Xây dựng phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển các đài quan sát tự động định vị từ xa các đối tượng di động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ Nguyễn Trung Kiên XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC ĐÀI QUAN SÁT TỰ ĐỘNG ĐỊNH VỊ TỪ XA CÁC ĐỐI TƯỢNG DI ĐỘNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHỊNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ QUÂN SỰ Nguyễn Trung Kiên XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC ĐÀI QUAN SÁT TỰ ĐỘNG ĐỊNH VỊ TỪ XA CÁC ĐỐI TƯỢNG DI ĐỘNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hoá Mã số: 62 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:  GS.TSKH CAO TIẾN HUỲNH  PGS.TS TRẦN ĐỨC THUẬN Hà Nội - 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nghiên cứu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác TÁC GIẢ Nguyễn Trung Kiên LỜI CẢM ƠN Trước tiên tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành tới GS.TSKH Cao Tiến Huỳnh, người hướng dẫn khoa học PGS.TS Trần Đức Thuận, người hướng dẫn thứ hai, tận tình hướng dẫn, nội dung cần giải đóng góp ý kiến q báu để tơi hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo, huy Viện Khoa học Cơng nghệ qn sự, Viện Tự động hố Kỹ thuật quân đồng nghiệp tạo điều kiện, động viên, quan tâm giúp đỡ tơi hồn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo tập thể phòng Đào tạo Viện Khoa học Công nghệ quân quan tâm giúp đỡ tơi q trình thực luận án Cuối cùng, tơi xin chân thành cảm ơn tồn thể gia đình bè bạn ln thơng cảm, động viên, giúp đỡ chia sẻ với suốt thời gian thực luận án i M CL C DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT III DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ V MỞ ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ ĐỊNH VỊ TỪ XA CÁC ĐỐI TƯỢNG DI ĐỘNG TRÊN CƠ SỞ SỬ DỤNG CÁC THIẾT BỊ QUANG ĐIỆN TỬ 1.1 Vai trò hệ thống tự động định vị từ xa đối tượng di động sở thiết bị quang điện tử 1.2 Định vị đối tượng di động không gian theo vị trí chuẩn 1.2.1 Định vị đối tượng di động theo vị trí chuẩn 1.2.2 Định vị đối tượng di động theo hai vị trí chuẩn .11 1.3 Vấn đề xử lý ảnh động hệ thống tự động bám sát đối tượng di động 13 1.4 Một vài nhận xét hệ thống tự động bám đối tượng di động sử dụng luật điều khiển truyền thống .15 1.5 Bài toán tự động bám sát đối tượng di động không gian 18 1.5.1 Những yêu cầu chung hệ thống tự động bám .18 1.5.2 Định hướng nghiên cứu đáp ứng yêu cầu đặt 20 1.6 Các đặc tính phi tuyến phần tử khơng qn tính phương pháp bù trừ 21 1.7 Khái quát ưu nhược điểm phương pháp tổng hợp hệ điều khiển đối tượng phi tuyến 24 1.7.1 Phương pháp backstepping tổng hợp hệ phi tuyến .24 1.7.2 Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi phương pháp backstepping có sử dụng mạng nơ ron nhân tạo 28 1.7.3 Phương pháp tổng hợp hệ điều khiển mờ thích nghi 30 1.7.4 Điều khiển thích nghi bền vững sở sử dụng mạng nơron nhân tạo mode trượt 33 1.8 Kết luận chương 34 CHƯƠNG II XÂY DỰNG THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG BÁM SÁT ĐỐI TƯỢNG DI ĐỘNG 35 ii 2.1 Cấu trúc hệ thống tự động bám sát đối tượng di động 35 2.2 Mơ hình tốn học đối tượng điều khiển hệ thống tự động bám sát đối tượng di động 37 2.3 Xây dựng thuật toán điều khiển thích nghi sở mạng nơ ron nhân tạo 43 2.3.1 Đặt toán 45 2.3.2 Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi cho đối tượng phi tuyến bất định 47 2.4 Mô phỏng, kiểm chứng hiệu hệ thống thích nghi tự động bám sát đối tượng di động 57 2.5 Kết luận chương 65 CHƯƠNG III XÂY DỰNG THUẬT TỐN THÍCH NGHI, BỀN VỮNG TRÊN CƠ SỞ MẠNG NƠ RON VÀ ĐIỀU KHIỂN MODE TRƯỢT CHO HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG BÁM SÁT CÁC ĐỐI TƯỢNG DI ĐỘNG 67 3.1 Sự cần thiết thuật tốn thích nghi, bền vững hệ thống tự động bám sát đối tượng di động 67 3.2 Chế độ trượt hệ thống điều khiển .68 3.2.1 Điều khiển trượt hệ thống cấu trúc biến đổi 69 3.2.2 Phương pháp tổng hợp điều khiển trượt hệ thống 72 3.3.Tích hợp điều khiển mode trượt với điều khiển tối ưu tác động nhanh cho lớp hệ thống tự động bám 75 3.3.1 Vấn đề điều khiển tối ưu tác động nhanh hệ thống tự động bám sát mục tiêu .75 3.3.2 Đề uất phương pháp tổng hợp u t điều khiển đ m b o tính bền vững tính kháng nhi u sở sử dụng chế độ trượt 81 3.4 Ứng dụng thuật tốn điều khiển thích nghi bền vững kết hợp tối ưu tác động nhanh với mode trượt mạng nơron cho hệ thống tự động định vị đối tượng di động 86 3.5 Kết luận chương 95 KẾT LUẬN 96 DANH MỤC