Việc tốc độ của TBB thay đổi có ý nghĩa về
mặt chiến thuật, tuy nhiên lại làm ảnh hưởng đến chất lượng của quá trình
điều khiển, vì vậy vấn đề đặt ra cần phải nghiên cứu tổng hợp HTĐK cho
đối tượng bay này đáp ứng yêu cầu thích nghi với sự thay đổi tốc độ bay.
1.5.2. Vấn đề tổng hợp hệ thống điều khiển thiết bị bay có tốc độ thay đổi
- Đặt vấn đề: Xây dựng mô hình động học TBB có tốc độ thay đổi,
tổng hợp luật dẫn và các thuật toán điều khiển TBB có tốc độ thay đổi dựa
trên lý thuyết điều khiển tối ưu và thích nghi.
- Điều kiện và giới hạn vấn đề nghiên cứu: Chỉ xét đến sự thay đổi tốc
độ bay ở cuối giai đoạn bay tự lập và trong giai đoạn tự dẫn; Bỏ qua sự
5
quay và độ cong bề mặt trái đất khi xây dựng mô hình động lực học bay;
Bộ tham số về động lực học, khí động học, kích thước hình học và phân bố
trên khoang TBB được giả định từ một loại tên lửa đối hải nhưng không
được nêu tên và ký hiệu; Mọi khảo sát chất lượng HTĐK được thực hiện
theo phương pháp mô hình hóa và mô phỏng trên máy tính; Phương pháp
tạo lực và mô men điều khiển TBB theo sơ đồ khí động học thông thường;
Bài toán chỉ xét đến mô hình động học TBB và cấu trúc của bộ điều khiển
TBB khi thay đổi tốc độ; Bài toán xét đến mô hình động hình học tự dẫn
TBB có tốc độ thay đổi đến điểm gặp MT di động với giới hạn cự ly nhỏ nhất.
- Các vấn đề cần giải quyết được phân thành 4 bài toán sau:
+ Bài toán 1: Sử dụng phương pháp phân tích, tổng hợp để xây dựng
mô hình không gian trạng thái mô tả động hình học tự dẫn TBB có tốc độ
thay đổi đến điểm gặp MT di động và có tính đến các yếu tố gây sai số động.
+ Bài toán 2: Sử dụng lý thuyết điều khiển tối ưu để tổng hợp luật dẫn
TBB có tốc độ thay đổi trong giai đoạn tự dẫn đến điểm gặp MT di động.
+ Bài toán 3: Sử dụng phương pháp phân tích, tổng hợp để xây dựng
mô hình không gian trạng thái mô tả động học TBB có tốc độ thay đổi.
+ Bài toán 4: Sử dụng lý thuyết điều khiển điều khiển thích nghi để
tổng hợp luật điều khiển cho TBB có tốc độ thay đổi.
1.6. Kết luận chương 1
1. Hệ thống điều khiển điều khiển kết hợp giữa tự lập và tự dẫn là
HTĐK được áp dụng phổ biến cho lớp TBB sử dụng trong quân sự để tiến
công các mục tiêu trên biển hoặc trên không. Hệ thống này gồm tổ hợp các
thiết bị phức tạp đặt trên khoang TBB. Việc nghiên cứu các thành phần
trong hệ thống đã được nhiều công trình trong và ngoài nước đề cập, tuy
nhiên vấn đề xây dựng luật điều khiển cho lớp thiết bị bay có tốc độ thay đổi
chưa có công trình nào đã phổ biến ở Việt Nam đề cập một cách tường minh.
6
2. Luật dẫn TBB trong giai đoạn tự dẫn được các công trình nghiên cứu trong nước đề xuất trên cơ sở bài toán điều khiển tối ưu, nhưng phương pháp giải quyết bài toán chưa triệt để với các yếu tố tác động như gia tốc MT, gia tốc dọc trục TBB và gia tốc trọng trường.
