Ứng dụng bộ điều khiển mờ tổng hợp lệnh điều khiển kênh độ cao của tên lửa hành trình đối hải khi bay thấp trên mặt biển trong điều kiện có sóng, gió tác động

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 30, 04 - 2014 3 ứNG DụNG Bộ ĐIềU KHIểN Mờ tổng hợp lệnh ĐIềU KHIểN KÊNH Độ CAO CủA TÊN LửA HàNH TRìNH ĐốI HảI KHI BAY THấP TRÊN MặT BIểN TRONG ĐIềU KIệN Có SóNG, GIó TáC ĐộNG Nguyễn Văn Chung*, Nguyễn Đức Thành*, Nguyễn Đức Cương**, Vũ Hỏa Tiễn*** Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển mờ cho kênh điều khiển độ cao của tên lửa đối hải có tham số thay đổi bất định trong điều kiện tác động của sóng, gió khi bay thấp trên mặt biển. Kết quả khảo sát mô phỏng với một tên lửa giả định cho thấy ưu điểm và hiệu quả rõ rệt của bộ điều khiển mờ so với bộ điều khiển PID trong cùng một điều kiện tác động ngoài của sóng, gió khi tên lửa bay thấp. Từ khóa: Tên lửa hành trình đối hải, Bộ điều khiển mờ, Sóng và gió. 1. đặt vấn đề Các tên lửa hành trình đối hải (TLHTĐH) hiện đại thường bay rất thấp (510m) trên mặt biển để vượt hỏa lực phòng không của đối phương. Vì vậy, bài toán ổn định và điều khiển TLHTĐH bay ở độ cao đó trong điều kiện tác động của sóng, gió biển là rất cơ bản và cấp thiết. Phát triển từ các công trình [1,2,3] đã công bố của nhóm tác giả, với mục đích cải thiện thêm chất lượng và hiệu quả ổn định độ cao cho TLHTĐH khi bay thấp giới hạn trên mặt biển trong điều kiện tự nhiên, ta có thể nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển logic mờ (Fuzzy Logic Control) cho đối tượng khi chịu tác động của nhiễu động (sóng, gió). Việc áp dụng thuật toán điều khiển PID nói riêng và các phương pháp tuyến tính nói chung trong hệ tự động điều khiển, có nhược điểm là chỉ ổn định hệ thống khi các tham số của nó thay đổi trong phạm vi hẹp và dễ bị mất ổn định khi có nhiễu tác động mạnh từ bên ngoài. Chính vì vậy, muốn giảm được sai số điều khiển do tác động ngoài, cần có tác động điều khiển mạnh ngay cả khi sai số còn nhỏ, tuy nhiên, nếu luật điều khiển tuyến tính thì điều đó sẽ dẫn đến phản ứng đầu ra hệ thống với biên độ và sai số lớn. Một điểm quan trọng nữa là các đặc tính khí động, phân bố trên khoang, ví dụ như vị trí của tâm khí động Xfa của tên lửa hành trình đối hải cận âm (như URAN-E, Exocet, Harpoon...) trong khi bay hành trình thay đổi rất nhiều và khó xác định chính xác kể cả bằng các phần mềm hiện đại như ANSYS-CFX hoặc bằng thực nghiệm trong buồng thổi khí động học. Vì vậy, rất khó tổng hợp luật điều khiển theo các phương pháp “kinh điển” khi mà đối tượng điều khiển có các tham số bất định trong phạm vi khá rộng như vậy. Việc ứng dụng điều khiển mờ cũng đảm bảo tính bền vững (robustness) của vòng điều khiển kín. Trong bài báo này, các tác giả nghiên cứu việc ứng dụng bộ điều khiển mờ trong cấu trúc vòng điều khiển kín kênh điều khiển độ cao ở giai đoạn bay ôtônôm của TLHTĐH với những tham số khí động và phân bố thay đổi trong phạm vi khá rộng khi có sóng, gió biển tác động. Trên cơ sở những kết quả nhận được qua khảo sát mô phỏng, đưa ra những đánh giá so sánh với bộ điều khiển kinh điển PID để thấy rõ những ưu điểm và hiệu quả của bộ điều khiển mờ có trong ứng dụng cho kênh điều khiển độ cao của TLHTĐH khi bay thấp trên