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

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 37, 06 - 2015 61 NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ THỬ NGHIỆM MÁY LÁI PG – 27 CỦA TÊN LỬA ĐỐI HẠM KH 35-E HOẠT ĐỘNG Ở CHẾ ĐỘ BÁM Phan Quang Tuấn1, Lê Thạc Tài1*, Lê Văn Dũng1, Phạm Ngọc Nguyên1, Lê Huy Hiệu2 Tóm tắt: Trong bài này đưa ra phương pháp tổng hợp thiết kế bộ điều khiển điện tử với thuật toán điều khiển ổn định PID thử nghiệm máy lái PG-27 tên lửa đối hạm Kh – 35E. Các hệ số tỷ lệ, tích phân, vi phân của thuật toán được xác định trên cơ sở phân tích các thông số của quá trình quá độ đáp ứng tín hiệu điều khiển hàm bậc thang nhận được bằng phương pháp tích phân số mô hình toán động lực học của máy lái. Thiết bị điều khiển điện tử thử nghiệm máy lái đã được thiết kế, chế tạo đưa vào sử dụng giúp nâng cao chất lượng chấp hành tín hiệu điều khiển của máy lái, như tăng tác động nhanh, độ ổn định và giảm độ quá chỉnh của quá trình quá độ đáp ứng tín hiệu điều khiển. Từ khóa: Thuật toán điều khiển PID, Máy lái PG-27, Tên lửa đối hạm Kh35-E. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Tín hiệu điều khiển từ máy tính trên khoang tên lửa đối hạm KH-35E đưa đến đầu vào thiết bị điều khiển máy lái để điều khiển lật cánh lái nhằm tạo ra véc-tơ lực khí động pháp tuyến lái tên lửa bay theo quỹ đạo tính toán đến mục tiêu cần tiêu diệt là tín hiệu điện công suất nhỏ với giá trị điện áp và dòng điện được chuẩn hóa để tương thích với các thông số đầu ra của các thiết bị máy tính và các thiết bị đo lường: ( ) 5 maxdkv U t VDC  , ax( ) (10 20 )dkv mi t mA mA   . Để điều khiển quay vòi phun của bộ khuếch đại khí nén trong SERVOVALVE máy lái thì tín hiệu điện điều khiển đầu vào sau khi được xử lý bằng các thuật toán cần thiết nhằm đảm bảo chất lượng chấp hành điều khiển theo yêu cầu đặt ra phải được khuếch đại tuyến tính công suất với giá trị điện áp và dòng điện lên đến ax( ) 15dkr mU t VDC  , ax( ) 100dkr mi t mA [1,2]. Trong [2] đã đã đưa ra kết quả nghiên cứu tạo ra thiết bị điều khiển giả định máy lái PG-27 tên lửa đối hạm KH-35E sử dụng thuật toán ổn định PID. Trong bài này, các tác giả trình bày phương pháp tổng hợp thiết kế và tích hợp chế tạo thiết bị điều khiển điện tử máy lái để tương thích với thiết bị điều khiển điện tử nguyên mẫu máy lái trên tên lửa Kh -35E với các hệ số của thuật toán điều khiển ổn định PID được điều chỉnh trong dải rộng cho từng máy lái riêng biệt trong phòng thí nghiệm để đạt được quá trình đáp ứng quá độ của máy lái tốt nhất. . 2. NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT 2.1. Phương pháo tổng hợp thiết kế thiết bị điều khiển điện tử máy lái tên lửa đối hạm KH-35E Ta biết rằng trong kỹ thuật công nghiệp cũng như trong các vũ khí, khí tài quân sự, căn cứ các đặc tính động lực học cụ thể của đối tượng điều khiển thông qua mô tả mô hình toán động lực học của chúng, thường được sử dụng các bộ điều khiển điện tử sau: 1- Bộ điều khiển PID (P – tỉ lệ, I – tích phân, D – vi phân) 2- Bộ điều khiển tối ưu modul 3- Bộ điều khiển bù 4- Bộ điều khiển tách kênh cho hệ thống nhiều đầu vào, đầu ra 5- Bộ điều khiển quan sát trạng thái Kỹ thuật điều khiển & Điện tử P.Q.Tuấn, L.T.Tài, L.V.Dũng ,, “Nghiên cứu tổng hợp hoạt động ở chế độ bám.” 62 Trong số các bộ điều khiển nói trên, trong trường hợp nếu các yêu cầu đặt ra đối với đối tượng điều khiển là quá trình đáp ứng quá độ chấp hành tín hiệu điều khiển hàm bậc thang có dạng hình chữ S ổn định, không có quá chỉnh và thời gian trễ T1 nhỏ so với hằng số thời gian T2 (hình 1) thì sử dụng bộ điều khiển PID để nâng cao chất lượng chấp hành điều khiển của máy lái là đơn giản và thuận tiện hơn cả. Hình 1. Dạng hình chữ S quá trình quá độ đáp ứng tín hiệu điều khiển hàm bậc thang của đối tượng điều khiển. Sơ đồ khối điều khiển của bộ điều khiển PID được mô tả trên hình 2: Kp Ti Td e(t) Udkr(t),idkr(t) Udkr(t),idkr(t)e(t) PID Udkv(t) y(t) UFH(t) §èi t­îng ®iÒu khiÓn Bé chuyÓn ®æi tÝn hiÖu a. Bộ điều khiển PID b) Sơ đồ hệ thống có sử dụng bộ điều khiển PID Hình 2. Sơ đồ khối bộ điều khiển PID và hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID. Bộ điều khiển PID tổ hợp ba thành phần cơ bản: khuếch đại tỷ lệ (P) với hệ số khuếch đại Kp, tích phân (I) với hằng số thời gian Ti và vi phân (D) với hằng số thời gian Td (hình 2). Bộ điều khiển PID có nhiệm vụ đưa tín hiệu sai lệch e(t)= ( )dkv tU - ( )FHU t của hệ thống về “0 ” sao cho quá trình quá độ y(t) thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng: - Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần ( )FHU t , bộ điều khiển PID cho ra tín hiệu điều chỉnh ( )U t dkr càng lớn (vai trò của khuếch đại Kp). - Nếu sai lệch e(t) chưa bằng “0” thì thông qua ( )IU t (thành phần tích phân) sẽ giúp cho bộ điều khiển PID đưa ra tín hiệu điều chỉnh ổn lập. - Nếu tốc độ thay đổi của tín hiệu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua ( )DU t (thành phần vi phân) bộ điều khiển PID cho ra phản ứng của ( )U t dkr càng nhanh . Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình toán học vào – ra như sau: 1 ( ( )) ( ) ( ) ( )dkr p D I d e t U t K e t e t dt T T dt          T1 T2 y(t) U dkv (t) U dkv 0 0 y y 8 t Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 37, 06 - 2015 63 Từ mô hình toán học vào – ra ta có hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID: 1 ( ) (1 )p D I R s K T s T s    Chất lượng điều khiển của hệ thống phụ thuộc vào các tham số pK , ,I DT T . Muốn hệ thống có được chất lượng điều khiển như mong muốn thì phải phân tích đối tượng điều khiển thông qua việc phân tích hàm quá độ chấp hành tín hiệu điều khiển y(t) theo các yêu cầu đặt ra, trên cơ sở đó tính toán xác định tham số pK , ,I DT T cho bộ điều khiển PID. Trong thực