intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE
 » 
 » 

Đo lường và Điều khiển tự động

Chia sẻ: Manh Tuan | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:0

Thêm vào BST
Báo xấu
233
lượt xem 85
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Sử dụng phương pháp thực nghiệm để nhận được ước lượng định lượng của đối tượng thông qua việc so sánh với mẫu. Đây là quá trình quan trọng nhất của hệ thống thông tin đo lường.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đo lường và Điều khiển tự động

  1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP KHOA ĐI Ệ N TỬ Bộ môn: Đo lường và Điều khiển tự động THUYẾT MINH ĐỀ TÀI ĐỔI MỚI PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY NĂM 2007 MÔN HỌC: HỆ THỐNG THÔNG TIN CÔNG NGHIỆP Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Hữu Công Cộng tác: Nguyễn Văn Chí Nguyễn Hoài Nam THÁI NGUYÊN 2007
  2. Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử CH ƯƠ NG 1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐO LƯỜNG 1.1 Định nghĩa và sự phát triển của hệ thống thông tin đo lường Định nghĩa hệ thống thông tin đo lường 1.1.1 HTD là một hệ thống tự động đo và điều khiển việc gia công thông tin theo một algorithm(thuật toán) định sẵn. Cụ thể hơn hệ thống thông tin đo lường là một tập hợp các thi ết b ị có cùng m ột nhiệm vụ, cùng một thuật toán chức năng để có thể thiết lập được ước lượng về đối tượng. Sau đó biến đổi thông tin, gia công và chuyển về dạng con người có th ể thu nh ận được. + Các quá trình xảy ra trong hệ thống thông tin đo lường • Quá trình đo lường • Quá trình kiểm tra • Quá trình nhận dạng • Quá trình tính toán • Quá trình chẩn đoán -Quá trình đo lường: Sử dụng phương pháp thực nghiệm để nhận được ước lượng định lượng của đối tượng thông qua việc so sánh với mẫu. Đây là quá trình quan tr ọng nhất của hệ thống thông tin đo lường. -Quá trình kiểm tra: so sánh giữa trạng thái của đại lượng c ần ki ểm tra so v ới m ẫu cho tín hiệu đánh giá. -Quá trình nhận dạng: xác định xem có sự tương ứng hay không gi ữa đối tượng và mẫu đã cho -Quá trình chẩn đoán: là quá trình theo dõi sự làm việc bình th ường c ủa đ ối t ượng và tìm ra chỗ hỏng hóc. Hệ thống kiểm tra các hoạt động của thi ết bị kỹ thuật gọi là h ệ thống chẩn đoán + Đặc tính chung của các quá trình Tất cả các quá trình đều có một đặc tính chung là phải có sự thu nhận đại l ượng bằng các thiết bị kỹ thuật biến đổi qua các đại lượng trung gian rồi so sánh v ới m ẫu. Ghi lại tất cả các trạng thái hay tính chất của đối tượng và đưa ra kết quả bằng số. Hệ thống kỹ thuật ngày càng phức tạp cho nên có nhiều đi ểm thu th ập số li ệu t ừ nhiều đối tượng khác nhau, vì vậy xuất hiện các hệ thống đo, đó là t ổ h ợp đo c ủa nhi ều đại lượng, hiện nay số điểm thu thập có thể lên đến hàng ngìn điểm. Ví dụ: Động cơ, máy phát, lò luyện kim, quá trình sản xuất xi măng và nhiêu đ ại lượng khác nhau, đại lượng điện như dòng, áp, công suất, cos ϕ, đại lượng nhiệt, nồng độ… Để điều khiển quá trình sản xuất xi măng Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 2
  3. Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử Ta phải lấy mẫu clanhke và đưa qua máy phân tích phổ. Tín hi ệu đầu ra c ủa máy phân tích phổ được đưa vào máy tính. Máy tính sẽ tính toán theo m ột ph ần m ềm đ ịnh s ẵn, sau đó ra lệnh để phối liệu sao cho đạt chất lượng xi măng như mong muốn. + Sơ đồ cấu trúc của một hệ thống thông tin đo lường. Thiết bị Thiết bị Thiết bị Thiết bị lưu giữ thể thu gia Đối Người quan sát nhận hiện công thông tượng thông thông tin thông tin tin tin Tín hiệu vào Tín hiệu ra Thiết bị điều khiển Hình 1.1 - Sơ đồ cấu trúc của HTD -Thiết bị thu nhận thông tin chủ yếu là các cảm biến, biến tín hi ệu c ần đo c ủa đ ối tượng sang tín hiệu điện. Sau đó sẽ có quá trình đo th ực hi ện phép so sánh v ới m ẫu, quá trình lượng tử hoá và mã hoá.v.v -Thiết bị gia công (biến đổi, tính toán) thông