3. Các bài toán đặt ra nhằm mục đích giải quyết các vấn đề còn tồn tại mà các công trình nghiên cứu trước đây chưa đề cập đến như đã nêu ở trên. Các vấn đề này sẽ được thực hiện trong các chương tiếp theo của luận án. Chương 2 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH GIA TỐC PHÁP TUYẾN TỐI ƯU CHO MỘT LỚP THIẾT BỊ BAY TRONG GIAI ĐOẠN TỰ DẪN THEO THÔNG TIN VỀ TỐC ĐỘ QUAY ĐƯỜNG NGẮM
2.1. Mô hình động học tự dẫn thiết bị bay
Xét một lớp TBB trong giai đoạn tự dẫn thực hiện tiến công MT. Giả sử tại thời điểm bắt đầu tự dẫn TBB đã thực hiện quay về hướng tới điểm gặp MT và chuyển động của TBB được hạn chế với độ lệch nhỏ theo hướng đến điểm gặp. Tương quan hình học giữa TBB và MT trong giai đoạn tự dẫn được thể hiện trên hình 2.1.
Hình 2.1. Tương quan hình học giữa TBB và MT trong giai đoạn tự dẫn
2.1.1. Mô hình động học tự dẫn thiết bị bay trong mặt phẳng ngang
Qua các phép biến đổi và đặt biến trạng thái ta có mô hình ĐHH tự dẫn
TBB trong mặt phẳng ngang (kênh ngang) dưới dạng không gian trạng thái: (2.11)
Trong đó: ; ;
7
; ;
2.1.2. Mô hình động học tự dẫn thiết bị bay trong mặt phẳng đứng
Thiết lập tương tự trong mặt phẳng ngang ta có mô hình ĐHH tự dẫn
TBB trong mặt phẳng đứng (kênh đứng): (2.21)
Trong đó: ; ;
; ;
2.2. Bài toán điều khiển tối ưu khi có tác động của nhiễu
Xét một hệ thống tuyến tính có tác động của nhiễu dưới dạng: (2.22)
Tìm biến điều khiển U để cực tiểu hàm chỉ tiêu chất lượng:
(2.23)
Khi này biến điều khiển tối ưu tương ứng:
(2.28)
Trong đó , là nghiệm của hệ phương trình:
(2.29)
(2.30)
- Ma trận hệ số Kx hoàn toàn có thể xác định trước bằng cách giải hệ phương trình (2.29) khi các ma trận A, B, Q không thay đổi trong quá trình
điều khiển.
- Vì điều kiện biên của (2.30) ở phía phải, nên để xác định K1(t) ở thời điểm cần phải dự đoán được ξ ở thời điểm tương lai trong khoảng (t0, tf) .
8
2.3. Thuật toán xác định gia tốc pháp tuyến tối ưu kênh ngang
Từ biểu thức (2.28) áp dụng với mô hình động học tự dẫn TBB (2.11)
ta có gia tốc pháp tuyến tối ưu kênh ngang:
(2.31)
Trong đó: , là nghiệm của hệ phương trình:
(2.32)
(2.33)
Bằng các phép biến đổi toán học ta có :
(2.46)
Việc giải phương trình (2.32) để xác định được thực hiện theo
phương pháp của Devinxon-Maki:
(2.47)
Xét dạng phổ biến của hàm chỉ tiêu chất lượng (2.23) với:
ta có
(2.61)
Trong đó:
, ,
;
Thay (2.60) vào (2.45) ta có:
9
(2.64)
Trong đó:
Thay (2.61) và (2.64) vào (2.31) ta có gia tốc pháp tuyến tối ưu kênh
ngang như sau:
(2.66)
2.4. Thuật toán xác định gia tốc pháp tuyến tối ưu kênh đứng
Tương tự các phép biến đổi toán học như kênh ngang ta có gia tốc
pháp tuyến tối ưu kênh đứng như sau:
(2.68)
Từ biểu thức (2.66), (2.68) và các biến đổi toán học ở trên chứng tỏ: gia tốc pháp tuyến tối ưu của TBB trong giai đoạn tự dẫn ngoài sự phụ thuộc vào trạng thái tốc độ quay đường ngắm TBB-MT, còn phụ thuộc vào gia tốc MT, gia tốc trọng trường và gia tốc dọc trục TBB trong khoảng thời gian tương lai gần nhất định.
