Tổng hợp bộ điều khiển trượt đầu cuối tác động nhanh cho đài quan sát cơ động

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử V.Q.Huy, N.Q.Hùng, N.Vũ, “Tổng hợp bộ điều khiển đài quan sát cơ động.” 54 TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT ĐẦU CUỐI TÁC ĐỘNG NHANH CHO ĐÀI QUAN SÁT CƠ ĐỘNG Vũ Quốc Huy1*, Nguyễn Quang Hùng1, Nguyễn Vũ2 Tóm tắt: Bài báo trình bày thuật toán tổng hợp bộ điều khiển cấu trúc biến đổi dựa trên kỹ thuật điều khiển trượt đầu cuối tác động nhanh FTESM-VSC cho đài quan sát cơ động nhằm loại bỏ ảnh hưởng của sự rung lắc và chuyển hướng của phương tiện cơ giới quân sự đến sự ổn định của đường ngắm của đài. Bộ điều khiển đề xuất đảm bảo cho sai lệch bám hội tụ trong thời gian hữu hạn. Sự rung lắc và chuyển hướng của phương tiện được ghi lưu trên một số tuyến đường sau đó nhúng vào Matlab để mô phỏng kiểm chứng, so sánh với bộ điều khiển trượt thích nghi truyền thống cho thấy FTESM-VSC có chất lượng tốt hơn. Từ khóa: Đài quan sát cơ động, Ổn định đường ngắm, VSC, Điều khiển trượt đầu cuối, Tác động nhanh. 1. MỞ ĐẦU Đài quan sát cơ động được hiểu là đài quan sát (ĐQS) có thể di chuyển được trong quá trình tác chiến, là một hệ thống bao gồm một cơ hệ quay/quét [2], [3], [4], [10] giống như một tay máy có 2 khớp quay trên một bệ gắn liền phương tiện chuyển động để quan sát mục tiêu bằng camera và đo cự ly từ ĐQS đến mục tiêu bằng máy đo xa la-de. Muốn ổn định đường ngắm của ĐQS, cần thiết phải tính toán để bù các dao động phát sinh khi phương tiện di chuyển. Chuyển động của phương tiện sẽ làm cho ĐQS bị lắc theo, làm đổi hướng và gây mất đường ngắm đột ngột. Thông thường các thông số về độ lắc ngang, lắc dọc đặc trưng cho dao động được đo lường trực tiếp, sau đó được xử lý, tính toán và đưa ra lượng bù cho hệ điều khiển chuyển động. Đây là phương pháp thường sử dụng đối với các loại vũ khí và các hệ thống bắt bám đặt trên xe bánh lốp. Hệ thống chỉ có duy nhất một hệ truyền động điện làm nhiệm vụ bù rung lắc và bắt bám. Đối với ĐQS cố định trên mặt đất [2], [3], [4], có thể xác định được trực tiếp các tham số chuyển động của mục tiêu (góc MT của mục tiêu). Đối với ĐQS cơ động, hệ thống chỉ xác định được sai số bám sát thông qua công cụ xử lý ảnh động. Có nghĩa, thông qua hình ảnh mục tiêu và góc mở của camera sẽ xác định được sai số bám. Cảm biến góc đo được tọa độ góc DQS của ĐQS trong hệ tọa độ mặt đất và công cụ xử lý ảnh động đo được độ lệch MT DQS     . Bộ điều khiển sẽ tạo tín hiệu điều khiển sao cho 0  . Khi di chuyển, ảnh hưởng của góc hướng và góc nghiêng của sàn xe sẽ làm suy giảm chất lượng bám, thậm chí có thể làm cho hệ thống mất ổn định và mất bám. Sự rung lắc thường có tần số dao động lớn, do đó góc nghiêng của sàn xe cũng thay đổi nhanh. Vấn đề cần quan tâm là hiện tượng ngược pha chuyển động của đường ngắm so với sự thay đổi góc nghiêng và góc hướng. Một cách trực quan có thể thấy rằng để ổn định được đường ngắm ĐQS, nếu bệ đài đi xuống thì đường ngắm của đài phải đi lên; nếu phương tiện chuyển hướng sang phải thì