Tổng hợp hệ thống điều khiển cho thiết bị bay có tốc độ thay đổi tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ PHẠM QUANG HIẾU TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ BAY CÓ TỐC ĐỘ THAY ĐỔI Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 9520216 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ QN SỰ - BỘ QUỐC PHỊNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Đức Thuận PGS.TS Nguyễn Văn Lâm Phản biện 1: GS.TS Nguyễn Doãn Phước Phản biện 2: GS.TSKH Nguyễn Đức Cương Phản biện 3: PGS.TS Phạm Tuấn Thành Luận án bảo vệ Hội đồng đánh giá luận án cấp Viện theo định số 345/QĐ-VKHCNQS, ngày 30 tháng năm 2018 Giám đốc Viện Khoa học Công nghệ quân sự, họp viện Khoa học Công nghệ quân vào hồi ngày tháng năm 2018 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học Công nghệ quân - Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Thiết bị bay (TBB) có tốc độ thay đổi chủng loại bay đại nhiều nước sản xuất đưa vào sử dụng Quân đội Nhân dân Việt Nam trang bị chủng loại TBB (tên lửa đối hải K310, 3M-54E; tên lửa phịng khơng S-300 ) Việc xuất đối tượng bay có tốc độ thay đổi, địi hỏi phải có nghiên cứu để giải toán tổng hợp hệ thống điều khiển, mà khơng thể áp dụng kiến thức kinh điển hệ tuyến tính dừng Mục đich, đối tượng phạm vi nghiên cứu Mục đích nghiên cứu luận án xây dựng phương pháp luận để tổng hợp hệ thống điều khiển (HTĐK) cho lớp TBB có tốc độ thay đổi, với đối tượng cụ thể lớp tên lửa đối hải đối không Phạm vi nghiên cứu luận án giới hạn khn khổ tốn tổng hợp luật điều khiển cho TBB có tốc độ thay đổi giai đoạn bay tự lập tổng hợp luật tự dẫn cho TBB có tốc độ thay đổi đến điểm gặp mục tiêu (MT) di động Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết mơ hình hóa chuyển động đối tượng bay để xây dựng mơ hình động học TBB có tốc độ thay đổi; Phân tích, tổng hợp lý thuyết điều khiển vận dụng tổng hợp HTĐK cho TBB có tốc độ thay đổi; Mơ hình hóa, mơ máy tính để thực nghiệm mơ kiểm chứng hiệu thuật tốn điều khiển xây dựng Bố cục luận án Tồn luận án gồm 120 trang trình bày thành chương, 48 hình vẽ, 03 bảng biểu 18 phụ lục Ý nghĩa thực tiễn ý nghĩa khoa học luận án Ý nghĩa thực tiễn: Chứng minh tính hiệu thuật tốn điều khiển mà luận án đề xuất; Là sở lý luận để ứng dụng cải tiến, nâng cấp, sửa chữa tiến tới chế tạo thiết bị điều khiển tên lửa có trang bị Quân đội; Phục vụ cho công tác nghiên cứu, giảng dạy Học viện, Nhà trường Quân đội Ý nghĩa khoa học: Kết nghiên cứu luận án góp phần hồn thiện lý thuyết điều khiển TBB có tốc độ thay đổi Cụ thể hóa khả ứng dụng lý thuyết điều khiển đại vào toán tổng hợp hệ thống điều khiển TBB có tốc độ thay đổi Chương TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BAY TỰ ĐỘNG 1.1 Hệ tọa độ khảo sát góc đặc trưng cho chuyển động TBB 1.1.1 Hệ tọa độ khảo sát chuyển động thiết bị bay Hệ tọa độ thường dùng gồm: Hệ tọa độ mặt đất (O0X0 Y0 Z0); Hệ tọa độ mặt đất di động (OXg Yg Zg); Hệ tọa độ liên kết (OXb Yb Zb); Hệ tọa độ tốc độ (OXa Ya Za); Hệ tọa độ quỹ đạo (OXk Yk Zk) 1.1.2 Các góc đặc trưng cho chuyển động thiết bị bay Các góc đặc trưng gồm: Góc hướng (ψ); Góc chúc ngóc (góc gật - ϑ); Góc nghiêng (góc Cren - γ); Góc nghiêng quỹ đạo (θ); Góc (  ); Góc trượt (β) 1.2 Hệ thống điều khiển thiết bị bay tự động 1.2.1 Khái quát hệ thống điều khiển thiết bị bay tự động Chức HTĐK lái TBB đến điểm gặp MT theo lệnh điều khiển từ hệ thống dẫn hướng theo chương trình định trước Trong trường hợp chung, hệ thống điều khiển TBB tự động ứng dụng quân để tiến công MT (tên lửa) gồm khâu: Xử lý thơng tin MT; Phương pháp dẫn; Vịng điều khiển; Điều khiển nổ Trong đó, khâu xử lý thơng tin MT phương pháp dẫn để phân loại hệ thống điều khiển TBB tự động Căn vào phương pháp dẫn tách hệ thống điều khiển TBB tự động thành: HTĐK tự lập; HTĐK lệnh; HTĐK tự dẫn; HTĐK kết hợp 1.2.