Nghiên cứu tổng hợp hệ thống tự động bám sát mục tiêu cho đài quan sát trên phương tiện cơ động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ Vũ Quốc Huy NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG BÁM SÁT MỤC TIÊU CHO ĐÀI QUAN SÁT TRÊN PHƯƠNG TIỆN CƠ ĐỘNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số : 62 52 02 16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2017 Công trình hoàn thành tại: VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Quang Hùng PGS TS Nguyễn Vũ Phản biện 1: GS.TS Lê Hùng Lân Phản biện 2: PGS.TS Phạm Trung Dũng Phản biện 3: PGS TS Nguyễn Văn Liễn Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án Viện Khoa học Công nghệ quân sự, Hà Nội Vào hồi ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện quốc gia Việt Nam - Thư viện Viện Khoa học Công nghệ quân MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài luận án Đài quan sát động hiểu đài quan sát (ĐQS) di chuyển trình tác chiến Đây hệ thống bao gồm hệ quay/quét [15], [21], [29] có khớp quay bệ gắn liền phương tiện chuyển động để quan sát mục tiêu camera đo cự ly từ ĐQS đến mục tiêu máy đo xa la-de Cơ cấu chấp hành (CCCH) hệ động điện Việc đưa ĐQS lên phương tiện động trước hết để phục vụ cho hệ điều khiển hỏa lực tích hợp xe (Hình 0.1); mang ý nghĩa chiến thuật khác giảm thời gian triển khai trận địa tăng cường khả động cho khí tài để tránh bị tiêu diệt Chuyển động phương tiện làm cho ĐQS bị lắc, làm đổi hướng gây đường ngắm đột ngột Hệ bám sát mục tiêu quan tâm luận án có cấu trúc hệ ổn định đường ngắm trực tiếp Những yêu cầu chiến tranh công nghệ cao cho thấy tính phức tạp tính cấp thiết toán điều khiển bám sát mục tiêu cho ĐQS động mà dựa sở lý thuyết điều khiển đại giải Đây chủ đề mang tính đặc thù quân sự, chưa thấy có tài liệu công bố nước đề cập, đồng thời nguồn tài liệu nước hạn chế, không tiếp cận Hình 0.1: Sơ đồ nguyên lý hệ bám mục tiêu phương tiện động Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu luận án tổng hợp thuật toán điều khiển truyền động hệ điện quay/quét bậc tự gắn camera quan sát máy đo xa la-de, đặt phương tiện giới quân nhằm ổn định đường ngắm, bám sát mục tiêu phục vụ trực tiếp cho hệ điều khiển hỏa lực tích hợp xe động chiến đấu; định vị mục tiêu hệ tọa độ cố định mặt đất, hỗ trợ cung cấp phần tử bắn cho trận địa hỏa lực PPK Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống bám ĐQS động chịu tác động rung lắc chuyển hướng phương tiện Cấu trúc vật lý ĐQS gồm có hệ quay/quét (phương vị/tà) gắn liền phương tiện; thiết bị quang điện tử (camera quan sát, máy đo xa la-de) gắn lên khối tà; CCCH sử dụng khối điều khiển chuyển động hợp (động đồng kích thích vĩnh cửu PMSM gắn kèm hộp giảm tốc, khuếch đại công suất phù hợp với động PMSM) Hệ truyền động điện đồng thời làm nhiệm vụ bắt bám bù trừ rung lắc Phạm vi nghiên cứu: Bài toán ổn định đường ngắm trực tiếp bám sát mục tiêu quan tâm chủ yếu; toán định vị mục tiêu hệ tọa độ cố định mặt đất phép tính toán dựa phép quay tọa độ Luận án không quan tâm thuật toán xử lý ảnh coi hệ bám ảnh đưa sai lệch tâm