Nâng cao khả năng tự động chuẩn đoán và khôi phục trạng thái làm việc của khối truyền cảm tốc độ góc trên máy bay tiêm kích đa năng

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 31, 06 - 2014 23 NÂNG CAO KHả NĂNG Tự Động chuẩn đoán và khôI phục trạng tháI làm việc của khối truyền cảm tốc độ góc trên máy bay tiêm kích đa năng bùi xuân khoa, đỗ quốc tuấn Tóm tắt: Bài báo đề xuất phương án cải tiến cấu trúc của khối truyền cảm tốc độ góc trên máy bay tiêm kích đa năng nhằm mục đích nâng cao khả năng chẩn đoán hỏng hóc và thiết lập cơ chế tự động khôi phục trạng thái làm việc. Trên cơ sở phân tích khối truyền cảm tốc độ góc, xây dựng được mối liên kết thông tin giữa các tham số đầu ra của các truyền cảm. Cải tiến khối truyền cảm tốc độ góc, đánh giá khả năng chẩn đoán và tự động khôi phục trạng thái làm việc khối truyền cảm tốc độ góc theo phương án cải tiến trong thời gian thực. Từ khóa: Hệ điều khiển, Kỹ thuật máy bay, Truyền cảm tốc độ góc, Tự động chuẩn đoán. 1. TổNG QUAN KhốI TRUYềN CảM TốC Độ GóC TRONG Hệ THốNG ĐIềU KHIểN Tự Động máy bay Truyền cảm tốc độ góc trên máy bay là thành phần quan trọng và không thể thiếu, có nhiệm vụ cung cấp thông tin về tốc độ góc theo ba trục của hệ tọa độ liên kết phục vụ các quá trình điều khiển và ổn định trạng thái máy bay. Độ chính xác của các truyền cảm thông tin này có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng điều khiển, bởi vì đây là thành phần chống rung trong các mạch vòng điều khiển vị trí góc của máy bay [1]. Các tín hiệu được truyền cảm này cung cấp đóng vai trò là tín hiệu liên hệ ngược và là thành phần tín hiệu quan trọng trong việc xây dựng hệ thống tự động điều khiển. Vị trí của khối truyền cảm tốc độ góc trong hệ thống điều khiển tự động máy bay được thể hiện trên hình 1. Trên hình 1, máy bay là đối tượng điều khiển, thể hiện mối liên hệ giữa tác động đầu vào là góc lệch cánh lái và các thông số đầu ra là các tham số điều khiển như tốc độ góc, các vị trí góc, góc nghiêng, góc chúc ngóc, góc lệch hướng, góc tấn. Máy tính tổng hợp tín hiệu điều khiển có chức năng tổng hợp các tín hiệu điều khiển theo luật điều khiển nhất định để đảm bảo chất lượng tốt nhất cho quá trình điều khiển của chế độ bay cụ thể. Cơ cấu trợ dẫn các cánh lái là cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ nhận các tín hiệu điều khiển, xử lý và làm lệch các cánh lái, khi đó, dưới tác động của các lực và mô men khí động sẽ làm thay đổi trạng thái của máy bay; các truyền cảm tốc độ góc và vị trí góc có nhiệm vụ cảm nhận các tham số điều khiển và cung cấp thông tin cho máy tính để tổng hợp luật điều khiển. Như vậy, truyền cảm tốc độ góc nằm trong thành phần của hệ thống điều khiển tự Máy bay Truyền cảm tốc độ góc Truyền cảm vị trí góc Máy tính tổng hợp tín hiệu điều khiển Cơ cấu điều khiển các cánh lái Tham số tốc độ góc Tham số góc Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tự động máy bay. Tên lửa & Thiết bị bay B. X. Khoa, Đ. Q. Tuấn, “Nâng