Nghiên cứu nâng cao chất lượng quá trình tự dẫn tên lửa trên cơ sở sử dụng kết hợp logic mờ và giải thuật di truyền
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.8 MB, 147 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ QUỐC PHÒNG
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
NGUYỄN MINH HỒNG
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG QUÁ TRÌNH TỰ DẪN
TÊN LỬA TRÊN CƠ SỞ SỬ DỤNG KẾT HỢP LOGIC MỜ
VÀ GIẢI THUẬT DI TRUYỀN
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI – NĂM 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ QUỐC PHÒNG
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
NGUYỄN MINH HỒNG
NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG QUÁ TRÌNH TỰ DẪN
TÊN LỬA TRÊN CƠ SỞ SỬ DỤNG KẾT HỢP LOGIC MỜ
VÀ GIẢI THUẬT DI TRUYỀN
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 62 52 02 16
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS PHẠM TRUNG DŨNG
2. TS ĐOÀN THẾ TUẤN
HÀ NỘI – NĂM 2016
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
một công trình nào khác.
Tác giả
Nguyễn Minh Hồng
Nguyễn Minh Hồng
ii
LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy giáo hướng dẫn
khoa học, PGS.TS Phạm Trung Dũng và TS Đoàn Thế Tuấn, đã định hướng,
kiểm tra kết quả nghiên cứu, giúp đỡ và khuyến khích tôi hoàn thành luận án.
Tôi cũng xin cảm ơn các nhà khoa học và tập thể cán bộ giáo viên Bộ
môn Tên lửa / Khoa Kỹ thuật điều khiển đã quan tâm đóng góp ý kiến giúp đỡ
tôi hoàn thiện nội dung nghiên cứu.
Tôi chân thành cảm ơn các đồng nghiệp trong Khoa Kỹ thuật điều khiển /
Học viện Kỹ thuật quân sự đã chia sẻ công việc giúp tôi có thời gian tập trung
thực hiện luận án.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp đã luôn
động viên khuyến khích giúp tôi có thêm nghị lực để hoàn thành nội dung
luận án.
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... ii
MỤC LỤC ............................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU .................................. vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .............................................................. ix
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................. xiii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC LUẬT DẪN TÊN LỬA TỰ DẪN ............. 7
1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu của nước ngoài ...................................... 7
1.1.1. Các luật dẫn kinh điển .......................................................................... 9
1.1.1.1. Dẫn ba điểm .................................................................................... 9
1.1.1.2. Dẫn đuổi........................................................................................ 10
1.1.1.3. Dẫn tiếp cận tỉ lệ ........................................................................... 12
1.1.1.4. Một số hạn chế của luật dẫn kinh điển ......................................... 13
1.1.2. Các luật dẫn sử dụng lý thuyết điều khiển hiện đại ............................ 13
1.1.2.1. Dẫn tối ưu ..................................................................................... 14
1.1.2.2. Dẫn dự báo .................................................................................... 15
1.1.2.3. Dẫn trò chơi vi phân ..................................................................... 15
1.1.2.4. Một số hạn chế của các luật dẫn đã được phát triển trên cơ sở lý
thuyết điều khiển hiện đại .......................................................................... 16
1.1.3. Các luật dẫn sử dụng các công cụ của điều khiển thông minh ........... 17
1.1.3.1. Các luật dẫn sử dụng mạng neural................................................ 19
1.1.3.2. Các luật dẫn sử dụng logic mờ ..................................................... 20
1.1.3.3. Một số hạn chế của các luật dẫn đã được phát triển trên cơ sở sử
dụng các công cụ của điều khiển thông minh............................................ 21
1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước ............................................ 22
1.3. Đặt vấn đề nghiên cứu .............................................................................. 23
1.4. Kết luận chương ........................................................................................ 24
iv
Chương 2: ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA LUẬT DẪN TIẾP CẬN TỈ LỆ
VÀ LUẬT DẪN TIẾP CẬN TỈ LỆ MỜ............................................................. 26
2.1. Quan hệ động hình học tên lửa – mục tiêu trong mặt phẳng đứng ........... 27
2.2. Đánh giá chất lượng của luật dẫn tiếp cận tỉ lệ và luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ
khi mục tiêu cơ động ........................................................................................ 33
2.2.1. Đánh giá tác động sự cơ động của mục tiêu lên luật dẫn tiếp cận tỉ lệ
dựa vào biểu thức giải tích ............................................................................ 33
2.2.2. Xây dựng luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ .................................................... 37
