Tổng hợp hệ thống gián đoạn bám góc mục tiêu cho đài điều khiển tên lửa từ xa và nghiên cứu khả năng thực thi trên thiết bị Myrio-1900 của hãng Ni

Tên lửa & Thiết bị bay Đ. Q. Thông, “Tổng hợp hệ thống gián đoạn bám góc mục tiêu của hãng NI.” 10 TỔNG HỢP HỆ THỐNG GIÁN ĐOẠN BÁM GÓC MỤC TIÊU CHO ĐÀI ĐIỀU KHIỂN TÊN LỬA TỪ XA VÀ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG THỰC THI TRÊN THIẾT BỊ MYRIO-1900 CỦA HÃNG NI Đỗ Quang Thông* Tóm tắt: Bài báo nêu phương pháp tổng hợp hệ thống (HT) gián đoạn bám góc mục tiêu (MT) cho các đài điều khiển tên lửa từ xa (ĐĐKTLTX) và nghiên cứu khả năng thực thi chúng trên thiết bị myRIO-1900 của NI. Từ khóa: Tổng hợp hệ thống, Điều khiển tên lửa, Tên lửa. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong các ĐĐKTLTX cần xác định tọa độ góc MT. Trong chế độ bám sát tự động việc này được thực hiện bằng phương pháp quét tuyến tính với vận tốc quét không đổi Ω. Khi này góc MT φ(t) so với điểm bắt đầu quét (H.1,a) được đo gián tiếp thông qua việc đo thời gian tmt giữa xung bắt đầu quét (XBĐQ) và tâm năng lượng của chùm xung phản xạ (CXPX) (H.1,b) nhờ quan hệ [1] ( ) ( ) mtt t t  Thời gian tmt trong chế độ bám sát được đo tự động bằng HT bám có sơ đồ chức năng (H.2) [1], bao gồm bộ phân biệt thời gian (PBTG), khuếch đại (KĐ), hiệu chỉnh nối tiếp (HCNT), tích phân (TP), biến đổi (BĐ). Trên H.2 t1-khoảng thời gian giữa tâm năng lượng chùm xung phản xạ so với XBĐQ (t1=tmt); t2- khoảng thời gian giữa mặt tiếp xúc hai xung cửa sóng so với XBĐQ (H.3). Bộ PBTG là thiết bị đo lường của HT bám góc. Nó tạo ra tín hiệu tỉ lệ với sai lệch t1-t2 bằng cách tìm hiệu phần trùng nhau của hai xung cửa sóng với chùm xung phản xạ từ MT, tức là tìm hiệu [1]       2 1 3 2 )()()( dttudttutu mtmt (1) Hình 2. Sơ đồ chức năng hệ thống bám góc mục tiêu. Hình 1. Xác định tọa độ góc mục tiêu. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 37, 06 - 2015 11 trong đó  21 -khoảng thời gian xung cửa sóng thứ nhất trùng với chùm xung MT;  32  - khoảng thời gian xung cửa sóng thứ hai trùng với chùm xung MT. Bộ biến đổi tạo ra hai xung cửa sóng mà vị trí của nó so với XBĐQ tỉ lệ với điện áp tại đầu ra của khâu tích phân, và xung tọa độ MT đo được. Trong các ĐĐKTLTX thế hệ cũ (C75 và C125) bộ biến đổi này được xây dựng trên cơ sở mạch tạo điện áp răng cưa và mạch so sánh. Các khâu khuếch đại, hiệu chỉnh nối tiếp và tích phân đảm bảo cho HT có các đặc trưng động học cần thiết. Hàm truyền đạt HT hở có dạng [1] . 