ảnh Sai lệch từ hệ quang ảnh sử dụng làm sở phản hồi thông tin mục tiêu Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển truyền thống đại; đặc điểm CCCH sử dụng làm hệ truyền động điện cho ĐQS - Xây dựng mô hình toán ĐQS động theo khối bao gồm hệ quay/quét, khối CCCH, khối tính toán sai lệch góc bám xử lý số liệu đầu vào cho hệ điều khiển bám góc ĐQS có tính đến tham số chuyển động phương tiện - Nghiên cứu ứng dụng điều khiển PID truyền thống theo tiêu chuẩn bền vững để làm sở so sánh, đối chứng - Nghiên cứu phát triển luật điều khiển đại có đặc tính tác động nhanh bền vững với nhiễu, thích nghi với biến đổi tham số dựa lý thuyết ổn định Lyapunov, hệ thống cấu trúc biến đổi lô-gic mờ - Thiết lập mô hướng đến xây dựng mô-đun phần mềm ứng dụng cài đặt máy tính nhúng tích hợp tổ hợp phòng không tầm thấp nhằm đánh giá khả áp dụng thuật toán đề xuất Phương pháp nghiên cứu - Luận án sử dụng phương pháp giải tích, hình học, học xây dựng mô hình đối tượng, phát biểu chứng minh bổ đề, định lý - Luận án tiến hành đo đạc số liệu vào CCCH, đo đạc tham số chuyển động phương tiện bánh lốp số tuyến đường Hà Nội để lấy số liệu thực nghiệm đưa vào nhận dạng, mô - Cài đặt, kiểm chứng thuật toán MATLAB với thông số cụ thể ĐQS phương tiện giới quân có trang bị Quân đội Việt Nam để kiểm chứng hiệu thuật toán đề xuất - Triển khai thực tế thông qua việc cài đặt phần thuật toán tổng hợp máy tính nhúng tích hợp hệ thống thực Ý nghĩa khoa học thực tiễn Luận án nghiên cứu, xây dựng phương pháp thuật toán dựa công cụ lý thuyết điều khiển đại điều khiển bền vững, điều khiển thích nghi, điều khiển trượt truyền thống trượt đầu cuối, hệ lô-gic mờ, ứng dụng điều khiển đối tượng phi tuyến Tính đắn thuật toán đề xuất chứng minh toán học mô kiểm chứng Kết nghiên cứu luận án sở khoa học để thực thi thuật toán máy tính nhúng tích hợp hệ thống có nhu cầu thiết kế chế tạo cải tiến, nâng cao chất lượng bám sát mục tiêu cho ĐQS động Bố cục luận án Mở đầu, 04 chương, kết luận, tài liệu tham khảo phụ lục Chương 1: Tổng quan hệ thống bám sát mục tiêu phương tiện động Chương 2: Xây dựng mô hình động học đài quan sát sở động học thành phần hệ thống Chương 3: Thuật toán điều khiển hệ bám góc mục tiêu đài quan sát ứng dụng điều khiển trượt lô-gic mờ với kỹ thuật phân vùng trạng thái mặt trượt đầu cuối nhanh cải tiến Chương 4: Mô thuật toán điều khiển bám góc mục tiêu đài quan sát với số liệu thực nghiệm Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BÁM SÁT MỤC TIÊU TRÊN PHƯƠNG TIỆN CƠ ĐỘNG 1.1 Một số hệ thống quan sát, bám sát mục tiêu 1.1.1 Hệ thống định vị mục tiêu di động ĐQS cố định Có thể xem tay máy có khớp quay bệ đặt cố định mặt đất, có khả quay/quét để quan sát mục tiêu camera đo cự ly từ ĐQS đến mục tiêu máy đo xa la-de [15], [21], [29], [37] Vấn đề bỏ ngỏ ổn định đường ngắm ĐQS để bám sát mục tiêu phương tiện chuyển động 1.1.2 Hệ thống bám sát mục tiêu di động ĐQS động Luận án theo xu hướng nghiên cứu xem xét hệ thống bao gồm hệ thống phối ghép lại với nhau, từ ứng dụng, phát triển thuật toán xử lý, thuật toán tổng hợp hệ thống