2.2.3. Kết quả khảo sát đánh giá tác động của mục tiêu cơ động lên luật dẫn
tiếp cận tỉ lệ và luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ bằng phương pháp số.................. 42
2.3. Đánh giá ảnh hưởng của nhiễu đến chất lượng của luật dẫn tiếp cận tỉ lệ
và luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ ............................................................................. 47
2.3.1. Đánh giá ảnh hưởng của nhiễu đến chất lượng của luật dẫn tiếp cận tỉ
lệ bằng phương pháp giải tích ....................................................................... 48
2.3.2. Đánh giá ảnh hưởng của nhiễu đến chất lượng của hệ thống dẫn sử dụng
luật dẫn tiếp cận tỉ lệ và luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ bằng phương pháp số ........ 58
2.3.2.1. Mô hình nhiễu tản mát tâm phản xạ ............................................. 58
2.3.2.2. Mô hình nhiễu pha-đinh ............................................................... 60
2.3.2.3. Kết quả khảo sát............................................................................ 60
2.4. Kết luận chương 2 ..................................................................................... 64
Chương 3: TỐI ƯU HOÁ LUẬT DẪN TIẾP CẬN TỈ LỆ MỜ DỰA TRÊN
GIẢI THUẬT DI TRUYỀN ............................................................................... 65
3.1. Giải thuật di truyền ................................................................................... 65
3.1.1. Khái niệm ............................................................................................ 65
3.1.2. Cấu trúc giải thuật di truyền ............................................................... 66
3.2. Tối ưu luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ bởi giải thuật di truyền ......................... 72
3.2.1. Tối ưu hàm liên thuộc của luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ bởi giải thuật di
truyền ............................................................................................................ 73
3.2.1.1. Cấu trúc luật dẫn vi phân tỉ lệ mờ tối ưu hàm liên thuộc ............. 73
3.2.1.2. Giải thuật di truyền tối ưu hàm liên thuộc .................................... 78
v
3.2.2. Tối ưu hệ quy tắc mờ của luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ bởi giải thuật di
truyền ............................................................................................................ 79
3.2.2.1. Cấu trúc luật dẫn vi phân tỉ lệ mờ tối ưu hệ quy tắc mờ .............. 80
3.2.2.2. Giải thuật di truyền tối ưu hệ quy tắc mờ ..................................... 84
3.2.3. Tối ưu hàm liên thuộc và hệ quy tắc mờ của luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ
bởi giải thuật di truyền .................................................................................. 84
3.2.3.1. Cấu trúc luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ tối ưu ..................................... 85
3.2.3.2. Giải thuật di truyền tối ưu hàm liên thuộc và hệ quy tắc mờ ....... 85
3.3. Kết luận chương 3 ..................................................................................... 86
Chương 4: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ LUẬT DẪN TIẾP CẬN TỈ LỆ MỜ TỐI
ƯU ....................................................................................................................... 88
4.1. Phương pháp và điều kiện khảo sát .......................................................... 88
4.2. Luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ tối ưu hàm liên thuộc ......................................... 89
4.2.1. Kết quả thực hiện giải thuật di truyền ................................................ 89
4.2.2. Kết quả khảo sát luật dẫn .................................................................... 93
4.2.3. Nhận xét .............................................................................................. 99
4.3. Luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ tối ưu hệ quy tắc mờ ..................................... 100
4.3.1. Kết quả thực hiện giải thuật di truyền .............................................. 100
4.3.2. Kết quả khảo sát luật dẫn .................................................................. 102
4.3.3. Nhận xét ............................................................................................ 108
4.4. Luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ tối ưu hàm liên thuộc và hệ quy tắc mờ.............. 108
4.4.1. Kết quả thực hiện giải thuật di truyền .............................................. 108
4.4.2. Kết quả khảo sát ................................................................................ 113
4.4.3. Nhận xét ............................................................................................ 119
4.5. Kết luận chương 4 ................................................................................... 119
KẾT LUẬN CHUNG ........................................................................................ 120
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ ............................................... 123
