Thiết kế hệ thống điều khiển tự động ngư lôi Torpedo dựa trên kỹ thuật điều khiển nâng cao

rong mặt phẳng ngang, mặt phẳng đứng và điều
khiển giảm lắc quanh trục X b với ngoại lực và mô men ngoại lực tác động lên ngư lôi. Ta có
phương trình chuyển động của ngư lôi dưới dạng tổng quát:
M RB  CRB ( )   RB

(2)

M RB là ma trận quán tính; C RB là ma trận hướng tâm Coriolis;  RB là véc tơ ngoại lực và mô
men ngoại lực tác động lên thân ngư lôi. Trong hệ tọa độ 6 bậc tự do [7], chuyển động của ngư lôi
được tổng hợp theo hệ phương trình sau:

 x  u0 cos cos   v (cos sin  sin   sin  cos  ) 
  w(cos sin  cos   sin  sin  )

 y  u0 sin  cos   v (sin  sin  sin   cos cos  ) 
  w(sin  sin  cos   cos sin  )

 z  u0 sin   v (cos  sin  )  w cos  cos 
   p  q tan  sin   r tan  cos 

  q cos   r sin 
   q sin  sec   r cos  sec 


(3)

Đây là hệ MIMO phi tuyến, ta có thể nhận thấy tính chất phi tuyến phức tạp của của đối
tượng từ phương trình (3), ta có thể viết lại dưới dạng sau:
1
m
y1 1   f1  x    g1 j  x  u j  d1

j 1
2
m
y 2 2   f 2  x    g2 j  x u j  d2

(4)

j 2

3
m
y 3 3   f3  x    g3 j  x  u j  d 3
j 3

3. Điều khiển ngư lôi dựa trên kỹ thuật điều khiển nâng cao
3.1 Điều khiển thích nghi trực tiếp dựa trên kỹ thuật lai ghép Fuzzy – Neural
Tín hiệu
đặt
u

Δe

- Ẽ0

Fuzzy – Neural
Controller

u fk

u

y

Ngư lôi

vk

+

Bộ quan sát ê
Trạng thái

k

Bộ lọc nhiễu

+

CT - -

+d
Ẽ1

ê

Ước lượng
on-line
Ẽ1
Bộ tính vk

Ẽ1

Ẽ1

Hình 3. Hệ thống điều khiển thích nghi fuzzy – neural trực tiếp

Hình 3 trình bày mô hình hệ thống điều khiển ngư lôi với phương pháp điều khiển thích nghi
nâng cao [7], thiết kế bộ quan sát trạng thái theo công thức sau:



T
ˆ
eˆ  Ao eˆ  BK c eˆ  K o E1  E
1



ˆ CT eˆ
E
1
Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải

Số 45 – 01/2016

(5)

40

CHÚC MỪNG NĂM MỚI 2016

Trong đó: K 0

 diag[ K 01 , K 02 , K 03 ] 

R

6 x3

là vector độ lợi bộ quan sát trạng thái. Sai số bộ quan

ˆ và E  y  d  Eˆ1 . Đầu ra của bộ nơron mờ (Fuzzy-Neural) với
sát được định nghĩa: e  e  e
1

u fk kết hợp v là thành phần để khử nhiễu ngoài và sai số mô hình, tín hiệu điều khiển:
u  u fk  v

(6)

Trong đó: u fk  [u fk 1 , u fk 2 , u fk 3 ]  R v  [v1 , v2 , v3 ]  R
Cấu hình cơ bản của bộ xấp xỉ nơron mờ gồm có một số luật Nếu - Thì và cơ chế suy luận
mờ. Luật Nếu – Thì thứ i (với i 1 h ) được viết:
i
Ri : Nếu eˆ1 là Aki 1 . . . và eˆn là Akn
thì u fk là Bki .
T

i

3

i

i

T

3

i

Trong đó: Ak1 , Ak 2 , . . ., Akn và Bk là các tập mờ, sử dụng luật suy diễn max – prod, mờ
hóa singleton và giải mờ theo trung bình trọng tâm, ngõ ra của bộ xấp xỉ biểu diễn như sau [7]:
h

u fk 

n

i

  k [   Ai (eˆ j )]

i 1

j 1

h

 [   Ai (eˆ j )]

i 1 j 1

Trong đó:

kj

n

T
  k  k (eˆ)

(7)

kj

i

i
Akj

e j là hàm liên thuộc của biến mờ, h là tổng các luật Nếu – Thì,  k là điểm
i

1
2
h T
h

vạch mà tại đó  Bi ( k )  1 và k (eˆ)  [k , k ,..., k ]  R là véc tơ cơ sở mờ với

k

i
k

được định

nghĩa theo công thức (8) như sau:
n

i
 k (eˆ) 

  Ai (eˆ j )
j 1

h

kj

n

 [   Ai (eˆ j )]

i 1 j 1

(với i

1

h

)

(8)

kj

Lựa chọn luật cập nhật online [7] như sau:
 k E1kk (eˆ) neáu ||  k || m
k

T

 hay (||  k || mk vaø E1k k k (eˆ)  0)
k  
 Pr ( k E1k (eˆ)) neáu ||  k || mk

vaø E1k kT k (eˆ)  0)



(9)

3.2 Đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều khiển thích nghi
Mô phỏng hệ thống với kỹ thuật điều khiển trình bày trong mục 3.2 sử dụng bộ điều khiển
thích nghi trực tiếp lai ghép fuzzy – neural. Kết quả cho thấy hệ thống giữ được ổn định, chính xác
khi điều khiển Ngư lôi theo quỹ đạo đặt trước với cả hướng, góc lắc ngang và độ sâu (hình 4), độ

vọt lố điều khiển gần như rất ít. Chuyển động của ngư lôi trong không gian 3 chiều hiển thị rõ tính
ổn định của hệ thống khi điều khiển thay đổi độ sâu theo nấc lần lượt là 10m và 25m, tương ứng
với sự thay đổi của cả góc và hướng đi.

Hình 4. Điều khiển ngư lôi theo quỹ đạo định trước và chuyển động trong không gian 3 chiều

Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải

Số 45 – 01/2016

41