tin thực hiện các phép tính theo m ột algorithm nhất định(thường phải sử dụng µP và µC). -Thiết bị lưu trữ ghi vào bộ nhớ hoặc in ra để lưu trữ. -Thiết bị thể hiện thông tin có thể là thiết bị đo hoặc tự ghi, hoặc là màn hình c ủa máy tính. +Nhiệm vụ của hệ thống thông tin đo lường. Thực hiện việc đo hay kiểm tra chẩn đoán, nhận dạng hay tính toán từ nhi ều tín hi ệu khác nhau trong thời gian ngắn nhất. Biến đổi tín hiệu thành các tín hiệu chuẩn hoá để truyền đi xa mà không bị mất mát. Hệ thống thông tin đo lường làm nhiệm vụ tự động hoá cao độ, quá trình đo, kiểm tra nhận dạng, từ đó cho ra thông tin để điều khi ển kịp th ời đ ối t ượng. Nh ờ đó mà nâng cao được chất lượng sản phẩm. Sự phát triển của hệ thống thông tin đo lường. 1.1.2 -Vào những năm 1960: Chủ yếu là hệ tập trung, chưa có sự tham gia c ủa máy tính. Thường dùng mạch biến áp hoặc senxin. Tín hiệu đưa về là tín hiệu tương tự. -Từ những năm 1970 ÷ 1982: Vẫn là các hệ tập trung, song đã có sự tham gia xử lý tín hiệu bằng máy tính. Lúc này đã xuất hiện các tổ hợp đo lường tính toán. -Từ năm 1982 ÷ đến nay: Là các hệ thống phân tán, các máy tính đều được đ ưa t ới các phân xưởng. Mỗi máy tính chịu trách nhiệm 1 cụm nào đó. Máy tính sẽ đo và xử lý s ơ bộ sau đó gửi thông tin lên máy tính trung tâm thông qua các mạng máy tính. 1.2 Phân loại hệ thống thông tin đo lường Phân loại dựa trên tín hiệu vào 1.2.1 Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 3
  4. Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử Khác với dụng cụ đo một hệ thống thông tin đo lường có thể có một số lượng lớn các đầu vào đại lượng vật lý giống nhau hoặc khác nhau. Chúng có những đặc trưng rất khác nhau. Do vậy thường căn cứ vào tín hiệu vào để xác định nguyên lý làm việc của hệ thống. Việc phân loại hệ thống thông tin đo lường theo tín hiệu vào có thể dựa trên các tiêu chí sau: Theo số lượng tín hiệu vào  + Hệ thống có từ 2 tín hiệu vào trở nên gọi là hệ nhiều kênh (đa kênh) Theo tính chất của tín hiệu.  + Hệ thống có các tín hiệu vào độc lập hay phụ thuộc. Ví dụ t0 và U là hai tín hiệu độc lập, còn t0 và độ ẩm là hai tín hiệu phụ thuộc. Theo sự thay đổi của tín hiệu  +Hệ thống có các tín hiệu vào tiền định (biết trước quy luật) hay ngẫu nhiên (không biết trước quy luật) Theo sự biến đổi của tín hiệu  +Hệ thống có tín hiệu vào rời rạc hay liên tục. Theo bản chất của tín hiệu  +Hệ thống có tín hiệu vào là chủ động, tức là bản thân nó có năng lượng như I, U, t 0, ánh sáng v.v. hoặc có tín hiệu vào là bị động, tức là b ản thân nó không mang năng l ượng như R, L, C, sức bền vật liệu. Theo quan hệ của tín hiệu và nhiễu  + Hệ thống có các tín hiệu có nhiễu độc lập (có th ể tách kh ỏi tín hi ệu) ho ặc nhi ễu phụ thuộc (không thể tách khỏi tín hiệu). Ví dụ như tín hiệu máy điện tim: Utín hiệu = 0.7mV, Unhiễu =20mV Phân loại dựa trên tín hiệu ra 1.2.2 1. Hệ thống đo lường Là HTĐ có nhiệm vụ đo các đại lượng vật lý cho thông tin ra bằng s ố, k ết qu ả đ ược đưa ra trực tiếp. Hệ thống đo lường bao gồm hai loại: Hệ thống thông tin đo lường gần  Hệ thống thông tin đo lường xa(truyền số liệu)  2. Hệ thống kiểm tra tự động Là hệ thống có nhiệm vụ so sánh giá trị đo được với một giá trị chuẩn để nhằm nhiệm vụ kiểm tra. Để thực hiện việc kiểm tra hay điều khiển ta phải ấn định giá trị chuẩn Sp(setpoint) điểm đặt. Sau đó so sánh với giá trị c ần ki ểm tra. Những h ệ th ống nh ư vậy gọi là hệ thống kiểm tra tự động. Tín hiệu ra thường có 3 mức: chu ẩn, trên chu ẩn, dưới chuẩn. -Với hệ thống kiểm tra: tín hiệu ra mang tính chất lượng để trả lời cho câu h ỏi th ấp hơn hay cao hơn chuẩn. Trong công nghiệp hệ thống đo lường và hệ thống kiểm tra thường đi đôi với nhau. 3. Hệ thống chẩn đoán kỹ thuật Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 4
