Nghiên cứu tổng hợp thiết kế thiết bị điều khiển điện tử thử nghiệm máy lái PG-27 của tên lửa đối hạm Kh – 35E hoạt động ở chế độ bám

Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN<br /> ĐIỆN TỬ THỬ NGHIỆM MÁY LÁI PG – 27 CỦA TÊN LỬA<br /> ĐỐI HẠM KH 35-E HOẠT ĐỘNG Ở CHẾ ĐỘ BÁM<br /> Phan Quang Tuấn1, Lê Thạc Tài1*, Lê Văn Dũng1, Phạm Ngọc Nguyên1, Lê Huy Hiệu2<br /> Tóm tắt: Trong bài này đưa ra phương pháp tổng hợp thiết kế bộ điều khiển điện tử<br /> với thuật toán điều khiển ổn định PID thử nghiệm máy lái PG-27 tên lửa đối hạm Kh –<br /> 35E. Các hệ số tỷ lệ, tích phân, vi phân của thuật toán được xác định trên cơ sở phân tích<br /> các thông số của quá trình quá độ đáp ứng tín hiệu điều khiển hàm bậc thang nhận được<br /> bằng phương pháp tích phân số mô hình toán động lực học của máy lái. Thiết bị điều<br /> khiển điện tử thử nghiệm máy lái đã được thiết kế, chế tạo đưa vào sử dụng giúp nâng<br /> cao chất lượng chấp hành tín hiệu điều khiển của máy lái, như tăng tác động nhanh, độ<br /> ổn định và giảm độ quá chỉnh của quá trình quá độ đáp ứng tín hiệu điều khiển.<br /> Từ khóa: Thuật toán điều khiển PID, Máy lái PG-27, Tên lửa đối hạm Kh35-E.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Tín hiệu điều khiển từ máy tính trên khoang tên lửa đối hạm KH-35E đưa đến đầu<br /> vào thiết bị điều khiển máy lái để điều khiển lật cánh lái nhằm tạo ra véc-tơ lực khí<br /> động pháp tuyến lái tên lửa bay theo quỹ đạo tính toán đến mục tiêu cần tiêu diệt là tín<br /> hiệu điện công suất nhỏ với giá trị điện áp và dòng điện được chuẩn hóa để tương thích<br /> với các thông số đầu ra của các thiết bị máy tính và các thiết bị đo lường:<br /> U (t )   5 VDC , idkv (t ) max   (10 mA  20 mA) . Để điều khiển quay vòi phun của bộ<br /> dkv max<br /> khuếch đại khí nén trong SERVOVALVE máy lái thì tín hiệu điện điều khiển đầu vào<br /> sau khi được xử lý bằng các thuật toán cần thiết nhằm đảm bảo chất lượng chấp hành<br /> điều khiển theo yêu cầu đặt ra phải được khuếch đại tuyến tính công suất với giá trị điện<br /> áp và dòng điện lên đến U dkr (t )max   15 VDC , idkr (t )max  100 mA [1,2]. Trong [2] đã đã<br /> đưa ra kết quả nghiên cứu tạo ra thiết bị điều khiển giả định máy lái PG-27 tên lửa đối<br /> hạm KH-35E sử dụng thuật toán ổn định PID. Trong bài này, các tác giả trình bày<br /> phương pháp tổng hợp thiết kế và tích hợp chế tạo thiết bị điều khiển điện tử máy lái để<br /> tương thích với thiết bị điều khiển điện tử nguyên mẫu máy lái trên tên lửa Kh -35E với<br /> các hệ số của thuật toán điều khiển ổn định PID được điều chỉnh trong dải rộng cho<br /> từng máy lái riêng biệt trong phòng thí nghiệm để đạt được quá trình đáp ứng quá độ<br /> của máy lái tốt nhất.<br /> .<br /> 2. NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT<br /> 2.1. Phương pháo tổng hợp thiết kế thiết bị điều khiển điện tử máy lái tên lửa đối<br /> hạm KH-35E<br /> Ta biết rằng trong kỹ thuật công nghiệp cũng như trong các vũ khí, khí tài quân sự,<br /> căn cứ các đặc tính động lực học cụ thể của đối tượng điều khiển thông qua mô tả mô<br /> hình toán động lực học của chúng, thường được sử dụng các bộ điều khiển điện tử sau:<br /> 1- Bộ điều khiển PID (P – tỉ lệ, I – tích phân, D – vi phân)<br /> 2- Bộ điều khiển tối ưu modul<br /> 