luận án tiến sĩ nghiên cứu tổng hợp thuật toán dẫn và điều khiển máy lái cho một lớp thiết bị bay hai kênh quay quanh trục dọc

Mục tiêu nghiên cứu luận án Xây dựng được phương pháp và thuật toán điều khiển cho một lớp TBB hai kênh quay quanh trục dọc; xác định được mối quan hệ giữa góc lệch cánh lái và lực khí đ

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

-

TÔ BÁ THÀNH

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP THUẬT TOÁN DẪN VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY LÁI CHO MỘT LỚP THIẾT BỊ BAY

HAI KÊNH QUAY QUANH TRỤC DỌC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2023

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

-

TÔ BÁ THÀNH

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP THUẬT TOÁN DẪN VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY LÁI CHO MỘT LỚP THIẾT BỊ BAY

HAI KÊNH QUAY QUANH TRỤC DỌC

NGÀNH: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa MÃ SỐ: 9 52 02 16

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1 PGS TS Trần Đức Thuận 2 TS Đoàn Thế Tuấn

HÀ NỘI – 2023

Trang 3

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án này là trung thực và chưa được ai công bố ở bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ

Ngày … tháng … năm 2023 Tác giả luận án

Tô Bá Thành

Trang 4

ii

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Trần Đức Thuận và TS Đoàn Thế Tuấn, đã định hướng nghiên cứu và tận tình chỉ bảo, hướng dẫn, giúp đỡ tôi thực hiện luận án

Tôi xin trân trọng cảm ơn Thủ trưởng Viện KH-CN quân sự, Thủ trưởng và các cán bộ Phòng Đào tạo/Viện KH-CN quân sự, Viện Tên lửa đã luôn ủng hộ, hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện và bảo vệ luận án

Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo đã giảng dạy và có những góp ý quý báu về mặt khoa học, cảm ơn các đồng nghiệp ở Viện Tên lửa, Viện Tự động hóa KTQS, Phòng Quản lý KHCN đã nhiệt tình đóng góp cho tôi các ý kiến quý báu trong quá trình học tập, nghiên cứu

Tôi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc đến gia đình, người thân cùng bạn bè đã luôn quan tâm, động viên và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi thực hiện luận án này

Tác giả luận án

Tô Bá Thành

Trang 5

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ BAY HAI KÊNH VÀ VẤN ĐỀ TỔNG HỢP LỆNH CHO THIẾT BỊ BAY TIẾP CẬN MỤC TIÊU CƠ ĐỘNG TRÊN KHÔNG 6

1.1 Tổng quan về thiết bị bay hai kênh không đối không 6

1.1.1 Tổng quan về thiết bị bay hai kênh không đối không trên thế giới 6

1.1.2 Nghiên cứu đặc điểm thiết bị bay hai kênh như là đối tượng điều khiển 8 1.2 Vấn đề tổng hợp lệnh cho thiết bị bay tiếp cận mục tiêu cơ động 13

1.2.1 Vấn đề tổng hợp hệ thống điều khiển trên thiết bị bay 13

1.2.2 Phương pháp tự dẫn thiết bị bay tiếp cận mục tiêu cơ động 19

1.3 Các vấn đề cần giải quyết khi xây dựng thuật toán điều khiển cho thiết bị bay hai kênh 25

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 27

1.5 Xây dựng nhiệm vụ cho luận án 30

1.6 Kết luận chương 1 30

Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ TẢ QUÁ TRÌNH TẠO GIA TỐC PHÁP TUYẾN VÀ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BAY HAI KÊNH 31

2.1 Cơ sở xây dựng hệ phương trình mô tả chuyển động của thiết bị bay trong không gian 31

2.1.1 Cơ sở thiết lập mô hình 31

2.1.2 Mô hình động lực học bay của thiết bị bay 39

2.1.3 Lực và mô-men tác dụng lên thiết bị bay 45

2.2 Xây dựng hệ phương trình mô tả quá trình tạo góc tấn và góc trượt cạnh cho thiết bị bay hai kênh 53

2.3 Xây dựng mô hình mô tả quá trình tạo gia tốc pháp tuyến cho thiết bị bay hai kênh 58

Trang 6

iv

Chương 3 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH GIA TỐC VÀ LUẬT ĐIỀU KHIỂN CHO THIẾT BỊ BAY HAI KÊNH TIẾP CẬN MỤC TIÊU CƠ ĐỘNG TRÊN KHÔNG 61

3.1 Xây dựng thuật toán xác định gia tốc pháp tuyến tối ưu dẫn thiết bị bay gặp mục tiêu cơ động trên không 61

3.2 Xây dựng thuật toán xác định luật điều khiển cho cặp cánh lái dạng rơ le để thiết bị bay hai kênh đạt gia tốc mong muốn 71

3.3 Xây dựng thuật toán xác định luật điều khiển cho cặp cánh lái dạng liên tục để thiết bị bay hai kênh đạt gia tốc mong muốn 81

Chương 4 MÔ PHỎNG KHẢO SÁT THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN 88

4.1 Xây dựng lưu đồ thuật toán vòng điều khiển thiết bị bay hai kênh tiếp cận mục tiêu cơ động 88

4.1.1 Mô hình động hình học thiết bị bay – mục tiêu 88

4.1.2 Lưu đồ thuật toán chung vòng điều khiển thiết bị bay 91

4.2 Mô phỏng khảo sát thuật toán điều khiển cho thiết bị bay hai kênh 94

4.2.1 Xác định các đặc trưng cơ bản của thiết bị bay 94

4.2.2 Lập kịch bản mô phỏng 99

4.2.3 Xây dựng các mô-đun và sơ đồ khối chương trình mô phỏng 102

4.2.4 Mô phỏng quỹ đạo chuyển động của thiết bị bay 105

4.2.5 Đánh giá kết quả mô phỏng 129

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 131

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 133

TÀI LIỆU THAM KHẢO 134

PHỤ LỤC 1

Trang 7

v

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

�㕀 , �㕀 , �㕀 Thành phần mô-men trong hệ tọa độ liên kết �㔔 , �㔔 , �㔔 Thành phần vận tốc góc trong hệ tọa độ liên kết �㗿 , �㗿 , �㗿 Góc quay cánh lái theo phương đứng, ngang và cren �㕃, �㕋, �㕌, �㕍 Lực đẩy và thành phần lực khí động

�㔗, �㔓, �㗾 Góc chúc ngóc, góc dạt ngang và góc cren

x, h, z Tọa độ tâm khối của thiết bị bay trong hệ tọa độ mặt đất �㕉, �㔃, �㗹 Vận tốc, góc nghiêng quỹ đạo và góc dạt sườn OXkYkZk Hệ toạ độ quỹ đạo ĐKTƯ Điều khiển tối ưu

HPTCSTQ Hệ phương trình cơ sở tổng quát

MLLT Máy lái dạng liên tục MLRL Máy lái dạng rơ le

Trang 8

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Tính năng chiến kỹ thuật cơ bản của một lớp TBB hai kênh 12

Bảng 2.1 Tham số khí quyển tiêu chuẩn theo GOST 4401-81 34

Bảng 4.1 Kết quả tính toán tọa độ trọng tâm một lớp TBB hai kênh 97

Bảng 4.2 Kết quả xác định mô-men quán tính trong 2 trường hợp 98

Trang 9

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 TBB không đối không tầm gần thế hệ thứ nhất 7

