Xây dựng phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển cho khí cụ bay hành trình có thiết bị dẫn đường quán tính

Xây dựng phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển cho khí cụ bay hành trình có thiết bị dẫn đường quán tính

Bộ giáo dục và đào tạo Bộ quốc phòng viện khoa học Và công nghệ quân sự Đinh Văn Tuân xây dựng phơng pháp tổng hợp hệ thống điều khiển cho khí cụ bay hành trình có thiết bị dẫn đờng quán tính Chuyên ngành: Lý thuyết điều khiển và điều khiển tối u Mã số : 62.52.60.05 Tóm tắt Luận án tiến sĩ kỹ thuật Hà Nội - 2009 Công trình đợc hoàn thành tại: viện khoa học kỹ thuật Và công nghệ quân sự Ngời hớng dẫn khoa học: 1. Pgs.ts Trần Đức Thuận 2. pgs.ts Đào Tuấn Phản biện 1: GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn Đại học dân lập Hải Phòng Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Văn Liễn Đại họcBách khoa Hà Nội Phản biện 3: PGS.TS Lê Hùng Lân Đại họcGiao thông Vận tải Luận án sẽ đợc bảo vệ trớc Hội đồng chấm luận án cấp nhà nớc họp tại: Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự. Vào hồi: 8 giờ 30 ngày 16 tháng 3 năm 2009. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Th viện Quốc gia - Th viện Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự DANH MụC các CÔNG TRìNH đã công bố CủA TáC GIả 1. Trần Đức Thuận, Đinh Văn Tuân (2004), Về một thuật toán tổng hợp lệnh điều khiển tên lửa hành trình có thiết bị dẫn đờng quán tính, Tạp chí nghiên cứu khoa học kỹ thuật và công nghệ quân sự Trung tâm KHKT-CNQS số 7. 2. Trần Đức Thuận, Đinh Văn Tuân (2005), Vấn đề tổng hợp lệnh cho thiết bị di động có hệ dẫn đờng quán tính, Thông báo khoa học tại Hội nghị toàn quốc lần thứ 6 về tự động hoá, Hà nội. 3. Đinh Văn Tuân, Đào Tuấn, Trần Đức Thuận (2005), Xây dựng phơng pháp xác định góc tấn và góc trợt cạnh của khí cụ bay có hệ dẫn đờng quán tính, Tạp chí nghiên cứu khoa học kỹ thuật và công nghệ quân sự Trung tâm KHKT-CNQS số 12. 4. Trần Đức Thuận, Đinh Văn Tuân, Nguyễn Hải Long (2006), Về một thuật toán nhận dạng tham số mô hình khí cụ bay có thiết bị dẫn đờng quán tính, Tạp chí nghiên cứu khoa học kỹ thuật và công nghệ quân sự Trung tâm KHKT-CNQS số 14. 5. Đinh Văn Tuân, Trần Ngọc Hà, Trịnh Văn Hải, Trần Đức Thuận (2007), Xây dựng thuật toán tổng hợp lệnh ổn định độ cao cho thiết bị bay hành trình, Tạp chí nghiên cứu khoa học kỹ thuật và công nghệ quân sự Trung tâm KHKT-CNQS số 18. 24 Kết quả đạt đợc cũng có thể áp dụng cho bài toán điều khiển khí cụ bay tự động theo chơng trình định sẵn nh các mục tiêu bay, phục vụ cho công tác huấn luyện trong quân đội. Đề nghị đợc nghiên cứu tiếp để có kết quả của luận án phục vụ nền công nghiệp quốc phòng. 2. Hớng phát triển của luận án là xây dựng các thuật toán hiệu chỉnh thích nghi các tham số của cấu trúc lệnh điều khiển tối u, tức là hiệu chỉnh xcxhx KKK ,, thích nghi với sự thay đổi của các ma trận ch AAA ,, , nhằm nâng cao chất lợng điều khiển. 