sử dụng các luật điều khiển truyền thống
Trong những thập niên vừa qua các hệ thống tự động bám các đối tượng các đối tượng di động trên cơ sở quang điện tử do các tổ hợp công nghiệp quốc phòng của các nước phát triển thiết kế chế tạo đã phát huy tốt tác dụng, về cơ bản đáp ứng được các yêu cầu của các lĩnh vực quân sự quốc phòng và kinh tế trong giai đoạn vừa qua, trừ những yêu cầu đặc biệt. Có thể nói hầu hết các hệ thống đó đều sử dụng các luật điều khiển truyền thống PID và các biến thể của nó. Các luật điều khiển đó chỉ phát huy tác dụng trong điều khiển hệ thống hoạt động ở miền tuyến tính, các tham số động học của hệ thống cố định hoặc thay đổi không đáng kể, không có các yếu tố bất định và cường độ
nhiễu thấp. Nếu một trong các điều kiện đó bị phá vỡ các luật điều khiển truyền thống không cho kết quả mong muốn, chất lượng của hệ thống không cao [26], [33], [76]. Đối tượng điều khiển trong hệ thống tự động bám các đối tượng di động có động học phi tuyến, các thành phần bất định và nhiễu tác động. Vì vậy, với các luật điều khiển truyền thống không thể đảm bảo chất lượng cao cho hệ thống. Trong lúc đó, yêu cầu đảm bảo chất lượng cao về độ chính xác, tác động nhanh, khả năng kháng nhiễu đối với hệ thống tự động bám sát các đối tượng chuyển động sử dụng các thiết bị quang điện tử ngày càng tăng.
Ngoài ra, khảo sát các hệ thống tự động bám sát đối tượng di động trên cơ sở quang điện tử sử dụng các luật điều khiển truyền thống còn có thể nhận xét thêm rằng: Khả năng mất bám còn có thể xảy ra khi mục tiêu bị che khuất. Điều đó là hiển nhiên do khối xử lý ảnh không thể đưa ra các thông tin về vị trí của mục tiêu khi mục tiêu bị che khuất. Vấn đề đặt ra chính là: Hệ thống cần phải được bổ sung các thuật toán nhận dạng và dự báo tín hiệu đầu vào làm giảm khả năng mất bám. Nếu có thêm kênh nhận dạng và dự báo, kênh này sẽ cung cấp thông tin gần đúng về toạ độ mục tiêu; khi mục tiêu bị che khuất, hệ thống sẽ bám theo tín hiệu dự báo cho đến khi mục tiêu xuất hiện trở lại.
Để thiết kế, chế tạo được được các hệ thống tự động định vị từ xa các đối tượng di động với chất lượng cao, ngoài các nội dung về gia công chế tạo cơ khí chính xác, chúng ta cần phải giải quyết hai nội dung chính sau:
- Bài toán xử lý ảnh động
- Bài toán bám sát đối tượng di động với độ chính xác cao
Đối với bài toán xử lý ảnh động, các kết quả nghiên cứu [7] hiện đang được sử dụng trên các hệ thống điều khiển hoả lực đã được trang bị trong quân đội ta hiện nay, về cơ bản đã đáp ứng được các chỉ tiêu kỹ thuật, tuy
nhiên, cùng với sự phát triển của công nghệ, nhằm mục đích nâng cao chất lượng của thuật toán xử lý ảnh động, trong qua trình nghiên cứu, nghiên cứu sinh đã đề xuất thuật toán trích chọn, mô tả đặc trưng vùng sao cho các đặc trưng đó không thay đổi (invariant) làm cơ sở cho việc xây dựng các thuật toán bám sát mục tiêu với độ tin cậy cao hơn. Bản chất của thuật toán là sử dụng ma trận hiệp phương sai mô tả đặc tính của vùng chứa đối tượng trên ảnh số được phát triển bởi F.Porikli và O.Tuzel [58], [74], xây dựng ma trận hiệp phương sai bằng các thông số cơ bản trên ảnh số, cách tìm tương quan giữa hai vùng được mô tả bởi hai ma trận [23]. Mục đích của thuật toán là nâng cao độ chính xác tìm kiếm lại đối tượng (mục tiêu) khi các điều kiện về góc quan sát, sự chuyển động của đối tượng và môi trường thay đổi.
