Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông
ĐIỀU KHIỂN BÁM HỆ QUANG ĐIỆN TỬ TRONG MÔI TRƯỜNG
RUNG LẮC SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID MỜ THÍCH NGHI
Ngơ Mạnh Tiến1*, Lưu Văn Định1, Nguyễn Như Chiến2, Đỗ Hồng Việt2,
Hà Thị Kim Dun 3, Phạm Thị Thanh Huyền3
Tóm tắt: Bài báo này nghiên cứu điều khiển hệ quang điện tử bám mục tiêu
EOTS (Electro-optical tracking system) khi hoạt động trong môi trường rung lắc,
không ổn định như khi hệ EOTS lắp trên tàu thuyền, máy bay, xe chuyên dụng, xe
tăng..vv dẫn đến chuyển động quay của bệ đỡ hệ. Đồng thời bài báo cũng đề cập
đến sự ảnh hưởng của momen lực quán tính ly tâm tác động gây ra bởi sự mất cân
bằng tĩnh của hệ. Bộ điều khiển được sử dụng là giải thuật PID thích nghi dựa trên
giải thuật mờ. Các kết quả mô phỏng sẽ được tiến hành trên phần mềm Matlab và
được so sánh với bộ điều khiển PID thơng thường.
Từ khóa: Hệ quang điện tử; Electro-optical tracking system; Gimbal; PID; Fuzzy-PID; Tracking.
1. MỞ ĐẦU
Hệ quang điện tử bám mục tiêu EOTS được ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị khí
tài qn sự như hệ thống giám sát, bám bắt và tiêu diệt mục tiêu đặt cố định, hệ thống
giám sát, bám bắt và tiêu diệt mục tiêu trên tàu, máy bay, xe tăng. Việc được ứng dụng
rộng rãi đặc biệt trong lĩnh vực quân sự đòi hỏi đường ngắm LOS (Line Of Sight) phải
bám mục tiêu nhanh và chính xác ngay cả khi bệ đặt thiết bị quang điện tử được đặt trong
mơi trường rung lắc mạnh như trên máy bay hay tàu, xe tăng [1].
Việc điều khiển bám cho hệ EOTS ổn định LOS khi bị các nhiễu trong q trình hoạt
động là rất quan trọng trong q trình tích hợp hệ thống. Các nhiễu có thể ảnh hưởng
đến q trình hoạt động của bệ gimbal có thể kể đến như chuyển động quay của bệ đặt
(hệ được đặt trên các xe tăng hay máy bay) dẫn đến sự xuất hiện của các momen lực
không mong muốn, sự mất cân bằng động (dynamic unbalance), momen lực quán tính ly
tâm gây ra bởi sự mất cân cân bằng tĩnh (static mass unblance) của kênh nghiêng và
kênh xoay [2,3].
Hình 1. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển việc bám mục tiêu của hệ quang điện tử.
Xây dựng hệ thống điều khiển cho hệ quang điện tử bao gồm việc xây dựng vịng điều
khiển ổn định vận tốc (vịng trong) và vịng điều khiển bám vị trí (vịng ngồi). Việc điều
khiển bám mục tiêu trong hệ quang điện tử cũng đã được đưa ra trong một số cơng trình
nghiên cứu trên thế giới. Nghiên cứu [2,3] sử dụng bộ điều khiển PID. [4] có áp dụng giải
thuật trượt, các phương pháp điều khiển hiện đại như điều khiển mờ [5], điều khiển bền
vững [6] cũng được áp dụng.
