hóa, trang bị khí tài điều khiển đưa vào trang bị phục vụ sẵn sàng chiến đấu (Hình 1.9) [34], [58].
Với việc trang bị khí tài điều khiển, PPK 37mm-2N hiện nay có thể tác chiến trong cả điều kiện ban ngày và ban đêm với độ chính xác và hiệu quả tiêu diệt mục tiêu cao hơn.
Tuy nhiên, cũng như các khẩu đội PPK 37mm-2N nguyên bản, các hệ tryền động ngắm của PPK 37mm-2N bán tự động vẫn được thực hiện bằng tay, thao tác bởi hai pháo thủ.
Hình 1.10. Thao tác ngắm bằng tay của PPK 37mm-2N
Trong chiến tranh hiện đại, mục tiêu thường có khả năng cơ động nhanh với vận tốc lớn. Để nâng cao hiệu quả chiến đấu đối với các loại mục tiêu này, hiện nay PPK 37mm-2N tiếp tục được cải tiến trang bị hệ truyền đông lực (động cơ điện) cho các hệ truyền động ngắm.
Hình 1.11. Hệ truyền động lực ngắm của PPK 37mm-2N cải tiến
Các hệ truyền ngắm được trang bị hệ truyền động lực, dẫn động tự động theo phần tử mục tiêu đã được tính tốn bởi khí tài điều khiển sẽ nâng cao được tốc độ bám, nâng cao độ chính xác ngắm, giảm số lượng pháo thủ tham gia
Động cơ truyền
chiến đấu trực tiếp trên pháo, giảm xác xuất thương vong đồng thời giảm sự phục thuộc vào trình độ yếu lĩnh của pháo thủ thao tác ngắm.
1.1.2.1. Hệ truyền động ngắm của pháo phịng khơng 37mm-2N cải tiến
Các hệ truyền động ngắm của PPK 37mm-2N nguyên bản sử dụng các hệ truyền động bánh răng thơng thường, độ chính xác khơng cao, kết cấu phức tạp [7], [34], [35], [38], [56], [58], [59]. Việc sử dụng nhiều cặp bánh răng thông thường dẫn đến tồn tại khe hở cạnh răng giữa các cặp truyền, ảnh hưởng đến chất lượng truyền động, đồng thời gây ra các chuyển động lắc quanh trục tầm và trục hướng khi bắn, giảm độ chính xác ngắm bắn khi bắn loạt.
Khi nghiên cứu tích hợp hệ truyền động cơ-điện cho pháo, cơng trình khoa học [49] đã nghiên cứu tính tốn, thiết kế hệ truyền động ngắm cho pháo sử dụng động cơ Servo và hệ truyền cơ khí độ chính xác cao kết hợp các phương pháp khử khe hở cạnh răng.
Với giải pháp được thiết kế, hệ truyền động ngắm của pháo có độ chính xác rất cao, giảm khe hở giữa các cặp răng, hạn chế tối đa lực va chạm xuất hiện trên bề mặt bánh răng.
(a) Hệ truyền động hướng (b) Hệ truyền động tầm
Hình 1.12. Hệ truyền động ngắm của PPK 37mm-2N cải tiến
Sơ đồ động học và các thông số kỹ thuật chủ yếu của hệ truyền động ngắm tầm và ngắm hướng PPK 37mm-2N cải tiến được trình bày trong Phụ lục 1.
1.1.2.2. Chuyển động ngắm của PPK 37mm-2N cải tiến trong quá trình bắn
Pháo PK 37mm-2N sử dụng đạn không điều khiển. Để đảm bảo các nhiệm vụ bắn trúng, trong quá trình bắn các chuyển động tầm và chuyển động
hướng pháo phải đưa trục nịng pháo có các góc tầm () và góc hướng () theo các vị trí đã được tính tốn trên cơ sở lý thuyết xạ kích và dựa vào các tham số vận động của mục tiêu (bài tốn tính tốn phần tử bắn).