đường ngắm của đài phải chuyển động sang trái và ngược lại. Tuy nhiên, do hệ thống luôn trong quá trình quá độ nên cần có bộ điều khiển phản ứng nhanh với sự rung lắc và chuyển hướng để triệt tiêu sai lệch bám. Một số nghiên cứu, phát triển các hệ thống tổ hợp chiến đấu tích hợp trên phương tiện cơ giới quân sự bánh lốp ở Việt Nam như [4], [6] đã từng bước giải quyết vấn đề tích hợp hỏa lực, phát hiện và bám sát mục tiêu khi phương tiện đứng tại chỗ. Thực tế, trong các nghiên cứu [4], [6] mới chỉ đưa vũ khí lên xe cơ động, chưa bù các tham số rung lắc cho chuyển động quay tầm, hướng. Trong [5] mới chỉ phát triển bộ lọc Kalman mờ để đánh giá độ cân bằng mặt phẳng sàn xe. Một số nước tiên tiến đã nghiên cứu, xây dựng các tổ hợp Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 55 chiến đấu đi kèm với hệ thống quan sát, định vị mục tiêu di động. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu và tích hợp hệ thống ở Việt Nam khó có thể tiếp cận được nguồn tài liệu vì sự công bố không đầy đủ hoặc chỉ đưa ra chỉ tiêu kỹ thuật. Một số nghiên cứu thực hiện trong các nước thứ ba được công bố gần đây như [7-12] cho thấy sự quan tâm về vấn đề nghiên cứu; song việc đánh giá kết quả mới chỉ dừng lại ở việc coi phương tiện chuyển động với quỹ đạo biết trước [10], nhiễu giả định trước [8], [9] hoặc mới đánh giá sự ổn định đường ngắm trên giá thử rung mà chưa xét đến sự chuyển hướng của phương tiện [9], [11]. Những đặc điểm trên cùng với nguồn tài liệu hạn chế cho thấy tính phức tạp của hệ điều khiển bám cho ĐQS cơ động. Đối tượng này cần có luật điều khiển bền vững, tác động nhanh (nhanh hơn sự rung lắc). Các phương pháp điều khiển dựa trên luật PID thực hiện trong [7], [8], [12] sẽ không mang lại chất lượng mong muốn. Một số phương pháp tổng hợp dựa trên nguyên lý trượt [9], [11], [13] cho thấy đây là một lựa chọn phù hợp để tổng hợp hệ điều khiển chất lượng cao. Bài báo trình bày luật điều khiển FTESM-VSC cấu trúc biến đổi ứng dụng kỹ thuật trượt đầu cuối nhanh [13-15] với mặt trượt cải tiến để điều khiển ĐQS cơ động; mô phỏng, so sánh kết quả với trượt mờ thích nghi trong [1] sử dụng dữ liệu góc nghiêng và góc hướng của phương tiện đo trên một số tuyến đường ở Hà Nội. 2. ĐIỀU KHIỂN TRƯỢT ĐẦU CUỐI VỚI MẶT TRƯỢT PHI TUYẾN Trong nhiều bộ điều khiển SMC thông thường, việc sử dụng mặt trượt tuyến tính (còn gọi là mặt trượt cứng) có thể làm cho quỹ đạo pha biến đổi không tốt. Trong một số nghiên cứu như [13-15], mặt trượt phi tuyến (mặt trượt mềm) được sử dụng để làm giảm sai lệch tuyệt đối. Thực tế nếu chọn sai lệch nhỏ thì thời gian quá độ kéo dài, do đó phản ứng của hệ thống và tốc độ bám sẽ không thể nhanh. Muốn tăng tính tác động nhanh phải chọn mặt trượt có độ dốc lớn và biến đổi chậm với sai lệch nhỏ. Kỹ thuật trượt đầu cuối (TSM / FTSM – Fast Terminal Sliding Mode) đã được nhiều học giả đề xuất và ứng dụng vào điều khiển tay máy [13-15], cho thấy luật điều khiển đảm bảo độ dốc mặt trượt lớn, khống chế được phạm vi sai lệch trong thời gian hữu hạn mà không cần đặt điểm cực, có