Tuy nhiên các cơng trình trên mới chỉ chú trọng giải quyết vấn đề ổn định tốc độ cho hệ
thống bám. Trong khi đó việc xây dựng hệ thống bám vị trí (vịng ngồi) lại khơng được
đề cập. Bài báo [7,8] có đề xuất phương án sử dụng một bộ điều khiển PID tự chỉnh định
bằng giải thuật mờ cho vịng điều khiển vị trí bám mục tiêu bên ngồi. Tuy vậy trong bài
nghiên cứu này lại bỏ qua sự ảnh hưởng nhiễu do chuyển động quay của bệ đặt, tức khơng
158
N. M. Tiến, L. V. Định, …, “Điều khiển bám hệ quang điện tử… PID mờ thích nghi.”
Nghiên cứu khoa học cơng nghệ
xét đến sự ảnh hưởng của hệ trong mơi trường có rung lắc. Trong bài báo này sẽ trình bày
hệ thống điều khiển cho hệ quang điện tử sử dụng giải thuật PID tự chỉnh dựa trên mờ khi
có xét đến những ảnh hưởng do bệ đặt của hệ quay khi hoạt động trong các mơi trường
rung lắc và sự mất cân bằng tĩnh của hệ gimbal.
Bài báo gồm 6 phần: Sau phần tổng quan nghiên cứu, trong phần 2 sẽ xây dựng các
phương trình chuyển động của 2 kênh nghiêng và kênh xoay, sự ảnh hưởng của chuyển
đơng quay của 1 trục lên trục cịn lại và ảnh hưởng của sự mất cân tĩnh của hệ gimbal đến
q trình chuyển động quay của hệ cũng được đề cập đến trong phần này; phần 3 trình bày
vịng ổn định tốc độ bên trong; bộ điều khiển PID thích nghi dựa trên giải thuật mờ dành
cho vịng bám vị trí sẽ được trình bày ở phần 4; phần 5 tiến hành mơ phỏng kiểm chứng;
cuối cùng những kết luận đáng chú ý sẽ được tổng kết lại trong phần 6.
2. PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA HỆ GIMBAL
Hình 2. Hệ gimbal 2 trục.
Trong bài báo này ta xét hệ gimbal 2 trục như trong hình 2. Hệ này được gắn với 3
hệ quy chiếu. Hệ tọa độ P (i,j,k) được gán cho bệ đỡ là hệ quy chiếu gốc, hệ quy chiếu B
(n,e,k) được gán cho kênh xoay (yaw), hệ quy chiếu A (r,e,d) được gán cho kênh nghiêng
(pitch). Trục r sẽ trùng với đường ngắm LOS của hệ. Trục k hướng xuống dưới. Các ma
trận chuyển đổi hệ quy chiếu được rút ra:
cos sin 0
cos 0 sin
A
T sin cos 0 ; BT 0
1
0
(1)
0
sin 0 cos
0
1
, lần lượt là góc quay của kênh xoay quanh trục k và góc xoay của kênh nghiêng
quanh trục e. BPT , ABT lần lượt là ma trận chuyển hệ tọa độ từ P sang B và từ B sang A.
B
P
Vectơ vận tốc góc qn tính của các hệ quy chiếu lần lượt là:
P
P / I
Pi
Bn
Ar
B
A
Pj ; B/ I Be ; A/ I Ae
Pk
Bk
Ad
(2)
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017
159
Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông
pi , pj , pk lần lượt là vận tốc góc của bệ đỡ trong hệ quy chiếu P theo các trục I, j, k.
Bn , Be , Bk lần lượt là vận tốc góc của kênh xoay theo các trục n,e,k. Ar , Ae , Ad là vận
tóc góc của kênh nghiêng theo lần lượt các trục r, e, d.
Ma trận momen qn tính của 2 kênh nghiêng và xoay lần lượt là:
A
Ar
J Are
Ard
Are
Ae
Ade
Ard
Bn
B
Ade ; J Bne
Bnk
Ad
Bne
Be
Bke
Bnk
Bke
Bk
(3)
Ar , Ae , Ad là momen quán tính của kênh nghiêng theo các trục r, e và d. Are , Ard , Ade là
tích momen quán tính. Bn , Be , Bk là momen quán tính của kênh xoay theo các trục n, e, k.