hiệu nhằm tối ưu hóa tiêu chất lượng mong muốn Nhận xét: Các hệ thống quan sát, bám sát mục tiêu tương đối giống cấu trúc vật lý Tuy nhiên tính mục đích đối tượng khác nên cần có thuật toán tổng hợp khác nhau, đáp ứng tiêu kỹ thuật đề Đặc biệt, với ĐQS động, cần xây dựng luật điều khiển bền vững, tác động nhanh khoảng thời gian hữu hạn để bù thay đổi rung lắc có tần số cao chuyển hướng phương tiện 1.2 Hệ truyền động bám cấu chấp hành hệ truyền động bám 1.2.1 Khái niệm hệ truyền động bám cấu trúc hệ điều khiển bám phương tiện động Hệ truyền động (HTĐ) bám hệ thống kín đầu vào thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian, đầu điều khiển bám theo đầu vào với độ xác mong muốn [30] Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển bám phương tiện động 1.2.2 Cơ cấu chấp hành hệ truyền động bám CCCH hệ truyền động bám (TĐB) động điện (động DC, động KĐB xoay chiều pha, động bước, đông BLDC, động PMSM) Đối với cấu chấp hành sử dụng động PMSM, nay, nhiều thuật toán phương pháp điều khiển động tích hợp sẵn biến tần Tuy nhiên, thân điều khiển sẵn có hoạt động tốt chế độ xác lập Còn chế độ bám, thay đổi liên tục số liệu đầu vào nên riêng biến tần không đáp ứng yêu cầu đặt ra, cần bổ sung điều khiển vòng 1.3 Tổng quan tổng hợp hệ thống bám sở lý thuyết điều khiển đại ứng dụng cho điều khiển hệ ĐQS 1.3.1 Phân loại kỹ thuật điều khiển 1.3.2 Một số phương pháp tổng hợp hệ thống có liên quan Xem xét hệ quay/quét ĐQS [15], [29], [37] tay máy có hai khớp quay truyền động động điện có liên kết cứng, gắn liền với sàn phương tiện động Với cấu trúc hệ ĐQS hệ Euler-Lagrange phi tuyến đa biến Với việc thiết kế hệ cân tâm, trọng tâm khâu đặt tâm khâu, gốc hệ tọa độ nên trọng lực không ảnh hưởng tới hệ Do vậy, động lực học hệ có dạng: (1.2) D(q)q  C (q, q)q  d  u * Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi phương pháp backstepping * Tổng hợp hệ điều khiển thích nghi sở mạng nơ-ron * Tổng hợp luật điều khiển thích nghi tham số Li-Slotine * Hệ lô-gic mờ ứng dụng nhận dạng điều khiển 1.3.3 Một số luật điều khiển trượt truyền thống Đối với hệ thống chịu ảnh hưởng mạnh nhiễu có bất định tham số, để tổng hợp hệ điều khiển bám có chất lượng cao điều khiển cấu trúc biến đổi hoạt động theo nguyên lý trượt lựa chọn tối ưu nhờ khả bất biến với nhiễu tác động lên hệ thống khắc phục yếu tố bất định [16], [18], [81] * Thuật toán SMC thông thường: Chọn mặt trượt có dạng: (1.8) S  qe  Iqe hay S  qe  qe Chọn tác động điều khiển dạng: u  Bˆ 1u eq  Bˆ 1K sgn(S ) , K  diag (k1 , k2 , , kn ); ki  R* (1.9) Điều kiện tồn chế độ trượt: ki  b  ueq  b(h     ); i  1, , n (1.23) * SMC truyền thống với kỹ thuật lớp biên hàm bão hòa: Để giảm tượng chattering, [80] thay hàm dấu (1.9) hàm bão hòa (1.24), sử dụng kỹ thuật lớp biên điều khiển trượt [59] (1.24)  s sgn pi : si  i satpi   ; i  1, , n ; pi  i ; i  i si  i   pi : * Thuật toán SMC truyền thống sử dụng hàm tích phân bão hòa: si  i 1:  ti  satPI( pi )   pi  k Ii  pi dt : si  i ; i  1, , n ti  1: si  i  Tác động điều khiển: u  Bˆ 1u eq  Bˆ 1KsatPI( p) (1.25) (1.26) Giả