Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác cho chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:138

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác cho chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng" trình bày tổng quan về nghiên cứu nâng cao độ chính xác cho chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng; Xác lập mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy và mô hình nhiễu dao động ký sinh trong LA-FSM; Giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh cho tín hiệu kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM bằng áp dụng thuật toán lọc IIR.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác cho chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ --------------------------------- PHẠM THANH HÀ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CHO CHUẨN ĐO LƯỜNG LỰC KIỂU KHUẾCH ĐẠI ĐÒN BẨY SỬ DỤNG GỐI ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN THEO ĐỘ BIẾN DẠNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ --------------------------------- NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CHO CHUẨN ĐO LƯỜNG LỰC KIỂU KHUẾCH ĐẠI ĐÒN BẨY SỬ DỤNG GỐI ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN THEO ĐỘ BIẾN DẠNG Ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9520203 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS Đào Mộng Lâm 2. PGS.TS Vũ Khánh Xuân Hà Nội - 2022
i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các kết quả nghiên cứu và số liệu trình bày trong luận án là trung thực, chưa từng được ai công bố ở trong bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. NGƯỜI CAM ĐOAN Phạm Thanh Hà
ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến PGS.TS Đào Mộng Lâm, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, PGS.TS Vũ Khánh Xuân, Hội Đo lường Việt Nam đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ dẫn các nội dung nghiên cứu giúp tôi hoàn thành luận án này. Sự động viên, khuyến khích, những kiến thức khoa học cũng như chuyên môn mà các Thầy chia sẻ trong những năm nghiên cứu sinh đã giúp tôi nâng cao năng lực khoa học, phương pháp nghiên cứu và lòng yêu nghề. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám đốc Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Bộ Quốc phòng, thủ trưởng và cán bộ nhân viên phòng Đào tạo và Viện Điện tử đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Xin trân trọng cảm ơn thủ trưởng và cán bộ Viện Đo lường Việt Nam nơi tôi công tác, đã tạo điều kiện để tôi hoàn thành nhiệm vụ. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các nhà giáo, các nhà khoa học, đồng nghiệp và người thân đã tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành luận án này. Tác giả luận án Phạm Thanh Hà
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... ii MỤC LỤC ............................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC VIẾT TẮT ..................................................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................x DANH MỤC CÁC HÌNH ....................................................................................... xi MỞ ĐẦU ..................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CHO CHUẨN ĐO LƯỜNG LỰC KIỂU KHUẾCH ĐẠI ĐÒN BẨY SỬ DỤNG GỐI ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN THEO ĐỘ BIẾN DẠNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN ...........................................................6 1.1. Khái quát về chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng ….....................................................................6 1.1.1. Chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy-nguyên lý xây dựng và cấu trúc .......................................................................................................6 1.1.2. Sai số và các ảnh hưởng đến độ chính xác của LA-FSM ........................11 1.2. Bài toán tối ưu và tình hình nghiên cứu có liên quan về nâng cao độ chính xác cho LA-FSM .............................................................................................17 1.2.1. Bài toán tối ưu nâng cao độ chính xác đối với LA-FSM .........................17 1.2.2. Tình hình nghiên cứu có liên quan ..........................................................21 1.2.3. Hướng nghiên cứu của luận án ................................................................ 29 1.3. Kết luận Chương 1 ..........................................................................................31 CHƯƠNG 2. XÁC LẬP MÔ HÌNH KÊNH ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ĐÒN BẨY VÀ MÔ HÌNH NHIỄU DAO ĐỘNG KÝ SINH TRONG LA-FSM............32 2.1. Sự cần thiết và yêu cầu thiết lập mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy và nhiễu dao động ký sinh trong LA-FSM ......................................................32 2.2. Thiết lập mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM ..............33