mặt biển. 2. XÂY DựNG Bộ ĐIIềU KHIểN Mờ CHO KÊNH ĐIềU KHIểN Độ CAO BAY CủA TLHTĐH 2.1. Xây dựng bộ điều khiển mờ Trên cơ sở của lý thuyết mờ [4,8,9] ta xây dựng bộ điều khiển mờ cho kênh điều khiển độ cao của TLHTĐH gồm hai trạng thái mờ đầu vào và một biến mờ đầu ra. Biến ngôn ngữ vào là tín hiệu điều khiển của bộ điều khiển mờ cụ thể là sai lệch H và đạo hàm của nó Điều khiển & Tự động hóa N.V. Chung, , V.H. Tiễn, ”Ứng dụng bộ điều khiển mờ cú súng, giú tỏc động.” 4 H  . Biến ngôn ngữ ra là đại lượng tác động trực tiếp vào máy lái ở đây biến ngôn ngữ ra là điều khiển U. - Miền giá trị vật lý phải bao hàm hết khả năng giá trị mà biến ngôn ngữ vào ra có thể nhận, ta chọn: H = [-1;1] (m); H  = [-1;1] (m/s); U = [-0,52;0,52] (rad) - Số lượng tập mờ: Số lượng tập mờ thường đại diện cho số trạng thái của biến ngôn ngữ vào ra. ở đây ta chọn các giá trị như sau: H = {AN, AI, K, DI, DN}; H  = {AN, AI, K, DI, DN}; U = {ARN, AN, AI, DI, DN, DRN}. trong đó,ARN : âm rất nhiều, AN: âm nhiều, AI: âm ít, K: không, DI: dương ít, DN: dương nhiều, DRN: dương rất nhiều. - Xác định dạng hàm liên thuộc: Đây là giai đoạn rất quan trọng, vì quá trình làm việc của bộ điều khiển mờ phụ thuộc rất nhiều vào dáng của hàm liên thuộc. Ta chọn các hàm liên thuộc hình tam giác và hình bậc thang như hình 1. Hình 1. Các tập mờ vào ra và các hàm liên thuộc của chúng. - Xây dựng các luật điều khiển “IF...THEN...” (Nếu...Thì...): Với 5 tập mờ của mỗi biến đầu vào, ta xây dựng được 5x5=25 luật điều khiển. Các luật điều khiển được biểu diễn dưới dạng mệnh đề IF... THEN...các luật điều khiển này được xây dựng theo 2 nguyên tắc sau: + Sai lệch càng lớn thì tác động điều khiển càng lớn. + Đạo hàm sai lệch càng lớn thì tác động điều khiển càng lớn. Các luật này được xếp dưới dạng ma trận bảng 1 và được gọi là ma trận điều khiển [9]. Bảng 1. Luật hợp thành tuyến tính. AN AI K DI DN DN 0 DI DN DRN DRN DI AI 0 DI DN DRN K AN AI 0 DI DN AI ARN AN AI 0 DI AN ARN ARN AN AI 0 Chọn luật hợp thành: Từ tập các luật điều khiển ta chọn luật hợp Max-Min ta có kết quả như hình 2. V H Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 30, 04 - 2014 5 - Giải mờ: Từ hàm liên thuộc hợp thành của tập mờ đầu ra, ta có thể dùng phương pháp giải mờ thích hợp để xác định rõ đầu ra của bộ giải mờ. Phương pháp giải mờ được chọn cũng gây ảnh hưởng đến độ phức tạp và trạng thái làm việc của toàn bộ hệ thống. Thường trong thiết kế hệ thống điều khiển mờ, giải mờ bằng phương pháp trọng tâm hay trung bình âm có nhiều ưu điểm hơn cả, vì lúc đó kết quả đầu ra có sự ham gia đầy đủ của tất cả các luật điều khiển. ở đây giải mờ bằng phương pháp trọng tâm, ta có kết quả hợp thành và giải mờ như trên hình 3. Hình 3. Quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ. 