tiễn có hai phương pháp cơ bản sau: - Phương pháp sử dụng mô hình xấp xỉ quán tính bậc n của đối tượng điều khiển có hàm quá độ chấp hành tín hiệu điều khiển hàm bậc thang 1(t) dạng hình chữ S thỏa mãn điều kiện T2/T1>3 (xem Hình 1). Phương pháp này gọi là phương pháp Chien – Hrones – Reswick. - Phương pháp xác định các tham số điều khiển theo tổng hằng số thời gian quán tính T=T1+T2 (Phương pháp Kuhn). Trong hai phương pháp nêu trên, sử dụng phương pháp Chien – Hornes – Reswick để tổng hợp thiết kế bộ điều khiển PID cho máy lái tên lửa Kh-35E là phù hợp hơn cả do hàm quá độ chấp hành tín hiệu điều khiển y(t) của máy lái nhận được trên cơ sở tích phân số mô hình toán động lực học của nó có dạng chữ S ổn định, không có quá chỉnh dạng chữ S thỏa mãn điều kiện T2/T1>3 [2]. TT Yêu cầu chất lượng Bộ điều khiển P Bộ điều khiển PI Bộ điều khiển PID pK pK IT pK IT DT 1 Tối ưu giảm tối đa ảnh hưởng của nhiễu và hệ kín không có quá chỉnh ∆ ax 0my  2 1 3 10 . T T k 2 1 6 10 . T T k 14T 2 1 19 20 . T T k 16T 5 121T 50 2 Tối ưu giảm tối đa ảnh hưởng của nhiễu và hệ kín không có quá chỉnh ∆ ax 0.2my y lim ( ) t y y t   2 1 7 10 . T T k 2 1 7 10 . T T k 123T 10 2 1 6 5 . T T k 12T 221T 50 3 Tối ưu giảm tối đa sai số lệch bám và ∆ ax 0my  2 1 3 10 . T T k 2 1 7 10 . T T k 26T 5 2 1 3 5 . T T k 2T 2 2 T 4 Tối ưu giảm tối đa sai số lệch bám và ∆ ax 0.2my y lim ( ) t y y t   2 1 7 10 . T T k 2 1 6 10 . T T k 2T 2 1 19 20 . T T k 227T 20 147T 100 Từ dạng hàm quá độ y(t) của đối tượng với hai tham số T1, T2 được thỏa mãn, Chien – Hornes – Reswick đã đưa ra bốn cách xác định các tham số bộ điều khiển cho bốn yêu cầu chất lượng khác nhau như bảng trên: Kỹ thuật điều khiển & Điện tử P.Q.Tuấn, L.T.Tài, L.V.Dũng ,, “Nghiên cứu tổng hợp hoạt động ở chế độ bám.” 64 Trong bảng trên, k – hệ số khuếch đại, k = max dkvmax y U (m/v); (ở đây: maxy - hành trình tối đa của piston, dkvmaxU - điện áp tối đa tín hiệu điều khiển đầu vào máy lái ). Đối với máy lái PG-27 của tên lửa Kh-35E do chưa biết trước yêu cầu cụ thể của bài toán thiết kế hệ thống, ta tiến hành tổng hợp bộ điều khiển PID có các tham số pK , ,I DT T thay đổi trong dải rộng cho phép trong quá trình hiệu chỉnh thực nghiệm thỏa mãn các yêu cầu chất lượng đặt ra ở trên. Với mục đích đó, ta chọn dải thay đổi các tham số để chế tạo thiết bị điều khiển PID cho máy lái như sau: pK = 2 1 3 5 . T T k .. 2 1 6 5 . T T k , IK = 12T 227T 20 , DK = 121T 50 2 2 T Đối với máy lái điện - khí của tên lửa đối hạm Kh-35E, phân tích hàm quá độ chấp hành tín hiệu điều khiển nhận được trên cơ sở tích phân số mô hình toán động lực học của máy lái ta xác định được các tham số cụ thể như sau [2]: 1 2 16 0,02 , 0,12 , 3.2 5 mm mm T s T s k V V     và dải hiệu chỉnh các tham số của bộ điều khiển PID: p I D V K = (1.125...22.5) , T = (0.04...1.62)s, T = (0.008...0.61) s mm . 