iv 2.3. Xác lập mô hình nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh trong LA-FSM .................................................................................................38 2.3.1. Phân tích sự hình thành và mô hình nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc trong hệ tạo lực tải trọng ...................................................................38 2.3.2. Sự tương tác và mô hình nhiễu dao động kiểu bồng bềnh trong hệ tạo lực tải trọng .............................................................................................40 2.3.3. Đặc tính và mức độ ảnh hưởng của nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh trong LA-FSM ....................................................54 2.4. Xác lập mô hình nhiễu dao động ký sinh trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM ......................................................................................58 2.4.1. Các moment lực trong hệ khuếch đại đòn bẩy và phương trình cân bằng đòn bẩy của LA-FSM .............................................................................58 2.4.2. Xác lập mô hình tín hiệu và nhiễu dao động ký sinh trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy ..........................................................................63 2.5. Kết luận Chương 2 ..........................................................................................67 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG GIẢI PHÁP XỬ LÝ NHIỄU DAO ĐỘNG KÝ SINH CHO TÍN HIỆU KÊNH ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ĐÒN BẨY CỦA LA-FSM BẰNG ÁP DỤNG THUẬT TOÁN LỌC IIR .....................................69 3.1. Cơ sở xây dựng giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh bằng thuật toán lọc theo định dạng IIR ...........................................................................................69 3.1.1. Xuất phát từ bài toán nâng cao độ chính xác cho LA-FSM ....................69 3.1.2. Xuất phát từ đặc tính của nhiễu dao động ký sinh trong LA-FSM .........73 3.1.3. Xuất phát từ mô hình toán học kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng .......................................73 3.2. Xây dựng thuật toán lọc IIR cho giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM ...................................77 3.2.1. Xác định tham số đặc tả của bộ lọc IIR’ dùng cho LA-FSM ..................77 3.2.2. Xác định đặc tính và cấu trúc của bộ lọc IIR’ dùng cho LA-FSM ..........86 3.2.3. Xây dựng thuật toán lọc IIR dùng cho xử lý nhiễu dao động ký sinh trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM ..........................94
v 3.3. Hiệu quả xử lý nhiễu dao động ký sinh khi áp dụng thuật toán lọc IIR .........99 3.3.1. Khả năng giảm thiểu sai số do nhiễu dao động ký sinh ..........................95 3.3.2. Khả năng xử lý tổ hợp nhiễu cộng .........................................................107 3.4. Giới hạn và khuyến nghị ...............................................................................109 3.5. Kết luận Chương 3 ........................................................................................111 KẾT LUẬN .........................................................................................................112 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ......................114 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................115
vi DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC VIẾT TẮT m [kg] Khối lượng của tải trọng. g [m/s2] Gia tốc trọng trường. gđp [m/s2] Gia tốc trọng trường địa phương (tại nơi đặt tải trọng). a [kg/m3] Khối lượng riêng của không khí. m [kg/m3] Khối lượng riêng của vật liệu chế tạo tải trọng. l1 [m] Chiều dài của cánh tay đòn dài. l2 [m] Chiều dài của cánh tay đòn ngắn. QLA Hệ số khuếch đại đòn bẩy. Tc [ºK] Nhiệt độ môi trường. ΔTc [ºK] Độ biến thiên của nhiệt độ môi trường. R [m] Bán kính trái đất. G [N.m2.kg-2] Hằng số hấp dẫn. L [m] Chiều dài quang treo.  [m/ ºK] Hệ số giãn nở dài của vật liệu làm quang treo. t [s] Thời gian khảo sát. a0 [m/s2] Gia tốc quán tính. 0 [rad] Góc lệch tại vị trí biên độ dao động ban đầu.  [rad] Góc pha ban đầu. N-T [rad.s-1] Vận tốc góc của nhiễu dưới ảnh hưởng của nhiệt độ. N-A [rad.s-1] Vận tốc góc của nhiễu dưới ảnh hưởng của lực đẩy Archimed. N-E1 [rad.s-1] Vận tốc góc của nhiễu dưới ảnh hưởng của lực điện từ hướng đi lên. N-E2 [rad.s-1] Vận tốc góc của nhiễu dưới ảnh hưởng của lực điện từ hướng xuống dưới. N-E3 [rad.s-1] Vận tốc góc của nhiễu dưới ảnh hưởng của lực điện từ hướng hợp với phương ngang 1 góc .
