Luận văn Thạc sĩ Kĩ thuật: Nghiên cứu chế tạo và kiểm nghiệm card điều khiển thời gian thực trong điều khiển hệ truyền động

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:74

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn nghiên cứu, thiết kế card giao tiếp với máy tính trong điều khiển thời gian thực (giao tiếp bằng phần mềm MatLab). Để hiểu rõ hơn, mời các bạn tham khảo chi tiết nội dung luận văn này.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kĩ thuật: Nghiên cứu chế tạo và kiểm nghiệm card điều khiển thời gian thực trong điều khiển hệ truyền động

-i- ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN ĐỨC QUÂN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KIỂM NGHIỆM CARD ĐIỀU KHIỂN THỜI GIAN THỰC TRONG ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã ngành: 62520216 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KHOA CHUYÊN MÔN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Đỗ Trung Hải TS. Đỗ Trung Hải Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
- ii - PHÒNG ĐÀO TẠO TS. Đặng Danh Hoằng THÁI NGUYÊN 2016 LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Trần Đức Quân Sinh ngày: 26 tháng 03 năm 1986 Học viên lớp cao học khoá 16 – Kỹ thuật điều khiển và Tự động hoá - Trƣờng Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Đại học Kỹ Thuật Công Nghiệp Thái Nguyên – Đại học Thái Nguyên. Tôi cam đoan toàn bộ nội dung trong luận văn do tôi làm theo định hƣớng của giáo viên hƣớng dẫn, không sao chép của ngƣời khác. Các phần trích lục các tài liệu tham khảo đã đƣợc chỉ ra trong luận văn. Nếu có gì sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm. Tác giả luận văn Trần Đức Quân Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
- iii - LỜI CẢM ƠN Đề tài luận văn thạc s đƣợc hoàn thành tại Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Có đƣợc bản luận văn tốt nghiệp này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Khoa Điện, Phòng Đào tạo, và đặc biệt là thầy giáo TS. Đỗ Trung Hải, Trƣởng khoa Điện đã trực tiếp hƣớng dẫn, dìu dắt, giúp đỡ tôi với những chỉ dẫn khoa học quý giá trong suốt quá trình triển khai, nghiên cứu và hoàn thành đề tài “Nghiên cứu chế tạo và kiểm nghiệm card điều khiển thời gian thực trong điều khiển hệ truyền động”. Xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo, các nhà khoa học đã trực tiếp giảng dạy truyền đạt những kiến thức khoa học chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa cho bản thân tôi trong những năm tháng qua. Tuy nhiên, do có sự hạn chế về kiến thức nên Luận văn không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của các thầy giáo, cô giáo và các nhà khoa học để tôi tiến bộ hơn. Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn các tập thể và cá nhân TS Đỗ Trung Hải đã hết lòng quan tâm, giúp đỡ, tạo điều kiện để tôi hoàn thành Luận văn. Trân trọng cám ơn./. Học viên Trần Đức Quân Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
- iv - MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... ix 1. Tính cấp thiết của đề tài ....................................................................................... ix 2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................ ix 3. Dự kiến các kết quả đạt đƣợc ............................................................................... ix 4. Phƣơng pháp nghiên cứu ..................................................................................... ix 5. Cấu trúc của luận văn ........................................................................................... ix CHƢƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐO LƢỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN ................ 1 1.1. Cơ sở lý thuyết về đo lƣờng ............................................................................... 1 1.1.1. Khái niệm đo lƣờng ...................................................................................... 1 1.1.2. Lý thuyết đo lƣờng cơ sở .............................................................................. 2 1.1.3. Lý thuyết đo lƣờng ứng dụng ....................................................................... 3 1.1.4. Phân loại và cách thức thực hiện phép đo .................................................... 4 1.1.5. Các đặc trƣng cơ bản của kỹ thuật đo ........................................................... 5 1.2. Cơ sở lý thuyết xử lý số tín hiệu ........................................................................ 9 1.3. Tổng quan về điều khiển tự động .................................................................... 11 1.3.1. Lịch sử ra đời .............................................................................................. 11 1.3.2. Các khái niệm cơ bản về điều khiển ........................................................... 12 1.3.3. Những nguyên tắc điều khiển cơ bản ......................................................... 16 1.4. Kết luận chƣơng 1 ............................................................................................ 18 CHƢƠNG 2. THIẾT KẾ CARD ĐIỀU KHIỂN ...................................................... 19 2.1. Thiết kế phần cứng ........................................................................................... 19 2.1.1. Yêu cầu về thiết kế phấn cứng .................................................................... 19 2.1.2. Khối vi xử lý trung tâm............................................................................... 20 2.1.3. Khối xử lý tín hiệu tƣơng tự ....................................................................... 24 2.1.4. Khối xử lý tín hiệu số ................................................................................. 