Tổng hợp hệ thống gián đoạn bám góc mục tiêu cho đài điều khiển tên lửa từ xa và nghiên cứu khả năng thực thi trên thiết bị myRIO-1900 của hãng ni

Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> TỔNG HỢP HỆ THỐNG GIÁN ĐOẠN BÁM GÓC MỤC TIÊU CHO ĐÀI<br /> ĐIỀU KHIỂN TÊN LỬA TỪ XA VÀ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG<br /> THỰC THI TRÊN THIẾT BỊ MYRIO-1900 CỦA HÃNG NI<br /> Đỗ Quang Thông*<br /> Tóm tắt: Bài báo nêu phương pháp tổng hợp hệ thống (HT) gián đoạn bám góc mục tiêu<br /> (MT) cho các đài điều khiển tên lửa từ xa (ĐĐKTLTX) và nghiên cứu khả năng thực thi<br /> chúng trên thiết bị myRIO-1900 của NI.<br /> Từ khóa: Tổng hợp hệ thống, Điều khiển tên lửa, Tên lửa.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Trong các ĐĐKTLTX cần xác định tọa độ góc MT. Trong chế độ bám sát tự động<br /> việc này được thực hiện bằng phương pháp quét tuyến tính với vận tốc quét không đổi Ω.<br /> Khi này góc MT φ(t) so với điểm bắt đầu quét (H.1,a) được đo gián tiếp thông qua việc đo<br /> thời gian tmt giữa xung bắt đầu quét (XBĐQ) và tâm năng lượng của chùm xung phản xạ<br /> (CXPX) (H.1,b) nhờ quan hệ [1]<br />  (t )   t mt (t )<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Xác định tọa độ góc mục tiêu.<br /> Thời gian tmt trong chế độ bám sát được đo tự động bằng HT bám có sơ đồ chức năng<br /> (H.2) [1], bao gồm bộ phân biệt thời gian (PBTG), khuếch đại (KĐ), hiệu chỉnh nối tiếp<br /> (HCNT), tích phân (TP), biến đổi (BĐ).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Sơ đồ chức năng hệ thống bám góc mục tiêu.<br /> Trên H.2 t1-khoảng thời gian giữa tâm năng lượng chùm xung phản xạ so với XBĐQ<br /> (t1=tmt); t2- khoảng thời gian giữa mặt tiếp xúc hai xung cửa sóng so với XBĐQ (H.3).<br /> Bộ PBTG là thiết bị đo lường của HT bám góc. Nó tạo ra tín hiệu tỉ lệ với sai lệch t1-t2<br /> bằng cách tìm hiệu phần trùng nhau của hai xung cửa sóng với chùm xung phản xạ từ MT,<br /> tức là tìm hiệu [1]<br /> 3 2<br /> u (t )   u mt (t ) dt   u mt (t ) dt (1)<br /> 2 1<br /> <br /> <br /> 10 Đ. Q. Thông, “Tổng hợp hệ thống gián đoạn bám góc mục tiêu… của hãng NI.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> trong đó  <br /> 1 2<br /> -khoảng thời gian xung cửa sóng thứ nhất trùng với chùm xung MT;<br />  <br /> 2 3<br /> - khoảng thời gian xung cửa sóng thứ hai trùng với chùm xung MT.<br /> <br /> XBĐQ CXPX XKTQ<br /> t1<br /> <br /> TQ<br /> <br /> XBĐQ XCS XKTQ<br /> t2<br /> <br /> TQ<br /> <br /> Hình 3. Vị trí hai xung cửa sóng so với xung mục tiêu.<br /> <br /> Bộ biến đổi tạo ra hai xung cửa sóng mà vị trí của nó so với XBĐQ tỉ lệ với điện áp tại<br /> đầu ra của khâu tích phân, và xung tọa độ MT đo được. Trong các ĐĐKTLTX thế hệ cũ<br /> (C75 và C125) bộ biến đổi này được xây dựng trên cơ sở mạch tạo điện áp răng cưa và<br /> mạch so sánh. Các khâu khuếch đại, hiệu chỉnh nối tiếp và tích phân đảm bảo cho HT có<br /> các đặc trưng động học cần thiết. Hàm truyền đạt HT hở có dạng [1]<br /> k (T 2 s  1 )<br /> W h (s ) . (2)<br /> s (T 1 s  1 )(T 3 s  1 )<br /> Trong các ĐĐKTLTX thế hệ cũ hệ tọa độ góc MT cũng như phần lớn các HTĐKTĐ<br /> khác được xây dựng dựa trên các bộ khuếch đại một chiều trên cơ sở các đèn điện tử và<br /> bán dẫn. Hiện nay các linh kiện này không còn được sản xuất, nên khi chúng bị hỏng rất<br /> khó mua để thay thế. Hơn nữa các khuếch đại một chiều thường có hiện tượng trôi không,<br /> gây khó khăn cho việc hiệu chỉnh và sử dụng.