1 Mở đầu 1. Cơ sở lựa chọn đề tài nghiên cứu Cơ sở khoa học: - Khí cụ bay (KCB) có thiết bị dẫn đờng quán tính (TBDĐQT) là chủng loại KCB hiện đại đang đợc nhiều nớc chế tạo, nớc ta cũng đang khai thác sử dụng một số chủng loại KCB có TBDĐQT mua của nớc ngoài. - Phơng pháp nhận dạng tham số mô hình tới nay đã đợc nghiên cứu khá hoàn thiện cả về thuật toán và giải pháp công nghệ. - Phơng pháp tổng hợp hệ thống bằng các nguyên lý điều khiển tự động hiện đại ngày càng phát triển và có ứng dụng thực tế. Cơ sở thực tiễn của vấn đề nghiên cứu: - Trong quân đội ta và ngành hàng không đã đợc trang bị TBDĐQT, song dừng ở khía cạnh khai thác sử dụng, cha có nghiên cứu phát triển. - Vấn đề nghiên cứu thiết kế chế tạo KCB theo mẫu là hớng đi có tính hiệu quả cao trong quá trình xây dựng quân đội chính quy hiện đại. 2. Phạm vi nghiên cứu của đề tài: Tổng hợp lệnh điều khiển tối u bám theo độ cao, ổn định đờng bay theo hớng và ổn định kênh cren cho KCB hành trình có TBDĐQT. Đối tợng nghiên cứu là KCB hành trình đối hải cự ly vừa. 3. Mục tiêu nghiên cứu: + Về lý thuyết: Xây dựng phơng pháp nhận dạng xác định tham số mô hình KCB có TBDĐQT. Trên cơ sở các tham số xác định sẽ tổng hợp lệnh điều khiển cho KCB có TBDĐQT. + Về thực nghiệm: Kiểm chứng các thuật toán bằng các chơng trình mô phỏng số. 4. Cơ sở phơng pháp luận của vấn đề nghiên cứu: Trên cơ sở lý thuyết nhận dạng và lý thuyết điều khiển tối u các hệ động học, xây dựng các thuật toán để tổng hợp hệ thống điều khiển khí cụ bay có thiết bị dẫn đờng quán tính. Phơng pháp nghiên cứu: Kết hợp lý thuyết giải tích với tính toán thực nghiệm trên máy tính. 2 Chơng 1: Tổng quan về các vấn đề xây dựng hệ thống điều khiển khí cụ bay. 1.1. Tổng hợp hệ thống điều khiển KCB. 1.1.1. Tình hình thiết kế chế tạo khí cụ bay Phân tích và giới thiệu phơng án thiết kế chép mẫu phần thân, vỏ, động cơ KCB và xây dựng hệ thống điều khiển. 1.1.2. Xây dựng hệ thống điều khiển cho KCB sản xuất theo mẫu. Xây dựng phơng pháp xác định bộ tham số mô hình trên cơ sở các thông tin từ TBDĐQT khi khai thác KCB định chép mẫu. 1.2. Tổng quan về nguyên lý điều khiển KCB hành trình có thiết bị dẫn đờng quán tính. Để mô tả chuyển động của KCB cần phải lập mô hình toán học mô tả các quá trình động lực học của đờng bay và quá trình điều khiển. Để xây dựng mô hình cần định nghĩa một số hệ toạ độ. 1.2.1 Các hệ toạ độ thờng dùng: - Hệ toạ độ mặt đất cố định OX 0 Y 0 Z 0 - Hệ toạ độ mặt đất di động (hệ toạ độ chuẩn) OX g Y g Z g - Hệ toạ độ liên kết OXYZ - Hệ toạ độ tốc độ OX a Y a Z a - Hệ toạ độ quỹ đạo OX k Y k Z k 1.2.2. Các đại lợng và các góc đặc trng trong chuyển động của KCB Biểu diễn mối liên hệ giữa các hệ toạ độ qua các bộ góc: ,,,,,, và thông qua các đại lợng: aaa ZYX ,, , zyx ,, , mJJJ zyx ,,, . 1.2.3. Các phơng pháp điều khiển tên lửa và những vấn đề về điều khiển tên lửa hành trình có thiết bị dẫn đờng quán tính. Mô hình tổng quát mô tả vật bay gồm 16 phơng trình vi phân, trong đó có một số phơng trình phi tuyến. Việc có các góc a ,, làm xuất hiện các 23 Kết luận và kiến nghị Kết luận 1. Việc thiết kế chế tạo khí cụ bay hành trình theo phơng án chép mẫu của các đối tác nớc ngoài đòi hỏi giải quyết nhiều vấn đề có tính khoa học công nghệ cao mang tính liên ngành, trong đó nhiệm vụ tổng hợp hệ thống điều khiển là một trong các nhiệm vụ cơ bản. 2. Trong điều kiện các góc đặc trng của khí cụ bay (KCB) có giá trị nhỏ và trong điều kiện góc cren đợc duy trì ở giá trị 0 với vận tốc quay ổn định nhỏ ( 0 x ) có thể phân mô hình mô tả quá trình điều khiển KCB thành ba kênh độc lập để phân tích và tổng hợp. 3. Sử dụng phép biến đổi Z số hóa mô hình tơng tự cho phép ứng dụng phơng pháp toán bình phơng tối thiểu để xây dựng thuật toán nhận dạng các