Điều khiển chuyển động của máy bay chữa cháy sử dụng đại số gia tử

Bài báo trình bày kết quả mô phỏng và kiểm nghiệm một số thông số điều khiển chuyển động của máy bay chữa cháy dạng Ka-32A sử dụng các phương pháp khác nhau: điều khiển PID, điều khiển mờ, sử dụng đại số gia tử.Việc kiểm nghiệm thành công bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử trên một mô hình của máy bay chữa cháy sẽ mở ra khả năng ứng dụng một lý thuyết mới trong việc nghiên cứu, thiết kế các hệ thống tự động điều khiển.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Điều khiển chuyển động của máy bay chữa cháy sử dụng đại số gia tử Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA MÁY BAY CHỮA CHÁY SỬ DỤNG ĐẠI SỐ GIA TỬ NGUYỄN ĐỨC ÁNH*, PHAN TƯƠNG LAI**, NGUYỄN QUANG VỊNH** Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả mô phỏng và kiểm nghiệm một số thông số điều khiển chuyển động của máy bay chữa cháy dạng Ka-32A sử dụng các phương pháp khác nhau: điều khiển PID, điều khiển mờ, sử dụng đại số gia tử.Việc kiểm nghiệm thành công bộ điều khiển sử dụng đại số gia tử trên một mô hình của máy bay chữa cháy sẽ mở ra khả năng ứng dụng một lý thuyết mới trong việc nghiên cứu, thiết kế các hệ thống tự động điều khiển. Từ khóa: Điều khiển mờ, Đại số gia tử, máy bay chữa cháy. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Phân tích chuyển động của máy bay để từ đó nghiên cứu tính ổn định và điều khiển được máy bay là một quá trình rất phức tạp. Ngoài sự phức tạp của chính bản thân đối tượng điều khiển thì sự tác động bên ngoài đối tượng cũng tạo nên sự phức tạp của quá trình. Để thực hiện được quá trình khảo sát trên, thông thường sử dụng phương pháp mô hình hoá bằng toán học để mô tả và khảo sát đặc tính. Các phương trình gốc của mô hình là các phương trình rất phức tạp, việc sử dụng trực tiếp các phương trình này có thể vượt quá khả năng của các công cụ khảo sát, vì vậy khi tính toán thông thường sẽ loại bỏ các yếu tố ít ảnh hưởng đến bản chất động học của máy bay và thực hiện việc tuyến tính hoá các phương trình để có được mô hình hợp lý. Đại số gia tử (Hedge Algebra - HA) giải quyết hiệu quả các vấn đề trong những môi trường không chắc chắn nên các nhà nghiên cứu có hướng tới việc ứng dụng trong lĩnh vực điều khiển và tự động hóa. HA đã được nghiên cứu trong một số bài toán nhận dạng, chẩn đoán và đã có những thành công đáng kể trong lĩnh vực điều khiển (áp dụng cho một số bài toán xấp xỉ và điều khiển mô hình đơn giản [1]) . Tuy nhiên, sử dụng HA vào bài toán điều khiển vẫn còn là vấn đề khá mới mẻ. Việc nghiên cứu áp dụng bộ điều khiển sử dụng HA thành công sẽ khẳng định thêm hiệu quả của lý thuyết HA, mở ra khả năng ứng dụng trong thực tế. Xuất phát từ mục tiêu trên, nhóm nghiên cứu đã tiến hành thiết kế bộ điều khiển sử dụng HA cho hệ thống điều khiển chuyển động máy bay chữa cháy, thông qua đó kiểm chứng với phương pháp điều khiển PID, điều khiển mờ. 2. MÔ HÌNH CHUYỂN ĐỘNG CỦA MAY BAY CHỮA CHÁY Hình 1. Các hệ trục tọa độ, các góc trong phân tích chuyển động máy bay. Chuyển động của máy bay (đối tượng điều khiển) được phân thành chuyển động tịnh tiến của tâm khối và chuyển động của vật rắn quanh khối tâm của nó. Việc xây dựng mô hình bắt đầu từ các định luật cơ học cơ bản, gắn với chuyển động của máy bay. Chọn hệ 80 N.Đ. Ánh, P.T. Lai, N.Q. Vịnh, “Điều khiển chuyển động…sử dụng đại số gia tử.” Nghiên cứu khoa học công nghệ toạ độ có vai trò quan trọng trong quá trình khảo sát chuyển động của máy bay. Các hệ toạ độ được chọn sao cho thuận lợi cho việc khảo sát, thông thường hay sử dụng các hệ tọa độ chuẩn: Hệ toạ độ mặt đất O0x0y0z0, hệ tọa độ liên kết Ox1y1z1, hệ tọa độ trung gian Ox*y*z*, hệ toạ độ tốc độ Oxyz, hệ toạ độ tốc độ hành trình Oxcyczc. Từ các hệ tọa độ ta có các thông số góc: Góc chúc ngóc , góc nghiêng , góc lệch hướng , góc nghiêng quỹ đạo , góc vòng quỹ đạo g, góc tấn , góc trượt  (hình vẽ 1) [2,3]. Phương trình chuyển động của máy bay ứng với các trục trong hệ tọa độ liên kết được xác định bằng hệ 6 phương trình vô hướng mô tả chuyển động vật rắn của Euler [4]:    m (W x   yWz   zW y )   Fx ; m(W y   zWx   xWz )   Fy  1 1    m(W z   xWy   yWx )   Fz1 ; J x  x  ( J z  J y )z y   M x1 (1)     J y  y  ( J x  J z ) x z   M y ; J z  z  ( J y  J x ) y x   M z  1 1 Trong đó, Wx, Wy,Wz là các thành phần của véc tơ tốc độ hành trình được chiếu lên hệ tọa độ liên kết; x, y, z là các thành phần tốc độ góc ; Jx, Jy, Jz là các thành phần moment quán tính; Fx1, Fy1, Fz1 và Mx1, My1, Mz1 là các thành phần lực và mô men tương ứng trên các trục của hệ tọa độ liên kết; m là khối lượng máy bay. Khi giải quyết bài toán ổn định các góc của máy bay quanh tâm khối như góc chúc ngóc, góc nghiêng và góc lệch hướng không cần tính toán các toạ độ của chúng, đặc biệt là trong trường hợp độ cao thay đổi không đáng kể. Ngoài ra nếu bỏ qua sự tác động tương hỗ của mô men quán tính thì chuyển động của máy bay có thể phân ra thành chuyển động dọc và chuyển động ngang. Phương trình chuyển động dọc của máy bay trong hệ tọa độ liên kết là [4, 5]:  m(W   W   W )  F ; m(W   W   W )  F  x y z z y  x1 y z x x z  y1 (2)    J z  z  ( J y  J x ) x y   M z  1 Phương trình chuyển động ngang của máy bay trong hệ tọa độ liên kết là [4, 5]:     m ( W z   xW y   yW z )   Fz1 ; J x  x  ( J z  J y ) x y   M x 1 (3)    J y  y  ( J x  J z ) x z   M y  1 Từ đó nhóm đề tài đã thiết lập mô hình chuyển động của máy bay chữa cháy tr ...