Nghiên cứu phân tích và tổng hợp thiết kế động lực học tối ưu máy lái điện khí tên lửa đối hải (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

TĂNG XUÂN LONG

NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP THIẾT KẾ
ĐỘNG LỰC HỌC TỐI ƯU MÁY LÁI ĐIỆN - KHÍ
TÊN LỬA ĐỐI HẢI

Chuyên ngành: CƠ KỸ THUẬT
Mã số: 62 52 01 01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội-2017


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS. TS Trịnh Hồng Anh
2. TS. Hồ Xuân Vĩnh
Phản biện 1: GS. TSKH. Nguyễn Đông Anh
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
Phản biện 2: PGS. TS. Ngô Sỹ Lộc
Đại học Bách khoa Hà Nội
Phản biện 3: PGS. TS. Nguyễn Văn Chúc

Viện Khoa học và Công nghệ quân sự

Luận án sẽ được bảo vệ tại hội đồng chấm luận án tiến sĩ và họp
tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào hồi .....giờ, ngày....
tháng.....năm 2017

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự
- Thư viện Quốc gia Việt Nam


1
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của luận án: Máy lái điện - khí tên lửa tên lửa đối
hải (TLĐH) là một dạng đặc thù của hệ thống truyền động tự động bám
điện - thủy - khí, nó thực hiện chức năng tự động chấp hành tín hiệu điều
khiển từ máy tính trên khoang để điều khiển cánh lái khí động, lái tên lửa
bay theo quỹ đạo tính toán đến mục tiêu cần tiêu diệt.
Hiện tại, trong các dự án chuyển giao công nghệ lắp ráp, chế tạo tên
lửa ở nước ta, vì những lý do khác nhau đối tác không chuyển giao các tài
liệu chuyên ngành liên quan đến lý thuyết tính toán, thiết kế máy lái điện khí TLĐH. Mặt khác, các tài liệu nghiên cứu về động lực học hệ thống
truyền động tự động bám điện - thủy - khí ứng dụng trong máy lái tên lửa
có tính đến các đặc điểm về quy luật ngoại tải khí động, về cơ cấu dẫn động
không gian từ trục đầu ra của hệ thống truyền động đến trục quay cánh lái
đã được công bố ở trong và ngoài nước còn rất hạn chế và chỉ đưa ra một
số mô hình toán đơn giản, không có tính tổng quát hóa. Do đó, để tiến tới
làm chủ thiết kế và công nghệ chế tạo sản phẩm máy lái điện - khí TLĐH
bằng nội lực trong nước, đáp ứng được các nhiệm vụ của quân đội nhằm
bảo vệ chủ quyền biển, đảo của đất nước trước tình hình an ninh thế
giới, khu vực và đặc biệt là tình hình Biển Đông đang có những diễn

biến phức tạp về tranh chấp biển, đảo. Việc nghiên cứu đưa ra cơ sở
khoa học và phương pháp tính toán, thiết kế tối ưu máy lái điện - khí TLĐH
là thực sự cần thiết, có tính mới về khoa học và có ý nghĩa thực tiễn.
Mục đích của luận án: Nghiên cứu xây dựng và hoàn thiện cơ sở
lý thuyết về tính toán thiết kế động lực học máy lái điện - khí TLĐH
nhằm tạo ra sản phẩm tính toán lý thuyết, xây dựng các mô hình thiết kế
động lực học tối ưu máy lái điện - khí TLĐH.
Nội dung nghiên cứu của luận án: Xây dựng mô hình toán động
lực học phi tuyến tổng quát mô tả được đầy đủ các quá trình điện - từ - cơ
- khí nén xảy ra và tương tác động lực học với nhau trong máy lái điện khí; xây dựng chương trình giải bài toán phân tích động lực học máy lái
điện - khí; thực nghiệm trên máy lái điện - khí mẫu, đánh giá sự đúng đắn
của mô hình toán động lực học được xây dựng; nghiên cứu ảnh hưởng
các thông số thiết kế cơ bản đến các chỉ tiêu chất lượng đặt ra và xác định
không gian tồn tại các mô hình thiết kế khả thi; xây dựng bài toán tổng
hợp thiết kế động lực học tối ưu và xây dựng chương trình giải bài toán
tổng hợp thiết kế động lực học tối ưu máy lái.
Đối tượng nghiên cứu của luận án: Máy lái điện - khí TLĐH.
Phạm vi nghiên cứu: bài toán phân tích động lực học và tổng hợp thiết kế


2
tối ưu động lực học máy lái điện - khí TLĐH trong giai đoạn quỹ đạo bay
hành trình của tên lửa đến mục tiêu.
Phương pháp nghiên cứu của luận án: Về nghiên cứu lý thuyết:
trên cơ sở nghiên cứu nắm vững nguyên lý hoạt động, chức năng làm việc và
vận dụng các định luật, định lý chuyển động của vật rắn, các lý thuyết cơ
bản về điện, từ, cơ, khí nén, khí động lực học, điều khiển để xây dựng mô
hình toán động lực học máy lái; sử dụng phương pháp tích phân số tiến
hành giải các bài toán phân tích và phương pháp quy hoạch động tìm
ngẫu nhiên để xây dựng bài toán tổng hợp thiết kế động lực học tối ưu

máy lái. Về nghiên cứu thực nghiệm: xác định các tham số đầu vào cho
mô hình toán máy lái; xác định các quá trình đáp ứng thời gian và đáp
ứng tần số tín hiệu điều khiển của máy lái với các dạng tín hiệu chuẩn.
Ý nghĩa khoa học của luận án: Xây dựng được mô hình toán động
lực học phi tuyến tổng quát máy lái điện - khí mô tả đầy đủ các quá trình
cơ - lý phức tạp xảy ra và tương tác với nhau trong quá trình máy lái hoạt
động và sử dụng phương pháp tích phân số Runge - Kutta để giải mô
hình toán động lực học máy lái; xác định được các quy luật ảnh hưởng
của từng thông số thiết kế đối với các chỉ tiêu chất lượng và xác định
được vùng tồn tại các mô hình thiết kế khả thi bảo đảm các chỉ tiêu chất
lượng của máy lái nằm trong các giới hạn cho phép đặt ra; thiết lập được
bài toán thiết kế tối ưu động lực học máy lái và sử dụng phương pháp
Monte - Carlo để xác định các mô hình thiết kế tối ưu theo từng chỉ tiêu
chất lượng và theo đa chỉ tiêu chất lượng tổng hợp.
Ý nghĩa thực tiễn của luận án: Các kết quả nghiên cứu của luận án
có thể làm tài liệu chỉ dẫn trong tính toán, thiết kế, chế tạo mới các loại
máy lái điện - khí TLĐH tương tự và làm tài liệu tham khảo cho các nhân
viên kỹ thuật lắp ráp, thử nghiệm trong quá trình sửa chữa, phục hồi chức
năng các loại máy lái điện - khí hiện có trong trang bị quân đội.
Bố cục của luận án: luận án gồm phần mở đầu, kết luận và bốn
chương được trình bày trong 138 trang.
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MÁY LÁI TÊN LỬA THEO
NGUYÊN LÝ TRUYỀN ĐỘNG TỰ ĐỘNG BÁM ĐIỆN - THỦY - KHÍ
1.1. Tổng quan về máy lái điện - khí TLĐH
1.1.1. Chức năng và nguyên lý cấu tạo
Máy lái điện - khí TLĐH có chức năng tự động điều khiển góc lệch của
cánh lái bám liên tục theo tín hiệu điều khiển từ máy tính trên khoang đưa
đến để tạo lực khí động pháp tuyến lái tên lửa bay theo quỹ đạo tính toán.
Trên TLĐH có 4 máy lái điện - khí điều khiển 4 cánh lái khí động (hình 1.6).

