Nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển cho một lớp tên lửa đất đối đất phóng thẳng đứng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - ĐẶNG VÕ CÔNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHO MỘT LỚP TÊN LỬA ĐẤT ĐỐI ĐẤT PHÓNG THẲNG ĐỨNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - ĐẶNG VÕ CƠNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN CHO MỘT LỚP TÊN LỬA ĐẤT ĐỐI ĐẤT PHÓNG THẲNG ĐỨNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TSKH Nguyễn Đức Cương TS Nguyễn Đức Thành HÀ NỘI – 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết trình bày luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác, liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ Ngày … tháng … năm 2019 Tác giả luận án Đặng Võ Công ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ biết ơn sâu sắc tới GS.TSKH Nguyễn Đức Cương TS Nguyễn Đức Thành, định hướng nghiên cứu tận tình bảo, hướng dẫn, giúp đỡ tơi thực luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn Thủ trưởng Viện Khoa học Công nghệ Quân sự, Phòng Đào tạo/ Viện Khoa học Cơng nghệ Qn ủng hộ, hướng dẫn, giúp đỡ trình thực bảo vệ luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn Thủ trưởng Viện Tên lửa, Phòng nghiên cứu Viện Tên lửa quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành luận án Tơi xin trân trọng cảm ơn Thủ trưởng Bộ Tư lệnh Phòng khơng-Khơng qn, Thủ trưởng Viện Kỹ thuật Phòng khơng-Khơng qn cán Phòng Nghiên cứu Vũ khí hàng khơng/ Viện Kỹ thuật Phòng khơng-Khơng qn quan tâm, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho thực luận án Tôi xin bày tỏ biết ơn sâu sắc đến gia đình, người thân bạn bè quan tâm, cổ vũ, động viên tạo điều kiện tốt cho thực tốt luận án Tác giả Đặng Võ Công iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ x MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TÊN LỬA ĐẤT ĐỐI ĐẤT VÀ BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN QUỸ ĐẠO CHO MỘT LỚP TÊN LỬA ĐẤT ĐỐI ĐẤT 1.1 Tổng quan tên lửa đất đối đất 1.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 11 1.2.1 Tình hình nghiên cứu nước 11 1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 13 1.3 Những vấn đề tồn hướng tiếp cận luận án 17 1.4 Đề xuất toán điều khiển quỹ đạo cho lớp tên lửa đất đối đất .18 1.4.1 Bài toán điều khiển quỹ đạo cho TLĐĐ giai đoạn đầu .19 1.4.2 Bài toán điều khiển quỹ đạo cho TLĐĐ giai đoạn cuối 33 1.5 Giới hạn phạm vi, đối tượng luận án 36 1.6 Kết luận chương 39 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG QUỸ ĐẠO THAM CHIẾU CHO MỘT LỚP TÊN LỬA ĐẤT ĐỐI ĐẤT 41 2.1 Chuyển động tên lửa đất đối đất có tính đến độ cong quay Trái Đất quanh trục 41 2.1.1 Các hệ tọa độ chuyển đổi hệ tọa độ 41 2.1.2 Hệ phương trình chuyển động TLĐĐ có tính đến độ cong chuyển động quay Trái Đất quanh trục 45 2.2 Bù mặt phẳng bắn ảnh hưởng lực Coriolis 52 2.3 Phương pháp xây dựng quỹ đạo tham chiếu cho lớp TLĐĐ 56 iv 2.3.1 Cơ sở toán học phương pháp xây dựng quỹ đạo tham chiếu 56 2.3.2 Phương pháp số để xây dựng quỹ đạo tham chiếu 58 2.3.3 Các vấn đề xung quanh toán xây dựng quỹ đạo tham chiếu 59 2.4 Kết luận chương 64 CHƯƠNG XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN QUỸ ĐẠO CHO MỘT LỚP TÊN LỬA ĐẤT ĐỐI ĐẤT 65 3.1 Hạn chế phương pháp tiếp cận giải tích 66 3.2 Xây dựng thuật toán bám quỹ đạo tham chiếu giai đoạn đầu cho lớp TLĐĐ 69 3.2.1 Cơ sở hình thành thuật tốn bám quỹ đạo tham chiếu 76 3.2.2 Các