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 124
vi
DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
1. Bảng chữ cái viết tắt
TLPK
Tên lửa phòng không
TLKQ
Tên lửa không quân
PK-KQ
Phòng không – Không quân
UAV
Thiết bị bay không người lái
APN
Tiếp cận tỉ lệ tăng cường
PID
Vi – tích phân tỉ lệ
PN
Tiếp cận tỉ lệ
PF
Tỉ lệ mờ
Vi phân tỉ lệ mờ
PIF
Tích phân tỉ lệ mờ
BN
Âm lớn
MN
Âm vừa
SN
Âm nhỏ
Z
Không
SP
Dương nhỏ
MP
Dương vừa
BP
Dương lớn
GA
Giải thuật di truyền
VĐK
Vòng điều khiển
ĐHH
Động hình học
vii
2. Bảng ký hiệu
Ký hiệu
Đơn vị
/
/
/
/
/
∥
/
/
/
/
/
/
Ý nghĩa
Hệ tọa độ gắn với mặt đất
(nằm trong mặt phẳng phương vị)
Hệ tọa độ quy tắc mờ
Vận tốc tên lửa
Vận tốc mục tiêu
Vận tốc tiếp cận tên lửa – mục tiêu
Lệnh gia tốc pháp tuyến tên lửa
Thành phần vuông góc với đường ngắm tên lửa –
mục tiêu của lệnh gia tốc pháp tuyến tên lửa
Thành phần song song với đường ngắm tên lửa – mục
tiêu của lệnh gia tốc pháp tuyến tên lửa
Giá trị cực đại của
Gia tốc pháp tuyến mục tiêu
Quá tải mục tiêu
Gia tốc pháp tuyến tên lửa
Khoảng cách giữa tên lửa và mục tiêu
Tọa độ tên lửa trên trục X
Tọa độ tên lửa trên trục Y
Tọa độ mục tiêu trên trục X
Tọa độ mục tiêu trên trục Y
Góc đường ngắm tên lửa – mục tiêu
Tốc độ góc đường ngắm tên lửa – mục tiêu
Gia tốc góc đường ngắm tên lửa – mục tiêu
Góc đường bay của mục tiêu
Góc đón
Sai số góc đón
Tọa độ tên lửa trên trục Y trong trường hợp tuyến
tính
Tọa độ mục tiêu trên trục Y trong trường hợp tuyến
tính
Khoảng cách tương đối tên lửa – mục tiêu trên trục Y
trong trường hợp tuyến tính
Hệ số dẫn
Toán tử Laplace
Hằng số thời gian của khâu quán tính mô tả động học
của tên lửa
viii
Thời điểm gặp
Thời điểm bắt đầu cơ động
Thời điểm hết cơ động
Giá trị của gia tốc trọng trường
9.81 /
Nhiễu tản mát tâm phản xạ
Nhiễu pha-đinh
Hàm mật độ phổ công suất của nhiễu tản mát tâm
phản xạ
Hàm mật độ phổ công suất của nhiễu pha-đinh
Độ trượt tại thời điểm gặp
Độ lệch quân phương độ trượt gây ra bởi nhiễu tản
mát tâm phản xạ
Độ lệch quân phương độ trượt gây ra bởi nhiễu phađinh
Giá trị căn quân phương của độ trượt khi nhiễu tản
mát tâm phản xạ tác động vào hệ thống
Giá trị căn quân phương của độ trượt khi nhiễu phađinh tác động vào hệ thống
Kích thước quần thể
Xác suất lai ghép
Xác suất đột biến
Tham số xác định mức độ phụ thuộc vào số lần lặp
trong phép đột biến không đồng nhất
Các chuỗi nhiễm sắc thể bố mẹ
Chuỗi nhiễm sắc thể con
Xác suất chọn lọc
Quần thể cá thể ban đầu
Quần thể cá thể mới
Cá thể thứ k của quần thể ban đầu
Các thể thứ k của quần thể mới
Giá trị chặn dưới của nhiễm sắc thể con
Giá trị chặn trên của nhiễm sắc thể con
Nhiễm sắc thể sau khi bị đột biến
Hàm thích nghi
Bộ số xác định hình dạng của hàm liên thuộc
Các đường lưới của hệ tọa độ quy tắc mờ
Các điểm khởi tạo của hệ tọa độ quy tắc mờ
Φ
/
Φ
/
,
,
,
,…,
,…,
,…,
.
, ,
,
ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
STT
Tên hình vẽ, đồ thị
Trang
1
Hình 2.1. Quan hệ động hình học tên lửa – mục tiêu trong mặt
phẳng đứng
27
2
Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc vòng điều khiển sử dụng luật dẫn tiếp
cận tỉ lệ
33
3
Hình 2.3. Sự phụ thuộc của tỉ số
4
Hình 2.4. Sơ đồ cấu trúc sử dụng luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ
38
5
Hình 2.5. Các tập mờ chuẩn hóa của các biến vào - ra
40
6
Hình 2.6. Mô tả phương pháp đưa ra hệ quy tắc mờ
42
7
Hình 2.7a. Gia tốc pháp tuyến tên lửa
44
8
Hình 2.7b. Quỹ đạo tên lửa – mục tiêu
44
9
Hình 2.8a. Gia tốc pháp tuyến tên lửa
45
10
Hình 2.8b. Quỹ đạo tên lửa – mục tiêu
46
11
Hình 2.9. Sơ đồ cấu trúc vòng tự dẫn sử dụng luật dẫn tiếp cận tỉ
lệ với tác động của nhiễu
50
12
Hình 2.10. Sơ đồ cấu trúc liên hợp của hệ thống dẫn
52
13
Hình 2.11. Độ lệch quân phương của độ trượt do tác động của
nhiễu tản mát tâm phản xạ
54
14
Hình 2.12. Độ lệch quân phương của độ trượt khi có nhiễu phađinh tác động
56
15
Hình 2.13. Dạng tín hiệu của nhiễu tản mát tâm phản xạ
58
16
Hình 2.14. Sơ đồ cấu trúc vòng điều khiển sử dụng luật dẫn tiếp
cận tỉ lệ và luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ có nhiễu tác động
62
17
Hình 3.1. Minh họa quá trình tối ưu hóa của giải thuật di truyền
67
18
Hình 3.2. Thuật toán chọn lọc sắp hạng tuyến tính
69
19
Hình 3.3. Lai ghép
70
/
vào hệ số dẫn và tỉ số /
36
x
20
Hình 3.4. Sơ đồ cấu trúc luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ có hàm liên
thuộc tối ưu
75
21
Hình 3.5a. Các hàm liên thuộc của biến ngôn ngữ đầu vào
77
22
Hình 3.5b. Các hàm liên thuộc của biến ngôn ngữ đầu vào
78
23
Hình 3.6. Mã hóa lời giải bài toán tối ưu luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ
78
24
Hình 3.7. Sơ đồ cấu trúc luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ có hệ quy tắc
mờ tối ưu
80
25
Hình 3.8. “Hệ tọa độ quy tắc mờ” dùng để xác định hệ quy tắc mờ
82
26
Hình 3.9. Mã hóa lời giải bài toán tối ưu luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ
84
27
Hình 3.10. Mã hóa lời giải bài toán tối ưu luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ
85
28
Hình 3.11. Sơ đồ cấu trúc luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ có hàm liên