tham số trong mô hình mô tả quá trình điều khiển góc tấn, góc trợt cạnh và góc cren trên cơ sở xử lý thông tin từ thiết bị dẫn đờng quán tính. 4. Luật điều khiển theo tiêu chuẩn cực tiểu hóa phiếm hàm sai số bám và năng lợng điều khiển cho KCB theo kênh độ cao gồm ba thành phần, thành phần phụ thuộc vào trạng thái hệ phơng trình vi phân mô tả quá trình thay đổi độ cao, thành phần bù trọng lợng và thành phần phụ thuộc vào độ cao bay mong muốn. Đối với kênh điều khiển đờng bay theo hớng và ổn định góc cren chỉ phụ thuộc vào trạng thái của hệ phơng trình mô tả chúng. Sử dụng luật điều khiển tối u cho phép nâng cao độ chính xác bám theo quỹ đạo bay mong muốn và tiết kiệm nhiên liệu bay. Kiến nghị. 1. Với khả năng kỹ thuật và công nghệ hiện nay, kết quả của luận án có thể áp dụng cho hệ thống điều khiển khí cụ bay nói chung và hệ thống điều khiển tên lửa hành trình đối hải nói riêng. Cụ thể là thuật toán nhận dạng các tham số mô hình khí cụ bay, thuật toán tổng hợp lệnh điều khiển tối u. 22 ma trận liên quan đến việc tổng hợp lệnh điều khiển tối u (việc này là hớng phát triển của luận án). 3.5. Kết luận chơng 3 Luật điều khiển PID (tỉ lệ - tích phân - vi phân) áp dụng cho giai đoạn bay hành trình ở các tên lửa thế hệ 1 cha đáp ứng chỉ tiêu chất lợng về độ chính xác và tiết kiệm nhiên liệu, khó áp dụng cho việc bay hành trình cực thấp (bay sát mặt nớc, tránh sự phát hiện của đối phơng). ứng dụng lý thuyết điều khiển tối u (nguyên lý cực đại Pôntriaghin) cho phép xác định quy luật điều khiển tối u cho KCB hành trình bay thấp và đáp ứng yêu cầu tiết kiệm năng lợng. 1. Luật điều khiển tối u cho KCB theo kênh độ cao gồm ba thành phần, thành phần phụ thuộc vào trạng thái hệ phơng trình vi phân mô tả quá trình điều khiển độ cao, thành phần bù trọng lợng của bản thân KCB và thành phần phụ thuộc vào độ cao bay mong muốn. 2. Luật điều khiển tối u cho KCB nhằm ổn định đờng bay theo hớng gồm một thành phần, thành phần phụ thuộc vào trạng thái hệ phơng trình vi phân mô tả quá trình điều khiển độ dạt của KCB. 3. Luật điều khiển tối u cho KCB nhằm duy trì góc cren xung quanh giá trị 0 gồm một thành phần, thành phần phụ thuộc vào trạng thái hệ phơng trình vi phân mô tả quá trình điều khiển sự thay đổi góc cren. 4. ứng dụng phơng pháp không gian trạng thái mở rộng cho phép xây dựng phơng pháp xác định ma trận hệ số x K trong cấu trúc lệnh điều khiển tối u của cả ba kênh lái KCB thay cho việc giải hệ phơng trình phi tuyến bậc hai với độ phức tạp. Những kết quả của chơng 3 luận án là cơ sở phơng pháp luận cho việc tổng hợp lệnh điều khiển, một trong hai nhiệm vụ có tính học thuật khi tổng hợp hệ thống điều khiển cho một chủng loại KCB hành trình. 3 lực cản a X , lực nâng a Y , lực dạt sờn a Z . Các lực này tác động vào tâm khối KCB và tạo ra các mô men lực. Việc cấu trúc các cánh lái KCB để tạo ra các thành phần zyx MMM ,, là bài toán phối trí khí động. Hiện nay có các kiểu phối trí khí động phổ biến sau: Phối trí kiểu máy bay (hình 1.2) và kiểu chữ nhân (hình 1.3). Dù kiểu nào trong hai kiểu trên [40] đều có thể hình thức hoá quá trình điều khiển KCB là quá trình quay ba góc eHB ,, để tạo ra ba lực tham gia vào quá trình hình thành ba mô men zyx MMM ,, . Hình 1.1 . Hệ toạ độ liên kết OXYZ và hệ toạ độ tốc độ OX a Y a Z a A: Mặt phẳng đối xứng của KCB. v a : Hình chiếu của