Tổng hợp hệ thống điều khiển truyền động pháo phòng không 37mm-2N cải tiến

Mô hình động lực học hệ truyền động pháo phòng không (PPK) 37mm-2N cải tiến là một hệ phi tuyến bất định, trong đó thành phần phi tuyến và bất định do mô men quán tính của các hệ truyền động gây ra. Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu phương pháp tổng hợp bộ điều khiển hệ truyền động cho Pháo phòng không 37mm-2N.

Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG PHÁO PHỊNG KHƠNG 37MM-2N CẢI TIẾN Lê Việt Hồng*, Nguyễn Hữu Thắng Tóm tắt: Mơ hình động lực học hệ truyền động pháo phòng không (PPK) 37mm-2N cải tiến hệ phi tuyến bất định, thành phần phi tuyến bất định mơ men qn tính hệ truyền động gây Bải báo trình bầy kết nghiên cứu phương pháp tổng hợp điều khiển hệ truyền động cho Pháo phòng khơng 37mm-2N Kết nghiên cứu mô đánh giá phần mềm matlab-similink qua làm sở khoa học cho tốn tự động hóa hồn tồn hệ truyền động PPK37mm-2N Từ khóa: Pháo phòng khơng 37mm-2N; Hệ thống điều khiển; Động lực học MỞ ĐẦU Một nhiệm vụ quan trọng cải tiến PPK 37mm-2N chế độ tự động hoàn toàn cải tiến hệ truyền động quay tay trở thành hệ truyền động dẫn động động điện điều giúp nâng cao tốc độ độ xác bám sát hệ thống, đồng thời giảm quân số tham gia trực tiếp chiến đấu Để thực chuyển đổi hệ truyền động quay tay sang hệ truyền động điện, công việc cần phải triển khai sau [3]: 1) Bổ sung hệ thống truyền động động vào hệ thống truyền động phương vị tà pháo 2) Xác định mơ hình tham số cho hệ truyền động 3) Tổng hợp điều khiển cho hệ truyền động cải tiến pháo Mơ hình động học cho hệ truyền động phương vị hệ truyền động tà pháo PPK 37mm-2N cải tiến xây dựng sở phương pháp thực nghiệm kết hợp cơng cụ tốn học [1] Đây hệ phi tuyến bất định, thành phần phi tuyến bất định mơ men qn tính hệ truyền động gây Chính vậy, việc xây dựng điều khiển bền vững hoạt động chế độ trượt phục vụ cải tiến PPK 37mm-2N phù hợp XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG PPK 37MM-2N 2.1 Phương trình trạng thái động lực học hệ truyền động PPK 37mm-2N Hệ truyền động PPK 37mm-2N gồm hệ truyền động hệ truyền động tà hệ truyền động phương vị Phương trình trạng thái mơ tả động lực học hai hệ truyền động sau [1]:  x  A  x  x  B  x  u  M c  (1) Trong đó: x : véc tơ trạng thái góc pháo; A  x  : ma trận trạng thái thống; B  x  : Các ma trận điều khiển hệ thống; u : Là vec tơ tín hiệu điều khiển; 60 L V Hồng, N H Thắng, “Tổng hợp hệ thống điều khiển … 37mm-2N cải tiến.” Nghiên cứu khoa học công nghệ M c : Ma trận mô men cản tải; Với: 0 0  0 0  0 421 2505 A  0 0  0 0 0 0   0 0     0    0     13.61 B 0 ; Mc      0    2500    J PV   0 0 0 0 80 0 0 0 0 0 max 0 0 80000  J PV 2500  1000 J PV      ;      80   u  30     ;u   T   20  uPV  (2) J PV  200  12sin    167 cos     Jbd  : góc quay tà ; J bd : Thành phần quán tính bất định Phương trình động học cho thấy hệ truyền động PPK 37mm-2N đối tượng phi tuyến bất định, thành phần phi tuyến bất định mơ men qn tính hệ truyền động phương vị gây Nếu xem thành phần mơ men qn tính khối tà với trục quay phương vị thành phần nhiễu bất định mơ men quán tính khối phương vị viết lại thành: (3) J PV  200  f ; f  219  kgm  vậy, hai hệ truyền động phương vị truyền động