3- Bộ điều khiển bù<br /> 4- Bộ điều khiển tách kênh cho hệ thống nhiều đầu vào, đầu ra<br /> 5- Bộ điều khiển quan sát trạng thái<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 37, 06 - 2015 61<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> Trong số các bộ điều khiển nói trên, trong trường hợp nếu các yêu cầu đặt ra đối với<br /> đối tượng điều khiển là quá trình đáp ứng quá độ chấp hành tín hiệu điều khiển hàm bậc<br /> thang có dạng hình chữ S ổn định, không có quá chỉnh và thời gian trễ T1 nhỏ so với<br /> hằng số thời gian T2 (hình 1) thì sử dụng bộ điều khiển PID để nâng cao chất lượng<br /> chấp hành điều khiển của máy lái là đơn giản và thuận tiện hơn cả.<br /> U dkv y<br /> U dkv (t)<br /> <br /> y8<br /> y(t)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 0 0<br /> t<br /> T1 T2<br /> <br /> Hình 1. Dạng hình chữ S quá trình quá độ đáp ứng tín hiệu điều khiển<br /> hàm bậc thang của đối tượng điều khiển.<br /> <br /> Sơ đồ khối điều khiển của bộ điều khiển PID được mô tả trên hình 2:<br /> <br /> Kp Udkv(t) e(t) Udkr(t),idkr(t) y(t)<br /> §èi t­îng<br /> PID ®iÒu khiÓn<br /> e(t) Udkr(t),idkr(t)<br /> Ti<br /> UFH(t)<br /> Bé chuyÓn ®æi<br /> Td tÝn hiÖu<br /> a. Bộ điều khiển PID b) Sơ đồ hệ thống có sử dụng bộ điều khiển PID<br /> <br /> Hình 2. Sơ đồ khối bộ điều khiển PID và hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID.<br /> <br /> Bộ điều khiển PID tổ hợp ba thành phần cơ bản: khuếch đại tỷ lệ (P) với hệ số<br /> khuếch đại Kp, tích phân (I) với hằng số thời gian Ti và vi phân (D) với hằng số thời<br /> gian Td (hình 2). Bộ điều khiển PID có nhiệm vụ đưa tín hiệu sai lệch e(t)= Udkv (t ) -<br /> U FH (t ) của hệ thống về “0 ” sao cho quá trình quá độ y(t) thỏa mãn các yêu cầu cơ bản<br /> về chất lượng:<br /> - Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần U FH (t ) , bộ điều khiển PID cho<br /> ra tín hiệu điều chỉnh U dkr (t ) càng lớn (vai trò của khuếch đại Kp).<br /> - Nếu sai lệch e(t) chưa bằng “0” thì thông qua U I (t ) (thành phần tích phân) sẽ giúp<br /> cho bộ điều khiển PID đưa ra tín hiệu điều chỉnh ổn lập.<br /> - Nếu tốc độ thay đổi của tín hiệu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua U D (t ) (thành<br /> phần vi phân) bộ điều khiển PID cho ra phản ứng của U (t ) càng nhanh .<br /> dkr<br /> Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình toán học vào – ra như sau:<br />  1 d (e (t )) <br /> U dkr (t )  K p  e(t )   e(t ) dt  TD <br />  TI dt <br /> <br /> <br /> <br /> 62 P.Q.Tuấn, L.T.Tài, L.V.Dũng ,…, “Nghiên cứu tổng hợp … hoạt động ở chế độ bám.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Từ mô hình toán học vào – ra ta có hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID:<br /> 1<br /> R (s )  K p (1   TD s )<br /> TI s<br /> Chất lượng điều khiển của hệ thống phụ thuộc vào các tham số K p , TI , TD . Muốn hệ<br /> thống có được chất lượng điều khiển như mong muốn thì phải phân tích đối tượng điều<br /> khiển thông qua việc phân tích hàm quá độ chấp hành tín hiệu điều khiển y(t) theo các<br /> yêu cầu đặt ra, trên cơ sở đó tính toán xác định tham số K p , TI , TD cho bộ điều khiển<br /> PID. Trong thực tiễn có hai phương pháp cơ bản sau:<br /> - Phương pháp sử dụng mô hình xấp xỉ quán tính bậc n của đối tượng điều khiển có<br /> hàm quá độ chấp hành tín hiệu điều khiển hàm bậc thang 1(t) dạng hình chữ S thỏa mãn<br /> điều kiện T2/T1>3 (xem Hình 1). Phương pháp này gọi là phương pháp Chien – Hrones<br /> – Reswick.