véc tơ V lên mặt phẳng A. : Góc tấn; : Góc trợt cạnh O X Y Z X a Y a Z a V v a A xx M x z z M yy M z y 0 e e B B H Hình 1.2 . Mô tả quá trình điều khiển KCB 4 Khâu KCB nh một đối tợng điều khiển đợc hình thức hoá thành 3 mô hình cơ bản gồm 3 thành phần: - Mô hình chuyển động quay. - Mô hình thể hiện định luật Niutơn (định luật về gia tốc). - Mô hình toán mô tả chuyển động tâm khối. Hệ thống điều khiển gồm hai bộ phận chính: . - Hệ thống dẫn là thiết bị thu thập thông tin về mục tiêu (hoặc chơng trình bay) và về bản thân KCB để xác định lợng điều khiển n uuu , ,, 21 . - Khối tự động lái là thiết bị tiếp nhận các đại lợng điều khiển n uuu , ,, 21 và xác định thông tin về góc của bản thân KCB ( zyxa ,,,,, ) để tổng hợp lệnh quay các góc lái eHB ,, . Hệ thống điều khiển đợc chia ra các loại cơ bản: Điều khiển xa, điều khiển tự dẫn và điều khiển tự lập. Đối với mỗi chủng loại KCB có thể sử dụng một hoặc kết hợp các nguyên lý dẫn trên, trong đó nguyên lý dẫn đờng quán tính là nguyên lý dẫn hiện đại trong các phơng pháp dẫn theo nguyên lý tự lập. Hình 1.3. Mô tả quá trình điều khiển KCB có cánh quay và kiểu "con vịt " 0 V Y KP L p Y p < 0 0< p 0 V Y 0 < 21 2. Sau khi xác định mô hình mô tả KCB, tiến hành xây dựng thiết bị điều khiển thể hiện việc tạo lệnh eHB ,, . Thiết bị điều khiển gồm thiết bị dẫn đờng quán tính, cơ cấu điện tử tạo lệnh điều khiển và các cơ cấu máy lái thực hiện việc quay các góc eHB ,, . Thiết bị dẫn đờng quán tính nên mua của các nớc sản xuất hoặc tích hợp trên cơ sở mua sắm bộ phận. Cơ cấu điện tử tạo lệnh và các máy lái có thể chủ động sản xuất trên nền linh kiện điện tử, cơ điện hiện đại. Việc tạo lệnh điều khiển theo các thuật toán trình bày ở chơng này có thể dựa trên bộ tham số đã nhận dạng khi bay thử nghiệm hoặc có thể coi bộ tham số đó nh những thông tin ban đầu và chúng tiếp tục đợc chính xác hoá trong quá trình bay. Trong trờng hợp này, lệnh điều khiển tối u trở thành tối u thích nghi. 3. Việc tổng hợp lệnh điều khiển tối u đợc thực hiện trên luận cứ, các ma trận CBA ,, trong mô hình (3.5), hh BA , trong mô hình (3.9) và cc BA , trong mô hình (3.12) là các ma trận hằng. các phần tử của các ma trận trên phụ thuộc vào các hệ số khí động (nh chơng 2 đã trình bày). Các hệ số khí động phụ thuộc vào tốc độ bay, hình dạng kích thớc KCB và môi trờng bay. Mỗi loại KCB đợc thiết kế sao cho tốc độ bay duy trì ở tốc độ danh định. Môi trờng bay trên biển nói chung có tính đồng nhất, nên các hệ số khí động cùng dao động xung quanh giá trị danh định. Tuy nhiên ở mỗi lần bắn các giá trị này có thể khác nhau (nhng gần giá trị danh định), xong có thể dễ dàng nhận thấy nó là các tín hiệu gần nh không đổi cho mỗi lần bắn cụ thể. Vì vậy mô hình có thể coi là tuyến tính dừng. Có thể đa việc nhận dạng tham số (nh chơng hai đã trình bày) để xác định các ma trận trên nhằm hiệu chỉnh thích nghi việc xác định x K và các 20 3.4. Quy trình tổng hợp hệ thống điều khiển cho KCB hành trình sản xuất chép mẫu Việc tổng hợp hệ thống điều khiển cho KCB hành trình sản xuất chép mẫu gồm hai giai đoạn: 1. Quá trình xác định mô hình đợc tiến hành khi khai thác sử dụng KCB định chép mẫu. Việc nhận dạng các tham số mô hình đòi hỏi phải thu tập dữ liệu về giá trị zyx VVV ,,,,, do TBDĐQT cung cấp. Quá trình thu thập dữ liệu có thể thực hiện theo hai cách, cách ghi đo và nhớ vào bộ nhớ của hộp đen và cách truyền dữ liệu về trạm mặt đất qua kênh truyền vô tuyến. Việc dùng các trạm thu dữ liệu đòi hỏi có hệ thống vô tuyến phức tạp, đắt tiền. Phơng án dùng hộp đen đơn giản hơn, song sẽ vất vả khi tìm hộp đen ở nơi KCB rơi. Thiết bị dẫn đờng quán tính Thiết bị tính Thiết bị tổng hợp lệnh ĐKT )(t )( cc U Hình 3. 