2.2. Kết quả tích hợp chế tạo và thử nghiệm thiết bị điều khiển điện tử Căn cứ giá trị các tham số pK , ,I DT T đã được xác định các tác giả đã nghiên cứu tích hợp thiết kế chế tạo thiết bị điều khiển điện tử cho máy lái trong đó có sử dụng thuật toán điều khiển PID. Trên các hình 3 đưa ra sơ đồ nguyên lý bị điều khiển máy lái. Mạch chuyển kênh điều khiển bằng tay (BT) và mạch điều khiển tự động (TĐ) từ máy tính, từ máy phát tín hiệu chuẩn hoặc từ các thiết bị điều khiển ngoại vi có mức tín hiệu điều khiển chuẩn 5 , (0 20)dkU VDC i mA    . Thiết bị điều khiển sau tổng hợp thiết kế, tích hợp, chế tạo đã được sử dụng để điều khiển máy lái nguyên mẫu PG-27 của tên lửa Kh-35E và các máy lái chế tạo theo mẫu PG-27 bằng công nghệ trong nước nhằm nâng cao chất lượng chấp hành tín hiệu điều khiển của chúng. Trên hình 4 đưa ra các quá trình quá độ đáp ứng tín hiệu điều khiển hàm bậc thang nhận được bằng phương pháp tích phân số mô hình toán động lực học máy lái tên lửa Kh-35E[2] cho các trường hợp chỉ sử dụng bộ khuếch đại (đường a), sử dụng đầy đủ thuật toán PID (đường b) và kết quả thực nghiệm sử dụng thiết bị điều khiển (đường c). Các hệ số , ,p i DK T T được xác định trên cơ sở sử dụng các giá trị thời gian 1 2,T T nhận được trên đường a hình 4 theo yêu cầu chất lượng: Tối ưu hóa giảm tối đa các ảnh hưởng nhiễu và hệ kín không có quá chỉnh: ax , ( )m t y 0.2y y lim y t     . Trên đường c hình 4 đưa ra quá trình quá độ đáp ứng tín hiệu điều khiển hàm bậc thang của máy lái nhận được bằng thực nghiệm trên máy lái nguyên mẫu PG-27 có sử dụng thiết bị điều khiển điện tử do nhóm tác giả tổng hợp thiết kế, tích hợp chế tạo với các thông số , ,p i DK T T tương ứng ( p i D V K = 1,5 ,T = 0.1s,T = 0.22s mm ). Phân tích, đánh giá so sánh các quá trình quá độ đáp ứng tín hiệu điều khiển của máy lái trên các đường b,c hình 4 ta thấy chúng có dạng tương đồng, sai lệch lớn nhất giữa các giá trị 1 2,T T và pt không quá Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 37, 06 - 2015 65 8% và phương pháp tổng hợp thiết kế thiết bị điều khiển máy lái đã trình bày ở trên là chấp nhận được. Hình 3. Sơ đồ nguyên lý thiết bị điều khiển máy lái. 0 0.025 0.050 0.075 0.100 0.125 0.150 0.175 0.200 0.225 0.250 t,s 1.78 3.56 5.33 7.11 8.89 10.67 12.44 14.22 16.00 y(t),mm 0.56 1.11 1.67 2.22 2.78 3.33 3.89 4.44 5.00 Udkv,V c b a y(t) Hình 4. Các quá trình quá độ đáp ứng tín hiệu điều khiển hàm bậc thang của máy lái (a- p i D V K = 1,5 ,T = 0,T = 0 mm ; b- p i D V K = 1,5 ,T = 0.1s,T = 0.22s mm ; c- quá trình thực nghiệm với p i D V K = 1,5 ,T = 0.1s,T = 0.22s mm ). Kỹ thuật điều khiển & Điện tử P.Q.Tuấn, L.T.Tài, L.V.Dũng ,, “Nghiên cứu tổng hợp hoạt động ở chế độ bám.” 66 Hình 5. Bộ điều khiển trong bàn thí nghiệm máy lái PG-27. Hình 6. Kết quả thí nghiệm: 1- tín hiệu điều khiển 3.5V, 0.5Hz 2- Đáp ứng tín hiệu điều khiển của máy lái PG-27, áp suất khí vào 8at Thời gian quá độ 