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển kết hợp tự lập tự dẫn Thành phần HTĐK cho lớp TBB tự động xét đến luận án thể hình 1.5 Hình 1.5 Sơ đồ chức hệ thống điều khiển kết hợp tự lập tự dẫn 1.3 Các phương pháp dẫn thiết bị bay gặp mục tiêu di động Bản chất toán dẫn tạo lực pháp tuyến tác động vào tâm khối TBB nhằm trì tham số quan hệ tương đối MT TBB, đảm bảo dẫn TBB đến vùng lân cận MT Dựa vào mối quan hệ vị trí điều khiển, MT TBB, trình dẫn TBB đến điểm gặp, chia phương pháp dẫn thành hai nhóm: “Phương pháp dẫn ba điểm” “Phương pháp dẫn hai điểm” Với lớp TBB xét đến luận án phương pháp dẫn hai điểm ứng dụng phổ biến Nhóm phương pháp dẫn hai điểm cịn gọi phương pháp dẫn TBB điều khiển tự dẫn Q trình TBB tiếp cận MT ln ln tồn mối quan hệ thông tin TBB MT Tùy thuộc vào cách lựa chọn quy luật quay đường ngắm TBB-MT hệ tọa độ dẫn chia thành phương pháp dẫn khác nhau: Dẫn đuổi; Dẫn hướng trục dọc TBB vào điểm đón; Dẫn véc tơ vận tốc TBB vào điểm đón; Dẫn tiếp cận song song; Dẫn tiếp cận tỷ lệ 1.4 Tổng quan nghiên cứu tổng hợp lệnh điều khiển luật dẫn thiết bị bay tự động 1.4.1 Tổng quan nghiên cứu tổng hợp lệnh điều khiển TBB Các cơng trình nghiên cứu tổng hợp lệnh điều khiển cho TBB tự động trước ứng dụng phương pháp kinh điển, phương pháp xây dựng thuật tốn điều khiển, đa số cơng trình thực tuyến tính hóa mơ hình động học TBB coi thông số tốc độ bay không đổi Một số cơng trình nghiên cứu nước ngồi có đề cập đến thay đổi tốc độ bay, nhiên tính chất bí mật nên tốn đặt chưa tường minh 1.4.2 Tổng quan nghiên cứu, cải tiến đại hóa phương pháp dẫn TBB Trước nhu cầu khai thác, làm chủ, tiến tới chế tạo phận thay TBB có trang bị Qn đội, có nhiều cơng trình nước tập trung nghiên cứu cải tiến, đại hóa phương pháp dẫn TBB Các kết nghiên cứu cho thấy tính hiệu thuật tốn đề xuất Tuy nhiên điểm cịn tồn cơng trình chưa giải tốn tổng hợp luật dẫn cách đầy đủ đề cập đến yếu tố gây sai số 1.5 Ý nghĩa thay đổi tốc độ bay vấn đề tổng hợp hệ thống điều khiển thiết bị bay có tốc độ thay đổi 1.5.1 Ý nghĩa thay đổi tốc độ bay Đối với TBB ứng dụng quân sự, thay đổi tốc độ bay biện pháp nhằm hạn chế khả phịng khơng đối phương TBB tiếp cận MT tăng khả phá hủy MT Sự thay đổi tốc độ bay thực giai đoạn bay tự lập tiếp cận gần MT, thực giai đoạn tự dẫn Việc tốc độ TBB thay đổi có ý nghĩa mặt chiến thuật, nhiên lại làm ảnh hưởng đến chất lượng trình điều khiển, vấn đề đặt cần phải nghiên cứu tổng hợp HTĐK cho đối tượng bay đáp ứng yêu cầu thích nghi với thay đổi tốc độ bay 1.5.2 Vấn đề tổng hợp hệ thống điều khiển thiết bị bay có tốc độ thay đổi - Đặt vấn đề: Xây dựng mơ hình động học TBB có tốc độ thay đổi, tổng hợp luật dẫn thuật tốn điều khiển TBB có tốc độ thay đổi dựa lý thuyết điều khiển tối ưu thích nghi - Điều kiện giới hạn vấn đề nghiên cứu: Chỉ xét đến thay đổi tốc độ bay cuối giai đoạn bay tự lập giai đoạn tự dẫn; Bỏ qua quay độ cong bề mặt trái đất xây dựng mơ hình động lực học bay; Bộ tham số động lực học, khí động học, kích thước hình học phân bố khoang TBB giả định từ loại tên lửa đối hải không nêu tên ký hiệu; Mọi khảo sát chất lượng HTĐK thực theo phương pháp mơ hình hóa mơ máy tính; Phương pháp tạo lực mơ men điều khiển TBB theo sơ đồ khí động học thơng