Hình 1.2 TBB không đối không tầm gần thế hệ thứ hai 7

Hình 1.3 TBB không đối không tầm gần thế hệ thứ ba 8

Hình 1.4 Sơ đồ một lớp TBB hai kênh tầm gần 9

Hình 1.6 Đầu tự dẫn 10

Hình 1.7 Khoang điều khiển 11

Hình 1.8 Khoang động cơ và cánh đuôi 12

Hình 1.9 Phối trí khí động kiểu cánh bằng 14

Hình 1.10 Phối trí khí động kiểu chữ thập 14

Hình 1.11 Cấu trúc quá trình điều khiển TBB 16

Hình 1.12 Quan hệ giữa các bộ phận hệ thống điều khiển TBB 18

Hình 1.13 Quá trình tiếp cận mục tiêu cơ động 19

Hình 1.14 Phương pháp dẫn hướng véc tơ vận tốc 21

Hình 1.15 Quỹ đạo TBB theo phương pháp dẫn tiếp cận song song 22

Hình 1.16 TBB hai kênh sử dụng cơ cấu Rô-lê-rôn 26

Hình 2.1 Hệ toạ độ phóng O0x0y0z0 và hệ tọa độ mặt đất di động Oxgygzg 34

Hình 2.2 Hệ tọa độ liên kết Oxyz và hệ tọa độ vận tốc Oxayaza 35

Hình 2.3 Phép quay chuyển đổi từ Oxgygzg sang Oxyz 36

Hình 2.4 Phép quay chuyển đổi từ Oxgygzg sang Oxkykzk 38

Hình 2.5 Các thành phần ngoại lực tác dụng lên TBB 42

Hình 2.6 Mô tả nguyên lý hoạt động của cánh lái Rô-lê-rôn 50

Hình 2.7 Sơ đồ làm việc của Rô-lê-rôn 51

Hình 3.1 Tương quan hình học giữa TBB và MT trong mặt phẳng thẳng đứng63 Hình 3.2 Lưu đồ thuật toán tạo gia tốc pháp tuyến tối ưu 70

Hình 3.3 Đồ thị các hàm f(t) và B(t) 77

Trang 10

viii

Hình 3.4 Lưu đồ thuật toán tạo tín hiệu điều khiển cặp máy lái rơ le 81

Hình 3.5 Lưu đồ thuật toán tạo tín hiệu điều khiển cặp máy lái liên tục 85

Hình 4.1 Vị trí tương đối TBB – MT 89

Hình 4.2 Lưu đồ thuật toán chung vòng điều khiển TBB hai kênh 93

Hình 4.3 Hình dáng, kích thước một lớp TBB hai kênh hiện có 94

Hình 4.4 Hình dáng, kích thước đầu tự dẫn 95

Hình 4.5 Hình dáng, kích thước cánh chống ổn định 95

Hình 4.6 Hình dáng, kích thước cánh lái 96

Hình 4.7 Hình dáng, kích thước cánh đuôi 96

Hình 4.8 Mô hình 3D một lớp TBB hai kênh hiện có 97

Hình 4.9 Hệ tọa độ gắn với trọng tâm TBB 98

Hình 4.10 Đồ thị lực đẩy động cơ một lớp TBB hai kênh hiện có 98

Hình 4.11 Tham số chuyển động ban đầu của TBB và MT 103

Hình 4.12 Tham số cơ động của MT 103

Hình 4.13 Sơ đồ khối chương trình mô phỏng MLLT 104

Hình 4.14 Sơ đồ khối chương trình mô phỏng MLRL 104

Hình 4.15 Thuật toán TCTL và ĐKTƯ trong Khối điều khiển 104

Hình 4.16 Điều kiện đầu vào (TH1) 105

Hình 4.24 Đồ thị góc lệch cặp cánh lái tạo góc trượt cạnh (TH1) 108

Hình 4.25 Đồ thị quá tải kênh đứng của TBB (TH1) 108

Hình 4.26 Đồ thị quá tải kênh ngang của TBB (TH1) 108

Trang 11

ix

Hình 4.28 Đồ thị quỹ đạo 3D TBB và MT (TH2) 111

Hình 4.29 Đồ thị khoảng cách TBB-MT (TH2) 111

Trang 12

x

Trang 13

1 MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài luận án

Trong trang bị của Quân đội ta đang sử dụng các loại thiết bị bay (TBB) do nước ngoài sản xuất Để tiến tới việc tự chủ thiết kế chế tạo TBB cần phải có những bước đi ban đầu, đó là nghiên cứu các nguyên lý điều khiển chuyển động của TBB

Hiện nay, TBB một kênh (TBB chống tăng, TBB phòng không tầm thấp…), TBB ba kênh (TBB phòng không tầm trung, TBB hành trình đối hải tầm trung…) đã được nghiên cứu tương đối hoàn chỉnh trong nước Riêng TBB hai kênh có rất ít công trình được công bố

TBB một kênh là loại TBB chỉ có một cơ cấu điều khiển tạo ra góc tấn  hoặc góc trượt cạnh  (tùy theo quy ước khi xác lập hệ tọa độ liên kết) TBB có 01 cặp cánh lái, sử dụng máy lái kiểu rơ-le Cặp cánh lái quay đồng thời tạo ra lực khí động, lực khí động sinh ra mô-men làm quay TBB quanh trục dọc Khi TBB quay (tốc độ quay khoảng trên, dưới 10 vòng/ giây tùy loại TBB), góc tấn thay đổi, xuất hiện lực pháp tuyến làm thay đổi hướng bay

TBB ba kênh (phối trí khí động kiểu máy bay) là loại TBB có ba cơ cấu điều khiển (ba cặp cánh lái: hướng, độ cao (gật), nghiêng (liệng) hoặc sử dụng 04 máy lái có khả năng hoạt động độc lập) Với loại TBB này lực dạt sườn Z xuất hiện chủ yếu do tác động của không khí vào thân TBB và tiết diện thẳng đứng của cánh Diện tích cánh không tham gia vào việc tạo ra lực dạt sườn, nên lực dạt sườn nhỏ hơn rất nhiều so với lực nâng Y Như vậy, để cơ động trong mặt phẳng ngang, TBB phải tạo ra góc Cren (góc nghiêng) để tăng lực rẽ Do đó TBB không bị quay quanh trục dọc trong quá trình tự dẫn Đối với TBB hành trình đối hải tầm trung, TBB phòng không tầm trung có 04 máy lái có thể quy đổi về loại TBB ba kênh như kiểu phối trí khí động máy bay

TBB hai kênh quay quanh trục dọc sẽ sử dụng hiệu ứng điều khiển của cả hai kênh: kênh góc tấn và kênh góc trượt cạnh để tạo ra lực pháp tuyến làm thay đổi hướng chuyển động của TBB

Trang 14

2

TBB hai kênh được sử dụng phổ biến và chiếm số lượng khá lớn trong lớp các TBB không đối không tầm gần trên thế giới và trong trang bị của Không quân ta Việc sửa chữa, cải tiến cũng như để có cơ sở cho định hướng phát triển lớp TBB này yêu cầu phải có những nghiên cứu sâu về mặt lý thuyết, trọng tâm là phương pháp dẫn và thuật toán điều khiển

Chính vì vậy, luận án này sẽ đi sâu vào một số vấn đề liên quan đến điều khiển chuyển động để TBB đến gặp mục tiêu (MT) cơ động trên không 2 Mục tiêu nghiên cứu luận án

Xây dựng được phương pháp và thuật toán điều khiển cho một lớp TBB hai kênh quay quanh trục dọc; xác định được mối quan hệ giữa góc lệch cánh lái và lực khí động tạo ra; thiết lập được mô hình bài toán động lực học để tiến hành mô phỏng đánh giá phương pháp và thuật toán điều khiển TBB hai kênh

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nhiệm vụ thiết kế chế tạo TBB là rất phức tạp, đa ngành; tuy nhiên có thể chia làm hai nhiệm vụ chính: thiết kế hệ thống điều khiển và thiết kế kết cấu, phối trí khí động Trong đó, thiết kế hệ thống điều khiển là một nhiệm vụ có tính cơ bản và có thể chia thành ba nhiệm vụ bộ phận:

- Thiết kế bản thân TBB như một đối tượng điều khiển; - Thiết kế các thiết bị thực hiện nhiệm vụ điều khiển;