  5. Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử Trên cơ sở kết quả đo hệ thống đưa ra đánh giá về tr ạng thái làm vi ệc c ủa đ ối tượng, đặc tính hư hỏng và phương pháp sửa chữa. Hệ thống này phải có sự tham gia c ủa thiết bị tính toán và các phần tử logic. 4. Hệ thống nhận dạng Nhận biết các thông tin xem có giống với mẫu hay không, thông thường h ệ th ống này cũng phải kết hợp với thiết bị tính toán. Ví dụ như hệ thống phân loại sản phẩm. Phân loại dựa trên sơ đồ cấu trúc 1.2.3 1- Hệ thống có các kênh song song Phần đo lường 1 S1 Phần đo lường 2 S2 Thiết bị thể . . Người hiện thông tin . . . . Phần đo lường n Sn Thiết bị điều khiển Hình 1.2 Hệ thống có các kênh song song -Đặc điểm: các kênh liên lạc làm việc độc lập với nhau -Ưu điểm: Độ làm việc tin cậy, nếu hỏng một kênh thì các kênh khác vẫn làm việc bình thường. -Nhược điểm: Số lượng dây quá lớn (nếu số lượng điểm đo lớn) nên ch ỉ áp d ụng cho các nhà máy nhỏ (khoảng cách ≤ 2km) 2- Hệ thống có các kênh nối tiếp S1 S2 Thiết bị đo Thiết bị thể Mux . Người lường hiện thông . tin . Sn Thiết bị điều khiển Hình 1.3 Hệ thống có các kênh nối tiếp Mux: Multiplexor – bộ dồn kênh Cấu tạo Mux như sau: • Đầu vào địa chỉ (A): Address Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 5
  6. Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử • Đầu vào dữ liệu (D): Data • Đầu vào cho phép (C): Clock • Xung đồng bộ • Đầu ra: Q ( Q ) ( Q là đầu ra đảo của Q), Q sẽ được đóng vào các tín hiệu đầu vào theo 2 phương án: Theo một chương trình quét cho trước: D0, D1,…,Dn-1 - Đầu ra Q được đóng vào chân dữ liệu đầu vào D i nào đó nếu như tương ứng - với địa chỉ của nó. Một Mux có n chân địa chỉ thì bao giờ cũng có 2n chân dữ liệu. Ví dụ: một mux có 4 chân dữ liệu Bảng trạng thái D0 D1 Q D2 Chân địa chỉ Đầu ra Chân Clock D3 Mux Q A2 A0 A1 C Q A1 C X X 0 0 0 0 1 D0 1 0 1 D1 0 1 1 D2 1 1 1 D3 Hàm logic: Q = C[D0 A 0 A 1 + D1A0 A 1 + D2 A 0 A1 + D3A0A1] Các kênh được biến từ song song thành nối tiếp (nhờ Mux) để đưa vào một kênh duy nhất. -Ưu điểm: Tốn ít đường dây, sử dụng khi đo ở khoảng cách xa, rẻ tiền, đơn giản -Nhược điểm: Độ tin cậy thấp vì nếu hỏng hóc ở phần kênh chung thì coi nh ư tê li ệt hệ thống 3 - Hệ thống song song nối tiếp S1 S2 Phần đo lường Mux1 Sn . Thiết bị Người . thể hiện Mux∑ . thông tin S1 S2 Phần đo lường Muxm Thiết bị điều khiển Sn Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 6
  7. Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử Hình 1.4 Hệ thống có cách kênh song song nối tiếp Hệ thống này có ưu điểm là tăng độ tin cậy, tăng được số kênh đầu vào, song có nhược điểm là cồng kềnh, đắt tiền nên thường dùng cho các hệ thống lớn và phải truyền đi xa. 4- Hệ thống kiểm tra tự động S1 So sánh 1 Thiết bị S2 Thiết bị điều So sánh 2 Người thể hiện khiển thông tin Sn So sánh n Phần đo lường Mẫu Hình 1.5 Hệ thống kiểm tra tự động Có một mẫu chung dùng cho tất cả các bộ so sánh, thi ết b ị th ể hi ện sẽ thông báo trạng thái của tín hiệu so với mẫu (lớn hơn, bằng, hay nhỏ hơn). 1.3 Tổ chức làm việc của hệ thống thông tin đo lường Quá trình làm việc của HTĐ được điều khiển bằng bộ đi ều khiển, b ộ đi ều khi ển này điều khiển hệ thống thông qua một thuật toán nào đó như: điều khiển tác đ ộng l ẫn nhau giữa các khâu trong hệ thống; thứ tự thực hiện công việc; các thao tác chọn tần số lấy mẫu tín hiệu; chọn số kênh, xác định giới hạn đo c ủa từng tín hi ệu ở t ừng kênh, tính toán sai số của việc đo; gia công kết quả đo. Bộ điều khiển HTĐ ngày nay là các bộ vi xử lý và máy tính Tất cả các thiết bị trong hệ thống nói chung là các thiết b ị có tín hi ệu vào ra khác nhau, do vậy để có thể trao đổi thông tin giữa các thiết bị với nhau ho ặc với bộ đi ều khi ển thì đòi hỏi phải có một giao diện chung (interface). Giao di ện ở đây bao gồm giao di ện phần cứng (các card ghép nối giữa thiết bị và máy tính, các b ộ chuyển đ ổi tín hi ệu. . .) và phần mềm (ngôn ngữ lệnh trong vi xử lý, các driver hay các trình điều khiển thiết bị...). Ví dụ: Một hệ thống sử dụng µP như sau TR1 S1 S2 TR2 Mux ADC TRn Sn µP RS 232 Printer Interface RS 232 Display ROM Program Memory Interface Keyboard Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 7 RS 232 RAM Date Memory Control