25 2.1.5. Khối mạch nguồn nuôi................................................................................ 26 2.1.6. Card điều khiển hoàn chỉnh ........................................................................ 26 2.2. Phần mềm cho vi xử lý trung tâm AT91SAM3X8E ....................................... 27 2.2.1. Ngôn ngữ lập trình cho AT91SAM3X8E ................................................... 27 2.2.2. Thuật toán chƣơng trình chính .................................................................... 28 2.2.3. Thuật toán chƣơng trình con xử lý dữ liệu từ Matlab/Simulink ................. 29 2.3. Phần mềm cho Matlab – Simulink ................................................................... 30 2.3.1. Khối cài đặt – CardTNUT Setup ................................................................ 31 2.3.2. Khối đọc tín hiệu tƣơng tự .......................................................................... 32 2.3.3. Khối xuất tín hiệu tƣơng tự ......................................................................... 32 2.3.4. Khối đọc tín hiệu số .................................................................................... 33 2.3.5. Khối xuất tín hiệu số ................................................................................... 33 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
-v- 2.3.6. Khối xuất tín hiệu PWM ............................................................................. 33 2.3.7. Khối đọc tín hiệu từ bộ mã hóa xung encoder ............................................ 34 2.3.8. Khối xuất tín hiệu điều khiều động cơ servo một chiều ............................. 34 2.3.10. Khối ghép nối module điều khiển 16 kênh PWM 12bits ......................... 35 2.3.11. Khối ghép nối module điều khiển 32 servo .............................................. 35 2.3.12. Khối xuất xung điều khiển Thyristor ........................................................ 36 2.3.13. Khối giao tiếp nối tiếp .............................................................................. 36 2.3.14. Khối bộ điều khiển PID online ................................................................. 37 2.3.15. Khối cài đặt tham số bộ điều khiển PID trên Card ................................... 37 2.4. Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................ 38 CHƢƠNG 3. THỰC NGHIỆM ................................................................................ 39 3.1. Hệ truyền động động cơ một chiều kích từ độc lập ......................................... 39 3.1.1. Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động động cơ một chiều kích từ độc lập ......... 39 3.1.2. Tổng hợp hệ truyền động động cơ một chiều kích từ độc lập .................... 40 3.1.3. Thực nghiệm điều khiển hệ truyền động động cơ một chiều ..................... 44 3.2. Hệ chuyển động robot nhện (Spider Robot) .................................................... 45 3.2.1. Giới thiệu về hệ chuyển động robot nhện ................................................... 45 3.2.2. Thuật toán điều khiển di chuyển robot nhện .............................................. 46 3.2.3. Cấu trúc điều khiển hệ chuyển động robot nhện ........................................ 52 3.2.4. Kết quả thực nghiệm điều khiển hệ chuyển động robot nhện .................... 54 3.3. Hệ thống điều khiển robot đi theo quỹ đạo mê cung ....................................... 55 3.3.1. Mô hình robot đi theo quỹ đạo mê cung ..................................................... 55 3.3.2. Cấu tạo của robot đi theo quỹ đạo mê cung................................................ 55 3.3.3. Sơ đồ nguyên lý hệ thống robot đi theo quỹ đạo mê cung ......................... 56 3.3.4. Cấu trúc điều khiển robot đi theo quỹ đạo mê cung ................................... 57 3.3.5. Thực nghiệm ............................................................................................... 58 3.4. Kết luận chƣơng 3 ............................................................................................ 60 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 61 Kết luận ................................................................................................................... 61 Kiến nghị ................................................................................................................. 62 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
- vi - DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ 1 ADC Analog to Digital Converter, chuyển đổi tƣơng tự - số 2 DAC Digital to Analog Converter, chuyển đổi số-tƣơng tự 3 TBĐK Thiết bị điều khiển 4 ĐTĐK Đối tƣợng điều khiển Bộ điều khiển 5 TBĐL Thiết bị đo lƣờng 6 DC Direct current, dòng điện một chiều 7 AC Alternating current, dòng điện xoay chiều 8 PWM Pulse-width modulation, điều chế độ rộng xung Reduced instruction set computing, máy tính với tập lệnh 9 RISC đơn giản hóa 10 CPU Central Processing Unit, bộ xử lí trung tâm 11 JTAG Joint Test Action Group, chuẩn nạp chƣơng trình vi xử lý 12 SWD Serial Wire Debug, chuẩn nạp chƣơng trình vi xử lý Direct memory access, kỹ thuật chuyển dữ liệu từ bộ nhớ 113 DMA đến ngoại vi hoặc từ ngoại vi đến bộ nhớ mà không yêu cầu đến sự thực thi của CPU. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
