điều khiển cho khí cụ bay hành trình
có thiết bị dẫn đờng quán tính Chuyên ngành: Lý thuyết điều khiển và điều khiển tối u
Mã số : 62.52.60.05
Tóm tắt Luận án tiến sĩ kỹ thuật

Hà Nội - 2009

Công trình đợc hoàn thành tại:
viện khoa học kỹ thuật Và công nghệ quân sự

Ngời hớng dẫn khoa học:
1. Pgs.ts Trần Đức Thuận
2. pgs.ts Đào Tuấn

Phản biện 1: GS.TSKH Thân Ngọc Hoàn

3. Đinh Văn Tuân, Đào Tuấn, Trần Đức Thuận (2005), Xây dựng
phơng pháp xác định góc tấn và góc trợt cạnh của khí cụ bay
có hệ dẫn đờng quán tính, Tạp chí nghiên cứu khoa học kỹ
thuật và công nghệ quân sự Trung tâm KHKT-CNQS số 12.
4. Trần Đức Thuận, Đinh Văn Tuân, Nguyễn Hải Long (2006), Về
một thuật toán nhận dạng tham số mô hình khí cụ bay có thiết bị
dẫn đờng quán tính, Tạp chí nghiên cứu khoa học kỹ thuật và
công nghệ quân sự Trung tâm KHKT-CNQS số 14.
5. Đinh Văn Tuân, Trần Ngọc Hà, Trịnh Văn Hải, Trần Đức Thuận
(2007), Xây dựng thuật toán tổng hợp lệnh ổn định độ cao cho
thiết bị bay hành trình, Tạp chí nghiên cứu khoa học kỹ thuật và
công nghệ quân sự Trung tâm KHKT-CNQS số 18. 24

Kết quả đạt đợc cũng có thể áp dụng cho bài toán điều khiển khí cụ bay tự
động theo chơng trình định sẵn nh các mục tiêu bay, phục vụ cho công
tác huấn luyện trong quân đội. Đề nghị đợc nghiên cứu tiếp để có kết quả
của luận án phục vụ nền công nghiệp quốc phòng.
2. Hớng phát triển của luận án là xây dựng các thuật toán hiệu chỉnh
thích nghi các tham số của cấu trúc lệnh điều khiển tối u, tức là hiệu chỉnh
xcxhx
KKK ,,

hình KCB có TBDĐQT. Trên cơ sở các tham số xác định sẽ tổng hợp lệnh
điều khiển cho KCB có TBDĐQT.
+ Về thực nghiệm: Kiểm chứng các thuật toán bằng các chơng trình
mô phỏng số.
4. Cơ sở phơng pháp luận của vấn đề nghiên cứu:
Trên cơ sở lý thuyết nhận dạng và lý thuyết điều khiển tối u các hệ
động học, xây dựng các thuật toán để tổng hợp hệ thống điều khiển khí cụ
bay có thiết bị dẫn đờng quán tính.
Phơng pháp nghiên cứu: Kết hợp lý thuyết giải tích với tính toán thực
nghiệm trên máy tính.

2

Chơng 1: Tổng quan về các vấn đề xây dựng hệ thống
điều khiển khí cụ bay.
1.1. Tổng hợp hệ thống điều khiển KCB.
1.1.1. Tình hình thiết kế chế tạo khí cụ bay

Phân tích và giới thiệu phơng án thiết kế chép mẫu phần thân, vỏ, động
cơ KCB và xây dựng hệ thống điều khiển.
1.1.2. Xây dựng hệ thống điều khiển cho KCB sản xuất theo mẫu.
Xây dựng phơng pháp xác định bộ tham số mô hình trên cơ sở các
thông tin từ TBDĐQT khi khai thác KCB định chép mẫu.
1.2. Tổng quan về nguyên lý điều khiển KCB hành trình có thiết bị dẫn
đờng quán tính.
Để mô tả chuyển động của KCB cần phải lập mô hình toán học mô tả
các quá trình động lực học của đờng bay và quá trình điều khiển. Để xây
dựng mô hình cần định nghĩa một số hệ toạ độ.
1.2.1 Các hệ toạ độ thờng dùng:
- Hệ toạ độ mặt đất cố định OX




,,,,,,


và thông qua các đại lợng:
aaa
ZYX ,,
,
zyx



,,
,
mJJJ
zyx
,,,
.
1.2.3. Các phơng pháp điều khiển tên lửa và những vấn đề về điều
khiển tên lửa hành trình có thiết bị dẫn đờng quán tính.
Mô hình tổng quát mô tả vật bay gồm 16 phơng trình vi phân, trong đó
có một số phơng trình phi tuyến. Việc có các góc
a



,,
làm xuất hiện các

thay đổi độ cao, thành phần bù trọng lợng và thành phần phụ thuộc vào độ
cao bay mong muốn. Đối với kênh điều khiển đờng bay theo hớng và ổn
định góc cren chỉ phụ thuộc vào trạng thái của hệ phơng trình mô tả chúng.
Sử dụng luật điều khiển tối u cho phép nâng cao độ chính xác bám theo
quỹ đạo bay mong muốn và tiết kiệm nhiên liệu bay.
Kiến nghị.
1. Với khả năng kỹ thuật và công nghệ hiện nay, kết quả của luận án có
thể áp dụng cho hệ thống điều khiển khí cụ bay nói chung và hệ thống điều
khiển tên lửa hành trình đối hải nói riêng. Cụ thể là thuật toán nhận dạng
các tham số mô hình khí cụ bay, thuật toán tổng hợp lệnh điều khiển tối u.

22

ma trận liên quan đến việc tổng hợp lệnh điều khiển tối u (việc này là
hớng phát triển của luận án).
3.5. Kết luận chơng 3
Luật điều khiển PID (tỉ lệ - tích phân - vi phân) áp dụng cho giai đoạn
bay hành trình ở các tên lửa thế hệ 1 cha đáp ứng chỉ tiêu chất lợng về độ
chính xác và tiết kiệm nhiên liệu, khó áp dụng cho việc bay hành trình cực
thấp (bay sát mặt nớc, tránh sự phát hiện của đối phơng). ứng dụng lý
thuyết điều khiển tối u (nguyên lý cực đại Pôntriaghin) cho phép xác định
quy luật điều khiển tối u cho KCB hành trình bay thấp và đáp ứng yêu cầu
tiết kiệm năng lợng.
1. Luật điều khiển tối u cho KCB theo kênh độ cao gồm ba thành
phần, thành phần phụ thuộc vào trạng thái hệ phơng trình vi phân mô tả
quá trình điều khiển độ cao, thành phần bù trọng lợng của bản thân KCB
và thành phần phụ thuộc vào độ cao bay mong muốn.
2. Luật điều khiển tối u cho KCB nhằm ổn định đờng bay theo hớng
gồm một thành phần, thành phần phụ thuộc vào trạng thái hệ phơng trình
vi phân mô tả quá trình điều khiển độ dạt của KCB.

Việc cấu trúc các cánh lái KCB để tạo ra các thành phần
zyx
MMM ,,
là
bài toán phối trí khí động. Hiện nay có các kiểu phối trí khí động phổ biến
sau: Phối trí kiểu máy bay (hình 1.2) và kiểu chữ nhân (hình 1.3). Dù kiểu
nào trong hai kiểu trên [40] đều có thể hình thức hoá quá trình điều khiển
KCB là quá trình quay ba góc
eHB



,,
để tạo ra ba lực tham gia vào quá
trình hình thành ba mô men
zyx
MMM ,,
.