thể rút ngắn được quá trình quá độ và không phải tạo ra những thiết bị bù phức tạp. Xét hệ thống bậc 2 với mặt trượt tuyến tính dạng: 1 2 1 20; ( , ); 0, 0e eS q q diag            (2.1) Sai lệch bám khi hệ thống nằm trên mặt trượt: (0) ; 1, 2i i i t e eq q e i   . Như vậy 0eq  khi t  theo quy luật hàm mũ. Nếu luật điều khiển được thiết kế đảm bảo i i i is s s  , 0i  thì tốc độ tiến đến mặt trượt là sgn( )i i is s  , thời gian tiến đến mặt trượt là (0) /r i it s  . Nếu i càng lớn thì thời gian tiến đến mặt trượt càng ngắn; tuy nhiên tín hiệu điều khiển sẽ thay đổi lớn gây ra hiện tượng rung mạnh. Trong các nghiên cứu [13-15] đã đề xuất mặt trượt phi tuyến: / 0i i i i r i e i es q q    ; *, ; ,i i i ir N r  lẻ; *; ; 1, 2i i ir R i    . (2.2) Khi hệ đã nằm trên mặt trượt, sai lệch 0 ie q  trong khoảng thời gian hữu hạn is t . Thời gian hội tụ về 0 của sai lệch bám hoàn toàn xác định được từ điểm khởi đầu đến điểm kết thúc (trượt đầu cuối - TSM). (0) i i i i i i i i r r i i e i e i r q t q                 ; (0) ( ) i i i i i r i e s i i i q t r        (2.3) Kỹ thuật điều khiển & Điện tử V.Q.Huy, N.Q.Hùng, N.Vũ, “Tổng hợp bộ điều khiển đài quan sát cơ động.” 56 So với SMC truyền thống, TSM làm cho thời gian hội tụ về 0 của sai lệch bám được cải thiện đáng kể mà không cần phải tăng giá trị i , do đó sẽ làm giảm hiện tượng rung. Thực tế thành phần điều khiển bền vững gián đoạn sgn( )i is được thay bởi lượng điều khiển bền vững liên tục /( ) i iri is  sẽ làm giảm hiện tượng rung rất nhiều. Một cải tiến khác của (2.2): / *0;i i i i i r i e i e i e is q q q R        (2.4) Khi đó hệ thống được cải thiện tính tác động nhanh nhờ áp dụng (2.4) và chế độ trượt này được gọi là kỹ thuật trượt đầu cuối nhanh (FTSM). Sự hội tụ hữu hạn được thể hiện trong bổ đề sau [15]. Bổ đề 2.1: Điểm cân bằng 0 ie q  của phương trình vi phân liên tục không Lipschitz (2.2) và (2.4) là điểm ổn định thời gian hữu hạn toàn cục, có nghĩa là với điều kiện đầu 0(0)i ie eq q , trạng thái của hệ hội tụ về 0 trong khoảng thời gian hữu hạn 0( )ieT q và ở lại trên đó mãi mãi. Phương trình (2.2): 0 0( ) ( ) i i i i i r i e e i i i T q q r         ; phương trình (2.4): 0 0( ) ln ( ) i i i i i r i e ii e i i i i q T q r           ; *, ; ,i i i ir N r  lẻ; *; , ; 1, 2i i i ir R i     . 3. TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU KHIỂN TÁC ĐỘNG NHANH CHO ĐQS CƠ ĐỘNG ỨNG DỤNG KỸ THUẬT TRƯỢT ĐẦU CUỐI VỚI MẶT TRƯỢT CẢI TIẾN Xét hệ thống mô tả bởi (3.1) với q là véc-tơ biến khớp; ( )D q là ma trận quán tính, ij 2 2( ) xD d , det( ) 0D  ; ( , )C q q là ma trận coriolis, ij 2 2( ) xC c ; d là véc-tơ nhiễu mô- men, u là véc-tơ điều khiển mô-men. ( ) ( , )D q q C q q q d u     (3.1) 1 1 1( ) ( ) ( , ) ( )q D q u D q C q q q D q d       (3.2) Đặt: 1( ) ( ); ( , ) ( ) ( , ) ; ( )B q D q h q q B q C q q q B q d     (3.3) Viết lại (3.2): ( , ) ( )q h q q B q u      (3.4) Giả thiết 3.1: Cơ hệ quay/quét của ĐQS không bị mất cân bằng động học khi quay quanh tâm của đài. Các tham số quán tính trong ( )B q và ( , )h q q có