Bne , Bnk , Bke là tích momen qn tính. Ngồi ra, ta cịn kể đến Tp là tổng momen ngồi tác
động lên kênh nghiêng quay theo trục e và Ty là tổng momen ngoài tác động lên kênh
xoay quay theo trục k.
Theo [3], mối liên hệ giữa các hệ quy chiếu về vị trí được xác định bằng góc Euler. Với
hệ quy chiếu cố định P và hệ quy chiếu cho kênh xoay B thì mối liên hệ đó được xác định
qua góc :
Bn Pi cos Pj sin ; Be Pi sin Pj cos ; Bk Pk
(4)
Tương tự với hệ quy chiếu B và A mối liên hệ được xác định qua góc
Ar Bn cos Bk sin ; Ad Bn sin Bk cos ; Ae Be
(5)
Áp dụng định luật II Newton cho chuyển động quay của vật rắn ta có phương trình
chuyển động cho 2 kênh của gimbal [2]:
T
d
H H ;
dt
H J .
(6)
H J . là momen động lượng, J là ma trận momen qn tính của vật rắn, là ma
trận vận tốc góc của vật rắn.
Đối với kênh xoay
Phương trình chuyển động xoay của kênh xoay theo định luật II Newton:
d
T H B B / I H B
(7)
dt
H B J BB / I BAC T J A A/ I là momen động lượng của cả hệ gồm kênh xoay và kênh
nghiêng theo hệ quy chiếu B.
Chuyển động quay của kênh xoay chỉ xung quanh trục k nên phương chuyển trình
chuyển động quay của kênh xoay sẽ chỉ xét đến thành phần k trong phương trình (7):
J Ty TDy1 TDy 2
(8)
eq BK
Phương trình (8) là phương trình chuyển động quay của kênh xoay quanh trục thẳng
đứng k với J eq là momen quán tính tức thời quanh trục k, TDy1 , TDy 2 là những nhiễu tác
động lên kênh xoay ảnh hưởng từ chuyển động quay của bệ đỡ gimbal do hoạt động trong
môi trường rung lắc và ảnh hưởng từ chuyển động quay của kênh nghiêng.
J eq Bk Ar sin 2 Ad cos2 Ard sin(2 )
(9)
160
N. M. Tiến, L. V. Định, …, “Điều khiển bám hệ quang điện tử… PID mờ thích nghi.”
Nghiên cứu khoa học công nghệ
B Ar sin 2 Ad sin 2
TDy1 n
BnBe
Ard sin(2 ) ( Be Ae )
Bnk ( Ad Ar )sin cos
( Bn BeBk )
+ Ard cos(2 )
( Bke Ade cos(2 ) Are sin ) ( Bn BeBk )
2
Bn
(11)
2
Be
( Bne Are cos Ade sin ) ( )
2
( Ade cos Are sin ) Bk ( Ade sin Are co s )Bk
Bk Ar sin 2 Ad co s 2 Ard sin(2 ) Bn
( Ar Ad )sin(2 ) 2 Ard cos(2 ) BeBk
TDy 2 ( Are sin Ade cos ) Ae ( Are cos Ade sin ) 2 Ae
( Ad Ar sin(2 ) 2 Ard co s(2 ) AeB
(12)
Đối với kênh nghiêng
Phương trình chuyển động của kênh nghiêng theo định luật II Newton:
dH A
(13)
A/ I H A
dt
H A J A A/ I là momen động lượng cho kênh nghiêng. Chuyển động của kênh nghiêng
chỉ xung quanh trục e nên ta chỉ xét thành phần e trong biểu thức (13):
Ae Ae Tp TDp1 TDp 2
(14)
TDp1 ( Ade sin Are co s ) ( Bn BeBk ) ( Ade cos Are sin ) BnBe
(15)
1
2
( Ad Ar )cos(2 ) 2 Ard sin(2 ) BnBk ( Ad Ar )sin(2 ) 2 Ard cos(2 ) Bn
2
1
2
TDp 2 ( Are sin co s ) Bk ( Ad Ar )sin(2 ) 2 Ard cos(2 ) Bk
(16)
2