3
1- cánh lái; 2- cáp tín hiệu;
3- servovalve điện - khí;
4- servocylinder khí nén;
5- thanh dẫn động; 6- tay biên;
7- trục quay cánh lái;
8- gốc cánh; 9- thân vỏ tên lửa

Hình 1.6. Nguyên lý cấu tạo máy lái điện - khí TLĐH và phối trí các
cánh lái khí động trên thân tên lửa

1.1.2. Nguyên lý điều khiển và hoạt động máy lái điện - khí
1.1.2.1. Nguyên lý điều khiển
MÁY LÁI ĐIỆN - KHÍ TLĐH

Máy
tính trên Uđk(t)
khoang
tên lửa

εđk(t)

PID

Bộ chuyển
đổi tín hiệu
điện - cơ

Khuếch đại

công suất

Uph(t)

Nguồn khí nén
nhiệt độ thường và
nhiệt độ cao 350oC

Bộ khuếch đại
khí nén một cấp
vòi phun - lỗ thu

SERVOVALVE

φ(t)

BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ
SERVOCYLINDER
Cảm biến
Động cơ
phản hồi vị trí
khí nén
piston - xilanh
trục piston

x(t)

δc(t)
Tải khí động

Cánh lái

Cơ cấu dẫn động

Hình 1.12. Sơ đồ khối nguyên lý điều khiển máy lái điện - khí TLĐH

1.1.2.2. Nguyên lý hoạt động

1- bộ cộng đại số tín hiệu; 2khối thuật toán PID; 3- bộ
khuếch đại công suất; 4- bộ
điều khiển điện tử; 5- khung
dẫn từ; 6- nam châm vĩnh
cửu; 7- cuộn dây điều khiển;
8- thanh từ cảm; 9- vòi phun;
10- lỗ thu;11- đế phân dòng;
12- piston và trục
piston; 13- bộ cảm
biến vị trí hành
trình trục piston;
14động
cơ
servocylinder; 15trục dẫn động; 16tay biên; 17- cánh
lái; 18- trục quay
cánh lái

Hình 1.13. Sơ đồ nguyên lý hoạt động và cấu tạo của máy lái điện - khí


4
1.2. Các phương pháp phân tích và tổng hợp động lực học bộ

truyền động tự động bám điện - thủy - khí.
1.2.1. Các phương pháp phân tích động lực học hệ truyền động tự
động bám điện - thủy - khí
Hiện nay, để tiến hành phân tích động lực học hệ truyền động tự
động bám điện - thủy - khí có hai phương pháp cơ bản sau:
Phương pháp thứ nhất: Áp dụng một loạt các giả thiết để xây dựng
các phương trình động lực học mô tả quan hệ hàm số tuyến tính trực
tiếp giữa các thông số đầu vào và đầu ra của các phần tử cấu thành và
của cả hệ thống. Từ đó xây dựng hàm truyền cho từng phần tử và cho cả
hệ thống. Trên cơ sở hàm truyền của hệ thống nhận được, sử dụng các
công cụ khảo sát hàm truyền của các phần mềm Matlab - Simulink,
Mapble, … để khảo sát ảnh hưởng các thông số của hệ thống. Ưu điểm
của phương pháp này là khảo sát nhanh được ảnh hưởng các thông số
của hệ thống. Tuy nhiên kết quả khảo sát có độ tin không cao. Phương
pháp này thường dùng trong tính toán sơ bộ [7], [28], [33], [38], [41],
[43], [67, 68].
Phương pháp thứ hai: Xây dựng hệ phương trình vi phân toán học
phi tuyến tổng quát cho phép mô tả các quá trình vật lý xảy ra và tương
tác với nhau trong hệ thống và sử dụng các phương pháp tích phân số
để giải mô hình toán, trên cơ sở đó tiến hành khảo sát ảnh hưởng của
các thông số thiết kế hệ thống. Ưu điểm của phương pháp này là xác
định được một cách định tính, định lượng và phản ánh chính xác bản
chất vật lý. Tuy nhiên, mô hình toán xây dựng được là phi tuyến, phức
tạp, cần khảo sát nhiều thông số đầu vào và chỉ có thể giải được bằng
các phương pháp tích phân số trên máy tính điện tử [11], [13], [43],
[54], [63].
1.2.2. Các phương pháp tổng hợp tối ưu động lực học hệ truyền động
tự động bám điện - thủy - khí
Mô hình tối ưu đa mục tiêu có dạng sau đây :
Min fj(X), X = (x1, x2, …, xn)

j = 1, 2, …, p (p ≥ 2)
(1.5)
với:
gj(X) ≤ 0,
j = 1, 2, …, k,
(1.6)
gj(X) = 0,
j = k+1, k+2, …, m,
( 1.7)
Trong các bài toán thực tế có thể bổ sung các ràng buộc dạng:
ai ≤ xi ≤ bi,
i = 1, 2, …, n.
( 1.8)
Để giải quyết bài toán quy hoạch phi tuyến (1.5) ÷ (1.8) hiện nay
có rất nhiều phương pháp tùy thuộc vào dạng phương trình toán học mô
tả của hàm mục tiêu và các hàm hàm buộc, như: Phương pháp cực tiểu
hàm lồi một biến theo phương pháp lát cắt vàng; Phương pháp Hildreth


5
- D’Esopo; Phương pháp đơn hình Beale; Phương pháp Frank - Wolfe;
Phương pháp quy hoạch cực tiểu hàm lõm với các ràng buộc tuyến tính;
Phương pháp phân tuyến tính; Phương pháp Gradient; Phương pháp
hàm phạt; Phương pháp Simplex cực tiểu hàm phi tuyến; Phương pháp
Monte - Carlo.
Phương pháp Monte - Carlo giải quyết được bài toán tối ưu mà
hàm mục tiêu f(x) không phải là tuyến tính, không lồi, không lõm, các
miền ràng buộc cũng không lồi và hàm mục tiêu f(x) không viết được
dưới dạng hiển mà chỉ có một quy trình tính toán phức tạp để được một
giá trị. Để giải quyết các bài toán tối ưu như vậy, chúng ta không thể áp

dụng được các phương pháp tối ưu đã nêu mà chỉ có thể áp dụng
phương pháp Monte - Carlo để tìm lời giải tối ưu toàn cục.
Trong bài toán tối ưu các thông số thiết kế của hệ thống truyền
động bám điện - thủy - khí nói chung và máy lái điện - khí TLĐH nói
riêng, với mô hình toán động lực học được xây dựng dạng phi tuyến,
các hàm mục tiêu f(x) đặt ra đối với hệ thống cũng phi tuyến phức tạp,
ta không thể viết được dưới dạng hiển (tường minh). Như vậy, việc áp
dụng phương pháp Mote - Carlo cho bài toán tối ưu máy lái điện - khí
TLĐH là phù hợp hơn cả đáp ứng được các yêu cầu về chiến - kỹ thuật
của bài toán thiết kế tổng thể quả đạn tên lửa do tổng công trình sư đưa ra.
1.3. Tổng quan các công trình nghiên cứu về bài toán động lực học
hệ truyền động tự động bám điện - thủy - khí
1.3.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Các hệ truyền động tự động bám điện - thủy - khí ứng dụng trong
các thiết bị, khí tài quân sự nói chung và trong máy lái tên lửa nói riêng
được nhiều nước có ngành công nghiệp tiên tiến nghiên cứu và phát triển.
Tuy nhiên, do những bí mật quân sự, những tài liệu thiết kế máy lái này
chúng ta không thể tiếp cận được. Hiện nay, trong quân đội chúng ta chỉ
có một số ít tài liệu khai thác, hướng dẫn sử dụng một số tên lửa của Liên
Xô cũ và của Nga, còn các loại tên lửa của các nước khác như Pháp, Mỹ,
… chúng ta chỉ biết một số thông số và tính năng chiến kỹ thuật cơ bản
được giới thiệu trên các trang mạng Internet [73 - 74].
Mặt khác, trong các tài liệu khoa học kỹ thuật chuyên nghành về
truyền động bám điện - thủy - khí nén công nghiệp phục vụ công tác
giảng dạy, đào tạo các tác giả chỉ dừng lại ở mức độ mô tả nguyên lý
cấu tạo, nguyên lý hoạt động, nguyên lý điều khiển, không đưa ra
phương pháp xây dựng mô hình toán động lực học đầy đủ, tổng quát để
mô tả các quá trình điện - từ - cơ - khí nén phức tạp xảy ra bên trong bộ
truyền động để làm cơ sở khoa học cho các bài toán phân tích các thông