thiết chọn k I i đủ lớn thỏa mãn: (1.27)   pi  k Ii pi  0; pi  ; i  1, , n    pi  k Ii pi  0; pi  Luật điều khiển (1.26) với K chọn theo (1.23) satPI( p) chọn theo (1.25) đảm bảo cho sai lệch bám hội tụ 1.3.4 Kỹ thuật điều khiển trượt đầu cuối với mặt trượt phi tuyến Kỹ thuật trượt đầu cuối nhiều học giả đề xuất ứng dụng vào điều khiển tay máy [72], [83], [84], [89], cho thấy luật điều khiển đảm bảo cho độ dốc mặt trượt lớn, khống chế phạm vi sai lệch bám thời gian hữu hạn, rút ngắn trình độ tạo thiết bị bù phức tạp Mặt trượt đầu cuối (TSM): (1.33) si  qei  i qei ri i , với: i , ri  N * ; i , ri lẻ, ri  i ; i  R* Khi trạng thái hệ nằm mặt trượt ( si  ), sai lệch bám là: i ri i ri i ri i qei (0) i   r  i   i i t  qei   i t  i  q (0)   s   i  ei  i ( i  ri )   Mặt trượt đầu cuối nhanh (FTSM): si  qei   i qei  i qei ri i , i , ri  N * ; i , ri lẻ; ri  i ; i , i  R* (1.34) Bổ đề 1.1: (Bổ đề khoảng thời gian hữu hạn TSM/FTSM) [83], [84] Điểm cân qei  phương trình vi phân liên tục không Lipschitz (1.33) (1.34) điểm ổn định thời gian hữu hạn toàn cục, có nghĩa với điều kiện đầu qei (0)  qei trạng thái hệ hội tụ thời gian hữu hạn T (qei ) lại mãi (nếu tác động từ bên ngoài), với: i T (qe )  qe i ( i  ri ) i i ri i i  i  ri   i qe i ; T (qe )  ln  i ( i  ri ) i (1.33) i i  i i (1.34) Trong đó: i , ri  N ; i , ri lẻ; ri  i ; i , i  R ; i  1, * * Bổ đề 1.2 [83], [84]: Nếu tìm hàm Lyapunov mở rộng V (qei ) đảm bảo: V (qei )  iV (qei )  iV ri i (qei )  , thời gian để hệ xác lập là:  iV  i ri  i (qei )  i i , i , ri  N * lẻ ri  i ; i , i  R* ln  i ( i  ri ) i 1.4 Đặt toán Xét ĐQS có mô tả toán học dạng phương trình EulerLagrange: D(q)q  C (q, q)q  d  u ; D ma trận quán tính, D=(dij)2x2 T (qei )  det(D) ≠ 0; C ma trận coriolis hướng tâm, C =(cij)2x2; u véc-tơ mômen tổng quát; q véc-tơ biến khớp; d vec-tơ nhiễu chuyển động phương tiện gây Giả thiết: 1) Cơ hệ quay/quét ĐQS không bị cân động học quay quanh tâm đài Trọng tâm khối tà phương vị trùng với tâm ĐQS 2) Cơ hệ ĐQS chịu tác động nhiễu rung lắc chuyển hướng phương tiện Nhiễu gây sai lệch góc bám xác định từ hệ quang ảnh 3) Véc-tơ nhiễu d bị chặn thành phần nó: di  d0 ; i  1, , n Gọi: qd véc-tơ góc đặt bám; q véc-tơ góc thực; qe véc-tơ sai lệch góc bám, qe  qd  q Yêu cầu đặt xây dựng thuật toán điều khiển qe  khoảng thời gian hữu hạn Kết luận chương: Đối với đối tượng có mô tả toán học dạng phương trình Euler-Lagrange, luật điều khiển thích nghi bền vững sở kỹ thuật điều khiển trượt, mạng nơ-ron, lô-gic mờ dành nhiều quan tâm; cần phát triển tiếp kỹ thuật lớp biên để hạn chế chattering Nhiệm vụ luận án tổng hợp luật điều khiển thích nghi với tham số hệ thống, đảm bảo hệ thống ổn định bền vững đưa sai lệch góc bám hội tụ thời gian hữu hạn, giảm thiểu rung lắc học hệ truyền động Hướng phát triển kỹ thuật điều khiển trượt FTSM giải pháp tốt cho toán ổn định đường ngắm bám sát mục tiêu ĐQS động Chương 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG HỌC CỦA ĐÀI QUAN SÁT TRÊN CƠ SỞ ĐỘNG HỌC CỦA CÁC THÀNH PHẦN HỆ THỐNG 2.1 Tư thế, vị trí, vận tốc phương tiện hệ tọa