tiêu đánh giá 84 3.2.3 Xác định tham số đầu vào luật điều khiển 86 3.2.4 Phương pháp lựa chọn hệ số luật điều khiển .88 3.3 Xây dựng giải pháp điều khiển quỹ đạo giai đoạn cuối cho lớp TLĐĐ 91 3.3.1 Xác định độ cao bắt đầu điều khiển giai đoạn cuối h0 92 3.3.2 Vấn đề tư tên lửa bắt đầu vào điều khiển giai đoạn cuối 94 3.3.3 Thuật toán bám quỹ đạo theo đoạn thẳng mong muốn .96 3.3.4 Giải pháp đa dạng hóa quỹ đạo cơng giai đoạn cuối cho lớp TLĐĐ 98 3.4 Kết luận chương 112 CHƯƠNG MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CỦA MỘT LỚP TÊN LỬA ĐẤT ĐỐI ĐẤT 114 4.1 Các nội dung cần kiểm chứng .114 4.2 Mơ kiểm chứng thuật tốn điều khiển TLĐĐ giai đoạn đầu tác động sai số véc tơ lực đẩy 117 v 4.2.1 Đánh giá chất lượng thuật toán điều khiển ứng với lượng sai số véc tơ lực đẩy khác 120 4.2.2 Khảo sát độ sai lệch quỹ đạo độ cao bắt đầu điều khiển giai đoạn cuối ( h0 ) ứng với lượng sai số véc tơ lực đẩy khác 126 4.3 Mô kiểm chứng thuật toán điều khiển TLĐĐ giai đoạn đầu với bất định tham số đối tượng điều khiển 129 4.3.1 Với độ bất định m 129 131 4.3.2 Với độ bất định m 4.4 Mô kiểm chứng giải pháp điều khiển giai đoạn cuối tên lửa đất đối đất 132 4.4.1 Trường hợp quỹ đạo trung gian 133 4.4.2 Trường hợp quỹ đạo cao, công thẳng đứng 135 4.4.3 Trường hợp quỹ đạo công thấp 136 4.4.4 Trường hợp mở rộng tầm bắn quỹ đạo cao, vươn xa, công thẳng đứng 138 4.5 Kết luận chương 138 KẾT LUẬN 140 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ .142 TÀI LIỆU THAM KHẢO 143 PHỤ LỤC P-1 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Thành phần gia tốc trọng trường hướng vào tâm Trái Đất g Thành phần gia tốc trọng trường hướng theo trục quay g Trái Đất Độ cao tham chiếu Hc Độ cao bắt đầu vào điều khiển giai đoạn cuối h0 J ,J ,J xx yy Mơ men qn tính tên lửa quanh trục tương ứng zz J J Lc Mx, My, Mz M M M M M M M M hệ tọa độ liên kết M Gia tốc li hệ tọa độ liên kết Mô men gây Gia tốc Coriolis sai số chéo Cự li tham chiếu Mơ men sai số góc lệch cánh lái khí động ban đầu M kênh cren ô Mô men sai số góc trượt cạnh ban đầu kênh ngang m Mô men gây sai số véc tơ lực đẩy mặt phẳng e ngang n Mô men kênh đứng góc k Mơ men sai số góc ban đầu kênh đứng hí Mơ men kênh đứng góc lệch cánh lái kênh đứng đ Mơ men kênh đứng tốc độ góc ộ z n Mô men gây sai số véc tơ lực đẩy mặt phẳng g đứng Khối lượng tên lửa m Ox O , r, , m R T0 m Tdk V V m n Y Ox y z a Ox y k Oxyz Ox0 y0 z0 Y cly Z Z clz vii c Đạo hàm mơ men chúc ngóc theo góc Đạo hàm mơ men chúc ngóc theo góc quay cánh lái kênh đứng Đạo hàm mơ men chúc ngóc theo tốc độ góc khơng thứ ngun Q tải pháp tuyến tham chiếu Hệ tọa độ tốc độ Hệ tọa độ quỹ đạo Hệ tọa độ địa lý Hệ tọa độ mặt đất Hệ tọa độ địa lý địa phương Hệ tọa độ cầu địa lý địa tâm Bán kính Trái Đất Thời điểm bắt đầu điều khiển giai đoạn đầu Thời điểm kết thúc điều khiển giai đoạn đầu Vận tốc tên lửa Vận tốc tên lửa thời điểm kết thúc điều khiển Lực cản khí động Lực nâng góc Lực nâng góc lệch cánh lái kênh đứng Lực dạt góc trượt cạnh Lực dạt góc lệch cánh lái kênh ngang Góc Góc trượt Góc liệng (cren, roll) Góc trục Oza HTĐ tốc độ mặt phẳng nằm 144 Nguyễn Hanh Hoàn, Lê Kỳ Biên, Khảo sát hiệu dạng động tên lửa đối hải để vượt hỏa lực pháo phòng khơng tự động tàu, Tạp chí Nghiên cứu khoa học cơng nghệ qn sự, Viện Khoa học Công nghệ quân sự, số 37 (6/2015) Nguyễn Sỹ Long, Trần Quang Huy, Phương Hữu Long (2012), Tổng hợp lệnh điều khiển tối ưu kênh độ cao thiết bị bay hành