thuộc và hệ quy tắc mờ tối ưu
86
29
Hình 4.1. Giá trị hàm thích nghi cực đại qua các thế hệ
89
30
Hình 4.2. Các hàm liên thuộc của biến ngôn ngữ đầu vào
90
31
Hình 4.3. Các hàm liên thuộc của biến ngôn ngữ đầu vào
90
32
Hình 4.4. Các hàm liên thuộc của biến ngôn ngữ đầu ra
90
33
Hình 4.5. Mặt đặc tính của luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ tối ưu
91
34
Hình 4.6. Giá trị hàm thích nghi qua các thế hệ
91
35
Hình 4.7. Các hàm liên thuộc của biến ngôn ngữ đầu vào
92
36
Hình 4.8. Các hàm liên thuộc của biến ngôn ngữ đầu vào
92
37
Hình 4.9. Các hàm liên thuộc của biến ngôn ngữ đầu ra
92
38
Hình 4.10. Mặt đặc tính của luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ tối ưu
93
39
Hình 4.11. Quỹ đạo tên lửa – mục tiêu
93
40
Hình 4.12. Gia tốc pháp tuyến tên lửa
94
41
Hình 4.13. Quỹ đạo tên lửa – mục tiêu
95
xi
42
Hình 4.14. Gia tốc pháp tuyến tên lửa
95
43
Hình 4.15. Quỹ đạo tên lửa – mục tiêu
96
44
Hình 4.16. Gia tốc pháp tuyến tên lửa
97
45
Hình 4.17. Quỹ đạo tên lửa – mục tiêu
98
46
Hình 4.18. Gia tốc pháp tuyến tên lửa
98
47
Hình 4.19. Giá trị hàm thích nghi qua các thế hệ
100
48
Hình 4.20. Mặt đặc tính của luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ tối ưu
100
49
Hình 4.21. Giá trị hàm thích nghi qua các thế hệ
101
50
Hình 4.22. Mặt đặc tính của luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ tối ưu
101
51
Hình 4.23. Quỹ đạo tên lửa – mục tiêu
102
52
Hình 4.24. Gia tốc pháp tuyến tên lửa
102
53
Hình 4.25. Quỹ đạo tên lửa – mục tiêu
103
54
Hình 4.26. Gia tốc pháp tuyến tên lửa
104
55
Hình 4.27. Quỹ đạo tên lửa – mục tiêu
105
56
Hình 4.28. Gia tốc pháp tuyến tên lửa
105
57
Hình 4.29. Quỹ đạo tên lửa – mục tiêu
106
58
Hình 4.30. Gia tốc pháp tuyến tên lửa
107
59
Hình 4.31. Giá trị hàm thích nghi qua các thế hệ
108
60
Hình 4.32. Hàm liên thuộc tối ưu của các tập mờ đầu vào
109
61
Hình 4.33. Hàm liên thuộc tối ưu của các tập mờ đầu vào
109
62
Hình 4.34. Hàm liên thuộc tối ưu của các tập mờ đầu ra
110
63
Hình 4.35. Mặt đặc tính của luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ có hàm liên
thuộc và hệ quy tắc mờ tối ưu
110
64
Hình 4.36. Giá trị hàm thích nghi qua các thế hệ
111
65
Hình 4.37. Hàm liên thuộc tối ưu của các tập mờ đầu vào
111
xii
66
Hình 4.38. Hàm liên thuộc tối ưu của các tập mờ đầu vào
111
67
Hình 4.39. Hàm liên thuộc tối ưu của các tập mờ đầu ra
112
68
Hình 4.40. Mặt đặc tính của luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ có hàm liên
thuộc và hệ quy tắc mờ tối ưu
112
69
Hình 4.41. Quỹ đạo tên lửa – mục tiêu
113
70
Hình 4.42. Gia tốc pháp tuyến tên lửa
113
71
Hình 4.43. Quỹ đạo tên lửa – mục tiêu
114
72
Hình 4.44. Gia tốc pháp tuyến tên lửa
115
73
Hình 4.45. Quỹ đạo tên lửa – mục tiêu
116
74
Hình 4.46. Gia tốc pháp tuyến tên lửa
116
75
Hình 4.47. Quỹ đạo tên lửa – mục tiêu
117
76
Hình 4.48. Gia tốc pháp tuyến tên lửa
118
xiii
DANH MỤC CÁC BẢNG
STT
Tên bảng biểu
Trang
1
Bảng 2.1. Ý nghĩa các kí hiệu của các tập mờ
40
2
Bảng 2.2a. Hệ quy tắc mờ sử dụng cho luật dẫn tỉ lệ mờ
41
3
Bảng 2.2b. Hệ quy tắc mờ sử dụng cho luật dẫn vi phân tỉ lệ mờ
41
4
Bảng 2.2c. Hệ quy tắc mờ sử dụng cho luật dẫn tích phân tỉ lệ mờ
41
5
Bảng 2.3. Kết quả khảo sát tại thời điểm gặp
45
6
Bảng 2.4. Kết quả khảo sát tại thời điểm gặp
46
7
Bảng 2.5. Tổng hợp kết quả mô phỏng về độ trượt và lệnh gia tốc
pháp tuyến cực đại của các luật dẫn
63
8
Bảng 3.1. Hệ quy tắc mờ sử dụng cho luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ
tối ưu
74
9
Bảng 3.2. Hệ quy tắc mờ minh họa cho phương pháp “hệ tọa độ
quy tắc mờ”
81
10
Bảng 4.1. Kết quả khảo sát tại thời điểm gặp khi mục tiêu cơ
động 5g
94
11
Bảng 4.2. Kết quả khảo sát tại thời điểm gặp khi mục tiêu cơ
động -5g
96
12
Bảng 4.3. Kết quả khảo sát tại thời điểm gặp khi mục tiêu cơ
động 7g
97
13
Bảng 4.4. Kết quả khảo sát tại thời điểm gặp khi mục tiêu cơ
động -7g
99
14
Bảng 4.5. Hệ quy tắc mờ tối ưu nhận được
101
15
Bảng 4.6. Hệ quy tắc mờ tối ưu nhận được
102
16
Bảng 4.7. Kết quả khảo sát tại thời điểm gặp khi mục tiêu cơ
động 5g
103
17
Bảng 4.8. Kết quả khảo sát tại thời điểm gặp khi mục tiêu cơ
động -5g
104
xiv
18
Bảng 4.9. Kết quả khảo sát tại thời điểm gặp khi mục tiêu cơ
động 7g
106
19
Bảng 4.10. Kết quả khảo sát tại thời điểm gặp khi mục tiêu cơ
động -7g
107
20
Bảng 4.11. Hệ quy tắc mờ tối ưu nhận được
110
21
Bảng 4.12. Hệ quy tắc mờ tối ưu nhận được
112
22
Bảng 4.13. Kết quả khảo sát tại thời điểm gặp khi mục tiêu cơ
động 5g
114
23
Bảng 4.14. Kết quả khảo sát tại thời điểm gặp khi mục tiêu cơ
động -5g
115
24
Bảng 4.15. Kết quả khảo sát tại thời điểm gặp khi mục tiêu cơ
động 7g
117
25
Bảng 4.16. Kết quả khảo sát tại thời điểm gặp khi mục tiêu cơ
động -7g
118
1
MỞ ĐẦU
Một đặc điểm nổi bật trong thời đại ngày nay là quá trình giảm thiểu căng
thẳng giữa các quốc gia khác nhau và sự hình thành một hệ thống đảm bảo an
ninh tập thể. Tuy nhiên, sự tiến bộ của nhân loại xét từ quan điểm quy luật và lý
trí thì còn chưa đạt đến mức độ mà một quốc gia có thể không cần đến sự tồn tại
của quân đội. Nền độc lập và bản thân sự tồn tại của đất nước phụ thuộc vào khả
năng quốc phòng của đất nước đó.