Trong quá trình nghiên cứu, nghiên cứu sinh cũng đã đề xuất thuật toán nhận dạng và dự báo tín hiệu vào và cấu trúc hệ thống sử dụng kênh nhận dạng và dự báo tín hiệu vào nhằm giảm thiểu khả năng mất bám. Bản chất thuật toán này là giải pháp nhận dạng quy luật biến thiên của tín hiệu vào và từ đó bằng phương pháp ngoại suy [86] xác định các giá trị của nó trong tương lai để tạo tín hiệu dự báo thay thế tín hiệu vào khi tín hiệu vào bị mất.
Các thuật toán trên đã được áp dụng vào thực nghiệm trên hệ thống điều khiển hoả lực pháo phòng không 37mm - 2N đang được trang bị [7], nâng cao chất lượng của thuật toán xử lý ảnh trong điều khiển hoả lực pháo phòng không 37mm - 2N tác chiến ngày và đêm. Các kết quả cũng đã được công bố trong các công trình khoa học của nghiên cứu sinh (công trình 2 và 4).
Như v y, về mặt cơ b n, bài toán ử ý nh bám bắt các đối tượng di động đã được gi i quyết, tiếp theo u n án chỉ t p trung vào nghiên cứu tìm kiếm các phương pháp tổng hợp và thiết kế hệ thống tự động bám sát các đối tượng di động có chất ượng cao.
1. . Bài toán tự động bám sát các đối tượng di động trong không gian
1.5.1. Những yêu cầu chung đối với hệ thống tự động bám
Trong phần trên, luận án đã trình bày các thuật toán định vị từ xa các đối tượng di động. Rõ ràng, khi đối tượng chuyển động với tốc độ lớn theo những quỹ đạo phức tạp, nếu chỉ sử dụng các thiết bị đo một cách riêng lẻ thì không thể giải quyết được bài toán định vị. Chỉ có các hệ tự động bám sát mới cho phép giải các bài toán định vị các đối tượng di động. Tuy nhiên, tùy thuộc vào yêu cầu của từng bài toán cụ thể, mức độ chất lượng của hệ thống bám sát có thể cần thiết sẽ khác nhau.
Trong các phần dưới đây, luận án đề cập bài toán bám sát ở dạng đã được khái quát hóa, nhằm tạo cơ sở về mặt hệ thống cho việc giải quyết các vấn đề bám sát các đối tượng di động.
Giả sử đối tượng di động M chuyển động với tốc độ Vm t trong không gian. Vị trí của đối tượng M trong không gian, tại thời điểm t, được đặc trưng bởi bộ ba tham số. Nếu sử dụng hệ tọa độ đề các, bộ ba tham số đó là
, ,
X t Y t Z t . Nếu sử dụng hệ tọa độ cầu, bộ ba tham số đó sẽ là , ,
D t t t . Trong một số trường hợp, có thể sử dụng hệ tọa độ hình trụ và hệ tọa độ hình nón. Đối với hệ tọa độ hình trụ bộ ba tham số đo là
t ,H t d t,
, trong đó H t là độ cao và d t là bán kính của mặt hình trụ đi qua vị trí của đối tượng tại thời điểm t mà trục của hình trụ vuông góc với mặt phẳng nằm ngang tại gốc tọa độ. Bộ ba tham số trong hệ tọa độ hình nón là t , t ,H t . Việc lựa chọn hệ tọa độ cho hệ thống bám sát là tùy thuộc vào phương tiện đo và điều kiện cụ thể của từng bài toán ứng dụng.
Ta thấy rằng, cho dù cho hệ tọa độ nào đi chăng nữa, thì bộ ba tham số nêu trên là bộ tham số quan trọng nhất của bài toán định vị bám sát. Tham số khác nữa là tốc độ chuyển động của đối tượng, bao gồm cả giá trị của tốc độ
và hướng chuyển động, đều rất cần thiết cho việc giải các bài toán ứng dụng. Tuy vậy hướng chuyển động và giá trị của tốc độ chuyển động có thể được xác định một cách gián tiếp thông qua bộ ba tham số cơ bản. Đặc biệt, nếu các hệ thống bám sát theo ba tham số cơ bản hoạt động ổn định, tin cậy thì việc xác định hướng đối tượng và tốc độ chuyển động của đối tượng sẽ được dễ dàng.
Các yêu cầu chủ yếu đối với các hệ thống định vị từ xa các đối tượng di động ở những mức độ khác nhau, phụ thuộc vào đối tượng phục vụ. Tuy nhiên, trong mọi trường hợp, yêu cầu chung đối với các hệ thống này là:
- Phải có độ chính xác cao
- Phải có độ tác động nhanh tốt, đảm bảo cho hệ thống chuyển từ bám sát một đối tượng sang bám sát một đối tượng khác với thời gian ngắn nhất. (Nghĩa là tối ưu tác động nhanh).