X
a

Y
a

Z
a





V

v
a

A

xx
M


x

z
z
M


4
Khâu KCB nh một đối tợng điều khiển đợc hình thức hoá thành 3
mô hình cơ bản gồm 3 thành phần:
- Mô hình chuyển động quay.
- Mô hình thể hiện định luật Niutơn (định luật về gia tốc).
- Mô hình toán mô tả chuyển động tâm khối.
Hệ thống điều khiển gồm hai bộ phận chính: .
- Hệ thống dẫn là thiết bị thu thập thông tin về mục tiêu (hoặc chơng
trình bay) và về bản thân KCB để xác định lợng điều khiển
n
uuu , ,,
21

0

V



Y
KP
L
p

Y
p
< 0

0<
p


0

V

Y

0
<

cc
BA , trong mô hình (3.12) là các ma trận hằng. các phần tử của các ma
trận trên phụ thuộc vào các hệ số khí động (nh chơng 2 đã trình bày). Các
hệ số khí động phụ thuộc vào tốc độ bay, hình dạng kích thớc KCB và môi
trờng bay.
Mỗi loại KCB đợc thiết kế sao cho tốc độ bay duy trì ở tốc độ danh
định. Môi trờng bay trên biển nói chung có tính đồng nhất, nên các hệ số
khí động cùng dao động xung quanh giá trị danh định. Tuy nhiên ở mỗi lần
bắn các giá trị này có thể khác nhau (nhng gần giá trị danh định), xong có
thể dễ dàng nhận thấy nó là các tín hiệu gần nh không đổi cho mỗi lần bắn
cụ thể. Vì vậy mô hình có thể coi là tuyến tính dừng.
Có thể đa việc nhận dạng tham số (nh chơng hai đã trình bày) để xác
định các ma trận trên nhằm hiệu chỉnh thích nghi việc xác định
x
K
và các

20

Thiết bị
tính
Thiết bị
tổng hợp
lệnh
ĐKT
)(t








)(
cc
U


Hình 3.
3
. Cấu trúc hệ thống xử lý tạo lệnh điều khiển tối u ổn định
theo kênh cren
Trạm thu tín
hiệu
Thiết bị xử lý tín
hiệu nhận đợc
Anten phát
Hình 3.4. Cấu trúc quá trình thu thập dữ liệu phục vụ vấn đề

tin xác định toạ độ của KCB, cung cấp cho hệ thống dẫn. Trên cơ sở thông
tin về gia tốc, máy tính trên khoang KCB sẽ tính toán xác định vị trí hiện
thời của KCB so với hệ toạ độ mặt đất.
Có hai loại TBDĐQT hiện đợc nghiên cứu, ứng dụng và phát triển trên
thế giới, đó là: TBDĐQT có đế và TBDĐQT không dế.
Dù là TBDĐQT có đế hoặc không đế, đều cấp cho hệ thống điều khiển
các thông tin sau:
- Vị trí của tâm khối
zhx ,,
của KCB so với hệ toạ độ mặt đất.
Hình 1.4.
Cấu trúc quá trình điều khiển KCB

Khối
tự
động
lái
B


H


e


Hệ thống điều khiển

Mô
hình


2
1

Hệ
thống
dẫn
Mô
hình
chuyển
động
quay
Hệ
phơng
trình mô
tả định
luật II
Niu tơn
zyx






,,,,,

V




)sincos,sin,coscos(


=
=

=



VVVVVV
zyx

Các thông tin trên phục vụ mục đích điều khiển, song có thể sử dụng
chúng vào việc tìm hiểu sâu về đối tợng, phục vụ nhiệm vụ tổng hợp hệ
thống điều khiển.
1.5. Kết luận chơng 1
1. Khí cụ bay hành trình có thiết bị dẫn đờng quán tính là lớp KCBHT
còn mới ở Việt Nam. Việc nghiên cứu chúng để làm chủ trong khai thác sử
dụng và từng bớc tiến tới tự chủ thiết kế chế tạo là một việc làm có tính
bức thiết và có tính khoa học mang tính chuyên sâu.
2. Việc thiết kế chế tạo KCBHT nói riêng, KCB nói chung theo mẫu có
sẵn của nớc ngoài là hớng đi có tính cơ bản và có hiệu quả cao với những
nớc có nền kinh tế cha mạnh. Từ cách đi này đặt ra hàng loạt vấn đề có
tính học thuật. Một trong ba nhiệm vụ cơ bản khi chế tạo KCB theo mẫu là
nhiệm vụ tổng hợp hệ thống điều khiển. Vấn đề này cha có tác giả nào của
Việt nam đề cập đến. Những nghiên cứu gần đây về KCBHT có TBDĐQT
chỉ tập trung vào các vấn đề tìm hiểu cấu trúc và nguyên lý hoạt động của
KCB nói chung và các bộ phận của chúng nói riêng. Vì vậy vấn đề tổng hợp