Hình 1.13. Sơ đồ ngun lý hệ thống tính tốn vị trí góc pháo
Về lý thuyết, các nghiên cứu [30] và [64] đã khảo sát đầy đủ động học của mục tiêu với rất nhiều thủ đoạn, một số quỹ đạo bay điển hình đã được xây dựng. Trong thực tế, vị trí của mục tiêu sẽ được đài điều khiển xác định và mô tả trong hệ tọa độ cầu theo các thơng số góc tầm (), góc hướng () và cự ly (D) [4], [34], [49], [58].
Hình 1.14. Hệ tọa độ cầu xác định vị trí mục tiêu
Để giải quyết nhiệm vụ bắn trúng cần phải xác định góc hướng bắn đón (Y), góc tầm bắn đón (Y) và thời gian đạn bay (TY). Ba trị số này sẽ xác định một điểm xạ kích.
Như vậy, bài tốn tính tốn phần tử bắn thực chất là bài tốn tìm thời gian TY và lượng đón và để đảm bảo đạn gặp mục tiêu. Bài toán được quy về việc giải tam giác bắn đón OAbAy và tam giác đường đạn OAyC [3], [4], [49].
Hình 1.15. Tam giác bắn đón và tam giác đường đạn giác đường đạn
Hình 1.16. Thuật tốn nhích dần tính tốn phần tử bắn đón tốn phần tử bắn đón
Bằng phương pháp giải tích, có thể đưa về các hệ phương trình với các ẩn số là các đại lượng Y, Y và TY. Tuy nhiên, việc giải hệ phương trình này tương đối phức tạp với nhiều hệ số thực nghiệm. Hiện nay, thuật toán hiệu quả để giải bài tốn này là dùng phương pháp tính gần đúng sử dụng thuật tốn nhích dần kết hợp với tra bảng bắn để tính phần tử bắn đón Y và Y.
1.1.2.3. Một số chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu đối với các chuyển động ngắm pháo
Một trong những mục tiêu hết sức quan trọng khi cải tiến hiện đại hóa pháo là nâng cao được xác suất tiêu diệt mục tiêu.
Về mặt lý thuyết, các chuyển động ngắm có độ chính xác so với lý thuyết càng cao thì xác suất tiêu diệt mục tiêu càng lớn. Tuy nhiên, đối với PPK 37mm-2N, dựa trên cơ sở đặc tính làm việc của cơ hệ pháo, đặc điểm mục tiêu và điều kiện tác chiến, các yêu cầu về độ chính xác bám đối với các chuyển động ngắm pháo được quy định cụ thể như sau [44]:
- Sai số khi bám mục tiêu cố định: không vượt quá ± 1mrad; - Sai số bám mục tiêu di động: không vượt quá ± 2mrad;
Bên cạnh đó, chuyển động tầm và chuyển động hướng của pháo cũng phải đảm bảo tỷ lệ vết đạn trong vùng xạ kích:
- Khi bắn phát một: 100% vết đạn trong vùng ± 5mrad. - Khi bắn loạt: 60% vết đạn trong vùng ±10mrad,
Để đảm bảo được tỷ lệ vết đạn trong vùng xạ kích thì trục nịng pháo trong q trình bắn khơng được vượt ra ngồi vùng xạ kích. Hay nói cách khác, sai số vị trí trục nịng pháo theo góc tầm () và góc hướng () khơng vượt q ± 5mrad trong trường hợp bắn phát một và ±10mrad trong trường hợp bắn loạt.
Nhận xét:
Pháo PKTT trong đó có PPK 37mm-2N với nhiều ưu điểm đã và đang được nhiều nước trên thế giới sử dụng. PPK37mm-2N nguyên bản và PPK37mm-2N bán tự động sử dụng các truyền đông ngắm được thực hiện bằng phướng pháp cơ khí (tay quay). Nhằm nâng cao hiệu quả tác chiến đối với các mục tiêu có khả năng cơ động nhanh, vận tốc lớn. Hiện nay, PPK 37mm-2N đã và đang được cải tiến, hiện đại hóa sử dụng các hệ truyền động lực (điện) thay thế cho các thao tác ngắm bằng tay. Một vấn đề không thể thiếu khi nghiên cứu cải tiến các hệ truyền động ngắm đó là bài tốn ổn định chuyển động tầm và chuyển động hướng của pháo trong quá trình bắn.