2.2. Sơ đồ khối và cấu trúc vòng điều khiển kín kênh điều khiển độ cao của TLHTĐH Trên cơ sở các phần tử chức năng kênh điều khiển - ổn định độ cao đã trình bày trong [1,2,3], ta có thể hình dung một cấu trúc kín vòng điều khiển của kênh cho hầu hết các loại TLHTĐH như trên hình 4. Trong sơ đồ khối hình 4 mạch thẳng hệ thống gồm khâu máy lái và bản thân đối tượng điều khiển là tên lửa với hệ tự động ổn định trên khoang. Mạch hồi tiếp của hệ thống có cấu trúc tổng hợp từ hai thiết bị đo cao vô tuyến (ĐCVT), đo cao quán tính (ĐCQT) và bộ Hình 2. Các luật hợp thành. Gió Máy lái Tên lửa Bộ đo cao quán tính Bộ đo cao vô tuyến Bộ lọc tối ưu (Kalman) Hth cl Hình 4. Sơ đồ khối vòng kín kênh điều khiển độ cao của TLHTĐH. Sóng biển Hđg Hct H Bộ điều khiển Điều khiển & Tự động hóa N.V. Chung, , V.H. Tiễn, ”Ứng dụng bộ điều khiển mờ cú súng, giú tỏc động.” 6 lọc Kalman đưa ra đánh giá độ cao Hđg, đã trình bày trong [3]. Tín hiệu Hđg sẽ được so sánh với độ cao chương trình Hct, tạo ra sai lệch H đưa đến bộ điều khiển tạo ra lệnh điều khiển tác động lên máy lái. Tác động của sóng biển ảnh hưởng trực tiếp tới kết quả ĐCVT, còn gió biển tác động vào bề mặt khí động của tên lửa làm thay đổi góc tấn, dẫn tới thay đổi lực nâng và độ cao bay Hth. Cấu trúc cơ bản hệ kín điều khiển - ổn định độ cao trên cơ sở biến đổi Laplas hệ phương trình vi phân mô tả động học hệ thống với bộ điều khiển mờ thể hiện trên hình 5. Cấu trúc các khâu cơ bản đã được nêu trong tài liệu [5]. Hình 5. Sơ đồ cấu trúc kênh điều khiển độ cao TLHTĐH với bộ điều khiển mờ. 3. mô phỏng, đánh giá bộ điều khiển mờ trong kênh điều khiển độ cao của tlhtđh 3.1. Sơ đồ mô phỏng vòng kín kênh điều khiển độ cao khi có bộ điều khiển mờ Căn cứ sơ đồ cấu trúc kênh điều khiển độ cao TLHTĐH (Hình 5) sử dụng các bộ điều khiển PID và mờ để làm cơ sở đánh giá. Việc tính toán tham số các khâu trong hệ thống được thực hiện theo [6] với bộ tham số hình học, khí động, động lực và phân bố trên khoang của TLĐH tương đương Kh-35E (URAN-E). Điều kiện khảo sát được xác định theo điều kiện bay (độ cao, vận tốc hành trình, sóng, gió), theo đó vận tốc trung bình Vp= 280m/s, độ cao chương trình Hct= (610) m, sóng, gió các cấp khác nhau. Sơ đồ mô phỏng kênh điều khiển-ổn định độ cao TLĐH thể hiện trên hình 6. Đối với các bộ điều khiển ta phải lựa chọn các tham số KP, KI, KD cho bộ điều khiển PID và K1, K2 và K3 cho bộ điều khiển mờ, dựa trên công cụ tối ưu hóa tham số các bộ điều khiển trong Simulink. Công cụ tối ưu hóa tham số các bộ điều khiển và hệ thống cho phép ta chọn trước: những chỉ tiêu tối ưu; bộ tham số tối ưu; giới hạn tối ưu. Chương trình tối ưu hóa có ưu điểm là xác định giá trị các tham số tối ưu trong khoảng thời gian nhỏ, đáp ứng những chỉ tiêu tối ưu đã đặt ra. Phương pháp tìm đáp ứng tối ưu trên công cụ Simulink Response Optimization trong Matlab cung cấp một giao diện đồ họa tiện lợi điều chỉnh và tối ưu các hệ thống điều khiển và hệ thống vật lý. Với công cụ này, ta có thể điều chỉnh tín hiệu đáp ứng xung mong muốn bằng cách thêm khối Signal Constraint vào trong mô hình cần mô phỏng. Với cách làm đó ta chọn được KP=3, KI=0,02, KD=0,05 của bộ điều khiển PID và K1= -0,22, K2= - 0,0067, K3 = 38,46. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 30, 04 - 2014 7 Hình 6. Sơ đồ mô phỏng kênh điều khiển độ cao TLHTĐH với bộ điều khiển PID và mờ. 3.2. Kết quả khảo sát và đánh giá Để làm rõ hiệu quả của bộ điều khiển mờ ứng dụng trong hệ thống, khi tham số đáng quan tâm nhất là dự trữ ổn định tĩnh (x = Xfa-Xt) của tên lửa thay đổi bất định trong điều kiện nhiễu ngoài (sóng, gió biển) tác động, ta tiến hành khảo sát theo phương pháp đối chứng với hệ thống có sử dụng bộ điều khiển