Luận án về một phương pháp nâng cao chất lượng hệ tự động bám sát mục tiêu trên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ TRẦN VĂN NHÂN VỀ MỘT PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TỰ ĐỘNG BÁM SÁT MỤC TIÊU TRÊN TÀU HẢI QUÂN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ TRẦN VĂN NHÂN VỀ MỘT PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ TỰ ĐỘNG BÁM SÁT MỤC TIÊU TRÊN TÀU HẢI QUÂN Chuyên 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. GS-TSKH Cao Tiến Huỳnh 2. TS Lê Trần Thắng Hà Nội – 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Các dữ liệu tham khảo đƣợc trích dẫn đầy đủ. NGƢỜI CAM ĐOAN Trần Văn Nhân ii LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên tôi gửi lời cảm ơn sâu sắc tới hai thầy hƣớng dẫn khoa học: Cố GS – TSKH Cao Tiến Huỳnh – Viện Tự động hóa KTQS và TS Lê Trần Thắng – Viện Tự động hóa KTQS đã trực tiếp tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám đốc Viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Bộ quốc phòng, Phòng đào tạo – Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Viện Tự động hóa KTQS đã tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu sinh. Xin chân thành cảm ơn Ban giám đốc - Học viện Hải quân và Khoa Tên lửa – Pháo tàu đã tạo điều kiện giúp về cơ sở vật chất, giấy tờ công tác để tôi thực hiện tốt nhiệm vụ đƣợc giao.

Xin cảm ơn các nhà khoa học, các chuyên gia và các bạn đồng nghiệp đã có nhiều ý kiến đóng góp quý báu giúp tôi hoàn thành luận án. Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới mọi thành viên trong gia đình: Bố mẹ, vợ và hai con hi sinh vất vả nhiều trong thời gian vừa qua, tạo mọi thuận lợi về thời gian, vật chất và tinh thần để cho tôi tập trung nghiên cứu hoàn thành luận án. TÁC GIẢ iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT.

vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ. xi DANH MỤC CÁC BẢNG. xiv MỞ ĐẦU………………………………………………………………….1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BÁM QUANG ĐIỆN TỬ TRÊN TÀU HẢI QUÂN. Khái quát hệ thống bám quang điện tử trên tàu chiến Hải quân.

Vai trò hệ thống bám quang điện tử. Tham số chuyển động của mục tiêu và sai số bám sát mục tiêu. Chức năng và nguyên lý hoạt động hệ thống bám quang điện tử. Tổng quan về hệ tự động bám sát mục tiêu trên tàu Hải quân.

Các khái niệm cơ bản. Chế độ điều khiển vị trí (chế độ bám). Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của HTĐBSMT. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc.

Tình hình nghiên cứu ngoài nước. Tình hình nghiên cứu trong nước. Đặt bài toán. Kết luận chƣơng 1.

34 CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC CHO HỆ THỐNG BÁM QUANG ĐIỆN TỬ TRÊN TÀU HẢI QUÂN. Đặc điểm chung các hệ thống vũ khí trên tàu Hải quân. Ảnh hƣởng của góc lắc tới các hệ thống vũ khí trên tàu. Sóng biển và các đặc trưng của sóng biển.

Ảnh hưởng của góc lắc dọc tới mặt phẳng cần ổn định. Ảnh hưởng của góc lắc ngang tới mặt phẳng cần ổn định. Mô hình của đài quan sát quang điện tử khi gắn trực tiếp trên boong tàu. Phương trình Lagrange của đài quan sát quang điện tử.

Mô hình toán học đầy đủ của đài quan sát. Xây dựng bệ ổn định mặt phẳng ngang cho đài quan sát quang điện tử trên tàu Hải quân. Mô tả mô hình đài quan sát quang điện tử. Định nghĩa các hệ tọa độ tham chiếu.

Phân tích quá trình biến đổi tọa độ từ mặt phẳng tàu tới góc định hướng của đài quan sát quang điện tử. Phân tích động hình học từ các xilanh thủy lực tới mặt phẳng ổn định OP1P2. Mô hình của đài quan sát quang điện tử khi gắn trên bệ ổn định mặt phẳng ngang. Kết luận chƣơng 2.