thường; Bài tốn xét đến mơ hình động học TBB cấu trúc điều khiển TBB thay đổi tốc độ; Bài toán xét đến mơ hình động hình học tự dẫn TBB có tốc độ thay đổi đến điểm gặp MT di động với giới hạn cự ly nhỏ - Các vấn đề cần giải phân thành toán sau: + Bài tốn 1: Sử dụng phương pháp phân tích, tổng hợp để xây dựng mơ hình khơng gian trạng thái mơ tả động hình học tự dẫn TBB có tốc độ thay đổi đến điểm gặp MT di động có tính đến yếu tố gây sai số động + Bài toán 2: Sử dụng lý thuyết điều khiển tối ưu để tổng hợp luật dẫn TBB có tốc độ thay đổi giai đoạn tự dẫn đến điểm gặp MT di động + Bài toán 3: Sử dụng phương pháp phân tích, tổng hợp để xây dựng mơ hình khơng gian trạng thái mơ tả động học TBB có tốc độ thay đổi + Bài tốn 4: Sử dụng lý thuyết điều khiển điều khiển thích nghi để tổng hợp luật điều khiển cho TBB có tốc độ thay đổi 1.6 Kết luận chương 1 Hệ thống điều khiển điều khiển kết hợp tự lập tự dẫn HTĐK áp dụng phổ biến cho lớp TBB sử dụng quân để tiến công mục tiêu biển không Hệ thống gồm tổ hợp thiết bị phức tạp đặt khoang TBB Việc nghiên cứu thành phần hệ thống nhiều cơng trình nước đề cập, nhiên vấn đề xây dựng luật điều khiển cho lớp thiết bị bay có tốc độ thay đổi chưa có cơng trình phổ biến Việt Nam đề cập cách tường minh Luật dẫn TBB giai đoạn tự dẫn cơng trình nghiên cứu nước đề xuất sở toán điều khiển tối ưu, phương pháp giải toán chưa triệt để với yếu tố tác động gia tốc MT, gia tốc dọc trục TBB gia tốc trọng trường Các tốn đặt nhằm mục đích giải vấn đề cịn tồn mà cơng trình nghiên cứu trước chưa đề cập đến nêu Các vấn đề thực chương luận án Chương XÂY DỰNG THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH GIA TỐC PHÁP TUYẾN TỐI ƯU CHO MỘT LỚP THIẾT BỊ BAY TRONG GIAI ĐOẠN TỰ DẪN THEO THÔNG TIN VỀ TỐC ĐỘ QUAY ĐƯỜNG NGẮM 2.1 Mơ hình động học tự dẫn thiết bị bay Xét lớp TBB giai đoạn tự dẫn thực tiến công MT Giả sử thời điểm bắt đầu tự dẫn TBB thực quay hướng tới điểm gặp MT chuyển động TBB hạn chế với độ lệch nhỏ theo hướng đến điểm gặp Tương quan hình học TBB MT giai đoạn tự dẫn thể hình 2.1 Hình 2.1 Tương quan hình học TBB MT giai đoạn tự dẫn 2.1.1 Mơ hình động học tự dẫn thiết bị bay mặt phẳng ngang Qua phép biến đổi đặt biến trạng thái ta có mơ hình ĐHH tự dẫn TBB mặt phẳng ngang (kênh ngang) dạng không gian trạng thái: (2.11) x n  An xn  Bnun  Cnn   Wxn Trong đó: x n   n  n  ; un =Wtn ; n  Wmn T 11 b) Mơ hình chuyển động quay theo trục dọc (kênh Cren)  x  Al (v) x  Bl (v)ul   y  Dl x Trong đó: x   x1 x2    T (3.30) x  ;  l  ul ; Dl  1 0 T 0       ; Al ( v )   Vk SL  Bl ( v )   l Vk Scl L  mxbx mxb   jx  jx  c) Mơ hình chuyển động quay theo trục đứng (kênh ngang)  x  Ah (v) x  Bh (v)uh   y  Dh x (3.42) x2      y  ;  h  uh ; Dh  1 0   Vk S     C z 2m      Ah ( v )  2 ; Bh ( v )   Vk Scl L    Vk SL  V SL   jy  myby k  myb j    j y y   Trong đó: x   x1 T T d) Mơ hình chuyển động quay theo trục ngang (kênh đứng)  x  Ac (v) x  Bc (v)uc   y  Dc x Trong đó: x   x1 (3.55) x2    z  ;  c  uc ; Dc  1 0 T T    Vk S    ( Cx0  C y ) 2m      Ac ( v )  2 ; Bc ( v )    c Vk S cl ba  V S b   m  Vk Sba mzbz k cl a   zb jz   mzb j jz  z  3.2 Bài tốn điều khiển thích nghi Với mơ hình (3.30), (3.42), (3.55), luận án ứng dụng phương pháp điều khiển thich nghi tham chiếu mơ hình (MRA) để tổng hợp điều khiển Nguyên lý hệ thống MRA thể hình 3.5 12 Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển MRA 3.3 Xây dựng thuật tốn thích nghi ổn định góc Cren cho thiết bị bay có tốc độ thay đổi Với mơ hình động học TBB kênh Cren (3.30), tốn cần giải tìm