PID. Khảo sát đánh giá thực hiện theo hai giai đoạn: a) Đánh giá chất lượng điều khiển ở quá trình quá độ (khi không có sóng, gió và khi có sóng gió mạnh). Kết quả khảo sát thể hiện trên hình 7 với trục đứng thể hiện độ cao bay của tên lửa H[m], trục ngang thể hiện thời gian quá độ t[s]. b) Đánh giá chất lượng điều khiển ở giai đoạn đã thiết lập độ cao bay (Hct~Hth) trong điều kiện tác động của sóng, gió biển ở các mức độ. Kết quả khảo sát thể hiện trên hình 8a,b,c với trục đứng thể hiện độ cao bay H[m], trục ngang thể hiện cự ly tương đối X[m] trong khoảng thời gian quan sát để thấy rõ hiệu ứng lan truyền của sóng biển. a. x =0 b. Khi x = 9cm c. Khi x = 18cm Hình 7. Quá trình quá độ của vòng điều khiển kín khi có đột biến đầu vào Hct-Hthực= 2 m . 4 Hvt 3 Hqt 2 Hvt1 1 Hqt1 sai so3 sai so2 sai so1 sai so 1.579s+1 0.0473s +0.0292s+12 cl_vtg1 1.579s+1 0.0473s +0.0292s+12 cl_vtg 0.1 2.31s +0.304s+12 cl_gio 0.0001968s+1 0.0473s +0.0292s+12 cl_alpha1 0.0001968s+1 0.0473s +0.0292s+12 cl_a lpha -0.00031s +0.0000032s+12 0.0473s +0.0292s+12 cl_W1 -0.00031s +0.0000032s+12 0.0473s +0.0292s+12 cl_W wind_data.U Wind -K- V1 -K- V sin Trigonometric Function2 sin Trigonometric Function 1 0.0636s+1 Transfer Fcn4 1 0.0636s+1 Transfer Fcn3 1 0.2s+1 Transfer Fcn1 1 0.2s+1 Transfer Fcn Htt To Workspace3 Hth1 To Workspace2 t To Workspace1 H0 Gia toc ke (ay ) Hqt Subsystem1 H0 Gia toc ke (ay ) Hqt Subsystem song.mat Song bien1 song.mat Song bien Scope Saturation1 PID PID Controller Lookup Table -K- Lgtt2 -K- Lgtt -K- Kvgt1 -K- Kvgt -K- KpK1pT1c1 -K- KpK1pT1c -K- Kp1 -K- Kp*V1 -K- Kp*V -K- Kp -K- Kgtt2 -K- Kgtt1 -K- K3 -K- K2 -K- K1 1 s Integrator3 1 s Integrator2 1 s Integrator1 1 s Integrator u Anpha_YTinh_Anpha_Y Hxl1 Hxl 10 Hct Fuzzy Logi c Control ler al fa_s.mat From Fi le DetaHtg1 DetaHtg du/dt Derivative4 du/dt Derivative1 du/dt Derivative Clock rDetaHxl Bo l oc Kalman roi rac1 rDetaHxl Bo loc Kalman roi rac -K- 1/K1p*T1c1 -K- 1/K1p*T1c Điều khiển & Tự động hóa N.V. Chung, , V.H. Tiễn, ”Ứng dụng bộ điều khiển mờ cú súng, giú tỏc động.” 8 Hình 8a. Độ cao bay của tên lửa khi Hct= 6 m với sóng gió biển cấp 4. Hình 8b. Độ cao bay của tên lửa khi Hct= 6 m với sóng gió biển cấp 5. Hình 8c. Độ cao bay của tên lửa khi Hct= 6 m với sóng gió biển cấp 6. Trên các đồ thị: nét đứt thể hiện độ cao bay của tên lửa với bộ điều khiển PID (Hpid); nét liền là độ cao bay của tên lửa với bộ điều khiển mờ (Hfz); nét đứt chấm thể hiện sóng biển. Từ các kết quả khảo sát ta rút ra những nhận xét đánh giá sau: - Khi thay đổi độ dữ trữ ổn định tĩnh x từ 18cm đến 0 (hình 7) thời gian quá độ theo mức 0,85Hct của hai hệ mờ và PID xấp xỉ nhau (0.85= 0,20,3s). Thời gian xác lập (Txl) hệ có bộ điều khiển mờ dao động trong khoảng 0,51s, độ quá chỉnh lần thứ nhất 1 nhỏ hơn 10%. Thời gian xác lập hệ có bộ điều khiển PID dao động trong khoảng 34s, độ quá chỉnh lần thứ nhất 1 nhỏ hơn 25%. Sai số thiết lập của hệ có PID cao hơn hệ mờ. - ở chế độ xác lập, khi có tác động của sóng, gió biển cấp 4, 5,6 (Hình 8a,b,c), sai số ổn định độ cao bay của hệ có bộ điều khiển mờ nhỏ hơn H = (0,21)m, còn hệ có bộ điều khiển PID H = (0,52,5)m. Rõ ràng là theo những đặc trưng chất lượng như: thời gian quá độ, thời gian xác lập