Nghiên cứu hạn chế ảnh hưởng của sóng và gió biển đến kênh điều khiển độ cao của tên lửa đối hải khi bay ở độ cao thấp trên mặt biển tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ NGUYỄN VĂN CHUNG NGHIÊN CỨU HẠN CHẾ ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG VÀ GIÓ BIỂN ĐẾN KÊNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘ CAO CỦA TÊN LỬA ĐỐI HẢ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

NGUYỄN VĂN CHUNG

NGHIÊN CỨU HẠN CHẾ ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG VÀ GIÓ BIỂN ĐẾN KÊNH ĐIỀU KHIỂN ĐỘ CAO CỦA TÊN LỬA ĐỐI HẢI KHI BAY Ở ĐỘ CAO THẤP TRÊN MẶT BIỂN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số : 62 52 02 16

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2014

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

Người hướng dẫn khoa học:

1 GS.TSKH Nguyễn Đức Cương

2 TS Vũ Hỏa Tiễn

Phản biện 1: PGS.TS Trần Đức Thuận

Viện Khoa học và Công nghệ quân sự

Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Văn Liễn

Đại học Bách khoa Hà Nội

Phản biện 3: TS Nguyễn Quang Hải

Viện Kỹ thuật Hải quân

Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án cấp Viện, họp tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào hồi giờ ngày tháng năm

2014

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự

- Thư viện quốc gia Việt Nam

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

1 Nguyễn Văn Chung, Nguyễn Đức Cương, Vũ Hỏa Tiễn, “Mô hình sóng biển và ảnh hưởng của nó tới tín hiệu đầu vào của thiết bị đo cao

vô tuyến tên lửa đối hải”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Viện

6,12/2012, tr 45-51

4 Nguyễn Văn Chung, Nguyễn Đức Cương, Vũ Hỏa Tiễn, “Tổng hợp điều khiển thích nghi cho kênh điều khiển - ổn định độ cao của tên lửa đối hải khi bay thấp trên mặt biển”, Hội nghị toàn quốc lần thứ hai về

Điều khiển và Tự động hóa, 11/2013, tr 276-282

5 Nguyễn Văn Chung, Nguyễn Đức Thành, Nguyễn Đức Cương, Vũ

Hỏa Tiễn, “Ứng dụng bộ điều khiển mờ tổng hợp lệnh điều khiển kênh

độ cao của tên lửa hành trình đối hải khi bay thấp trên mặt biển trong

điều kiện có sóng, gió tác động” Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự,

Viện KH&CN quân sự, 4/2014, tr.3-9

6 Nguyễn Văn Chung, Nguyễn Đức Cương, Vũ Hỏa Tiễn, Đặng

Công Vụ, “So sánh một số bộ điều khiển trong kênh độ cao của tên lửa

đối hải trong điều kiện có sóng, gió tác động khi bay thấp trên mặt biển”

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Viện KH&CN quân sự, (Đặc san TĐH 14), 4/2014, tr.282-288

GIỚI THIỆU LUẬN ÁN

1 Tính cấp thiết của luận án

Bay thấp và bay thấp giới hạn là chiến thuật tiếp cận mục tiêu của hầu hết các loại tên lửa (TLĐH) để đảm bảo chống đối phương phát hiện sớm Ổn định độ cao khi bay thấp giới hạn, trong điều kiện tác động của sóng và gió biển đặc biệt cần thiết để bảo đảm an toàn cho TLĐH Như vậy, vấn đề đặt ra cho hướng nghiên cứu của luận án là phải giải bài toán tổng hợp bộ đo, điều khiển và ổn định độ cao nhỏ cho tên lửa hành trình đối hải (TLHTĐH) trong điều kiện có sóng, gió lớn Bài toán bao gồm việc: tổng hợp bộ đo cao kết hợp QT-VT; tổng hợp thuật toán

bộ điều khiển - ổn định độ cao bay cho TLHTĐH trong điều kiện tác động đồng thời của sóng, gió sao cho đáp ứng yêu cầu chiến thuật cơ bản

và an toàn cho tên lửa

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu xây dựng thuật toán xử lý tín hiệu đo cao theo cấu trúc

bộ đo cao kết hợp quán tính và vô tuyến;

- Tổng hợp thuật toán điều khiển thích nghi cho kênh độ cao phù hợp đối với tên lửa hành trình đối hải (TLHTĐH) nhằm giảm thiểu sai số ổn định độ cao bay trong điều kiện tác động của sóng, gió biển khi bay thấp giới hạn