vii N-QT+ [rad.s-1] Vận tốc góc của nhiễu dưới ảnh hưởng của lực quán tính - Trường hợp điểm treo hệ tạo lực tải trọng chuyển động có gia tốc hướng thẳng đứng lên trên. N-QT- [rad.s-1] Vận tốc góc của nhiễu dưới ảnh hưởng của lực quán tính - Trường hợp điểm treo hệ tạo lực tải trọng chuyển động có gia tốc hướng thẳng đứng xuống dưới. ktd Hệ số tắt dần. td [rad.s-1] Vận tốc góc của nhiễu dưới ảnh hưởng của sức cản không khí. td [rad.s-1] Vận tốc góc của nhiễu tổng có sức cản không khí.  [N] Nhiễu. F1 [N] Lực tạo ra bởi hệ tạo lực tải trọng. ΔF1 [N] Sai lệch tổng hợp của lực tạo ra tại hệ tạo lực tải trọng. ΔFN [N] Nhiễu lực hình thành và tác động tại hệ tạo lực tải trọng. F2 [N] Lực tạo ra từ hệ tạo lực tải trọng thông qua hệ khuếch đại đòn bẩy. ΔF2 [N] Sai lệch tổng hợp của lực tạo ra tại hệ truyền lực đòn bẩy không bao gồm sai lệch do cong đòn bẩy dưới tác dụng của tải trọng. F2/N [N] Lực tạo ra từ hệ tạo lực tải trọng thông qua hệ khuếch đại đòn bẩy bao gồm nhiễu dao động kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh. ΔF(N-td)l1 [N] Nhiễu dao động kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh trong hệ tạo lực tải trọng. ΔF(N-td)l2 [N] Nhiễu dao động kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh trong hệ truyền lực đòn bẩy. ΔF2đc[N] Giá trị hiện thời của lực điều chỉnh xác lập sự cân bằng đòn bẩy. ΔF2*đc[N] Giá trị tiền định của lực điều chỉnh xác lập sự cân bằng đòn bẩy. K Hệ số chuyển đổi của Hệ tạo lực điều chỉnh cân bằng đòn bẩy. Δ2 [N] Sai số tổng hợp trên đầu ra gắn với giá trị của lực chuẩn. Δ2/N [N] Thành phần sai lệch gây ra do nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh.
viii Δ2K [N] Thành phần sai lệch gây ra do các yếu tố khác. F2lc [N] Lực chuẩn được thiết lập trên đầu ra của LA-FSM. la [m] Chiều dài quang treo của hệ tạo lực tải trọng. lb [m] Chiều dài quang treo của hệ truyền lực đòn bẩy. Fhta [N] Tổng các thành phần lực hướng tâm của lực tạo ra trong hệ tạo lực tải trọng. Fhtb [N] Tổng các thành phần lực hướng tâm của lực tạo ra trong hệ truyền lực đòn bẩy. Ma [N.m] Moment uốn tại H1. Mb [N.m] Moment uốn tại H2. Mc [N.m] Moment uốn tổng hợp tại H3. Mu [N.m] Tổng các Moment uốn tại gối đỡ đòn bẩy. a [rad] Góc lệch so với trạng thái cân bằng tại H1. a0 [rad] Góc lệch so với trạng thái cân bằng tại H1 dưới tác dụng của tải trọng. acong [rad] Góc lệch so với trạng thái cân bằng tại H1 dưới tác dụng của tải trọng và sự cong của đòn dài (l1). b [rad] Góc lệch so với trạng thái cân bằng tại H2. b0 [rad] Góc lệch so với trạng thái cân bằng tại H2 dưới tác dụng của tải trọng. blech [rad] Góc lệch so với trạng thái cân bằng tại H2 dưới tác dụng của tải trọng và sự cong của đòn ngắn (l2). c [rad] Góc lệch so với trạng thái cân bằng dưới tác dụng của Moment uốn tổng hợp tại H3. u1 [V] Tín hiệu điện lấy ra từ mạch cầu tem biến dạng tại bản lề đàn hồi điện tử H1 trong KBDCB. u2 [V] Tín hiệu điện lấy ra từ mạch cầu tem biến dạng tại bản lề đàn hồi điện tử H2 trong KBDCB.