  8. Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử Hình 1.6 - HTĐ sử dụng vi xử lý Control RS 232 µP Date Printer Interface Address Hình 1.7 – Trao đổi giữa vi xử lý và giao diện -Tín hiệu S được đưa qua các TR(TR 1, TR2,…,TRn) đến bộ chọn kênh(Mux). Sau đó tín hiệu được đưa tới bộ nhớ chương trình, nhớ dữ liệu. µP sẽ điều khiển mọi hoạt động qua Interface (RS232) để in ra nếu cần thiết, hoặc điều khiển các khâu khác nhau. 1.4 Phân cấp trong hệ thống đo lường - điều khiển và thông tin công nghi ệp hi ện nay Phân cấp hệ thống 1.4.1 Hệ thống sản xuất ngày nay càng được mở rộng và có phạm vi đ ịa lý phân tán cho nên hệ thông thông tin đo lường và điều khiển cũng vì thế mà phát tri ển và đ ược phân c ấp hệ thống cơ bản theo 5 lớp – hình chóp như sau: Cấp quản lý công ty Cấp điều hành sản xuất Cấp điều khiển giám sát Cấp điều khiển Cấp chấp hành Hình 1.8 Phân cấp hệ thống Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 8
  9. Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử Cấp chấp hành: Bao gồm các cảm biến, cơ cấu chấp hành chúng có chức năng nhận  tín hiệu đo thông qua cảm biến, thực hiện việc điều khiển theo lệnh c ấp trên. Đây là thiết bị hiện trường(FI - Field Instruments) . Cấp điều khiển: Bao gồm các máy tính điều khiển (CPU – Control Processing Unit); Các  modul I/O (input / Output). Chức năng là bộ điều khiển cơ sở, điều khiển logic, tổng hợp dữ liệu, bảo vệ thiết bị và giám sát hiện trường FCS (Field Control Station). Cấp điều khiển giám sát: là cấp điều khiển quá trình bao gồm các trạm thi ết k ế k ỹ  thuật và trạm vận hành. • Trạm thiết kế kỹ thuật – EWS (Engineering Work Station) Bao gồm: Thiết kế các thông số hệ thống như chọn số kênh, chọn tần số quét c ủa tín hiệu, tần số cắt mẫu, dải tần của kênh liên lạc, lựa chọn tối ưu các thông số c ủa tín hi ệu sao cho sai số của phép đo là nhỏ nhất. Định nghĩa m ọi thi ết b ị, k ết n ối và phân lu ồng quản lý của từng CPU cụ thể. • Trạm vận hành OS (Operating Station) Có chức năng vận hành hệ thống bao gồm điều khiển giám sát (supervery control), t ối ưu hóa quá trình về chất lượng cũng như năng lượng tiêu thụ, xử lý sự c ố, ch ẩn đoán k ỹ thuật, bảo toàn hệ thống. Cấp điều hành sản xuất: Theo dõi đánh giá kết quả sản xuất, lập kế ho ạch sản xu ất  dựa vào tình trạng thiết bị, đầu vào, đầu ra của sản phẩm, tính toán, t ổ ch ức s ản xu ất theo hướng tối ưu hóa Cấp quản lý công ty: Tính toán kinh tế, thống kê số li ệu về sản xuất kinh doanh, x ử lý  đơn đặt hàng, giao dịch thương mại (thương mại điện tử, quản lý kho tàng). Ho ạch định tài nguyên của công ty: tài chính, nhân lực sản xuất, khả năng m ở r ộng và phát triển sản xuất. Ví dụ một hệ thống đo lường - điều khiển phân tán trong công nghiệp. 1.4.2 Information Manage me nt Data His to rial Manage me nt Laye r S ys te m Manage me nt Ne twork (Ethe rne t) Ope ration Ope ration Laye r S tation Control Ne twork Toc ke n Pas s ing Control Fie ld Control Laye r Profibus ... Fie ld I/O I/O Laye r Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 9
  10. Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử Hình 1.9 Ví dụ về hệ thống đo lường - điều khiển phân tán trong công nghiệp Chức năng mở của hệ thống 1.4.3 Năm 1978 Hội tiêu chuẩn quốc tế ISO (International Standard Organization) đ ưa ra một mô hình hệ thống mở: OSI (Open System Information) nghĩa là ph ải có ph ương th ức truyền thông mở theo một tiêu chuẩn bao gồm 7 lớp để có thể thay th ế thi ết b ị l ẫn nhau của nhiều hãng sản xuất. Application Presentation Session Transport Network Data link Physical Hình 1.10 Giao thức truyền thông mở bảy lớp trong công nghiệp Application Layer: có chức năng truyền file, trao đổi bản tin, báo cáo...  