- Đảm bảo toán học cho các thiết bị xử lý thông tin trong hệ thống điều khiển Kết quả của việc thiết kế bản thân TBB như một đối tượng điều khiển là bắt buộc phải có cho việc thiết kế kết cấu và phối trí khí động Các yêu cầu về tham số của đối tượng điều khiển sẽ là các dữ liệu đầu vào cho việc thiết kế phối trí khí động và bố trí kết cấu

Đối tượng nghiên cứu của luận án tập trung vào thực hiện nhiệm vụ thứ ba nêu ở trên cho một lớp TBB hai kênh hiện có trong trang bị của Không quân ta Đối với nhiệm vụ thứ nhất và thứ hai, tác giả chủ yếu tập trung vào bóc tách thiết kế trên một đối tượng TBB hai kênh cụ thể để khép kín hệ

Trang 15

3

thống điều khiển phục vụ bài toán mô phỏng kiểm chứng các thuật toán đề xuất ở nhiệm vụ thứ ba

TBB hai kênh quay quanh trục dọc là loại TBB có hai cặp cánh lái khí động, sử dụng hiệu ứng khí động ở cả kênh góc tấn và kênh góc trượt cạnh để tạo ra lực pháp tuyến (bản chất là lực khí động) Để hạn chế tốc độ quay quanh trục dọc (với tốc độ quay khoảng 2-5 vòng/ giây), loại TBB này được lắp thêm cơ cấu Rô-lê-rôn trên cánh ổn định Rô-lê-rôn là một tấm đế có thể quay quanh một trục và ở trên nó có gắn bánh xe dạng tua-bin tạo chuyển động quay với tốc độ lớn khi TBB chuyển động trong khí quyển Khi bánh xe quay với tốc độ lớn, trên Rô-lê-rôn xuất hiện mô-men động lượng tạo hiệu ứng như con quay hai bậc tự do làm giảm chuyển động quay của TBB

TBB hai kênh có hệ thống điều khiển khác so với TBB ba kênh Do không sử dụng kênh ổn định góc xoắn Cren như ở TBB ba kênh, nên TBB hai kênh trong quá trình điều khiển bị quay quanh trục dọc (do có tác động của các mô-men xoắn không mong muốn) Vì vậy, khi lập lệnh điều khiển cho từng kênh không thể bỏ qua hiệu ứng xoắn không gian giữa hệ tọa độ đo tham số điều khiển và hệ tọa độ chấp hành

Phạm vi nghiên cứu được tính đến động lực học của bản thân TBB, động lực học của hệ thống điều khiển trên khoang cũng như các tác động nhiễu loạn ngẫu nhiên tác động vào vòng điều khiển TBB Bài toán động lực học đặt ra là xác định được mối quan hệ giữa góc lệch cánh lái và lực khí động tạo ra

4 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan TBB hai kênh và đưa ra các vấn đề liên quan đến việc tạo lực pháp tuyến để TBB tiếp cận MT cơ động và điều khiển các cơ cấu lái để tạo ra lực pháp tuyến đạt yêu cầu

- Phân tích các phương trình mô tả động lực học bay và điều kiện bay của TBB hai kênh để xây dựng mô hình mô tả quan hệ giữa cơ cấu cánh lái

Trang 16

4

của TBB hai kênh và độ bám góc tấn và góc trượt cạnh, giữa góc tấn và góc trượt cạnh và các thành phần lực pháp tuyến

- Áp dụng luật điều khiển tối ưu để xây dựng thuật toán xác định gia tốc pháp tuyến tối ưu nhằm cực tiểu hóa sai số bám MT cơ động và tiết kiệm năng lượng, nhờ đó có thể tăng cự ly tiêu diệt MT cơ động trên không

- Áp dụng giải pháp điều khiển tuyến tính đối với TBB một kênh để xây dựng giải pháp điều khiển cho TBB hai kênh có máy lái dạng rơ-le Áp dụng lý thuyết hệ tuyến tính để xây dựng thuật toán xác định luật điều khiển cho TBB có cánh lái dạng liên tục Các thuật toán này nhằm điều khiển các cơ cấu lái để có gia tốc pháp tuyến đạt yêu cầu cho thuật toán xác định gia tốc pháp tuyến tối ưu đã xây dựng

- Mô phỏng đánh giá các thuật toán đã xây dựng 5 Phương pháp nghiên cứu

- Ứng dụng lý thuyết điều khiển tối ưu trong không gian trạng thái để giải bài toán điều khiển và dẫn TBB hai kênh gặp MT cơ động với các tham số động lực học được tối ưu hóa

- Trên cơ sở luật dẫn trong không gian và phương pháp ma trận chuyển đổi hệ tọa độ, tiến hành xây dựng thuật toán tạo lệnh điều khiển cho TBB hai kênh tự dẫn

- Sử dụng phần mềm tính toán, mô phỏng trên máy tính để đánh giá hiệu quả của thuật toán tạo lệnh điều khiển

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

- Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở khoa học để nghiên cứu, giảng dạy về hệ thống ổn định, lập lệnh và điều khiển quỹ đạo chuyển động của TBB hai kênh quay quanh trục dọc

- Kết quả luận án sẽ là cơ sở để cải tiến, hiện đại hóa các loại TBB hai kênh hiện có và áp dụng trong thiết kế chế tạo mới một loại TBB tương tự

Trang 17

5 7 Bố cục của luận án

Luận án gồm 138 trang in khổ A4 được trình bày trong 4 chương, với 93 hình vẽ và đồ thị minh họa, 04 bảng biểu, sử dụng 39 đầu tài liệu tham khảo trên ba thứ tiếng (Việt, Anh và Nga) Luận án có kết cấu gồm: Mở đầu, 4 chương, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục Cụ thể:

Chương 1 Tổng quan về TBB hai kênh và vấn đề tổng hợp lệnh cho TBB tiếp cận mục tiêu cơ động trên không

Chương này giới thiệu tổng quan TBB hai kênh và đưa ra các vấn đề liên quan đến việc tạo lực pháp tuyến để TBB tiếp cận MT cơ động và điều khiển các cơ cấu lái để tạo ra lực pháp tuyến đạt yêu cầu

Chương 2 Xây dựng mô hình mô tả quá trình tạo gia tốc pháp tuyến và điều khiển TBB hai kênh

Nội dung chương này giải quyết vấn đề xây dựng mô hình toán mô tả quan hệ giữa lực pháp tuyến và vấn đề để TBB đến gặp MT trong không gian, vấn đề điều khiển các cơ cấu lái tạo lực pháp tuyến

Chương 3 Xây dựng thuật toán xác định gia tốc pháp tuyến và luật điều khiển cho TBB hai kênh tiếp cận mục tiêu cơ động trên không

Giải quyết hai vấn đề có tính học thuật: Thuật toán xác định gia tốc pháp tuyến mong muốn để TBB đến gặp MT cơ động trên không; các thuật toán tạo tín hiệu điều khiển cánh lái dạng rơ-le và dạng liên tục cho loại TBB hai kênh đạt gia tốc pháp tuyến theo yêu cầu

Chương 4 Mô phỏng khảo sát thuật toán điều khiển

Xây dựng lưu đồ thuật toán vòng điều khiển và chương trình mô phỏng, đánh giá các thuật toán đã được xây dựng trong chương 3 với mô hình toán trong chương 2

Kết luận Nêu rõ những kết quả nghiên cứu đã đạt được trong luận án, chỉ ra những đóng góp khoa học mới và đề xuất hướng ứng dụng và phát triển của luận án

Nội dung chính của luận án đã được công bố trong 04 công trình khoa học trên các tạp chí khoa học có uy tín và hội thảo chuyên ngành

Trang 18

6 Chương 1

TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ BAY HAI KÊNH VÀ VẤN ĐỀ TỔNG HỢP LỆNH CHO THIẾT BỊ BAY TIẾP CẬN MỤC TIÊU CƠ ĐỘNG