66 CHƢƠNG 3: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƢỢT CHO HỆ THỐNG BÁM QUANG ĐIỆN TỬ. Sự cần thiết của điều khiển trƣợt trong tổng hợp HTBQĐT. Điều khiển trƣợt và các đặc tính của nó. Các khái niệm cơ bản về điều khiển trượt.

Xử lý thành phần bất định đầu vào. Các vấn đề xung quanh mặt trượt và điều kiện trượt. Hiện tượng rung (chatteting) và điều khiển trượt bậc 2. Tổng hợp bộ điều khiển trƣợt và các giải pháp nâng cao chất lƣợng cho HTBQĐT trên tàu Hải quân.

Mô tả hệ thống và các điều kiện ban đầu. Đề xuất cấu trúc biến đổi cho điều khiển chế độ trượt. Xây dựng luật điều khiển với cấu trúc biến đổi đề xuất. Giải pháp tối ưu hệ số mặt trượt.

Giải pháp giảm chattering dùng hàm thay thế trong vùng gần bề mặt trượt. Giải pháp giảm “chattering” bằng phương pháp nhận dạng và bù trừ nhiễu. Kết luận chƣơng 3. 105 CHƢƠNG 4: MÔ PHỎNG CÁC THUẬT TOÁN TRÊN MÔ HÌNH PHI TUYẾN CỦA HỆ THỐNG BÁM QUANG ĐIỆN TỬ.

Mô hình ĐQS-QĐT và các tham số mô phỏng. Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ điều khiển đề xuất PSMC-2. Kết quả mô phỏng khi sử dụng bộ điều khiển PSMC-4 sử dụng bộ quan sát nhiễu và hàm chuyển mạch đề xuất. Kết luận chƣơng 4.

126 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC Đ CÔNG BỐ. 128 vi TÀI LIỆU THAM KHẢO. P-1 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT LOS Trục đƣờng ngắm. TBQĐT Thiết bị quang - điện tử.

ĐQS-QĐT Đài quan sát quang điện tử. HTBQĐT Hệ tự động bám sát mục tiêu sử dụng các thiết bị quang điện tử. SMC Điều khiển trƣợt (Sliding mode control). PVS Cấu trúc biến đổi đề xuất (Proposed Variable Structure).

PSF Hàm chuyển mạch đề xuất (Proposed Switching Function). PSMC Bộ điều khiển trƣợt đề xuất (Proposed Sliding mode control). D Cự li mục tiêu. mt Góc hƣớng mục tiêu.

mt Góc tầm mục tiêu. u(t) Tín hiệu điều khiển. hs Mực sóng trung bình. hs Độ cao sóng.

Ts Chu kỳ sóng. Ss (s , s ) Phổ sóng biển. Ss (s ) Phổ tần số của sóng biển. Ds ( s , s ) Hàm lan truyền hƣớng sóng.

viii hs ( xs , ys , t ) Tổng độ cao bề mặt sóng của tất cả các sóng thành phần. q Giá trị tần số của sóng điều hòa. s Khoảng hằng số của tần số s.  s Khoảng hằng số định hƣớng.

qr Góc pha của sóng điều hòa; kq là số sóng. q   q1 q2  Véc tơ các biến khớp. T q1   Góc hƣớng của ĐQS-QĐT. q2   Góc tầm của ĐQS-QĐT.

 Véc tơ chứa các thành phần mô men xoắn (N. Lg ( q,q ) Hàm Lagrange. M (q) Ma trận quán tính. K Động năng của hệ thống.

P Thế năng của hệ thống. G(q) Véc tơ trọng lực. D(t) Nhiễu phụ thuộc thời gian. F (q,q) Nhiễu phụ thuộc trạng thái.

q,q,q  R2 Biểu diễn các véc tơ vị trí, tốc độ và gia tốc tƣơng ứng. C m (q,q) Ma trận của mô men hƣớng tâm và Coriolis. G(q) R2 Véc tơ mô men gây ra bởi gia tốc trọng trƣờng. Fms (q) R2 Véc tơ các thành phần gây ra bởi ma sát.