1.2. Tổng quan về ổn định chuyển động và bài toán ổn định chuyển động của cơ hệ được điều khiển của cơ hệ được điều khiển
Lý thuyết ổn định nghiên cứu các tiêu chuẩn để nhận biết một chuyển động được khảo sát là ổn định hay không ổn định. Các khái niệm và định lý cơ bản của lý thuyết ổn định đã được trình bày trong các tài liệu [76], [78], [79], [80], [81], [82], [83]. Một số cơng trình và các tài liệu nghiên cứu chun sâu cũng đã được các nhà khoa học trong và ngoài nước đề cập [11], [32], [45], [46].
PPK 37mm-2N cải tiến có các hệ truyền động ngắm đã được thay thế, sử dụng các hệ truyền động lực, dẫn ngắm bằng khí tài quang điện tử. Các chuyển động ngắm của pháo là các chuyển động được điều khiển. Một số định lý đã được chứng minh từ lý thuyết ổn định sử dụng trực tiếp lớp đối tượng này [45], [46], [76].
1.2.1. Ổn định chuyển động của một hệ động lực 1.2.1.1. Khái niệm ổn định Liapunov [45] 1.2.1.1. Khái niệm ổn định Liapunov [45]
1 2 0 0 ( , ), [ , ,..., ] , ( ) , n=2f T n y f t y y y y y y t y (1.1)
Định nghĩa 1: Nghiệm y * t của hệ phương trình vi phân (PTVP)
(1.1) được gọi là ổn định theo nghĩa Liapunov nếu như với dương cho trước bé tuỳ ý, ln có thể tìm được một số dương ( , )t0 sao cho mọi nghiệm y t của hệ phương trình vi phân (1.1) tại thời điểm đầu ở khá gần nghiệm y* t
0 0
( ) ( )
y t t (1.2)
thì nó sẽ ln thoả mãn điều kiện
( ) ( )
y t t với mọi t[0,+). (1.3)
Định nghĩa 2: Nếu số 0 có thể chọn khơng phụ thuộc vào điều kiện
đầu, tức là ( )thì ổn định theo nghĩa Liapunov của nghiệm y * t
được gọi là ổn định đều.
Định nghĩa 3: Nghiệm y* t của hệ phương trình vi phân (1.1)
được gọi là ổn định tiệm cận, nếu y * t ổn định theo nghĩa Liapunov và thoả mãn thêm điều kiện:
lim ( ) ( ) 0
t y t t (1.4)
Định nghĩa 4: Nghiệm y * t của hệ PTVP (1.1) là không ổn định
nếu nó khơng thỏa mãn định nghĩa 1 về ổn định theo nghĩa Liapunov.
1.2.1.2. Ý nghĩa cơ học của khái niệm ổn định Liapunov
Một trạng thái cơ học ( q ( t ),q ( t ))* * được gọi là ổn định tiệm cận theo nghĩa Liapunov, nếu do tác đụng của một nhiễu tức thời nào đó làm thay đổi trạng thái ( q ( t ),q ( t ))* * đó của cơ hệ, thì sau đó cơ hệ có khả năng tự quay trở lại trạng thái ( q ( t ),q ( t ))* * của nó.
Hình 1.18. Đồ thị ổn định của nghiệm x* 0
(1) Ổn định; (2) Ổn định tiệm cận; (3) Không ổn định 1.2.2. Ổn định chuyển động của cơ hệ được điều khiển
Khảo sát một hệ cơ học hơnơlơm, vị trí được xác định bởi q ii 1 n
tọa độ suy rộng. Chịu tác động của các lực suy rộng: ( , )
Q Q q q (1.5)
Động năng và thế năng của cơ hệ có dạng ma trận:
1 2
T
T q Aq ; (q ,q ,...,q )1 2 n (q) (1.6)
Với A aij là ma trận qn tính.