Tổng gia tốc pháp tuyến kênh ngang và kênh đứng chính là gia tốc pháp tuyến TBB cần phải tạo ra nhằm làm tốc độ đường ngắm tiến đến giá trị 0 để cho TBB gặp MT. 2.5. Kết luận chương 2
1. Các mô hình trạng thái mô tả động hình học tự dẫn TBB trong mặt phẳng ngang (2.11) và mặt phẳng đứng (2.21) thể hiện đầy đủ các yếu tố của mô hình động hình học tự dẫn TBB có tốc độ thay đổi, đồng thời thể hiện được các yếu tố tác động như gia tốc cơ động của MT, gia tốc dọc trục TBB và gia tốc trọng trường như một thành phần nhiễu tác động.
10
2. Luật dẫn tối ưu kênh ngang (2.66) và kênh đứng (2.68) được tổng hợp trên cơ sở ứng dụng bài toán điều khiển tối ưu trong điều kiện có tác động của nhiễu;
3. Luật dẫn tối ưu cho TBB có tốc độ thay đổi đến điểm gặp MT ngoài sự phụ thuộc vào tốc độ quay đường ngắm TBB-MT, còn phụ thuộc vào gia tốc MT, gia tốc trọng trường và gia tốc dọc trục TBB trong khoảng thời gian tương lai gần nhất định.
4. Vấn đề điều khiển các kênh lái TBB để tạo gia tốc pháp tuyến đạt yêu cầu theo các thuật toán đề xuất ở chương này đòi hỏi phải tiếp tục xây dựng các thuật toán điều khiển cho từng kênh của chủng loại TBB cụ thể. Đây là vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu.
Chương 3
XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO THIẾT BỊ BAY CÓ TỐC ĐỘ THAY ĐỔI
3.1. Xây dựng mô hình động học thiết bị bay có tốc độ thay đổi
3.1.1. Các lực và mô men tác dụng lên thiết bị bay
Khi TBB chuyển động trong không gian sẽ chịu tác động của các lực
và mô men: Lực đẩy của động cơ (P); Trọng lực (G); Lực điều khiển; Lực
khí động học (Rtp). 3.1.2. Hệ phương trình toán mô tả chuyển động của thiết bị bay
Khi nghiên cứu chuyển động của TBB trong không gian, người ta sử
dụng định luật II Newton dưới dạng tổng quát để biểu diễn phương trình
chuyển động của tâm khối và chuyển động quay của nó quanh tâm khối.
3.1.3. Mô hình động học thiết bị bay có tốc độ thay đổi
a) Mối quan hệ giữa thay đổi tốc độ bay và lực đẩy
Với giả thiết các góc tấn, góc trượt nhỏ và bỏ qua tác động của gió ta
có mối quan hệ giữa tốc độ TBB và lực đẩy của động cơ:
hoặc (3.28)
11
b) Mô hình chuyển động quay theo trục dọc (kênh Cren)
(3.30)
Trong đó: ; ;
;
c) Mô hình chuyển động quay theo trục đứng (kênh ngang)
(3.42)
Trong đó: ; ;
;
d) Mô hình chuyển động quay theo trục ngang (kênh đứng)
(3.55)
Trong đó: ; ;
;
3.2. Bài toán điều khiển thích nghi
Với các mô hình (3.30), (3.42), (3.55), luận án ứng dụng phương pháp điều khiển thich nghi tham chiếu mô hình (MRA) để tổng hợp bộ điều khiển. Nguyên lý cơ bản của hệ thống MRA thể hiện trên hình 3.5.