ix u3 [V] Tín hiệu điện lấy ra từ mạch cầu tem biến dạng tại bản lề đàn hồi điện tử H3 trong KBDCB. Ui [V] Thông tin số của tín hiệu điện ui từ các kênh Hi. U⅀ [V] Thông tin số về tín hiệu, được tổng hợp từ số liệu của các KBDCB. Uđc [V] Thông tin số đã được tính toán theo phương pháp xác định để cung cấp cho HTLĐC nhằm tạo ra lực điều chỉnh ΔF2 sao cho lực chuẩn F2lc được thiết lập trên đầu ra của LA-FSM có giá trị bằng GTTL. BLĐH Bản lề đàn hồi. BĐĐL Biến đổi đo lường. BUILD-UP Tổ hợp đầu đo lực. BTĐB Bàn trượt đòn bẩy. CIPM Ủy ban quốc tế về cân đo (Comité international des poids et mesures). DW- FSM Máy chuẩn lực tải trực tiếp (Deadweight Force Standard Machine) ĐCCB Động cơ cân bằng đòn bẩy. ĐKĐC Bộ tạo tín hiệu điều khiển động cơ. FSM Máy chuẩn lực (Force Standard Machine). GTTL Giá trị thiết lập. HTLĐC Hệ tạo lực điều chỉnh cân bằng đòn bẩy. IIR Bộ lọc số đệ quy có đáp ứng xung dài vô hạn. KĐĐL Khuếch đại đo lường. KRISS Viện nghiên cứu Chuẩn và Khoa học Hàn Quốc (Korea Research Institute of Standards and Science). KBDCB Kênh biến dạng và cảm biến. LA-FSM Máy chuẩn lực kiểu khuếch đại đòn bẩy (Lever Amplification Force Standard Machine). LA-FSM 1MN Máy chuẩn lực kiểu khuếch đại đòn bẩy của Viện Đo lường Việt Nam được lắp đặt tại Khu công nghệ cao Láng Hòa Lạc. VMI Viện Đo lường Việt Nam (Vietnam Metrology Institute). XL-CT Xử lý và chỉ thị.
x DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Giải pháp và kết quả chính của các công trình nghiên cứu. .................... 27 Bảng 2.1. Số liệu về các tham số. ............................................................................ 57 Bảng 3.1. Các tham số cơ bản tính cho LA-FSM 1MN của Việt Nam [71]............ 77 Bảng 3.2. Thiết lập các tham số đặc tả của bộ lọc IIR’. .......................................... 86 Bảng 3.3. Mức suy giảm nhiễu dao động ký sinh. ................................................. 104 Bảng 3.4. Các thành phần sai lệch do các yếu tố khác. ......................................... 105
xi DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý tạo lực của LA-FSM. .....................................................7 Hình 1.2. Mô hình cấu trúc LA-FSM sử dụng dao - gối vòng bi. ............................8 Hình 1.3. Mô hình cấu trúc LA-FSM sử dụng dao - gối phẳng. ...............................8 Hình 1.4. Mô hình cấu trúc LA-FSM sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng. ..............................................................................................9 Hình 1.5. Mô hình cấu trúc gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng (a) ................9 và cấu trúc tổng thể của LA-FSM (b). ......................................................................9 Hình 1.6. Mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM. ....................10 Hình 1.7. Sự trôi điểm không và sự trôi tỷ lệ khuếch đại [51]. ..............................14 Hình 1.8. Các moment uốn ký sinh trong hệ khuếch đại đòn bẩy. .........................15 Hình 1.9. Phương pháp nâng cao độ chính xác đối với hệ thống đo lường. ...........19 Hình 1.10. Mô hình hệ thống của LA-FSM và khâu được luận án tác động. .........30 Hình 1.11. Mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy .........................................30 của LA-FSM mà luận án nghiên cứu. .....................................................................30 Hình 2.1. LA-FSM sử dụng ba gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng. .............34 Hình 2.2. Sơ đồ mô tả diễn tiến biến đổi lực - moment - tín hiệu điện - lực trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy cho LA-FSM. ...............................35 Hình 2.3. Sơ đồ kênh điều khiển cân bằng đòn bẩysử dụng phương pháp xử lý thông tin đo. .........................................................................................37 Hình 2.4. Mô hình hệ tạo lực tải trọng ở dạng hệ con lắc đơn ...............................39 Hình 2.5. Mô hình lực trong hệ tạo lực tải trọng xét ở dạng hệ con lắc đơn. .........40 Hình 2.6. Sự khác biệt của nhiễu ứng với các giá trị biên độ dao động α 0. ............42 Hình 2.7. Sự khác biệt của nhiễu ứng với các giá trị của tải trọng. ........................42 Hình 2.8. Mô hình lực trong hệ tạo lực tải trọng có tác động của lực đẩy Acsimet. ......45 Hình 2.9. Mô hình lực trong hệ tạo lực tải trọng có tác động của lực điện từ. .......46 Hình 2.10. Mô hình lực trong hệ tạo lực tải trọng có tác động của lực quán tính hướng lên trên. .....................................................................................48
xii Hình 2.11. Mô hình lực trong hệ tạo lực tải trọng có tác động của lực quán tính hướng xuống dưới. ..............................................................................49 Hình 2.12. Một ví dụ về độ lớn, sự biến thiên và phổ ............................................51 của lực và nhiễu lực theo (2.84) và (2.85). .............................................................51 Hình 2.13. Một ví dụ về độ lớn và sự biến thiên của lực và nhiễu. ........................55 Hình 2.14. Một ví dụ về độ lớn và sự biến thiên của hệ số tính theo (2.96). ..........56 Hình 2.15. Các moment lực trong hệ khuếch đại đòn bẩy. .....................................59 Hình 2.16. Một ví dụ về mức và phổ của nhiễu dao động ......................................62 ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh theo (2.114) và (2.115). ...........................62 Hình 2.17. Sơ đồ mô tả khối BĐĐL và XL-CT thực hiện quá trình đo. ................64 Hình 3.1. Sơ đồ phần biến đổi tín hiệu của kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy. ....74 Hình 3.2. Mô hình hệ thống mô tả phép xử lý nhiễu dao động ký sinh diễn ra trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM.......................75 Hình 3.3. Mô hình phép xử lý nhiễu dao động ký sinh bằng bộ lọc số IIR ............75 trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM. .........................................75 Hình 3.4. Nhiễu dao động ký sinh trong LA-FSM 1MN ........................................79 ứng với tải nhỏ nhất (sử dụng quả tải thứ nhất). .....................................................79 Hình 3.5. Nhiễu dao động ký sinh trong LA-FSM 1MN ........................................80 ứng với tải toàn phần (sử dụng toàn bộ 26 quả tải). ...............................................80 Hình 3.6. Mô hình cấu trúc bộ lọc số IIR bậc S tương ứng ....................................80 với cấu trúc ban đầu của kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM............80 Hình 3.7. Đáp ứng biên độ và đáp ứng pha ............................................................81 của kênh tương ứng với bộ lọc số IIR ban đầu. ......................................................81 Hình 3.8. Đáp ứng xung và trễ nhóm của bộ lọc số IIR ban đầu. ...........................82 Hình 3.9. Đồ thị điểm cực và điểm không của bộ lọc số IIR ban đầu. ...................82 Hình 3.10. Đặc tính và tham số cơ bản của bộ lọc số IIR ban đầu. ........................83 Hình 3.11. Tín hiệu kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy ban đầu. ...........................83 Hình 3.12. Tín hiệu ra từ bộ lọc IIR ban đầu ứng với tải nhỏ nhất. ........................84 Hình 3.13. Tín hiệu ra từ bộ lọc IIR ban đầu ứng với tải toàn phần. ......................85