TRÊN KHÔNG

1.1 Tổng quan về thiết bị bay hai kênh không đối không

1.1.1 Tổng quan về thiết bị bay hai kênh không đối không trên thế giới TBB không đối không được trang bị trên các máy bay chiến đấu dùng để tiêu diệt MT bay của đối phương; được chia thành ba loại theo tầm bắn như sau:

- TBB tầm gần (≤ 15 km) như R-60, AIM-9

- TBB tầm trung (15 km ÷ 75 km) như R-77, AIM-7, AIM-120 - TBB tầm xa (> 75 km) như R-33, AIM-54

Trên thế giới hiện nay, lớp TBB không đối không được thiết kế chế tạo chủ yếu là loại TBB hai kênh Các TBB này có đặc điểm chung là:

- Có sơ đồ phối trí khí động kiểu “vịt”, tức là sử dụng cánh lái khí động tạo góc tấn và góc trượt cạnh để điều khiển chuyển động của TBB theo hai kênh; - Thông thường có bốn cơ cấu Rô-lê-rôn bố trí trên cánh ổn định để ổn định chuyển động quay của TBB quanh trục dọc Lúc này các cặp cánh lái chấp hành tạo lực điều khiển TBB theo hai kênh đứng và ngang tùy theo chuyển động quay của nó quanh trục dọc;

- Sử dụng đầu tự dẫn hồng ngoại thụ động để bắt bám MT, tức là đầu tự dẫn bám theo nguồn bức xạ nhiệt phát ra từ MT và TBB được điều khiển để bay theo nguồn bức xạ này

Tầm bắn của TBB phụ thuộc vào thời gian làm việc của động cơ Thông thường, thời gian bay chủ động của TBB từ 2 đến 20 s tùy theo loại TBB Trong thời gian này, TBB được tăng tốc đến vận tốc bay lớn nhất Sau khi hết nhiên liệu, TBB tiếp tục quá trình tự dẫn theo quán tính đến MT Vận tốc của máy bay chiến đấu ở thời điểm phóng TBB càng lớn, TBB càng được

Trang 19

7 tăng tốc lớn và bay xa hơn

TBB không đối không thế hệ thứ nhất có thể kể đến như: 9B, AIM-9E, Firestreak, R-3S, RL-2 Đặc điểm chung của TBB loại này là: Đặc tính cơ động thấp, tầm bắn hiệu quả rất thấp (≤ 1,5km), vận tốc bay không lớn (≤ 1,7M), dễ bị chế áp bởi các loại nhiễu và chỉ bắt “cứng” một MT (Hình 1.1)

Hình 1.1 TBB không đối không tầm gần thế hệ thứ nhất

Sự phát triển tiếp theo của TBB với đầu tự dẫn hồng ngoại đã tạo ra thế hệ thứ hai của loại TBB này như: AIM-9D, AIM-9G, AIM-9J, R-60, R550 Điểm khác biệt so với thế hệ thứ nhất là: Vận tốc lớn (2,4M ÷ 2,7M), đặc tính cơ động cao, tầm bắn hiệu quả tăng (đến 2,5 km ở trần bay thấp và đến 5 km ở trần bay cao), khả năng bảo vệ khỏi một số nhiễu như MT nhiệt giả, khả năng bắt MT bằng ra-đa và bắt “mềm” MT (Hình 1.2)

Đặc tính cơ động ở thế hệ thứ hai hơn hẳn so với thế hệ thứ nhất, đặc biệt ở một số TBB như AIM-9J, R-60 và R550 Magic 1 Máy bay chứa TBB loại này có khả năng tiêu diệt MT ở khoảng cách xa, MT rất khó vòng tránh các TBB này, trừ khi nó ở khoảng cách rất gần (khoảng 600 m)

Hình 1.2 TBB không đối không tầm gần thế hệ thứ hai

Trang 20

8

TBB thế hệ thứ ba sử dụng công nghệ cảm biến hồng ngoại mới với độ nhạy tăng lên (Hình 1.3) Các cảm biến này có thể không chỉ nhận biết tín hiệu nhiệt từ động cơ, mà còn bắt nhiệt trên thân máy bay do ma sát với không khí trong quá trình bay TBB thế hệ này có thể kể đến như: 9L, R-60М, AIM-92 Stinger, Mistral Ưu điểm của nó là khả năng kháng nhiễu cao bao gồm cả nhiễu chủ động và thụ động của máy bay đối phương

Hình 1.3 TBB không đối không tầm gần thế hệ thứ ba

Do đó, để nghiên cứu nguyên lý và xây dựng phương pháp điều khiển cho loại TBB hai kênh, luận án tập trung vào khảo sát và nghiên cứu một lớp TBB thế hệ thứ ba cụ thể đang có trong trang bị sẵn sàng chiến đấu của Không quân ta để làm số liệu đầu vào cho mô phỏng quá trình bay của TBB TBB lớp này được lắp đặt trên một số dòng máy bay chiến đấu tiêm kích có vận tốc bay siêu vượt âm tạo vận tốc ban đầu đủ lớn cho TBB

1.1.2 Nghiên cứu đặc điểm thiết bị bay hai kênh như là đối tượng điều khiển

TBB hai kênh dùng để tiêu diệt các MT cơ động trên không của đối phương ở phạm vi tác chiến tầm gần (như máy bay, tên lửa), đồng thời để tiêu diệt các MT mặt đất có bức xạ nhiệt [34]

TBB có sơ đồ phối trí khí động kiểu “vịt”, sơ đồ bố trí cánh dạng dấu nhân, có cánh lái và cánh phá ổn định để tăng hiệu quả của cánh lái Trên mỗi cánh nâng bố trí cơ cấu Rô-lê-rôn làm hãm tốc độ quay của TBB, đảm bảo ổn định tương đối so với trục dọc TBB trong quá trình bay (Hình 1.4)

Trang 21

9

Hình 1.4 Sơ đồ một lớp TBB hai kênh tầm gần

1 – Đầu tự dẫn; 2 – Khoang chiến đấu; 3 – Khoang điều khiển; 4 – khoang thiết bị trên khoang; 5 – Động cơ; 6 – cánh đuôi; 7 – Rô-lê-rôn.

Khoang số 1: Gồm đầu tự dẫn hồng ngoại (ТГС) cùng với 4 cánh phá ổn định đặt trên nó

Khoang số 2: Gồm phần chiến đấu và cơ cấu bảo hiểm - chấp hành Khoang số 3: Là khoang điều khiển gồm các thành phần sau: Hệ thống điều khiển, khối chuyển mạch, ngòi nổ tiếp xúc, khối ổn áp hệ thống nguồn điện và dao cắt đầu cắm Trên khoang có lắp 4 cánh lái điều khiển

Khoang số 4 là khoang thiết bị gồm: Ngòi nổ vô tuyến không tiếp xúc, bình tích áp, máy phát tua-bin và cảm biến rời bệ phóng Phía dưới khoang số 3 và số 4 có ốp đậy các cáp điện và các đường ống dẫn khí

Khoang số 5 là động cơ TBB Trên thân có lắp các mấu công nghệ để gắn các cánh đuôi với cơ cấu Rô-lê-rôn và nón chụp khí động

Đầu tự dẫn hồng ngoại của TBB hai kênh (Hình 1.5) là một thiết bị quang-điện tử, dùng để “bắt” MT và dẫn TBB đến MT, tiến hành đo và đưa các tín hiệu về tốc độ góc của trục dọc TBB so với đường ngắm TBB - MT đến hệ thống điều khiển và truyền lệnh kích nổ phần chiến đấu, đồng thời cũng truyền