)(),(
1121

KK
là các ma trận thành phần trong ma trận






=

)()(
)()(
2221
1211
~



KK
KK
e
A
, với





)1()1(
~~
2
2
~
~
n
AA
AIe
n
nA



++++=

(3.21)
Cấu trúc hệ thống xử lý thông tin tạo lệnh điều khiển, thể hiện ở các
hình sau:
hợp
lệnh
ĐKT
z
V
x

V
y

V
z

)
(
t
z






)(
Hh
U


H
ình 3.2

x

V
y

V
z

)(
2
tg







)(
1
tg

)(
B
U


Hình 3.1. Cấu trúc hệ thống xử lý tạo lệnh điều khiển tối u theo độ cao




Đối với 3 dạng điều khiển tối u theo 3 kênh đều có ma trận hệ số
x
K
.
Xác định ma trận
x
K
theo mô hình sau:

BUAXX +=

(3.14)

DX
Y
=
(3.15)
Với tiêu chuẩn tối u:
+=+=
T
U
T
U
dtURUDXDXQdtURUYQYJ
0
''


QDXDPAP
''
=

(3.19)
Với điều kiện biên
0)(,0)(
0
=
=
TPtX
. Hệ (3.18), (3.19) có thể đợc mô tả
dới dạng hệ phơng trình vi phân tự do không có tác động đầu vào.

















+
là véc tơ mở rộng.











=

''
'1
~
AQDD
BBRA
A
là ma trận đặc trng
~
A
của hệ mở rộng.
Theo lý thuyết hệ phơng trình vi phân tuyến tính về hệ tự do thì:
Nếu biết véc tơ
+
X
ở thời điểm bất kỳ đều có thể xác định nó ở mọi thời

V
dt
dx
M
dt
d
J
M
dt
d
J
JJM
dt
d
J
CP
dt
d
mV
GCP
dt
d
mV
z
z
z
y
y
y
zyyzx











=
=
==
=
=
=
=
)13
)12
)11
)10
)9
)8
)7
x
a
y
z
dt
d

Từ các phơng trình 1, 2,12, 13 của hệ (2.1) và các giả thiết trên xây
dựng đợc hệ phơng trình mô tả quá trình điều khiển góc tấn và góc trợt
cạnh:

8gB
CCCC
B
+=++





(2.2)

H
H
CCC



=++


(2.3)
trong đó:
y

J
V
SlmCC
J
V
Slm
J
V
SlmCm
J
VSl
CC
H
H
yy
B
B
zz
2
,
22
,
2
2
,
2
,
22
,
2


Để có thể phân kênh, cần phải ổn định góc cren ở giá trị 0. Việc xây
dựng mô hình mô tả quá trình ổn định góc cren

liên quan đến các phơng
trình:
e
K
dt
d
dt
d


à

=+
1
2
2

Hệ thống điều khiển theo ba kênh đợc mô tả nh sau: e
H
gB
K
CCC
CCCC Nh vậy để xây dựng hệ phơng trình vi phân mô tả quá trình điều khiển
góc tấn, góc trợt cạnh, góc cren, cần phải xác định các tham số
1B
C




CpCp ++

2
1

g
C

B





e


H


ccc
ccccc
XDtxY
UBXAX
==
+=

)(
(3.12
)