Ảnh hưởng do mất cân bằng tĩnh
Mất cân bằng tĩnh gây nên do khối tâm của một vật rắn khơng nằm trên trục quay của
nó. Khi vật rắn quay với gia tốc sẽ gây ra momen lực qn tính ly tâm lên trục quay của nó
làm vật rắn bị rung lắc mạnh trong q trình quay. Đối với hệ gimbal 2 trục được xét trong
bài báo này trường hợp tương tự cũng xảy ra. Hai kênh nghiêng và kênh xoay về lý tưởng
sẽ có khối tâm nằm trên trục quay của mỗi kênh, nhưng trong thực tế do thiết kế phần
cứng không đảm bảo nên khối tâm thường không nằm trên trục quay. Do đó trong q
trình chuyển động quay của 2 kênh đều có những momen nhiễu tác động lên. Đặc biệt khi
làm việc trong những mơi trường rung lắc thì chuyển động quay của bệ đặt của hệ càng
gây ra tăng các momen lực qn tính lý tâm do mất cân bằng tĩnh.
Trong [3], để nghiên cứu sự ảnh hưởng của những momen nhiễu do sự mất cân bằng
tĩnh gây lên 2 kênh của hệ EOTS, xét 1 hệ quy chiếu XYZ (trục Y trùng với trục k, trục Z
trùng với trục e) và giả sử khối tâm của bệ đặt nằm trên trục quay của bệ đặt. Khi đó 2
momen nhiễu tác động lên 2 kênh nghiêng và xoay lần lượt là:
T
J sp m p arp co s(m p )
J sy my ary co s(m y )
(17)
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017
161
Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông
m p , my lần lượt là khối lượng của kênh nghiêng và kênh xoay; a là gia tốc của bệ;
p , y lần lượt là các góc lệch tâm của kênh nghiêng và kênh xoay; rp , y y là khoảng cách
lệch tâm (khoảng cách từ tâm tới trục quay) của kênh nghiêng và kênh xoay.
3. THIẾT KẾ VỊNG ỔN ĐỊNH TỐC ĐỘ
Nhiệm vụ chính của vịng ổn định tốc độ là ổn định tốc độ Ad Ae của kênh nghiêng
ln ổn định bám theo giá trị đặt từ vịng ngồi đưa vào bất kể sự ảnh hưởng từ nhiễu do
làm việc trong mơi trường rung lắc mạnh hay momen lực qn tính ly tâm.
Vịng ổn định tốc độ bên trong chứa một động cơ servo với nhiều đặc điểm nổi bật như
hiệu suất cao, momen quay cao so với tỉ lệ qn tính, tốc độ cao, ít ồn và đặc tính nhiễu
điện từ thấp.
Theo [9], các cơng thức điện áp của động cơ servo như sau:
di
dq
Rm i Lm dt K e dt um
2
dq
d q
Kq Tm TD
J m 2 Dm
dt
dt
Tm KT i
(18)
Hình 3. Sơ đồ khối cho động cơ servo.
Có thể thấy momen do động cơ phát ra chính là tín hiệu điều khiển cho các kênh
nghiêng và kênh xoay của hệ. Từ hình 4 ta thấy J m* J m J L là tổng momen quán tính
bao gồm momen quán tính động cơ và momen quán tính các kênh của hệ gimbal.
am* am aL là tổng hệ số ma sát nhớt. Ta có được hàm truyền của động cơ servo:
Gm ( s )
KT
( Ls R )( J am* ) K d KT
(19)
*
m
Thông số
Điện áp định mức (um )
Bảng 1. Thông số của động cơ servo được sử dụng.