12
Hình 3.5. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển MRA 3.3. Xây dựng thuật toán thích nghi ổn định góc Cren cho thiết bị bay có tốc độ thay đổi
Với mô hình động học TBB kênh Cren (3.30), bài toán cần giải là tìm biến điều khiển ul sao cho đáp ứng đầu ra γ (góc Cren của TBB) được duy trì ổn định ở trạng thái γ =0 và thích nghi với sự thay đổi của tốc độ bay. Ứng dụng phương pháp ổn định Lyapunov xác định được luật khiển thích nghi ul kênh Cren có dạng: (3.62)
Trong đó ; là nghiệm của hệ phương trình:
(3.76)
3.4. Xây dựng thuật toán điều khiển thích nghi góc trượt cạnh thiết bị bay bám theo gia tốc pháp tuyến tối ưu
Vì gia tốc pháp tuyến tối ưu kênh ngang theo yêu cầu của thuật toán trong chương 2 tỉ lệ với góc trượt cạnh tối ưu, nên việc bám theo gia tốc pháp tuyến tối ưu tương ứng với việc bám theo góc trượt cạnh tối ưu:
(3.79)
Vậy bài toán đặt ra cần xây dựng thuật toán điều khiển thỏa mãn đầu ra của đối tượng (3.30) bám theo góc trượt cạnh tối ưu (3.79), đồng thời thích nghi với sự thay đổi tốc độ bay. Từ yêu cầu của bài toán, trước tiên sẽ xây dựng luật điều khiển tối ưu LQ, sau đó sử dụng mô hình tham chiếu với bộ điều khiển tối ưu LQ để tổng hợp luật điều khiển thích nghi.
13
3.4.1. Tổng hợp bộ điều khiển tối ưu để ổn định góc trượt cạnh thiết bị bay Cấu trúc vòng kín của HTĐK ổn định góc trượt cạnh TBB sử dụng bộ điều khiển tối ưu LQ được trình bày trong hình 3.7
Hình 3.7. Cấu trúc HTĐK vòng kín ổn định góc trượt cạnh TBB có tốc độ thay đổi sử dụng bộ điều khiển tối ưu
Đặt sai số giữa đáp ứng đầu ra y và tín hiệu yêu cầu yc là một biến trạng thái mới ta có: (3.80)
Mô hình không gian trạng thái mở rộng của hệ thống điều khiển ổn định góc trượt cạnh TBB có dạng:
(3.82)
Trong đó: ;
; ;
Sử dụng nhân tử Lagrance và hàm Hamilton xác định được luật điều khiển tối ưu ổn định góc trượt cạnh có dạng:
(3.89)
Trong đó và P(t) là nghiệm của phương trình:
(3.90)
3.4.2. Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi góc trượt cạnh TBB bám theo gia tốc pháp tuyến tối ưu
Nếu coi bộ điều khiển tối ưu (3.89) là bộ điều khiển gốc trong mô hình tham chiếu. Khi này cấu trúc hệ thống điều khiển MRA cho đối tượng (3.82) được thể hiện trên hình 3.8.
14
Hình 3.8. Cấu trúc hệ thống điều khiển thích nghi góc trượt cạnh thiết bị bay
Ứng dụng tiêu chuẩn ổn định Lyapunov xác định được luật điều khiển
thích nghi góc trượt cạnh:
, (3.91)
Trong đó là nghiệm của phương trình:
(3.104)
Luật điều khiển kết hợp giữa tối ưu LQ và MRA cho mô hình TBB
kênh hướng (3.42) có dạng: (3.111)
3.5. Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi góc tấn TBB bám theo gia tốc pháp tuyến tối ưu
Góc tấn yêu cầu tương ứng với gia pháp tuyến tối ưu kênh đứng có
dạng:
(3.108)
Tương tự phân tích và biến đổi toán học trong mục 3.4, ta có luật điều khiển kết hợp giữa tối ưu LQ và MRA cho mô hình TBB kênh đứng (3.55) như sau:
(3.114)
trong đó: và P(t) là nghiệm của phương trình:
là nghiệm của phương trình
15
3.6. Kết luận chương 3
1. Việc thay đổi tốc độ bay cho mục đích sử dụng được thực hiện bằng cách thay đổi lực đẩy của động cơ phản lực. Khi tốc độ bay thay đổi dẫn tới các thành phần lực khí động học và mô men khí động học tác động lên TBB thay đổi. Sự thay đổi này làm thay đổi trạng thái góc của TBB, vì vậy để duy trì ổn định trạng thái góc của TBB theo gia tốc pháp tuyến tối ưu tương ứng cần phải xây dựng luật điều khiển thích nghi với sự thay đổi của tốc độ bay.