Trong đó:
][,),(
'
21 ccccc
uUxxX ==







=






(3.13)
Trong đó:
[
]
[
]
)0,1(,,
=
=
=
ccccc
DrRqQ

3.3 Tổng hợp lệnh điều khiển tối u.
Để xác định điều khiển tối u cho các kênh trên KCB có TBDĐQT,
luận án đã chứng minh 3 khẳng định:
Khẳng định 1: Luật điều khiển tối u cho khí cụ bay theo kênh độ cao
đợc thiết lập bởi mô hình (3.5) với tiêu chuẩn (3.7) có dạng:

)()()(
2
'1
1
'1'1
tgBRtgBRXKBRtU
x

++=

trong đó

==


TgtDQhtgABBRKtg
x

Khẳng định 2: Luật điều khiển tối u ổn định đờng bay theo hớng có
dạng:

hxhhhh
XKBRtU
'1
)(

=

trong đó
xh
K
là nghiệm của phơng trình:
0)(,
'''1
==


TKDQDKAAKKBRBKK
xhhhhxhhhxhxhhhhxhxh

Khẳng định 3: Điều khiển tối u ổn định góc cren xung quanh giá trị 0
có dạng:

B





+=
==
=
=






43
4
43
3
1
2
21
(3.8)
Hệ phơng trình (3.8) đợc viết lại dới dạng véctơ trạng thái:

hhh
hhhhh
XDtzY
UBXAX















=


H
C
B
CC
C
V
A
hh




0

]
)0,0,0,1(,,
=
=
=
hhhhh
DrRqQ

3.2.3. Thiết lập bài toán điều khiển tối u ổn định theo kênh cren
Tơng tự nh trên, có hệ phơng trình sau:
cc
c
c
c
xkux
xx
21
2
2
1
à

=
==


(3.11)

9





KCCCCCC
HB

cần phải có chuỗi
số liệu về

và

. Việc đo trực tiếp chúng là không thể nếu không có
những thiết bị đặc biệt. Vì vậy cần xác định chúng trên cơ sở khai thác các
thông tin từ thiết bị dẫn đờng quán tính.


tg == ;
(2.6)

Theo các biểu thức (2.5) và (2.6) về quan hệ giữa góc

,

và các thành
phần véc tơ tốc độ ta có:
Hình 2.2
:

Quan hệ góc hớng quỹ đạo và góc nghiêng quỹ đạo
với các thành phần vận tốc

X
Y
Z

'
Y

z
V





x

V
V
V
tgtgtgtgtg
z
y
+=
(2.8)
2.3. Thuật toán nhận dạng tham số mô hình khí cụ bay có thiết bị dẫn

(2.11)
Các con quay
quán tính và
các gia tốc kế
Modul xác định góc tấn
và góc trợt cạnh


,

Hình 2.3
: Cấu trúc của thiết bị dẫn đờng quán tính và Modul xác
định góc tấn

và góc trợt cạnh


a
x

a
y

a
z








y
V

15

3.1.3. Hệ phơng trình mô tả quá trình điều khiển bay ổn định xung
quanh góc cren
0


.
e
K
à
=+

1
(3.3)
3.2. Thiết lập bài toán điều khiển tối u.
3.2.1. Thiết lập bài toán điều khiển tối u điều khiển theo độ cao.
Đặt
B
uxxxhx

=====

1
2
21
(3.4)
Hệ phơng trình (3.4) đợc viết lại dới dạng véctơ trạng thái nh sau:

CZBUAXX ++=

(3.5)
Trong đó:
)(,),()(,),,,(
''
4321
uUC
V
g
tZxxxxX
g
===
















=


10
00
01
00
,
0
0
0
,
00
1000
000
000
1
C
C
B
CC
C
V
A
B


''
)]())(())(*())(*[(
2
1
(3.7)
Nh vậy bài toán điều khiển tối u đợc phát biểu nh sau: Cần xác
định hàm điều khiển
)(tU
tác động vào hệ động học (3.5) sao cho giá trị
phiếm hàm (3.7) đạt giá trị cực tiểu.
Trờng hợp ở vế phải biểu thức (3.5) thành phần
CZ
không có
(
0