thể xác định rõ. Giả thiết 3.2: Nhiễu gia tốc góc bám không biết trước  bị chặn, có nghĩa: 0  . Đề xuất mặt trượt đầu cuối nhanh cải tiến (FTESM - Fast Terminal Extended Sliding Mode) có dạng:   0;i i i i i r i e i i e i es q l q q       *,i ir N  lẻ, *; ,i i i ir R    (3.5) Trong đó: 2 1 ( ) ln i ii e e l q q         ; 0 1  ; i ie MT i q q q  ; iMT q là góc của mục tiêu. Khẳng định 3.1: Với cùng tham số mặt trượt và điều kiện đầu, trượt đầu cuối nhanh cải tiến (3.5) hội tụ về 0 nhanh hơn trượt đầu cuối nhanh (2.4) và ở lại trên đó mãi mãi. Chứng minh: Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 57 Chọn hàm Lyapunov: 2( ) i ie e V q q (3.6) Lấy đạo hàm (3.6) theo thời gian: ( ) 2 i i ie e e V q q q  (3.6a) Từ (3.5) tính được:   i i i i i r e i i e i eq l q q      (3.6b) Thay (3.6b) vào (3.6a): 2( ) 2( ) 2 i i i i i i r e i i e i eV q l q q         (3.7) Vì *, ; ,i i i ir N r  là số lẻ nên i ir  là số chẵn, và ( ) 0i i i i r e eq q      ( ) 0 i ie e V q q  ; ( ) 0 ie V q  khi 0 ie q  . Vậy hệ (3.5) hội tụ về điểm cân bằng 0 và ở lại trên đó mãi mãi. Tiếp theo sẽ chứng minh hệ (3.5) hội tụ về 0 nhanh hơn hệ (2.4) bằng cách so sánh Jacobian i i e i e q J q     của hệ (2.4) - 1iJ và của hệ (3.5) - 2iJ quanh điểm cân bằng 0ieq  : 1 ( )i i i i i i i i i r e r J q          (3.8) 2 2 2 ( ) 2 2 1 ln 1 i ii i i i i ei i i i i er e e qr J q q q                    (3.9) 1iJ , 2iJ chính là các giá trị riêng của các ma trận xấp xỉ bậc nhất i i e i e q J q     . Khi 0 ie q  thì 1iJ  và 2iJ  . Tại điểm cân bằng, giá trị riêng tiến đến  nên quỹ đạo trạng thái của hệ (2.4) và (3.5) với các giá trị riêng đó sẽ hội tụ về điểm cân bằng với tốc độ vô cùng lớn trong thời gian hữu hạn. Biểu thức (3.8) và (3.9) cho thấy khi 0 ie q  thì 2iJ  trước khi 1iJ  . Khi  càng nhỏ thì 2iJ càng âm lớn. Vậy (3.5) hội tụ về 0 nhanh hơn (2.4). ■ Tổng hợp bộ điều khiển: Biểu diễn lại (3.5) dưới dạng véc-tơ và ma trận: 1 2 1 2 ( ) T e e e eS q L q q q           (3.10) Với: 1 2( , )diag   ; 1 2( , )diag    ; /i i ir  ;  1 2,L diag l l . Chọn hàm Lyapunov: 1 2 T TV S S V S S    (3.11) Đặt 1 2( , )diag    . Lấy vi phân bậc nhất (3.10):   1 1 11 2 2 2 2 2 21 1 2 2 2 0 10 0 2 0 1 e ee e e e e e e e q qq S q L q q q q q q                                        (3.12) Thay (3.12) vào (3.11) có được: Kỹ thuật điều khiển & Điện tử V.Q.Huy, N.Q.Hùng, N.Vũ, “Tổng hợp bộ điều khiển đài quan sát cơ động.” 58 2( ) T e e e eV S q L q Q q Q q             , (3.13) với  1 2 1 2 1 1,e eQ diag q q      ; 1 2 1 2 2 2 2 22 2 2 , ( 1) ( 1) e e e e q q Q diag q q            . Đề xuất luật điều khiển: 1 1 1 1 2( ) ( )e e e e cu B q B h B q L q Q q Q q B u                   (3.14) Với sgncu F là hàm bão hòa mờ được định nghĩa như sau [1]:  sgn : sgn ( ) ; 1, 2 fuzzy( sgn ) : Di i i i i i i Di i i i i i i k s k p s F p i k s p k p s           ; (3.14a) Trong đó: / ;i i ip s   ( ) , ( , )i i i it q s q t  B ; (3.14b) i là độ dày lớp biên ( )i tB của mặt trượt 0is  ;    ; ; ; 0D Di i i iK k K k K k k        là các ma trận chéo xác