Trang 22

10

tín hiệu vận tốc góc đến hệ thống điều khiển hỏa lực trên máy bay mang

Hình 1.5 Đầu tự dẫn

Cấu tạo của đầu tự dẫn gồm: bộ tọa độ và khối điện tử Bộ tọa độ gồm hệ quang học, con quay hệ tọa độ, đĩa điều biến và điện trở quang Hệ thấu kính quang học quay cùng rô-to con quay, còn đĩa điều biến được cố định với trục dọc TBB Điện trở quang nhận tín hiệu xung hồng ngoại từ hệ quang học đưa đến và biến đổi tín hiệu này thành tín hiệu điện có điều chế về tần số để đưa vào khối điện tử Điện trở quang được làm lạnh theo nguyên lý áp điện

Khối điện tử dùng để xử lý tín hiệu nhận được từ quang điện trở, đưa đến hệ thống điều khiển các tín hiệu về tốc độ góc đường ngắm và truyền lệnh kích nổ phần chiến đấu Đồng thời cũng đưa các lệnh này đến hệ thống điều khiển hỏa lực trên máy bay Ngoài ra, khối điện tử còn tạo tín hiệu “quy không” cánh lái, tín hiệu “cấm điều khiển”, khởi động và ổn định tốc độ vòng quay của rô-to con quay

Hệ thống điều khiển gồm khối điều khiển (БУ) và máy lái Khối điều khiển xây dựng trên 4 pa-nel đặt trong hộp hình trụ Máy lái được chia thành hai khối, mỗi khối được tạo nên bởi bộ phận phân phối khí và cánh lái

Hệ thống điều khiển (Hình 1.6) dùng để thực hiện các chức năng sau: - Ổn định quỹ đạo bay của TBB tương ứng với tín hiệu từ đầu tự dẫn hồng ngoại (ТГС) đưa đến

- Giới hạn từ điều kiện kết cấu của TBB (cho phép quá tải cạnh lớn nhất)

Trang 23

11

- Lọc tín hiệu điều khiển từ đầu tự dẫn hồng ngoại đưa đến

- Thay đổi hệ số kênh ổn định và kênh điều khiển tùy theo điều kiện ban đầu và theo thời gian

- Tạo lệnh: kiểm tra cánh lái và sẵn sàng (Готовность)

Hình 1.6 Khoang điều khiển

Cánh đuôi dạng mặt phẳng, hình thang (Hình 1.7) được cố định với vỏ động cơ bằng các vít và có thể thay lẫn nhau được

Để ổn định TBB quanh trục dọc, ở cuối mỗi cánh đuôi có lắp Rô-lê-rôn gồm vỏ hộp và bánh xe, quay quanh một trục Bánh xe này là một con quay 2 bậc tự do: một bậc quay quanh trục của nó, còn bậc kia chuyển động quay quanh cánh ổn định Khi TBB còn treo dưới cánh máy bay, Rô-lê-rôn bị hãm bởi cơ cấu chốt Sau khi phóng TBB, cơ cấu chốt bị loại bỏ và làm quay bánh xe do dòng khí chảy ngược lại tác động Khi TBB bị quay quanh trục dọc sẽ xuất hiện mô-men quay tác động lên Rô-lê-rôn với giá trị tỷ lệ với tốc độ góc quay quanh trục dọc Khi đó Rô-lê-rôn sẽ lệch khỏi vị trí cân bằng làm xuất hiện mô-men khí động hạn chế tốc độ quay của TBB

Trang 24

12

Hình 1.7 Khoang động cơ và cánh đuôi

Tính năng chiến kỹ thuật cơ bản của một lớp TBB hai kênh cụ thể hiện trong trang bị được trình bày trong Bảng 1.1

Bảng 1.1 Tính năng chiến kỹ thuật cơ bản của một lớp TBB hai kênh

- Tầm bắn :

+ Ở bán cầu sau của MT: + Ở bán cầu trước của MT:

Trang 25

- Thời gian tự hủy TBB khi không diệt được mục tiêu: (23 ÷ 35) s

1.2 Vấn đề tổng hợp lệnh cho thiết bị bay tiếp cận mục tiêu cơ động 1.2.1 Vấn đề tổng hợp hệ thống điều khiển trên thiết bị bay

* Nguyên lý điều khiển TBB:

Để tiêu diệt MT cần phải đưa TBB đến vùng lân cận MT Muốn vậy phải điều khiển quá trình bay của TBB Việc thay đổi có chủ định quỹ đạo chuyển động của tâm khối TBB chính là quá trình điều khiển bay Nhiệm vụ cuối cùng của quá trình điều khiển chuyển động bay cho TBB là dẫn nó tới gặp đối tượng cần tiêu diệt hoặc vào vùng lân cận có độ lớn bằng vùng sát thương của phần chiến đấu (đầu nổ)

Bản chất của quá trình điều khiển quỹ đạo bay cho TBB là một quá trình phức tạp Thông thường đối với TBB sử dụng hiệu ứng khí động, để điều khiển phải quay các cánh lái Việc góc các cánh lái có giá trị khác không tạo ra các mô-men điều khiển trong thành phần các mô-men khí động �㕀 , �㕀 , �㕀 Dưới tác động của các mô-men này, các tốc độ góc �㔔 , �㔔 , �㔔 thay đổi Ba đại lượng này làm cho các góc hướng �㔓, góc chúc ngóc �㔗 và góc Cren �㗾 thay đổi Việc thay đổi ba góc �㔓, �㔗, �㗾 làm cho các góc tấn �㗼, góc trượt cạnh �㗽 và góc �㗾 thay đổi Các góc �㗼, �㗽, �㗾 thay đổi tác động đến việc thay đổi véc tơ vận tốc V Đây thực sự là việc tạo ra sự thay đổi lực pháp tuyến và giá trị V, kết quả là thay đổi quỹ đạo bay

Trang 26

14

Việc có các góc �㗼, �㗽, �㗾 làm xuất hiện các lực cản �㕋, lực nâng �㕌, lực dạt sườn �㕍 Các lực này tác động vào tâm khối TBB và tạo ra các mô-men lực tham gia vào các mô-men �㕀 , �㕀 , �㕀 Việc cấu trúc các cánh lái TBB để tạo ra các thành phần �㕀 , �㕀 , �㕀 là bài toán phối trí khí động Hiện nay có các kiểu phối trí khí động phổ biến sau: Phối trí kiểu cánh bằng (Hình 1.8) và kiểu chữ thập (Hình 1.9) Tất nhiên có nhiều kiểu phối trí khác, song hai kiểu trên

Trang 27

15

trình thay đổi ba góc �㗿 , �㗿 , �㗿 để tạo ra ba lực cần thiết tham gia vào quá trình tạo ra ba mô-men �㕀 , �㕀 , �㕀

Các lực khí động do việc quay �㗿 , �㗿 , �㗿 có tham gia vào thành phần �㕋, �㕌, �㕍, song giá trị của chúng thường là rất nhỏ so với thành phần mà góc tấn �㗼 và góc trượt cạnh �㗽 sinh ra Vì vậy có thể bỏ qua chúng Bản chất quá trình điều khiển là điều khiển tâm khối, tức là phải làm thay đổi: �㕃, �㕋, �㕌, �㕍, �㗼, �㗽, �㗾

Việc điều khiển thay đổi giá trị lực đẩy P rất khó khăn, vì vậy trong nhiều trường hợp thường thiết kế TBB sao cho vận tốc bay hành trình không đổi Vì vậy để điều khiển tâm khối cần thay đổi các góc �㗼, �㗽, �㗾 Các mô-men

Từ các phân tích trên có thể mô hình hoá cấu trúc quá trình điều khiển TBB gồm hai bộ phận chính: Khâu TBB và hệ thống điều khiển (Hình 1.10) Khâu TBB được hình thức hoá thành 3 mô hình cơ bản:

- Mô hình chuyển động quay là mô hình mô tả quá trình tác động của các mô-men khí động do việc quay cánh lái gây ra Khi có mô-men quay, TBB sẽ quay và làm xuất hiện sự thay đổi các góc �㔗, �㔓, �㗾 và các tốc độ góc �㔔 , �㔔 , �㔔 và từ đó làm xuất hiện các góc tấn �㗼, góc trượt cạnh �㗽 và góc cren khí động �㗾