6
số động lực học và tổng hợp thiết kế tối ưu các thông số động lực học
của bộ truyền động.
1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Đến nay chưa có cơ sở nào tiến hành nghiên cứu thực sự chuyên sâu
phương pháp tính toán, thiết kế một cách chi tiết có hệ thống sản phẩm
máy lái điều khiển đa kênh nói chung và máy lái điện - khí TLĐH nói
riêng. Trước đây, trong các năm từ 2006 - 2007, 2007 - 2008, 2012 và
2015 tại Viện KH-CNQS có mở một số đề tài, nhiệm vụ về máy lái điện thủy và điện - khí. Nội dung chủ yếu của các đề tài, nhiệm vụ này là đề
cập đến việc xây dựng bản vẽ thiết kế chi tiết và xây dựng quy trình công
nghệ chế thử theo mẫu máy lái điện - khí bằng khả năng công nghệ trong
nước. Việc xây dựng mô hình toán động lực học máy lái mới dừng lại ở
dạng đơn giản hóa, bán thực nghiệm còn nhiều tham số chưa được tính
đến và chưa đưa ra được các cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình thiết kế
động lực học tối ưu máy lái. Để góp phần giải quyết các hạn chế này,
NCS lựa chọn đề tài “Nghiên cứu phân tích và tổng hợp thiết kế động
lực học tối ưu máy lái điện - khí tên lửa đối hải” với mục đích xây dựng
được mô hình động lực học tổng quát máy lái điện - khí TLĐH cho phép
phản ánh đầy đủ các quá trình điện - từ - cơ - khí nén xảy ra khi máy lái
hoạt động và xây dựng được các mô hình máy lái điện - khí theo bài toán
thiết kế tối ưu động lực học đơn chỉ tiêu và đa chỉ tiêu chất lượng.
1.4. Kết luận chương 1
Tổng quan về các loại máy lái theo nguyên lý truyền động tự động bám
điện - thủy - khí. Tổng quan về máy lái điện - khí TLĐH. Phân tích, đánh giá
các nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước về các vấn đề xây
dựng mô hình toán động lực học, giải bài toán phân tích và tổng hợp thiết kế
tối ưu động lực học hệ truyền động tự động bám điện - thủy - khí nói chung
và máy lái điện - khí TLĐH nói riêng. Đã làm rõ các hạn chế của các mô
hình vật lý mô tả đối tượng, các mô hình tính toán cũng như các phương

pháp phân tích và tổng hợp thiết kế tối ưu các hệ truyền động đã công bố.
Trên cơ sở các phân tích đó đã chỉ ra các vấn đề cần tiếp tục cần nghiên cứu,
giải quyết, từ đó xác định được mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án.
Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC
TỔNG QUÁT MÁY LÁI ĐIỆN - KHÍ
2.1. Chọn hệ tọa độ tính toán
Căn cứ sơ đồ phối trí lắp ráp thực tế của máy lái điện - khí trong
khoang tên lửa theo sơ đồ cánh khí động “X” ta sử dụng các hệ tọa độ
sau (hình 2.1 và hình 2.2):


7

Hình 2.1. Sơ đồ điều khiển - cơ - động lực học máy lái điện - khí

- Hệ tọa độ liên kết Oxyz gắn với tên lửa và di chuyển cùng với tên lửa.
- Hệ toạ độ vận tốc Oxvyvzv có gốc toạ độ nằm tại trọng tâm của tên lửa.
- Hệ toạ độ vận tốc và hệ toạ độ liên kết liên hệ với nhau bằng các
góc tấn t và góc trượt cạnh  (hình 2.2).

Hình 2.2. Sơ đồ quan hệ giữa hệ toạ độ liên kết và hệ toạ độ vận tốc

- Trục Om trùng với trục quay cánh lái. Trục Om nằm trong mặt
phẳng yOz và và tạo với trục Oz một góc ψ = 45o.
- Trục piston và piston của động cơ servocylinder chuyển động song
song với trục Ox.
- Trục quay của vòi phun v-v và trục quay của cánh lái c-csong
song với trục Om.
2.2. Các giả thiết
- Lượng dò từ thông của nam châm vĩnh cửu kích từ và nam châm

điện điều khiển ra môi trường là không đáng kể.


8
- Coi cụm thanh từ cảm - vòi phun và piston của động cơ
servocylinder là các chất điểm.
- Máy lái chuyển động với vận tốc của tên lửa vtl không đổi trong
giai đoạn quỹ đạo bay hành trình.
- Nguồn khí nén nóng động lực được lấy từ sau động cơ hành trình
tua - bin để cấp cho máy lái hoạt động là ổn định.
- Các biến áp suất và nhiệt độ khí nén trong các khoang xylanh của
động cơ servoxylinder phân bố đều.
2.3. Hệ phương trình vi phân mô hình toán động lực học tổng quát
máy lái điện - khí TLĐH
Mô hình toán động lực học tổng quát máy lái điện - khí TLĐH
gồm 7 phương trình vi phân phi tuyến tương ứng với 7 ẩn số biến thiên
theo thời gian φ(t), Icd(t), xp(t), p1(t), p2(t), T1(t) và T2(t):
Phương trình chuyển động quay của cụm vòi phun - thanh từ cảm:
d 2 (t )
d (t)
(2.34)
Jtv
 Mñt (t )  Mmsn (t )  Mca (t )  Mmsk .sign(
),
2
dt
dt
Phương trình thay đổi cường độ dòng điện Icd(t) của hai cuộn dây
điều khiển:
dI cd (t ) U cd (t )  Z cd (t ).I cd (t )

(2.35)

,
dt
Lcd
Phương trình chuyển động của cụm piston - trục dẫn động - cánh lái:
m pqñ

d 2 x p (t )
dt 2

 Fkn  Flt  FMqñ  FPqñ ,

(2.36)

Phương trình thay đổi áp suất trong khoang trái động cơ servocylinder:
k .K . R.Tn
 (k  1) n
dp1 (t )


f1t . pn . ( n1 )  tn
 F   .D xl .x p (t )  

dt
A
S p . l p / 2  x po  x p (t )  
 T1 (t )  Ta   f 2t . p1 (t )



dx p (t )
T1 (t )
k . p1 (t )
. (1a )  
,
 l / 2  x  x (t ) dt
Tn
po
p
 p

(2.37)

Phương trình thay đổi nhiệt độ trong khoang trái động cơ servocylinder:
dx p (t ) T1 (t ) dp1 (t )
K .T1 (t ). R.Tn
dT1 (t )
T1 (t )




dt
l p / 2  x po  x p (t ) dt
p1 (t ) dt
S p. p1 (t ). l p / 2  x po  x p (t ) 


T (t )
T (t )

  f1t . pn . 1 . ( n1 )  f 2t . p1 (t ) 1 . (1a )  ,


Tn
Tn



(2.38)


9
Phương trình thay đổi áp suất trong khoang phải động cơ servocylinder:
k .K . R.Tn
 (k  1) n
dp2 (t )


f1 p . pn . ( n 2 )  tn
 F   .D xl .x p (t )  

dt
A
S p . l p / 2  x po  x p (t )  
 T2 (t )  Ta   f 2 p . p2 (t )


dx p (t )
T2 (t )
k . p2 (t )

. ( 2 a )  
,
 l / 2  x  x (t ) dt
Tn
po
p
 p

(2.39)

Phương trình thay đổi nhiệt độ trong khoang phải động cơ servocylinder:
dx p (t ) T2 (t ) dp2 (t )
K .T2 (t ). R.Tn
dT2 (t )
T2 (t )




dt
l p / 2  x po  x p (t ) dt
p2 (t ) dt
S p . p2 (t ). l p / 2  x po  x p (t ) 


T (t )
T (t )
  f1 p . pn . 2 . ( n 2 )  f 2 p . p2 (t ) 2  ( 2 a )  ,
(2.40)



Tn
Tn


Các phương trình liên hệ các biến số:
Phương trình điện áp trên hai cuộn dây điều khiển, điện áp này là
điện áp đầu ra của bộ điều khiển PID:
t



U cd (t)  K P U e (t)  K I U e ( )d  K D
0

d U e (t)
dt

(2.41)