11 1 ))(( )( )( 31 2    sTsTs sTk sW h (2) Trong các ĐĐKTLTX thế hệ cũ hệ tọa độ góc MT cũng như phần lớn các HTĐKTĐ khác được xây dựng dựa trên các bộ khuếch đại một chiều trên cơ sở các đèn điện tử và bán dẫn. Hiện nay các linh kiện này không còn được sản xuất, nên khi chúng bị hỏng rất khó mua để thay thế. Hơn nữa các khuếch đại một chiều thường có hiện tượng trôi không, gây khó khăn cho việc hiệu chỉnh và sử dụng. Ngày nay công nghệ máy tính số (trong đó có công nghệ FPGA) phát triển vượt bậc, cho phép thực thi phần lớn các hệ thống điều khiển tự động (HTĐKTĐ) với chất lượng cao hơn nhiều các HT liên tục. Dưới đây thực hiện nghiên cứu phương pháp tổng hợp HT gián đoạn bám góc MT và khả năng thực thi trên thiết bị Myrio-1900 của hãng NI. 2. NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT 2.1. Xây dựng lý thuyết 2.1.1. Tổng hợp hệ thống gián đoạn bám góc mục tiêu Việc tổng hợp HT gián đoạn bám góc MT có thể được thực hiện qua hai giai đoạn: Trong giai đoạn 1 thực hiện tổng hợp HT liên tục bám góc MT với sơ đồ chức năng (H.2) và mô hình toán học (2). Giả sử HT được tổng hợp phải đáp ứng các yêu cầu chất lượng sau: vận tốc cực đại của MT 20/s (lưu ý: nếu ĐĐKTLTX bám MT tốt thì vị trí của MT không đổi so với vị trí cánh sóng); sai số xác lập e≤0,050; thời gian quá độ 1,5 s; quá chỉnh σ≤20%. Thực hiện tổng hợp HT bám góc liên tục bằng phương pháp đặc tính tần số biên độ logarit [2] nhận được k=40; T1=7,0158 s; T2=0,8185 s; T3=0,0561 s. Trong giai đoạn hai thực hiện số hóa HT đã tổng hợp được. Việc số hóa HTĐKTĐ được thực hiện bằng cách thay thế s→z theo [3]: Hình 3. Vị trí hai xung cửa sóng so với xung mục tiêu. t1 XBĐQ XKTQ TQ CXPX t2 XBĐQ XKTQ TQ XCS Tên lửa & Thiết bị bay Đ. Q. Thông, “Tổng hợp hệ thống gián đoạn bám góc mục tiêu của hãng NI.” 12 z z T s Q sWzW 1 111)()(    (3) trong đó TQ-chu kỳ gián đoạn. Giả sử đầu ra của an ten có cấu tạo dạng ốc sên và cánh sóng an ten quét với tần số 20 Hz, tức là chu kỳ quét TQ (chu kỳ gián đoạn) là 50 ms cho hai mặt phẳng, dải quét của mỗi mặt phẳng là 10 độ (mỗi mặt phẳng được quét trong 25 ms tương ứng với 10 độ). Sau khi thực hiện số hóa hàm truyền đạt (2) theo (3), nhận được 1 1 2 2 1 3 0 2 1 3 0)(      zczczc zbzb zW h (4) trong đó: TT TTTk b QQ 31 2 2 0 )(   , TT TTk b Q 31 2 2 1 , TT TTTTTTT c QQQ 31 3131 2 0   , TT TTTTTTT c QQQ 31 3131 2 1 322   , TT TTTTTT c QQ 31 3131 2 3  . Kết quả mô phỏng cho thấy rằng nếu hạ bớt một bậc tử số hàm truyền đạt (4) thì đặc tính quá độ của HT có quá chỉnh nhỏ hơn và có thể tăng hệ số truyền của HT hở, tức là làm giảm thêm được sai số vận tốc. Lúc này hàm truyền đạt của HT hở có dạng 1 1 2 2 1 3 0 1 1 2 0)(      zczczc zbzb zW h . (5) Bộ PBTG có hệ số truyền được xác định như sau [1]: uk tbpb  [Vs/s] trong đó utb-điện áp trung bình của tín hiệu vào. Như vậy, để đảm bảo hệ số hàm truyền đạt HT hở bằng k các hệ số b0, b1 được xác định lại như sau: TTk TTTk b pb QQ 31 2 2 0 )(   , TTk TTk b pb Q 31 2 2 1 . (6) Từ (5) nhận được phương trình sai phân của HT như sau )()()()()()( 2011302112 