Trang 28

16

Hình 1.10 Cấu trúc quá trình điều khiển TBB

Thông tin đầu vào của mô hình chuyển động quay sẽ là �㗿 , �㗿 , �㗿 , còn thông tin đầu ra là các đại lượng góc �㔗, �㔓, �㗼, �㗽, �㗾 và các đại lượng tốc độ góc �㔔 , �㔔 , �㔔 Các giá trị �㔗, �㔓, �㔔 , �㔔 , �㔔 là kết quả tất yếu của việc quay, song nó không tham gia trực tiếp vào việc tạo lực pháp tuyến;

- Mô hình mô tả định luật II Newton dùng để xác định gia tốc tâm khối TBB Trong mô hình này, đại lượng đầu vào là các góc �㗼, �㗽, �㗾 Đại lượng đầu ra là véc tơ vận tốc với 3 đại lượng đặc trưng (giá trị �㕉, góc �㔃, �㗹);

- Mô hình toán mô tả chuyển động là mô hình thuần tuý toán học thể hiện kết quả thay đổi toạ độ tâm khối dưới tác động đầu vào là sự thay đổi các đại lượng véc tơ vận tốc (hướng (�㗹, �㔃) và độ lớn (�㕉))

Hệ thống điều khiển gồm hai bộ phận chính: Hệ thống dẫn và khối tự động lái

- Hệ thống dẫn là thiết bị thu thập thông tin về MT hoặc chương trình bay và về bản thân TBB Thông tin về MT thường là toạ độ của MT so với hệ toạ độ nào đó (hệ toạ độ mặt đất cố định hoặc hệ toạ độ mặt đất di động)

Trang 29

17

Thông tin đó có thể chỉ là thông tin về toạ độ góc MT Thông tin về bản thân TBB có thể là toạ độ tâm khối (x, h, z) và các tham số tốc độ bay (�㕉, �㔃, �㗹) Trên cơ sở thông tin về TBB và về MT hoặc chương trình bay, hệ thống dẫn sử dụng phương pháp dẫn nào đó xác định các đại lượng điều khiển �㕢 , �㕢 , , �㕢

- Khối tự động lái là thiết bị tiếp nhận các đại lượng điều khiển �㕢 , �㕢 , , �㕢 và xác định thông tin về góc của bản thân TBB (�㔗, �㔓, �㗾 , �㔔 , �㔔 , �㔔 ) để tổng hợp lệnh quay các góc lái �㗿 , �㗿 , �㗿

* Những nhiệm vụ cần giải quyết khi tổng hợp hệ thống điều khiển TBB:

Tổng hợp hệ thống điều khiển ở đây được hiểu là thiết kế cấu trúc hệ thống dẫn, khối tự động lái và xây dựng thuật toán tạo lệnh quay cánh lái �㗿 , �㗿 , �㗿 Tuy nhiên để thực hiện nhiệm vụ này cần phải hiểu rõ các mô hình của khâu của TBB, tức là phải rõ cấu trúc và tham số của các mô hình của khâu TBB trên Hình 1.10

Để xác định mô hình mô tả chuyển động quay, mô hình tạo gia tốc pháp tuyến (tạo các góc �㗹, �㔃 và vận tốc �㕉) cần phải thiết lập và phân tích hệ phương trình cơ sở tổng quát mô tả chuyển động của TBB trong không gian Đây mà mô hình phi tuyến không dừng nên việc tổng hợp lệnh điều khiển là một quá trình phức tạp và chưa có công trình công bố về mặt cơ sở lý thuyết

Để giải quyết vấn đề phức tạp này, trong thực tế người ta thường cho TBB tuân thủ một số nguyên tắc nào đó, để mô hình trở thành mô hình tuyến tính hoặc tựa tuyến tính [33], [34]

Nhiệm vụ thiết kế hệ thống điều khiển cho TBB thực chất là quá trình phân tích tổng hợp đưa ra các yêu cầu cần phải có cho các thiết bị của hệ thống điều khiển và thực hiện việc đảm bảo toán học cho các thiết bị tính toán trên thiết bị dẫn và trên khối tự động lái

Trang 30

18

Để phân tích tổng hợp cần dựa trên các yêu cầu sau:

- Phương pháp dẫn lựa chọn cho các giai đoạn bay của TBB; - Tính cơ động của MT cần tiêu diệt;

- Tính cơ động và khả năng quá tải của bản thân TBB như một đối tượng điều khiển

Bản thân việc phân tích tổng hợp cũng phải đưa ra các yêu cầu về tính cơ động và khả năng quá tải của TBB cần thiết kế chế tạo để đáp ứng yêu cầu tiêu diệt một số chủng loại MT của đối phương

Tính cơ động của TBB chính là khả năng thay đổi hướng bay, tốc độ bay nhanh chóng để thích ứng với sự thay đổi chuyển động của MT Như vậy tính cơ động liên quan đến khả năng tạo ra các gia tốc để thay đổi quỹ đạo bay Tính cơ động được đặc trưng bởi khái niệm quá tải của TBB.

Có thể hình thức hoá quan hệ giữa các bộ phận của TBB bằng các khái quát hóa Hình 1.11

Hình 1.11 Quan hệ giữa các bộ phận hệ thống điều khiển TBB

Thiết kế hệ thống điều khiển cần tập trung vào những nhiệm vụ cụ thể sau:

- Phân tích đặc điểm của MT (tính cơ động, tốc độ bay) để xác định các yêu cầu cho đối tượng điều khiển, tức là TBB;

- Phân tích các đặc tính của đối tượng để xác định các yêu cầu cần phải thiết kế khi chế tạo TBB;

- Mô phỏng khảo sát, đánh giá khả năng tiêu diệt MT và xác định yêu

TTB (đối tượng điều

khiển)

Trang 31

19

cầu đối với các thiết bị hệ thống dẫn hoặc của khối tự dẫn

Những phân tích này sẽ là cơ sở cho việc thiết kế chế tạo TBB và hệ thống điều khiển nó Hình 1.12 mô tả một quá trình tiếp cận MT bay cơ động trong mặt phẳng thẳng đứng

Hình 1.12 Quá trình tiếp cận mục tiêu cơ động

Nguyên tắc thiết kế TBB đánh chặn các MT cơ động là phải đáp ứng các yêu cầu sau [31]:

+ Có tốc độ bay lớn hơn tốc độ bay tối đa của MT: �㕉 ≥ (1.5 ÷ �㕛)�㕉 , �㕛 ≥ 2;

+ Có gia tốc pháp tuyến lớn hơn gia tốc pháp tuyến lớn nhất của MT: �㕛 ≥ (2 ÷ �㕛)�㕛 , �㕛 ≥ 3

Để đảm bảo đuổi kịp và cơ động gặp MT, tốc độ bay và gia tốc pháp tuyến của TBB phải thỏa mãn các điều kiện trên để TBB gặp MT cơ động 1.2.2 Phương pháp tự dẫn thiết bị bay tiếp cận mục tiêu cơ động

Trong phần lớn các trường hợp quỹ đạo chuyển động của TBB có điều khiển là những đường cong phức tạp trong không gian Để thuận lợi cho việc xem xét, thường chia quỹ đạo thành 3 giai đoạn Giai đoạn 1 gọi là giai đoạn phóng, giai đoạn 2 gọi là giai đoạn đưa TBB vào quỹ đạo có điều khiển (gọi tắt là giai đoạn đưa TBB vào quỹ đạo) và giai đoạn dẫn TBB đến gặp MT cơ động (gọi tắt là giai đoạn dẫn)

Ở giai đoạn thứ hai hệ thống điều khiển TBB bắt đầu hoạt động, để đưa TBB vào quỹ đạo phù hợp với phương pháp dẫn đến gặp MT cơ động Do