Phương trình mô men điện - từ tác dụng lên cụm thanh từ cảm vòi phun:
2

  H .l  2.n .I (t ) 2  b  c  2Ltc . (t)  
cd cd
 m m
b  c  2Ltc . (t)

2


2  b  c  2 Ltc . (t) 
 .L , N .m
  H m .lm  2.ncd .I cd (t ) 
(2.42)
b  c  2Ltc . (t)  tc


 .a.  0,4 .kk
Mñt (t )  o 
2   kk






2

Phương trình mô men ma sát khô Mmsk cản chuyển động quay cụm
thanh từ cảm - vòi phun:
Mmsk = Ptcvp.kmsl.rob
(2.43)
Phương trình khối lượng mpqđ quy đổi về trục piston:
mpqñ  mp 




L2dc .x p2 (t )
1 


m
d
 L2d L2b  x p2 (t )
L2b  x p2 (t )

Jc







Phương trình lực khí nén Fkn tác dụng lên piston
Fkn = Sp.(p1(t) - p2(t))






(2.45)

(2.46)


10
Phương trình lực li tâm Flt do chuyển động quay của trục dẫn động và
cánh lái:


L2dc .L2b .x p (t )
x p (t )
Flt  
md 
2
 2 2
2
2
 Ld Lb  x p (t )
Lb  x p2 (t )










2

2

dx p (t ) 

Jc 
  dt 





(2.47)

Phương trình lực quy đổi của mô men khí động và mô men ma sát
FMqđ về trục piston:
FMqñ 


dx p (t ) 
)
 Mkñc  Mmsc .sign(

dt 
Lb  x p (t ) 
1

2

(2.48)

2

Phương trình trọng lực quy đổi của trọng lực trục dẫn động và cánh lái
FPqđ về trục piston:
FPqñ  md .g.

Ldc .x p (t )
Ld

L

2
b

 x p (t )
2



 mc .g.cos .

Lc .Lb .x p (t )

L

2
b

 x p2 (t )



3

(2.49)

Phương trình mô men tải khí động Mkđc tác dụng lên cánh lái:





v2
v2
Mkñc     Cl ( ). tl .S cl  .OOta .cos   Cd ( ). tl .S cl  .OOta .sin
2
2





(2.50)

Phương trình mô men ma sát cản Mmsc tác dụng lên cụm piston - cơ
cấu dẫn động - cánh lái:
Mmsc = Gmsc.r
(2.51)
trong đó: μo - hằng số từ thẩm chân không, H/m; μkk - hệ số từ thẩm khe
hở không khí, H/m; a, b - kích thước mặt đầu của thanh từ cảm, m; c là
khe hở giữa hai cực từ, m; Ltc - bán kính quay của thanh từ cảm, m; Hm cường độ cảm ứng từ của nam châm vĩnh cửu, A/m; lm - chiều dài của nam
châm vĩnh cửu, m; ncd - số vòng dây cuộn dây; Lcd - trở kháng cảm ứng
của hai cuộn dây điều khiển, Lcd  2ncd2 .tc .Stc / 4 kk , H (ở đây: Stc là tiết
diện ngang đầu thanh từ cảm, m2); Zcd(t) - tổng trở kháng của hai cuộn dây
mắc song song, Zcd (t )  Rcd2  ( Lcd )2 , Ω (ở đây: ω là tần số quy luật tín
hiệu điều khiển, rad/s; Rcd là tổng thuần trở của hai cuộn dây điều khiển
mắc song song, Rcd  4.ncd .ltb /  dcd2 , Ω (với ρ là điện trở suất của vật
liệu dây cuốn, Ω.m; ltb là chiều dài của vòng dây trung bình của cuộn
dây, m; dcd là đường kính dây quấn, m)); ΔUe(t) - điện áp đầu ra của bộ

cộng đại số tín hiệu điều khiển Uđk(t) và tín hiệu phản hồi Ufh(t),
ΔUe(t)= Uđk(t) - Ufh(t), V; KP - hệ số khuếch đại tỷ lệ; KI - hệ số tích
phân; KD - hệ số vi phân; Ptcvp - trọng lượng cụm thanh từ cảm - vòi


11
phun, N; kmsl - hệ số ma sát lăn của ổ bi; rob là bán kính ổ bi, m; p1(t) và
p2(t) - áp suất khí trong khoang trái và khoang phải động cơ
servocylinder, N/m2; T1(t) và T2(t) - nhiệt độ khí công tác trong khoang
trái và khoang phải động cơ servocylinder, oK; pn - áp suất nguồn khí
nén, N/m2; Tn - nhiệt độ nguồn khí nén, oK; Fn - tiết diện nắp xy lanh,
m2; Dxl - đường kính xy lanh, m; Ta - nhiệt độ môi trường bên ngoài vỏ
xy lanh; A- đương lượng công của nhiệt; αtn - hệ số truyền nhiệt vật liệu
vỏ xy lanh; xpo - “khoảng chết” hành trình của piston tại đáy hai bên
động cơ servocylinder, m; R- hằng số khí; k- hệ số đoạn nhiệt không
khí; K- hằng số, K = 2k / (k  1) ; f1t, f2t, f1p, f2p - các tiết diện thông
vào/ra hai khoang động cơ servocylinder, m2; φ(εn1), φ(ε1a), φ(εn2), φ(ε2a)
- các hàm lưu lượng khí vào/ra hai khoang động cơ servocylinder. ρ- tỷ
trọng trung bình của môi trường không khí trong trần bay của TLĐH
dưới âm, kg/m3; vtl - tốc độ bay hành trình của tên lửa, m/s; α - góc tạo
thành bởi hướng véc tơ tốc độ bay của tên lửa và mặt phẳng tiết diện
nâng của cánh, α = δc + αtx (ở đây: δc- góc lật cánh lái; αtx - góc tấn của
tên lửa chiếu lên mặt phẳng cánh lái, αtx = αtx.cosψ); OOta - khoảng
cách ngắn nhất từ tọa độ tâm áp đến trục quay cánh lái, m; Cl(α), Cd(α) hệ số lực nâng và hệ số lực cản khí động của cánh lái.
Mô hình toán động lực học máy lái điện - khí TLĐH là hệ phương
trình vi phân phi tuyến không thể giải được bằng phương pháp giải tích
tường minh. Để giải mô hình toán trên trong luận án sử dụng phương
pháp tích phân số Runge - Kutta được lập trình bằng phần mềm Visual
Basic 6.
2.4. Xác định các thông số đầu vào khảo sát tích phân số mô hình

toán động lực học máy lái
Các thông số đầu vào để khảo sát tích phân số mô hình toán động
lực học máy lái được xác định trên máy lái điện - khí mẫu đối chứng và
các thông số của bộ điều khiển máy lái được chế tạo tại luận án.
2.5. Xác định các điều kiện ban đầu và điều kiện biên của các biến số
2.5.1. Xác định các điều kiện ban đầu của các biến số
Để xác định được các giá trị ban đầu của các biến p10, p20, T10, T20
trong trạng thái ổn lập ta buộc phải tiến hành tích phân số mô hình toán
động lực học máy lái theo 2 bước:
Bước 1: bước chuẩn bị hoạt động:
- Trạng thái ban đầu: φ(0) = 0, xp(0) = 0, Uđk(0) = 0, Icd(0) = 0.
- Trạng thái tiếp theo: pn = (5.105 ÷ 8.105) N/m2, Tn = (293 ÷ 573) oK.