xiii Hình 3.14. Các đáp ứng cơ bản của bộ lọc IIR’ ứng với 4 phương pháp. ..............87 Hình 3.15. Các đặc tính ổn định của bộ lọc IIR’ ....................................................88 ứng với các phương pháp thiết kế khác nhau. .........................................................88 Hình 3.16. Các tham số đặc tính cấu trúc. ..............................................................89 Hình 3.17. Khả năng lọc của bộ lọc IIR’ ................................................................90 ứng với tải nhỏ nhất (khi sử dụng quả tải đầu tiên). ...............................................90 Hình 3.18. Khả năng lọc của bộ lọc IIR’ ................................................................90 ứng với tải toàn phần (khi sử dụng toàn bộ 26 quả tải). .........................................90 Hình 3.19. Tín hiệu ra của bộ lọc IIR’ đối với tải nhỏ nhất. ...................................91 Hình 3.20. Tín hiệu ra của bộ lọc IIR’ với tải toàn phần. .......................................91 Hình 3.21. Sơ đồ cấu trúc dạng tổng quát của bộ lọc số IIR. .................................95 Hình 3.22. Sơ đồ mô tả tầng lọc bậc 2 với cấu trúc DCR. ......................................96 Hình 3.23. Sơ đồ cấu trúc bộ lọc IIR’ .....................................................................97 dùng cho xử lý tín hiệu kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy được thiết kế. .............97 Hình 3.24. Mô hình phép xử lý nhiễu dao động ký sinh bằng ................................99 áp dụng bộ lọc số IIR trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM. ......99 Hình 3.25. Kết quả xử lý nhiễu dao động ký sinh ở mức tải 20 000 N. ...............100 Hình 3.26. Kết quả xử lý nhiễu dao động ký sinh ở mức tải 100 000 N. .............100 Hình 3.27. Kết quả xử lý nhiễu dao động ký sinh ở mức tải 200 000 N. .............101 Hình 3.28. Kết quả xử lý nhiễu dao động ký sinh ở mức tải 500 000 N. .............101 Hình 3.29. Kết quả xử lý nhiễu dao động ký sinh ở mức tải 1 000 000 N (sử dụng toàn bộ 26 quả tải). .............................................................101 Hình 3.30. Mức suy giảm nhiễu dao động ký sinh ở mức tải 20 000 N. ..............102 Hình 3.31. Mức suy giảm nhiễu dao động ký sinh ở mức tải 100 000 N. ............102 Hình 3.32. Mức suy giảm nhiễu dao động ký sinh ở mức tải 200 000 N. ............103 Hình 3.33. Mức suy giảm nhiễu dao động ký sinh ở mức tải 500 000 N. ............103 Hình 3.34. Mức suy giảm nhiễu dao động ký sinh ở mức tải 1 000 000 N. .........103 Hình 3.35. Lược đồ diễn giải tác động của giải pháp đề xuất...............................106 Hình 3.36. Kết quả xử lý nhiễu tổng hợp ở mức tải 20 000 N..............................107
xiv Hình 3.37. Kết quả xử lý nhiễu tổng hợp ở mức tải 100 000 N............................108 Hình 3.38. Kết quả xử lý nhiễu tổng hợp ở mức tải 200 000 N............................108 Hình 3.39. Kết quả xử lý nhiễu tổng hợp ở mức tải 500 000 N............................108 Hình 3.40. Kết quả xử lý nhiễu tổng hợp ở mức tải 1 000 000 N (sử dụng toàn bộ 26 quả tải). .............................................................109