I  R2 Véc tơ các dòng điện. ix K M  R2 x 2 Ma trận các hệ số đặc trƣng cho sự biến đổi điện – cơ. L  R2 x 2 Ma trận đặc trƣng cho cảm ứng điện từ. Dv  R 2 Véc tơ nhiễu điện áp.

U c  R2 Véc tơ điện áp phần ứng. U (I,q) R2 Véc tơ của sức điện động cảm ứng và điện áp rơi trên điện trở trong. Ec (q) Sức điện động cảm ứng. Rdc  R22 Ma trận các điện trở trong của các động cơ.

Ke Ma trận các hệ số tỷ lệ. M  (  ), M  ( ) Mô men quán tính của kênh hƣớng và kênh tầm. M  (q), M  (q) Ảnh hƣởng mô men quán tính của hai kênh lẫn nhau. OO1 = d1 Khoảng cách từ mặt phẳng cần ổn định tới mặt boong tàu.

O1P1P2 Mặt phẳng cần ổn định và chứa ĐQS-QĐT. Od Vị trí đặt ĐQS-QĐT.  , Lần lƣợt là góc hƣớng và góc tầm của ĐQS-QĐT. Td , ,Td , Các hằng số điện từ.

Tcd , ,Tcd , Các hằng số cơ điện. u Tín hiệu điều khiển. s(x,t); s(x) Mặt trƣợt. ueq Tín hiệu điều khiển tƣơng đƣơng (equivalence principle).

uN Tín hiệu làm cho x (t ) tiến về mặt trƣợt. x  x (t ) Véc tơ trạng thái.) Hàm dấu signum.) Đạo hàm Lie của hàm Lyapunov. x  Ma trận hằng số.  (t ) Ma trận hàm.) Hàm hyperbolic tangent.

f ( x, t ) Thành phần bất định của mô hình. d(t) Nhiễu phụ thuộc thời gian.  Giá trị lớn nhất của nhiễu loạn. e (t ) Sai số bám sát theo quỹ đạo.

e1 (t ) Sai số bám theo vị trí góc. e2 (t ) Sai số bám theo vận tốc góc. e(t0 ) Tọa độ điểm ban đầu của hệ thống trong không gian sai số. c Hệ số mặt trƣợt.

s3 Mặt trƣợt cơ sở. t1 , t2 Thời điểm chuyển quỹ đạo pha. c1; c2 ; c3 Hệ số góc tƣơng ứng của s1, s2, s3. ttc Thời gian tiếp cận.

 Biên độ hàm chuyển mạch signum. AS Ổn định tiệm cận (Asymptotically Stabil). IAE Tiêu chuẩn tích phân trị tuyệt đối của sai lệch. ITAE Tiêu chuẩn tích phân của thời gian nhân trị tuyệt đối sai lệch.

dˆ f Ứớc lƣợng của nhiễu d (t ). ̂ Ứớc lƣợng vận tốc góc. xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1. Hệ thống Palma trên tàu hộ vệ tên lửa Gepard 3.

Tham số mục tiêu trong hệ tọa độ cầu 10 Hình 1. Vị trí của mục tiêu và trục đƣờng ngắm trong chế độ bám 11 sát Hình 1. Hình ảnh màn hình video của HTBQĐT 13 Hình 1. Sơ đồ chức năng của HTBQĐT trong hệ thống máy điều 14 khiển bắn pháo tàu Hình 1.

Các góc lắc tác động lên tàu biển 17 Hình 1. Sơ đồ chức năng hệ thống bám quang điện tử 20 Hình 1. Điều khiển chế độ trƣợt 30 Hình 2. Profin sóng và các yếu tố của sóng 37 Hình 2.

Các dạng sóng đơn và phổ tần số tƣơng ứng.