- Khảo sát bằng phương pháp mô phỏng trên máy tính, đánh giá thực nghiệm mức độ cải thiện độ chính xác điều khiển - ổn định độ cao bay của THTLĐH khi bay thấp trên cơ sở những thuật toán xử lý thông tin

và điều khiển đã tổng hợp được

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

TLHTĐH và kênh điều khiển - ổn định độ cao hành trình

Động lực học bay và động học kênh điều khiển-ổn định độ cao TLHTĐH giai đoạn bay autonom

Các đặc trưng động học điều khiển kênh độ cao và phương pháp cải thiện chúng

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp lý thuyết về xử lý tối ưu tín hiệu và tổng hợp các hệ điều khiển để xây dựng mô hình và các thuật toán điều khiển tối ưu Phương pháp thực nghiệm mô phỏng trên máy tính, kiểm chứng các kết quả

5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án

- Góp phần hoàn thiện mô hình toán học của sóng biển ngẫu nhiên gần sát với thực tế, nhằm đánh giá chính xác hơn sai số của thiết bị đo cao vô tuyến trong bộ đo cao QT-VT

- Ứng dụng lý thuyết lọc Kalman rời rạc hiện đại trong xây dựng bộ xử

lý tín hiệu đo cao QT-VT cho đối tượng cụ thể là TLHTĐH bay thấp ở độ cao giới hạn trên mặt biển

- Tổng hợp được một số bộ điều khiển khác nhau cho kênh điều khiển -

ổn định độ cao TLHTĐH, khảo sát mô phỏng đánh giá và lựa chọn chúng

- Kết quả thực nghiệm của luận án có thể sử dụng cho những mục đích khác nhau như thiết kế cải tiến, hoàn thiện hệ thống điều khiển trên khoang TLHTĐH, phục vụ nghiên cứu, giảng dạy và học tập trong các học viện, nhà trường kỹ thuật của Quân đội

6 Bố cục của luận án

Toàn bộ luận án gồm 115 trang, trình bày trong 4 chương với: 63 hình vẽ, đồ thị minh họa; 12 bảng biểu; 9 trang phụ lục

Chương 1 Tổng quan về nâng cao độ chính xác ổn định độ cao cho

tên lửa hành trình đối hải khi bay thấp

Chương 2 Bài toán xử lý thông tin đo cao và tổng hợp bộ đo cao quán

tính-vô tuyến

Chương 3 Tổng hợp một số thuật toán điều khiển cho kênh điều

khiển-ổn định độ cao của tên lửa hành trình đối hải khi bay thấp trên mặt biển

Chương 4 Thực nghiệm mô phỏng khảo sát, đánh giá chất lượng điều khiển-ổn định độ cao của TLHTĐH

NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC ỔN ĐỊNH

ĐỘ CAO CHO TLHTĐH KHI BAY THẤP

1.1 Tổng quan về quỹ đạo bay của tên lửa đối hải

Giới thiệu quỹ đạo bay điển hình của TLĐH thường gồm 3 giai đoạn thể hiện trên hình 1.1

Quan tâm lớn nhất của luận án là chất lượng ổn định độ cao bay hành

trình autonom (3) theo nhiệm vụ chiến thuật và điều kiện bay thực tế

1.1.1 Giai đoạn và chế độ bay autonom của tên lửa

Để làm rõ bản chất quá trình bay autonom của TLĐH, ta sử dụng sơ

đồ khối tổng quát của hệ thống điều khiển trên khoang trình bày trên hình 1.2

Bao gồm khối cảm biển các tham số chuyển động của tên lửa; khối

xử lý thông tin và điều khiển; cơ cấu chấp hành và đối tượng điều khiển

tích cực hoặc cảm biến nhiệt thụ động

1.1.3 Đặc điểm đầu vào kênh điều khiển độ cao của TLĐH khi bay thấp

Trong điều kiện có sóng, gió như những loại nhiễu ngoài tác động mạnh vào hệ thống điều khiển - ổn định độ cao, vấn đề then chốt nhất là phải đảm bảo ổn định độ cao bay với độ chính xác đảm bảo không làm cho tên lửa va vào đỉnh sóng biển như mô tả trên hình 1.5

Đặc điểm các thông tin đo cao:

a) Thông tin đo cao quán tính Hqt xác định độ cao thực của tên lửa có tính tới sai số tích lũy ΔHqt theo thời gian do tích phân hai lần gia tốc thẳng đứng

b) Thông tin đo cao vô tuyến Hvt, phản ánh độ cao tức thời từ vị trí đặt thiết bị trên khoang tên lửa tới bề mặt sóng biển

c) Một nguyên nhân khác làm mất ổn định độ cao bay là do tác động trực tiếp của gió bề mặt tới sự ổn định góc tấn công a và lực- mômen khí động, gây mất ổn định độ cao bay