12
- Tích phân số mô hình toán động lực học máy lái với các điều kiện ban
đầu được biết trước: Uđk (0) = 0, Icd (0) = 0, I cd (0)  0 ; φ(0) = 0,  (0)  0 ,
*
xp(0) = 0, x p (t )  0 và p1(0) = p2(0) = p10*  p20
 pa  105 N / m2 ;
p1 (0)  p2 (0)  0 , T1(0) = T2(0) = T10*  T20* = 293oK, T1 (0)  T2 (0)  0 .
Kết quả tích phân số mô hình toán động lực học đã xây dựng với các
điều kiện ban đầu của các biến trong bước chuẩn bị hoạt động ở trên ta xác
định được các giá trị ổn lập của các quá trình thay đổi áp suất và nhiệt độ
trong các khoang công tác p10; p20; T10; T20. Các giá trị ổn lập này chính là
các giá trị ban đầu của các biến tương ứng cho bước 2, bước hoạt động ổn
định chấp hành tín hiệu điều khiển của máy lái.
Bước 2: Bước hoạt động ổn định chấp hành tín hiệu điều khiển.
Các giá trị ban đầu của các biến trong bước này là:
Uđk(0) = 0 ÷ ± 5VDC, Icd (0) = 0, I cd (0)  0 ; φ(0) = 0,  (0)  0 , xp(0) =

0, x p (t )  0 và p1(0) = p10, p2(0) = p20, p1 (0)  p2 (0)  0 , T1(0) = T10; T2(0) =

T20, T1 (0)  T2 (0)  0 .
2.5.2. Xác định các điều kiện biên của các biến số
Điều kiện biên của bài toán bao gồm:
- Các điều kiện biên khống chế về kích thước hình học:
max   (t )max  max và l p / 2  x p (t )max  l p / 2 .
- Các điều kiện biên khống chế vật lý:
pa  p1 (t )max  pn ; pa  p2 (t )max  pn ;T1 (t )max  Tn ; T2 (t )max  Tn .
2.6. Kết quả đặc trưng tích phân số mô hình toán động lực học máy lái
Trên các hình 2.15.a và 2.15.b dưới đây đưa ra các quá trình điển
hình đáp ứng thời gian (với tín hiệu điều khiển hàm nấc Uđk = 4[VDC])
và đáp ứng tần số (với tín hiệu điều khiển hàm sin Uđk = 2sin(4π.t)
[VDC]) của trục piston xp(t) máy lái điện - khí mạch hở trên cơ sở tích
phân số mô hình toán với các giá trị thông số đầu vào đã được xác định
trên mẫu máy lái điện - khí đối chứng.

a) Đáp ứng thời gian
b) Đáp ứng tần số
Hình 2.15. Đáp ứng thời gian và đáp ứng tần số của trục piston xp(t)


13

a) Đáp ứng thời gian
b) Đáp ứng tần số
Hình 2.16. Đáp ứng thời gian và đáp ứng tần số của Icd(t), φ(t), vp(t)

b) Đáp ứng tần số
a) Đáp ứng thời gian

Hình 2.17. Đáp ứng thời gian và đáp ứng tần số của p1(t), p2(t) và T1(t), T2(t)

a) Đáp ứng thời gian
b) Đáp ứng tần số
Hình 2.18. Đáp ứng thời gian và đáp ứng tần số của f1t(t), f1p(t) và f2t(t), f2p(t)

Nhận xét: các kết quả tích phân số mô hình toán động lực học
máy lái nhận được dưới dạng các quá trình quá độ đáp ứng thời gian tín
hiệu điều khiển hàm nấc bậc thang và hàm dao động điều hòa hình sin
hoàn toàn phù hợp với bản chất nguyên lý hoạt động của hệ truyền động
tự động bám như đã phân tích trong chương 1.
Trên cơ sở các kết quả tích phân số mô hình toán động lực học
máy lái nhận được, luận án tiến hành xây dựng và xác định giá trị các
chỉ tiêu kỹ thuật đánh giá chất lượng hoạt động của máy lái. Các chỉ
tiêu kỹ thuật này được sử dụng để đánh giá sự đúng đắn của mô hình
toán động lực học máy lái đã được xây dựng.
2.7. Xây dựng và xác định giá trị các chỉ tiêu kỹ thuật đánh chất
lượng hoạt động của máy lái điện - khí
2.7.1. Xây dựng các chỉ tiêu chất lượng của máy lái điện - khí
* Nhóm các chỉ tiêu chất lượng đặc trưng cho chức năng hoạt động
tự động chấp hành tín hiệu điều khiển của máy lái: Thời gian quá độ chấp


14
hành tín hiệu điều khiển tp [s]; Độ quá chỉnh quá trình quá độ δ [%]; Số
lần dao động n [lần] của trục piston xung quanh vị trí ổn lập; Sai số bám vị
trí ε [%]; Độ dự trữ ổn định theo biên độ ∆Lođ [dB] và theo pha ∆φođ
[deg] của máy lái.
* Nhóm các chỉ tiêu chất lượng đặc trưng cho hiệu quả sử dụng máy
lái: Công suất tối đa tín hiệu điều khiển máy lái Nđkmax [W]; Công suất tiêu

thụ động lực nguồn khí nén Nđl [W]; Hệ số hiệu quả sử dụng Khq [m2/W];
2.7.3. Xác định giá trị các chỉ tiêu kỹ thuật đánh giá chất lượng hoạt
động của máy lái điện - khí mẫu đối chứng.
Trên cơ sở các quá trình đáp ứng thời gian và đáp ứng tần số của
trục piston xp động cơ servocylinder của máy lái điện - khí TLĐH mẫu
đối chứng xác định được:
- Thời gian quá độ chấp hành tín hiệu điều khiển: tp = 0,142s;
- Thời gian trễ : τ = 0,02s; Sai số bám vị trí: ε = 2%;
- Độ quá chỉnh quá trình quá độ: δ = 0% ;
- Độ dự trữ biên độ: ΔLođ = 9dB;
- Độ dự trữ pha: Δφođ = 37,5deg;
- Công suất tối đa tín hiệu điều khiển máy lái: Nđkmax = 0,228W;
- Công suất tiêu thụ động lực nguồn khí nén: Nđl = 648W;
- Công suất hữu ích lớn nhất mang tải đầu ra của máy lái: Nđcmax = 32,8W;
- Hệ số hiểu quả sử dụng: Khq = 5,4×10-5 m2/W.
Như vậy, căn cứ các quá trình đáp ứng thời gian tín hiệu điều
khiển đầu vào dạng hàm nấc Uđk = Abđ[VDC] và các quá trình đáp ứng
tần số tín hiệu điều khiển đầu vào dạng dao động điều hòa Uđk =
Abđ.sin(2π.f.t)[VDC] nhận được trên cơ sở sử dụng phương pháp tích
phân số mô hình toán động lực học tổng quát máy lái ta xác định được
bằng lý thuyết các chỉ tiêu chất lượng đánh giá hoạt động của máy lái.
Độ chính xác của các giá trị chỉ tiêu chất lượng này sẽ được kiểm
chứng, đánh giá trong phần thực nghiệm chương 3.
2.7. Kết luận chương 2
- Xây dựng được mô hình toán động lực học tổng quát của máy lái điện
- khí TLĐH. Mô hình bao gồm 7 phương trình vi phân phi tuyến với 11 hàm
dẫn xuất liên hệ giữa các biến số. Đây là mô hình toán động lực học phản
ánh đầy đủ các quá trình cơ - lý xảy ra và tương tác động lực học với nhau
trong quá trình chấp hành tín hiệu điều khiển của máy lái.
- Đã xây dựng thuật toán và chương trình giải mô hình toán động lực

học máy lái điện - khí TLĐH bằng phương pháp tích phân số Runge - Kutta
sử dụng máy tính điện tử số PC bằng ngôn ngữ lập trình Visual Basic.


15
- Các kết quả tích phân số mô hình toán động lực học máy lái điện
- khí TLĐH dưới dạng các quá trình quá độ đáp ứng thời gian và các
quá trình đáp ứng tần số phù hợp với bản chất vật lý chấp hành tín hiệu
điều khiển của máy lái. Các kết quả tích phân số nói trên được sử dụng
để kiểm chứng sự đúng đắn của mô hình toán động lực học máy lái
được xây dựng trong chương 3 và để giải quyết các bài toán phân tích
động lực học và tổng hợp thiết kế động lực học tối ưu máy lái trong
chương 4 tiếp theo của luận án.
Chương 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG
MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC MÁI LÁI ĐIỆN - KHÍ
Mục đích nghiên cứu: Xác định các thông số đầu vào và kiểm
chứng sự đúng đắn của mô hình toán động lực học tổng quát máy lái
điện - khí TLĐH được xây dựng.
3.1. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
- Xây dựng sơ đồ và giá thử nghiệm cho từng thông số cần đo trong phòng
thí nghiệm.
- Sử dụng các thiết bị và dụng cụ đo lường đo giá trị các thông số.
- Xử lý các kết quả đo.
3.2. Kết quả thử nghiệm
3.2.1. Thực nghiệm phân đoạn
Thực nghiệm phân đoạn xác định được hai thông số sau:
- Giá trị mô men ma sát Mmsc: Mmsc = 2,074 ± 0,019 N.m.
- Đặc tuyến mô men mô men giả tải khí động Mgtkđ(α).
3.2.2. Thực nghiệm tổng hợp
Trên các hình 3.8, 3.11, 3.12 và 3.14 thể hiện một số quy luật thực nghiệm

đặc trưng đáp ứng thời gian của trục piston xp(t) máy lái mẫu đối chứng.

