BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

NGUYỄN MINH HỒNG

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG QUÁ TRÌNH TỰ DẪN
TÊN LỬA TRÊN CƠ SỞ SỬ DỤNG KẾT HỢP LOGIC MỜ
VÀ GIẢI THUẬT DI TRUYỀN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – NĂM 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

NGUYỄN MINH HỒNG

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG QUÁ TRÌNH TỰ DẪN
TÊN LỬA TRÊN CƠ SỞ SỬ DỤNG KẾT HỢP LOGIC MỜ
VÀ GIẢI THUẬT DI TRUYỀN

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 62 52 02 16

Tôi cũng xin cảm ơn các nhà khoa học và tập thể cán bộ giáo viên Bộ
môn Tên lửa / Khoa Kỹ thuật điều khiển đã quan tâm đóng góp ý kiến giúp đỡ
tôi hoàn thiện nội dung nghiên cứu.
Tôi chân thành cảm ơn các đồng nghiệp trong Khoa Kỹ thuật điều khiển /
Học viện Kỹ thuật quân sự đã chia sẻ công việc giúp tôi có thời gian tập trung
thực hiện luận án.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp đã luôn
động viên khuyến khích giúp tôi có thêm nghị lực để hoàn thành nội dung
luận án.


iii
 

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. i 
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... ii 
MỤC LỤC ............................................................................................................ iii 
DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU .................................. vi 
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .............................................................. ix 
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................. xiii 
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC LUẬT DẪN TÊN LỬA TỰ DẪN ............. 7 
1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu của nước ngoài ...................................... 7 
1.1.1. Các luật dẫn kinh điển .......................................................................... 9 
1.1.1.1. Dẫn ba điểm .................................................................................... 9 
1.1.1.2. Dẫn đuổi........................................................................................ 10 
1.1.1.3. Dẫn tiếp cận tỉ lệ ........................................................................... 12 
1.1.1.4. Một số hạn chế của luật dẫn kinh điển ......................................... 13 
1.1.2. Các luật dẫn sử dụng lý thuyết điều khiển hiện đại ............................ 13 

2.3.1. Đánh giá ảnh hưởng của nhiễu đến chất lượng của luật dẫn tiếp cận tỉ
lệ bằng phương pháp giải tích ....................................................................... 48 
2.3.2. Đánh giá ảnh hưởng của nhiễu đến chất lượng của hệ thống dẫn sử dụng
luật dẫn tiếp cận tỉ lệ và luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ bằng phương pháp số ........ 58 
2.3.2.1. Mô hình nhiễu tản mát tâm phản xạ ............................................. 58 
2.3.2.2. Mô hình nhiễu pha-đinh ............................................................... 60 
2.3.2.3. Kết quả khảo sát............................................................................ 60 
2.4. Kết luận chương 2 ..................................................................................... 64 
Chương 3: TỐI ƯU HOÁ LUẬT DẪN TIẾP CẬN TỈ LỆ MỜ DỰA TRÊN
GIẢI THUẬT DI TRUYỀN ............................................................................... 65 
3.1. Giải thuật di truyền ................................................................................... 65 
3.1.1. Khái niệm ............................................................................................ 65 
3.1.2. Cấu trúc giải thuật di truyền ............................................................... 66 
3.2. Tối ưu luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ bởi giải thuật di truyền ......................... 72 
3.2.1. Tối ưu hàm liên thuộc của luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ bởi giải thuật di
truyền ............................................................................................................ 73 
3.2.1.1. Cấu trúc luật dẫn vi phân tỉ lệ mờ tối ưu hàm liên thuộc ............. 73 
3.2.1.2. Giải thuật di truyền tối ưu hàm liên thuộc .................................... 78 


v
 

3.2.2. Tối ưu hệ quy tắc mờ của luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ bởi giải thuật di
truyền ............................................................................................................ 79 
3.2.2.1. Cấu trúc luật dẫn vi phân tỉ lệ mờ tối ưu hệ quy tắc mờ .............. 80 
3.2.2.2. Giải thuật di truyền tối ưu hệ quy tắc mờ ..................................... 84 
3.2.3. Tối ưu hàm liên thuộc và hệ quy tắc mờ của luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ
bởi giải thuật di truyền .................................................................................. 84 
3.2.3.1. Cấu trúc luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ tối ưu ..................................... 85 