CÁC C NG TRÌNH KHOA H C Đ C NG BỐ 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO 99 PHỤ LỤC .108 iii DANH M C CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT  Góc phương vị đài quan sát, [rad]  Góc tà đài quan sát, [rad] D Cự ly mục tiêu, [m] H Độ cao mục tiêu, [m] Va Tốc độ mục tiêu, [m/s] X  ( x1 , xn )T Vector tín hiệu trạng thái u  [u1 , un ]T Vector tín hiệu đầu vào (tín hiệu điều khiển) Z  [z T , 1]T y (t ) Tín hiệu đầu hệ thống yd (t ) Tín hiệu đặt đầu vào hệ thống f (X ) g( X ) Các vector hàm mô tả hệ thống A  Rnn , B  Rnm Ký hiệu ma trận V (X ) Hàm Lapunov S Mặt trượt d(t ), d (t ) Dạng nhiễu phụ thuộc thời gian tác động vào hệ thống u , 0 Hệ số điều khiển mode trượt iv BĐK1, BĐK2 Các điều khiển CCH Cơ cấu chấp hành CLF Hàm điều khiển Lyapunov (Control Lyapunov Function) CMTH Chuyển mạch tín hiệu ĐQS Đài quan sát GAS Hệ ổn định tiệm cận tồn cục (Global Asymptotic Stable) MHTT Mơ hình tuyến tính ND, HCTN Nhận dạng, hiệu chỉnh thích nghi sử dụng mạng nơron RBF PID Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (Proportional Integral Derivative) QĐT - XLA Các phương tiện quang điện tử khối xử lý ảnh RBF Mạng nơron xuyên tâm (Radial Basis Function) Robot hai khớp, dẫn động truyền động điện RLED Robot theo liên kết cứng (Rigid – Link Electrically Driven Robot – RLED Robot) SISO Hệ đầu vào - đầu (Single Input- Single Output System) SMC Bộ điều khiển trượt (Sliding Mode Control) TLĐK Khối tạo lệnh điều khiển TOC Điều khiển tối ưu (Time Optimal Control) XĐSL Khối xác định sai lệch XLTT Khối xử lý tính tốn v DANH M C CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Một số đài tự động định vị, điều khiển ho ực có trang bị quân đội nước tiêu kỹ thu t Hình 1.2 Sơ đồ định vị đối tượng di động khơng gian theo vị trí chuẩn Hình 1.3 10 Sơ đồ định vị đối tượng di động khơng gian theo hai vị trí chuẩn 12 Hình 1.4 Cấu trúc hệ điều khiển mờ thích nghi 31 Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc rút gọn hệ thống bám sát 35 Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc đối tượng điều khiển phi tuyến bất định theo mơ hình (2.26) Hình 2.3 48 Sơ đồ cấu trúc đối tượng điều khiển phi tuyến bất định theo mơ hình (2.28) 48 Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc bù trừ 49 Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc rút gọn hệ thống điều khiển kết hợp Thích nghi/PID với cấu nh n dạng phi tuyến nhi u 51 Hình 2.6 Bi u di n hàm trơn phi tuyến bất định 52 Hình 2.7 Nhi u d(t ) ấp ỉ nh n dạng sai số ấp ỉ Hình 2.8 Hàm phi tuyến phụ thuộc trạng thái f ( X ) ấp ỉ nh n dạng sai số ấp ỉ Hình 2.9 60 61 Phi tuyến nhi u f * ( X , t )  f ( X )  d(t ) ấp ỉ nh n dạng sai số ấp ỉ 62 vi Hình 2.10 Sai số hệ thống sử dụng điều khiển PID điều 63 khiển Thích nghi/PID tác động nhi u Hình 2.11 Hệ thống bám theo hình sin sai số bám sát với điều khiển PID Hình 2.12 64 Hệ thống bám theo hình sin sai số bám sát với điều khiển Thích nghi/PID 64 Hình 3.1 Quỹ đạo chuyển động khơng ổn định hệ 70 Hình 3.2 Quỹ đạo chuyển động hệ biến đổi cấu trúc 71 Hình 3.3 Chân dung pha hệ thống 78 Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc hệ thống tự động bám sát mục tiêu sử dụng điều khiển kết hợp Thích nghi/Trượt 87 Hình 3.5 Dạng mơ phi tuyến nhi u f * ( X , t ) 90 Hình 3.6 Quá trình độ điều khiển Thích nghi/PID, điều khiển Ttrượt Thích nghi/Trượt tác động f * ( X ,t) Hình 3.7 Hệ thống sử dụng điều khiển Trượt bám theo hình sin với   20 tác động f * ( X , t ) Hình 3.8 92 Hệ thống sử dụng điều khiển Thích nghi/Trượt bám theo hình sin với   1 tác động 1.5  f * ( X , t ) Hình 3.10 92 Hệ thống sử dụng điều khiển Trượt bám theo hình sin với   20 tác động 1.5  f * ( X , t ) Hình 3.9 91 92 So sánh hệ thống sử dụng điều khiển bám theo quỹ đạo với đối tượng có tham số biến đổi R  RN 93 ... CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ Nguyễn Trung Kiên XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÁC ĐÀI QUAN SÁT TỰ ĐỘNG ĐỊNH VỊ TỪ XA CÁC ĐỐI TƯỢNG DI ĐỘNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hoá... I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ ĐỊNH VỊ TỪ XA CÁC ĐỐI TƯỢNG DI ĐỘNG TRÊN CƠ SỞ SỬ D NG CÁC THIẾT BỊ QUANG ĐIỆN TỬ 1.1 Vai trò hệ thống tự động định vị từ xa đối tượng di động sở thiết bị quang điện tử Quan. .. cứu phương pháp tổng hợp thiết kế hệ thống tự động định vị đối tượng di động có chất lượng cao 1.2 Định vị đối tượng di động khơng gian theo vị trí chuẩn Các thiết bị, phương tiện hệ thống tự động