Hình 3.8. Đáp ứng thời gian của trục
piston với pn = 5.105N/m2
(Uđkv(t) = ± 4VDC; Tn = 573oK)

Hình 3.11. Đáp ứng thời gian của trục
piston với pn = 8.105N/m2
(Uđkv(t) = ± 4VDC; Tn = 573oK)


16

Hình 3.12. Đáp ứng thời gian của trục
piston với Uđkv(t) = ± 2VDC
(pn = 8.105N/m2; Tn = 573oK)

Hình 3.14. Đáp ứng thời gian của trục piston
với Uđkv(t) = ± 4VDC
(pn = 8.105N/m2; Tn = 573oK)

3.3.2. Kiểm chứng sự đúng đắn của mô hình toán động lực học máy
lái điện - khí TLĐH.
Trên các hình 3.16, 3.19, 3.20 và 3.22 thể hiện một số quy luật lý
thuyết đặc trưng đáp ứng thời gian của trục piston xp(t) với bộ thông số
đầu vào tương ứng như trong thử nghiệm tổng hợp.

Hình 3.16. Đáp ứng thời gian lý thuyết của
trục piston với pn = 5.105N/m2
(Uđkv(t) = ± 4VDC; Tn = 573oK)

Hình 3.19. Đáp ứng thời gian lý thuyết của
trục piston với pn = 8.105N/m2
(Uđkv(t) = ± 4VDC; Tn = 573oK)

Hình 3.20. Đáp ứng thời gian lý thuyết của
trục piston với Uđkv(t) = ± 2VDC
(pn = 8.105N/m2; Tn = 573oK)

Hình 3.22. Đáp ứng thời gian lý thuyết của
trục piston với Uđkv(t) = ± 4VDC
(pn = 8.105N/m2; Tn = 573oK)

Xử lý các kết quả xử lý thực nghiệm và lý thuyết tương ứng với
các giá trị pn và Uđkv(t) khác nhau ta xác định được các chỉ tiêu kỹ thuật
cơ bản như một phần tử tự động hóa: thời gian trễ τ, thời gian chấp hành
tp, sai số kèm bám vị trí trục piston ε, độ quá chỉnh δ. Các kết quả được
thống kê trong bảng 3.5 và bảng 3.6:


17
Bảng 3.5. Tổng hợp các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản thay đổi theo thông số áp suất
nguồn khí nén pn (Uđkv(t) = ± 4VDC; Tn = 573oK)
p n,
[×105N/m2]
τ(pn), [s]
tp(pn), [s]
ε(pn), [%]
δ(pn), [%]

5
Thực
nghiệm
0.016
0.252
9.6
0

6
Lý
thuyết
0.015
0.260
9.3
0

Thực
nghiệm
0.014
0.198
5.9
0

7
Lý
thuyết
0.013
0.212
5.6
0

Thực
nghiệm
0.012
0.188
4.5
0

8
Lý
thuyết
0.012
0.198
4.7
0

Thực
nghiệm
0.007
0.184
1.6
0

Lý
thuyết
0.007
0.180
1.6
0

Bảng 3.6. Tổng hợp các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản thay đổi theo thông số điện áp
điều khiển đầu vào Uđkv (pn = 8.105N/m2; Tn = 573oK)
Uđkv, [VDC]
2
3
4
5
Thực
Lý
Thực
Lý
Thực
Lý
Thực
Lý
nghiệm thuyết nghiệm thuyết nghiệm thuyết nghiệm thuyết
τ(Uđkv), [s]
0.017 0.016 0.011 0.011 0.007 0.007 0.006 0.006
tp(Uđkv), [s]
0.122 0.120 0.152 0.150 0.184 0.180 0.223 0.230
ε(Uđkv), [%]
1.1
1.1
1.5
1.4
1.9
1.8
3.7
3.5
δ(Uđkv), [%] 0

0
0
0
0
0
0
0

Phân tích so sánh các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm
nhận được trong các bảng 3.5 và 3.6 ta rút ra các nhận xét sau:
- Dạng quy luật thay đổi các quá trình quá độ đáp ứng tín hiệu điều
khiển xp(t) nhận được bằng nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực
nghiệm tương ứng đối với máy lái điện - khí nguyên mẫu đối chứng là
hoàn toàn tương đồng và có sự trùng khớp cao;
- Sai lệch lớn nhất về chỉ tiêu chất lượng độ tự trễ τmax không quá 7%;
- Sai lệch lớn nhất về chỉ tiêu chất lượng thời gian đáp ứng quá trình
quá độ tpmax không quá 7%;
- Sai lệch lớn nhất về sai số bám vị trí khâu đầu ra trục piston
trong trạng thái ổn lập εmax không quá 5%.
(Các phương án có sai lệch lớn nhất được tô đậm trong các bảng
3.5 và 3.6)
Như vậy, các kết quả phân tích đánh giá nêu trên cho thấy của mô
hình toán động lực học máy lái điện - khí đã được xây dựng và phương
pháp giải bảo đảm sự đúng đắn, độ chính xác cần thiết để làm cơ sở khoa
học cho những nghiên cứu, tính toán lý thuyết tiếp theo trong luận án.
3.4. Kết luận chương 3
Kết quả thử nghiệm phân đoạn và tổng hợp đã xác định được:
- Giá trị mô men cản chuyển động cụm piston - cơ cấu dẫn động cánh lái để bổ sung hoàn thiện mô hình toán động lực học máy lái.

18
- Đặc tuyến mô men của thanh lò xo xoắn mô phỏng tải khí động
thay cho việc tạo tải khí động tác dụng lên trục quay cánh lái trong
phòng thổi khí động phục vụ thử nghiệm tổng hợp máy lái điện - khí
nguyên mẫu trong phòng thí nghiệm.
- Các quá trình đáp ứng thời gian tín hiệu điều khiển với các thông
số tín hiệu điều khiển và động lực học đầu vào Uđk, pn khác nhau, trên
cơ sở đó đã xác định được các chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng là thời gian
tự trễ τ, thời gian quá độ đáp ứng tín hiệu điều khiển tp, sai số bám vị trí
trục piston ε, độ quá chỉnh δ.
Kết quả phân tích so sánh các chỉ tiêu kỹ thuật τ, tp, ε, δ nhận được
bằng thực nghiệm trên máy lái điện - khí nguyên mẫu và trên mô hình toán
động lực học máy lái đã kiểm chứng sự đúng đắn cho phép của mô hình
toán động lực học máy lái đã xây dựng làm cơ sở khoa học tin cậy để giải
quyết các bài toán quan trọng là bài toán phân tích động lực học và bài toán
tổng hợp thiết kế động lực học tối ưu trong chương 4 tiếp theo của luận án.
Chương 4. PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP THIẾT KẾ TỐI ƯU
ĐỘNG LỰC HỌC MÁY LÁI ĐIỆN - KHÍ
4.1. Phân tích động lực học máy lái điện - khí
4.1.1. Xác định các nhóm thông số thiết kế cần khảo sát
* Nhóm các thông số thiết kế bộ servovalve: Cường độ từ trường
thanh nam châm vĩnh cửu kích từ, Hm [A/m]; Chiều dài thanh nam châm
vĩnh cửu kích từ, lm [m]; Đường kính dây của nam châm điện điều khiển,
dcd [m]; Số vòng cuộn dây của nam châm điện điều khiển, ncd [vòng];
Bán kính quay thanh từ cảm, Ltc [m]; Khe hở công tác giữa đầu thanh từ
cảm và các cực từ, δkk [m]; Tiết diện ngang của khe hở công tác giữa đầu
thanh từ cảm và các cực từ, So [m2]; Đường kính lỗ vòi phun, dv [m].
* Nhóm các thông số thiết kế bộ servocylinder: Tiết diện hiệu
dụng của piston, Sp [m2]; Áp suất nguồn khí nén động lực, pn [N/m2];
Nhiệt độ nguồn khí nén động lực, Tn [oK]; Mô men ma sát khô cản quay

cụm piston - cánh lái, Mmsc [N.m]
* Nhóm các thông số tải khí động: Tốc độ bay của tên lửa, vtl
[m/s]; Góc tấn của tên lửa, αt [deg];
Trong các thông số thiết kế nêu trên, các thông số Hm, lm, dcd, ncd,
Ltc, δkk, So, dv, Sp được thay đổi trong dải rộng, còn các thông số thiết kế
pn, Tn, vtl, αt do tính đặc thù sử dụng nguồn khí nén nóng động lực và
tính năng chiến - kỹ thuật của TLĐH trong giai đoạn quỹ đạo bay hành
trình được cho mặc định bằng các giá trị tương ứng của máy lái điện khí mẫu đối chứng.


19
4.1.2. Phương pháp khảo sát các thông số thiết kế
Trong nội dung nghiên cứu này luận án đưa ra các đồ thị phản ánh
quy luật ảnh hưởng từng thông số thiết kế đến các chỉ tiêu chất lượng đặt ra
trên đó sử dụng hai đường biên giới hạn để xác định miền thay đổi cho
phép của từng thông số thiết kế và của từng chỉ tiêu chất lượng.
Để xác định hai đường biên giới hạn nói trên ta sử dụng các chỉ
tiêu kỹ thuật chính sau đối với máy lái điện - khí TLĐH như một thiết
bị điều khiển chất lượng cao ứng dụng trên thiết bị bay:
1) Bộ giá trị chỉ tiêu chất lượng nhận được đối với mẫu máy lái điện
- khí đối chứng: t*p , * , * , n* , Nñk* , Nñc* , Nñl* và K hq* . Đây là các chỉ tiêu
chất lượng của mẫu máy lái đã làm việc tốt bảo đảm độ ổn định, tính điều
khiển được của mạch vòng điều khiển kín và độ chính xác trúng mục tiêu
của quỹ đạo bay tên lửa.
2) Các miền thay đổi cho phép của các chỉ tiêu chất lượng đặt ra
*
t p  t *p ,    * ,    * , n  n* , N ñk  N ñk* , N ñl  N ñl* và Khq  Khq
. Các
miền thay đổi các chỉ tiêu chất lượng này bảo đảm cho máy lái cần thiết kế làm
việc tốt hơn trong cấu trúc mạch vòng điều khiển ổn định của tên lửa và

trong mạch vòng điều khiển quỹ đạo bay của tên lửa đến mục tiêu với độ
chính xác cần thiết.
3) Đường giới hạn độ quá chỉnh quá trình đáp ứng thời gian δ = 0%.
4) Đường giới hạn sai số bám trục piston trong trạng thái ổn lập ε ≤ 3%.
Khi tiến hành khảo sát, đánh giá một tham số nào đó thì các tham
số còn lại được cố định giá trị bằng giá trị của mẫu máy lái đối chứng.
Các miền thay đổi hợp lý của các thông số thiết kế, cùng với các miền
khống chế cho phép các chỉ tiêu chất lượng được xác định là các điều
kiện tham số đầu vào cần thiết cho bài toán quan trọng tiếp theo là bài
toán tổng hợp thiết kế nhằm xác định tập các mô hình thiết kế tối ưu
theo từng chỉ tiêu chất lượng được chọn và theo đa chỉ tiêu chất lượng
tổng hợp đặt ra có tính đến các trọng số ưu tiên mức độ quan trọng của
từng chỉ tiêu chất lượng cụ thể.
4.2. Tổng hợp thiết kế tối ưu các thông số động lực học máy lái điện - khí
4.2.1. Các bước giải bài toán tổng hợp thiết kế tối ưu động lực học
máy lái điện - khí theo phương pháp Monte - Carlo
Các bước tiến hành xác định tập các mô hình thiết kế tối ưu theo phương
pháp tìm ngẫu nhiên Monte - Carlo như sau:
Bước 1: Xác định vùng tồn tại các mô hình thiết kế D:


20
- Xác định các giá trị giới hạn trên và giới hạn dưới của các thông
số thiết kế xi* , xi** .
- Xác định giá trị giới hạn trên của từng chỉ tiêu chất lượng f**  x  .
- Lựa chọn các chỉ tiêu chất lượng quan trọng để tiến hành tối ưu hóa
Chọn 5 hàm chỉ tiêu chất lượng sau đây cho phép bao quát đầy đủ các
chức năng, nhiệm vụ quan trọng nêu trên của máy lái để tiến hành giải bài
toán tối ưu hóa mô hình thiết kế: Thời gian quá trình quá độ (tác động
nhanh) đáp ứng tín hiệu điều khiển hàm bậc thang: f1(x) = tp(x), s; Độ

chính xác bám vị trí của trục piston liên kết bản lề với cánh lái trong
trạng thái ổn lập: f2(x) = ε(x), %; Công suất tín hiệu điều khiển đầu vào:
f4(x) = Nđk(x), W; Công suất động lực nguồn khí nén tiêu thụ: f5(x) = Nđl(x),
W; Hiệu quả sử dụng bộ truyền động: f6(x) = Khq(x), m2/W. Còn chỉ tiêu
chất lượng độ quá chỉnh quá trình quá độ δ phải thỏa mãn điều kiện
khống chế ngưỡng đã đưa ra: f3(x) = δ(x) = 0 %.
Bước 2: Từng thông số thiết kế xi,j được gán các giá trị ngẫu nhiên
phân bố đều trong vùng tồn tại D của chúng:
xi*  xi , j  xi** ,
xi , j  xi*  qi , j  xi**  xi* 

(4.12)

ở đây: i = 1, 2, …, n - số thứ tự của thông số thiết kế cần tổng hợp; j = 1, 2,
…, N - số thứ tự mô hình thiết kế máy lái cần tổng hợp thiết kế (N phụ
thuộc vào yêu cầu về độ chính xác và độ tin cậy xác định mô hình thiết kế
tối ưu); qi, j - tọa độ số ngẫu nhiên phân bố đều, (0 < qi, j < 1).
Bước 3: Đối với từng tọa độ các thông số thiết kế ngẫu nhiên xi,j
tiến hành tích phân mô hình toán động lực học máy lái. Trên cơ sở đó
tính toán giá trị các hàm chỉ tiêu chất lượng đặt ra f j  x  , (ν = 1, 2, …,
k ; j = 1, 2, …, N) của N mô hình thiết kế.
Bước 4: Đối với từng chỉ tiêu chất lượng ta chọn và sắp xếp các
giá trị tính toán được của chúng theo thứ tự tăng dần. Để phân tích và
xác định tập các mô hình thiết kế tốt nhất ta sử dụng hai chỉ tiêu đánh
giá so sánh j và Λj. Chỉ tiêu đánh giá j đặc trưng cho loạt mô hình
thiết kế xếp theo thứ tự tăng dần gần với mô hình tốt nhất đối với từng
chi tiêu chất lượng được chọn để tối ưu hóa:
j 

f j  xi , j 

min f  x 
N

,

j  1, 2,..., N ,
  1, 2,..., k ,

(4.13)


21
ở đây: min f  x   0 - giá trị nhỏ nhất của chỉ tiêu chất lượng fν trong
N

số chỉ tiêu chất lượng N đã tính toán. Rõ ràng, giá trị nhỏ nhất của chỉ
tiêu đánh giá j là λνmin = 1.
Chỉ tiêu đánh giá tổng hợp Λj được sử dụng để đánh giá toàn diện
N mô hình theo đa chỉ tiêu chất lượng đặt ra.
k

j 

  . , 1  j  N ,
j





(4.14)