Tên lửa phòng không

TLKQ

Tên lửa không quân

PK-KQ

Phòng không – Không quân

UAV

Thiết bị bay không người lái

APN

Tiếp cận tỉ lệ tăng cường

PID

Vi – tích phân tỉ lệ

PN

Tiếp cận tỉ lệ

PF

Tỉ lệ mờ


Dương vừa

BP

Dương lớn

GA

Giải thuật di truyền

VĐK

Vòng điều khiển

ĐHH

Động hình học


vii
 

2. Bảng ký hiệu
Ký hiệu

Đơn vị

 
/

Lệnh gia tốc pháp tuyến tên lửa
Thành phần vuông góc với đường ngắm tên lửa –
mục tiêu của lệnh gia tốc pháp tuyến tên lửa
Thành phần song song với đường ngắm tên lửa – mục
tiêu của lệnh gia tốc pháp tuyến tên lửa
Giá trị cực đại của
Gia tốc pháp tuyến mục tiêu
Quá tải mục tiêu
Gia tốc pháp tuyến tên lửa
Khoảng cách giữa tên lửa và mục tiêu
Tọa độ tên lửa trên trục X
Tọa độ tên lửa trên trục Y
Tọa độ mục tiêu trên trục X
Tọa độ mục tiêu trên trục Y
Góc đường ngắm tên lửa – mục tiêu
Tốc độ góc đường ngắm tên lửa – mục tiêu
Gia tốc góc đường ngắm tên lửa – mục tiêu
Góc đường bay của mục tiêu
Góc đón
Sai số góc đón
Tọa độ tên lửa trên trục Y trong trường hợp tuyến
tính
Tọa độ mục tiêu trên trục Y trong trường hợp tuyến
tính
Khoảng cách tương đối tên lửa – mục tiêu trên trục Y
trong trường hợp tuyến tính
Hệ số dẫn
Toán tử Laplace
Hằng số thời gian của khâu quán tính mô tả động học
của tên lửa


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Chuỗi nhiễm sắc thể con
Xác suất chọn lọc
Quần thể cá thể ban đầu
Quần thể cá thể mới
Cá thể thứ k của quần thể ban đầu
Các thể thứ k của quần thể mới
Giá trị chặn dưới của nhiễm sắc thể con
Giá trị chặn trên của nhiễm sắc thể con
Nhiễm sắc thể sau khi bị đột biến
Hàm thích nghi
Bộ số xác định hình dạng của hàm liên thuộc
Các đường lưới của hệ tọa độ quy tắc mờ
Các điểm khởi tạo của hệ tọa độ quy tắc mờ

 

 
 
 
 
 
 
 
.  
, ,  
 
,  

 
 
 
 


ix
 

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
STT

Tên hình vẽ, đồ thị

Trang

1


Hình 2.6. Mô tả phương pháp đưa ra hệ quy tắc mờ 

42

7

Hình 2.7a. Gia tốc pháp tuyến tên lửa 

44

8

Hình 2.7b. Quỹ đạo tên lửa – mục tiêu 

44

9

Hình 2.8a. Gia tốc pháp tuyến tên lửa 

45

10

Hình 2.8b. Quỹ đạo tên lửa – mục tiêu 

46

11


16

Hình 2.14. Sơ đồ cấu trúc vòng điều khiển sử dụng luật dẫn tiếp
cận tỉ lệ và luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ có nhiễu tác động 

62

17

Hình 3.1. Minh họa quá trình tối ưu hóa của giải thuật di truyền 

67

18

Hình 3.2. Thuật toán chọn lọc sắp hạng tuyến tính 

69

19

Hình 3.3. Lai ghép

70

 

/

vào hệ số dẫn và tỉ số /

78

23

Hình 3.6. Mã hóa lời giải bài toán tối ưu luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ 

78

24

Hình 3.7. Sơ đồ cấu trúc luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ có hệ quy tắc
mờ tối ưu 

80

25

Hình 3.8. “Hệ tọa độ quy tắc mờ” dùng để xác định hệ quy tắc mờ 

82

26

Hình 3.9. Mã hóa lời giải bài toán tối ưu luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ 

84

27

Hình 3.10. Mã hóa lời giải bài toán tối ưu luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ 

90

32

Hình 4.4. Các hàm liên thuộc của biến ngôn ngữ đầu ra

 

90

33

Hình 4.5. Mặt đặc tính của luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ tối ưu 