trình đối hải, Tạp chí Nghiên cứu khoa học cơng nghệ quân sự, Viện Khoa học Công nghệ quân sự, số 18 (6/2012) 10 Đàm Hữu Nghị (2010), Cơ sở tính tốn thiết kế tên lửa theo tiêu đạn đạo, HVKTQS 11 Triệu Việt Phương, Tự hiệu chuẩn cảm biến nâng cao độ xác hệ thống dẫn đường cho đối tượng chuyển động mặt đất, Luận án TSKT, 2017, Thư viện quốc gia Việt Nam 12 Vũ Hỏa Tiễn (2010), Cơ sở thiết kế hệ tự động ổn định tên lửa, Học viện KTQS, Hà Nội 13 bay, Vũ Hỏa Tiễn (2013), Động họс hệ thống điều khiển thiết bị HVKTQS 14 Tạ Hải Tùng, Lã Thế Vinh, Nguyễn Đình Thuận, Thiết kế chế tạo thu định vị sử dụng vệ tinh độ xác cao thời gian thực thử nghiệm đo lưới khống chế, Hội thảo khoa học toàn quốc“Nghiên cứu ứng dụng công nghệ vũ trụ”, Hà Nội, 2014 15 Dương Quốc Tuấn, Trần Đức Thuận, Nguyễn Đức Thắng, Áp dụng thuật toán điều khiển tối ưu bám sát góc tầm tên lửa đạn đạo nhằm giảm sai số phát bắn, Tạp chí Nghiên cứu khoa học Công nghệ quân sự, Viện Khoa học Công nghệ quân sự, số (8/2003) 16 Phạm Vũ Uy nhóm đề tài (2002), Tính tốn đường đạn cho lớp tên lửa, Báo cáo tổng kết đề tài, Viện Tên lửa - Viện KH&CN QS, BQP 145 17 Đặng Công Vụ, Nguyễn Đức Cương, Lê Thanh Phong, Trần Quốc Toàn, Đỗ Xuân Tuyền, Đặng Võ Cơng, Ứng dụng điều khiển thích nghi theo tốc độ gradient với mơ hình tham chiếu tường minh cho UAV cỡ nhỏ điều kiện có nhiễu động gió, Tạp chí Nghiên cứu khoa học cơng nghệ qn sự, Viện Khoa học Công nghệ quân sự, số 46 (12/2016) Tiếng Anh 18 B Burchett and M Costello, Model predictive lateral pulse jet control of an atmospheric rockets, Journal of Guidance Control and Dynamics, vol 25, no 5, pp 860-867, 2002 19 B Pavkovic, M Pavic, and D Cuk, Frequency- modulated pulse-jet control of an artillery rocket, Journal of Spacecraft and Rocskets, vol 49, no 2, pp 286-294, 2012 20 B Pavkovic, M Pavic, and D Cuk, Enhancing the precision of artillery rockets using pulsejet control systems with active damping, Scientific Technical Review, vol 62, no 2, pp 10-19, 2012 21 Bosch Sensortec, BMP180 Datasheet, Document Revision 2.3, (05/2011) 22 Cenk Demir, Abhyudai Sigh (2017), Prediction and Control of Projectile Impact Point using Approximate Statiscal Moments 23 Cuk Danilo, Essuri Mostafa & D Madic Slodoban, A new guidance law for a tactical surface-to-surface missile, Military Technical Courier, vol 60, no 1, pp 115-135, 2012 24 Garmin, GPS 18x Technical Specifications, Document Revision D, (03/2011) 25 M Costello and T Jitpraphai, Dispersion reduction of a direct fire rocket using lateral pulse jets, Journal of Spacecraft and Rocskets, vol 38, no 6, pp 929-936, 2001 146 26 Min Gao, Yongwei Zhang, Dan Fang (2016), Trajectory Correction Capability Modeling of the Guided projectiles with Impulse Thrusters, Engineer Letters, 24:1, EL_24_1_2002 27 National Air and Space Intelligence Center (NASIC), Ballistic and Cruise Missile Threat, (6/2017) 28 Novatel, IMU-LN200 Datasheet, Document Revision 2, (04/2017) 29 NVS Technologies AG, NV08C-RTK GNSS Card Datasheet, Version 1.0, (11/2014) 30 NXP, MPXA6115A Datasheet, Document Revision 7.3, (04/2015) 31 Qing-wei Guo, Wei-dong Song, Min Gao, Dan Fang (2016), Advanced guidance Law Design for Trajectory-Corrected Rockets with Canards under Single Chanel Conrol, Engineer Letters, 24:4, EL_24_1_13 32 R Zardashti and M Bagherian, Flight Path Angle Sreering with Lambert Guidence Reference, Journal of guidance Control and Dynamics, vol 27, no 