<br /> - Phương pháp xác định các tham số điều khiển theo tổng hằng số thời gian quán<br /> tính T=T1+T2 (Phương pháp Kuhn).<br /> Trong hai phương pháp nêu trên, sử dụng phương pháp Chien – Hornes – Reswick<br /> để tổng hợp thiết kế bộ điều khiển PID cho máy lái tên lửa Kh-35E là phù hợp hơn cả<br /> do hàm quá độ chấp hành tín hiệu điều khiển y(t) của máy lái nhận được trên cơ sở tích<br /> phân số mô hình toán động lực học của nó có dạng chữ S ổn định, không có quá chỉnh<br /> dạng chữ S thỏa mãn điều kiện T2/T1>3 [2].<br /> Bộ điều Bộ điều khiển Bộ điều khiển<br /> TT Yêu cầu chất lượng khiển P PI PID<br /> Kp Kp TI Kp TI TD<br /> 1 Tối ưu giảm tối đa ảnh<br /> hưởng của nhiễu và hệ 3T2 6T2 19T2 6T1 21T1<br /> kín không có quá 10T1 .k 10T1 .k 4T1 20T1 .k 5 50<br /> chỉnh ∆ ymax  0<br /> 2 Tối ưu giảm tối đa ảnh<br /> hưởng của nhiễu và hệ 7T2 7T2 23T1 6T2 2T1 21T2<br /> kín không có quá 10T1 .k 10T1 .k 10 5T1 .k 50<br /> chỉnh ∆ ymax  0.2 y<br /> y  lim y (t )<br /> t <br /> <br /> 3 Tối ưu giảm tối đa sai<br /> số lệch bám và 3T2 7T2 6T2 3T2 T2 T2<br /> ∆ ymax  0 10T1 .k 10T1 .k 5 5T1 .k 2<br /> <br /> 4 Tối ưu giảm tối đa sai<br /> số lệch bám và 7T2 6T2 19T2 27T2 47T1<br /> ∆ ymax  0.2 y 10T1 .k 10T1 .k T2 20T1 .k 20 100<br /> y  lim y (t )<br /> t <br /> <br /> <br /> Từ dạng hàm quá độ y(t) của đối tượng với hai tham số T1, T2 được thỏa mãn, Chien –<br /> Hornes – Reswick đã đưa ra bốn cách xác định các tham số bộ điều khiển cho bốn yêu<br /> cầu chất lượng khác nhau như bảng trên:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 37, 06 - 2015 63<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> ymax<br /> Trong bảng trên, k – hệ số khuếch đại, k = (m/v); (ở đây: ymax - hành trình tối<br /> U dkvmax<br /> đa của piston, U dkvmax - điện áp tối đa tín hiệu điều khiển đầu vào máy lái ).<br /> Đối với máy lái PG-27 của tên lửa Kh-35E do chưa biết trước yêu cầu cụ thể của bài<br /> toán thiết kế hệ thống, ta tiến hành tổng hợp bộ điều khiển PID có các tham số<br /> K p , TI , TD thay đổi trong dải rộng cho phép trong quá trình hiệu chỉnh thực nghiệm thỏa<br /> mãn các yêu cầu chất lượng đặt ra ở trên. Với mục đích đó, ta chọn dải thay đổi các<br /> tham số để chế tạo thiết bị điều khiển PID cho máy lái như sau:<br /> 3T2 6T 27T2 21T1 T<br /> Kp = ….. 2 , K I = 2T1 …… , KD = …… 2<br /> 5T1 .k 5T1 .k 20 50 2<br /> Đối với máy lái điện - khí của tên lửa đối hạm Kh-35E, phân tích hàm quá độ chấp<br /> hành tín hiệu điều khiển nhận được trên cơ sở tích phân số mô hình toán động lực học<br /> của máy lái ta xác định được các tham số cụ thể như sau [2]:<br /> 16 mm mm<br /> T1  0, 02 s, T2  0,12 s, k   3.2 và dải hiệu chỉnh các tham số của bộ điều<br /> 5V V<br /> V<br /> khiển PID: K p = (1.125...22.5) , TI = (0.04...1.62)s, TD = (0.008...0.61) s .<br /> mm<br /> 2.2. Kết quả tích hợp chế tạo và thử nghiệm thiết bị điều khiển điện tử<br /> Căn cứ giá trị các tham số K p , TI , TD đã được xác định các tác giả đã nghiên cứu tích<br /> hợp thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển điện tử cho máy lái trong đó có sử dụng thuật<br /> toán điều khiển PID. Trên các hình 3 đưa ra sơ đồ nguyên lý bị điều khiển máy lái.