Trang 32

20

những nguyên nhân khác nhau ở cuối giai đoạn phóng vào thời điểm hệ thống điều khiển bắt đầu hoạt động (các cánh lái điều khiển bắt đầu làm việc), vị trí tâm khối, hướng của véc-tơ vận tốc và trục dọc của TBB không tương ứng với quỹ đạo có thể dẫn TBB tới MT Vì TBB có quán tính nên hệ thống điều khiển không thể ngay lập tức đưa TBB vào quỹ đạo mong muốn Vì vậy có giai đoạn quá độ (giai đoạn 2) Giai đoạn này chiếm một khoảng thời gian nhất định

Giai đoạn 3 là giai đoạn dẫn TBB đến gặp MT cơ động Đặc điểm cơ bản của giai đoạn này là lệnh điều khiển phụ thuộc vào tương quan về tham số giữa TBB và MT và phụ thuộc vào phương pháp dẫn Khi này dưới tác động của các lực và mô-men điều khiển, TBB sẽ thực hiện các chuyển động sau:

- Trục dọc TBB dao động xung quanh trọng tâm;

- Bản thân tâm khối dao động xung quanh quỹ đạo lý tưởng

Hệ thống điều khiển được coi là tốt nếu các dao động này thay đổi một cách êm và trơn tru, độ lệch thực quỹ đạo không lớn Sau đây để đơn giản ta coi tâm khối đi theo một quỹ đạo dẫn lý tưởng

Hiện nay các phương pháp tự dẫn TBB thường tạo tín hiệu điều khiển để duy trì tương quan giữa véc tơ vận tốc của trọng tâm TBB với đường ngắm TBB-MT (đường nối trọng tâm TBB đến trọng tâm MT) Bản chất của các phương pháp dẫn là tạo ra các lực pháp tuyến tác động vào tâm khối TBB nhằm duy trì một tham số nào đó của quan hệ tương đối giữa MT và TBB

Bản chất của phương pháp dẫn là quá trình duy trì hoặc thay đổi góc đón �㗼 , tức là góc hợp bởi véc tơ vận tốc tâm khối TBB và đường ngắm theo một quy luật nào đó

Tiến hành xem xét giai đoạn cuối cùng của quỹ đạo bay, trước khi gặp MT Khi đó coi TBB và MT chuyển động trong một mặt phẳng Vị trí tương đối giữa TBB và MT được xác định bởi khoảng cách r và hai góc �㗼 và �㗼 (Hình 1.13)

Trang 33

21

Góc hợp giữa đường ngắm và phương ngang của hệ tọa độ mặt đất là γ Khi đó góc hợp giữa véc tơ vận tốc với phương ngang sẽ là �㔑 = �㗾 + �㗼 Coi véc tơ Vt, Vm không đổi Để cho TBB gặp MT cần phải có cùng thời gian đi của TBB từ điểm P đến K và của MT từ điểm M đến điểm K, tức là thỏa mãn:

Hình 1.13 Phương pháp dẫn hướng véc tơ vận tốc

Khi MT chuyển động theo đường cong hoặc có sự thay đổi về tốc độ của TBB và MT thì điểm đón gặp cũng luôn thay đổi Như vậy điều kiện (1.8) chỉ đúng cho từng thời điểm

Sự thay đổi khoảng cách giữa TBB và MT trong khoảng thời gian ngắn bằng hiệu của hình chiếu tốc độ MT và hình chiếu tốc độ TBB lên đường ngắm:

Trang 34

Bản chất của phương pháp dẫn đuổi là tạo tín hiệu điều khiển véc tơ vận tốc TBB trong quá trình tiếp cận luôn hướng về phía mục tiêu, tức là αt = 0 Khi đó, tốc độ thay đổi góc đường ngắm được xác định theo biểu thức sau: 1.2.2.2 Phương pháp dẫn tiếp cận song song

Trong trường hợp phương pháp dẫn cần thay đổi và duy trì góc �㗼 sao cho tốc độ thay đổi đường ngắm bằng 0, tức là = 0, thì trong quá trình bay đường ngắm TBB - MT luôn luôn tự song song với nhau Vì vậy phương pháp dẫn này được gọi là phương pháp dẫn tiếp cận song song (Hình 1.14)

Hình 1.14 Quỹ đạo TBB theo phương pháp dẫn tiếp cận song song

Trang 35

23

Dễ dàng nhận thấy nếu MT chuyển động thẳng thì TBB cũng sẽ chuyển động trên một đường thẳng Trong trường hợp MT chuyển động theo đường cong thì TBB cũng phải chuyển động theo một đường cong, tức là phải thay đổi �㗼 theo quy luật mô tả như sau:

Trên Hình 1.14 mô tả quỹ đạo MT và TBB khi ứng dụng phương pháp tiếp cận song song Ở các thời điểm t1, t2, …, t6, MT ở các vị trí 0, 1, 2, …., 6 Tương ứng với chúng là các vị trí của TBB 0 , 1 , 2 , , 6 Các đường ngắm nối tâm khối mục tiêu với tâm khối TBB luôn luôn song song với nhau:

Các TBB hai kênh tự dẫn tầm gần có vai trò quan trọng trong tác chiến không đối không ở cự ly gần Hiện nay, hầu hết các TBB loại này (trong đó có đối tượng nghiên cứu) đều sử dụng phương pháp dẫn TCTL truyền thống PPD này được sử dụng rộng rãi bởi giải pháp kỹ thuật để hiện thực hóa nó trên TBB là khá đơn giản và trong giới hạn nhất định về điều kiện phóng và mức độ cơ động của MT thì chất lượng tự dẫn vẫn được đảm bảo

Phương pháp dẫn TCTL sử dụng sự phụ thuộc giữa tốc độ góc của véc tơ vận tốc và tốc độ góc của đường ngắm, tức là:

Trang 36

Ba biến thể phổ biến nhất hiện nay của PPD TCTL gồm:

- Biến thể thứ nhất, khi không tính đến vận tốc chuyển động của MT được mô tả bởi phương trình [1]:

trong đó: k là hệ số không thứ nguyên; a là gia tốc pháp tuyến quỹ đạo; ωnλ

là tốc độ góc đường ngắm TBB-MT

- Biến thể thứ hai hay còn gọi là luật dẫn TCTL thuần túy (Pure Proportional Navigation) được mô tả bởi phương trình [6]:

- Biến thể thứ ba hay còn gọi là luật dẫn TCTL đúng (True Proportional Navigation) được mô tả bởi phương trình [6]: thì luật dẫn nhận được sẽ yêu cầu gia tốc TBB phải có hướng pháp tuyến với đường ngắm �㕎 , không phải pháp tuyến với quỹ đạo �㕎 Vì lý do này nên các luật dẫn TCTL có gia tốc TBB (theo yêu cầu của luật dẫn) có phương pháp tuyến với đường ngắm được gọi là nhóm luật dẫn True Proportional Navigation Tuy nhiên, do TBB không có khả năng điều khiển thành phần gia tốc dọc trục nên trong thực tế TBB thông thường sử dụng luật dẫn Pure Proportional Navigation theo biểu thức (1.18) hoặc (1.19)

Các loại TBB sử dụng đầu tự dẫn hồng ngoại thụ động hiện nay nếu

Trang 37

25

không sử dụng thêm các thiết bị đo bổ sung thì không thu được tham số về tham số chuyển động của MT Do đó, thay vì sử dụng luật dẫn (1.19), trên các TBB này thực hiện luật dẫn (1.18), trong đó hệ số tỉ lệ �㕘 phụ thuộc vào vùng phóng có thể của TBB (ở bán cầu trước hay bán cầu sau)

Do đó, để giữ nguyên đặc tính của quỹ đạo khi dẫn TBB ở bán cầu trước hay sau thì cần thay đổi hệ số tỉ lệ k sao cho hệ số dẫn N giữ nguyên không đổi Khi tấn công MT ở bán cầu trước, hệ số tỉ lệ k cần có giá trị lớn hơn so với trường hợp tấn công MT ở bán cầu sau Thật vậy, giả sử với N =