tà độc lập Khi mơ hình truyền động pháo phòng khơng PPK 37mm-2N mơ tả hai mơ hình truyền động độc lập mơ hình truyền động tà mơ hình truyền động phương vị 2.1.1 Mơ hình truyền động tà Gọi góc tà đặt: (4) x1T    yT ; x1T  x2T ; x2T  x3T ; x3T  x4T Với tham số hệ truyền động tà, [1] đưa hệ truyền động cho khối tà pháo phòng khơng 37mm-2N cải tiến sau: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 61 Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa  xT  AT xT  BT  uT  M cT  (5) Trong đó: 0  0   0      ; M AT  ; BT   cT max  30  Nm  ; 0   0      0 421 2505 80  13.16  2.1.2 Mơ hình truyền động phương vị Gọi góc phương vị đặt: x1PV    yPV ; x1PV  x2 PV ; x2PV  x3 PV ; x3 PV  x4 PV Với tham số hệ truyền động phương vị, [1] đưa hệ truyền động cho khối phương vị pháo phòng khơng PPK 37mm-2N cải tiến sau:  x PV  APV xPV  BPV  uPV  M c PV  (6) 0  0 0   0 ; Với: APV  0    1000  0  80000    2500   80   200  f   200  f           BPV    ; M c PV  20  Nm  ; f  219  kgm     2500   200  f  2.2 Tổng hợp điều khiển hệ truyền động PPK 37mm-2N Theo [2] để tổng hợp điều khiển cho (5) (6) hoạt động chế độ trượt, mặt trượt s  x  chọn sau: s  x   c T x với c T   c1 c2 c3 1 Với giá trị C chọn cho: |  I  A11  A12 c1T | đó: 0  0    A11  0  ; A12  0  ; c1T   c1 c2 0 0  1  có nghiệm bên trái trục ảo Thay (9) vào (8) ta được:    c3   c2  c1  62 (7) (8) c3  (9) (10) L V Hồng, N H Thắng, “Tổng hợp hệ thống điều khiển … 37mm-2N cải tiến.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Với giả thiết (10) có nghiệm a1 , a2 ,  a3 Khi (10) trở thành:    a1    a2    a3   (11) Như để (10) có nghiệm nằm bên trái trục ảo, phải số dương Bằng phương pháp đồng đa thức ta có:  c3  a1  a2  a3  (12) c2  a1a2  a2 a3  a1a3  c1  a1a2 a3  Như để tổng hợp điều khiển cho hệ truyền động (5) (6) hoạt động chế độ trượt, mặt trượt s(x) chọn (7) với hệ số chọn theo (12) 2.2.1 Với hệ truyền đông tà Hệ truyền động tà mô tả (5) Để xác định mặt trượt, từ (12), chọn: a1  5; a2  10; a3  20 , ta có phương trình mặt trượt sau: sT  xT   1000 x1T  350 x2T  35 x3T  x4T (13) Từ phương trình (5), hệ truyền động tà hệ truyền động có tham số hệ thống khơng thay đổi Như để tổng hợp hệ truyền động tà, ta áp dụng luật điều khiển (14) 1 T    T   c BT  c AT xT   k1 J 2T sT  xT      sign  sT  xT   sT  xT     uT       c T BT  c T AT xT   k1 J 2T    sign  s  xT   sT  xT    (14) Các tham số điều khiển chọn:   20; k1  320; k2  10000;  (15) Từ ma trận tham số hệ thống, luật điều khiển (14) với mặt trượt chọn (13) tham số điều khiển (15) ta có: 1   c T BT  c T AT xT  44 x2T  191x3T  3.4 x4T (16) Thay (15) (16) vào (14) ta điều khiển cho hệ truyền động tà:    44 x2T  191x3T  3.4 x4T  10000 s  30  sign  sT  xT   sT  xT   uT      44 x  191x  3.4 x  10000  30  sign  s  x   s  x   2T 3T 4T T T T T  (17) 2.2.2 Với hệ truyền động phương vị Hệ truyền động phương vị mô tả (6) Để xác định mặt trượt, tương tự với hệ truyền động tà, từ (12) chọn: a1  5; a2  10; a3  20 , ta có phương trình mặt trượt: sPV  xPV   1000 x1PV  350 x2 PV  35 x3 PV  x4 PV (18) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 63 Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa Phương trình (6) cho thấy hệ truyền động phương vị Pháo phòng khơng PPK 37mm-2N sau cải tiến có ma trận động học hệ chứa tham số bất định nằm dải cho trước cụ thể sau:  Ma trận trạng thái 400  a42  190.8; 2505  a43  2502 (19)  Ma trận điều khiển : 5.96  b14  12.5 (20) Do hệ (6) chứa thành phần bất định nên để tổng hợp điều khiển cho hệ truyền động bám phương vị pháo phòng khơng PPK 37mm-2N sau cải tiến, ta áp dụng luật điều khiển: uPV  u1  u0 (21) với u0 véc tơ bao gồm phần tử: u0i   i  xPV   di  gi  sign  siPV  xPV   ; i  m đó:     x    kJ 2PV sPV  xPV    sign  sPV  xPV     với: k  4000;  4; D  G  30 u1  uPV xác định sau: (22) (23) n uiPV  i , j x jPV j 1 Với hệ số : 11  0; 11  0;12  48; 12  135.9; 13  361; 13  172.6;14  7.5; 14  3.6 (24) hệ số ij :  11 sPV  xPV  x1PV  ;   11 sPV  xPV  x1PV  11    48  12 sPV  xPV  x2 PV  ;  135.9  12 sPV  xPV  x2 PV  12    361  13 sPV  xPV  x3 PV   7.5  14 sPV  xPV  x4 PV  ; 14   172.6  13 sPV  xPV  x3 PV  3.6  14 sPV  xPV  x4 PV  (25) Thay (22), (24) (25) vào (21) ta có điều khiển tổng hợp sau:   (26) u  1 j x jPV   4000 sPV  xPV   20  sign  sPV  xPV   j 1   13   MÔ PHỎNG ĐÁNG GIÁ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG PPK37MM-2N CẢI TIẾN Hệ thống truyền động bám tà phương vị PPK37mm-2N thiết kế đánh giá thông qua kết mô phần mềm Matlab simulink theo tiêu yêu cầu với thông số khối động cơ- hộp số truyền động: Động ECMA64 L V Hồng, N H Thắng, “Tổng hợp hệ thống điều khiển … 37mm-2N cải tiến.” Nghiên cứu khoa học công nghệ F218 hãng delta; mômen đầu trục lớn 57.29 Nm; Tốc độ lớn nhất: 3000v/p; Thời gian quán tính: 0.016 (s); Hệ số giảm tốc:1/50 Với tham số bỏ qua tổn hao hộp số, hệ truyền động động khâu qn tính có: ; - Hàm truyền khâu quán tính: 0.016s  57.29  2864.5( Nm) - Mô men đầu lớn nhất: 1/ 50 Khi cấu trúc sơ đồ mơ cho hệ điều khiển truyền động PPK 37mm2N thể hình Hình Sơ đồ mô cho hệ điều khiển truyền động PPK 37mm-2N Kết mô phỏng: Hệ điều khiển mô hai trường hợp khơng có nhiễu có nhiễu dạng ngẫu nhiên với véc tơ nhiễu nằm khoảng -40Nm đến 40Nm  Với tiêu thời gian chuyển trạng thái: Nhiễu Sai số (Rad) GT bám sát Tín hiệu đầu vào hàm bước sau: - Hệ truyền động tà: Hàm bước có bước nhảy - Hệ truyền động phương vị: Hàm bước có bước nhảy Thời gian (s) (2.a) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 65 Nhiễu Sai số (Rad) GT bám sát Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa Nhiễu Sai số (Rad) GT bám sát Thời gian (s) (2.b) Hình Đáp ứng hệ truyền động bám khối tà với đầu vào Bước (2.a) – khơng có nhiễu tải; (2.b) – có nhiễu tải Thời gian (s) Nhiễu Sai số (Rad) GT bám sát (3.a) Thời gian (s) (3.b) Hình Đáp ứng hệ truyền động bám khối phương vị với đầu vào bước (3.a) – khơng có nhiễu tải; (3.b) – có nhiễu tải 66 L V Hồng, N H Thắng, “Tổng hợp hệ thống điều khiển … 37mm-2N cải tiến.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Nhiễu Sai số (Rad) GT bám sát  Với tiêu tốc độ bám sát: đầu vào hàm Sin(t) Như vậy, tốc độ đặt biến thiên theo hàm Cos(t) có giá trị lớn (rad/s) Thời gian (s) Nhiễu Sai số (Rad) GT bám sát (4.a) Thời gian (s) Nhiễu Sai số (Rad) GT bám sát Hình Đáp ứng hệ truyền động bám khối tà với đầu vào SIN (4.a) – khơng có nhiễu tải; (4.b) – có nhiễu tải (5.a) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 Thời gian (s) 67 Nhiễu Sai số (Rad) GT bám sát Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa (5.b) Thời gian (s) Hình Đáp ứng hệ truyền động bám khối phương vị với đầu vào SIN (5.a) – khơng có nhiễu tải; (5.b) – có nhiễu tải Nhận xét: Cả hai hệ truyền động phương vị truyền động tà ổn định hai trường hợp có nhiễu khơng có nhiễu với sai số bám sát nằm khoảng  0.5 mrad véc tơ tốc độ nằm dải từ -1rad/s đến 1rad/s Thời gian chuyển trạng thái hệ thống (tính từ bắt đầu bước nhảy sai số hệ thống nhỏ  mrad) < 2s, đáp ứng yêu cầu hệ thống Đánh giá chung: Kết mô cho thấy điều khiển hoạt động chế độ trượt tổng hợp hai hệ truyền động tà hệ truyền động phương vị PPK 37mm-2N có tính ổn định bền vững cao đáp ứng đầy đủ tiêu yêu cầu đặt KẾT LUẬN Từ mơ hình hệ truyền động xây dựng, báo áp dụng phương pháp tổng hợp điều khiển chế độ trượt để tổng hợp điều khiển bám cho hai kênh truyền động tà truyền động phương vị PPK 37mm-2N Các kết mô cho thấy hiệu hệ thống điều khiển xây dựng áp dụng vào thực tiễn cải tiến cPPK 37mm-2N TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Trang Minh, Chu Anh Mỳ, Nguyễn Hữu Thắng, “Xây dựng mơ hình hệ truyền động PPK 37mm-2N cải tiến thực nghiệm”, Tuyển tập cơng trình Khoa học Hội nghị học tồn quốc lần X, Hà Nội – 2017 [2] Nguyễn Vũ, “Luận án tiến sỹ kỹ thuật”, Viện KH-CN Quân sự, Hà nội-2004 [3] Nguyễn Hữu Thắng, “Hoàn thiện thiết kế chế tạo trung tâm huy đội PPK 37mm-2N tự động tác chiến ngày đêm”, Báo cáo tổng hợp đề tài KHCN, Hà Nội – 2018 [4] Lê Việt Hồng, Nguyễn Vũ, Lê Ngọc Quyết, “Tổng hợp hệ thống điều khiển bền vững cho lớp đối tượng truyền động điện có mơ men qn tính bất định dải cho trước“, Tạp chí NC KH&CN Quân sự, Hà Nội - 2015 68 L V Hồng, N H Thắng, “Tổng hợp hệ thống điều khiển … 37mm-2N cải tiến.” Nghiên cứu khoa học công nghệ ABSTRACT SYNTHESIS OF MOTION CONTROL SYSTEM FOR 37MM-2N FLAK The dynamic model of the 37mm-2N flak is an uncertain nonlinear system, in which the component is nonlinear and uncertain due to the moment of inertia of the transmission systems The paper presents the results of the research on the method of synthesizing the transmission system controller for 37mm-2N flak The problems are simulated and evaluated due to the Matlab/Simulink software Keywords: Sliding Mode Controller; Moment of Inertia; 37mm-2N Flak; Nonlinear Dynamic; Uncertain parameters Nhận ngày 25 tháng 12 năm 2018 Hoàn thiện ngày 06 tháng năm 2019 Chấp nhận đăng ngày 15 tháng năm 2019 Địa chỉ: Viện Tự động hóa KTQS *Email: le_v_hong@yahoo.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qn sự, Số Đặc san TĐH, 04 - 2019 69 ... vậy, hai hệ truyền động phương vị truyền động tà độc lập Khi mơ hình truyền động pháo phòng khơng PPK 37mm-2N mơ tả hai mơ hình truyền động độc lập mơ hình truyền động tà mơ hình truyền động phương... điều khiển : 5.96  b14  12.5 (20) Do hệ (6) chứa thành phần bất định nên để tổng hợp điều khiển cho hệ truyền động bám phương vị pháo phòng khơng PPK 37mm-2N sau cải tiến, ta áp dụng luật điều. .. sai số hệ thống nhỏ  mrad) < 2s, đáp ứng yêu cầu hệ thống Đánh giá chung: Kết mô cho thấy điều khiển hoạt động chế độ trượt tổng hợp hai hệ truyền động tà hệ truyền động phương vị PPK 37mm-2N