cao khả năng tự động máy bay tiêm kích đa năng.” 24 động máy bay, vị trí của nó trong luật điều khiển khẳng định tầm quan trọng trong việc nâng cao chất lượng điều khiển. Trong quá trình khai thác máy bay tiêm kích đa năng, nhận thấy rằng trong hệ thống điều khiển có tất cả 10 truyền cảm tốc độ góc được sử dụng và bố trí theo ba trục của hệ tọa độ liên kết như hình 2. Trên hình 2, hệ tọa độ OX1Y1Z1 là hệ tọa độ liên kết của máy bay; TС là truyền cảm tốc độ góc. Trên sơ đồ cho thấy việc bố trí truyền cảm trên 3 trục: trên mỗi trục OX1 và OY1 được bố trí 3 truyền cảm để đo tốc độ góc nghiêng x và tốc độ góc hướng y tương ứng; trên trục OZ1 được bố trí 4 truyền cảm để đo tốc độ góc chúc ngóc z . Việc bố trí 4 truyền cảm trên trục OZ1 có tác dụng làm tăng cấp độ dự phòng lên bội 4 riêng cho kênh chúc ngóc, các kênh còn lại có dự phòng bội 3. Với việc bố trí dự phòng bội 3 và 4, như vậy, nó cho phép nâng cao khả năng kiểm soát thông tin, tăng độ chính xác thông tin đưa ra theo mỗi trục. Khả năng kiểm soát thông tin trên một trục được xây dựng trên cơ sở so sánh các giá trị đầu ra của mỗi truyền cảm trên nó. Việc nâng cao độ tin cậy và chính xác được thực hiện dựa trên phương pháp so sánh đánh giá loại bỏ truyền cảm không chính xác hoặc chia trung bình 3 giá trị đầu ra để làm giảm bớt sai số thông số tốc độ góc đo được theo trục đó. Theo sơ đồ hình 2 cho thấy phương án dự phòng theo cấu trúc này, các luồng thông tin của ba trục đưa ra là độc lập, chưa có mối liên hệ với nhau. Chính vì vậy, bài báo sẽ đề xuất phương án cải tiến cấu trúc dựa trên mối liên hệ giữa các véc tơ tốc độ góc. Từ đó, xây dựng mối liên hệ giữa các luồng thông tin nhận được theo 3 trục, cho phép tăng khả năng kiểm soát, nâng cao độ chính xác trong việc đưa ra kết luận hỏng hóc hoặc sai số, trên cơ sở đó thực hiện các thuật toán khắc phục sai số đối với các sai số khắc phục được hoặc loại bỏ truyền cảm bị hỏng không có khả năng khôi phục khả năng làm việc. 2. PHƯƠNG áN CảI TIếN CấU TRúC KhốI TRUYềN CảM TốC Độ GóC Cơ sở để cải tiến truyền cảm tốc độ góc với chức năng là phần tử đo của hệ thống, có nhiệm vụ cảm nhận tốc độ góc theo trục nhạy cảm và đưa ra thông tin dưới dạng điện áp. Dưới góc độ mô hình toán ta có thể hiểu như sau: Giả sử trục OX1 cần phải cảm nhận là x , và trục nhạy cảm của truyền cảm đặt chính xác trùng với trục OX1, khi đó, truyền cảm X1 O Y1 Z1 TСX1 TСX2 TСX3 TСY3 TCY1 TCY2 TСZ1 TСZ2 TСZ3 TСZ4 Hình 2. Sơ đồ bố trí các truyền cảm tốc độ góc trên máy bay tiêm kích đa năng theo ba trục của hệ tọa độ liên kết. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 31, 06 - 2014 25 tốc độ góc sẽ cảm nhận x và đưa ra dưới dạng điện áp xU ~ . Như vậy, ta có mô hình toán đơn giản của truyền cảm theo trục này là xX kU 0 ~  , trong đó, 0k là hệ số tỷ lệ. Trong trường hợp trục nhạy cảm không trùng với hướng của véc tơ tốc độ góc (hình 3b), giả sử trục nhạy cảm song song với trục OX’ (trục OX’ tạo với trục OX1 một góc α) khi này giá trị điện áp đầu ra của truyền cảm sẽ được tính theo biểu thức  cos ~ 0' XX kU  . Với phương pháp phân tích trên, khi truyền cảm đặt trên máy bay có các góc tương ứng so với 3 trục OX1; OY1; OZ1 của hệ tọa độ liên kết máy bay lần lượt là α, β, γ. Khi đó, giá trị điện áp đầu ra của truyền cảm sẽ bằng tổng giá trị tốc độ góc thành phần cảm nhận được theo 3 trục, nghĩa là:   coscoscos~ 00 ZYXkU  (1) Nếu trục nhạy cảm của truyền cảm lệch so với 3 trục của hệ tọa độ của hệ tọa độ liên kết theo các góc bằng nhau khi đó biểu thức (1) sẽ có dạng:  ZYXkU   3 1~ 00 (2) Trong hệ thống điều khiển thiết bị bay, các truyền cảm tốc độ góc thường được chọn cùng một loại, do đó, ta có thể coi các hệ số tỷ lệ của chúng là như nhau. Khi đó, với phương án bố trí như trong cấu trúc hình 2 ta có bộ các tín hiệu đầu ra của truyền cảm như sau: Theo trục OX1: ; ~ ; ~ ; ~ 030201 XXXXXX kUkUkU   (3) Theo trục OY1: ; ~ ; ~ ; ~ 030201 YYYYYY kUkUkU   (4) Theo trục OZ1: ZZZZZZZZ kUkUkUkU  0403020'1 ~ ; ~ ; ~ ; ~  . (5) Từ các biểu thức (3), (4) và (5) ta thấy với phương án lắp dự phòng trong cấu trúc cũ chỉ cho phép thiết lập thuật toán kiểm tra đơn giản như so sánh các giá trị đầu ra của các Hình 3. Sơ đồ bố trí các truyền cảm tốc độ góc trên máy bay tiêm kích đa năng theo các phương án cải tiến. Z1 X1 O Y1 TСX1 TСX2 TСX3 TСY2 TСY1 TСZ1 TСZ2 TСZ3 TС01 O’ TС02 X1 O Y1 TСX1 TСX2 TСX3 TСY3 TСY1 TСY2 TСZ1 TСZ2 TСZ3 TС0 O’ Z1 a) b) Tên lửa & Thiết bị bay B. X. Khoa, Đ. Q. Tuấn, “Nâng cao khả năng tự động máy bay tiêm kích đa năng.” 26 truyền cảm trên mỗi trục, từ đó đánh giá sai số để hiệu chỉnh hoặc chia trung bình nhằm giảm bớt sai số của thông số đo được theo trục đó hoặc có thể loại bỏ truyền cảm hỏng tùy theo kết quả đánh giá hỏng hóc. Tuy nhiên, nếu trong hệ thống có tới 2 truyền cảm bị hỏng cùng nằm trên một trục thì phương pháp đánh giá hay loại trừ trên sẽ không phù hợp, khi đó phương án chia trung bình cũng không đảm bảo độ chính xác. Để giải quyết vấn đề này từ việc phân tích và kết hợp các mối liên hệ trong biểu thức (2),(3),(4) và (5) cho phép xây dựng cấu trúc mới cho khối truyền cảm tốc độ góc trên máy bay tiêm kích đa năng với các cách bố trí như trên hình 3. Với cách bố trí mới như hình 3a ta có các biểu thức sau: Theo trục OX1 (nhóm X): ; ~ ; ~ ; ~ 030201 XXXXXX kUkUkU   (6) Theo trục OY1 (nhóm Y): ; ~ ; ~ ; ~ 030201 YYYYYY kUkUkU   (7) Theo trục OZ1 (nhóm Z): ; ~ ; ~ ; ~ 030201 ZZZZZZ kUkUkU   (8) Theo trục OO’ (nhóm O):  . 3 1~ 00 ZYXkU   (9) Từ biểu thức (6), (7), (8), (9) ta cú cỏc mối liờn hệ sau:  ;~~~ 3 1~ 0 ZkYjXi UUUU  (10) trong đó, i, j, k nhận các giá trị 1,2,3 tương ứng với các ký hiệu cho điện áp đầu ra của mỗi truyền cảm trong các nhóm X, Y, Z. Như vậy, từ biểu thức liên hệ chung (10) ta có 27 mối liên hệ giữa các điện áp đầu ra của mỗi truyền cảm trong mỗi nhóm theo các chỉ số i,j,k. Với cách bố trí hình 3b ta có các biểu thức và sơ đồ chức năng của khối TС như sau: Theo trục OX1 (nhóm X): ; ~ ; ~ ; ~ 030201 XXXXXX kUkUkU   (11) Theo trục OY1 (nhóm Y): ;; ~ ; ~ 0201 YYYY kUkU   (12) Theo trục OZ1 (nhóm Z): ; ~ ; ~ ; ~ 030201 ZZZZZZ kUkUkU   (13) Theo trục OO’(nhóm O):    . 