<br /> Mạch chuyển kênh điều khiển bằng tay (BT) và mạch điều khiển tự động (TĐ) từ máy<br /> tính, từ máy phát tín hiệu chuẩn hoặc từ các thiết bị điều khiển ngoại vi có mức tín hiệu<br /> điều khiển chuẩn U dk   5 VDC , i  (0  20) mA .<br /> Thiết bị điều khiển sau tổng hợp thiết kế, tích hợp, chế tạo đã được sử dụng để điều<br /> khiển máy lái nguyên mẫu PG-27 của tên lửa Kh-35E và các máy lái chế tạo theo mẫu<br /> PG-27 bằng công nghệ trong nước nhằm nâng cao chất lượng chấp hành tín hiệu điều<br /> khiển của chúng. Trên hình 4 đưa ra các quá trình quá độ đáp ứng tín hiệu điều khiển<br /> hàm bậc thang nhận được bằng phương pháp tích phân số mô hình toán động lực học<br /> máy lái tên lửa Kh-35E[2] cho các trường hợp chỉ sử dụng bộ khuếch đại (đường a), sử<br /> dụng đầy đủ thuật toán PID (đường b) và kết quả thực nghiệm sử dụng thiết bị điều<br /> khiển (đường c).<br /> Các hệ số K p , Ti , TD được xác định trên cơ sở sử dụng các giá trị thời gian T1 , T2 nhận<br /> được trên đường a hình 4 theo yêu cầu chất lượng: Tối ưu hóa giảm tối đa các ảnh<br /> hưởng nhiễu và hệ kín không có quá chỉnh: ymax  0.2y , y  lim y (t ) . Trên đường c<br /> t <br /> <br /> hình 4 đưa ra quá trình quá độ đáp ứng tín hiệu điều khiển hàm bậc thang của máy lái<br /> nhận được bằng thực nghiệm trên máy lái nguyên mẫu PG-27 có sử dụng thiết bị điều<br /> khiển điện tử do nhóm tác giả tổng hợp thiết kế, tích hợp chế tạo với các thông số<br /> V<br /> K p , Ti , TD tương ứng ( K p = 1,5 ,Ti = 0.1s,TD = 0.22s ). Phân tích, đánh giá so sánh các<br /> mm<br /> quá trình quá độ đáp ứng tín hiệu điều khiển của máy lái trên các đường b,c hình 4 ta<br /> thấy chúng có dạng tương đồng, sai lệch lớn nhất giữa các giá trị T1 , T2 và t p không quá<br /> <br /> <br /> 64 P.Q.Tuấn, L.T.Tài, L.V.Dũng ,…, “Nghiên cứu tổng hợp … hoạt động ở chế độ bám.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> 8% và phương pháp tổng hợp thiết kế thiết bị điều khiển máy lái đã trình bày ở trên là<br /> chấp nhận được.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Sơ đồ nguyên lý thiết bị điều khiển máy lái.<br /> Udkv,V y(t),mm<br /> <br /> 5.00 16.00<br /> 4.44 14.22<br /> 3.89 12.44<br /> 3.33 10.67<br /> c b a<br /> 2.78 8.89<br /> <br /> 2.22 7.11<br /> 1.67 5.33<br /> y(t)<br /> 1.11 3.56<br /> 0.56 1.78<br /> t,s<br /> 0 0.025 0.050 0.075 0.100 0.125 0.150 0.175 0.200 0.225 0.250<br /> <br /> Hình 4. Các quá trình quá độ đáp ứng tín hiệu điều khiển hàm bậc thang của máy<br /> V V<br /> lái (a- K p = 1,5 ,Ti = 0,TD = 0 ; b- K p = 1,5 ,Ti = 0.1s,TD = 0.22s ; c- quá trình thực<br /> mm mm<br /> V<br /> nghiệm với K p = 1,5 ,Ti = 0.1s,TD = 0.22s ).<br /> mm<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 37, 06 - 2015 65<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Bộ điều khiển trong bàn thí nghiệm máy lái PG-27.