Giá trị
Thông số
Giá trị
24V
0.85 Nm/A
Hằng số momen ( KTM )
Tốc độ không tải (0 )
303 rpm
Trở kháng ( Rm )
4.5
Hằng số EMF ( K d )
Momen quán tính roto Jm
0.85 V/rad/s
0.0017 Kg/ m2
0
0.003 H
Cảm thuần ( Lm )
Tỉ lệ hãm (am )
Thay các thơng số của động cơ thực tế vào, hàm truyền của động cơ khi đó là:
Gm ( s )
48850.5
s 2 1500 s 41523
(20)
162
N. M. Tiến, L. V. Định, …, “Điều khiển bám hệ quang điện tử… PID mờ thích nghi.”
Nghiên cứu khoa học cơng nghệ
Ngồi ra để đo tốc độ Ae Ad của kênh nghiêng ta sử dụng một con quay hồi tốc
(gyro scope). Con quay hồi tốc được đặt tại 2 trục e và d của kênh nghiêng. Tín hiệu từ
con quay hồi tốc được trả về bộ điều khiển để so sánh với tín hiệu đặt từ vịng điều khiển
bám bên ngồi.
Hàm truyền của gyro scope được rút ra như sau [6]:
2500
Ggyro 2
(21)
s 70 s 25000
4. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID THÍCH NGHI DỰA TRÊN GIẢI THUẬT MỜ
CHO VỊNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ
Cấu trúc của bộ điều khiển PID thích nghi mờ:
Hình 4. Cấu trúc bộ điều khiển PID thích nghi dựa trên giải thuật mờ.
Đầu vào của bộ điều khiển là sai số e(t) giữa vị trí đặt mong muốn và đầu ra; và tốc độ
của sự thay đổi sai số de/dt; đầu ra là các hệ số K p , Ki, K d . Cấu trúc giải thuật mờ bao
gồm 2 đầu vào và 3 đầu ra được chỉ ra trên hình 5
Hình 5. Cấu trúc giải thuật mờ.
Nhiệm vụ của khối mờ là thu được hệ số K p , Ki, K d tối ưu bằng cách áp dụng một số
điều chỉnh. Các hệ số K p , Ki , K d này đều được giới hạn trong 1 dải giá trị, tức:
K p [ K pM in , K pM ax ] K i [ K iM in , K iM ax ] K d [ K d Mi n , K d M ax ]
(22)
Dựa trên các kết quả đạt được từ bộ điều khiển PID trước đó, ta thu được dải giá trị của
3 thơng số K p , Ki , K d lần lượt là:
Đối với kênh nghiêng:
[ K pM in , K pM ax ] [25;75] [ KiM in , KiM ax ] [1;8] [ K dM in , K dM ax ] [1;9]
(23)
Đối với kênh xoay
[ K pM in , K pM ax ] [20;70] [ KiM in , KiM ax ] [2;10] [ KiM in , KiM ax ] [2,5;9,5]
(24)
Các hệ số K p , Ki , K d của bộ điều khiển PID thích nghi sẽ được xác định từ các hệ số
của bộ chỉnh định mờ theo biểu thức:
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2017
163
Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông
K p
K p K pMax
K pMax K pMin
;
Ki
Ki KiMax
;
KiMax KiMin
K d
K d K d Max
K d Max K d Min
(25)
Mờ hóa đầu vào cho e(t ), de(t ), K p , Ki , K d với các tập mờ NB, NM, NS, ZE, PS, PM,
PB tương ứng là âm lớn, âm vừa, âm nhỏ, khơng, dương nhỏ, dương lớn
Hình 6. Hàm liên thuộc của e(t)-de(t) cho 2 kênh.
Hình 7. Hàm liên thuộc của K p , Ki, K d
Hình 8. Cấu trúc tổng thể hệ thống điều khiển EOTS.
164
N. M. Tiến, L. V. Định, …, “Điều khiển bám hệ quang điện tử… PID mờ thích nghi.”