Mặc dù hiện trạng nền kinh tế Việt Nam đang còn nhiều khó khăn, nhưng
những vấn đề về cải tiến các trang bị hiện có, chế tạo các hệ thống vũ khí mới
hiện đại chủ yếu mang tính chất phòng thủ, trong đó các hệ thống phòng không
vẫn là các vấn đề được quan tâm đặc biệt. Điều này có nguyên nhân là do các
nước chế tạo vũ khí hàng đầu thế giới đang đặc biệt chú trọng phát triển các hệ
thống phá hủy có độ chính xác cao cùng các phương tiện tấn công và hoàn thiện
các phương pháp sử dụng chúng một cách hiệu quả.
Việc chế tạo các thiết bị bay có các tính năng kỹ thuật chiến đấu cao, có
diện tích phản xạ hiệu dụng nhỏ và việc sử dụng rộng rãi gây nhiễu có tổ chức
để chế áp các tổ hợp tên lửa phòng không (TLPK) đã làm suy giảm chất lượng
khai thác thông tin về các tham số chuyển động của mục tiêu. Việc hoàn thiện
các phương pháp nhằm chọc thủng hệ thống phòng không và việc sử dụng các
dạng cơ động chống tên lửa cường độ cao vốn đang là các đặc trưng cơ bản của
vũ khí có độ chính xác cao và các phương tiện mang chúng. Tất cả các yếu tố đó
đang làm suy giảm năng lực tiêu diệt mục tiêu của các tổ hợp TLPK từ đó cần
thiết phải nâng cao độ chính xác dẫn tên lửa.
Để có thể tiêu diệt được các loại phương tiện tập kích đường không hiện
đại bằng hệ thống TLPK cần phải giải quyết các vấn đề then chốt sau:
+ Cải thiện khả năng cơ động của tên lửa bằng cách ứng dụng các phương
pháp tạo lực và mômen điều khiển mới;
+ Tăng khả năng chống nhiễu bằng các giải pháp kỹ thuật như: sử dụng tự
2
dẫn thụ động, hạn chế tối đa thời gian làm việc của đầu tự dẫn tích cực…
+ Tăng tốc độ và độ chính xác xử lý thông tin trên khoang nhờ ứng dụng
phương tiện tính toán số tốc độ cao;
+ Tối ưu hóa quỹ đạo bay của tên lửa bằng các phương pháp dẫn mới.
Cùng với việc cải thiện khả năng cơ động của TLPK, các giải pháp tối ưu
hóa quỹ đạo bay cũng góp phần đáng kể tăng hiệu quả tiêu diệt mục tiêu. Hầu
hết các giải pháp tối ưu hóa quỹ đạo bay của TLPK đều tập trung vào hai hướng:
nghiên cứu các thuật toán dẫn mới và hoàn thiện các thuật toán đã có.
Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, bài toán “Nghiên cứu nâng cao chất
lượng quá trình tự dẫn tên lửa trên cơ sở sử dụng kết hợp logic mờ và giải thuật
di truyền” được đặt ra với mục đích xây dựng và hoàn thiện một luật dẫn cho tên
lửa tự dẫn trong điều kiện có nhiễu và mục tiêu cơ động. Nhằm nâng cao độ chính
xác điều khiển trong giai đoạn tự dẫn khi tiêu diệt các loại mục tiêu.
Cơ sở khoa học của bài toán nghiên cứu phương pháp dẫn
- Ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại để tối ưu phương pháp dẫn;
- Lý thuyết logic mờ và ứng dụng trong điều khiển;
- Tổng hợp các bộ điều khiển mờ tối ưu bằng cách kết hợp logic mờ và giải
thuật di truyền;
- Lý thuyết lọc và xử lý tối ưu thông tin trong điều khiển;
- Sử dụng phương pháp liên hợp cho phép đánh giá chất lượng của hệ
thống tại các thời điểm cần quan tâm chỉ trong một lần tính toán thay vì
phải tính toán rất nhiều lần khi sử dụng phương pháp Monte Carlo;
- Khả năng ứng dụng những thành tựu mới của công nghệ máy tính số
trong việc giải các thuật toán của lý thuyết tập mờ, các thuật toán tập mờ
kết hợp giải thuật di truyền,… cho phép hiện thực hóa các phương pháp
dẫn với thuật toán phức tạp trên cơ sở nhiều nguồn thông tin bất định liên
quan đến mục tiêu.