CZ
), thì bài toán đã có lời giải ([2] hoặc [7]). Còn trờng hợp tồn tại

14

cơ sở thông tin của thiết bị dẫn đờng quán tính cung cấp khi khai thác sử
dụng KCB mẫu có thể sử dụng chúng vào việc nhận dạng tham số mô hình.
3. Sử dụng phép biến đổi Z cho phép biến đổi mô hình tơng tự sang mô
hình số, nhờ đó có thể áp dụng phơng pháp toán bình phơng tối thiểu để
xây dựng thuật toán nhận dạng tham số mô hình mô tả KCB. Thuật toán đã
đợc kiểm nghiệm bằng phơng pháp mô phỏng số trên máy tính điện tử.
Những vấn đề chơng 2 giải quyết bản chất là xây dựng cơ sở phơng
pháp luận để xác định đối tợng điều khiển. Chỉ khi biết rõ đối tợng điều
khiển mới có thể tổng hợp đợc lệnh điều khiển, là nhiệm vụ tiếp theo tại

VVh =

sin3.1.2. Hệ phơng trình mô tả quá trình điều khiển bay ổn định theo hớng.
Tơng tự nh trên, có hệ phơng trình sau:




=

1
CH
H
CCC



=++


(3.2)

=


và 5 số liệu tơng
ứng về góc bẻ cánh lái
B

, tức là:

][][]1[]2[]3[
54321
iAiAiAiAiA
B

=+++++++

(2.12)

]1[][]1[]2[]3[]4[
54321
+=++++++++

iiAiAiAiAiA
B

(2.13)

]2[]1[]2[]3[]4[]5[
54321
+=+++++++++

iiAiAiAiAiA
B

















+++++
+++++
+++++
++++
+++
=





]3[]4[]5[]6[]7[
]2[]3[]4[]5[]6[
]1[]2[]3[]4[]5[

2
T
AAA
a
+

=
,
T
AAA
a
4
23
321
2

+

=
,
2
3
21
3
AA
a

=
,
T

TAAAa
C
B
+
==
12

nên:
1
4
1
3
1
2
1
,,,
1
1
a
a
C
a
a
C
a
a
C


đợc xác định
với các sai số phức tạp. Nguyên nhân của các sai số là luôn luôn tồn tại các
tác động nhiễu vào các máy đo và nhiễu tác động vào hệ thống điều khiển.
Để khắc phục các nhợc điểm trên cần thông tin về
[.]
B

và góc
[.]

với số
lợng lớn.
áp dụng tiêu chuẩn bình phơng tối thiểu [7] vào việc nhận dạng các
tham số mô hình
54321
,,,, AAAAA
.
Trong thực tế
][ ji
B
+

luôn luôn khác với góc đo đợc
][ ji
B
+


, tức là

ieAiLAiLAiAiAid
=
+
+

+

+
(2.20)
][][][][][][
35443251233
ieAiLAiLAiAiAid
=
+
+

+

+
(2.21)
][][][][][][
45533211344
ieAiLAiLAiLAiAid
=
+
+
+

+
(2.22)

+
+
+
+
iiBiBiB
iiBiBiB
iiBiBiB
H
H
H






(2.24)
Còn hệ phơng trình nhận dạng trực tiếp đối với kênh góc cren là:
]2[]2[]3[]4[
]1[]1[]2[]3[
][][]1[]2[
321
321
321
+=+++++
+=+++++
=
+
+
+

.
+ Xác định góc tấn

và góc trợt cạnh

.
Bớc 2: Đọc các giá trị góc lái kênh độ cao
B

và kênh hớng
H

.
Bớc 3: Xác định các định thức
)det(A
và
)det(B

Bớc 4: Nhận dạng (xác định) các tham số
32154321
,,,,,,, BBBAAAAA

2.4. Kết luận chơng 2
1. Trong điều kiện các góc tấn

, góc trợt cạnh

, góc chúc ngóc

,