Để xác định một cách đúng đắn vị trí, thời điểm, quy luật tác động của các yếu tố gây sai số ổn định độ cao trong kênh điều khiển độ cao TLĐH, ta cần phân tích bắt đầu từ sơ đồ khối tổng quát hình 1.6

1.2 Ý nghĩa chiến thuật bay thấp trong giai đoạn hành trình

Chiến thuật bay thấp của các loại TLĐH xuất phát từ mục đích vượt hỏa lực phòng không đối phương bằng cách giảm tối đa khả năng phát

hiện bằng hệ thống radar điều khiển hỏa lực

1.3 Đánh giá ảnh hưởng của tác động bên ngoài tới độ chính xác điều khiển-ổn định độ cao TLĐH khi bay thấp

1.3.1 Lý thuyết chung và phương pháp mô hình hóa sóng biển

Sóng biển là một trong những yếu tố có ảnh hưởng quan trọng tới tín hiệu đầu vào kênh điều khiển độ cao của nhiều loại TLĐH Mức độ ảnh hưởng của sóng biển tới đối tượng điều khiển phụ thuộc trước hết vào độ cao và vận tốc bay, sau đó là phụ thuộc vào các loại cảm biến, cấu trúc thiết

bị và tính chất động học kênh điều khiển độ cao

Dựa vào mô hình toán học mô tả sóng ngẫu nhiêu, luận án đã xây dựng được phần mềm mô phỏng 2D và 3D Khi thay đổi tốc độ gió và các dạng phổ của sóng ngẫu nhiên như các kết quả mô phỏng thể hiện

Hình 1.11.Mô hình sóng ngẫu nhiên với sóng, gió cấp 6

Từ kết quả mô phỏng sóng biển ngẫu nhiên có thể nhận xét:

- Sóng ngẫu nhiên là tập hợp ngẫu nhiên của nhiều sóng đơn Với tần số và biên độ thay đổi Sự thăng giáng của sóng trên bề mặt không đồng đều mà theo dạng phổ và hướng sóng

- Kết quả mô phỏng phù hợp với lý thuyết và thực tế mà mô hình sóng ngẫu nhiên được ghi lại

- Kết quả này làm cơ sở đến đưa vào đánh giá ảnh hưởng của sóng đến thiết bị đo cao vô tuyến trên TLĐH

1.3.2 Ảnh hưởng của sóng biển đến thông tin đo cao vô tuyến của TLĐH

Thông tin đo cao vô tuyến với những yếu tố ảnh hưởng:

Hvt(t) = Hth– η(x,t)+DHdc(t)+DHtg(t) (1.37) bao gồm: độ cao thực; độ cao sóng biển trên bề mặt; sai số dịch chuyển

và sai số thăng giáng

Trên cơ sở biểu thức (1.37) và dữ kiện bài toán Với những phân tích trên thiết bị đo cao vô tuyến chịu tác động của nhiễu mà nguyên nhân do

bề mặt biển, nhiễu nội tại và một số nguyên nhân khác.Ta nhận được kết quả đầu ra thiết bị ĐCVT:

9 10 11 12 13

14 Do cao vo tuyen khi song cap 5

- Vì vậy độ cao vô tuyến không thể sử dụng trực tiếp để ổn định độ cao bay của tên lửa được

1.3.3 Ảnh hưởng của gió đến lực và mômen khí động của TLĐH

Gió tạo ra sóng, trên mặt biển gió chuyển động bám sát mặt sóng Xét tên lửa chuyển động trong mặt phẳng đứng XOY cho nên có thể giả thiết tốc độ gió cạnh UGz=0 Tốc độ gió sát mặt biển gồm 2 thành phần ngang UGxvà thành phần thẳng đứng UGy

Do tốc độ của tên lửa Vp rất lớn so với tốc độ của gió nên UGx có thể bỏ qua và coi |Vp|=|Vk | Tuy nhiên thành phần UGy trực tiếp làm thay đổi hướng của dòng khí so với tên lửa (hướng của vận tốc tương đối vector Vk –hình 1.17) tức là thay đổi góc tấn công a của tên lửa

Lực nâng, mômen khí động của TL phụ thuộc trực tiếp vào chuyển động tương đối của nó so với môi trường không khí, tức là góc a, mà lực nâng chính Ya tỉ lệ thuận với góc tấn công vì vậy ảnh hưởng rất lớn đến lực nâng Từ hình 1.17 ta có góc tấn công do gió gây ra aG