biến điều khiển ul cho đáp ứng đầu γ (góc Cren TBB) trì ổn định trạng thái γ =0 thích nghi với thay đổi tốc độ bay Ứng dụng phương pháp ổn định Lyapunov xác định luật khiển thích nghi ul kênh Cren có dạng: (3.62) ul  e ey  x x r Trong e ;  x nghiệm hệ phương trình:    x eT P B ( v ) e r l  e T  (3.76) x1   x1 x r1 e Pr Bl ( v )  e  T x2   x2 x r2 e Pr Bl ( v ) 3.4 Xây dựng thuật tốn điều khiển thích nghi góc trượt cạnh thiết bị bay bám theo gia tốc pháp tuyến tối ưu Vì gia tốc pháp tuyến tối ưu kênh ngang theo yêu cầu thuật toán chương tỉ lệ với góc trượt cạnh tối ưu, nên việc bám theo gia tốc pháp tuyến tối ưu tương ứng với việc bám theo góc trượt cạnh tối ưu: W c  yc  tn (3.79) Kn ( v ) Vậy toán đặt cần xây dựng thuật toán điều khiển thỏa mãn đầu đối tượng (3.30) bám theo góc trượt cạnh tối ưu (3.79), đồng thời thích nghi với thay đổi tốc độ bay Từ yêu cầu toán, trước tiên xây dựng luật điều khiển tối ưu LQ, sau sử dụng mơ hình tham chiếu với điều khiển tối ưu LQ để tổng hợp luật điều khiển thích nghi 13 3.4.1 Tổng hợp điều khiển tối ưu để ổn định góc trượt cạnh thiết bị bay Cấu trúc vịng kín HTĐK ổn định góc trượt cạnh TBB sử dụng điều khiển tối ưu LQ trình bày hình 3.7 Hình 3.7 Cấu trúc HTĐK vịng kín ổn định góc trượt cạnh TBB có tốc độ thay đổi sử dụng điều khiển tối ưu Đặt sai số đáp ứng đầu y tín hiệu yêu cầu yc biến trạng thái ta có: ey  yс  y  yс  Dh x (3.80) Mơ hình khơng gian trạng thái mở rộng hệ thống điều khiển ổn định góc trượt cạnh TBB có dạng:   X  Ahe X  Bheuh  By yc (3.82)    y  Dhe X Trong đó: X   x ey  ; Dhe   Dh 0 0   B ( v )  A ( v ) 021  ; By   21  ; Bhe   h Ahe   p          Dh Sử dụng nhân tử Lagrance hàm Hamilton xác định luật điều khiển tối ưu ổn định góc trượt cạnh có dạng: T uhlq  Khlq X( t ) (3.89) T T T   R1Bhe P( t ) P(t) nghiệm phương trình: Trong Khlq T T P( t )Ahe  Ahe P( t )  P( t )Bhe R1Bhe P( t )  Q  (3.90) 3.4.2 Tổng hợp điều khiển thích nghi góc trượt cạnh TBB bám theo gia tốc pháp tuyến tối ưu Nếu coi điều khiển tối ưu (3.89) điều khiển gốc mơ hình tham chiếu Khi cấu trúc hệ thống điều khiển MRA cho đối tượng (3.82) thể hình 3.8 14 Hình 3.8 Cấu trúc hệ thống điều khiển thích nghi góc trượt cạnh thiết bị bay Ứng dụng tiêu chuẩn ổn định Lyapunov xác định luật điều khiển thích nghi góc trượt cạnh: T (3.91) uhad  Khad X , Khad  R31 Trong K had nghiệm phương trình: (3.104) K   XeT P B had x r he Luật điều khiển kết hợp tối ưu LQ MRA cho mơ hình TBB kênh hướng (3.42) có dạng: T T uh ( t )  Khlq X( t )  K had X( t ) (3.111) 3.5 Tổng hợp điều khiển thích nghi góc TBB bám theo gia tốc pháp tuyến tối ưu Góc yêu cầu tương ứng với gia pháp tuyến tối ưu kênh đứng có dạng: W  c  td (3.108) Kd ( v ) Tương tự phân tích biến đổi tốn học mục 3.4, ta có luật điều khiển kết hợp tối ưu LQ MRA cho mơ hình TBB kênh đứng (3.55) sau: T T uc ( t )  Kclq X( t )  Kcad X( t ) (3.114) T   R1BceT P( t ) P(t) nghiệm phương trình: đó: Kclq T T P( t )Ace  Ace P( t )  P( t )Bce R 1Bce P( t )  Q  T K nghiệm phương trình K   XeT P B cad cad x r ce 15 3.6 Kết luận chương Việc thay đổi tốc độ bay cho mục đích sử dụng thực cách thay đổi lực đẩy động phản lực Khi tốc độ bay thay đổi dẫn tới thành phần lực khí động học mơ men khí động học tác động lên TBB thay đổi Sự thay đổi làm thay đổi trạng thái góc TBB, để trì ổn định trạng thái góc TBB theo gia tốc pháp tuyến tối ưu tương ứng cần phải xây dựng luật điều khiển thích nghi với thay đổi tốc độ bay Việc ổn định góc Cren giá trị cho phép phân kênh chuyển động mặt phẳng thẳng ngang mặt phẳng đứng