định dương; hệ mờ fuzzy( sgn )i i ip k p giúp tăng hiệu quả hoạt động của bộ điều khiển bên trong lớp biên. Thay (3.14) vào (3.4):  2( ) sgne e e eq L q Q q Q q F             (3.15) Thay (3.15) vào (3.13):  sgnTV S F  (3.16) * Bên ngoài lớp biên:    sgn sgn( )T T TDV S F S K S S K S       (3.17) Khai triển (3.17) dưới dạng vô hướng:   2 2 2 1 1 sgn( )Di i i i i i i i V k s s k s         (3.18) Đặt sgn( )i i i ik k s   và chọn 0ik  , từ (3.18) có được:   2 2 1 0Di i i i i V k s k s      (3.19) Biểu thức (3.19) cho thấy hệ (3.4) ổn định theo Lyapunov. Khai triển (3.12) ở dạng vô hướng: 2 1 i i i V s s    (3.20) Từ (3.19) và (3.20) có:   2 2 2 1 1 i i Di i i i i i s s k s k s       (3.21) Từ (3.21) và (3.20) thành lập được phương trình vi phân: 2 i i Di i i is s k s k s   (3.22) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 59 Giải (3.22) cho kết quả:    0 0ln sgn ln ( ) sgn ( )i iDi i i i Di Di i e i i ek s k s k t k s q k s q         0 0( ) sgn ( )1 ln sgn i iDi i e i i e Di Di i i i k s q k s q t k k s k s     (3.23) Từ (3.23), thời gian để 0is  là:  0 0( ) sgn ( )1 ln i i i Di i e i i e r Di i k s q k s q t k k   (3.24) Sử dụng kết quả của Bổ đề 2.1, Khẳng định 3.1 và biểu thức (3.24) rút ra kết luận: 0 ie q  trong khoảng thời gian hữu hạn không lớn hơn 0( )is eT q :  0 00 0 ( ) sgn ( )1 ( ) ln ln ( ) i i i i ii i r Di i e i i ei e ii s e i i i i Di i k s q k s qq T q r k k            (3.25) * Bên trong lớp biên:    sgn sgn( )T T T TD FV S F S K S S K S S K        (3.26) Trong đó 1 2 T F F FK k k    là đầu ra của hệ lô-gic mờ được định nghĩa như trong [1]. Đặt FK   là sai lệch đánh giá; max là sai lệch đánh giá lớn nhất của hệ mờ. Khai triển (3.26) ở dạng vô hướng: 2 2 2 1 1 sgn( )Di i i i i i i i V k s s k s           . (3.27) Đặt sgn( )i i i ik k s    và chọn maxik  , từ (3.27) có được:   2 2 1 0Di i i i i V k s k s      (3.28) Bất đẳng thức (3.28) cũng cho thấy hệ hệ bám góc của ĐQS ổn định theo Lyapunov. Kết hợp (3.28) và (3.20) thành lập được phương trình vi phân: 2 i i Di i i is s k s k s   (3.29) Giải tương tự như phần trên, tính được thời gian để 0is  là:  2 0 0( ) sgn ( )1 ln i i i Di i e i i e r Di i k s q k s q t k k     (3.30) Sai lệch bám 0 ie q  trong khoảng thời gian hữu hạn không lớn hơn 0( )is eT q :  0 00 0 ( ) sgn ( )1 ( ) ln ln ( ) i i i i ii i r Di i e i i ei e ii s e i i i i Di i k s q k s qq T q r k k               (3.31) Kỹ thuật điều khiển & Điện tử V.Q.Huy, N.Q.Hùng, N.Vũ, “Tổng hợp bộ điều khiển đài quan sát cơ động.” 60 Từ những phân tích ở trên, cho phép khẳng định và phát biểu định lý như sau: Khẳng định 3.2: Nếu các giả thiết 3.1 và 3.2 thỏa mãn thì luật (3.14) với mặt trượt cải tiến (3.5) sẽ điều khiển ĐQS (3.4) bám sát mục tiêu với sai lệch bám luôn hội tụ về 0 nhanh hơn trượt đầu cuối (2.4) trong khoảng thời gian hữu hạn. Định lý: (Định lý về luật điều khiển thời gian hữu hạn) Xét đối tượng có mô tả động học: ( , ) ( )q h q q B q u      , với: 1( ) ( ); ( , ) ( ) ( , ) ; ( )B q D q h q q B q C q q q B q d     , D là ma trận quán