Tổng hợp hệ thống điều khiển cho thiết bị bay có tốc độ thay đổi (tt)

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 kh

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

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

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

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 nghiêng (góc Cren - γ); Góc nghiêng quỹ đạo (θ); Góc tấn (); Góc

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

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

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

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

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:

x A x B u C (2.11) Trong đó:  T

20

n B

n C d

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):

x A x B u C  (2.21) Trong đó:  T

d B

d C d

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:

- Ma trận hệ số K x 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 K 1 (t) ở thời

điểm t cần phải dự đoán được ξ ở thời điểm tương lai trong khoảng (t 0 , t f)

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:

x n t

K ( t )  e  K C  ( )d (2.46)

Việc giải phương trình (2.32) để xác định

n

x

phương pháp của Devinxon-Maki:

11 1

22 22 21

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:

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

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 (R tp)

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:

2

k

x

P V

b) Mô hình chuyển động quay theo trục dọc (kênh Cren)

y

x x x     ; hu h; D h 1 0

12

y

k z

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

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 u l 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 u l kênh Cren có dạng:

tn

n

W y

K ( v )

   (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