91

34

Hình 4.6. Giá trị hàm thích nghi qua các thế hệ 

91

35

Hình 4.7. Các hàm liên thuộc của biến ngôn ngữ đầu vào

 

92


Hình 4.12. Gia tốc pháp tuyến tên lửa 

94

41

Hình 4.13. Quỹ đạo tên lửa – mục tiêu 

95


xi
 

42

Hình 4.14. Gia tốc pháp tuyến tên lửa 

95

43

Hình 4.15. Quỹ đạo tên lửa – mục tiêu 

96

44

Hình 4.16. Gia tốc pháp tuyến tên lửa 


101

50

Hình 4.22. Mặt đặc tính của luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ tối ưu 

101

51

Hình 4.23. Quỹ đạo tên lửa – mục tiêu 

102

52

Hình 4.24. Gia tốc pháp tuyến tên lửa 

102

53

Hình 4.25. Quỹ đạo tên lửa – mục tiêu 

103

54

Hình 4.26. Gia tốc pháp tuyến tên lửa 


108

60

Hình 4.32. Hàm liên thuộc tối ưu của các tập mờ đầu vào

 

109

61

Hình 4.33. Hàm liên thuộc tối ưu của các tập mờ đầu vào

 

109

62

Hình 4.34. Hàm liên thuộc tối ưu của các tập mờ đầu ra

 

110

63

Hình 4.35. Mặt đặc tính của luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ có hàm liên
thuộc và hệ quy tắc mờ tối ưu 

 
 
 

66

Hình 4.38. Hàm liên thuộc tối ưu của các tập mờ đầu vào

 

111

67

Hình 4.39. Hàm liên thuộc tối ưu của các tập mờ đầu ra

 

112

68

Hình 4.40. Mặt đặc tính của luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ có hàm liên
thuộc và hệ quy tắc mờ tối ưu 

112

69

Hình 4.41. Quỹ đạo tên lửa – mục tiêu 


116

75

Hình 4.47. Quỹ đạo tên lửa – mục tiêu 

117

76

Hình 4.48. Gia tốc pháp tuyến tên lửa 

118


xiii
 

DANH MỤC CÁC BẢNG
STT

Tên bảng biểu

Trang

1

Bảng 2.1. Ý nghĩa các kí hiệu của các tập mờ 


46

7

Bảng 2.5. Tổng hợp kết quả mô phỏng về độ trượt và lệnh gia tốc
pháp tuyến cực đại của các luật dẫn 

63

8

Bảng 3.1. Hệ quy tắc mờ sử dụng cho luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ
tối ưu 

74

9

Bảng 3.2. Hệ quy tắc mờ minh họa cho phương pháp “hệ tọa độ
quy tắc mờ” 

81

10

Bảng 4.1. Kết quả khảo sát tại thời điểm gặp khi mục tiêu cơ
động 5g 

94



102

16

Bảng 4.7. Kết quả khảo sát tại thời điểm gặp khi mục tiêu cơ
động 5g 

103

17

Bảng 4.8. Kết quả khảo sát tại thời điểm gặp khi mục tiêu cơ
động -5g 

104


xiv
 

18

Bảng 4.9. Kết quả khảo sát tại thời điểm gặp khi mục tiêu cơ
động 7g 

106

19



24

Bảng 4.15. Kết quả khảo sát tại thời điểm gặp khi mục tiêu cơ
động 7g 

117

25

Bảng 4.16. Kết quả khảo sát tại thời điểm gặp khi mục tiêu cơ
động -7g 

118


1
 

MỞ ĐẦU
Một đặc điểm nổi bật trong thời đại ngày nay là quá trình giảm thiểu căng
thẳng giữa các quốc gia khác nhau và sự hình thành một hệ thống đảm bảo an
ninh tập thể. Tuy nhiên, sự tiến bộ của nhân loại xét từ quan điểm quy luật và lý
trí thì còn chưa đạt đến mức độ mà một quốc gia có thể không cần đến sự tồn tại
của quân đội. Nền độc lập và bản thân sự tồn tại của đất nước phụ thuộc vào khả
năng quốc phòng của đất nước đó.
Mặc dù hiện trạng nền kinh tế Việt Nam đang còn nhiều khó khăn, nhưng
những vấn đề về cải tiến các trang bị hiện có, chế tạo các hệ thống vũ khí mới
hiện đại chủ yếu mang tính chất phòng thủ, trong đó các hệ thống phòng không
vẫn là các vấn đề được quan tâm đặc biệt. Điều này có nguyên nhân là do các

Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, bài toán “Nghiên cứu nâng cao chất
lượng quá trình tự dẫn tên lửa trên cơ sở sử dụng kết hợp logic mờ và giải thuật
di truyền” được đặt ra với mục đích xây dựng và hoàn thiện một luật dẫn cho tên
lửa tự dẫn trong điều kiện có nhiễu và mục tiêu cơ động. Nhằm nâng cao độ chính
xác điều khiển trong giai đoạn tự dẫn khi tiêu diệt các loại mục tiêu.
Cơ sở khoa học của bài toán nghiên cứu phương pháp dẫn
- Ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại để tối ưu phương pháp dẫn;
- Lý thuyết logic mờ và ứng dụng trong điều khiển;
- Tổng hợp các bộ điều khiển mờ tối ưu bằng cách kết hợp logic mờ và giải
thuật di truyền;
- Lý thuyết lọc và xử lý tối ưu thông tin trong điều khiển;
- Sử dụng phương pháp liên hợp cho phép đánh giá chất lượng của hệ
thống tại các thời điểm cần quan tâm chỉ trong một lần tính toán thay vì
phải tính toán rất nhiều lần khi sử dụng phương pháp Monte Carlo;
- Khả năng ứng dụng những thành tựu mới của công nghệ máy tính số
trong việc giải các thuật toán của lý thuyết tập mờ, các thuật toán tập mờ
kết hợp giải thuật di truyền,… cho phép hiện thực hóa các phương pháp
dẫn với thuật toán phức tạp trên cơ sở nhiều nguồn thông tin bất định liên
quan đến mục tiêu.


3
 

Cơ sở thực tiễn của bài toán nghiên cứu phương pháp dẫn
Nhu cầu nâng cao chất lượng, hiệu quả của các phương pháp dẫn tên lửa
nói chung và các phương pháp tự dẫn cho TLPK nói riêng trong quá trình thiết
kế mới và nghiên cứu cải tiến các hệ thống điều khiển luôn luôn được đặt ra như
một nhu cầu thực tế, có tính cấp thiết liên quan tới sự phát triển không ngừng
của các loại mục tiêu đường không hiện đại.

xây dựng các bài toán cần phải giải, bố cục của luận án được trình bày như sau:
Mở đầu
Đặt vấn đề nghiên cứu.
Chương 1: Tổng quan về các luật dẫn tên lửa tự dẫn
Trong chương 1, luận án nêu tổng quan các luật dẫn tên lửa tự dẫn:
- Phân tích các công trình nghiên cứu trong nước và ngoài nước.
- Phân tích ưu điểm và hạn chế của các luật dẫn kinh điển gồm dẫn ba
điểm, dẫn đuổi và dẫn tiếp cận tỉ lệ.
- Phân tích ưu điểm và hạn chế của các luật dẫn sử dụng lý thuyết điều
khiển hiện đại gồm dẫn tối ưu, dẫn dự báo và dẫn trò chơi vi phân.
- Phân tích ưu điểm và hạn chế của những luật dẫn sử dụng các công cụ của
điều khiển thông minh.
- Trên cơ sở các phân tích trên luận án đặt ra vấn đề cần nghiên cứu và
hướng giải quyết vấn đề để nâng cao chất lượng dẫn tên lửa.
Chương 2: Đánh giá chất lượng của luật dẫn tiếp cận tỉ lệ và luật dẫn tiếp
cận tỉ lệ mờ
Để đánh giá chất lượng của các luật dẫn, chương hai luận án đã giải quyết
các nội dung:
- Xây dựng quan hệ động hình học của mục tiêu và tên lửa trong mặt phẳng
đứng.
- Đánh giá chất lượng của luật dẫn tiếp cận tỉ lệ cổ điển với các luật dẫn mờ
trong điều kiện mục tiêu cơ động.
- Đánh giá chất lượng của luật dẫn tiếp cận tỉ lệ cổ điển với các luật dẫn mờ


5
 

trong điều kiện nhiễu.
Chương 3: Tối ưu hóa luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ dựa trên giải thuật di truyền