độc lập Vì cần xây dựng mơ hình chuyển động TBB theo kênh: kênh Cren, kênh ngang kênh đứng để phục vụ cho tổng hợp lệnh điều khiển Các mơ hình trạng thái mô tả động học kênh TBB xây dựng có ma trận trạng thái ma trận điều khiển phụ thuộc vào tham số tốc độ bay, thể đầy đủ mối quan hệ động học trạng thái góc TBB tốc độ TBB cho phép ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi để tổng hợp luật điều khiển Từ thông tin định hướng trạng thái TBB cho phép tổng hợp lệnh điều khiển cấu lái theo luật điều khiển thích nghi với thay đổi tốc độ TBB Các thuật toán điều khiển chương sở để thực nghiệm mơ máy tính đánh giá với mơ hình TBB giả định chương luận án Chương MÔ PHỎNG KHẢO SÁT, ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BAY CĨ TỐC ĐỘ THAY ĐỔI 4.1 Mơ vịng điều khiển tự dẫn TBB có tốc độ thay đổi 4.1.1 Mơ hình vịng điều khiển tự dẫn TBB có tốc độ thay đổi Từ mơ hình ĐHH tự dẫn TBB (2.11), (2.21), luật dẫn TCTL (1.12) luật dẫn tối ưu tổng hợp (2.66), (2.68) xây dựng sơ đồ Simulink mơ hình ĐHH tự dẫn, luật dẫn vịng điều khiển tự dẫn TBB thể hình 4.1, 4.2 4.3 16 x_1 Sigma_0 s b -1 X1_dot X2_dot s x_2 d_dot -1 d a -1 -1 u z Hình 4.1 Sơ đồ Simulink động hình học tự dẫn TBB TINH Kx_X X x Kx_X K_x Nb TINH K_1 a_b K_x K_x Nb^2 Nb^2 U A_B B_K1 Z TINH K_x A_B Hình 4.2 Sơ đồ Simulink tổng hợp luật dẫn tối ưu Tham so Tham so MO HINH MUC TIEU u X X A A B B Z Z Tau DONG HINH HOC TU DAN u W_Pyc W_P MO HINH THIET BI BAY Tau LUAT DAN Hình 4.3 Sơ đồ Simulink vòng điều khiển tự dẫn TBB 4.1.2 Kết mơ vịng tự dẫn kênh ngang TBB giả định Mơ phỏng, khảo sát vịng điều khiển tự dẫn kênh ngang lớp TBB giả định tiến công MT biển theo luật dẫn TCTL luật dẫn tối ưu 17 Quy dao TBB va MT khong gian Quy dao TBB va MT mat phang ngang QD MT Luat dan TCTL Luat dan toi uu 600 H,(m) Cu ly ngang - Z,(m) 800 400 Luat dan TCTL Luat dan toi uu QD muc tieu 10 0 200 1500 1000 x 10 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 cu ly doc - X,(m) 1.4 1.6 1.8 500 2 Z,(m) X,(m) x 10 Do truot tuc thoi Quy dao TBB va MT khong gian 150 (m) H,(m) Luat dan TCTL Luat dan toi uu 100 10 0 50 2000 0.5 x 10 1500 1000 1.5 500 0 Z,(m) X,(m) Hình 4.4 Quỹ đạo TBB MT tốc độ không đổi 10 20 70 0.5 60 Luat dan TCTL Luat dan toi uu QD muc tieu 10 0 0.5 x 10 50 Quy dao TBB va MT khong gian Luat dan TCTL Luat dan toi uu QD muc tieu H,(m) H,(m) Quy dao TBB va MT khong gian 10 0 30 40 Thoi gian(s) Hình 4.5 Quỹ đạo độ trượt tức thời tốc độ TBB thay đổi với gia tốc 1m/s2 1.5 X,(m) 500 1500 1000 x 10 1.5 Z,(m) Do truot tuc thoi X,(m) 300 1500 1000 500 Z,(m) Do truot tuc thoi 300 Luat dan TCTL Luat dan toi uu Luat dan TCTL Luat dan toi uu 200 (m) (m) 200 100 100 10 20 30 Thoi gian(s) 40 50 60 Hình 4.7 Quỹ đạo độ trượt tức thời tốc độ TBB thay đổi với gia tốc 3m/s2 tốc độ MT thay đổi với gia tốc 0.2m/s2 10 20 30 Thoi gian(s) 40 50 60 Hình 4.8 Quỹ đạo độ trượt tức thời tốc độ TBB thay đổi với gia tốc 3m/s2 tốc độ MT thay đổi với gia tốc 0.5m/s2 4.1.3 Kết mơ vịng tự dẫn kênh đứng TBB giả định Quy dao TBB va MT mat phang dung Quy dao TBB va MT mat phang dung Cu ly dung - Y,(m) 10200 10000 QDMT TBB LDTU TBB LDTCTL 9000 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 Cu ly ngang - X,(m) 1.6 1.8 x 10 Do truot tuc thoi 9400 300 9200 9000 8800 QDMT TBB LDTU TBB LDTCTL 9500 9600 Do truot,(m) Cu ly dung - Y,(m) 9800 10000 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 Cu ly ngang - X,(m) 1.6 1.8 Hình 4.9 Quỹ đạo TBB đối khơng mục tiêu tốc độ không đổi 100 -100 x 10 LD toi uu LD TCTL 200 Thoi