Presentation Layer: chuyển đổi cú pháp các dữ liệu được truyền đi trên OSI  Session Layer: tổ chức và đồng bộ dữ liệu trao đổi như cung c ấp, qu ản lý thông tin  giữa các ứng dụng, thiết lập duy trì đồng bộ hóa, hủy b ỏ phiên truyền thông gi ữa các ứng dụng trong hệ thống. Transport Layer: thực hiện truyền giữa hai đầu sử dụng, phát hiện và sửa đổi, ghép và  tách kênh Network Layer: tối ưu hóa việc truyền một bản tin từ mạng này sang mạng khác,  chuyển mạch luồng thông tin, kiểm soát luồng dữ liệu,cắt bỏ khối nếu cần Data link Layer: cung cấp phương tiện truyền thông qua liên kết vật lý, đ ảm b ảo tin  cậy, phát hiện, sửa lỗi, khóa dữ liệu. Physical Layer: đảm bảo về cơ điện cho hệ thống.  Truy nhập thông tin được thực hiện qua các giao thức gọi là protocol. Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 10
  11. Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử Ví dụ: việc truy cập thông tin trên internet qua đường điện tho ại phải thông qua giao thức TCP/IP (Transfer Control Protocol / Internet Protocol) CH ƯƠ NG 2 CÁC ĐẶC TÍNH THÔNG TIN CỦA TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG 1.5 Tín hiệu đo lường trong công nghiệp Định nghĩa 1.5.1 Tín hiệu đo là loại tín hiệu mang đặc tính thông tin, chứa đựng thông tin v ề giá tr ị cần đo. Tín hiệu đo làm nối liền các khâu trong hệ thống đo lường - điều khiển c ủa c ả quá trình sản xuất, tín hiệu đo có thể thay đổi theo thời gian hoặc các thông số khác. Một tín hiệu đo phụ thuộc vào nhiều thông số khác nhau nhưng người ta c ố đ ịnh các thông số khác và chỉ để phụ thuộc duy nhất vào một thông số. x(t, a, b, c,...) ⇒ x(t) Ví dụ: Như vậy tín hiệu đo trên phụ thuộc thời gian, các thông số khác n ằm trong ph ạm vi cho phép. Phân loại tín hiệu đo 1.5.2 Có thể phân loại tín hiệu đo dựa theo các tiêu chí sau: Dựa vào sự xuất hiện của tín hiệu  a. Tín hiệu tiền định và gần tiền định + Tín hiệu tiền định là tín hiệu đã biết trước các thông số cũng như quy luật thay đ ổi. Ví dụ như tín hiệu: U = 10V, I = 5A. + Tín hiệu gần tiền định là các tín hiệu biết trước quy luật cần xác định thông số. Ví dụ như tín hiệu xoay chiều hình sin: x = x maxsin(ωt + ϕ). Trong đo các lượng xmax, ω, ϕ đều có thể là chưa biết và cần phải đo. Xung đơn vị lý tưởng, xung đ ơn v ị có chu kỳ. b. Tín hiệu ngẫu nhiên Là các tín hiệu không biết trước quy luật biến thiên cũng như các thông số, trong th ực tế phần lớn là các tín hiệu dạng này. Sự thay đổi ngẫu nhiên c ủa tín hi ệu th ường ph ụ thuộc vào các điều kiện bên ngoài như nhiệt độ, áp xuất, độ ẩm v.v Ví dụ: Nhiệt độ của một lò nung là tín hiệu ngẫu nhiên, nó ph ụ thu ộc vào nhi ệt đ ộ môi trường cũng như các điều kiện xung quanh.  Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 11
  12. Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử x a) Dựa vào hình thức biến đổi tín hiệu  x(t) a. Tín hiệu liên tục (a) Là tín hiệu liên tục theo thời gian liên tục. Đồ thị của tín hiệu là hàm liên tục của đối số liên tục. t 0 b) b. Tín hiệu liên tục lượng tử (b) x x(t) Là tín hiệu liên tục theo thời gian và lượng tử theo mức. Đồ thị của tín hiệu là hàm gián đoạn của đối số liên tục. ∆ x là mức lượng tử ∆ xk t x 0 c) c. Tín hiệu rời rạc (c) x(ti) Là hàm liên tục của đối số rời rạc. ∆ t là chu kỳ rời rạc t 0 c) ∆t d) d. Tín hiệu rời rạc lượng tử (d) x Xi(ti) Là hàm lượng tử theo mức của đối số rời rạc. t ∆x 0 ∆t Hình 2.1- Các dạng tín hiệu (a, b, c, d) Khái niệm quá trình ngẫu nhiên. 1.5.3 -Một tín hiệu đo ngẫu nhiên được gọi là một thể hiện -Khi đo nhiều lần tín hiệu ngẫu nhiên X ta được nhiều đường cong khác nhau bao gồm nhiều thể hiện xi(t) và được gọi là quá trình ngẫu nhiên X(t) (là tập hợp của nhi ều thể hiện). Ví dụ khi đo 1 quá trình nhiệt độ theo thời gian thì nhiệt độ sẽ dao đ ộng xung quanh 1 giá trị trung bình Tc Một thể hiện xi(t) X(t) Các đặc tính của tín hiệu đo ngẫu nhiên 1.5.4 Nhiều thể 1. Các đặc tính của tín hiệu ngẫu nhiên hiện Đặc tính phân bố  • Luật phân bố t Hình 2.2. Mô tả tín hiệu ngẫu nhiên Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 12