3
Cơ sở thực tiễn của bài toán nghiên cứu phương pháp dẫn
Nhu cầu nâng cao chất lượng, hiệu quả của các phương pháp dẫn tên lửa
nói chung và các phương pháp tự dẫn cho TLPK nói riêng trong quá trình thiết
kế mới và nghiên cứu cải tiến các hệ thống điều khiển luôn luôn được đặt ra như
một nhu cầu thực tế, có tính cấp thiết liên quan tới sự phát triển không ngừng
của các loại mục tiêu đường không hiện đại.
Phạm vi, đối tượng nghiên cứu của luận án
Phạm vi nghiên cứu của luận án được hạn chế trong khuôn khổ bài toán
nâng cao chất lượng dẫn tên lửa sử dụng lý thuyết tập mờ và giải thuật di truyền.
Trong triển khai nghiên cứu, luận án sử dụng, kết hợp với các lý thuyết lọc - xử
lý tín hiệu tối ưu, lý thuyết tập mờ, giải thuật di truyền và lý thuyết mô hình hóa
hệ thống làm công cụ giải quyết các bài toán con.
Đối tượng nghiên cứu của luận án là lớp các tên lửa tự dẫn.
Để chứng minh kiểm chứng chất lượng và hiệu quả của luật dẫn được
hoàn thiện, luận án sử dụng cấu trúc đầy đủ của một vòng điều khiển tự dẫn
khép kín để khảo sát, đánh giá. Tuy nhiên, trong cấu trúc vòng điều khiển kín sử
dụng để khảo sát, những khâu nằm ngoài phạm vi nghiên cứu của luận án sẽ
được lý tưởng hóa hoặc giả thiết dưới dạng các khâu có tham số và động học
biết trước.
Mục đích nghiên cứu
Mục đích lý thuyết:
- Ứng dụng lý thuyết tập mờ và giải thuật di truyền để nâng cao chất lượng
của luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ có tính tới ảnh hưởng của nhiễu và sự cơ động của
mục tiêu.
Mục đích thực nghiệm:
- Kiểm chứng tính đúng đắn của thuật toán dẫn đề xuất thông qua khảo
sát, phân tích và đối chiếu quá tải yêu cầu và độ trượt tại thời điểm gặp của luật
4
dẫn tiếp cận tỉ lệ với các luật dẫn sau hoàn thiện trong điều kiện nhiễu và mục
tiêu hiện đại cơ động bằng phương pháp mô phỏng.
Nội dung nghiên cứu của luận án gồm:
Căn cứ mục đích, phạm vi và đối tượng nghiên cứu, căn cứ phương pháp
xây dựng các bài toán cần phải giải, bố cục của luận án được trình bày như sau:
Mở đầu
Đặt vấn đề nghiên cứu.
Chương 1: Tổng quan về các luật dẫn tên lửa tự dẫn
Trong chương 1, luận án nêu tổng quan các luật dẫn tên lửa tự dẫn:
- Phân tích các công trình nghiên cứu trong nước và ngoài nước.
- Phân tích ưu điểm và hạn chế của các luật dẫn kinh điển gồm dẫn ba
điểm, dẫn đuổi và dẫn tiếp cận tỉ lệ.
- Phân tích ưu điểm và hạn chế của các luật dẫn sử dụng lý thuyết điều
khiển hiện đại gồm dẫn tối ưu, dẫn dự báo và dẫn trò chơi vi phân.
- Phân tích ưu điểm và hạn chế của những luật dẫn sử dụng các công cụ của
điều khiển thông minh.
- Trên cơ sở các phân tích trên luận án đặt ra vấn đề cần nghiên cứu và
hướng giải quyết vấn đề để nâng cao chất lượng dẫn tên lửa.
Chương 2: Đánh giá chất lượng của luật dẫn tiếp cận tỉ lệ và luật dẫn tiếp
cận tỉ lệ mờ
Để đánh giá chất lượng của các luật dẫn, chương hai luận án đã giải quyết
các nội dung:
- Xây dựng quan hệ động hình học của mục tiêu và tên lửa trong mặt phẳng
đứng.
- Đánh giá chất lượng của luật dẫn tiếp cận tỉ lệ cổ điển với các luật dẫn mờ
trong điều kiện mục tiêu cơ động.
- Đánh giá chất lượng của luật dẫn tiếp cận tỉ lệ cổ điển với các luật dẫn mờ
5
trong điều kiện nhiễu.
Chương 3: Tối ưu hóa luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ dựa trên giải thuật di truyền
Dựa trên nội dung được nghiên cứu trong chương 2 của luận án,
chương 3 thực hiện thiết kế luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ tối ưu trên cơ sở luật
dẫn vi phân tỉ lệ mờ.
- Phân tích cấu trúc giải thuật di truyền và ứng dụng trong lĩnh vực điều khiển.
- Đề xuất ba thuật toán tối ưu hoá luật dẫn mờ bởi giải thuật di truyền:
+ Tối ưu hoá hàm liên thuộc của luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ;
+ Tối ưu hoá quy tắc mờ của luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ;
+ Tối ưu hoá hàm liên thuộc và quy tắc mờ của luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ.