gian,(s) 10 Hình 4.10 Quỹ đạo, độ trượt tức thời tốc độ TBB thay đổi với gia tốc -2g tốc độ MT thay đổi với gia tốc 1g 12 18 Quy dao TBB va MT mat phang dung Quy dao TBB va MT mat phang dung Cu ly dung - Y,(m) Cu ly dung - Y,(m) 11000 10000 9500 9000 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 Cu ly ngang - X,(m) QDMT TBB LDTU TBB LDTCTL 1.6 1.8 10500 10000 QDMT TBB LDTU TBB LDTCTL 9500 9000 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 Cu ly ngang - X,(m) x 10 x 10 300 LD toi uu LD TCTL 200 Do truot,(m) Do truot,(m) 1.8 Do truot tuc thoi Do truot tuc thoi 300 100 -100 1.6 100 -100 Thoi gian,(s) Hình 4.14 Quỹ đạo, độ trượt tức thời tốc độ TBB thay đổi với gia tốc 6g MT động xuống thấp với gia tốc 4g LD toi uu LD TCTL 200 Thoi gian,(s) Hình 4.15 Quỹ đạo, độ trượt tức thời tốc độ TBB thay đổi với gia tốc 6g MT động lên cao với gia tốc 4g Nhận xét: - Khi tốc độ TBB MT khơng đổi (hình 4.4, 4.9) quỹ đạo chuyển động TBB dẫn luật dẫn TCTL luật dẫn tối ưu trùng trúng điểm gặp - Khi tốc độ TBB MT thay đổi (hình 4.5, 4.7, 4.8, 4.10) luật dẫn TCTL dẫn TBB đến điểm gặp MT Trong luật dẫn tối ưu đảm bảo dẫn TBB trúng MT điểm gặp - Khi tốc độ TBB thay đổi mục tiêu động xuống thấp lên cao (hình 4.14, 4.15) luật dẫn tối ưu đảm bảo dẫn TBB trúng MT điểm gặp, cịn luật dẫn TCTL khơng dẫn TBB đến điểm gặp MT - Trong trường hợp khảo sát cho thấy độ trượt lớn tốc độ thay đổi độ trượt tức thời sử dụng luật dẫn tối ưu nhỏ so với sử dụng luật dẫn TCTL truyền thống 4.2 Mô khảo sát hệ thống điều khiển ổn định góc thiết bị bay có tốc độ thay đổi 4.2.1 Mơ hình chuyển động quay TBB giả định mặt phẳng đứng Sơ đồ Simulink mơ hình chuyển động quay TBB có tốc độ thay đổi theo trục OZb HTĐ liên kết thể hình 4.1 19 Alpha C_alpha V C_Delta Cal_alpha Tinh he so luc s y Integrator Cdel_delta Delta_c B M_alpha V V Dieu khien toc bay Mal_x1 s M_Delta X Mde_u Alpha M_omega Tinh he so momen M0_x2 Hình 4.16 Sơ đồ Simulink mơ hình động học thiết bị bay giả định Quy luật thay đổi tốc độ bay xây dựng theo biểu thức: Khi t  t1  V0  Khi t1  t  t2 V  V0  Wt  V  a( t - t ) Khi t  t 2  (4.1) 4.2.2 Mô HTĐK ổn định góc TBB với điều khiển PID Với tham số TBB giả định, sử dụng công cụ tối ưu hóa thơng số điều khiển PID Simulink ta nhận được: K P  34.5; K I  27.5; K D  13.3 4.2.3 Mô HTĐK ổn định góc TBB với điều khiển MRA Sơ đồ Simulink luật thích nghi cho đối tượng bay (3.55) thể hình 4.22 Yc -0.2 Phi_r 1/s B In Out -1 1/s Ham tinh e_P_B e Phi_x Phi Xr -30 X -2 1/s 1/s Phi_x Phi_e Hình 4.22 Sơ đồ Simulink tổng hợp luật thích nghi điều khiển MRA 20 Trong ma trận mơ hình tham chiếu chọn sau: 0 1 0  Acr   ; Bcr    ; Dcr  [1 0];   8 3 8  2 0  0.8 1.3 Với Q   ta tìm Pr     0 2  1.3 2.7  Các giá trị  e ,  x ,  r chọn thỏa mãn tốc độ hội tụ sai số e 4.2.4 Mô HTĐK ổn định góc TBB với điều khiển LQ Với tham số TBB giả định ứng dụng hàm lqr(A,B,Q,R) Matlab chọn Q  diag( I ) , R=1 nhận thông số điều khiển tối T   18.34 4.31 24.49 ưu LQ kênh đứng: Kclq 4.2.5 Mơ hệ thống điều khiển ổn định góc TBB với điều khiển tích hợp tối ưu LQ MRA Sơ đồ Simulink tổng hợp luật thích nghi điều khiển LQ-MRA cho đối tượng (3.55) thể hình 4.25 e_x Interpreted MATLAB Fcn s Tinh_ePB B a B Tinh_PB s G1 -204 G2 K_ad -140 G3 X -2 s Hình 4.25 Sơ đồ Simulink tổng hợp luật thích nghi điều khiển LQ - MRA Với tham số TBB giả định Q  diag( I ) xác định được:  0.274 -0.408 -0.5  Pr  -0.408 0.859 -0.318   -0.5 -0.318 0.147  Giá trị  x chọn thỏa mãn tốc độ hội tụ ex:  x   204 140 2 21 4.2.6 Kết mô nhận xét Goc tan Apha,(Do) PID