Hình 1.14 Độ cao vô tuyến với

ảnh hưởng của sóng biển ngẫu nhiên cấp 4

Hình 1.15 Độ cao vô tuyến với ảnh hưởng của sóng biển ngẫu nhiên cấp 5

Ví dụ: nếu UGy =5m/s; VP=300m/s thì góc tấn công do gió gây ra aG

»10 mà góc tấn công của tên lửa khi bay bằng chỉ vào khoảng a=2-30 tức là làm thay đổi tới 50% lực nâng của tên lửa thể hiện trên hình 1.18

và mô men ổn định cũng thay đổi tương tự)

1.4 Bài toán nâng cao độ chính xác điều khiển-ổn định độ cao bay

1.4.1 Phát biểu bài toán

Bài toán nâng cao độ chính xác ổn định độ cao hành trình của TLHTĐH, cần tính hết, đánh giá và loại bỏ những ảnh hưởng gây sai số trong kênh điều khiển-ổn định độ cao bay, đặc biệt khi tên lửa bay thấp

giới hạn trên mặt biển

1.4.2 Các điều kiện giải và giới hạn của bài toán

- Tên lửa đang bay ở giai đoạn hành trình (giai đoạn 3 theo hình 1.1), tức là thuật toán điều khiển không xét tới việc đưa tên lửa từ độ cao Hmaxvào độ cao hành trình Hct

- Độ cao hành trình nằm trong dải Hct=(3¸10)m, tên lửa bay trong điều kiện sóng, gió tới cấp 6

- Phạm vi nghiên cứu, xây dựng và giải bài toán giới hạn trong kênh điều khiển - ổn định độ cao của một loại TLĐH cự ly bay dưới 150km với thời gian bay dưới 400s và vận tốc dưới âm, tức là nhỏ hơn 340m/s

1.4.3 Phương pháp và hướng giải bài toán

Bài toán 1 Tổng hợp bộ đo cao QT-VT và xử lý tín hiệu trong bộ đo

cao trên cơ sở cấu trúc tín hiệu và sai số của từng thiết bị trong điều kiện

có tác động của sóng, gió biển Phương pháp giải là tổng hợp bộ lọc Kalman rời rạc trong xử lý tín hiệu

Bài toán 2 Phân tích và tổng hợp kênh điều khiển - ổn định độ cao trên

cơ sở động học các khâu, tham số động lực, khí động, hình học và phân bố trên khoang của tên lửa giả định trên cơ sở bộ đo cao QT-VT đã tổng hợp ở

bài toán 1 Phương pháp phân tích hệ thống trong miền thời gian và tần số

để đánh giá chất lượng

Bài toán 3 Tổng hợp một số bộ điều khiển cho kênh điều khiển - ổn

định độ cao của tên lửa hành trình đối hải khi bay thấp trên mặt biển trong điều kiện có tác động của gió mạnh trên cơ sở: lý thuyết điều khiển hiện đại; cấu trúc hệ thống ở bài toán 2 Sử dụng phương pháp mô phỏng đánh giá chất lượng bộ điều khiển và toàn bộ kênh ổn định độ cao trong điều kiện tác động của sóng, gió biển ở các mức khác nhau

1.5 Kết luận chương 1

Kết quả tổng quát nhất trong chương 1 là đã xây dựng được bài toán lớn cần phải giải, xác định được hướng và các phương pháp giải bài toán của luận án Nội dung chính của luận án là sự khai triển các bài toán 1, 2

và 3 được nêu trong mục 1.4.3

Trong chương này, để làm tiền đề giải các bài toán con ở những chương tiếp theo đã giải quyết, làm rõ được những khái niệm và vấn đề sau: + Phân tích ý nghĩa chiến thuật bay thấp và đặt ra yêu cầu bay thấp giới hạn đối với đối tượng nghiên cứu là TLĐH Trong đó đã làm rõ tác dụng, ý nghĩa của giai đoạn bay hành trình thông qua quỹ đạo chuyển động trong mặt phẳng thẳng đứng;

+ Đã giới thiệu tổng quan về cấu trúc của một kênh điều khiển - ổn định độ cao tên lửa thông qua sơ đồ khối hệ thống;

+ Đã mô tả sóng và gió biển bằng mô hình toán học làm cơ sở để xây dựng cấu trúc tín hiệu đầu vào kênh điều khiển - ổn định độ cao tên lửa gần sát với thực tế

+ Đã sử dụng các mô hình toán học để mô phỏng sóng biển ngẫu nhiên với các cấp gió bề mặt thay đổi Mô hình và kết quả mô phỏng sẽ được sử dụng trong khảo sát đánh giá các cấu trúc hệ thống ở các chương tiếp theo