nebnebnycnycnycny  (7) trong đó e(n)-tín hiệu ra của bộ PBTG, y(n) - tín hiệu ra của HT. 2.1.2. Nghiên cứu khả năng tích hợp hệ thống gián đoạn bám góc mục tiêu trên thiết bị Myrio-1900 của hãng NI Thiết bị myRIO-1900 của hãng NI có các đặc trưng kỹ thuật như sau: - Tám đầu vào liên tục 12 bit với điện dải điện áp vào 0÷5 V, tốc độ lấy mẫu 500 kS/s; - Hai đầu vào liên tục 12 bit với điện dải điện áp vào -10÷10 V, tốc độ lấy mẫu 500 kS/s; - Bốn đầu ra liên tục 12 bit với điện dải điện áp ra 0÷5 V, tốc độ biến đổi 345 kS/s; - Hai đầu ra liên tục 12 bit với điện dải điện áp ra -10÷10 V, tốc độ biến đổi 345 kS/s; - Hai đầu vào audio 12 bit với mức điện áp -2,5÷2,5 V, tốc độ lấy mẫu 500 kS/s; Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 37, 06 - 2015 13 - Hai đầu ra audio 12 bit với mức điện áp -2,5÷2,5 V, tốc độ lấy mẫu 345 kS/s; - Bốn mươi đầu vào ra số được người dùng định nghĩa. Thiết bị myRIO-1900 sử dụng processor Z-7010 của Xilinx, tốc độ 667 MHz, hai processor core; bộ nhớ nonvolatile memory 256 MB; DDR3 memory 512 MB, DDR3 clock frequency 533 MHz; DDR3 data bus width 16 bit; FPGA Z-7010 của Xilinx với tần số xung nhịp đồng hồ 40 MHz. Chùm xung phản xạ từ MT có độ rộng cỡ một đến vài ms. Trước khi được đi đến bộ PBTG, mỗi xung trong chùm được tách sóng đồng bộ giãn rộng bằng chu kỳ lặp lại của xung dò (H.4). Với tốc độ lấy mẫu của ADC 500 kS/s và tần số xung nhịp FPGA là 40 MHz thì hoàn toàn có thể sử dụng myRIO-1900 để làm hệ bám góc. Trong HT gián đoạn bám góc đặc tính phân biệt thay vì (1) được xác định như sau )()()( 1 0 2 0 iuiuiu n j mt n k mt    trong đó, umt(i)-tín hiệu ra của ADC; n1-số lượng các mẫu tín hiệu ra của ADC khi xung cửa sóng 1 trùng với chùm xung phản xạ; n2-số lượng các mẫu tín hiệu ra của ADC khi xung cửa sóng 2 trùng với chùm xung phản xạ. Trong nghiên cứu tiếp theo, do không có xung MT, nên tác giả dùng chính thiết bị myRIO-1900 tạo giả xung MT độ rộng 2,5 ms và biên độ 3,2 V. Xung mục tiêu được đưa vào đầu vào ADC. Tiếp theo cần tạo ra hai xung cửa sóng bám sát, mỗi xung có độ rộng bằng ½ độ rộng xung MT [1] (1,25 ms). Như vậy, hệ số truyền của bộ PBTG là kpb=1310. Thay số vào (7) có tính đến (6) và tăng hệ số truyền HT hở lên khoảng 3,2 lần để giảm sai số vận tốc, nhận được )()()()()()( 21321 000075,0000079,011,021,11,2 nenenynynyny  (8) 3. MÔ PHỎNG, TÍNH TOÁN, THẢO LUẬN 3.1. Số liệu đầu vào Sử dụng số liệu giả định đã được nêu ra trong mục 2.1.1. 3.2. Phương pháp, công cụ mô phỏng Thực hiện mô phỏng kết quả tổng hợp HT bám góc MT trên máy tính điện tử trong môi trường Matlab. Kết quả mô phỏng được đưa ra trên H.5. Thực thi phương trình (8) trên thiết bị myRIO-1900, sử dụng Labview. HT bám sát tốt cả khi MT cố định và MT chuyển động (H.6, H.7). Hình 4. Chùm xung phản xạ từ mục tiêu trước và sau khi giãn từng xung phản xạ. Tên lửa & Thiết bị bay Đ. Q. Thông, “Tổng hợp hệ thống gián đoạn bám góc mục tiêu của hãng NI.” 14 Hình 5. Đặc tính quá độ của hệ thống đã tổng hợp. Hình 6. Kết quả bám sát mục tiêu cố định. Hình 7. Kết quả bám sát mục tiêu chuyển động với tốc độ 20/s. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 37, 06 - 2015 15 3.3. Kết quả mô phỏng và bình luận Từ H.5 nhận thấy rằng HT tổng hợp được đáp ứng các yêu cầu chất lượng đặt ra về quá chỉnh, thời gian quá độ. Sai số xác lập của HT 05,0 40 2 0 )(   k v te t thỏa mãn yêu cầu đặt ra. Trên H.6 trong chế độ xác lập khi MT không chuyển động vị trí sườn trước xung MT bằng vị trí sườn trước XCS1 và bằng 1300x2 μs. Như vậy, HT không có sai số vị trí. Trên H.7 trong chế độ xác lập khi MT chuyển động với vận tốc 2 0/s (tương ứng với (250 μs/50 ms) vị trí sườn trước xung MT lớn hơn vị trí sườn trước XCS1 là 21x2 μs. Như vậy, HT có sai số vận tốc là 0,0168 độ, nhỏ hơn so với yêu cầu là 0,05 độ. 4. KẾT LUẬN Để tổng hợp HT gián đoạn bám góc MT cho các ĐĐKTLTX có thể sử dụng phương pháp đặc tính tần số biên độ logarit tổng hợp HT bám góc liên tục, sau đó số hóa hàm truyền đạt nhận được. Có thể tích hợp HT gián đoạn bám góc MT trên thiết bị myRIO-1900 của hãng NI cho các ĐĐKTLTX. Để sử dụng được thiết bị myRIO-1900 làm HT gián đoạn bám góc MT cho các ĐĐKTLTX cần xác định thêm giá trị cực đại chùm xung MT sau tách sóng đồng bộ, phân áp sao cho tín hiệu cực đại không vượt quá 5 V, xác định giá trị trung bình của chùm xung này để xác định hệ số truyền của bộ PBTG. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. В.А. Ганэ, В.Л. Степанов “Расчёт следящих систем,” издательство “Вышэйшая школа”, Минск (1990), стр 175-190. [2]. Под общей редакцией проф. Е.А. Санковский, “Справочное пособие по теории систем автоматического регулирования и управления,” издательство “Вышэйшая школа”, Минск (1973), стр 259-316. [3]. Под общей редакцией проф. К.А. Пупкова “Синтез регуляторов систем автоматического управления,” издательство “БГТУ им. Н.Э. Баумана”, Москва (2004), стр 239-242. ABSTRACT SYNTHESIZE DISCRETE TARGET-ANGLE TRACKING SYSTEM OF REMOTE MISSILE CONTROL SYSTEM AND EXAMINE CAPABLE IMPLEMENTATION OF THE SYSTEM ON MYRIO-1900 DEVICE This paper illustrates a new method, which is used for constructing discrete target-angle tracking system synthesizer of remote missile control system and consider the ability of this system on myRIO-1900 device from NI. Keywords: System integration, Missile control, Misille. Nhận bài ngày 12 tháng 3 năm 2015 Hoàn thiện ngày 27 tháng 5 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 15 tháng 6 năm 2015 Địa chỉ: Khoa Kỹ thuật điều khiển - Học viện KTQS; *Email:doquangthong@yahoo.com