Mô-men truyền động tầm và truyền động hướng pháo khi bắn liên

Mục 3.3 đã khảo sát ảnh hưởng của một số thống số đến chuyển động của khối lùi hai thân pháo. Qua đó đã làm rõ hơn các nguyên nhân dẫn đến hiện tượng lệch pha thời điểm phát hỏa của hai thân pháo.

PPK 37mm-2N thường sử dụng chế độ bắn liên thanh đo đó có thể xảy ra hiện tượng lệch pha sau mỗi phát bắn. Hiện tượng lệch pha có thể do độ lệch thời điểm phát hỏa ở viên đạn đầu hoặc do sự khác nhau độ cứng lò xo đẩy lên của hai thân pháo. Mục này, luận án sẽ khảo sát đặc tuyến mô-men truyền động tầm và truyền động hướng của pháo khi bắn liên thanh cho hai trường hợp này. Pháo phòng không 37mm-2N có tốc độ bắn lý thuyết từ 160 180 phát/phút. Tương ứng với thời gian giữa hai phát bắn liên tiếp nằm trong khoảng 0.3330.375(s). Trong thực tế, tốc độ bắn có thể thấp hơn. Để khảo sát, luận án lấy thời gian giữa hai phát bắn liên tiếp trên cùng 1 thân pháo là 0,33(s). 3.4.1. Bắn khi có sự lệch pha thời điểm phát hỏa của hai thân pháo

Hệ thống bắn đồng bộ của cơ cấu cò PPK 37mm-2N có khả năng hiệu chỉnh đồng thời phát hỏa lần đầu cho hai thân pháo. Tuy nhiên, trong thực tế có những sai số nhất định trong việc hiệu chỉnh nên vẫn có khả năng dẫn đến hiện tượng lệch pha thời điểm phát hỏa ngay ở lần phát hỏa đầu tiên.

Độ lệch về thời gian phát hỏa của hai thân pháo có tính bất định. Tuy nhiên, theo kết quả khảo sai lệch thời điểm tống đạn được trình bày trong tài liệu [18], độ lệch thời gian phát hỏa của hai thân pháo TPH0,02(s).

Hình 3.16 và hình 3.17 trình bày kết quả mô phỏng quy luật chuyển động hai thân pháo và đặc tuyến mô-men truyền động tầm và hướng khi bắn liên thanh có thời gian lệch pha thời điểm phát hỏa của 2 thân pháoTPH =0,2(s).

Hình 3.16. Quy luật chuyển động của hai thân pháo khi bắn lệch pha q3 [m ] d q3 [m /s ]

(a) Thân pháo phải phát hỏa trước

(b) Thân pháo trái phát hỏa trước

Hình 3.17. Bắn mục tiêu cố định khi có sự lệch pha về thời gian phát hỏa

* Nhận xét :

- Kết quả mô phỏng cho thấy, mô-men truyền động tầm thay đổi nhỏ so với khi không có sự lệch pha thời điểm phát hỏa của hai thân pháo (Hình 3.8). Mô-men truyền động tầm khi thân pháo trái phát hỏa trước hay thân pháo phải phát hỏa trước là như nhau.

- Mô-men truyền động hướng thay đổi rất lớn phụ thuộc vào độ lệch về thời gian phát hỏa và thứ tự phát hỏa của hai thân pháo. Trong cả hai trường hợp khảo sát, mô-men truyền động hướng lớn nhất có giá trị uhmax  ±13Nm. 3.4.2. Bắn liên thanh khi có sự khác nhau độ cứng lò xo đẩy lên của hai thân pháo.

Khi độ cứng lò xo đẩy lên của hai thân pháo khác nhau sẽ làm thời gian của một chu kỳ chuyển động của khối lùi trên hai thân pháo khác nhau có thể

U 2 T P t [ N m ] U 2 T P h [ N m ] U 2 T P t [ N m ] U 2 T P h [ N m ]

dẫn đến hiện tượng lệch pha thời điểm phát hỏa từ viên đạn thứ hai trở đi. Hình 3.18 trình bày kết quả đồ thị quy luật chuyển động của hai thân pháo và mô- men truyền động khi bắn liên thanh trong trường hợp này.

Hình 3.18. Quy luật chuyển động của khối lùi hai thân pháo khi bắn liên thanh có sự khác nhau về độ cứng lò xo đẩy lên của hai thân pháo

* Nhận xét: Kết quả mô phỏng cho thấy, sau phát bắn đầu tiên xuất hiện hiện

tượng lệch pha. Thời gian lệch pha tăng lên sau mỗi phát bắn, có thời điểm hai thân pháo bắn lệch pha hoàn toàn. Tại thời điểm này, lực tác động lên cơ hệ pháo sẽ tương tự như khi bắn một thân pháo.