3 1~ ; 3 1~ 002001 ZYXZYX kUkU   (14) Từ các biểu thức (11), (12), (13) và (14) ta có các mối liên hệ sau:    ;~~~ 3 1~ ; ~~~ 3 1~ 0201 ZkYjXiZkYjXi UUUUUUUU  (15) Từ biểu thức liên hệ chung (15) ta có 36 mối liên hệ giữa các điện áp đầu ra của mỗi truyền cảm trong mỗi nhóm theo các chỉ số i, j, k. Như vậy, có 2 phương án cải tiến cấu trúc khối truyền cảm tốc độ góc trên máy bay tiêm kích đa năng (hình 3a và 3b) bằng cách dùng 1 hoặc 2 truyền cảm bố trí theo trục OO’ có trục nhạy cảm trùng với đường chéo của hình lập phương (độ dài cạnh bất kỳ có đỉnh là gốc O và 3 cạnh chung đỉnh trùng gốc O nằm trùng với 3 trục của hệ tọa độ liên kết máy bay OX1Y1Z1). Nhận thấy rằng tổng số lượng truyền cảm sử dụng trên máy bay vẫn không thay đổi nhưng làm xuất hiện các mối Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 31, 06 - 2014 27 liên hệ thông tin giữa các tín hiệu đầu ra của các truyền cảm (suy ra từ biểu thức (9) hoặc (15)). Điều này cho phép mở rộng khả năng kiểm soát thông tin của khối truyền cảm tốc độ góc cấp cho hệ thống điều khiển máy bay, cũng như đánh giá trạng thái của các truyền cảm chính xác hơn, phù hợp với các tiêu chuẩn đánh giá trong lý thuyết chẩn đoán [2], nghĩa là lượng thông tin nhận được từ đối tượng chẩn đoán càng nhiều thì độ tin cậy và khả năng chẩn đoán có độ chính xác càng cao. Nói cách khác việc cải tiến cấu trúc cho phép nâng cao chất lượng làm việc của khối các truyền cảm tốc độ góc nằm trong hệ thống điều khiển máy bay. 3. đánh giá khả năng tự động chẩn đoán và khôI phục trạng tháI làm việc khối truyền cảm tốc độ góc theo phương án cảI tiến Để đánh giá được khả năng tự động chẩn đoán và khôi phục trạng thái làm việc khối truyền cảm tốc độ góc theo phương án cải tiến mới ta sẽ đi phân tích so sánh các phương án được xây dựng theo cấu trúc cũ và cấu trúc mới với nhau trên cơ sở phương pháp phân tích hệ thống [3]. Với 2 phương án cải tiến, nhận thấy phương án cải tiến theo sơ đồ trên hình 3b có số lượng các biểu thức liên hệ giữa các truyền cảm (36 mối liên hệ) nhiều hơn so với cấu trúc trên hình 3a (27 mối liên hệ), nghĩa là lượng thông tin để thiết lập thuật toán chẩn đoán với cấu trúc 3b phong phú hơn và cho phép mở rộng khả năng chẩn đoán. Thật vậy, với phương Hình 4. Sơ đồ chức năng của khối truyền cảm tốc độ góc theo phương án cải tiến (hình 3b). TСX1 TСX2 TСX3 TСY1 TСY2 TСZ1 TСZ2 TСZ3 TС01 Bộ phân tích so sánh; hiệu chỉnh; chia trung bình Loại bỏ phần tử hỏng; hiệu chỉnh sai số; đưa ra giá trị trung bình của tốc độ góc theo trục OX1 Bộ phân tích so sánh; chia trung bình Cho phép xác định có hỏng Bộ phân tích so sánh; hiệu chỉnh; chia trung bình Loại bỏ phần tử hỏng; hiệu chỉnh sai số; đưa ra giá trị trung bình của tốc độ góc theo trục OZ1 1 ~ XU Bộ phân tích so sánh dựa trên cac mối