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6. Kết quả thí nghiệm: 1- tín hiệu điều khiển 3.5V, 0.5Hz<br /> 2- Đáp ứng tín hiệu điều khiển của máy lái PG-27, áp suất khí vào 8at<br /> Thời gian quá độ 0.107s<br /> <br /> 3. KẾT LUẬN<br /> <br /> Trên cơ sở phân tích quá trình quá độ đáp ứng tín hiệu điều khiển hàm bậc thang nhận<br /> được bằng phương pháp tích phân số mô hình toán động lực học của đối tượng điều khiển<br /> và vận dụng phương pháp mô hình xấp xỉ quán tính bậc n Chien – Hrones – Reswick các<br /> tác giả đã tổng hợp thiết kế và chế tạo thiết bị điều khiển điện tử để thử nghiệm máy lái<br /> tên lửa đối hạm PG-27 với thuật toán điều khiển ổn định PID. Các hệ số tỷ lệ, tích phân và<br /> vi phân của thuật toán được xác định định lượng trong dải rộng cho phép điều chỉnh bằng<br /> thực nghiệm để nhận được quá trình quá độ đáp ứng tín hiệu điều khiển của máy lái với<br /> các chỉ tiêu chất lượng tốt nhất về tác động nhanh, độ ổn định và quá chỉnh. Thiết bị điều<br /> khiển điện tử máy lái do các tác giả nghiên cứu chế tạo ra có thể thay thế tương đương<br /> thiết bị điều khiển nguyên mẫu trên tên lửa kh 35E với các linh kiện điện tử có thể chủ<br /> động khai thác trong nước. Ngoài ra, thiết bị điều khiển điện tử này có thể được áp dụng<br /> <br /> <br /> <br /> 66 P.Q.Tuấn, L.T.Tài, L.V.Dũng ,…, “Nghiên cứu tổng hợp … hoạt động ở chế độ bám.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> hiệu quả để điều khiển ổn định các hệ thống truyền động bám điện – khí trong lĩnh vực<br /> quân sự và công nghiệp khác có cấu trúc động lực học tương tự.<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> <br /> [1]. Tài liệu hướng dẫn kỹ thuật khai thác sử dụng phối bộ tên lửa đối hải Kh 35E (bản<br /> tiếng Nga)<br /> [2]. Báo cáo tổng kết đề tài: “Nghiên cứu, tính toán, thiết kế máy lái tên lửa 3M-24E<br /> thuộc tổ hợp tên lửa UARN-E, Viện KHCNQS”, (2008).<br /> [3]. Nguyễn Doãn Phước. “Lý thuyết điều khiển tuyến tính”. NXB Khoa học – kỹ thuật,<br /> Hà nội 2002.<br /> [4]. Tăng Xuân Long, Trần Xuân Diệu, Hồ Xuân Vĩnh, Nguyễn Minh Khôi, “Mô hình<br /> toán động lực học máy lái điện-khí nén PG-27 ứng dụng tên lửa đối hải dưới âm 3M-<br /> 24E (Uran-E)”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CNQS, Số 14 (2008).<br /> <br /> ABSTRACT<br /> STUDY SYNTHESIS DESIGN ELECTRONIC CONTROLLER FOR DRIVING<br /> ENGINE IN SHIP MISSLE KH-35E OPERATES IN TRACKING MODE<br /> <br /> This section deals with the synthesis method to design the electrical control<br /> system for the driving unit in ship missile KH-35E using PID controller .Using<br /> digital analysis for its mathematical dynamics model and analyzing its<br /> characteristics of step response, three term-controls: the proportional, the<br /> integral and derivative values will be determined. Once the electrical control<br /> system has been designed, fabricated and used, we can improve the quality of this<br /> system corresponding to the signal control, for example: increase the sensitivity,<br /> the stability and decrease the overshoot.<br /> <br /> Keywords: PID controller, Missile KH-35, PG-27 driving unit.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Nhận bài ngày 19 tháng 01 năm 2015<br /> Hoàn thiện ngày 05 tháng 6 năm 2015<br /> Chấp nhận đăng ngày 12 tháng 06 năm 2015<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Địa chỉ: 1Trung tâm Công nghệ Cơ khí chính xác - Viện KH&CNQS;<br /> *<br /> Email: lethactai@gmail.com;<br /> 2<br /> Cục Kỹ thuật- Quân chủng PK-KQ.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 37, 06 - 2015 67<br />