Hình 3.19 trình bày kết quả mô phỏng mô-men truyền động tầm và truyền động hướng khi lò xo đẩy lên của hai thân pháo có độ cứng tương ứng là CXP =20000(N/m) ; CXT = 25500(N/m).

Hình 3.19. Mô-men truyền động khi bắn liên thanh có sự khác nhau về độ cứng lò xo đẩy lên của hai thân pháo

q3 [m ] d q3 [m /s ]

* Nhận xét :

- Mô-men truyền động tầm thay đổi trong khoảng ut -0,40,6 (Nm) khi hai thân pháo phát hỏa đồng thời.

- Mô-men truyền động hướng tăng lên sau phát bắn đầu tiên. Mô-men truyền động hướng có biên độ biến thiên lớn nhất uhmax ±13Nm tại các phát bắn có sự lệch pha hoàn toàn của hai thân pháo.

Kết luận chương 3

Trên cơ sở hệ PTVP mô tả chuyển động của cơ hệ pháo đã được thiết lập, chương 3 đã xây dựng các thuật toán số xác định quy luật chuyển động của khối lùi và giải bài toán ĐLH ngược cho cơ hệ pháo.

Các kết quả đạt được trong chương này là:

- Xây dựng thuật toán số và chương trình tính toán ĐLH ngược cơ hệ pháo trên phần mềm Matlab.

- Khảo sát ảnh hưởng của một số tham số đến quy luật chuyển động của khối lùi pháo trong quá trình bắn. Quy luật chuyển động của khối lùi pháo được khảo sát khi tính đến thành phần chuyển động tầm và hướng pháo.

- Khảo sát đặc tuyến mô-men truyền động trong các trường hợp bắn phát một và bắn liên thanh khi kể đến sự lệch pha thời điểm phát hỏa và khi có sự khác nhau độ cứng lò xo đẩy lên của hai thân pháo.

Các kết quả nghiên cứu trong chương 3 đã được NCS công bố trong các công trình nghiên cứu số 5 và 6.

Chương 4

MÔ PHỎNG SỐ VÀ THỬ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CHO PPK 37MM-2N CẢI TIẾN TRONG QUÁ TRÌNH BẮN

Chương 2 và chương 3 của luận án đã xây dựng được mô hình nghiên cứu ĐLH cơ hệ pháo và khảo sát đặc tuyến mô-men truyền động tầm và hướng pháo cho các trường hợp bắn khác nhau. Trong chương này, luận án xây dựng hệ thống điều khiển chuyển động tầm và hướng pháo trong quá trình bắn bằng luật điều khiển tính mô-men dựa trên mô hình ĐLH đã được xây dựng nhằm mục đích thử nghiệm, đánh giá tính ổn định và độ chính xác của hai chuyển động này. Các nội dung được thực hiện bằng phương pháp mô phỏng số HTĐK trên phần mềm đa năng Matlab-simulink và thử nghiệm bắn đạn thật kiểm chứng kết quả nghiên cứu.

4.1. Điều khiển chuyển động bám cho PPK 37mm-2N bằng luật điều khiển tính mô-men tính mô-men

4.1.1. Luật điều khiển tính mô-men

Luật điều khiển tính mô-men cho bài toán bám quỹ đạo có cấu trúc như sau [33], [64]:

M(q)u C(q,q)q g(q)

      (4.1) u được xác định theo (dựa trên bộ điều khiển PD):

D P   d u = q K e K e (4.2) trong đó: d

e = q - q là sai số bám quỹ đạo ;

d

e = q - q   là sai số vận tốc bám ;

2



d

q là các vectơ vị trí quỹ đạo mong muốn ;

2  d q là vận tốc mong muốn ; 2  d

q là gia tốc của quỹ đạo mong muốn ; ,

P D

( 1 2)

Pj Dj j 

K ,K tương ứng cho kênh hướng và tầm

1 2 0 0 P P P K K        K , 1 2 0 0 D D D K K        K Từ (4.1) và (4.2) ta có: ( D P )  d  M(q)q M(q) q  K e K e (4.3) ( D P ) 0  M(q) e K e K e   Do M(q)0nên: e K e K e D P 0 (4.4) Đây là PTVP biểu diễn mối quan hệ sai số giữa góc hiện tại và góc mong muốn. K KP, Dlà các tham số có thể được điều chỉnh để tác động đến đáp ứng của hệ thống. Với KPj 0, KDj 0, sai số bám sẽ dần đến 0 khi t.