3 . Cấu trúc hệ thống xử lý tạo lệnh điều khiển tối u ổn định theo kênh cren Trạm thu tín hiệu Thiết bị xử lý tín hiệu nhận đợc Anten phát Hình 3.4. Cấu trúc quá trình thu thập dữ liệu phục vụ vấn đề nhận dạng tham số mô hình 5 1.2.4. Các nguyên lý điều khiển theo phơng pháp tự lập Nguyên lý điều khiển theo chơng trình ổn định hớng bắn đón và quỹ đạo bay bắn đón. Là phơng pháp điều khiển tự lập đơn giản nhất, áp dụng cho các tên lửa bắn mục tiêu cố định hoặc di động chậm ở cự ly ngắn, dới 100 km. Nguyên lý dẫn đờng quán tính. Nguyên lý dẫn đờng quán tính dựa trên nguyên lý đo gia tốc của KCB so với hệ toạ độ quán tính để xác định vị trí của KCB nhằm thu thập thông tin xác định toạ độ của KCB, cung cấp cho hệ thống dẫn. Trên cơ sở thông tin về gia tốc, máy tính trên khoang KCB sẽ tính toán xác định vị trí hiện thời của KCB so với hệ toạ độ mặt đất. Có hai loại TBDĐQT hiện đợc nghiên cứu, ứng dụng và phát triển trên thế giới, đó là: TBDĐQT có đế và TBDĐQT không dế. Dù là TBDĐQT có đế hoặc không đế, đều cấp cho hệ thống điều khiển các thông tin sau: - Vị trí của tâm khối zhx ,, của KCB so với hệ toạ độ mặt đất. Hình 1.4. Cấu trúc quá trình điều khiển KCB Khối tự động lái B H e Hệ thống điều khiển Mô hình toán mô tả chuyển động tâm khối a n u u u 2 1 Hệ thống dẫn Mô hình chuyển động quay Hệ phơng trình mô tả định luật II Niu tơn zyx ,,,,, V x y z Khâu KCB Thông tin về mục tiêu (hoặc chơng trình) 6 - Vị trí góc của KCB trong không gian ,, . - Vận tốc của KCB zyx VVV ,, )sincos,sin,coscos( = = = VVVVVV zyx Các thông tin trên phục vụ mục đích điều khiển, song có thể sử dụng chúng vào việc tìm hiểu sâu về đối tợng, phục vụ nhiệm vụ tổng hợp hệ thống điều khiển. 1.5. Kết luận chơng 1 1. Khí cụ bay hành trình có thiết bị dẫn đờng quán tính là lớp KCBHT còn mới ở Việt Nam. Việc nghiên cứu chúng để làm chủ trong khai thác sử dụng và từng bớc tiến tới tự chủ thiết kế chế tạo là một việc làm có tính bức thiết và có tính khoa học mang tính chuyên sâu. 2. Việc thiết kế chế tạo KCBHT nói riêng, KCB nói chung theo mẫu có sẵn của nớc ngoài là hớng đi có tính cơ bản và có hiệu quả cao với những nớc có nền kinh tế cha mạnh. Từ cách đi này đặt ra hàng loạt vấn đề có tính học thuật. Một trong ba nhiệm vụ cơ bản khi chế tạo KCB theo mẫu là nhiệm vụ tổng hợp hệ thống điều khiển. Vấn đề này cha có tác giả nào của Việt nam đề cập đến. Những nghiên cứu gần đây về KCBHT có TBDĐQT chỉ tập trung vào các vấn đề tìm hiểu cấu trúc và nguyên lý hoạt động của KCB nói chung và các bộ phận của chúng nói riêng. Vì vậy vấn đề tổng hợp hệ thống điều khiển cho KCBHT chép mẫu là một vấn đề có tính bức thiết, có tính mới mẻ trong điều kiện Việt Nam. 3. Việc tổng hợp hệ thống điều khiển đòi hỏi phải xây dựng cơ sở học thuật, bao gồm việc xây dựng mô hình toán mô tả KCB với các tham số cần xác định và việc xác định quy luật tác động vào các cơ cấu điều khiển của KCB sẽ chế tạo theo mẫu. Việc vừa khai thác sử dụng vừa tìm hiểu sâu KCB định chép mẫu là việc làm có tính hiệu quả thực tế cao. Song cần phải xây dựng phơng pháp luận cho việc tìm hiểu sâu này. Đây thực sự là vấn đề rất mới ở nớc ta, đòi hỏi phải có nghiên cứu chuyên sâu. Luận án sẽ đi sâu vào vấn đề ứng dụng các phơng pháp điều khiển hiện đại (lý thuyết nhận dạng xác định tham số, lý thuyết điều khiển tối u) để giải quyết những vấn đề nêu trên. 19 [ ] 1 1121 )(lim).