tính, C là ma trận coriolis và hướng tâm của một cơ hệ Euler-Lagrange 2 biến; u là điều khiển mô-men; q là góc khớp; d là nhiễu tác động lên cơ hệ. Giả thiết: i) Xác định được sai lệch bám góc e MTq q q  ; MTq là góc mục tiêu cần bám; ii) Các tham số quán tính trong ( )B q và ( , )h q q có thể xác định rõ; iii) Nhiễu  bị chặn, có nghĩa: 0  . Luật điều khiển: 1 1 2( )e e e e cu B q h q L q Q q Q q B u                 , dựa trên mặt trượt: 1 2 1 2 ( ) 0 T e e e eS q L q q q           , với: 1 2 1 2 2 2 2 2 2 2 2 , 1 1 e e e e q q Q diag q q              ; 1 2 2 21 1ln( ), ln( )e eL diag q q          ; 0 1  ;  1 2 1 2 1 1,e eQ diag q q      ; 1 2( , )diag    ; i i i r    ; *,i ir N  lẻ, i ir  ; sgncu F là hàm bão hòa mờ được định nghĩa như (3.14a), (3.14b); 1 2( , )diag   ; 1 2( , )diag    ; *,i i R   , sẽ đảm bảo sai lệch bám góc ie q hội tụ nhanh về 0 trong khoảng thời gian hữu hạn. Nhận xét: Luật điều khiển (3.14) chỉ phụ thuộc vào sai số bám, động học của hệ thống và thông số của bản thân luật điều khiển mà không phụ thuộc vào quỹ đạo mẫu như trong các bài toán điều khiển bám truyền thống cho các đối tượng công nghiệp. Sai số bám sát được xác định thông qua công cụ xử lý ảnh động. Thông số của luật điều khiển được xác định dựa trên chất lượng mong muốn của hệ thống (sai số bám, tính tác động nhanh, ...). 4. MÔ PHỎNG, THẢO LUẬN 4.1. Mô hình đối tượng và thông số mô phỏng Mô hình động học cơ hệ ĐQS [1]: Chỉ số dưới A biểu diễn kênh phương vị với góc  ; chỉ số dưới E biểu diễn kênh tà với góc  ; mô-men quán tính AJ , EJ .      A A; ; ; T T T E E Exz Ex Ezu u u d d d q J J J      2 2 Ex Ezsin cos 0 sin cos sin cos; 0 sin cos 0 Az Exz Exz Ey Exz J J J J J D C J J                              (0,065;0,069;0,07)AJ diag ; (0,018; 0,024; 0,025)EJ diag . Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 61 Tham số mô phỏng:   5 5 (0,005;0,005); ( ; ); 0,5 0,5 7 7 TK diag diag     ; (5,10); (2,2); (5,5); (10,10); 0.0001Ddiag diag K diag K diag       ; Cơ cấu chấp hành [1]: Động cơ PMSM, điều khiển mô-men trực tiếp, mô-men cực đại Tmax = 2,39Nm; hệ số điều chỉnh mô-men KM = 0,717Nm/V. Tham số cơ động: Gắn con quay vi cơ và thiết bị GPS trên xe bánh lốp, đo và ghi lưu góc lắc sàn xe, góc chuyển hướng và tốc độ của phương tiện trên đường phố Hà Nội. 4.2. Kết quả mô phỏng và bình luận Góc nghiêng và góc hướng của phương tiện được đo trên đường Ngô Gia Tự (NGT), vòng xoay cầu Chui và đoạn đầu quốc lộ 5. Do giới hạn dung lượng, bài báo chỉ trình bày kết quả với dữ liệu đo trên đường Ngô Gia Tự, so sánh chất lượng hệ thống giữa phương pháp trượt thích nghi ASF-VSC trong [1] với phương pháp trượt đầu cuối tác động nhanh đề xuất FTESM-VSC. Ở đây, góc mục tiêu giả định có dạng hình sin. Tham số chuyển động của phương tiện được đánh giá nhờ thuật toán Kalman thực hiện trong [5] và được thể hiện như hình 4.1, hình 4.2 và hình 4.3. Hình 4.1. Góc nghiêng của phương tiện khi di chuyển trên đường NGT. Hình 4.2. Góc hướng của phương tiện khi di chuyển trên đường NGT. Hình 4.3. Tốc độ của phương