2. Việc ổn định góc Cren ở giá trị 0 cho phép phân kênh chuyển động trong mặt phẳng thẳng ngang và mặt phẳng đứng độc lập nhau. Vì vậy cần xây dựng mô hình chuyển động của TBB theo 3 kênh: kênh Cren, kênh ngang và kênh đứng để phục vụ cho tổng hợp lệnh điều khiển.
3. Các mô hình trạng thái mô tả động học các kênh của TBB đã xây dựng có ma trận trạng thái và ma trận điều khiển phụ thuộc vào tham số tốc độ bay, thể hiện đầy đủ mối quan hệ động học giữa trạng thái góc của TBB và tốc độ TBB cho phép ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi để tổng hợp luật điều khiển.
4. Từ thông tin định hướng và trạng thái TBB cho phép tổng hợp lệnh điều khiển các cơ cấu lái theo luật điều khiển thích nghi với sự thay đổi tốc độ của TBB.
Các thuật toán điều khiển trong chương này là cơ sở để thực nghiệm mô phỏng trên máy tính và đánh giá với mô hình TBB giả định trong chương 4 của luận án.
Chương 4 MÔ PHỎNG KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BAY CÓ TỐC ĐỘ THAY ĐỔI
4.1. Mô phỏng vòng điều khiển tự dẫn TBB có tốc độ thay đổi
4.1.1. Mô hình vòng điều khiển tự dẫn TBB có tốc độ thay đổi
Từ mô hình ĐHH tự dẫn TBB (2.11), (2.21), luật dẫn TCTL (1.12) và luật dẫn tối ưu đã tổng hợp (2.66), (2.68) xây dựng sơ đồ Simulink mô hình ĐHH tự dẫn, luật dẫn và vòng điều khiển tự dẫn TBB được thể hiện trên các hình 4.1, 4.2 và 4.3.
16
Hình 4.1. Sơ đồ Simulink động hình học tự dẫn TBB
Hình 4.2. Sơ đồ Simulink tổng hợp luật dẫn tối ưu
Hình 4.3. Sơ đồ Simulink vòng điều khiển tự dẫn TBB
4.1.2. Kết quả mô phỏng vòng tự dẫn kênh ngang TBB giả định
Mô phỏng, khảo sát vòng điều khiển tự dẫn kênh ngang của một lớp
TBB giả định tiến công MT trên biển theo luật dẫn TCTL và luật dẫn tối ưu
17
Hình 4.4. Quỹ đạo TBB và MT khi tốc độ không đổi
Hình 4.5. Quỹ đạo và độ trượt tức thời khi tốc độ TBB thay đổi với gia tốc 1m/s2
Hình 4.7. Quỹ đạo và độ trượt tức thời khi tốc độ TBB thay đổi với gia tốc 3m/s2 và tốc độ MT thay đổi với gia tốc 0.2m/s2
Hình 4.8. Quỹ đạo và độ trượt tức thời khi tốc độ TBB thay đổi với gia tốc 3m/s2 và tốc độ MT thay đổi với gia tốc 0.5m/s2
4.1.3. Kết quả mô phỏng vòng tự dẫn kênh đứng TBB giả định
Hình 4.10. Quỹ đạo, độ trượt tức thời khi tốc
Hình 4.9. Quỹ đạo TBB đối không và mục tiêu khi tốc độ không đổi
độ TBB thay đổi với gia tốc -2g và tốc độ MT thay đổi với gia tốc 1g
18
Hình 4.15. Quỹ đạo, độ trượt tức thời khi tốc
Hình 4.14. Quỹ đạo, độ trượt tức thời khi tốc độ TBB thay đổi với gia tốc 6g và MT cơ động xuống thấp với gia tốc 4g
độ TBB thay đổi với gia tốc 6g và MT cơ động lên cao với gia tốc 4g
Nhận xét: - Khi tốc độ của TBB và MT không đổi (hình 4.4, 4.9) thì quỹ đạo chuyển động của TBB khi dẫn bằng luật dẫn TCTL và luật dẫn tối ưu trùng nhau và trúng điểm gặp.
- Khi cả tốc độ TBB và MT thay đổi (hình 4.5, 4.7, 4.8, 4.10) thì luật dẫn TCTL không thể dẫn TBB đến điểm gặp MT. Trong khi đó luật dẫn tối ưu vẫn đảm bảo dẫn TBB trúng MT tại điểm gặp.
- Khi tốc độ TBB thay đổi và mục tiêu cơ động xuống thấp hoặc lên cao (hình 4.14, 4.15) thì luật dẫn tối ưu vẫn đảm bảo dẫn TBB trúng MT tại điểm gặp, còn luật dẫn TCTL không dẫn TBB đến điểm gặp MT.
- Trong các trường hợp khảo sát cho thấy độ trượt lớn nhất và tốc độ thay đổi độ trượt tức thời khi sử dụng luật dẫn tối ưu đều nhỏ hơn so với khi sử dụng luật dẫn TCTL truyền thống. 4.2. Mô phỏng khảo sát hệ thống điều khiển ổn định góc tấn thiết bị bay có tốc độ thay đổi 4.2.1. Mô hình chuyển động quay của TBB giả định trong mặt phẳng đứng
Sơ đồ Simulink mô hình chuyển động quay của TBB có tốc độ thay
đổi theo trục OZb của HTĐ liên kết được thể hiện trên hình 4.1.
19
Hình 4.16. Sơ đồ Simulink mô hình động học thiết bị bay giả định Quy luật thay đổi tốc độ bay được xây dựng theo biểu thức:
(4.1)
4.2.2. Mô phỏng HTĐK ổn định góc tấn TBB với bộ điều khiển PID
Với bộ tham số TBB giả định, sử dụng công cụ tối ưu hóa thông số bộ
điều khiển PID trong Simulink ta nhận được: .
4.2.3. Mô phỏng HTĐK ổn định góc tấn TBB với bộ điều khiển MRA
Sơ đồ Simulink luật thích nghi cho đối tượng bay (3.55) thể hiện trên
hình 4.22.
Hình 4.22. Sơ đồ Simulink tổng hợp luật thích nghi của bộ điều khiển MRA
20
Trong đó các ma trận của mô hình tham chiếu được chọn như sau:
Với ta tìm được
Các giá trị , , được chọn thỏa mãn tốc độ hội tụ của sai số e.
4.2.4. Mô phỏng HTĐK ổn định góc tấn TBB với bộ điều khiển LQ
Với các tham số TBB giả định ứng dụng hàm lqr(A,B,Q,R) trong , R=1 nhận được thông số bộ điều khiển tối Matlab và chọn
. ưu LQ kênh đứng:
4.2.5. Mô phỏng hệ thống điều khiển ổn định góc tấn TBB với bộ điều khiển tích hợp giữa tối ưu LQ và MRA
Sơ đồ Simulink tổng hợp luật thích nghi của bộ điều khiển LQ-MRA
cho đối tượng (3.55) thể hiện trên hình 4.25.
Hình 4.25. Sơ đồ Simulink tổng hợp luật thích nghi của bộ điều khiển LQ - MRA
Với tham số TBB giả định và xác định được:
Giá trị được chọn thỏa mãn tốc độ hội tụ của ex:
21
4.2.6. Kết quả mô phỏng và nhận xét
Hình 4.26. Đáp ứng điều khiển khi tốc độ bay không đổi
Hình 4.27. Đáp ứng điều khiển khi tốc độ bay tăng 50%
Hình 4.28. Đáp ứng điều khiển khi tốc độ bay giảm 30%
Hình 4.29. Tín hiệu điều khiển cánh lái kênh cao khi tốc độ bay tăng 50%
Hình 4.30. Tín hiệu điều khiển cánh lái kênh cao khi tốc độ bay giảm 30%
22
- Trường hợp tốc độ bay không đổi (hình 4.26) các bộ điều khiển đã
tổng hợp đều cho đáp ứng đầu ra của hệ thống bám chính xác với đầu vào
mong muốn (góc tấn theo yêu cầu).
- Trường hợp tốc độ bay thay đổi trong khoảng thời gian 5s (hình 4.27
và 4.28), thì đáp ứng đầu ra của hệ thống với bộ điều khiển PID và LQ
không bám được đầu vào mong muốn, sai số là 10% khi tốc độ bay tăng
50%, sai số là 15% khi tốc độ bay giảm 30% . Trong khi đó đáp ứng của hệ
thống với bộ điều khiển MRA và LQ-MRA vẫn bám chính xác đầu vào
mong muốn.