Sử dụng lý thuyết ổn định Liapunov để kiểm tra tính ổn định của hệ thống: - Hàm Liapunov được chọn như sau:

1 1

2 2

T T

P

V  e e  e K e (4.5) - Lấy vi phân cả 2 vế của phương trình trên ta được:

( )

T T T T T

P D P P D

V   e e e K e   e K e K e e K e  e K e  (4.6) với K KP, Dxác định dương ta thấy:

+ V   0, e 0; + V   0 e 0

+ T 0,

D

V  e K e   e

Từ 3 điều kiện trên, với KPj 0, KDj 0 (j 1 2), theo lý thuyết ổn định Liapunov hệ ổn định. Phương trình (4.4) có dạng: ej 2 j jej 2je0 (j  1 2) (4.7) trong đó: ; 2 Dj j Pj j Pj K K K     (4.8)

Phương trình này có dạng của một hệ dao động tự do bậc 2 có cản với j là tần số dao động, j là hệ số tắt (hay hệ số suy giảm).

Thời gian quá độ:

4 qd j j t    (4.9) Độ vọt lố: 2 exp( ).100% 1 j j POT       (4.10)

Tùy theo yêu cầu điều khiển, ta lựa chọn thời gian quá độ tqdvà độ vọt lố POT, từ đó xác định được các hệ số  j, j. Theo (4.8) ta xác định được các hệ số:

2; 2

Pj j Dj j j

K  K   

(4. 11) Khi j càng lớn, dao động suy giảm càng nhanh. Thông thường ta chọn hệ số j1tương ứng với hệ dao động tự do bậc 2 có cản là hệ cản tới hạn, chuyển động của hệ là tắt dần và không dao động.

Tần sốj càng lớn, tốc độ đáp ứng của hệ thống càng cao; j được chọn dựa trên các đặc trưng của hệ thống, yêu cầu về điều khiển (thời gian quá độ, độ vọt lố…).

Sơ đồ nguyên lý của HTĐK được xây dựng như Hình 4.1:

Hình 4.1. Sơ đồ nguyên lý điều khiển bằng luật điều khiển tính mô-men 4.1.2. Mô phỏng số hệ thống điều khiển chuyển động cho pháo

4.1.2.1. Sơ đồ mô phỏng số hệ thống điều khiển pháo

Từ các lý thuyết đã trình bày ở trên, sơ đồ điều khiển pháo tổng quát được xây dựng gồm 3 khối chính như sau (Hình 4.2):

Hình 4.2. Sơ đồ điều khiển Pháo Chức năng và nhiệm vụ các khối như sau:

- Khối Luật điều khiển: Làm nhiệm vụ tính luật điều khiển, luật điều khiển

được thiết kế dựa trên phương trình chuyển động của hai hệ truyền động pháo.

- Khâu quán tính (khâu trễ): Thời gian quán tính của động cơ truyền động.

- Khối Pháo: Đóng vai trò cơ hệ pháo có đầu vào là các lực điều khiển và đầu

ra là các vị trí và vận tốc các tọa độ thực tế của góc tầm và góc hướng. Trong mô phỏng số khối này làm nhiệm vụ giải bài toán ĐLH.

4.1.2.2. Bộ số liệu mô phỏng và các tham số bộ điều khiển

Hệ thống điều khiển pháo theo luật điều khiển PD được mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink với bộ số liệu đã được xác định trong chương 2 và chương 3. Quỹ đạo chuyển động bám được sử dụng trong quá trình mô phỏng được lấy theo quy luật hình SIN :

1 0 2 0 0 sin( t) sin( t) h t q q           (4.12)

có các tham số ban đầu tại t 0 là 0

18 h    ; 0 18 t   

* Các thông số động cơ truyền động :

- Loại động cơ: PM Servomotor của hãng Kollmorgen; - Model: AKM5;

- Mô-men lớn nhất: 21,6(Nm); - Thời gian quán tính: 0.016(s);

* Tham số bộ điều khiển PD: 400 0 ; 120 0

0 60 0 30 P D             K K

4.1.2.3. Mô phỏng số HTĐK bám cho pháo khi bắn phát một

a. Bám mục tiêu di động khi không có tác động của lực phát bắn

Hình 4.3. Sai số bám khi không có tác động của lực phát bắn

* Nhận xét: Chuyển động tầm và hướng bám theo quỹ đạo hình SIN với sai số

bám sát lớn nhất theo góc hướng max  ±0,2mrad và theo góc tầm max 

±0,8mrad đáp ứng chỉ tiêu yêu cầu sai số bám cho phép (±2mrad). b. Bắn phát một bằng một thân pháo

(a) Bắn thân pháo phải

(b)Bắn thân pháo trái

Đáp ứng của HTĐK khi bắn phát một bằng một thân pháo được trình bày trên hình P2.4 (Phụ lục 2).