0.107s 3. KẾT LUẬN Trên cơ sở phân tích quá trình quá độ đáp ứng tín hiệu điều khiển hàm bậc thang nhận được bằng phương pháp tích phân số mô hình toán động lực học của đối tượng điều khiển và vận dụng phương pháp mô hình xấp xỉ quán tính bậc n Chien – Hrones – Reswick các tác giả đã tổng hợp thiết kế và chế tạo thiết bị điều khiển điện tử để thử nghiệm máy lái tên lửa đối hạm PG-27 với thuật toán điều khiển ổn định PID. Các hệ số tỷ lệ, tích phân và vi phân của thuật toán được xác định định lượng trong dải rộng cho phép điều chỉnh bằng thực nghiệm để nhận được quá trình quá độ đáp ứng tín hiệu điều khiển của máy lái với các chỉ tiêu chất lượng tốt nhất về tác động nhanh, độ ổn định và quá chỉnh. Thiết bị điều khiển điện tử máy lái do các tác giả nghiên cứu chế tạo ra có thể thay thế tương đương thiết bị điều khiển nguyên mẫu trên tên lửa kh 35E với các linh kiện điện tử có thể chủ động khai thác trong nước. Ngoài ra, thiết bị điều khiển điện tử này có thể được áp dụng Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 37, 06 - 2015 67 hiệu quả để điều khiển ổn định các hệ thống truyền động bám điện – khí trong lĩnh vực quân sự và công nghiệp khác có cấu trúc động lực học tương tự. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Tài liệu hướng dẫn kỹ thuật khai thác sử dụng phối bộ tên lửa đối hải Kh 35E (bản tiếng Nga) [2]. Báo cáo tổng kết đề tài: “Nghiên cứu, tính toán, thiết kế máy lái tên lửa 3M-24E thuộc tổ hợp tên lửa UARN-E, Viện KHCNQS”, (2008). [3]. Nguyễn Doãn Phước. “Lý thuyết điều khiển tuyến tính”. NXB Khoa học – kỹ thuật, Hà nội 2002. [4]. Tăng Xuân Long, Trần Xuân Diệu, Hồ Xuân Vĩnh, Nguyễn Minh Khôi, “Mô hình toán động lực học máy lái điện-khí nén PG-27 ứng dụng tên lửa đối hải dưới âm 3M- 24E (Uran-E)”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CNQS, Số 14 (2008). ABSTRACT STUDY SYNTHESIS DESIGN ELECTRONIC CONTROLLER FOR DRIVING ENGINE IN SHIP MISSLE KH-35E OPERATES IN TRACKING MODE This section deals with the synthesis method to design the electrical control system for the driving unit in ship missile KH-35E using PID controller .Using digital analysis for its mathematical dynamics model and analyzing its characteristics of step response, three term-controls: the proportional, the integral and derivative values will be determined. Once the electrical control system has been designed, fabricated and used, we can improve the quality of this system corresponding to the signal control, for example: increase the sensitivity, the stability and decrease the overshoot. Keywords: PID controller, Missile KH-35, PG-27 driving unit. Nhận bài ngày 19 tháng 01 năm 2015 Hoàn thiện ngày 05 tháng 6 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 12 tháng 06 năm 2015 Địa chỉ: 1Trung tâm Công nghệ Cơ khí chính xác - Viện KH&CNQS; *Email: lethactai@gmail.com; 2Cục Kỹ thuật- Quân chủng PK-KQ.