độ cố định mặt đất 2.1.1 Các hệ tọa độ tham chiếu Hệ tọa độ cố định mặt đất, hệ tọa độ chuẩn, hệ tọa độ liên kết, hệ tọa độ liên kết chuẩn 2.1.2 Mô tả toán học tư phương tiện hệ tọa độ cố định mặt đất (2.4a)   Bx  By sin  tan   Bz cos tan    By cos  Bz sin  (2.4b)   By sin  sec  Bz cos  sec (2.4c) 2.1.3 Mô tả toán học vị trí vận tốc tịnh tiến phương tiện hệ tọa độ cố định mặt đất * Vận tốc tịnh tiến phương tiện: (2.12) v f  aBx  g sin  v f   aBy  g sin  cos   Bz (2.13) v f   aBz  g cos cos  By (2.14) * Vị trí phương tiện: rox  v f cos  cos roy  v f cos  sin roz  v f sin  2.2 Mô hình động lực học hệ quay/quét ĐQS 2.2.1 Gắn hệ tọa độ với hệ ĐQS Biểu diễn hệ ĐQS động hình 2.4 2.2.2 Phương trình động lực học kênh tà J Ez  J Ey J M Em  Ex    sin 2  f E iE E 2iE E Với: f E   M Ev  M Ec  M Ed  iEE 2.2.3 Phương trình động lực học kênh phương vị J Az M Am       J Ez  J Ey  sin 2  f A iA A iA A Với: f A   M Av  M Ac  M Ad  iA A (2.16) (2.17) (2.18) (2.35) (2.36) (2.47) (2.48) 11 - Bước 3: Tính  n theo công thức n   Ts ; - Bước 4: Tính thông số điều khiển PID theo (3.3); - Bước 5: Tính hàm truyền lọc trước theo (3.4) 3.2 Hệ lô-gic mờ hàm bão hòa mờ 3.2.1 Hệ lô-gic mờ Bộ suy luận mờ thiết kế có dạng SISO với biến đầu vào  Si  pi  ki sgn pi ; đầu tác động điều khiển bổ sung K Fi Mờ hóa  Si hàm thuộc μAj(μSj) dạng Gauss với tập mờ tương ứng với biến ngôn ngữ j = 1, Giải mờ phương pháp trọng tâm [6] Luật mờ: R1: Nếu  Si  (dương lớn – DL) K Fi  (dương lớn – DL); R2: Nếu  Si  (âm lớn – AL) K Fi  (âm lớn – AL); R3: Nếu  Si  (dương nhỏ – DN) K Fi  (dương nhỏ – DN); R4: Nếu  Si  (âm nhỏ – AN) K Fi  (âm nhỏ – AN); R5: Nếu  Si  (bằng không – BK) K Fi  (bằng không – BK) 3.2.2 Hàm bão hòa mờ  kDi si  ki  sgn pi : si  i (3.6) satF ( pi )    kDi si  ki  sgn pi  fuzzy( pi  ki sgn pi ) : si  i fuzzy( pi  ki sgn pi ) hàm đặc tính mờ có dấu với đối số thỏa mãn fuzzy(0i )  ; pi  si i ;  i độ dày biên Bi mặt trượt si Giá trị  i xác định thuật toán điều khiển thích nghi 3.3 Thuật toán điều khiển cho ĐQS hoạt động chế độ động 3.3.1 Luật điều khiển ASF-VSC cấu trúc biến đổi trượt mờ thích nghi dựa kỹ thuật phân vùng trạng thái hàm bão hòa mờ Định lý 3.1: Hệ thống có mô tả toán học (2.65): uv  D( q ) q  C ( q, q ) q  d , ổn định tiệm cận có sai lệch bám qe hội tụ ˆ  satF ( p) ˆ  Cq với luật điều khiển: uv  Dq r r mặt trượt: S  qe  Iqe (3.7) (3.8) đó: qr  qd  qe ;   diag (1 , 2 , , n ); i  R* ; i  1, ; qe  qd  q sai lệch bám; I ma trận đơn vị; Dˆ , Cˆ đánh giá D, C; Dˆ , Cˆ nhận thông qua chỉnh định thích nghi ˆ  Km1Y T ( q, q, qr , qr )S ; ˆ 12 đánh giá véc-tơ tham số  có thành phần phụ thuộc mô-men quán tính hệ tham số động học CCCH; d bị chặn thành phần nó; satF ( p) hàm bão hòa mờ định nghĩa theo (3.6) Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc điều khiển ASF-VSC 3.3.2 Xây dựng suy luận mờ hoạt động bên vùng lân cận mặt trượt với kỹ thuật phân vùng trạng thái Hình 3.4: Mô tả biên Bi , mặt trượt, ảnh pha luật chọn K F 13 Kỹ thuật phân vùng trạng thái: Khi nhiễu làm cho quỹ đạo trạng thái hệ xa mặt trượt, chọn K F lớn để tăng