  13. Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử Giả sử cho tín hiệu ngẫu nhiên X(t) với n thể hiện x i(t). Tại thời điểm t =t1 các giá trị xi(t1) (i = 1, 2, ... n) là đại lượng ngẫu nhiên đặc tr ưng b ởi lu ật phân b ố P t1 (X). Đây là luật phân bố cấp một vì nó phụ thuộc vào các thời điểm của đối số t Luật phân bố mô tả quan hệ giữa xác suất suất hiện giá trị x là P(x) c ủa tín hiệu ngẫu nhiên X(T) và giá trị x tại thời điểm nào đó. Có hai loại thường gặp là phân bố đều và phân bố chuẩn. Pt1(X) Pt1 (X) Pt 1 ( X ) = e− ( x − x )2 1 1 0 x0 x1 x x0 x Phân bố đều Phân bố bố của chuẩn ệu Hình 2.4 Một số luật phân ngẫu nhiên tín hi • Hàm mật độ xác suất bậc 1 - hình 2.5 a Được đánh giá bằng xác suất suất hiện giá trị x n ằm trong kho ảng x 1 và x1 + dx1 của đại lượng ngẫu nhiên X(t) tại thời điểm t1 và ký hiệu là w1(x1,t1) P{x1 ≤ X(t1) ≤ x1 + dx1} = w1(x1,t1)dx1 • Hàm phân bố xác suất bậc 1- hình 2.5b X(t) Hàm phân bố xác suất bậc 1 của tín hiệu ngẫu nhiên X(t) được định nghĩa là x1 + dx1 xác suất của các giá trị tức thời của X(t) ở x1 thời điểm t = t1 không vượt quá x1 và được ký hiệu là F1(x1, t1) a) F1(x1, t1) = P{X(t1) ≤ x1} t = t1 t X(t) • Quan hệ giữa hàm phân bố xác suất và hàm mật độ xác suất x1 Theo lý thuyết về xác suất ta có: b)  ∂F1 ( x, t 1 ) = w 1 ( x, t 1 )  ∂x  t = t1 t + ∞  w 1 ( x, t 1 ) dx = F1 ( x, t ) −∫ F1(x, t1) ∞ 1 • Nhận xét c) x Như vậy để xác tín hiệu ngẫu nhiên Hình 9.5 a, b, c X(t) tại n thời điểm khác nhau ta phải xác Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 13
  14. Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử định được hàm phân bố xác suất và mật độ xác suất bậc n wn(x1, t1; x2, t2; ...;xn, tn) Fn(x1, t1; x2, t2; ...;xn, tn) Nếu như n lớn thì việc xác định hai hàm trên rất khó khăn và do đó người ta dùng các đặc tính số như sau . Đặc tính số  Trong thực tế người ta ít sử dụng đặc tính phân bố mà thường sử dụng các đặc tính số, đó là: + Kỳ vọng toán học +∞ m x ( t ) = M [ X ( t )] = ∫ xw1 (x, t )dt −∞ Trong đó: w1(x,t) là hàm mật độ phân bố xác suất bậc 1 của tín hiệu ngẫu nhiên X(t) -Khi tín hiệu ngẫu nhiên là phân bố đều hoặc phân bố chuẩn thì: T 1 T∫ m x (t ) ≈ x(t )dt = m x 0 -Khi tín hiệu ngẫu nhiên ở dạng rời rạc thì: 1m ∑ x k (t i ) m x (t i ) = m k =1 +Phương sai [ ]= ∫ +∞ [ x − mx (t )] 2 w1 (x, t )dx D x (t ) = M { X (t ) − mx (t ) } 2 −∞ -Khi tín hiệu ngẫu nhiên ở rạng rời rạc thì: 1m D x ( t i ) = ∑ [ x k ( t i ) − m x ( t i )] 2 m k =1 +Sai số bình quân phương σ x (t ) = D x (t ) Hàm tương quan  Kỳ vọng toán học và phương sai của tín hiệu ngẫu nhiên xác đ ịnh m ột hành lang trong đó xếp đặt các thể hiện của THNN, tuy nhiên không làm rõ m ức đ ộ thay đ ổi c ủa THNN bên trong hành lang đó. Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 14
  15. Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử Ví dụ ta có 2 THNN X1(t) và X2(t) có cùng mx(t) và Dx(t) nhưng đặc tính thay đổi của các thể hiện hoàn toàn khác nhau: X1(t) X2(t) Dx1(t) Dx2(t) Mx(t) t t t1 t2 t3 t1 t2 t3 Nếu như trong các algorthm biến đổi tín hiệu X 1(t) và X2(t) có chứa các phép vi tích phân thì kết quả của các phép biến đổi ấy là khác nhau cho dù hai tín hi ệu này có cùng phương sai và kỳ vọng toán học. Như thế để đặc trưng tốt hơn cho THNN c ần thi ết phải biết đến mức độ thay đổi của THNN ấy tại những thời điểm khác nhau của đối số t. Mức độ thay đổi của THNN theo đối số t được xác định bởi hàm t ương quan c ủa THNN theo công thức sau: R x (t 1 , t 2 ) = M {[ X ( t 1 ) − m x (t 1 )][ X ( t 2 ) − m x (t 2 )]} +∞ +∞ ∫ ∫ [ x1 − mx (t1 )] [ x 2 − mx (t 2 )] w 2 ( x1 , t1 ; x 2 , t 2 ) dx1dx2 = −∞ −∞ Với W1(x1, t1;x2, t2) là hàm mật độ xác suất bậc 2 của tín hiệu ngẫu nhiên X 1(t) và X2(t). Trong thực tế việc xác định W2 là rất khó khăn. -Khi tín hiệu ngẫu nhiên rời rạc: 1n ∑ [ x k (t i ) − mx (t i )] [ x k (t i + k∆τ) − mx (t i + ∆τ)] R x ( k∆τ) = n k =1 2. Tính dừng và tính egodic của tín hiệu đo ngẫu nhiên. Tính dừng  Một tín hiệu ngẫu nhiên được gọi là có tính dừng nếu thoả mãn 3 yếu tố: • Kỳ vọng toán học bằng hằng số: mx = const • Phương sai là hằng số: Dx = const • Hàm tương quan chỉ phụ thuộc vào hai thời điểm: Rx(τ) phụ thuộc vào t1, t2: τ = t2 - t1 Tính Egodic  Một tín hiệu có tính egodic nếu: khi lấy trung bình theo khoảng thời gian T của một thể hiện cũng bằng lấy trung bình theo tập m giá trị của các thể hiện tại một thời điểm Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 15
  16. Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử 1m 1T x i (t )d(t ) = ∑ x i (t 1 ) T ∫0 mx = N i =1 Thường tất cả các tín hiệu ngẫu nhiên dừng đều có tính egodic. Nh ư v ậy m ột tín hiệu ngẫu nhiên dừng và egidic thì: { T 1 D x (t ) = ∫ x( t ) − mx (t )} 2 dt = const T0 T 1 R x (t 1 , t 2 ) = R x (τ) = ∫ [ x(t ) − mx ] [ x(t + τ) − mx ] dt ( τ = t 1 − t 2 ; m x = const ) T0 Mật độ phổ tín hiệu 3. Hàm mật độ phổ Sx(f) của tín hiệu x(t) là một hàm số biểu diễn sự phân bố năng lượng của tín hiệu x(t) trên trục tần số. +∞  Sx ( f ) = ∫ x(t )e− j 2πft dt   −∞ •  Khi tín hiệu x(t) là tiền định +∞  j 2πft x(t ) = ∫ X ( f )e df   −∞ • Khi tín hiệu X(t) là ngẫu nhiên Ta có thể tính hàm mật độ phổ thông qua hàm tương quan của X(t) bằng cách áp d ụng công thức Viner-Khinshin sau:  +∞ Sx ( f ) = ∫ R x ( τ)e− j 2πf τ dτ   −∞  +∞  1 R x ( τ) = Sx ( f )ej 2πf τ dω 2π ∫    −∞ Ví dụ: Mật độ phổ của một tín hiệu hiệu như hình vẽ: S(ω) Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 16 ω 30KHz 50KHz
  17. Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử • Một số tính chất của hàm mật độ phổ của tín hiệu ngẫu nhiên dừng + Là một hàm thực chẵn dương của ω Chứng minh: +∞ +∞ +∞ Sx ( ω) = − j ωτ ∫ Rx (τ)e dτ = ∫ Rx (τ) cosωτdτ − j ∫ Rx (τ) sin ωτdτ −∞ −∞ −∞ Vì R(ι) của tín hiệu ngẫu nhiên dừng là một hàm chẵn cho nên nhân với sin ωτ là một hàm lẻ theo τ cho nên: +∞ ∫ R ( τ) sin ωτdτ = 0 +∞ x () ∫ −∞ Sx ω = R x (τ) cosωτdτ là một hàm thực, chẵn theo ω ( Sx(-ω) = Sx(ω) ) Như vậy: +∞ −∞ () ∫ Ta có thể viết lại như sau: Sx ω = 2 R x (τ) cosωτdτ +∞ 1 () 0 ∫ Mặt khác: R x τ = Gx ( τ) cosωτdτ π −∞ Với Sx (ω) = 2 Gx (ω), khi ω ≥ ∞0 thì + Gx ( ω) = ∫ Rx (τ) cosωτdτ 0 + Lấy tích phân hàm mật độ phổ thì được phương sai của tín hiệu ngẫu nhiên dừng X(t) Chứng minh: Dx = σ 2 = R x (0) Vì x Nếu cho τ = 0 thì ta có: +∞ ∞ 1 1 ∫ Sx (ω)dω = π∫ D x = R x ( 0) = Sx (ω)dω 2π −∞ 0 + Nếu thay đổi tỷ lệ của đối số τ trong hàm tương quan thì sẽ dẫn đến sự thay đổi tỷ lệ ngược của ω cũng như chính mật độ phổ. Chứng minh: Giả thiết tín hiệu ngẫu nhiên X(t) có hàm tương quan R x(τ) và hàm mật độ phổ Sx(ω). Khi có sự thay đổi tỷ lệ của đối số τ của hàm tương quan, tức là τ1 = nτ khi đó: +∞ +∞  ω  ω 1 1 Sx ( ω) = ∫ R x (nτ) cosωτdτ = ∫ Rx (τ1 ) cos n τ1 n dτ1 = n Sx  n    0 0 1  ω Sx   Như vậy hàm tương quan Rx(nτ) tương ứng sẽ có hàm mật độ phổ n  n + Hàm mật độ chuẩn được xác định như sau: Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 17
  18. Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử Sx (ω) S (ω) Sx (ω) =x gx (ω) = = R x ( 0) +∞ Dx 1 ∫ Sx (ω)dω 2π −∞ 1.6 Rời rạc hoá tín hiệu liên tục Trong quá trình truyền, xử lý thông tin trong HTĐ thì luôn phải có quá trình bi ến đ ổi tín hiệu từ dạng này sang dạng khác, trong đó có quá trình rời rạc hóa tín hiệu. Định nghĩa 1.6.1 Rời rạc hoá tín hiệu liên tục là quá trình bi ến đổi một hàm liên t ục theo th ời gian x(t) thành hàm rời rạc theo thời gian x i, là tổ hợp các tung độ mà theo đó ta có thể nhận được ước lượng của tín hiệu liên tục x*(t). Trong trường hợp chung sự thể hiện rời rạc một tín hiệu x(t) trong khoảng thời gian T bằng một tập hợp các giá tr ị x 0, x1, … xn và sự phục hồi lại để nhận biết được x*(t) có thể viết dưới dạng: Ax (t ) = (x 0 , x 1 , x 2 ,..., x N )  B(x 