 1

ở đây: ρν - trọng số ưu tiên của chỉ tiêu chất lượng thứ ν.
Bảng số với các mô hình thiết kế được sắp xếp theo thứ tự tăng
dần của chỉ tiêu đánh giá tổng hợp Λj gọi là bảng đánh giá đa chỉ tiêu.
Mô hình tối ưu xop đa chỉ tiêu trong số N các mô hình được xác định
theo công thức sau:
  x op   min  j
1 j N

(4.17)

Dưới đây là kết quả các bước thực hiện của các bài toán nêu trên.
4.2.2. Các mô hình thiết kế tối ưu theo từng chỉ tiêu chất lượng và
theo đa chỉ tiêu chất lượng tổng hợp máy lái điện - khí.
Phân tích các kết quả nhận được ta dễ dàng xác định được các mô
hình thiết kế tối ưu theo từng chỉ tiêu chất lượng và theo đa chỉ tiêu chất
lượng tổng hợp với giá trị các trọng số ưu tiên khác nhau của từng chỉ
tiêu chất lượng của máy lái điện - khí. Cụ thể :
- Mô hình thiết kế tối ưu theo chỉ tiêu chất lượng thời gian quá độ đáp
792
ứng tín hiệu điều khiển là mô hình αj = 792, 1min
 1 với tpmin(xop) = 0.105s;
- Mô hình thiết kế tối ưu theo chỉ tiêu chất lượng độ chính xác bám
vị trí trục piston trong trạng thái ổn lập là mô hình αj = 218, 2218
min  1
op

với εmin(x ) = 0.21%;
- Mô hình thiết kế tối ưu theo chỉ tiêu chất lượng công suất tín hiệu
134
điều khiển là mô hình αj = 134, 3min
 1 với Nđkmin(xop) = 0.219W;
- Mô hình thiết kế tối ưu theo chỉ tiêu chất lượng công suất tiêu thụ
op
nguồn khí nén là mô hình αj = 382, 4382
min  1 với Nđlmin(x ) = 497W;
- Mô hình thiết kế tối ưu theo chỉ tiêu chất lượng hệ số hiệu quả sử
63
dụng là mô hình αj = 63, 5min
 1 với Khqmin(xop) = 2.84×10-5m2/W;


22
- Mô hình thiết kế tối ưu đa chỉ tiêu chất lượng với các hệ số trọng
lượng: ρ1 = ρ2 = ρ3 = ρ4 = ρ5 = 1 là mô hình αj = 529 với 529
min  5.785 ;
- Mô hình thiết kế tối ưu đa chỉ tiêu chất lượng với các hệ số trọng
lượng: ρ1 = 6; ρ2 = 2; ρ3 = 4; ρ4 = 2; ρ5 = 1 là mô hình αj = 692 với
692
min  16.815 .
Nhận xét:
- Mô hình thiết kế tối ưu theo chỉ tiêu chất lượng thời gian quá độ
chấp hành tín hiệu điều khiển (mô hình αj = 792) có giá trị tpmin(xop) =
0.105s, giảm khoảng 1,35 lần so với giá trị t *p .
- Mô hình thiết kế tối ưu theo chỉ tiêu chất lượng sai số kèm bám
vị trí trục piston (mô hình αj = 218) có giá trị εmin(xop) = 0.21%, giảm
khoảng 9,5 lần so với giá trị  * .

- Mô hình thiết kế tối ưu theo chỉ tiêu chất lượng công suất tín hiệu
điều khiển đầu vào Nđk (mô hình αj = 134) có giá trị Nđkmin(xop) =
0.219W, giảm khoảng 1,3 lần so với giá trị N ñk* .
- Mô hình thiết kế tối ưu theo chỉ tiêu chất lượng công suất tiêu thụ
nguồn khí nén (mô hình αj = 382) có giá trị Nđlmin(xop) = 497W, giảm
khoảng 1,3 lần so với giá trị N ñl* .
- Mô hình thiết kế tối ưu theo chỉ tiêu chất lượng hệ số hiệu quả sử
dụng bộ truyền động Khq (mô hình αj = 63) có giá trị Khqmin(xop) =
*
2.84×10-5m2/W, giảm khoảng 1,93 lần so với giá trị K hq
;
- Mô hình thiết kế tối ưu đa chỉ tiêu chất lượng với các trọng số ưu
tiên như nhau ρ1 = ρ2 = ρ3 = ρ4 = ρ5 = 1 và các trọng số ưu tiên khác nhau
ρ1 = 6; ρ2 = 2; ρ3 = 4; ρ4 = 2; ρ5 = 1 (mô hình αj = 529 và αj = 692) đều có
chỉ tiêu chất lượng tốt hơn so với các chỉ tiêu chất lượng tương ứng của
máy lái điện - khí nguyên mẫu.
4.3. Kết luận chương 4
- Xây dựng được bộ chỉ tiêu kỹ thuật đánh giá chất lượng hoạt động
của máy lái điện - khí TLĐH.
- Xác định được đầy đủ các nhóm thông số thiết kế cần khảo sát
ảnh hưởng của chúng đến các chỉ tiêu chất lượng đặt ra.
- Xác định được miền thay đổi hợp lý của từng thông số thiết kế và
miền thay đổi cho phép của từng chỉ tiêu kỹ thuật đặt ra tương ứng. Tổ
hợp miền thay đổi nói trên đã xác định được không gian tồn tại các mô


23
hình thiết kế động lực học khả thi làm dữ liệu đầu vào cần thiết cho bài
toán tổng hợp thiết kế động lực học tối ưu máy lái điện - khí TLĐH.
- Xây dựng được thuật toán, chương trình và phần mềm để giải bài

toán tổng hợp thiết kế tối ưu máy lái điện - khí TLĐH bằng phương
pháp tìm ngẫu nhiên Monte - Carlo.
- Trong không gian tồn tại các mô hình thiết kế của máy lái điện khí TLĐH đã xác định được các mô hình thiết kế tối ưu (theo nghĩa tối
thiểu hóa) theo từng chỉ tiêu chất lượng đã được lựa chọn và theo đa chỉ
tiêu chất lượng tổng hợp với các phương án các giá trị trọng số ưu tiên
quan trọng khác nhau.
KẾT LUẬN
Những kết quả chính đã đạt được:
1. Tổng quan về máy lái tên lửa điều khiển đa kênh hoạt động theo
nguyên lý truyền động tự động bám điện - thủy - khí. Tổng quan về máy
lái điện - khí TLĐH - đối tượng nghiên cứu của luận án. Tổng quan các
nghiên cứu về các bài toán động lực học hệ thống truyền động tự động
bám điện - thủy - khí và máy lái điện - khí TLĐH hiện có trong trang bị
quân đội.
2. Xây dựng mô hình toán động lực học máy lái điện - khí TLĐH
cho phép phản ánh đầy đủ các quá trình điện - từ - cơ - khí nén xảy ra
và tương tác với nhau trong máy lái trong quá trình chấp hành tín hiệu
điều khiển và thiết lập quan hệ ảnh hưởng của các thông số thiết kế về
điều khiển, về kết cấu và về động lực học đến các chỉ tiêu chất lượng
đặt ra.
3. Xây dựng thuật toán và phần mềm giải bài toán phân tích động
lực học máy lái điện - khí TLĐH trên cơ sở tích phân số mô hình toán
động lực học tổng quát máy lái bằng phương pháp Runge - Kutta trong
môi trường lập trình Visual Basic 6.
4. Xây dựng được giá thử nghiệm và tiến hành thử nghiệm phân
đoạn, thử nghiệm tổng hợp để xác định các tham số đầu vào cho mô
hình toán động lực học máy lái và kiểm chứng sự đúng đắn của mô hình
toán động lực học máy lái đã xây dựng.
5. Tiến hành khảo sát bài toán phân tích động lực học máy lái. Đã
đưa ra các quy luật ảnh hưởng từng thông số thiết kế cơ bản đến các chỉ

tiêu chất lượng đặt ra, trên cơ sở đó xác định không gian tồn tại các mô
hình thiết kế máy lái trong đó bao gồm các miền thay đổi hợp lý của
từng thông số thiết kế và ngưỡng khống chế cho phép của các chỉ tiêu