6, pp 989-996, 2004 33 SBG Systems, Ellipse-N Datasheet, Version 1.1, (08/2015) 34 S K Gupta, S Saxena, A Singhal and A K Ghosh, Trajectory correction flight control system using pulsejet on an artillery rocket, Defense Science Journal, vol 58, no 1, pp 15-33, 2008 35 Slobodan, MSc (2009), Guidance of Ground to Ground Rockets Using Flight Path Steering Method, Scientific Technical Review, Vol.LIX, No.3-4, 2009 36 Steven J Zaloga, Scud Ballistic Missile and Launch System 1955-2005, Osprey (2006) 37 Tersus, BX305 GNSS Real-time Kinematic Board Datasheet, Version 2.1, (07/2018) 38 The MathWorks, Simulink Design Optimization User’s Guide, March 2015 147 39 T Harkins and T Brown, Using ative damping as a precision enhancing technology for 2.75-inch rockets, Tech rep ARL-TR-1172, US Army Research Laboratory, Aberdeen, Md, USA, 1999 40 VectorNav Technologies, VN-100 User Manual, Document Revision 2.41, (03/2017) 41 VectorNav Technologies, VN-300 User Manual, Document Revision 2.41, (03/2017) 42 Xsens, Mti-g-710 User manual, Document Revision 2018.A, (02/2018) 43 Yang Hongwei, Dou Lihua, and Gan Minggang, Control method of impulse actuator of antiaircraft trajectory correction projectile, Transaction of Beijing Institute of technology, vol 31, no 10, pp 1184-1188, 2011 44 Zarchan P, Tactical and Strategic Missile Guidance (3rd Edition), the American Institute of Aeronautics and Astronautics (1997) Tiếng Nga 45 А.А Лебедев, Л.С Чернобровкин, Динамика полета беспилотнных летательных аппаратов, Машиностроение, Москва, 1973 46 В.С Моисеев, А.Н Козар, Основы теории применения управляемых артиллерийских снарядов, Казань, 2004 47 Нгуен Хай Минь, Использование прогнозирующих моделей для оценки влияния нестационарности атмосферы на движение летательных аппаратов, Гагаринские чтения Секция - Механика космического полета, Тезисы докладов Международной молодежной научной конференции XXXIII - М 2007 - Том - С 99-100 48 Нгуен Хай Минь, Моделирование действия случайного ветра, на движение снарядов реактивных систем залпового огня (РСЗО), Гагаринские чтения, Секция - Механика космического полета, 148 Тезисы докладов Международной молодежной научной конференции XXXIV - М 2008 - Том 5.-С 133-135 49 НПО Машиностроение, Методика анализа устойчивости и выбора алгоритмов стабилизации ракеты, Москва, 1999 50 В.Г Воробьев, С.В Кузнецов, Автоматическое управление полетом самолетов, Москва “Транспорт”, 1995 Trang WEB 51 http://www.missiledefenseadvocacy.org 52 http://www.military-today.com/missiles.htm 53.http://fas.org/irp/threat/missile/ 54 https://www.globalsecurity.org/military/world/israel/extra.htm 55 http://www.imisystems.com/whatwedocat/firepower- precision/#main-form 56 http://www.ansys.com/Products/Fluids/ANSYS-CFX ... VỀ TÊN LỬA ĐẤT ĐỐI ĐẤT VÀ BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN QUỸ ĐẠO CHO MỘT LỚP TÊN LỬA ĐẤT ĐỐI ĐẤT 1.1 Tổng quan tên lửa đất đối đất 1.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 11 1.2.1 Tình hình nghiên cứu. .. ĐẶNG VÕ CÔNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHO MỘT LỚP TÊN LỬA ĐẤT ĐỐI ĐẤT PHÓNG THẲNG ĐỨNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 52 02 16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI... dung nghiên cứu Xây dựng toán điều khiển quỹ đạo nghiên cứu phương pháp xây dựng quỹ đạo tham chiếu lớp TLĐĐ; Xây dựng thuật toán điều khiển bám quỹ đạo giai đoạn đầu cho lớp TLĐĐ; Xây dựng giải