tiện khi di chuyển trên đường NGT. Hình 4.2 cho thấy trong khoảng thời gian 73s-80s, phương tiện chuyển hướng từ đường NGT sang quốc lộ 5 với góc chuyển hướng từ 358 độ xuống 275 độ. Hình 4.3 thể hiện tốc độ của xe di chuyển trên đường, cho thấy: trong khoảng thời gian 30s đầu và 40s cuối của Kỹ thuật điều khiển & Điện tử V.Q.Huy, N.Q.Hùng, N.Vũ, “Tổng hợp bộ điều khiển đài quan sát cơ động.” 62 hành trình, phương tiện nổ máy đứng tại chỗ nên góc nghiêng của sàn xe dao động trong khoảng ±2 độ. Khi phương tiện chuyển động, hình 4.1 cho thấy góc nghiêng của sàn xe nằm trong khoảng ±7 độ, trong đó sự lắc dọc nhiều hơn lắc ngang. Hình 4.4 và hình 4.5 thể hiện mô-men điều khiển theo phương pháp FTESM-VSC có chất lượng tốt hơn so với phương pháp ASF-VSC. Do sự lắc dọc nhiều hơn lắc ngang nên kênh tà cần lượng điều khiển và chịu ảnh hưởng của hiện tượng rung nhiều hơn kênh phương vị, đặc biệt tại những thời điểm có sự rung lắc mạnh. Hình 4.4. Mô-men điều khiển theo phương pháp FTESM-VSC. Hình 4.5. Mô-men điều khiển theo phương pháp ASF-VSC. Hình 4.6 và hình 4.7 cho thấy sai lệch bám góc theo hai phương pháp đều không vượt quá 0,2mrad. Sai số bám góc tà nhỏ hơn sai số bám góc phương vị. Hình 4.6. Sai lệch góc bám theo phương pháp ASF-VSC. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 43, 06 - 2016 63 Hình 4.7. Sai lệch góc bám theo phương pháp FTESM-VSC. Hình 4.8 biểu diễn thời gian xác lập của hệ thống theo 2 phương pháp. Với cùng sai lệch góc bám ban đầu  0 1 1 T eq rad , phương pháp FTESM-VSC đảm bảo tính tác động nhanh tốt hơn ASF-VSC. a) Theo FTESM-VSC b) Theo ASF-VSC Hình 4.8. Thời gian xác lập theo hai phương pháp đã chọn. 5. KẾT LUẬN Bộ điều khiển trượt đầu cuối cấu trúc biến đổi tác động nhanh với mặt trượt cải tiến FTESM-VSC cho ĐQS cơ động đã được mô phỏng kiểm chứng với số liệu rung lắc, chuyển hướng của xe bánh lốp trên đường phố Hà Nội; thực hiện so sánh với thuật toán ASF-VSC trong [1]. Bài báo chưa đưa ra kết quả đánh giá và so sánh với dữ liệu cơ động trên đoạn đầu đường 5 và vòng xoay cầu Chui. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ điều khiển có chất lượng bám tốt: sau khi bắt được mục tiêu, sai lệch bám duy trì dưới 0,2mrad, đường ngắm của ĐQS ít có sự rung lắc so với bệ, hệ thống có đáp ứng nhanh với sự rung lắc và chuyển hướng của phương tiện. Thuật toán đề xuất hoàn toàn có thể áp dụng để cải tiến nâng cấp các hệ thống bắt bám trên xe Zil-131 đang được trang bị trong quân đội ta. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Vũ Quốc Huy, Nguyễn Quang Hùng, Nguyễn Vũ, “Tổng hợp bộ điều khiển trượt mờ cấu trúc biến đổi kháng nhiễu (ASF-VSC) cho hệ phi tuyến bất định”, TC. Nghiên cứu KH-CNQS, Đặc san 55 năm Viện KHCNQS (2015), tr. 225-233. [2]. Nguyễn Quang Hùng và cộng sự, “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo ĐQS quang điện tử cho tiểu đoàn pháo binh mặt đất”, Đề tài BQP (2015), Viện TĐH KTQS. [3]. Nguyễn Trung Kiên, “Xây dựng phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển các ĐQS tự động định vị từ xa các đối tượng di động”, Luận án TSKT (2015), Viện KHCNQS. [4]. Viện Tự động hoá KTQS, “Đại đội PPK - 37mm 2N tác chiến ngày và đêm”, Tài liệu kỹ thuật tổng hợp, Hà Nội, (2005). [5]. Phạm Hải An, “Về một phương pháp nhận dạng chuyển động cho một lớp phương tiện cơ giới quân sự sử dụng đa cảm biến”, Luận án TSKT (2012), Viện KH-CNQS. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử V.Q.Huy, N.Q.Hùng, N.Vũ, “Tổng hợp bộ điều khiển đài quan sát cơ động.” 64 [6]. Lê Văn Thao và cộng sự, “Nghiên cứu cải tiến pháo phòng không 23mm 2 nòng thành modul điều khiển tự động lắp đặt trên các phương tiện cơ động”, Đề tài cấp Nhà nước (2012), Viện Vũ khí. [7]. Amr A. Roshdy, Chengzhi Su, Hany F. Mokbel, “Design a robust PI controller for light of sight stabilization system”, IJMER, Vol. 2, Iss. 2 (2012), pp.144-148. [8]. Anis Ahmed, Mieczyslaw A. Brdyś, “Servo tracking of targets at sea”, Int. J. App. Math. Comput. Sci., Vol. 16, No. 2 (2006), pp. 197-207. [9]. Dharmveer, Shailaja Kurode, Prasad Parkhi and Bhagyashri Tamhane, “Robust control for seeker scan loop using sliding modes”, ICC (2012), Jeju Island, Korea. [10]. Maurício Gruzman, Hans Ingo Weber and Luciano Luporini Menegaldo, “Control of a target tracking system embeded in a moving body”, ABCM Symposium Series in Mechatronics, Vol. 4 (2010), pp. 80-89. [11]. Sangveraphunsiri V. and Malithong K., “Control of inertial stabilization systems using robust inverse dynamics control and sliding mode control”, The 6th International Conference on Automotive Engineering – ICAE6 (2010), Thailand. [12]. Yang Wen-shu and Zhang Yi-mo, “Visible and infrared band tracking and measuring control system”, Trans. of Tianjin University, Vol. 8, No. 3 (2002). [13]. Yu S., Yu X., Shirinzadeh B. and Man Z., “Continuous finite time control for robotic manipulators with TSM”, Automatica, Vol. 41, No. 11 (2005), pp. 1957-1964. [14]. Y. Tang, “Terminal sliding mode control for rigid robots”, Automatica, Vol. 43, No. 1 (1998), pp. 51-56. [15]. X. Yu and Z. Man, “Variable structure system with TSM, Variable structure system: Towards the 21st century”, Springer-Verlag, Vol. 274 (2002), pp. 109-127. ABSTRACT ON A FAST TERMINAL SILIDING MODE CONTROLLER FOR TRACKERS IN MILITARY VEHICLES This paper presents a variable structure controller FTESM-VSC based on the fast terminal sliding mode technique for trackers in military vehicles. The controller helps the system to stabilize the light of sight (LOS) and ensures traking error converging to zero. The vibration and direction changing of vehicle on some roads are measured, saved to files and embeded into Matlab/simulink to simulate. Some comparative scripts between adaptive SMC and FTESM-VSC are given. Keywords: Mobile tracker, LOS stabilization, VSC, TSM, FTESM, Fast respond. Nhận bài ngày 18 tháng 3 năm 2016 Hoàn thiện ngày 08 tháng 6 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 09 tháng 6 năm 2016 Địa chỉ: 1 Viện Tự động hóa KTQS / Viện KH-CNQS; *E-mail: maihuyvu@gmail.com 2 Cục Khoa học quân sự - BQP.