MRA LQ LQ-MRA 0 10 15 20 25 30 Thoi gian, s 35 40 45 50 Hình 4.26 Đáp ứng điều khiển tốc độ bay không đổi Goc tan Goc tan Apha,(Do) Apha,(Do) PID MRA LQ LQ-MRA 0 10 15 20 25 30 35 40 45 PID MRA LQ LQ-MRA 50 10 15 20 25 30 35 40 45 50 25 30 Thoi gian, s 35 40 45 50 Toc bay Toc bay 300 450 V,(m/s) V,(m/s) 400 350 250 300 200 250 10 15 20 25 30 Thoi gian, s 35 40 45 50 Hình 4.27 Đáp ứng điều khiển tốc độ bay tăng 50% 10 15 Hình 4.28 Đáp ứng điều khiển tốc độ bay giảm 30% Goc canh lai Goc canh lai U MRA U LQ-MRA Delta,(Do) Delta,(Do) 20 10 15 20 25 30 35 40 45 50 U MRA U LQ-MRA 10 15 20 25 30 35 40 45 50 25 30 Thoi gian, s 35 40 45 50 Toc bay Toc bay 300 450 V,(m/s) V,(m/s) 400 350 300 250 250 200 10 15 20 25 30 Thoi gian, s 35 40 45 50 Hình 4.29 Tín hiệu điều khiển cánh lái kênh cao tốc độ bay tăng 50% 10 15 20 Hình 4.30 Tín hiệu điều khiển cánh lái kênh cao tốc độ bay giảm 30% 22 - Trường hợp tốc độ bay khơng đổi (hình 4.26) điều khiển tổng hợp cho đáp ứng đầu hệ thống bám xác với đầu vào mong muốn (góc theo yêu cầu) - Trường hợp tốc độ bay thay đổi khoảng thời gian 5s (hình 4.27 4.28), đáp ứng đầu hệ thống với điều khiển PID LQ không bám đầu vào mong muốn, sai số 10% tốc độ bay tăng 50%, sai số 15% tốc độ bay giảm 30% Trong đáp ứng hệ thống với điều khiển MRA LQ-MRA bám xác đầu vào mong muốn - Hình 4.29 4.30 cho thấy chất lượng tín hiệu điều khiển cánh lái từ đầu điều khiển kết hợp LQ-MRA tốt so với điều khiển MRA Như vậy, tất trường hợp xét: tốc độ bay thay đổi (tăng, giảm), điều khiển MRA LQ-MRA đề xuất đảm bảo đáp ứng đầu hệ thống bám theo đầu vào mong muốn (thích nghi với thay đổi tốc độ bay), điều khiển LQ-MRA có chất lượng điều khiển tốt hơn, đồng thời đáp ứng u cầu thích nghi góc TBB bám theo gia tốc pháp tuyến tối ưu kênh đứng 4.3 Kết luận chương Trong trường hợp tốc độ bay thay đổi mục tiêu động luật dẫn tối ưu đề xuất đảm bảo dẫn TBB đến điểm gặp MT, luật dẫn TCTL dẫn TBB trúng MT Độ trượt lớn tốc độ thay đổi độ trượt sử dụng luật dẫn tối ưu nhỏ so với trường hợp sử dụng luật dẫn TCTL, điều dẫn đến quỹ đạo sử dụng luật dẫn tối ưu thẳng Trong trường hợp thay đổi tốc độ bay, điều khiển MRA điều khiển LQ-MRA cho chất lượng điều khiển tốt so với điều khiển PID LQ Trong điều khiển LQ-MRA cho chất lượng điều khiển tốt Như vậy, luật điều khiển mà luận án đề xuất đảm bảo 23 tiêu chí trì ổn định trạng thái góc TBB theo trạng thái góc yêu cầu tốc độ bay thay đổi Các kết mô chứng minh hiệu luật dẫn tối ưu điều khiển thích nghi cho TBB có tốc độ thay đổi so với luật dẫn TCTL truyền thống điều khiển kinh điển PID KẾT LUẬN Các kết nghiên cứu - Xây dựng mơ hình tốn học dạng mơ hình khơng gian dạng thái mơ tả động hình học tự dẫn lớp TBB có tốc độ thay đổi đến điểm gặp MT di động có tính đến yêu tố gây sai số động - Xây dựng thuật toán xác định gia tốc pháp tuyến tối ưu cho lớp TBB có tốc độ thay đổi giai đoạn tự dẫn đến điểm gặp MT di động có tính đến yếu tố gây sai số động như: tác động gia tốc trọng trường, gia tốc dọc trục TBB, gia tốc MT sở áp dụng toán điều khiển tối ưu điều kiện có tác động nhiễu - Chứng minh tính chất "Luật dẫn tối ưu phụ thuộc vào trạng thái tốc độ quay đường ngắm TBB - MT, phụ thuộc vào gia tốc MT, gia tốc trọng trường gia tốc dọc trục TBB khoảng thời gian tương lai gần xác định" sở biến đổi tốn học - Phân tích, xây dựng biểu thức tốn học mơ tả mối liên hệ lực đẩy tốc độ bay - Xây dựng mơ hình tốn học dạng mơ hình khơng gian dạng thái mơ tả động học lớp TBB ba kênh có tốc độ thay đổi - Xây dựng thuật toán điều khiển cho