0 , x 1 , x 2 ,..., x N ) = x ( t ) * Trong đó A là toán tử thể hiện, B là toán tử phục h ồi. Toán t ử A và B có th ể là tuy ến tính hoặc phi tuyến. Một toán tử thể hiện có thể sử dụng nhi ều toán tử ph ục h ồi khác nhau và ngược lại. Sai số của quá trình rời rạc hóa: εx(t) = x(t) – x*(t) Vậy bài toán rời rạc hoá tín hiệu đo đưa đến việc lựa chọn c ặp A, B sao cho đảm bảo sai số cho trước ε0: εx(t) ≤ ε0 Tóan tử A, B có thể là toán tử tuyến tính ho ặc cũng có th ể là toán t ử phi tuy ến, tuy nhiên ta cũng có thể thấy rằng các toán tử tuyến tính bao gi ờ cũng d ẫn đ ến vi ệc th ực hi ện bằng các thiết bị đơn giản hơn là các toán tử phi tuyến nhưng ngược l ại thì tóan t ử tuy ến tính trong nhiều trường hợp thì mắc phải sai số lớn hơn. Một số toán tử thể hiện và toán tử phục hồi tuyến tính 1.6.2 Toán tử A và B tuyến tính có dạng:  T Ax (t ) = ∫ Vi ( t )x(t )dt = x i  0  N  B(x 0 , x1 , x 2 ,...,x N ) = ∑ x i Wi (t ) = x * (t )   i =0 với i = 0, 1, 2 …N Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 18
  19. Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử Vi(t) là hàm trọng lượng, Wi(t) là hàm cơ sở Các hàm Vi(t), Wi(t) có thể là một trong các trường hợp sau: Là hệ số của một dãy nào đó xi  Xi t 1 2 3 4 N+1 Là các giá trị tức thời xt(i),  Khi đó Vi(t) = δ(t-ti) là hàm delta Dirac, các giá trị rời rạc được thể hiện như hình vẽ sau: X(ti) Là các hiệu hữu hạn  T0 N ∑ (−1) ∆N (t i ) k C k x( t i = − kT0 ) ti x N k =0 t0 t1 t2 t3 N Khi đó Vi (t ) = ∑ (−1) CN δ(t − t i + kT0 ) , tức Vi(t) là một tổ hợp tuyến tính các kk hàm dirac. Các giá trị rờki=r0ạc được thể hiện là x(ti) ∆ x(ti) ∆ x(t3) ∆ x(t2) ∆ x(t1) ∆ x(t2) ∆ x(t3) ∆ x(t1) ti ti t0 t1 t2 t3 t0 t1 t2 t3 ∆ x(ti) = x(ti)- x(ti-T0) = x(ti) - x(ti-1) Vi(t) = δ(t-ti) - δ(t-ti+T0) =δ(t-ti)-δ(t-ti-1) Quá trình phục hồi đường cong trong tất c ả các tr ường h ợp đ ều có th ể bi ểu di ễn dưới dạng một đa thức bậc N, so với tín hiệu x(t) thì x *(t) là 1 đường cong gần đúng(ví dụ đường cong gấp khúc). Khi xi là các giá trị tức thời thì đường cong này được gọi là đường nội suy tuyến tính. Khi xi là các hiệu hữu hạn thì theo các giá trị này ta xây d ựng các giá tr ị tức thời x(ti) sau đó xây dựng các đường cong gần đúng. Vì thế việc phục hồi có thể coi là một phép lọc tuyến tính với các hàm xung Wi(t). Khi phục hồi phải đảm bảo sao cho sai số là nhỏ nhất. Quá trình phục hồi đảm bảo tối ưu rất khó khăn. Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 19
  20. Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử Quá trình rời rạc hóa thích nghi 1.6.3 Có hai cách như sau: Cho khoảng ∆ , nếu tín hiệu chưa vượt quá thì chưa chuyển tiếp.  X x(t) x*(t) ∆ t t1 t2 t3 Thực hiện tuyến tính hoá, coi ξ là sai số nhất định để tuyến tính hoá.  ξ t1 t2 t Nhận xét: Khi tiến hành rời rạc hoá thích nghi thì các kho ảng th ời gian là không còn đều nhau. 1.7 Lượng tử hoá tín hiệu Cách lượng tử hóa 1.7.1 Lượng tử hoá theo mức, đó là việc làm tròn các giá trị tín hiệu đ ến giá tr ị l ượng t ử gần nhất(có hai cách làm tròn là theo kiểu cắt bỏ hoặc theo kiểu làm tròn với nửa bước lượng tử) Tức là mỗi giá trị được làm tròn khác với các giá tr ị ban đầu (giá tr ị th ực) c ủa tín hiệu một lượng gọi là sai số làm tròn. Lượng tử hoá theo mức thực chất là quá trình rời rạc hoá theo mức, thường người ta sử dụng các chuyển đổi A/D. Thường có 2 cách lấy lượng tử: Lượng tử đều  X x(t) ∆ là mức lượng tử hóa x*(t) Các mức lượng tử là bằng nhau ∆ = CONST ξ là sai số làm tròn ∆ Trong nhiều trường hợp thì lượng tử hoá ξ(t0) đều hiệu quả không cao. t0 t Lượng tử hoá kiểu logarit (không đều)  ∆ ≠ CONST X x*(t) ∆ thay đổi phụ thuộc vào độ lớn của x(t) tín hiệu và sai số làm tròn cho phép ξ0 ∆ t Sai số của phép lượng tử hoá 1.7.2 Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 20
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí
65 tài liệu
2430 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2