<br /> Ngày nay công nghệ máy tính số (trong đó có công nghệ FPGA) phát triển vượt bậc,<br /> cho phép thực thi phần lớn các hệ thống điều khiển tự động (HTĐKTĐ) với chất lượng<br /> cao hơn nhiều các HT liên tục. Dưới đây thực hiện nghiên cứu phương pháp tổng hợp HT<br /> gián đoạn bám góc MT và khả năng thực thi trên thiết bị Myrio-1900 của hãng NI.<br /> <br /> 2. NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT<br /> 2.1. Xây dựng lý thuyết<br /> 2.1.1. Tổng hợp hệ thống gián đoạn bám góc mục tiêu<br /> Việc tổng hợp HT gián đoạn bám góc MT có thể được thực hiện qua hai giai<br /> đoạn:<br /> Trong giai đoạn 1 thực hiện tổng hợp HT liên tục bám góc MT với sơ đồ chức<br /> năng (H.2) và mô hình toán học (2).<br /> Giả sử HT được tổng hợp phải đáp ứng các yêu cầu chất lượng sau: vận tốc cực đại<br /> của MT 20/s (lưu ý: nếu ĐĐKTLTX bám MT tốt thì vị trí của MT không đổi so với vị trí<br /> cánh sóng); sai số xác lập e≤0,050; thời gian quá độ 1,5 s; quá chỉnh σ≤20%.<br /> Thực hiện tổng hợp HT bám góc liên tục bằng phương pháp đặc tính tần số biên độ<br /> logarit [2] nhận được k=40; T1=7,0158 s; T2=0,8185 s; T3=0,0561 s.<br /> Trong giai đoạn hai thực hiện số hóa HT đã tổng hợp được. Việc số hóa HTĐKTĐ<br /> được thực hiện bằng cách thay thế s→z theo [3]:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 37, 06 - 2015 11<br />  Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> <br /> W (z )  W (s ) 1 1 z 1 (3)<br /> s <br /> T Q z 1<br /> trong đó TQ-chu kỳ gián đoạn.<br /> Giả sử đầu ra của an ten có cấu tạo dạng ốc sên và cánh sóng an ten quét với tần số 20<br /> Hz, tức là chu kỳ quét TQ (chu kỳ gián đoạn) là 50 ms cho hai mặt phẳng, dải quét của mỗi<br /> mặt phẳng là 10 độ (mỗi mặt phẳng được quét trong 25 ms tương ứng với 10 độ). Sau khi<br /> thực hiện số hóa hàm truyền đạt (2) theo (3), nhận được<br /> 3 2<br /> b0 z  b1 z<br /> W h(z )  3 2 1<br /> (4)<br /> c0 z  c1 z  c 2 z  1<br /> trong đó:<br /> 2 2 2<br /> k T Q (T Q  T 2) k T QT 2 T Q  T Q T 1  T Q T 3  T 1T 3<br /> b0  , b1  , c0  ,<br /> T 1T 3 T 1T 3 T 1T 3<br /> 2<br /> T Q  2 T Q T 1  2 T Q T 3  3 T 1T 3 T Q T 1  T Q T 3  3 T 1T 3<br /> c1  , c2  .<br /> T 1T 3 T 1T 3<br /> Kết quả mô phỏng cho thấy rằng nếu hạ bớt một bậc tử số hàm truyền đạt (4) thì đặc<br /> tính quá độ của HT có quá chỉnh nhỏ hơn và có thể tăng hệ số truyền của HT hở, tức là<br /> làm giảm thêm được sai số vận tốc. Lúc này hàm truyền đạt của HT hở có dạng<br /> 2 1<br /> b0 z  b1 z<br /> W h(z )  3 2 1<br /> . (5)<br /> c0 z  c1 z  c 2 z  1<br /> Bộ PBTG có hệ số truyền được xác định như sau [1]:<br /> k pb  u tb [Vs/s]<br /> trong đó utb-điện áp trung bình của tín hiệu vào.<br /> Như vậy, để đảm bảo hệ số hàm truyền đạt HT hở bằng k các hệ số b0, b1 được xác<br /> định lại như sau:<br /> 2 2<br /> k T Q (T Q  T 2) k T QT 2<br /> b0  , b1  . (6)<br /> k pb T 1T 3 k pb T 1T 3<br /> Từ (5) nhận được phương trình sai phân của HT như sau<br /> y (n )   c 2 y ( n1)  c1 y (n 2)  c 0 y ( n3)  b1 e (n1)  b 0 e (n 2) (7)<br /> trong đó e(n)-tín hiệu ra của bộ PBTG, y(n) - tín hiệu ra của HT.