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Chuẩn đo lường lực là phương tiện kỹ thuật để thể hiện, duy trì đơn vị đo của đại lượng đo lực và được dùng làm chuẩn để so sánh với phương tiện đo hoặc chuẩn đo lường khác, được liên kết với chuẩn cấp cao hơn và được dùng để sao truyền chuẩn cho các chuẩn cấp thấp hơn, các phương tiện đo lực, các thiết bị có liên quan đến đại lượng lực. Chuẩn đo lường lực giữ vai trò quan trọng trong hệ thống các chuẩn đo lường quốc gia, trong đó máy chuẩn lực kiểu khuếch đại đòn bẩy (LA-FSM) thuộc loại chuẩn đầu/chuẩn thứ trong hệ thống chuẩn đo lường lĩnh vực lực. Trong quá trình phát triển, chuẩn đo lường lực nói chung và LA-FSM nói riêng luôn được quan tâm nghiên cứu cải tiến và hoàn thiện bằng nhiều giải pháp nhằm hướng tới mục tiêu ngày một nâng cao độ chính xác của chuẩn và mở rộng dải thể hiện. Ban đầu, LA-FSM được thiết kế chế tạo thể hiện nguyên lý cơ học cơ bản để tạo ra các lực chuẩn. Trong đó, cơ cấu khuếch đại đòn bẩy chỉ sử dụng các dao - gối cơ khí như dao - gối phẳng hoặc vòng bi, và việc xác định trạng thái cân bằng đòn bẩy được xác định bằng mắt thông qua kim chỉ hoặc ni-vô. Trong những năm gần đây, LA-FSM đã có nhiều cải tiến lớn, được xây dựng trên cơ sở tích hợp các kỹ thuật và công nghệ của nhiều ngành kỹ thuật trong đó có kỹ thuật điện tử. Sự tham gia của kỹ thuật điện tử trong LA-FSM không chỉ nằm ở việc chỉ thị số giá trị lực hoặc ở khâu điều khiển nhằm tự động hóa các thao tác vận hành, mà trong một số trường hợp, kỹ thuật điện tử đã tham gia vào và làm biến đổi cả về hình thức của nguyên lý cơ học cần thể hiện. Một trong những xu hướng ứng dụng kỹ thuật điện tử trong vài năm gần đây là việc sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng thay cho các dao - gối hoặc vòng bi cơ học trong hệ khuếch đại đòn bẩy. Việc ứng dụng kỹ thuật điện tử theo hướng này đang mở ra nhiều khả năng vượt trội mà các LA-FSM thuần cơ khí không thể có được. Với sự tham gia của kỹ thuật điện tử, nhiều khả năng và đặc tính mới đã hình thành, như: khả năng nâng cao độ chính xác và độ ổn định của giá trị lực chuẩn được thể hiện, khả năng mở rộng dải đo và khả năng tự động hóa cao.
2 Ở nước ta, hệ thống chuẩn lực hiện nay còn thiếu về dải thể hiện và còn yếu về độ chính xác và độ tin cậy. Hệ thống chuẩn lực chủ yếu gồm các máy chuẩn lực thế hệ cũ đã được trang bị từ lâu, là loại máy được thiết kế chế tạo thuần túy cơ học. Gần đây, năng lực của hệ thống chuẩn lực đã được cải thiện bằng việc đầu tư thêm một LA-FSM sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng LA-FSM 1MN (lắp đặt tại Khu Công nghệ cao Hòa Lạc). Mặc dù vậy, máy chuẩn lực này chỉ đạt độ chính xác 1×10-4 và dừng lại ở dải đo tới 1 MN. Với mục đích tiếp cận và đồng hành cùng xu thế ứng dụng kỹ thuật điện tử vào máy chuẩn lực nhằm tiếp tục cải thiện chất lượng, việc đi sâu nghiên cứu để đưa ra các giải pháp kỹ thuật mới hướng tới áp dụng nâng cao độ chính xác cho LA-FSM 1MN là rất cần thiết. Có thể nói rằng, việc nghiên cứu nâng cao độ chính xác đối với LA-FSM sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng, trước hết là yêu cầu tự thân của chuẩn, sau đó là yêu cầu mang tính cam kết trách nhiệm nhà nước vào sự hội nhập quốc tế về khoa học đo lường trong lĩnh vực đo lực mà Việt Nam là thành viên của tổ chức đo lường quốc tế. Việc nghiên cứu này còn là yêu cầu của sự phát triển kinh tế - xã hội, quốc phòng - an ninh ở trong nước, cũng như đảm bảo cho hội nhập và hợp tác kinh tế quốc tế. Xuất phát từ vai trò và đặc điểm cấu trúc của chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng, việc nghiên cứu xây dựng giải pháp khoa học và công nghệ hướng đến nâng cao độ chính xác ngày càng trở nên cấp thiết hơn. Chính vì vậy, đề tài của luận án hướng tới nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác cho chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng là có tính cấp thiết và thời sự. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Mục tiêu nghiên cứu của luận án là nghiên cứu đề xuất một giải pháp nâng cao độ chính xác cho chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng bằng kỹ thuật điện tử, trong đó hướng tới giảm thiểu ảnh hưởng của các nhiễu dao động và moment ký sinh.