* Nhận xét:

- Khi bắn một thân pháo, chuyển động tầm và hướng ổn định. Sai số bám lớn nhất theo góc hướng max  ±4mrad và theo góc tầm max  ±1,5mrad đáp ứng yêu cầu sai số vị trí trục nòng pháo theo góc hướng và góc tầm trong trường hợp bắn phát một không vượt quá ±5mrad;

- Thời gian quá độ từ khi xuất hiện tác động của lực phát bắn đến khi hệ ổn định với sai số ±0,1mrad theo góc hướng tqd  0,3(s) và góc tầm tqd 0,5(s). c. Bắn phát một đồng thời hai thân pháo

Hình 4.5. Sai số bám khi bắn phát một đồng thời hai thân pháo

Đáp ứng của HTĐK khi bắn phát một đồng thời hai thân pháo được trình bày trên hình P2.5 (Phụ lục 2).

* Nhận xét:

- Khi bắn đồng thời hai thân pháo, chuyển động tầm và hướng ổn định. Sai số bám lớn nhất theo góc hướng max  ±0,7mrad và theo góc tầm max

±3mrad, đáp ứng chỉ tiêu yêu cầu sai số vị trí trục nòng pháo theo góc hướng và góc tầm trong trường hợp bắn phát một không vượt quá ±5mrad;

- Thời gian quá độ từ khi xuất hiện tác động của lực phát bắn đến khi hệ ổn định với sai số ±0,1mrad theo góc hướng tqd  0,3(s) và góc tầm tqd 0,5(s).

d. Bắn phát một có sự lệch pha thời điểm phát hỏa

Hình 4.6. Sai số bám khi bắn phát một có sự lệch pha thời điểm phát hỏa Đáp ứng của HTĐK khi bắn phát một có sự lệch pha thời điểm phát hỏa hoặc khác nhau độ cứng lò xo đẩy lên của hai thân pháo trình bày trên hình P2.6 (Phụ lục 2).

* Nhận xét:

- Khi bắn phát một có sự lệch pha thời điểm phát hỏa của hai thân pháo chuyển động tầm và hướng ổn định. Sai số bám sát lớn nhất theo góc hướng

max ±4mrad và theo góc tầm max ±4.5mrad, đáp ứng yêu cầu sai số vị trí trục nòng pháo theo góc hướng và góc tầm trong trường hợp bắn phát một không vượt quá ±5mrad;

- Thời gian quá độ từ khi xuất hiện tác động của lực phát bắn đến khi hệ ổn định với sai số ±0,1mrad theo góc hướng tqd  0,4(s) và góc tầm tqd 0,55(s).

4.1.2.4. Mô phỏng số HTĐK bám cho pháo khi bắn liên thanh a. Bắn liên thanh một thân pháo a. Bắn liên thanh một thân pháo

Hình 4.8. Sai số bám khi bắn liên thanh một thân pháo trái

Đáp ứng của HTĐK khi bắn liên thanh một thân pháo trình bày trên hình P2.7 và Hình P2.8 (Phụ lục 2).

* Nhận xét:

- Khi bắn liên thanh bằng một thân pháo (phải hoặc trái) chuyển động tầm và hướng ổn định. Sai số bám sát lớn nhất theo góc hướng max ±4mrad và theo góc tầm max ±1.5mrad, đáp ứng yêu cầu sai số vị trí trục nòng pháo theo góc hướng và góc tầm khi bắn liên thanh không vượt quá ±10mrad;

- Thời gian quá độ từ khi xuất hiện tác động của lực phát bắn đến khi hệ ổn định với sai số ±0,1mrad theo góc hướng tqd  1,25(s) và góc tầm tqd 1,5(s).

b. Bắn liên thanh đồng thời hai thân pháo

Hình 4.9. Sai số bám khi bắn liên thanh đồng thời hai thân pháo

Đáp ứng của HTĐK khi bắn liên thanh đồng thời hai thân pháo trình bày trên hình P2.9 (Phụ lục 2).

* Nhận xét:

- Khi bắn liên thanh hai thân pháo đồng thời chuyển động tầm và hướng ổn định. Sai số bám sát lớn nhất theo góc hướng max  ±6mrad và theo góc tầm max ±3mrad, đáp ứng yêu cầu sai số vị trí trục nòng pháo theo góc hướng và góc tầm trong trường hợp bắn liên thanh không vượt quá ±10mrad;