Phương trình chuyển động của cơ hệ khi chưa được điều khiển có dạng phương trình Lagrange loại II là:
d T T Q dt q q q (1.7)
Giả sử hệ khảo sát cần thực hiện chuyển động dạng:
*
n
Theo lý thuyết ổn định và ổn định tối ưu của cơ hệ được điều khiển [45]. Có thể tác dụng lên cơ hệ các lực điều khiển Ui tương ứng với các tọa độ suy rộng q ii 1 n để cơ hệ thực hiện chuyển động theo quy luật (1.8).
Nhận xét:
Trên cơ sở một số khái niệm về ổn định chuyển động và bài toán ổn định chuyển động của cơ hệ được điều khiển có thể nhận thấy, để nghiên cứu ổn định chuyển động tầm và hướng của pháo cần quan tâm hai vấn đề chính:
- Xác định mơ-men (lực) truyền động cần thiết để cơ hệ pháo thực hiện chuyển động mong muốn. Mô men (lực) truyền động sẽ được xác định khi nghiên cứu bài toán ĐLH ngược cơ hệ pháo.
- Điều khiển mô-men (lực) truyền động theo mơ men (lực) đã được tính tốn nhằm đảm bảo tính ổn định cho các chuyển động được điều khiển.
Trong luận án này, bài toán động lực học ngược được quan tâm chủ yếu. Bên cạnh đó, bài tốn điều khiển cũng sẽ được thực hiện nhằm mục đích đánh giá và kiểm chứng các kết quả nghiên cứu.
1.3. Tổng quan về động lực học và điều khiển chuyển động tầm và hướng pháo phịng khơng 37mm-2N cải tiến pháo phịng khơng 37mm-2N cải tiến
1.3.1. Một số mơ hình nghiên cứu động lực học cơ hệ PPK 37mm-2N
Mục 1.2 cho thấy sự cần thiết của việc xây dựng mơ hình ĐLH khi nghiên cứu ổn định chuyển động. Sự mất ổn định có thể xuất hiện do các tác động từ bên ngoài cũng như từ các yếu tố nội tại bắt nguồn từ các khiếm khuyết khi xây dựng mơ hình khảo sát (bỏ qua các lực thứ yếu, hoặc đơn giản một số thông số của hệ…) [45]. Do đó, việc xây dựng mơ hình nghiên cứu ĐLH càng trở nên quan trọng hơn khi nghiên cứu bài toán ổn định chuyển động.
Trên thế giới, việc xây dựng mơ hình tính tốn ĐLH, tính tốn các thơng số và điều khiển ổn định cho các chủng loại pháo đã được nghiên cứu một cách bài bản và đầy đủ. Tuy nhiên, các cơng trình nghiên cứu này thuộc lĩnh vực có tính bảo mật nên được cơng bố hạn chế và khó tiếp cận.
Pháo phịng khơng 37mm-2N được đưa vào trang bị từ khá lâu. Các tài liệu tham khảo chủ yếu hiện nay là các tài liệu hướng dẫn sử dụng, bảo quản và sửa chữa [7], [19], [34], [35], [37], [38], [56], [62]. Một số sách chuyên khảo phục vụ tính tốn thiết kế cũng được các nhà khoa học trong nước biên dịch và biên tập [2], [9], [10], [12], [15], [16], [50], [51], [52], [53], [54], [55]. Bên cạnh đó, một số cơng trình nghiên cứu về ĐLH cơ hệ pháo cũng đã dành được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trong nước trong những năm gần đây [1], [13], [17], [21].
1.3.1.1. Mơ hình nghiên cứu động lực học máy tự động
PPK 37mm-2N là pháo tự động, máy tự động (MTĐ) của pháo hoạt động theo nguyên lý nòng lùi. Chuyển động của hai thân pháo dưới tác dụng của lực bắn ảnh hưởng nhiều đến ổn định chuyển động tầm và hướng pháo, qua đó ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác bắn. Hình 1.19 trình bày mơ hình nghiên cứu ĐLH của MTĐ hoạt động theo ngun lý nịng lùi.