3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy LA-FSM sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng. Phạm vi nghiên cứu của luận án gồm các vấn đề liên quan đến xây dựng giải pháp nâng cao độ chính xác đối với các LA-FSM sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng và được thực hiện bằng kỹ thuật điện tử. 4. Nội dung nghiên cứu Từ mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, luận án thực hiện các nội dung nghiên cứu sau: 1) Nghiên cứu tổng quan về nâng cao độ chính xác cho chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng LA-FSM. Trong đó, cần thiết phải tìm hiểu nguyên lý xây dựng, phân tích các yếu tố tác động đến độ chính xác của hệ thống, phân tích bài toán tối ưu nâng cao độ chính xác đối với LA-FSM và tình hình nghiên cứu có liên quan ở trong và ngoài nước, xác định yêu cầu khoa học và yêu cầu thực tiễn, đưa ra hướng giải quyết của luận án. 2) Nghiên cứu xác lập mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy và mô hình nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh trong LA-FSM. Theo đó, cần thiết phải: phân tích sự hình thành nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh trong LA-FSM theo diễn tiến của quá trình biến đổi vật lý trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM; xác định mức độ ảnh hưởng và đặc tính của nhiễu; xác lập mô hình toán học cho tín hiệu và nhiễu dao động ký sinh trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM. 3) Nghiên cứu xây dựng giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh bằng áp dụng thuật toán lọc theo định dạng bộ lọc số IIR. Trong đó, cần thực hiện: phân tích cơ sở khoa học của giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh bằng áp dụng thuật toán lọc theo định dạng bộ lọc số IIR; lựa chọn phương pháp và trực tiếp xây dựng thuật toán lọc theo phương pháp thiết kế phù hợp nhằm đảm bảo phù hợp với mô hình và đặc tính của nhiễu dao động ký sinh. 4) Đánh giá hiệu quả của giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh bằng áp dụng thuật toán lọc theo định dạng bộ lọc số IIR theo phương pháp mô phỏng. Trong đó, thực hiện các phép đánh giá tính hiệu quả trong xử lý nhiễu dao động ký sinh và
4 khả năng nâng cao độ chính xác cho LA-FSM khi áp dụng giải pháp này. Trên cơ sở kết quả đánh giá, đưa ra các khuyến nghị về phạm vi ứng dụng giải pháp này đối với LA-FSM. 5. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết, phân tích giải tích toán học về quá trình động học của hệ thống trong mối liên hệ và chi phối của các yếu tố đến độ chính xác để xác lập mô hình toán học cho hệ thống dưới tác động của các yếu tố này, đặc biệt là các nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh. Sử dụng kỹ thuật mạch điện tử và lý thuyết xử lý tín hiệu, tiến hành xây dựng giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng của các yếu tố chi phối nói trên để cải thiện độ chính xác, và sử dụng công cụ mô phỏng bằng MATLAB để đánh giá tính hiệu quả của giải pháp và phạm vi ứng dụng. 6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án Chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng LA-FSM là chuẩn thuộc hạng chuẩn đầu/thứ trong hệ thống chuẩn đo lường của quốc gia. Việc nghiên cứu nâng cao độ chính xác của nó luôn có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. Theo đó: - Đối với khoa học đo lường, kết quả nghiên cứu này không chỉ là giải pháp tốt cho vấn đề nâng cao độ chính xác của LA-FSM mà còn mở ra khả năng mở rộng dải thể hiện lực chuẩn của chuẩn, đáp ứng tốt hơn nữa khả năng hội nhập và hợp tác quốc tế về lĩnh vực đo lường lực. - Đối với kỹ thuật điện tử, kết quả nghiên cứu này đã đưa ra một hướng hay một giải pháp xử lý các nhiễu dao động cơ học ký sinh phát sinh và tồn tại ngay trong các hệ thống vật lý thông qua xử lý thông tin đo. Theo đó, một thuật toán lọc được xây dựng trên nền tảng của bộ lọc số IIR là một giải pháp mạnh, cho phép xử lý tốt các vấn đề nhiễu trong các hệ thống vật lý như nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh có trong LA-FSM. 7. Bố cục của luận án Với nội dung nghiên cứu đặt ra như trên và kết quả nghiên cứu đạt được, luận án được trình bày theo bố cục thành 3 chương như sau: