Điều khiển thiết bị bay có chứa các thành phần tham số bất định trên cơ sở phương pháp thích nghi theo tín hiệu đầu ra

Bài viết trình bày nội dung thiết kế hệ thống điều khiển cho kênh chuyển động dọc của thiết bị bay (TBB) có chứa các thành phần tham số bất định bằng phương pháp thích nghi theo tín hiệu đầu ra.

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BAY CÓ CHỨA CÁC THÀNH PHẦN THAM SỐ BẤT ĐỊNH TRÊN CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP THÍCH NGHI THEO TÍN HIỆU ĐẦU RA Nguyễn Đức Thành*, Hoàng Minh Đắc, Nguyễn Việt Phương Tóm tắt: Bài báo trình bày nội dung thiết kế hệ thống điều khiển cho kênh chuyển động dọc thiết bị bay (TBB) có chứa thành phần tham số bất định phương pháp thích nghi theo tín hiệu đầu Trong đó, tiến hành xây dựng mơ hình tốn học mơ đối tượng điều khiển Các kết mơ chứng minh tính ổn định hệ thống Từ đó, đánh giá ưu điểm hạn chế phương pháp so với phương pháp thích nghi theo biến trạng thái Từ khóa: Thiết bị bay; Thích nghi; Điều khiển GIỚI THIỆU Các phương pháp thích nghi kinh điển tổng hợp dựa biến trạng thái (đo được, hay không đo được) đối tượng điều khiển đưa đến việc thiết kế tổng hợp hệ thống điều khiển phức tạp, gây sai số (do cảm biến), làm cho hệ thống điều khiển trở nên cồng kềnh linh hoạt Do đó, việc nghiên cứu hệ thống điều khiển thích nghi độc lập với biến trạng thái nhằm giảm bớt hạn chế hướng nghiên cứu khả thi Đặc biệt đối tượng điều khiển có u cầu khắc khe kích thích trọng lượng Hiện nay, có nhiều cơng trình nghiên cứu phương pháp điều khiển thích nghi theo tín hiệu đầu ra, phần lớn phương pháp tổng hợp phức tạp độ tin cậy không cao [6] Vì vậy, việc phát triển thuật tốn cho phép xây dựng hệ thống điều khiển có cấu trúc đơn giản ý, nhiệm vụ lý thuyết điều khiển đại Trên giới, thuật toán nghiên cứu, việc ứng dụng vào thực tế hạn chế, dừng lại việc nghiên cứu lý thuyết [46] Các công trình nước chưa có nhiều cơng bố đánh giá Do đó, việc nghiên cứu lý thuyết hồn thiện thuật tốn thích nghi tạo điều kiện đưa đến khả ứng dụng để giải vấn đề điều khiển thực tiễn Với mục đích trên, báo nghiên cứu, tổng hợp hệ thống điều khiển sử dụng phương pháp thích nghi theo tín hiệu đầu cho kênh chuyển động dọc TBB có chứa thành phần tham số bất định Từ kết mô phần mền Malab-simulink, đưa số đánh giá khả làm việc hệ thống ảnh hưởng số tham số đến chất lượng điều khiển MƠ TẢ THUẬT TỐN 2.1 Xây dựng thuật tốn Xét tốn điều khiển thích nghi theo tín hiệu đầu cho đối tượng tuyến tính [5, 6] Giả sử đối tượng điều khiển tuyến tính dừng có mơ hình tốn dạng SISO sau: y b( p ) u a( p) (1) Trong đó: p tốn tử laplace; y=y(t) tín hiệu đầu đo được; u tín hiệu điều khiển có dạng u=u0+utn ; u0 tín hiệu điều khiển theo chương trình; utn tín hiệu điều khiển thích nghi Các đa thức b ( p ) , a ( p ) có dạng: b  p   bm pm  bm1 pm1   b1 p  b0 ; Đa thức b(p) Hurwitz hệ số bm>0; 42 N Đ Thành, H M Đắc, N V Phương, “Điều khiển thiết bị bay … theo tín hiệu đầu ra.” Nghiên cứu khoa học công nghệ a( p)  an pn  an1 pn1   a1 p  a0 , n  m ,   n  m ; Luật điều khiển sử dụng phương pháp thích nghi đầu có dạng sau [5]: utn   ( p )(    )eˆ (2) Trong đó:  - Tham số bất kỳ;  ( p ) - Đa thức Hurwit có bậc   ;  - Hệ số dùng để thực độ xác bám theo tín hiệu ym; e(t)= ym(t)-y(t) - Tín hiệu sai lệch, sai lệch tín hiệu đầu đối tượng tín hiệu đầu mong muốn eˆ - Hàm hình thành từ thuật tốn đánh giá, có dạng: 1        3        k   k     k   k e  1 2  1  1   1 eˆ  1 (3) (4) Trong đó: Hệ số      ; Hệ số ki tính tốn từ điều kiện ổn định tiệm cận hệ (3) Luật điều khiển (2), (3), (4) hoàn tồn thực biểu thức chứa tín hiệu biết tín hiệu đo Viết lại hệ (3), (4) dạng véc tơ - ma trận:       dk1e  (5) eˆ  hT  (6) Trong đó: 1             1    ;      k1   k2   0  1     0    0  ; d ; h                k  1  1  0  (7) Từ (1), (2), (7) nhận sơ đầu cấu trúc hệ điều khiển đối tượng tuyến tính sử dụng phương pháp thích nghi theo tín hiệu đầu ra, thể hình        d k1 e  T eˆ  h  eˆ  ( p ). k    e u0 utn y b( p ) a( p ) ym   Hình Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển thích nghi theo tín hiệu đầu Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 66, - 2020 43 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Từ sơ đồ thấy rằng, phương pháp thích nghi theo tín hiệu đầu phụ thuộc tín hiệu ngõ đối tượng điều khiển, mà không phụ thuộc vào biến trạng thái đối tượng Thực phương pháp cho phép đơn giản cấu trúc hệ thống điều khiển 2.2 Hiệu chỉnh thích nghi hệ số điều khiển Khi giải toán ĐKTN theo đầu phương pháp thích nghi theo tín hiệu đầu ra, cần phải xác định hệ số  ,  ,  để bảo đảm hệ đạt mục đích điều khiển (2), (3) Các hệ số xác định cách sử dụng thuật toán hiệu chỉnh tham số điều khiển sau [6]: t k (t )    ( ) d (8) Trong đó: k     ; Hàm  ( t ) tính tốn sau: 0 e(t )   0 e(t )    (t )   Lựa chọn  sau:    k (0  0) (9) với   XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO KÊNH CHUYỂN ĐỘNG DỌC CỦA THIẾT BỊ BAY Xét mơ hình chuyển động dọc TBB hình Ở đây, ta sử dụng số giả thiết sau: - Coi toán chuyển động TBB toán động lực học chuyển động vật rắn với đặc tính khí động cho trước, bỏ qua yếu tố đàn hồi biến dạng kết cấu TBB; - TBB trang bị cảm biến lý tưởng đo tọa độ, vận tốc, độ cao bay, tư khơng gian, vận tốc góc hệ số q tải Nghĩa là, cảm biến khơng có sai số tĩnh động, tất cảm biến đo lường tham số chuyển động UAV mô khâu khuếch đại lý tưởng; - Coi cấu chấp hành (servos) khâu quán tính bậc nhất, hàm truyền khâu khuếch đại hệ số với số thời gian cho trước y ya , yk x T Ya xa ,xk Vk x0 Xa   mg  y0 Hình Chuyển động TTB mặt phẳng đứng 44 N Đ Thành, H M Đắc, N V Phương, “Điều khiển thiết bị bay … theo tín hiệu đầu ra.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Trên hình 2, ta có hệ tọa độ: x00y0, xa0ya; xk0yk hệ tọa độ mặt đất, hệ tọa độ vận tốc hệ tọa độ liên kết [1] Mơ hình tốn học phi tuyến kênh chuyển động dọc TBB viết dạng [1]: mV  t   T cos   X a  mg sin  ;  mV   t   T sin   Ya  mg cos  ;    J z z  qSbmz ;     z ;  x  t   V cos  ;   H  t   V sin  ,  (10) Trong đó: , , α - Góc gật, góc nghiêng quỹ đạo, góc cơng TBB; V- Địa tốc TBB; mg - Trọng lực TTB; T - Lực đẩy động cơ; S - Diện tích đặc trưng TBB; J z - Mô men quán tính theo trục z; q - Khối lượng riêng khơng khí; x, H - Tọa độ trọng tâm TBB hệ tọa độ mặt đất; Xa, Ya thành phần lực cản, lực nâng; mz Hệ số mơ men theo trục z; b - Dây cung khí động trung bình Tuyến tính hóa hệ (10), toán xét chuyển động chu kỳ ngắn (các chuyển động góc) bỏ qua thay đổi tốc độ, độ cao bay, bỏ qua thay đổi chế độ làm việc động Ngoài ra, giả thiết bỏ qua thành phần theo lực nâng cánh lái độ cao Để đơn giản hệ phương trình bỏ qua kí hiệu sai lệch nhỏ  tức  c   c Nhận hệ phương trình vi phân theo sai lệch nhỏ sau [4],:   t     ay  ay    t   ay   t   ay c  c       z  t   amz   t   amzz  z  t   amz   t   amcz  c    t    z  t       (11)  Trong đó: δc góc lệch cánh lái TBB; a y , a y , a yc , amz , amzz , amcz hệ số động lực học bay tính [2], giá trị phụ thuộc vào điều kiện bay, độ cao vận tốc  TBB Bỏ qua ảnh hưởng thành phần nhỏ a y , ngồi ra, ta có quan hệ      , sau biến đổi (11), ta được:   t    z  t   ay   t   ay c  c      z  t    amz   t   amzz  z  t   amcz  c    t    z  t  (12) Trong phần này, ta tiến hành điều khiển thích nghi ổn định góc gật TTB Biến đổi (12) dạng SISO sau: c  W  amcz s  (amcz ay  ayc am z )     s3  amzz  ay s  am z  ay amzz s (13) Chọn hàm mẫu có dạng y* = ϑ*, ta có quan hệ bậc đối tượng   , chọn đa thức Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 66, - 2020 45 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử có dạng   p    p  1 , thuật toán điều khiển theo (2) có dạng: utn        p  1 eˆ (14) Theo (3) nhận được: 1    21  2e  eˆ  1 (15) (16) MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ Hệ thống kín kênh gật mơ Matlab cho tham số ban đầu (9) hệ thống điều khiển thích nghi theo tín hiệu đầu 0 = 0.01; λ0 = 10 Khảo sát loại TBB có hệ số động lực học bay [4] trường hợp: Bảng Các tham số động học TBB a1 a2 a3 ay ( s 1 ) am z ( s 2 ) amzz ( s 1 ) ay c ( s 1 ) amcz ( s 2 ) -1.10 -0.86 -1.34 15.5 5.81 -12.5 1.20 0.18 0.45 0.09 0.06 0.07 33.0 9.15 15.2 Hình Phản ứng góc gật ϑ với kích động bậc thang 46 N Đ Thành, H M Đắc, N V Phương, “Điều khiển thiết bị bay … theo tín hiệu đầu ra.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Bài tốn mơ góc gật TBB trường hợp tham số bất định bảng cho giá trị λ0 thay đổi theo (9) Từ đó, đánh giá độ ổn định hệ thống Đồng thời để đánh giá hiệu thuật toán thích nghi (9), tiến hành thay đổi tham số ban đầu λ0 để đánh giá khả đáp ứng nhanh hệ thống chất lượng tín hiệu Từ đó, có phương án lựa chọn tham số ban đầu (9) cho phù hợp với yêu cầu thiết kế Trên hình ký hiệu: a0 - Tín hiệu tác động ϑc; a1, a2, a3 tương ứng tín hiệu thực ϑ theo trường hợp bảng Các hình a, b, c, d tương ứng với phản ứng góc ϑ λ0 = 10, 20, 30, 40 Tín hiệu thực ϑ bám theo tín hiệu tác động ϑc Hệ thống đảm bảo ổn định tiệm cận giá trị ϑc = const Khi tăng λ0 hệ thống có thời gian đáp ứng nhanh hơn, xuất dao động độ chỉnh lớn (hình 3c, 3d) Nhận xét: - Đặc trưng độ hệ kín cho thấy, hệ ổn định tiệm cận tồn cục sau thời gian xác định với tiêu chất lượng: thời gian độ, độ chỉnh, số lần dao động đạt yêu cầu thiết kế; - Kết mô phù hợp với kết lý thuyết; - Chất lượng điều khiển thời gian đáp ứng hệ thống phụ thuộc mạnh vào việc chọn hệ số 0 Khi tăng hệ số 0 , hàm tiến đến giá trị xác lập nhanh (9); - Khi tăng hệ số 0 tức tăng độ nhạy hệ thống điều khiển, giảm hệ số tức giảm sai số ϑ- ϑc Các giá trị chọn phải nằm giới hạn cho phép để đảm bảo hệ thống làm việc hiệu KẾT LUẬN Trên sở phương pháp thích nghi theo tín hiệu đầu ra, tác giả đề xuất tổng hợp điều khiển cho kênh gật hệ tự lái TBB điều kiện chứa tham số bất định Kết theo lý thuyết mơ chứng minh tính đắn phương pháp thiết kế, sở cho bước nghiên cứu chuyên sâu, áp dụng cho đối tượng điều khiển thực tiễn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Đức Cương (2002), "Mơ hình hóa mơ chuyển động khí cụ bay tự động”, NXB Quân đội nhân dân, Hà Nội [2] Vũ Hỏa Tiễn (12-2010), “Cơ sở thiết kế hệ thống điều khiển thiết bị bay” Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội [3] Лебедев, А А “Динамика полета беспилотных летательных аппаратов”/А А Лебедев, Л С Чернобровкин - M.: Машиностроение, 1973 615с [4] Бобцов А.А “Алгоритмы адантивного управления нелинейными динамическими объектами с неопределенностями но входу”.// Известия РАН Теория и системы управления 2003 №1 [5] Бобцов А “А адаптивное и робастное управление неопределенными системами по выходу” - СПб.: Наука, 2011 - 174 с [6] Мирошник И.В., Никифоров В.О., Фрадков А.Л “Нелинейное и адаптивное управление сложными динамическими системами” / Серия “Анализ и синтез нелинейных систем”; под общей редакцией Леонова Г.А и Фрадкова А.Л - СПб.: Наука, 2000 - 549 с., ил 82 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 66, - 2020 47 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử ABSTRACT ADAPTIVE CONTROL FOR OUTPUT FOR CONTROLLING AERIAL VEHICLE This paper describes an adaptive control system of an air vehicle's (AV) longitudinal motion A nonlinear mathematical model of resilient aircraft's longitudinal motion is designed The adaptive control system of a resilient AV is built by adaptive control for output Simulation results confirm the effectiveness of this method in terms The advantages and disadvantages of this method are compared with adaptive control systems based on plant state vector Keywords: Adaptive; Controller; Aerial Vehicle Nhận ngày 26 tháng 12 năm 2019 Hoàn thiện ngày 06 tháng 02 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 10 tháng năm 2020 Địa chỉ: Viện Tên lửa, Viện KH-CN quân * Email: thanhnd37565533@gmail.com 48 N Đ Thành, H M Đắc, N V Phương, “Điều khiển thiết bị bay … theo tín hiệu đầu ra.” ... ĐKTN theo đầu phương pháp thích nghi theo tín hiệu đầu ra, cần phải xác định hệ số  ,  ,  để bảo đảm hệ đạt mục đích điều khiển (2), (3) Các hệ số xác định cách sử dụng thuật toán hiệu chỉnh tham. .. thống làm việc hiệu KẾT LUẬN Trên sở phương pháp thích nghi theo tín hiệu đầu ra, tác giả đề xuất tổng hợp điều khiển cho kênh gật hệ tự lái TBB điều kiện chứa tham số bất định Kết theo lý thuyết... trúc hệ điều khiển thích nghi theo tín hiệu đầu Tạp chí Nghi n cứu KH&CN quân sự, Số 66, - 2020 43 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Từ sơ đồ thấy rằng, phương pháp thích nghi theo tín hiệu đầu phụ