Chương 4: Đánh giá hiệu quả luật dẫn tiếp cận tỉ lệ mờ tối ưu
- Nội dung chương 4 thực hiện các thực nghiệm khảo sát, đánh giá hiệu quả
của luật dẫn đề xuất trên cơ sở mô hình động học của VĐK kín tự dẫn với các
dạng và mức độ cơ động khác nhau của mục tiêu.
- Hiệu quả của luật dẫn đề xuất được đánh giá thông qua các tham số: quá tải
yêu cầu đối với tên lửa; độ trượt tại điểm gặp khi mục tiêu cơ động với các dạng
và mức độ khác nhau. Trên cơ sở đó để kết luận mức độ hoàn thiện luật dẫn.
Phần kết luận
Khẳng định và nêu rõ những kết quả nghiên cứu đã đạt được trong luận
án. Chỉ ra những đóng góp khoa học mới của luận án và những công trình khoa
học mà tác giả đã công bố. Kiến nghị, đề xuất hướng ứng dụng và phát triển
những kết quả nghiên cứu.
Đánh giá tính thực tiễn, tính khoa học và đóng góp mới của luận án
Tính thực tiễn:
- Với công nghệ và kỹ thuật hiện nay, phương pháp dẫn đề xuất hoàn toàn
có khả năng hiện thực hóa trong thực tế. Tuy nhiên cần xem xét kỹ hơn về vấn
6
đề xử lý để đảm bảo tính thời gian thực khi áp dụng mô hình cụ thể.
- Kết quả nghiên cứu của luận án có thể sử dụng trong giảng dạy và nghiên
cứu phát triển các phương pháp tự dẫn tên lửa.
Tính khoa học của luận án:
- Việc ứng dụng các lý thuyết điều khiển hiện đại để giải quyết các vấn đề
nhằm nâng cao chất lượng trong các phương pháp dẫn tên lửa truyền thống là
vấn đề luôn có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Luận án được xây dựng theo
hướng hoàn thiện phương pháp dẫn tiếp cận tỉ lệ nhằm nâng cao xác suất tiêu
diệt mục tiêu trong điều kiện có tác động của nhiễu và mục tiêu cơ động trên cơ
sở ứng dụng lý thuyết mờ kết hợp với giải thuật di truyền.
Đóng góp mới của luận án:
- Luận án đã khảo sát chất lượng của các luật dẫn khi có tính tới sự tác
động của hai loại nhiễu ảnh hưởng trực tiếp đến các hệ thống đầu tự dẫn vô
tuyến với mô hình cụ thể, đảm bảo sát với thực tế.
- Trên cơ sở xây dựng và mô phỏng các luật dẫn PF, PDF và PIF, luận án
đã chỉ ra rằng ứng dụng logic mờ có thể cải thiện chất lượng phương pháp dẫn
tiếp cận tỉ lệ, trong đó PDF cho kết quả tốt nhất trong 3 luật dẫn mờ nói trên.
- Ứng dụng giải thuật di truyền với các phương pháp chọn lọc, lai ghép và
đột biến phù hợp để đề xuất các thuật toán tối ưu hóa tham số luật dẫn tiếp cận tỉ
lệ xây dựng trên cơ sở logic mờ.
7
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC LUẬT DẪN TÊN LỬA TỰ DẪN
Quân chủng Phòng không – Không quân (PK-KQ) Việt Nam là một bộ
phận của Quân đội Nhân dân Việt Nam. Lực lượng PK-KQ Việt Nam có vị trí,
vai trò và nhiệm vụ bảo vệ vùng trời vùng biển thuộc chủ quyền đất nước. Yêu
cầu nhiệm vụ của lực lượng PK-KQ Việt Nam trong giai đoạn mới rất nặng nề.
Và đặc biệt quan trọng trong điều kiện phát triển kinh tế và bảo vệ chủ quyền
khi tranh chấp đang nóng lên trên Biển Đông, những dấu hiệu về nguy cơ mất an
ninh quốc tế và an ninh khu vực Đông Nam Á nói chung và an ninh chủ quyền
quốc gia nói riêng vẫn còn hiện hữu dưới nhiều hình thức khác nhau. Do đó,
trong giai đoạn mới, cùng với sự phát triển của nền kinh tế, lực lượng PK-KQ
Việt Nam có định hướng trên một tầm cao mới và là một trong các quân binh
chủng được ưu tiên “tiến thẳng lên hiện đại”. Điều này đòi hỏi cần phải có sự
phát triển cả về mặt vũ khí trang bị kỹ thuật cũng như con người. Đi kèm theo
đó là các cơ sở hậu cần kỹ thuật và nghiên cứu phát triển khoa học công nghệ
ứng dụng.
Tuy nhiên, do kinh tế đất nước còn khó khăn nên nguồn lực tài chính
cung cấp cho lực lượng PK-KQ còn hạn chế. Do đó bên cạnh việc mua sắm
trang bị những tổ hợp tên lửa thế hệ mới – hiện đại thì công tác cải tiến để nâng
cao hiệu quả chiến đấu của những hệ thống TLPK đang có là nhiệm vụ cần thiết.
Xuất phát từ điều đó, luận án xác định đối tượng nghiên cứu là lớp các tên
lửa tự dẫn. Mục đích của luận án là tổng hợp một luật dẫn mới từ việc ứng dụng
công cụ logic mờ và giải thuật di truyền để nâng cao chất lượng bắn của các tên
lửa tự dẫn.