tính bền vững đưa quỹ đạo trạng thái hệ thống tiến nhanh mặt trượt Khi quỹ đạo trạng thái hệ tiến đến gần mặt trượt, chọn K F nhỏ nhằm giảm mức độ thay đổi tín hiệu điều khiển Khi quỹ đạo trạng thái hệ nằm mặt trượt, chọn K F  để loại bỏ thay đổi dấu liên tục tín hiệu điều khiển 3.3.3 Luật điều khiển cấu trúc biến đổi FTESM-VSC phát triển từ kỹ thuật trượt đầu cuối nhanh với mặt trượt cải tiến Phát triển thêm kỹ thuật TSM/FTSM [83], [84], luận án đề xuất chọn mặt trượt đầu cuối nhanh cải tiến (FTESM - Fast Terminal Extended Sliding Mode): si  qei  i  li  qei  i qerii i (3.26) Với: qei  qMTi  qi ; i , ri  N * lẻ, ri  i ; i , i  R* ; qMTi góc   mục tiêu; li (qei )  ln qe2i    ;    Khẳng định 3.1: Với tham số điều kiện ban đầu, trượt đầu cuối nhanh cải tiến (3.26) hội tụ nhanh so với mặt trượt đầu cuối nhanh (1.34) Sau hội tụ 0, trạng thái hệ lại mãi (nếu tác động từ bên ngoài) Định lý 3.2: (Định lý luật điều khiển thời gian hữu hạn) Xét đối tượng có mô tả động học: q   h ( q, q )  B( q )uv   với: B(q)  D1 (q); h(q, q)  B(q)C(q, q)q;   B(q)d , đó: D ma trận quán tính, C ma trận coriolis hướng tâm hệ Euler-Lagrange biến; uv tín hiệu điều khiển; q góc khớp; d nhiễu tác động lên hệ Giả thiết: - Xác định sai lệch góc bám qe  qMT  q ; qMT góc mục tiêu cần bám; - Các tham số quán tính B( q) h(q, q) xác định rõ; - Véc-tơ nhiễu  bị chặn thành phần:  i   ; i  1, , n Luật điều khiển: uv  B1  q  h  qe  (  L)qe  Q qe  Q2 qe   B 1u c  2 qe21 2 qe22   1  1 với: Q2  diag  ,  ; Q  diag qe11 , qe22 ;   qe   qe2        14   diag ( ,  ) ;  i  ri ; i , ri  N * lẻ, ri   i ; u c  satF hàm i bão hòa mờ định nghĩa theo (3.2);   diag (1 ,  ) ;   diag (1 , 2 ) ;      i , i  R* ; L  diag ln qe2  1 , ln qe2  1 ;    , đảm bảo cho hệ thống tiến đến mặt trượt: S  qe  (  L) qe    qe11 T qe22  , đưa sai lệch góc bám qe hội tụ khoảng thời gian hữu hạn Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc điều khiển FTESM-VSC * Ngoài biên: qei  khoảng thời gian hữu hạn không lớn hơn:  i  ri   i qei i Ts (qei )  ln  i ( i  ri ) i i  i  kDi si (qei )  ki sgn si (qei ) ln kDi ki (3.45) * Trong biên: qei  khoảng thời gian hữu hạn không lớn hơn: 15  i  ri   i qei i Ts (qei )  ln  i ( i  ri ) i i  i  k Di si (qei )  ki sgn si (qei ) ln k Di ki (3.51) 3.4 Xác định góc mục tiêu hệ tọa độ chuẩn làm đầu vào bám cho ĐQS mục tiêu phương tiện chuyển động hệ tọa độ cố định mặt đất  1d  arctan  ygM xgM  ; 2d  arctan z gM 2 xgM  ygM  (3.56) 3.5 Xác định góc đường ngắm ĐQS hệ tọa độ chuẩn phương tiện chuyển động hệ tọa độ cố định mặt đất t a  1  arctan  22   arctan  a21   v f t  v f  cos  sin dt  ;   arcsin  a23  (3.67) cos  cos dt Kết luận chương: Xem xét động học hệ thống dạng tuyến tính, chương tổng hợp luật điều khiển PID theo chuẩn ITAE sử dụng cho ĐQS hoạt động chế độ cố định, đóng vai trò điều khiển đối chứng Kết này công bố công trình khoa học số 1, Xem xét mô tả toán học ĐQS động dạng phương trình Euler-Lagrange, chương tổng hợp xác lập luật điều khiển ASF-VSC FTESM-VSC áp dụng cho trường hợp có đánh giá thích nghi tham số mô hình đối tượng (ASF-VSC) trường hợp không cần đánh giá thích nghi tham số mô hình đối tượng (FTESM-VSC) Kết công bố công trình khoa học số 2, Một hướng áp dụng hiệu khác sử dụng đồng thời luật trên, FTESMVSC luật điều khiển chủ yếu, ASF-VSC sử dụng với vai trò xác định tham số hệ thống ban đầu dự phòng nóng việc đánh giá tham số có bất định xảy Khi ASF-VSC thực chức tự động dò tìm tham số thực (auto-tuning) Chương 4: MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM GÓC MỤC TIÊU CỦA ĐÀI QUAN SÁT VỚI SỐ LIỆU THỰC NGHIỆM 4.1 Thông số hệ tiêu kỹ thuật ĐQS * Cơ cấu chấp hành: Động cơ, biến tần hãng Delta [92]: Công suất 750W; mô-men cực đại: Tmax  2,39 Nm ; mô-men quán tính động cơ: JM = 16 1,13.10-4kgm2; hệ số ma sát tải: b = 10-3 Nm/(rad/s); hệ số điều chỉnh mômen: KM = 0,717 Nm/V * Hộp giảm tốc tỉ số truyền: Hộp số Harmonic, tỉ số truyền kênh tà, phương vị iE  160 , iA  160 , coi hiệu suất  A   E  100% * Chỉ tiêu kỹ thuật ĐQS: Thể bảng 4.1 4.2 Thực nghiệm chủ động thu thập số liệu nhận dạng 4.2.1 Nhận dạng hàm truyền đạt khâu biến tần - động PMSM k 3100,8591 WIM ( s)   (4.2)  s  0,0483s  4.2.2 Thực nghiệm thu thập số liệu chuyển động phương tiện Số liệu tham số mô tả chuyển động phương tiện đo ghi lưu số tuyến đường khu Đô thị Việt Hưng, Hà Nội (ĐTVH), dựa thiết bị IMU ADIS16354 mô-đun GPS Tốc độ tịnh tiến góc Euler biểu diễn tư phương hình 4.3 đến 4.5 Hình 4.3: Góc chuyển hướng phương tiện khu ĐTVH Hình 4.4: Góc nghiêng phương tiện khu ĐTVH Hình 4.5: Vận tốc tịnh tiến phương tiện khu ĐTVH 17 Hình 4.6 (a, b, c) thể rung lắc chuyển hướng phương tiện khu ĐTVH, đo 600s Kết đo thống kê bảng 4.2 a) Tốc độ lắc ngang sàn xe b) Tốc độ lắc dọc sàn xe c) Tốc độ chuyển hướng phương tiện Hình 4.6: Tốc độ góc phương tiện khu ĐTVH Bảng 4.2: Thông số thực nghiệm số tuyến đường Hà Nội Thông số đo đạc thực Vòng xuyến Khu đô thị Khu ĐTVH nghiệm (giá trị lớn nhất) ĐTVH Sài Đồng Tốc độ lắc dọc, lắc ngang ±4o/s ±3o/s ±6o/s o o Tốc độ chuyển hướng ±25 /s ±30 /s ±30o/s Vận tốc phương tiện 60km/h 15km/h 45km/h Góc nghiêng dọc, nghiêng ±7o ±5o ±5o ngang sàn xe 18 4.3 Tính toán góc mở hệ số quy đổi góc từ đầu xử lý ảnh 120  2 90  2 Gx   0, 035rad  0, 046rad ; G y  (4.4) 16384 16384 Py 16384  640 P kx  k y  x    13907( pixel / rad ) (4.5) Gx G y 120  2 Giá trị tính toán (4.4) cho thấy góc mục tiêu lớn giá trị góc mở (4.4) camera, mục tiêu khỏi trường nhìn hẹp 4.4 Mô tả quỹ đạo mục tiêu hệ tọa độ cố định mặt đất số huấn luyện thực tế Hai kịch mục tiêu với thông số bảng 4.6 [29] dựa số huấn luyện thực tế cPPK 37mm-2N, tạo mục tiêu giả, làm đầu vào cho hệ bám góc để thực mô thuật toán điều khiển Quỹ đạo bay Đường thẳng Vòng tròn Bảng 4.6: Thông số mô mục tiêu Cự ly Góc hướng Độ cao P (m) (ly giác) (m) (m) D0 H P 1t 9500 9500 1500 1500 350 350 1000 3000 Vận tốc (m/s) v 150 150 4.5 Mô đánh giá chất lượng hệ thống chế độ cố định với luật điều khiển PID-ITAE 0, 0243 Bộ điều khiển PID: (4.15) GC ( s )  0, 0134   0, 0023s s 0, 0243 GP ( s )  Bộ tiền xử lí: (4.16) 0, 0023s  0, 0134s  0, 0243 Hình 4.11: Sai lệch góc bám PV với góc nghiêng dải ±0,15o Nhận