- Kết quả nghiên cứu của luận án có thể sử dụng trong giảng dạy và nghiên
cứu phát triển các phương pháp tự dẫn tên lửa.
Tính khoa học của luận án:
- Việc ứng dụng các lý thuyết điều khiển hiện đại để giải quyết các vấn đề
nhằm nâng cao chất lượng trong các phương pháp dẫn tên lửa truyền thống là
vấn đề luôn có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Luận án được xây dựng theo
hướng hoàn thiện phương pháp dẫn tiếp cận tỉ lệ nhằm nâng cao xác suất tiêu
diệt mục tiêu trong điều kiện có tác động của nhiễu và mục tiêu cơ động trên cơ
sở ứng dụng lý thuyết mờ kết hợp với giải thuật di truyền.
Đóng góp mới của luận án:
- Luận án đã khảo sát chất lượng của các luật dẫn khi có tính tới sự tác
động của hai loại nhiễu ảnh hưởng trực tiếp đến các hệ thống đầu tự dẫn vô
tuyến với mô hình cụ thể, đảm bảo sát với thực tế.
- Trên cơ sở xây dựng và mô phỏng các luật dẫn PF, PDF và PIF, luận án
đã chỉ ra rằng ứng dụng logic mờ có thể cải thiện chất lượng phương pháp dẫn
tiếp cận tỉ lệ, trong đó PDF cho kết quả tốt nhất trong 3 luật dẫn mờ nói trên.
- Ứng dụng giải thuật di truyền với các phương pháp chọn lọc, lai ghép và
đột biến phù hợp để đề xuất các thuật toán tối ưu hóa tham số luật dẫn tiếp cận tỉ
lệ xây dựng trên cơ sở logic mờ.


7
 

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC LUẬT DẪN TÊN LỬA TỰ DẪN
Quân chủng Phòng không – Không quân (PK-KQ) Việt Nam là một bộ
phận của Quân đội Nhân dân Việt Nam. Lực lượng PK-KQ Việt Nam có vị trí,
vai trò và nhiệm vụ bảo vệ vùng trời vùng biển thuộc chủ quyền đất nước. Yêu
cầu nhiệm vụ của lực lượng PK-KQ Việt Nam trong giai đoạn mới rất nặng nề.

hơn 50 s [22]. Như vậy trong khoảng thời gian ngắn này, hệ thống dẫn phải tạo ra
các lệnh dẫn (đảm bảo các điều kiện vật lý của tên lửa) để tên lửa tiêu diệt được
mục tiêu. Vậy nên vấn đề chính ở đây là: hệ thống dẫn sử dụng các thông tin đang
có như thế nào để nó tạo ra các lệnh dẫn phù hợp cho phép tên lửa tiêu diệt được
mục tiêu.
Nghiên cứu, cải tiến, phát triển các phương pháp dẫn là vấn đề đã được
quan tâm từ rất sớm. Các luật dẫn được đề xuất đầu tiên và thử nghiệm là các
luật dẫn kinh điển. Chúng có các ưu điểm chính sau [20, 22, 49]:
- Dễ hiểu.
- Dễ thực hiện.
- Cần ít thông tin.
Cho tới năm 1960, với sự phát triển nhanh chóng của lý thuyết điều khiển
tối ưu thì các luật dẫn với cơ sở lý thuyết chặt chẽ đã bắt đầu xuất hiện – luật
dẫn dựa trên lý thuyết điều khiển hiện đại. Lý thuyết điều khiển tối ưu là cơ sở
để giải quyết các bài toán tối ưu động. Những bài toán mà ở đó lý thuyết điều
khiển tối ưu được áp dụng liên quan tới việc tối ưu một vài chỉ tiêu chất lượng
dưới các điều kiện ràng buộc cụ thể. Sau đó không lâu, người ta phát hiện ra
rằng với khả năng tính toán hiện có không thể tìm được lời giải tối ưu cho một
bài toán dẫn phi tuyến. Khi đó người ta phải chấp nhận xét bài toán ở dạng tuyến
tính và hy vọng có thể tìm được lời giải dễ dàng hơn. Có nhiều cách tiếp cận,
một trong những cách tiếp cận cho lời giải đơn giản nhất là tuyến tính dạng toàn
phương.
Gần đây, một hướng phát triển mới để xây dựng các luật dẫn tên lửa là áp
dụng các phương pháp điều khiển thông minh. Điều khiển thông minh là một
phương pháp điều khiển mà ở đó không cần sự tham gia của con người trong


9