lớp TBB ba kênh có tốc độ thay đổi sở ứng dụng lý thuyết điều khiển thích nghi điều khiển tối ưu, gồm: điều khiển MRA ổn định góc Cren, điều khiển LQ điều khiển tích hợp LQ-MRA để điều khiển ổn định góc trượt cạnh góc TBB bám theo gia tốc pháp tuyến tối ưu - Thực nghiệm phương pháp mơ máy tính mơi 24 trường Matlab/Siumulik để khảo sát, đánh giá chất lượng vòng điều khiển tự dẫn kênh ngang lớp TBB giả định tiến công MT biển kênh đứng lớp TBB giả định tiến công MT không với luật dẫn tối ưu đề xuất so với luật dẫn TCTL - Thực nghiệm phương pháp mơ máy tính mơi trường Matlab/Siumulik để khảo sát, đánh giá chất lượng HTĐK ổn định góc lớp TBB có tốc độ thay đổi với thuật toán điều khiển MRA, LQ, LQ-MRA đề xuất Những đóng góp - Xây dựng thuật toán xác định gia tốc pháp tuyến tối ưu cho lớp TBB giai đoạn tự dẫn sở toán điều khiển tối ưu điều kiện có tác động nhiễu - Xây dựng thuật tốn điều khiển thích nghi cho lớp TBB ba kênh có tốc độ thay đổi sở tốn thích nghi tham chiếu mơ hình điều khiển tích hợp LQ-MRA Hướng nghiên cứu - Nghiên cứu ứng dụng thuật toán điều khiển đại khác (điều khiển bền vững, điều khiển thông minh ) để nâng cao chất lượng điều khiển TBB có tốc độ thay đổi - Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật nhằm xác định xác thông số MT, đặc biệt xác định quy luật thay đổi gia tốc MT để phục vụ toán tổng hợp luật tự dẫn - Sử dụng kết lý thuyết nhận từ luận án để nghiên cứu thực tế hóa cho đối tượng bay cụ thể trang bị Quân chủng PK-KQ Quân chủng Hải quân dạng đề tài nghiên cứu khoa học TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 25 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ Trần Đức Thuận, Phạm Quang Hiếu, Nguyễn Văn Lâm, (2015), "Tổng hợp điều khiển thích nghi tham chiếu mơ hình cho thiết bị bay có tốc độ thay đổi", Tuyển tập Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hóa, NXB Khoa học Tự nhiên Cơng nghệ, Hà Nội, tr.238-243 Trần Đức Thuận, Phạm Quang Hiếu, Nguyễn Văn Lâm, Nguyễn Thượng San (2016), "Tổng hợp luật tự dẫn cho thiết bị bay có tốc độ thay đổi", Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Viện KH&CN Quân sự, (43), tr.11-18 Trần Đức Thuận, Phạm Quang Hiếu, Nguyễn Văn Lâm, Nguyễn Văn Chung (2016), "Tổng hợp điều khiển Tối ưu - Thích nghi cho Thiết bị bay có tốc độ thay đổi", Tuyển tập Cơng trình khoa học Hội nghị Cơ điện tử tồn quốc lần thứ 8, NXB Khoa học Tự nhiên Công Nghệ, Hà Nội, tr.135-139 Nguyễn Văn Chung, Đỗ Như Ý, Phạm Quang Hiếu (2016), "Khảo sát nguyên lý điều khiển kết hợp tên lửa không đối không", Tuyển tập Cơng trình khoa học Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 8, NXB Khoa học Tự nhiên Công Nghệ, Hà Nội, tr.131-134 Phạm Quang Hiếu, Nguyễn Thị Lê Na, Trần Đức Thuận (2017), "Xây dựng thuật toán xác định gia tốc pháp tuyến tối ưu cho lớp thiết bị bay tự dẫn kênh độ cao", Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Viện KH&CN Quân sự, (47), tr.3-9 ... với thay đổi tốc độ bay 1.5.2 Vấn đề tổng hợp hệ thống điều khiển thiết bị bay có tốc độ thay đổi - Đặt vấn đề: Xây dựng mơ hình động học TBB có tốc độ thay đổi, tổng hợp luật dẫn thuật tốn điều. .. tốn tổng hợp luật dẫn cách đầy đủ đề cập đến yếu tố gây sai số 1.5 Ý nghĩa thay đổi tốc độ bay vấn đề tổng hợp hệ thống điều khiển thiết bị bay có tốc độ thay đổi 1.5.1 Ý nghĩa thay đổi tốc độ bay. .. khiển TBB có tốc độ thay đổi Chương TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BAY TỰ ĐỘNG 1.1 Hệ tọa độ khảo sát góc đặc trưng cho chuyển động TBB 1.1.1 Hệ tọa độ khảo sát chuyển động thiết bị