- Phải có khả năng kháng nhiễu tốt
- Hệ thống phải thích nghi, bền vững, giữ được chất lượng điều khiển ngay cả trong các trường hợp tham số của hệ thống bị thay đổi.
Yêu cầu cao nhất được đặt ra cho các hệ thống này à: đ m b o ổn định và thỏa mãn đồng thời tất c các chỉ tiêu về độ chính ác, độ tác động nhanh, kh năng kháng nhi u và kh năng thích nghi với sự thay đổi tham số và đặc tính động học do tính chất đặc thù và môi trường àm việc gây nên. Đây à vấn đề rất phức tạp bởi chất ượng của hệ thống tự động bám phụ thuộc vào nhiều yếu tố, ngoài nh hưởng của các yếu tố bên ngoài như: nhi u, điều kiện àm việc, … thì tính phi tuyến, sự thay đổi các tham số bên trong của hệ nh hưởng mạnh đến chất ượng điều khiển, th m chí àm cho hệ thống mất ổn định và mất kh năng hoạt động. Cho đến nay vẫn chưa có phương pháp tổng hợp hệ thống đáp ứng đầy đủ các yêu cầu nêu trên. Rõ ràng, ây dựng
phương pháp tổng hợp, thiết kế, chế tạo hệ thống tự động bám đáp ứng tối đa các yêu cầu nên trên thực sự à cấp thiết.
1.5.2. Định hướng nghiên cứu đáp ứng các yêu cầu đặt ra
Để giải quyết vấn đề cấp thiết nêu trên, luận án định hướng theo các nhóm nội dung học thuật trọng tâm sau đây:
1) Giảm thiểu ảnh hưởng của các đặc tính phi tuyến đến chất lượng của hệ thống bằng cách bù trừ phi tuyến.
Đối với các đặc tính phi tuyến tính của các phần tử như sensors, các bộ khuếch đại, cơ cấu chấp hành, … có thể sử dụng các phương pháp như: mở rộng vùng làm việc tuyến tính, bù trừ phi tuyến bằng các mối liên kết thẳng phi tuyến song song hoặc sử dụng phản hồi phi tuyến.
Đối với các đặc tính phi tuyến phức tạp, khi tính chất phi tuyến được biểu diễn bằng những hàm phi tuyến của nhiều biến trạng thái, đặc biệt là trường hợp hàm phi tuyến này là bất định, việc bù trừ ảnh hưởng của chúng đến chất lượng của hệ thống trở nên phức tạp và khó khăn hơn nhiều. Vấn đề giảm thiểu ảnh hưởng xấu của các đặc tính phi tuyến phức tạp kiểu đó cho đến nay vẫn chưa được giải quyết thỏa đáng. Hiện nay các phương pháp tổng hợp hệ thống có chứa các đặc tính phi tuyến phức tạp thuộc lớp nói trên chỉ đ m b o được cho hệ ổn định, còn các chỉ tiêu chất ượng khác của hệ thống còn bỏ ngỏ. Điển hình cho các phương pháp đó là phương pháp backstepping và các biến thể của nó. Vấn đề tổng hợp hệ thống điều khiển với các phi tuyến phức tạp, đảm bảo các yêu cầu cao về chất lượng đang là vấn đề thời sự và thực sự là cấp thiết. Luận án định hướng tập trung nghiên cứu xây dựng phương pháp tổng hợp hệ thống có chất lượng cao, bù trừ được ảnh hưởng của các phi tuyến cho một lớp rất rộng các hệ thống thường gặp trong thực tế.
2) Giảm thiểu tác động của nhiễu lên hệ thống, đặc biệt là các lớp nhiễu không đo được, đảm bảo chất lượng hệ thống tốt hơn.
3) Xây dựng phương pháp tổng hợp hệ điều khiển bám có các yếu tố phi tuyến phức tạp, bất định, đảm bảo cho hệ thống có chất lượng cao, có độ tác động nhanh tốt, có tính kháng nhiễu cao.
Trong phần tiếp theo ngay sau đây, chúng ta sẽ ướt qua các vấn đề của định hướng trên đây với tính chất tổng quan tóm tắt, nhằm đánh giá các phương pháp có iên quan hiện có, àm cơ sở cho nội dung phát triển trong chương sau.