- Hình 4.29 và 4.30 cho thấy chất lượng tín hiệu điều khiển cánh lái từ
đầu ra bộ điều khiển kết hợp LQ-MRA tốt hơn so với bộ điều khiển MRA.
Như vậy, trong tất cả các trường hợp đã xét: khi tốc độ bay thay đổi
(tăng, giảm), thì bộ điều khiển MRA và LQ-MRA đã đề xuất đều đảm bảo
đáp ứng đầu ra của hệ thống bám theo đầu vào mong muốn (thích nghi với
sự thay đổi tốc độ bay), trong đó bộ điều khiển LQ-MRA có chất lượng
điều khiển tốt hơn, đồng thời đáp ứng yêu cầu thích nghi góc tấn TBB bám
theo gia tốc pháp tuyến tối ưu kênh đứng.
4.3. Kết luận chương 4
1. Trong mọi trường hợp khi tốc độ bay thay đổi và mục tiêu cơ động
thì luật dẫn tối ưu đã đề xuất vẫn đảm bảo dẫn TBB đến điểm gặp MT,
trong khi đó luật dẫn TCTL không thể dẫn TBB trúng MT. Độ trượt lớn
nhất và tốc độ thay đổi độ trượt khi sử dụng luật dẫn tối ưu nhỏ hơn so với
trường hợp sử dụng luật dẫn TCTL, điều này dẫn đến quỹ đạo khi sử dụng
luật dẫn tối ưu sẽ thẳng hơn.
2. Trong các trường hợp khi thay đổi tốc độ bay, thì bộ điều khiển
MRA và bộ điều khiển LQ-MRA cho chất lượng điều khiển tốt hơn so với
bộ điều khiển PID và LQ. Trong đó bộ điều khiển LQ-MRA cho chất lượng
điều khiển tốt nhất. Như vậy, luật điều khiển mà luận án đề xuất đảm bảo
23
tiêu chí duy trì ổn định trạng thái góc của TBB theo trạng thái góc yêu cầu
khi tốc độ bay thay đổi.
3. Các kết quả mô phỏng đã chứng minh hiệu quả của luật dẫn tối ưu
và các bộ điều khiển thích nghi cho TBB có tốc độ thay đổi so với luật dẫn
TCTL truyền thống và bộ điều khiển kinh điển PID.
KẾT LUẬN
1. Các kết quả nghiên cứu
- Xây dựng mô hình toán học dưới dạng mô hình không gian dạng thái mô tả động hình học tự dẫn một lớp TBB có tốc độ thay đổi đến điểm gặp MT di động có tính đến các yêu tố gây sai số động.
- Xây dựng thuật toán xác định gia tốc pháp tuyến tối ưu cho một lớp TBB có tốc độ thay đổi trong giai đoạn tự dẫn đến điểm gặp MT di động và có tính đến các yếu tố gây sai số động như: tác động của gia tốc trọng trường, gia tốc dọc trục TBB, gia tốc MT trên cơ sở áp dụng bài toán điều khiển tối ưu trong điều kiện có tác động nhiễu.
- Chứng minh tính chất "Luật dẫn tối ưu ngoài sự phụ thuộc vào trạng thái tốc độ quay đường ngắm TBB - MT, còn phụ thuộc vào gia tốc MT, gia tốc trọng trường và gia tốc dọc trục TBB trong khoảng thời gian tương lai gần xác định" trên cơ sở các biến đổi toán học.
- Phân tích, xây dựng biểu thức toán học mô tả mối liên hệ giữa lực
đẩy và tốc độ bay.
- Xây dựng mô hình toán học dưới dạng mô hình không gian dạng thái
mô tả động học của một lớp TBB ba kênh có tốc độ thay đổi.