và sai số ổn định độ cao, hệ thống có sử dụng bộ điều khiển mờ bảo đảm tốt hơn so với hệ có bộ điều khiển PID. 4. kết luận Bài báo đã nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển mờ ứng dụng trong cấu trúc vòng điều khiển kín của kênh điều khiển-ổn định độ cao bay của TLHTĐH. Kết quả cho thấy rõ tác dụng của bộ điều khiển mờ đối với tính chất phi tuyến hệ thống khi tham số của nó bất định trong những điều kiện tác động của môi trường ngoài (có sóng, gió) lên tên lửa bay thấp trên mặt biển. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 30, 04 - 2014 9 Trên cơ sở so sánh đối chiếu trong cùng điều kiện thử nghiệm với bộ điều khiển kinh điển PID, một cách định lượng, nghiên cứu khảo sát đã khẳng định được chất lượng điều khiển của bộ điều khiển mờ tốt và hiệu quả hơn. Đây là một kết luận quan trọng trong việc lựa chọn luật điều khiển cho một hệ thống tự động điều khiển, cụ thể như kênh điều khiển- ổn định độ cao bay của TLHTĐH khi bay thấp trên biển. Công trình được hoàn thành có sự tài trợ của đề tài cấp BQP KCT- 01. Tài liệu tham khảo [1]. Nguyễn Đức Cương,“Mô hình hóa và mô phỏng chuyển động của khí cụ bay tự động”, Hà Nội,2002. [2]. Nguyễn Văn Chung, Nguyễn Đức Cương, Vũ Hỏa Tiễn, “Mô hình sóng biển và ảnh hưởng của nó tới tín hiệu đầu vào của thiết bị đo cao vô tuyến tên lửa đối hải”, Tạp chí NCKH & CNQS Viện KH &CNQS, 8/2011. [3]. Nguyễn Văn Chung, Nguyễn Đức Cương, Vũ Hỏa Tiễn, “Xây dựng thuật toán xử lý tín hiệu của tổ hợp đo cao quán tính - vô tuyến trên tên lửa hành trình đối hải”, Hội nghị cơ điện tử lần thứ 6, NXBĐHQGHN, Hà nội, 2012. [4]. Nguyễn Đức Cương, Phan Văn Chương, Hoàng Anh Tú,“ứng dụng bộ điều khiển mờ cho máy bay không người lái cỡ nhỏ ”, Hội nghị cơ điện tử lần thứ 6, Hà nội, 2012. [5]. Nguyễn Văn Thọ, “Giới thiệu tổ hợp tên lửa URANE”, Viện Tên lửa, 2004. [6]. Vũ Hỏa Tiễn, "Cơ sở thiết kế hệ tự động ổn định tên lửa", NXB QĐNN năm 2012. [7]. Вopoбьeв В. Г.“Aвтoматичecкoe управлениe полeтoм caмoлeтoв”, M., Tpaнcпоpт,1995. [8]. Л.Н. Лысенко, Н.Д. Кыонг, Ф.В. Ты, “Интерактивный синтез законов управления движением летательных аппаратов в условиях неопределенности на основе теории нечетких множеств” В. Tpaнcпоpт,2000. [9]. M.Sugeno.Industrial,“applications of fuzzy control”,North-Holland, Amsterdam, Netherlands, 1985. ABSTRACT APPLICATION OF FUZZY CONTROLLERS TO SYNTHETIZE THE ALTITUDE CHANNEL CONTROL COMMAND OF ANTI-SHIP MISSILES IN THE CONDITION OF LARGE DISTURBANCES OF WAVES AND WIND AT SEA - SKIMMING FLIGHTS This paper presents research results in the application of Fuzzy Controllers for the altitude control channel of anti-ship missiles with uncertainty of parameters in the condition of large disturbances of waves, and wind at sea-skimming flight. Investigation results with a missile model, show the significant advantages of the fuzzy controllers compared to PID controllers in the same condition in addition to the impact of waves and wind at sea-skimming flight. Keywords: Anti-ship missiles, Fuzzy Controllers, Waves and wind. Nhận bài ngày 04 tháng 10 năm 2013 Hoàn thiện ngày 10 tháng 12 năm 2013 Chấp nhận đăng ngày 16 tháng 03 năm 2014 Địa chỉ: * Viện KH&CN QS; ** Hội Hàng không - Vũ trụ Việt Nam; *** Học viện KTQS.