Do vậy, trong trường hợp thiếu thông tin về chuyển động của MT, hệ thống điều khiển cần xem xét trước điều kiện phóng TBB tùy theo điều kiện bắn đuổi hay bắn đón để thay đổi hệ số tỉ lệ k và thực hiện phương pháp dẫn theo biểu thức (1.19)

Nếu trên TBB cho phép đo vận tốc tiếp cận tỉ lệ, khi đó khối tạo tín hiệu điều khiển trên TBB cần thực hiện luật dẫn theo biểu thức (1.20)

1.3 Các vấn đề cần giải quyết khi xây dựng thuật toán điều khiển cho thiết bị bay hai kênh

TBB hai kênh quay quanh trục dọc là loại TBB có hai cặp cánh lái khí động để tạo ra góc tấn �㗼 và góc trượt cạnh �㗽, do đó các sai số trong quá trình chế tạo và nhiễu động trong quá trình bay làm cho TBB bị quay quanh trục dọc Để giảm các ảnh hưởng này, thông thường trên TBB hai kênh được

Trang 38

26

lắp thêm cơ cấu Rô-lê-rôn làm giảm vận tốc góc quay quanh trục dọc của TBB xuống còn khoảng dưới 5 vòng/ giây

Xét lớp TBB có cấu trúc như trên Hình 1.15 Để điều khiển quỹ đạo bay cần tác động vào các cánh lái (4 cánh), nhằm tạo ra góc tấn và góc trượt cạnh để có lực pháp tuyến Lực pháp tuyến ở đây có bản chất là các lực khí động

Hình 1.15 TBB hai kênh sử dụng cơ cấu Rô-lê-rôn

Việc thay đổi hướng cho TBB bản chất là thay đổi góc nghiêng quỹ đạo �㔃 và góc hướng quỹ đạo �㗹 Đối với TBB có kích thước và khối lượng nhỏ, tốc độ quay quanh trục dọc nhỏ, như TBB không đối không, có thể bỏ qua ảnh hưởng của hiệu ứng Coriolis, coi hiệu ứng điều khiển góc tấn và góc trượt cạnh là độc lập nhau Vấn đề đặt ra cần phải tạo lệnh điều khiển �㗿 , �㗿 sao cho lực pháp tuyến đạt yêu cầu, vì lực pháp tuyến chính là lực làm thay đổi quỹ đạo bay Quỹ đạo bay liên quan chặt chẽ đến góc nghiêng và góc hướng quỹ đạo

Các TBB hai kênh thường được dẫn đến MT theo phương pháp dẫn tiệm cận tỉ lệ truyền thống Tuy nhiên, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ và tự động hóa cho phép xác định được nhiều thông tin hơn về TBB cũng như MT, từ đó áp dụng lý thuyết điều khiển tối ưu để đưa ra các thuật toán điều khiển cho TBB hai kênh đảm bảo tăng độ chính xác tiêu diệt MT so với phương pháp truyền thống

Trang 39

27

Ngoài ra, để đánh giá thuật toán điều khiển có tính đến khâu động lực học, TBB cần được xem xét như là đối tượng chuyển động 6 bậc tự do với các đặc trưng hình học, khối lượng, quán tính và khí động thay đổi theo thời gian Do vậy, khi xây dựng thuật toán điều khiển cho TBB hai kênh cần tập trung giải quyết các vấn đề sau:

1) Vấn đề xây dựng mô hình toán mô tả động lực học bay cho TBB hai kênh có cơ cấu Rô-lê-rôn hãm chuyển động quay quanh trục dọc của TBB

2) Vấn đề cải tiến phương pháp dẫn tiệm cận tỉ lệ truyền thống dựa trên cơ sở lý thuyết điều khiển tối ưu, cụ thể là xây dựng biểu thức xác định gia tốc pháp tuyến tối ưu theo sai lệch bám và các tham số ước lượng chuyển động của MT

3) Từ biểu thức gia tốc pháp tuyến tối ưu thu được, xây dựng luật điều khiển cho cặp cánh lái dạng rơ le để TBB hai kênh đạt giá trị gia tốc pháp tuyến tối ưu trên

4) Xây dựng luật điều khiển cho cặp cánh lái dạng liên tục để đạt được giá trị gia tốc pháp tuyến tối ưu đã xác định

5) Xây dựng các thuật toán theo các mô hình toán đã xác định và tiến hành xây dựng chương trình mô phỏng để đánh giá tính hiệu quả của các thuật toán theo các kịch bản chiến đấu điển hình của loại TBB hai kênh đã chọn

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Tổng hợp luật tự dẫn là bài toán tổng hợp lực pháp tuyến tác động vào tâm TBB để duy trì một tham số nào đó của quan hệ tương đối giữa MT và TBB Căn cứ vào quy luật quay đường ngắm TBB - MT có thể chia nhóm phương pháp dẫn hai điểm thành: phương pháp dẫn đuổi, phương pháp dẫn thẳng, phương pháp dẫn tiếp cận song song, phương pháp dẫn TCTL [6] Hầu hết các TBB tự dẫn sử dụng phương pháp dẫn TCTL Việc nghiên cứu tổng hợp luật dẫn TCTL đã được nhiều công trình đề cập, kết quả công bố đã

Trang 40

28

chứng minh phương pháp TCTL là một phương pháp dẫn tối ưu đảm bảo cực tiểu độ trượt khi TBB tiếp cận MT

Trên thế giới, các tài liệu chỉ nêu ở dạng nguyên tắc xây dựng các hệ thống điều khiển, những nghiên cứu về thuật toán điều khiển cho TBB hai kênh hầu như không được công bố

- Vấn đề cải tiến phương pháp dẫn TCTL truyền thống dựa trên cơ sở lý thuyết điều khiển tối ưu trên TBB hai kênh:

Trong nước, mới có luận án [12] công bố công trình nghiên cứu với nội dung “Nâng cao chất lượng tự dẫn tên lửa không đối không hai kênh tầm gần trong điều kiện mục tiêu cơ động” Luận án này mới xác định được luật dẫn tiếp cận tỷ lệ có hệ số tỷ lệ thay đổi theo cự ly, trong điều kiện phóng không thuận lợi (tấn công mục tiêu cơ động mạnh từ bán cầu trước, ở cự ly gần), chưa nghiên cứu chi tiết về luật điều khiển cho hai cặp cánh lái Luật dẫn tối ưu (cải tiến phương pháp dẫn) và thuật toán lập lệnh trong luận án chỉ giới hạn trong phạm vi bài toán động hình học, đánh giá quỹ đạo chuyển động của tâm khối TBB vẽ ra trong không gian ba chiều (quỹ đạo dẫn), tức là chưa tính đến động học của bản thân TBB, động học của hệ thống điều khiển trên khoang cũng như các tác động nhiễu ngẫu nhiên

Bên cạnh đó một số công trình [24], [26], [27] đã sử dụng lý thuyết điều khiển hiện đại để tìm luật tự dẫn cho TBB trên cơ sở phương pháp dẫn TCTL, tuy nhiên, các nghiên cứu này đã bỏ qua ảnh hưởng của các yếu tố như: sự thay đổi của tốc độ TBB, sự cơ động của MT và gia tốc trọng trường Công trình [20] đã ứng dụng lý thuyết điều khiển tối ưu để tìm luật dẫn cho lớp thiết bị bay có tốc độ thay đổi, nhưng luật dẫn đề xuất chưa đề cập đến khả năng cơ động của MT và tác động của gia tốc trọng trường Công trình [13] đã đề xuất luật dẫn tối ưu theo phương pháp TCTL và có tính đến các yếu tố gây sai số động, tuy nhiên phương pháp giải bài toán của [13] chưa mang tính tổng quát, chỉ đúng cho một trường hợp khi MT không cơ động