CHƯƠNG 2 BÀI TOÁN XỬ LÝ THÔNG TIN ĐO CAO

VÀ TỔNG HỢP BỘ ĐO CAO QUÁN TÍNH - VÔ TUYẾN 2.1 Phương pháp đo cao quán tính

2.1.1 Nguyên lý đo cao quán tính

Đo cao quán tính trong hệ thống dẫn đường quán tính là kết quả tích phân liên tiếp hai lần kết quả đo của gia tốc kế thẳng đứng có tính tới độ cao ban đầu H0 và vận tốc ban đầu Vy0

2.1.2 Biện pháp nâng cao chất lượng thông tin đo cao quán tính

Thông tin đo cao quán tính không phụ thuộc vào mặt sóng biển nhưng có sai số tích lũy theo thời gian, tức là tăng tỷ lệ với bình phương thời gian bay

Để nâng cao chất lượng thông tin đo cao quán tính, có một số biện pháp như: phương pháp hiệu chỉnh các tham số ban đầu (sửa lại các hằng số tích phân); phương pháp hiệu chỉnh theo GPS; Một vấn đề khác liên quan tới hiệu chỉnh sai số đo cao quán tính là hiệu chỉnh theo chu kỳ Chu kỳ hiệu chỉnh càng dài thì sai số của hệ thống càng lớn

2.2 Phương pháp kết hợp đo cao quán tính và vô tuyến

2.2.1 Khát quát chung

Trên một số TLĐH hiện đại thường sử dụng kết hợp các phương pháp

đo cao, ví dụ quán tính kết hợp vô tuyến Sự kết hợp giữa các phương pháp

đo cao cho phép kết hợp các ưu điểm và khắc phục những nhược điểm của từng phương pháp đo cao

2.2.2 Phương pháp xây dựng bộ đo kết hợp

Hình 2.2a là sơ đồ cấu trúc của thuật toán bù trừ đối với hai máy đo (MĐ1, MĐ2) chúng cùng đo một tham số x0(t)

2.3 Tổng hợp bộ đo cao quán tính – vô tuyến

2.3.1 Tổng hợp thuật toán Kalman rời rạc lọc sai số ngẫu nhiên của ĐCVT

Để loại trừ sai số ngẫu nhiên người ta sử dụng nhiều phương pháp lọc khác nhau Trong luận án, tác giả định hướng tới ứng dụng thuật toán lọc Kalman rời rạc để lọc các sai số nhằm nâng cao chất lượng tham số đo cao đảm bảo ổn định độ cao bay cho tên lửa

2.3.2 Tổng hợp cấu trúc bộ đo cao QT-VT

Bộ đo cao QT-VT được tổng hợp trên cơ sở của thuật toán bù trừ (hình 2.2) và thuật toán lọc tối ưu Kalman rời rạc Cấu trúc của bộ đo cao QT-VT thể hiện trên hình 2.8, trong đó thể hiện rõ sự kết hợp hai bộ ĐCQT và ĐCVT theo các chế độ bay: phóng lấy độ cao, điều khiển vào độ cao

hành trình và ổn định độ cao hành trình trong điều kiện sóng, gió biển Trong sơ đồ, khoá K mô tả thời điểm mở thiết bị ĐCVT, tức là thời điểm kết thúc quá trình tên lửa vào độ cao hành trình (ΔH≈0) và bắt đầu chế độ ổn định độ cao

Tín hiệu đầu ra bộ lọc Kalman (KF) s +Dh ˆHqt bằng giá trị trung bình biên độ sóng tự nhiên mà thiết bị ĐCVT đo được cộng với giá trị sai số tích lũy của đo cao quán tính được đánh giá bởi bộ lọc Kalman D ˆHqt Như vậy đầu vào kênh điều khiển - ổn định độ cao, trong chế độ ổn định (khóa K đóng), sai số tích lũy đầu ra bộ ĐCQT được bù khử,Hct=Hth sau

so sánh chỉ còn lại hai thành phần là sh Giá trị trung bình biên độ sóng h

s đóng vai trò như lượng sửa tức thời cho độ cao chương trình Hct(t), nhằm tránh để tên lửa va chạm vào đỉnh sóng Khi sử dụng cấu trúc kết hợp hình 2.8, sai số đầu ra của cả hai thiết bị đo cao quán tính và vô tuyến,

có mô hình rời rạc sau:

Như vậy, với việc phân tích thuật toán lọc KF trong bộ đo cao có thể mô tả đặc tính độ chính xác của hệ thống này thông qua việc tính

ma trận tương quan sai số định giá tối ưu bộ lọc P k ( ) Khi tính toán