1.6. Các đặc tính phi tuyến của các phần tử không quán tính và các phương pháp bù trừ phương pháp bù trừ
Các đặc tính phi tuyến của các phần tử không quán tính thường gặp trong thực tế hầu hết đều là những hàm phi tuyến không trơn của tín hiệu vào. Sự tồn tại của các phi tuyến này trong hệ thống làm giảm độ chính xác, độ dự trữ ổn định và trong nhiều trường hợp làm cho hệ thống mất ổn định.
Trong thực tế, không tồn tại phần tử tuyến tính lý tưởng. Khi điều kiện làm việc (biến thiên của đầu vào, điều kiện môi trường, tải …) vượt quá giới hạn, phần tử tuyến tính có thể chuyển thành phi tuyến hoặc ngược lại. Trong hệ thống tự động bám, các phần tử của hệ về cơ bản đều là các phần tử phi tuyến. Sự tồn tại của tính phi tuyến trong hệ có ảnh hưởng cả tốt và xấu đối với chất lượng và sự làm việc của hệ. Tính phi tuyến trong hệ gây nên nhiều tác động bất lợi đối với chất lượng của hệ như mất bám, sai số tích luỹ, dao động quanh điểm cân bằng..., nhưng đôi khi cần phải đưa phần tử phi tuyến (giới hạn vận tốc góc, giới hạn mô men quay của động cơ …) vào để áp dụng một số yêu cầu riêng [83], [95].
Đầu ra của một số phần tử trong hệ như: bộ khuếch đại sơ bộ, bộ khuếch đại công suất … hoặc một số giá trị như: mô men quay, vận tốc góc của động cơ chấp hành … thường có độ lớn bị giới hạn. Những phần tử này có thể được mô tả qua mô hình toán học của khâu bão hòa, một số phần tử có đặc tuyến
tĩnh gần giống khâu bão hoà nhưng tốc độ gia tăng của giá trị đầu ra thay đổi, một số phần tử khác thể hiện khâu phi tuyến có vùng chết, đáng chú ý là đặc tính phi tuyến dạng Backlash, trong đó đầu ra là một hàm đa trị, không trơn của tín hiệu vào.
Đặc tính phi tuyến dạng này được gây ra bởi các khe hở trong các kết cấu cơ khí, đặc biệt là trong các hệ truyền động bánh răng, do ma sát cũng như do tính chất đàn hồi. Đặc tính phi tuyến dạng này không chỉ đơn thuần là hàm phi tuyến phức tạp, mà nó còn thay đổi theo thời gian do sự mài mòn của các chi tiết cơ khí và do nhiều yếu tố khác.
Nhằm giảm thiểu ảnh hưởng xấu của các đặc tính phi tuyến đến chất lượng của hệ thống, nhiều phương pháp bù trừ phi tuyến đã được đề xuất [14], [19], [23], [38], [40], [43], [59], [60], [64], [65], [86], [88], [89], [93], [94], [95], [96], [100].
Nhìn chung các phương pháp đó đều là những giải pháp kỹ thuật áp dụng mang tính cục bộ cho phần tử phi tuyến cụ thể, và có thể phân thành các nhóm sau đây:
a Nh m phương pháp mở rộng v ng làm việc tuyến tính
Nội dung của giải pháp này là lợi dụng tính chu kỳ của đặc tính phi tuyến [85], [96] hoặc kết hợp bổ sung các phân tử phi tuyến khác để tạo ra một phần tử có vùng tuyến tính rộng hơn [86], [95].
b trừ phi tuyến b ng cách sử dụng các mối liên kết th ng, phi tuyến
Nổi bật nhất trong nhóm này là phương pháp sử dụng các khâu phi tuyến với đặc tính phi tuyến đảo ngược với đặc tính phi tuyến cần bù trừ [26], [88]. Nhược điểm của phương pháp này là khó thực hiện kỹ thuật các khâu phi tuyến với đặc tính phi tuyến đảo ngược. Nhược điểm này sẽ tăng lên khi đặc tính phi tuyến thay đổi. Phương pháp sử dụng các mạch thẳng với đặc tính phi
tuyến phù hợp mắc song song với phần tử phi tuyến cần bù trừ [88], [89], [100] được áp dụng khá rộng rãi trong thực tế.
c) trừ phi tuyến nh các ph n h i phi tuyến
Đặc tính phi tuyến của các khâu không quán tính có thể được bù trừ nhờ sử dụng các mạch phản hồi với đặc tính phi tuyến phù hợp [3], [38], [88]. Nhược điểm chủ yếu của phương pháp này là đòi hỏi phải chú ý tới vấn đề ổn