(lim = KKK x (3.20) trong đó )(),( 1121 KK là các ma trận thành phần trong ma trận = )()( )()( 2221 1211 ~ KK KK e A , với = '' '1 ~ ADQD BBRA A . ứng với mỗi giá trị , ma trận )exp( ~ A đợc tính nh sau: ! )( )1( ! 2 )( )1()1( ~~ 2 2 ~ ~ n AA AIe n nA ++++= (3.21) Cấu trúc hệ thống xử lý thông tin tạo lệnh điều khiển, thể hiện ở các hình sau: Thiết bị dẫn đờng quán tính Thiết bị xác định , Thiết bị tính Thiết bị tổng hợp lệnh ĐKT z V x V y V z ) ( t z )( Hh U H ình 3.2 : Cấu trúc hệ thống xử lý tạo lệnh điều khiển tối u ổn định đờng bay theo hớng Thiết bị dẫn đờng quán tính Thiết bị xác định , Thiết bị tính Thiết bị tổng hợp lệnh ĐKT h V x V y V z )( 2 tg )( 1 tg )( B U Hình 3.1. Cấu trúc hệ thống xử lý tạo lệnh điều khiển tối u theo độ cao 18 cxcccc XKBRtU ' 1 )( = trong đó 0)(, ' ' '1 == TKDQDKAAKKBRBKK xccccxc c cxcxccccxcxc Phơng pháp xác định ma trận hệ số x K Đối với 3 dạng điều khiển tối u theo 3 kênh đều có ma trận hệ số x K . Xác định ma trận x K theo mô hình sau: BUAXX += (3.14) DX Y = (3.15) Với tiêu chuẩn tối u: +=+= T U T U dtURUDXDXQdtURUYQYJ 0 '' 0 ' min])([ 2 1 min)( 2 1 (3.16) xác định hoàn toàn tơng tự nh với mô hình (3.5), nhận đợc: 0)(, '''1 == TKQDDKAAKKBBRKK xxxxx x (3.17) Bản chất của việc tổng hợp ĐKTƯ trong bài toán ổn định tham số đầu ra là việc đồng thời giải hai hệ phơng trình vi phân: )( '1 tPBBRAXX = (3.18) QDXDPAP '' = (3.19) Với điều kiện biên 0)(,0)( 0 = = TPtX . Hệ (3.18), (3.19) có thể đợc mô tả dới dạng hệ phơng trình vi phân tự do không có tác động đầu vào. = = + P X AQDD BBRA P X X '' '1 , với )( P X X = + là véc tơ mở rộng. = '' '1 ~ AQDD BBRA A là ma trận đặc trng ~ A của hệ mở rộng. Theo lý thuyết hệ phơng trình vi phân tuyến tính về hệ tự do thì: Nếu biết véc tơ + X ở thời điểm bất kỳ đều có thể xác định nó ở mọi thời điểm khác. Sau khi tính toán và biến đổi, xác định đợc: 7 Chơng 2: Xây dựng phơng pháp và thuật toán nhận dạng mô hình khí cụ bay ba kênh có thiết bị dẫn đờng quán tính ở giai đoạn bay hành trình. 2.1 Xây dựng hệ phơng trình mô tả quá trình điều khiển KCB Xem xét một dạng KCB phổ biến trong thực tế, đó là loại KCB khi bay góc cren và tốc độ quay xung quanh trục dọc đợc duy trì ở giá trị 0 ( 0,0 = x ). Ngoài ra khi bay hành trình duy trì đờng bay gần bằng và ổn định hớng bay xung quanh độ dạt bằng 0 ( 0 = z ), thì các góc ,,, thờng có giá trị nhỏ. Với các giả thiết trên, 16 phơng trình mô tả quá trình bay đợc thay bằng 13 phơng trình sau: V dt dx M dt d J M dt d J JJM dt d J CP dt d mV GCP dt d mV z z z y y y zyyzx x x z y = = = = = += )6 )5 )4 )()3 )2 )1 1 1 = = == = = = = )13 )12 )11 )10 )9 )8 )7 x a y z dt d dt d dt d dt d V dt dz V dt dh (2.1) Nhờ duy trì góc ở giá trị 0, vì 0 a , nên dễ dàng nhận thấy góc trợt cạnh không tham gia vào quá trình thay đổi góc nghiêng quỹ đạo (phơng trình 1 - hệ 2.1) và ngợc lại góc tấn không tham gia vào quá trình tạo góc hớng quỹ đạo. Đây chính là hiện tợng phân kênh (làm cho quá trình điều khiển độ cao và điều khiển độ dạt độc lập nhau). 2.1.1. Xây dựng mô hình mô tả quá trình điều khiển góc tấn và góc trợt cạnh. Từ các phơng trình 1, 2,12, 13 của hệ (2.1) và các giả thiết trên xây dựng đợc hệ phơng trình mô tả quá trình điều khiển góc tấn và góc trợt cạnh: 8 gB CCCC B +=++ (2.2) H H CCC =++ (2.3) trong đó: y y y y y yz y z g z z z z z zz z J V SlmC J V Slm J V SlmCm J VSl CC g J SlC J V SlmCC J V Slm J V SlmCm J VSl CC H H yy B B zz 2 , 22 , 2 2 , 2 , 22 , 2 2222 1 2 2 1 2 22 1 1 =+=+= ==== Để có thể phân kênh, cần phải ổn định góc cren ở giá trị 0. Việc xây dựng mô hình mô tả quá trình ổn định góc cren liên quan đến các phơng trình: e K dt d dt d à =+ 1 2 2 Hệ thống điều khiển theo ba kênh đợc mô tả nh sau: e H gB K CCC CCCC H B à =+ =++ +=++ 1 1 (2.4) Nh vậy để xây dựng hệ phơng trình vi phân mô tả quá trình điều khiển góc tấn, góc trợt cạnh, góc cren, cần phải xác định các tham số 1B C CpCp ++ 2 1 g C B e H H C pp 1 2 1 à + CpCp ++ 2 1 K Hình 2.1: Cấu trúc mô hình chuyển động quay KCB ba kênh 17 Hệ phơng trình (3.11) đợc viết lại dới dạng véctơ trạng thái sau: ccc ccccc XDtxY UBXAX == += )( (3.12 ) Trong đó: ][,),( ' 21 ccccc uUxxX == = = k BA cc 0 , 0 10 1 à Do 0)( = t , tiêu chuẩn tối u (3.10) có thể đợc viết đới dạng sau: += T ccccccccc dttURtUXDQXDJ 0 '' )]())(()[( 2 1 (3.13) Trong đó: [ ] [ ] )0,1(,, = = = ccccc DrRqQ 3.3 Tổng hợp lệnh điều khiển tối u. Để xác định điều khiển tối u cho các kênh trên KCB có TBDĐQT, luận án đã chứng minh 3 khẳng định: Khẳng định 1: Luật điều khiển tối u cho khí cụ bay theo kênh độ cao đợc thiết lập bởi mô hình (3.5) với tiêu chuẩn (3.7) có dạng: )()()( 2 '1 1 '1'1 tgBRtgBRXKBRtU x ++= trong đó 21 ,, ggK x là nghiệm của các phơng trình sau: 0)(,0 '''1 ==+++ TKQDDKAAKKBBRKK xxxxx x 0)(),()(][)( 11 ''1 1 =+= TgtCZKtgABBRKtg xx 0)(),(*)(][)( 22 ''1 2 == TgtDQhtgABBRKtg x Khẳng định 2: Luật điều khiển tối u ổn định đờng bay theo hớng có dạng: hxhhhh XKBRtU '1 )( = trong đó xh K là nghiệm của phơng trình: 0)(, '''1 == TKDQDKAAKKBRBKK xhhhhxhhhxhxhhhhxhxh Khẳng định 3: Điều khiển tối u ổn định góc cren xung quanh giá trị 0 có dạng: [...]... 0 0 A= 0 0 Hình 2.3: Cấu trúc của thiết bị dẫn đờng quán tính và Modul xác định góc tấn và góc trợt cạnh trình cơ bản nh 2.4 đã trình bày Trên cơ sở biến đổi Laplace và biến đổi z dẫn đến hệ phơng trình sai phân tơng ứng có dạng: 0 0 0 C 0 0 0 2.3 Thuật toán nhận dạng tham số mô hình khí cụ bay có thiết bị dẫn đờng quán tính Mô hình điều khiển lớp KCB hành trình này đợc mô tả bằng ba phơng 0... A3 [i + 4] + A4 [i + 3] + A5 [i + 2] = B [i + 3] 3.1.1 Hệ phơng trình mô tả quá trình điều khiển bay theo độ cao 1 3.1 Xây dựng hệ phơng trình mô tả quá trình điều khiển tâm khối KCB A1 [i + 5] + A2 [i + 4] + A3 [i + 3] + A4 [i + 2] + A5 [i + 1] = B [i + 2] cho khí cụ bay và tổng hợp hệ thống điều khiển =C số H (3.2) có: C B1 = 1 8 = a1 (2 A1 A2 + A3 )T 2 (2.18) 12 13 B1 [i + 2] + B2... hớng quỹ đạo Khi đó hệ phơng trình phi tuyến 16 phơng trình mô tả KCB trở thành hệ tựa tuyến tính gồm 13 phơng trình Nhờ đó có thể áp dụng các công cụ lý thuyết phổ biến để phân tích và tổng hợp hệ thống điều khiển 2 Tham số mô hình mô tả KCB phụ thuộc vào lực đẩy động cơ hành trình P và các hệ số khí động đợc thể hiện đầy đủ ở ba phơng trình vi phân tuyến tính mô tả quá trình thay đổi góc tấn, góc... + 