1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu của nước ngoài
Mục tiêu của hệ thống dẫn trong các tên lửa tự dẫn chiến thuật là tạo ra các
lệnh phù hợp để tên lửa tiếp cận đến mục tiêu sao cho khoảng cách giữa tên lửa và
mục tiêu tại thời điểm gặp nhỏ nhất. Trong thực tế, quá trình dẫn phụ thuộc vào rất
8
nhiều yếu tố ràng buộc về mặt vật lý như: thời gian tự dẫn, khả năng cơ động của
tên lửa, tác động của các yếu tố bên ngoài,... Và đặc biệt là yếu tố thời gian, các tên
lửa chiến thuật đất đối không và không đối không thường có thời gian tự dẫn nhỏ
hơn 50 s [22]. Như vậy trong khoảng thời gian ngắn này, hệ thống dẫn phải tạo ra
các lệnh dẫn (đảm bảo các điều kiện vật lý của tên lửa) để tên lửa tiêu diệt được
mục tiêu. Vậy nên vấn đề chính ở đây là: hệ thống dẫn sử dụng các thông tin đang
có như thế nào để nó tạo ra các lệnh dẫn phù hợp cho phép tên lửa tiêu diệt được
mục tiêu.
Nghiên cứu, cải tiến, phát triển các phương pháp dẫn là vấn đề đã được
quan tâm từ rất sớm. Các luật dẫn được đề xuất đầu tiên và thử nghiệm là các
luật dẫn kinh điển. Chúng có các ưu điểm chính sau [20, 22, 49]:
- Dễ hiểu.
- Dễ thực hiện.
- Cần ít thông tin.
Cho tới năm 1960, với sự phát triển nhanh chóng của lý thuyết điều khiển
tối ưu thì các luật dẫn với cơ sở lý thuyết chặt chẽ đã bắt đầu xuất hiện – luật
dẫn dựa trên lý thuyết điều khiển hiện đại. Lý thuyết điều khiển tối ưu là cơ sở
để giải quyết các bài toán tối ưu động. Những bài toán mà ở đó lý thuyết điều
khiển tối ưu được áp dụng liên quan tới việc tối ưu một vài chỉ tiêu chất lượng
dưới các điều kiện ràng buộc cụ thể. Sau đó không lâu, người ta phát hiện ra
rằng với khả năng tính toán hiện có không thể tìm được lời giải tối ưu cho một
bài toán dẫn phi tuyến. Khi đó người ta phải chấp nhận xét bài toán ở dạng tuyến
tính và hy vọng có thể tìm được lời giải dễ dàng hơn. Có nhiều cách tiếp cận,
một trong những cách tiếp cận cho lời giải đơn giản nhất là tuyến tính dạng toàn
phương.
Gần đây, một hướng phát triển mới để xây dựng các luật dẫn tên lửa là áp
dụng các phương pháp điều khiển thông minh. Điều khiển thông minh là một
phương pháp điều khiển mà ở đó không cần sự tham gia của con người trong
9
việc đưa ra các quyết định điều khiển, ngoài ra nó còn có khả năng học, thích
nghi với sự thay đổi của tác động đầu vào. Mạng neural, logic mờ và giải thuật
di truyền, lập trình tiến hóa là những công cụ chủ yếu được sử dụng trong các
ứng dụng của điều khiển thông minh. Trong lĩnh vực dẫn tên lửa, hai công cụ
được sử dụng nhiều nhất là mạng neural và logic mờ [20, 62].
Từ những phân tích ở trên, các luật dẫn cho tên lửa tự dẫn có thể được
phân chia thành 3 nhóm chính sau:
- Các luật dẫn kinh điển.
- Các luật dẫn sử dụng lý thuyết điều khiển hiện đại.
- Các luật dẫn sử dụng công cụ điều khiển thông minh.
1.1.1. Các luật dẫn kinh điển
Người có công đầu tiên trong việc đưa ra những nguyên lý căn bản của
quá trình dẫn phải kể đến Locke [76]. Kể từ đó, một số lượng lớn các phương
pháp dẫn đã được đề xuất để nâng cao hiệu quả dẫn, thích nghi với những nhiễu
loạn tác động từ môi trường. Những phương pháp dẫn này phần lớn dựa trên lý
thuyết điều khiển kinh điển. Đến nay, những luật dẫn kinh điển phổ biến sau:
dẫn ba điểm; dẫn đuổi; dẫn tiếp cận tỉ lệ.
1.1.1.1. Dẫn ba điểm
Phương pháp dẫn này còn có tên gọi khác là dẫn theo đường ngắm, luật
dẫn sẽ luôn giữ cho tên lửa nằm trên đường ngắm nối giữa vị trí của mục tiêu
với thiết bị bám sát. Đây là phương pháp dẫn đã được áp dụng cho những loại
vũ khí có điều khiển đầu tiên trên thế giới. Đó là khi Werner Siemen đề xuất với
Bộ Quốc phòng Phổ (tháng 8 – 1870) một quả ngư lôi gắn bên dưới một chiếc
thuyền buồm và được điều khiển bởi các xung khí nén truyền qua các ống cao
su. Các lệnh được truyền từ một trạm điều khiển được đặt trên mặt đất hoặc trên
tàu. Vị trí của thuyền có gắn ngư lôi được đánh dấu bởi một bóng đèn. Cuối
cùng thì hệ thống này cũng đã được phát triển và triển khai cho Hải quân Đức
vào năm 1916. Khi này, những chiếc thuyền gắn ngư lôi đã được đẩy bởi những