xét: Với góc nghiêng nhỏ ±0,15o sai lệch góc bám khoảng 5mrad (hình 4.11) Tuy nhiên góc nghiêng dải ±2o, sai lệch góc bám tăng lên 10 lần (hình 4.12) 19 Hình 4.12: Sai lệch góc bám PV với góc nghiêng dải ±2o Hình 4.14: Sai lệch góc bám PV với góc nghiêng dải ±7o Nhận xét: Kết mô hình 4.14 cho thấy vấn đề ổn định đường ngắm ĐQS chịu ảnh hưởng lớn góc nghiêng bệ Khi góc nghiêng bệ ĐQS lớn sai lệch góc bám lớn 4.6 Mô đánh giá chất lượng hệ thống chế độ động với luật điều khiển FTESM-VSC kỹ thuật phân vùng trạng thái 4.6.1 Thủ tục thực trình mô 4.6.2 Tham số mô phỏng, suy luận mờ đáp ứng độ hệ thống K  diag (0,005;0,005);   diag (7 / 9;7 / 9); T  5 5;   105 ;   diag (20, 20);   diag (2, 2); K D  diag (5,5); K  diag (10,10); a) Theo kênh phương vị b) Theo kênh tà Hình 4.16: Đặc tính vào hàm satFi theo mô-men chuẩn hóa 20 Khi độ, ĐQS có tốc độ góc lớn 120o/s; hệ xác lập trước 1s Hình 4.17: Đáp ứng độ góc từ ÷ 90o 4.6.3 Kết mô sai lệch góc bám mô-men điều khiển ĐQS động bám mục tiêu với luật FTESM-VSC * Mô trường hợp điều khiển bám mục tiêu bay thẳng Hình 4.19: Sai lệch góc bámmục tiêu bay thẳng Hình 4.21: Mô-men điều khiển thời gian 380s ÷ 420s Nhận xét: Sai lệch góc bám mục tiêu không vượt 0,5mrad (hình 4.19) Ở thời điểm phương tiện chuyển hướng cần lượng mô-men điều khiển PV nhiều Nhìn chung, mô-men điều khiển có đặc tính tốt, chattering (hình 4.21) * Mô trường hợp điều khiển bám mục tiêu bay vòng Hình 4.22: Sai lệch góc bám mục tiêu bay vòng 21 Hình 4.24: Mô-men điều khiển thời gian 50s ÷ 100s Nhận xét: Hình 4.22 cho thấy sai lệch góc bám không vượt 0,5mrad Quan sát mô-men điều khiển hình 4.24 thời gian 50-100s thấy mô-men điều khiển có đặc tính mềm, lượng mô-men điều khiển hoàn toàn đáp ứng với rung lắc chuyển hướng phương tiện * Mô trường hợp tổng hợp có thay đổi góc tà PV Hình 4.25: Quỹ đạo xoắn trôn ốc đường ngắm ĐQS Hình 4.26: Sai lệch bám quỹ đạo xoắn trôn ốc Hình 4.27: Mô-men điều khiển bám quỹ đạo xoắn trôn ốc Nhận xét: Trong điều kiện tổng hợp, luận án đưa lệnh đặt góc tà góc phương vị dạng hàm sin cosin có biên độ thay đổi vào hệ bám góc 22 ĐQS (hình 4.25) Luật điều khiển FTESM-VSC đảm bảo cho hệ bám góc xác với sai lệch góc bám 0,5mrad (hình 4.26) Chuyển động đường ngắm ĐQS có dạng đường xoắn trôn ốc (hình 4.25) * Mô kỹ thuật phân vùng trạng thái ĐQS bám mục tiêu bay thẳng - Trường hợp thay đổi độ dày biên từ φT = [5 5]→ φT = [0.5 0.5]: Vì S hàm sai lệch nên thu hẹp biên làm cho sai lệch giảm Hình 4.28 thể sai lệch khoảng 0,25mrad Tuy nhiên mô-men điều khiển phải thay đổi với tần số cao, không tốt cho hệ (hình 4.29) Hình 4.28: Sai lệch góc bám φT = [0.5 0.5] Hình 4.29: Mô-men điều khiển φT = [0.5 0.5] - Trường hợp thay đổi độ dày biên từ φT = [5 5]→ φT = [0.2 0.2]: Khi biên thu hẹp đồng nghĩa với sai lệch góc bám nhỏ (0,1mrad – hình 4.30), nhiên mô-men điều khiển bị chuyển đổi giá trị với tần số cao (hình 4.31) Hình 4.30: Sai lệch góc bám φT = [0.2 0.2] 23 STT Hình 4.31: Mô-men điều khiển φT = [0.2 0.2] Bảng 4.7: Tổng hợp kết mô Chỉ tiêu kỹ thuật Mô Yêu cầu Thời gian chuyển vị trí 0o → 90o (s)