liên hệ theo biểu thức(15) Đánh giá sai số tính toán giá trị hiệu chỉnh Đánh giá hỏng hóc; đưa ra quyết định loại bỏ phần tử hỏng TС02 2 ~ XU 3 ~ XU 1 ~ YU 2 ~ YU 1 ~ ZU 2 ~ ZU 3 ~ ZU 01 ~ U 02 ~ U Tên lửa & Thiết bị bay B. X. Khoa, Đ. Q. Tuấn, “Nâng cao khả năng tự động máy bay tiêm kích đa năng.” 28 án cải tiến 3b, hai truyền cảm nằm trên trục OO’ đóng vai trò là phần tử liên kết cho 3 nhóm (X, Y, Z), từ đó, cho phép kiểm soát thông tin theo tín hiệu đầu ra từ các truyền cảm và cũng là phần tử tham gia trực tiếp vào quá trình chẩn đoán và khôi phục khả năng làm việc sau này. Cấu trúc 3b có tính ưu việt hơn cấu trúc 3a ở khả năng phát hiện ngay sự cố trong nhóm O, như vậy, làm tăng độ chính xác và rút ngắn quá trình thực hiện thuật toán cho toàn khối. Bảng 1. Bảng phân tích các khả năng đảm bảo có thể theo mỗi cấu trúc bố trí truyền cảm. Dạng hỏng hóc hoặc sai số Khả năng có thể đảm bảo S ố lư ợn g tr u yề n c ảm có s ự c ố tr on g m ỗi n h óm Cấu trúc cũ Cấu trúc mới (3a) Cấu trúc mới (3b) T rô i kh ôn g Xác định có sự sai lệch trong nhóm 1 + + + Xác định có sự sai lệch trong nhóm ≥2 + + + Xác định được vị trí truyền cảm hỏng (sai lệch) 1 + + + Xác định được vị trí truyền cảm hỏng (sai lệch) ≥2 - + + Xác định được dạng sai lệch 1 + + + Xác định được dạng sai lệch ≥2 - + + Hiệu chỉnh được sai số trong truyền cảm bị sai lệch 1 + + + Hiệu chỉnh được sai số trong truyền cảm bị sai lệch ≥2 - + + Đánh gi áđược tính chính xác thông tin đầu ra của khối - + + Đánh gi áđược tính chính xác thông tin đầu ra của khối 1 (OO’) - - + T ha y đổ i h ệ số k hu ếc h đạ i Xác định có sự sai lệch trong nhóm 1 + + + Xác định có sự sai lệch trong nhóm ≥2 + + + Xác định được vị trí truyền cảm hỏng (sai lệch) 1 + + + Xác định được vị trí truyền cảm hỏng (sai lệch) ≥2 - + + Xác định được dạng sai lệch 1 + + + Xác định được dạng sai lệch ≥2 - + + Hiệu chỉnh được sai số trong truyền cảm bị sai lệch 1 + + + Hiệu chỉnh được sai số trong truyền cảm bị sai lệch ≥2 - + + Đánh gi áđược tính chính xác thông tin đầu ra của khối - + + Đánh gi áđược tính chính xác thông tin đầu ra của khối 1(OO’) - - + Từ việc phân tích tổng hợp trên cơ sở các biểu thức (6)  (15) với sơ đồ khối chức năng ta thiết lập được bảng đánh giá khả năng đảm bảo theo mỗi cấu trúc bố trí truyền cảm (bảng 1). Trong bảng 1, dấu “+” biểu thị cho khả năng thực hiện được, còn dấu “-” biểu thị không có khả năng thực hiện được trong trường hợp đó; 1(OO’) - trường hợp có 1 truyền cảm trên trục OO’ bị hỏng. Từ bảng 1 cho ta thấy tính vượt trội của phương án cải tiến 3b, nó cho phép xác định truyền cảm có sự cố được chính xác hơn, ngoài ra còn cho phép xác định được trạng thái của hệ thống khi có nhiều truyền cảm bị sự cố, xác định được vị trí, dạng sai lệch, hiệu chỉnh sai số. Mặt khác các quá trình thiết lập các mối liên hệ, phân tích và đánh giá đều trên cơ sở các tín hiệu nhận được từ các truyền cảm nên các quá trình đó đều có thể xây dựng ở cơ chế tự động. Nghĩa là trên