Hình 1.19. Mơ hình nghiên cứu động lực học của máy tự động Phương trình vi phân chuyển động của MTĐ có dạng tổng qt: Phương trình vi phân chuyển động của MTĐ có dạng tổng quát:
2 2 1 1 1 ( n i ) A n i i n i A i A A i i i i i i i K dV K dK K M mV F F dt dx (1.9)
trong đó: + MA là khối lượng của khâu cơ sở;
+ Mi, Ki, i và Fi tương ứng là khối lượng thu gọn, tỷ số truyền, hiệu suất và ngoại lực tác dụng lên khâu thứ i của các khâu làm việc.
Mơ hình nghiên cứu được xây dựng đơn giản, tường minh, tương đối sát với thực tế, khảo sát được các cơ cấu riêng của MTĐ. Tuy nhiên, mơ hình được xây dựng trong mặt phẳng, chưa xét đến các chuyển động không gian của cơ hệ pháo.
1.3.1.2. Một số mơ hình nghiên cứu động lực học cơ hệ PPK 37mm-2N
Một số mơ hình nghiên cứu ĐLH cơ hệ PPK37mm-2N cũng đã được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Tùy thuộc vào yêu cầu bài toán và cách tiếp cận khác nhau, các mơ hình riêng của cơ hệ pháo được xây dựng từ 1 đến 5 vật chuyển động. Cơ hệ pháo được nghiên cứu khi chịu tác dụng của lực phát bắn trên nền có liên kết đàn hồi, cản nhớt [1], [21], [61] hoặc trên nền dao động tạo bởi ảnh hưởng của sóng, gió [13]; hệ truyền động của cơ cấu tầm hướng đàn hồi hoặc có khe hở cạnh răng [1], [13], [17], [22]; một số cơng trình cũng đã đặt bài toán khi nghiên cứu trạng thái pháo chịu ảnh hưởng tác động của nền (lắp đặt trên xe, trên tàu hoặc bắn trên nền đàn hồi). Tuy nhiên, các nghiên cứu khi khảo sát đều coi cơ cấu tầm và cơ cấu hướng được khóa cứng.
(a) Lắp trên tàu hải quân (b) Lắp trên xe bánh lốp
Hình 1.20. Mơ hình nghiên cứu động lực học của PPK37mm-2N lắp đặt trên phương tiện cơ động
Các giả thiết khi nghiên cứu đều giả định các vật chuyển động là tuyệt đối cứng, đối xứng qua trục đối xứng; lực tác dụng của phát bắn chỉ phụ thuộc vào thời gian và được xác định bằng hệ phương trình cơ bản thuật phóng trong. Để thiết lập hệ PTVP mô tả chuyển động của cơ hệ pháo, các cơng trình đều sử dụng phương trình Lagrange loại II. Đa số các nghiên cứu đều coi hai thân pháo khi bắn là một vật đồng nhất (hai thân pháo bắn đồng thời). Tuy nhiên trong thực tế, máy tự động của hai thân pháo hoạt động độc lập.
Để nghiên cứu ảnh hưởng một số thông số của hai thân pháo đến chuyển động của pháo phịng khơng hai nịng 37mm k65 khi bắn, Tiến sĩ Mai Quang Anh đã xây dựng mơ hình nghiên cứu cơ hệ PPK 37mm-2N khi bắn xem hai nịng là hai vật có khối lượng và tải trọng độc lập [1]. Mơ hình nghiên cứu được xây dựng khá tổng quát khi kể đến các yếu tố cản nhớt của nền, tính đàn hồi của cơ cấu tầm hướng và hiện tượng lệch pha của hai thân pháo trong quá trình bắn. Tuy nhiên, nghiên cứu mới xem xét xây dựng mơ hình khi pháo bắn ở