- Xây dựng thuật toán điều khiển cho một lớp TBB ba kênh có tốc độ thay đổi trên cơ sở ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi và điều khiển tối ưu, gồm: điều khiển MRA ổn định góc Cren, điều khiển LQ và điều khiển tích hợp LQ-MRA để điều khiển ổn định góc trượt cạnh và góc tấn TBB bám theo gia tốc pháp tuyến tối ưu.
- Thực nghiệm bằng phương pháp mô phỏng trên máy tính trong môi
24
trường Matlab/Siumulik để khảo sát, đánh giá chất lượng của vòng điều khiển tự dẫn kênh ngang của một lớp TBB giả định tiến công MT trên biển và kênh đứng của một lớp TBB giả định tiến công MT trên không với luật dẫn tối ưu đã đề xuất so với luật dẫn TCTL.
- Thực nghiệm bằng phương pháp mô phỏng trên máy tính trong môi trường Matlab/Siumulik để khảo sát, đánh giá chất lượng của HTĐK ổn định góc tấn của một lớp TBB có tốc độ thay đổi với các thuật toán điều khiển MRA, LQ, LQ-MRA đã đề xuất. 2. Những đóng góp mới
- Xây dựng thuật toán xác định gia tốc pháp tuyến tối ưu cho một lớp TBB ở giai đoạn tự dẫn trên cơ sở bài toán điều khiển tối ưu trong điều kiện có tác động của nhiễu
- Xây dựng thuật toán điều khiển thích nghi cho một lớp TBB ba kênh có tốc độ thay đổi trên cơ sở bài toán thích nghi tham chiếu mô hình và điều khiển tích hợp LQ-MRA. 3. Hướng nghiên cứu tiếp theo
- Nghiên cứu ứng dụng các thuật toán điều khiển hiện đại khác như (điều khiển bền vững, điều khiển thông minh...) để nâng cao chất lượng điều khiển TBB có tốc độ thay đổi.
- Nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật nhằm xác định chính xác các thông số MT, đặc biệt là xác định quy luật thay đổi gia tốc MT để phục vụ bài toán tổng hợp luật tự dẫn.
- Sử dụng kết quả lý thuyết nhận được từ luận án để nghiên cứu thực tế hóa cho đối tượng bay cụ thể trang bị trong Quân chủng PK-KQ và Quân chủng Hải quân dưới dạng các đề tài nghiên cứu khoa học. TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC
25 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
1. Trần Đức Thuận, Phạm Quang Hiếu, Nguyễn Văn Lâm, (2015),
"Tổng hợp bộ điều khiển thích nghi tham chiếu mô hình cho thiết bị
bay có tốc độ thay đổi", Tuyển tập Hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về
Điều khiển và Tự động hóa, NXB Khoa học Tự nhiên và Công nghệ,
Hà Nội, tr.238-243.
2. Trần Đức Thuận, Phạm Quang Hiếu, Nguyễn Văn Lâm, Nguyễn
Thượng San (2016), "Tổng hợp luật tự dẫn cho thiết bị bay có tốc độ
thay đổi", Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Viện KH&CN Quân
sự, (43), tr.11-18.
3. Trần Đức Thuận, Phạm Quang Hiếu, Nguyễn Văn Lâm, Nguyễn Văn
Chung (2016), "Tổng hợp bộ điều khiển Tối ưu - Thích nghi cho
Thiết bị bay có tốc độ thay đổi", Tuyển tập Công trình khoa học Hội
nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 8, NXB Khoa học Tự nhiên và
Công Nghệ, Hà Nội, tr.135-139.
4. Nguyễn Văn Chung, Đỗ Như Ý, Phạm Quang Hiếu (2016), "Khảo sát
nguyên lý điều khiển kết hợp của tên lửa không đối không", Tuyển
tập Công trình khoa học Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 8,
NXB Khoa học Tự nhiên và Công Nghệ, Hà Nội, tr.131-134.
5. Phạm Quang Hiếu, Nguyễn Thị Lê Na, Trần Đức Thuận (2017),
"Xây dựng thuật toán xác định gia tốc pháp tuyến tối ưu cho một lớp
thiết bị bay tự dẫn trong kênh độ cao", Tạp chí Nghiên cứu KH&CN
Quân sự, Viện KH&CN Quân sự, (47), tr.3-9.