<br /> 2.1.2. Nghiên cứu khả năng tích hợp hệ thống gián đoạn bám góc mục tiêu trên thiết bị<br /> Myrio-1900 của hãng NI<br /> Thiết bị myRIO-1900 của hãng NI có các đặc trưng kỹ thuật như sau:<br /> - Tám đầu vào liên tục 12 bit với điện dải điện áp vào 0÷5 V, tốc độ lấy mẫu 500 kS/s;<br /> - Hai đầu vào liên tục 12 bit với điện dải điện áp vào -10÷10 V, tốc độ lấy mẫu 500<br /> kS/s;<br /> - Bốn đầu ra liên tục 12 bit với điện dải điện áp ra 0÷5 V, tốc độ biến đổi 345 kS/s;<br /> - Hai đầu ra liên tục 12 bit với điện dải điện áp ra -10÷10 V, tốc độ biến đổi 345 kS/s;<br /> - Hai đầu vào audio 12 bit với mức điện áp -2,5÷2,5 V, tốc độ lấy mẫu 500 kS/s;<br /> <br /> <br /> 12 Đ. Q. Thông, “Tổng hợp hệ thống gián đoạn bám góc mục tiêu… của hãng NI.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> - Hai đầu ra audio 12 bit với mức điện áp -2,5÷2,5 V, tốc độ lấy mẫu 345 kS/s;<br /> - Bốn mươi đầu vào ra số được người dùng định nghĩa.<br /> Thiết bị myRIO-1900 sử dụng processor Z-7010 của Xilinx, tốc độ 667 MHz, hai<br /> processor core; bộ nhớ nonvolatile memory 256 MB; DDR3 memory 512 MB, DDR3<br /> clock frequency 533 MHz; DDR3 data bus width 16 bit; FPGA Z-7010 của Xilinx với tần<br /> số xung nhịp đồng hồ 40 MHz.<br /> Chùm xung phản xạ từ MT có độ rộng cỡ một đến vài ms. Trước khi được đi đến bộ<br /> PBTG, mỗi xung trong chùm được tách sóng đồng bộ giãn rộng bằng chu kỳ lặp lại của<br /> xung dò (H.4). Với tốc độ lấy mẫu của ADC 500 kS/s và tần số xung nhịp FPGA là 40<br /> MHz thì hoàn toàn có thể sử dụng myRIO-1900 để làm hệ bám góc.<br /> Trong HT gián đoạn bám góc đặc tính phân biệt thay vì (1) được xác định như sau<br /> n2 n1<br /> u (i )   u mt (i )   u mt (i )<br /> k 0 j 0<br /> trong đó, umt(i)-tín hiệu ra của ADC; n1-số lượng các mẫu tín hiệu ra của ADC khi xung<br /> cửa sóng 1 trùng với chùm xung phản xạ; n2-số lượng các mẫu tín hiệu ra của ADC khi<br /> xung cửa sóng 2 trùng với chùm xung phản xạ.<br /> Trong nghiên cứu tiếp theo, do không có xung MT, nên tác giả dùng chính thiết bị<br /> myRIO-1900 tạo giả xung MT độ rộng 2,5 ms và biên độ 3,2 V. Xung mục tiêu được đưa<br /> vào đầu vào ADC. Tiếp theo cần tạo ra hai xung cửa sóng bám sát, mỗi xung có độ rộng<br /> bằng ½ độ rộng xung MT [1] (1,25 ms). Như vậy, hệ số truyền của bộ PBTG là kpb=1310.<br /> Thay số vào (7) có tính đến (6) và tăng hệ số truyền HT hở lên khoảng 3,2 lần để giảm sai<br /> số vận tốc, nhận được<br /> y (n )  2,1 y (n1) 1,21 y (n2)  0,11 y (n3)  0,000079 e (n1)  0,000075 e (n2) (8)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Chùm xung phản xạ từ mục tiêu trước và sau khi giãn từng xung phản xạ.<br /> <br /> 3. MÔ PHỎNG, TÍNH TOÁN, THẢO LUẬN<br /> 3.1. Số liệu đầu vào<br /> Sử dụng số liệu giả định đã được nêu ra trong mục 2.1.1.<br /> 3.2. Phương pháp, công cụ mô phỏng<br /> Thực hiện mô phỏng kết quả tổng hợp HT bám góc MT trên máy tính điện tử trong<br /> môi trường Matlab. Kết quả mô phỏng được đưa ra trên H.5.<br /> Thực thi phương trình (8) trên thiết bị myRIO-1900, sử dụng Labview. HT bám sát tốt<br /> cả khi MT cố định và MT chuyển động (H.6, H.7).