3] + A3 [i + 2] + A4 [i + 1] + A5 [i ] = B [i + 1] Chơng 3: Xây dựng thuật toán tổng hợp lệnh điều khiển tối u Biến đổi phơng trình 1,7 của hệ (2.1) và kết hợp với phơng trình (2.2), + C + C = C B + C g (3.1) h = V sin V 3.1.2 Hệ phơng trình mô tả quá trình điều khiển bay ổn định theo hớng Tơng tự nh trên, có hệ phơng trình sau: + C + C = C H Z = V (2.15) (2.16) [i... hình số, nhờ đó có thể áp dụng phơng pháp toán bình phơng tối thiểu để xây dựng thuật toán nhận dạng tham số mô hình mô tả KCB Thuật toán đã đợc kiểm nghiệm bằng phơng pháp mô phỏng số trên máy tính điện tử Những vấn đề chơng 2 giải quyết bản chất là xây dựng cơ sở phơng pháp luận để xác định đối tợng điều khiển Chỉ khi biết rõ đối tợng điều khiển mới có thể tổng hợp đợc lệnh điều khiển, là nhiệm vụ... (3.7) không có thành phần h * (t ) , C , C , C B , C , C , C H , à1 , K Đây là một trong hai nhiệm vụ cơ bản khi lời giải cũng đã có [46] Bài toán đồng thời có cả thành phần CZ trong hệ phơng trình động học và h * (t ) trong tiêu chuẩn tối u là một bài toán cần tổng hợp hệ thống điều khiển KCB có lời giải một cách rõ ràng 3.2.2 Thiết lập bài toán điều khiển tối u ổn định theo hớng 2.2 Phơng pháp xác... toán điều khiển tối u điều khiển theo độ cao Vz + à1 = K e 3.2 Thiết lập bài toán điều khiển tối u Thiết bị dẫn đờng quán tính az ay ax 3.1.3 Hệ phơng trình mô tả quá trình điều khiển bay ổn định xung quanh góc cren 0 g V (3.4) x3 = = x4 Modul xác định góc tấn và góc trợt cạnh x4 = C x4 C x3 + C B u + C g Vz Hệ phơng trình (3.4) đợc viết lại dới dạng véctơ trạng thái nh sau: Vy , (3.5)... góc trợt cạnh của KCB có thiết bị dẫn đờng quán tính Vì góc tấn và góc trợt cạnh là thông tin đầu ra của mô hình, muốn nhận dạng các tham số C B1 , C , C , C H , C , C , K , à1 cần phải có chuỗi Hệ phơng trình mô tả điều khiển ổn định hớng có dạng sau: x1h = Vx2 h (3.8) x 2 h = C x3h 1 số liệu về và Việc đo trực tiếp chúng là không thể nếu không có những thiết bị đặc biệt Vì vậy cần... véc tơ tốc độ ta có: 10 = tg 15 sin cos (2.7) = tg cos + tg.tg sin tg.tg Vy V Vz V cos (2.8) Các con quay quán tính và các gia tốc kế z y Vy x Vx x1 = Vx2 x2 = C x3 1 (3.3) Đặt x1 = h, x2 = , x3 = , x4 = , u = B Các phơng trình trong hệ phơng trình (3.1) đợc xắp xếp lại thành hệ phơng trình sau: Máy tính DĐQT 3.2.1 Thiết lập bài toán điều khiển tối u điều khiển theo độ cao... Trờng hợp ở vế phải biểu thức (3.5) thành phần CZ không có ( CZ 0 ), thì bài toán đã có lời giải ([2] hoặc [7]) Còn trờng hợp tồn tại 14 11 Các tham số A1 , A2 , A3 , A4 , A5 , B1 , B2 , B3 , C1 , C2 , C3 phụ thuộc vào các hệ cơ sở thông tin của thiết bị dẫn đờng quán tính cung cấp khi khai thác sử dụng KCB mẫu có thể sử dụng chúng vào việc nhận dạng tham số mô hình 3 Sử dụng phép biến đổi Z cho phép . công nghệ quân sự Đinh Văn Tuân xây dựng phơng pháp tổng hợp hệ thống điều khiển cho khí cụ bay hành trình có thiết bị dẫn đờng quán tính Chuyên ngành: Lý thuyết điều khiển. Chơng 2: Xây dựng phơng pháp và thuật toán nhận dạng mô hình khí cụ bay ba kênh có thiết bị dẫn đờng quán tính ở giai đoạn bay hành trình. 2.1 Xây dựng hệ phơng trình mô tả quá trình điều khiển. có thể tổng hợp đợc lệnh điều khiển, là nhiệm vụ tiếp theo tại chơng 3 của luận án. Chơng 3: Xây dựng thuật toán tổng hợp lệnh điều khiển tối u cho khí cụ bay và tổng hợp hệ thống điều khiển