cơ sở các mối liên hệ tín hiệu, quá trình so sánh phân tích xảy ra liên tục, khi có sự sai lệch hay hỏng hóc thì các đẳng thức xây dựng trên cơ sở các mối liên hệ đó bị phá vỡ, cho phép tự động thiết lập các tín hiệu báo có sự cố, và tiến hành đánh giá về vị trí, dạng sai số hoặc hỏng hóc, từ kết quả đánh giá cho phép khôi phục khả năng làm việc của khối nhờ hiệu chỉnh sai số hoặc ngắt truyền cảm bị hỏng. Như vậy, với phương án cải tiến cấu trúc hình 3b đã tạo cơ sở cho phát triển xây dựng các thuật toán chẩn đoán và thuật toán khôi phục khả năng làm việc cho khối truyền cảm Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 31, 06 - 2014 29 tốc độ góc trên cơ sở áp dụng lý thuyết chẩn đoán kỹ thuật (hình 4). Nghĩa là làm tăng chất lượng cung cấp thông tin của khối hay cũng là tăng chất lượng hệ thống điều khiển với đặc tính tự động chẩn đoán và khôi phục khả năng làm việc của khối truyền cảm. 4. KếT LUậN Trên cơ sở cấu trúc cải tiến, bài báo đã cung cấp cách nhìn mới trong việc sử dụng yếu tố dự phòng, cụ thể là các phần tử truyền cảm thông tin cung cấp các tham số dạng véc tơ, làm nổi bật lên vai trò của mối liên hệ chéo giữa các tham số đầu ra trong mỗi nhóm truyền cảm theo từng trục với nhau. Kết quả phân tích đã chứng minh được tính hiệu quả trong việc sử dụng các phần tử dự phòng thông tin theo phương án cải tiến hình 3b, không làm thay đổi số lượng truyền cảm trong tổng thể nhưng cho phép làm tăng khả năng chẩn đoán sai số hỏng hóc từ việc xác định có sự cố (hỏng hóc hoặc sai số) đến xác định vị trí của truyền cảm có sự cố đến dạng sự cố và khả năng tự động khắc phục sai số trong thời gian thực, điều này có ý nghĩa lớn trong quá trình khai thác sử dụng cũng như trong quá trình khai thác bảo dưỡng sửa chữa với việc tự động phát hiện hỏng hóc không thể khắc phục và cho phép thay thế nhanh, đáp ứng được yêu cầu nhanh, chính xác trong việc chuẩn bị sẵn sàng chiến đấu. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Боднер В.А. “Системы управления летательными аппаратами”, Маш., 1973, 506c. [2]. Пархоменко П.П. “Основы технической диагностики”, Энергия, 1976, 464с. [3]. Дитрих Я. “Проектирование и контсруирование: Сис. подход”, Мир, 1981, 456с. ABSTRACT ENHANCE THE DIAGNOSIS ABILITY AND AUTO RESTORATION WORK STATUS OF CORNER-SPEED SENSOR BLOCKS IN MULTIFIGHTER On the basis of proposed improvements inspiring corner-speed blocks for versatile fighter, the article points out a new perspective in the use of redundant elements, enabling increased productivity throughly check the status arts, increased diagnostic capabilities and restore working state when the error, which increases the accuracy of information or quality is increased aircraft control systems. Keywords: Control system, aircraft technique, Inspiring corner speed, Diagnosis ability. Nhận ngày 19 tháng 02 năm 2014 Hoàn thiện ngày 20 tháng 04 năm 2014 Chấp nhận đăng ngày 15 tháng 05 năm 2014 Địa chỉ: Học viện Phòng không - Không quân.