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 37, 06 - 2015 13<br />  Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Đặc tính quá độ của hệ thống đã tổng hợp.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6. Kết quả bám sát mục tiêu cố định.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7. Kết quả bám sát mục tiêu chuyển động với tốc độ 20/s.<br /> <br /> <br /> 14 Đ. Q. Thông, “Tổng hợp hệ thống gián đoạn bám góc mục tiêu… của hãng NI.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> 3.3. Kết quả mô phỏng và bình luận<br /> Từ H.5 nhận thấy rằng HT tổng hợp được đáp ứng các yêu cầu chất lượng đặt ra về<br /> quá chỉnh, thời gian quá độ.<br /> Sai số xác lập của HT<br /> v 2 0<br /> e (t )    0,05<br /> t  k 40<br /> thỏa mãn yêu cầu đặt ra.<br /> Trên H.6 trong chế độ xác lập khi MT không chuyển động vị trí sườn trước xung MT<br /> bằng vị trí sườn trước XCS1 và bằng 1300x2 μs. Như vậy, HT không có sai số vị trí. Trên<br /> H.7 trong chế độ xác lập khi MT chuyển động với vận tốc 2 0/s (tương ứng với (250 μs/50<br /> ms) vị trí sườn trước xung MT lớn hơn vị trí sườn trước XCS1 là 21x2 μs. Như vậy, HT có<br /> sai số vận tốc là 0,0168 độ, nhỏ hơn so với yêu cầu là 0,05 độ.<br /> <br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Để tổng hợp HT gián đoạn bám góc MT cho các ĐĐKTLTX có thể sử dụng phương<br /> pháp đặc tính tần số biên độ logarit tổng hợp HT bám góc liên tục, sau đó số hóa hàm<br /> truyền đạt nhận được.<br /> Có thể tích hợp HT gián đoạn bám góc MT trên thiết bị myRIO-1900 của hãng NI cho<br /> các ĐĐKTLTX.<br /> Để sử dụng được thiết bị myRIO-1900 làm HT gián đoạn bám góc MT cho các<br /> ĐĐKTLTX cần xác định thêm giá trị cực đại chùm xung MT sau tách sóng đồng bộ, phân<br /> áp sao cho tín hiệu cực đại không vượt quá 5 V, xác định giá trị trung bình của chùm xung<br /> này để xác định hệ số truyền của bộ PBTG.<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. В.А. Ганэ, В.Л. Степанов “Расчёт следящих систем,” издательство “Вышэйшая<br /> школа”, Минск (1990), стр 175-190.<br /> [2]. Под общей редакцией проф. Е.А. Санковский, “Справочное пособие по теории<br /> систем автоматического регулирования и управления,” издательство<br /> “Вышэйшая школа”, Минск (1973), стр 259-316.<br /> [3]. Под общей редакцией проф. К.А. Пупкова “Синтез регуляторов систем<br /> автоматического управления,” издательство “БГТУ им. Н.Э. Баумана”, Москва<br /> (2004), стр 239-242.<br /> ABSTRACT<br /> SYNTHESIZE DISCRETE TARGET-ANGLE TRACKING SYSTEM OF REMOTE<br /> MISSILE CONTROL SYSTEM AND EXAMINE CAPABLE IMPLEMENTATION OF<br /> THE SYSTEM ON MYRIO-1900 DEVICE<br /> This paper illustrates a new method, which is used for constructing discrete<br /> target-angle tracking system synthesizer of remote missile control system and<br /> consider the ability of this system on myRIO-1900 device from NI.<br /> Keywords: System integration, Missile control, Misille.<br /> Nhận bài ngày 12 tháng 3 năm 2015<br /> Hoàn thiện ngày 27 tháng 5 năm 2015<br /> Chấp nhận đăng ngày 15 tháng 6 năm 2015<br /> Địa chỉ: Khoa Kỹ thuật điều khiển - Học viện KTQS; *Email:doquangthong@yahoo.com<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 37, 06 - 2015 15<br />