- vii - DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU Hình 1. 1. Sơ đồ cấu trúc tổng quát hệ thống ĐKTĐ................................................ 14 Hình 1. 2. Sơ đồ cấu trúc của nguyên tắc điều khiển theo sai lệch bám ................... 16 Hình 1. 3. Sơ đồ cấu trúc của nguyên tắc điều khiển theo tín hiệu nhiễu ................. 16 Hình 1. 4. Sơ đồ cấu trúc của nguyên tắc điều khiển theo tín hiệu nhiễu ................. 17 Hình 1. 5. Sơ đồ cấu trúc của nguyên tắc điều khiển thích nghi ............................... 17 Hình 2. 1. Mô hình khối mạch điều khiển ................................................................20 Hình 2. 2. Bộ vi xử lý Cortex-M3 .............................................................................22 Hình 2. 3. Sơ đồ mạch vi xử lý trung tâm .................................................................23 Hình 2. 4. Sơ đồ nguyên lý mạch nhận tín hiệu tƣơng tự .........................................24 Hình 2. 5. Sơ đồ nguyên lý mạch xuất tín hiệu tƣơng tự ..........................................25 Hình 2. 6. Sơ đồ nguyên lý mạch nhận/xuất tín hiệu số ...........................................25 Hình 2. 7. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn nuôi ...........................................................26 Hình 2. 8. Card điều khiển sau khi gia công .............................................................26 Hình 2. 9. Giao diện phần mềm Atmel Studio ..........................................................27 Hình 2. 10. Lƣu đồ thuật toán chƣơng trình chính ....................................................28 Hình 2. 11. Lƣu đồ thuật toán chƣơng trình con xử lý dữ liệu từ Simulink .............29 Hình 2. 12. Thƣ viện CardTNUT đƣợc cài vào Simulink.........................................31 Hình 2. 13. Khối CardTNUT Setup ..........................................................................31 Hình 2. 14. Khối đọc tín hiệu tƣơng tự .....................................................................32 Hình 2. 15. Khối xuất tín hiệu tƣơng tự ....................................................................32 Hình 2. 16. Khối đọc tín hiệu số ...............................................................................33 Hình 2. 17. Khối xuất tín hiệu số ..............................................................................33 Hình 2. 18. Khối xuất tín hiệu PWM ........................................................................33 Hình 2. 19. Khối đọc tín hiệu từ bộ mã hóa xung encoder .......................................34 Hình 2. 20. Khối điều khiều động cơ servo ..............................................................34 Hình 2. 21. Khối điều khiển module 16PWM ..........................................................35 Hình 2. 22. Khối ghép nối module 32 servo .............................................................35 Hình 2. 23. Khối xuất xung điều khiển Thyristor .....................................................36 Hình 2. 24. Khối hỗ trợ giao tiếp nối tiếp .................................................................36 Hình 2. 25. Khối PID online .....................................................................................37 Hình 2. 26. Khối cài đặt tham số PID ....................................................................... 37 Hình 3. 1. Sơ đồ nguyên lý hệ truyền động động cơ một chiều ................................ 39 Hình 3. 2. Cấu trúc điều khiển hệ truyền động động cơ một chiều kích từ độc lập . 40 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
- viii - Hình 3. 3. Dữ liệu tín hiệu điều khiển (volt) ............................................................. 41 Hình 3. 4. Dữ liệu tín hiệu tốc độ quay động cơ (vòng/phút) ................................... 42 Hình 3. 5. Đánh giá mô hình nhận dạng ................................................................... 43 Hình 3. 6. Cấu trúc điều khiển hệ thống động cơ một chiều trên Matlab/Simulink . 44 Hình 3. 7. Đáp ứng hệ truyền động động cơ một chiều ............................................ 45 Hình 3. 8. Hình vẽ mô tả robot nhện ......................................................................... 46 Hình 3. 9. Lƣu đồ thuật toán động tác Đứng tại vị trí cơ bản ................................... 47 Hình 3. 10. Lƣu đồ thuật toán động tác Tiến ............................................................ 48 Hình 3. 11. Lƣu đồ thuật toán động tác Quay trái .................................................... 50 Hình 3. 12. Lƣu đồ thuật toán động tác di chuyển sang sang phải ........................... 51 Hình 3. 13. Giao diện điều khiển Robot nhện ........................................................... 52 Hình 3. 14. Cấu trúc điều khiển Robot nhện trên Simulink ...................................... 53 Hình 3. 15. Khối điều xuất tín hiệu điều khiển chân Robot nhện ............................. 53 Hình 3. 16. Mô hình robot nhện ................................................................................ 54 Hình 3. 17. Mô hình robot đi theo quỹ đạo mê cung ................................................ 55 Hình 3. 18. Cấu tạo robot đi theo quỹ đạo mê cung ................................................. 55 Hình 3. 19. Sơ đồ nguyên lý dạng khối robot đi theo quỹ đạo mê cung................... 56 Hình 3. 20. Sơ đồ nguyên lý mạch đệm .................................................................... 56 Hình 3. 21. Cảm biến đo khoảng cách GP2D12 ....................................................... 57 Hình 3. 22. Minh họa robot đi theo quỹ đạo mê cung .............................................. 58 Hình 3. 23. Sơ đồ cấu trúc điều khiển robot đi theo quỹ đạo mê cung ..................... 58 Hình 3. 24. Cấu trúc điều khiển robot đi theo quỹ đạo mê cung .............................. 58 Hình 3. 25. Độ lệch robot so với tâm mê cung (bộ điều khiển P) ............................ 59 Hình 3. 26. Độ lệch robot so với tâm mê cung (bộ điều khiển PID) ........................ 60 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
- ix - MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong l nh vực điều khiển và tự động hóa, có rất nhiều thuật toán điều khiển từ kinh điển đến hiện đại đòi hỏi bộ điều khiển phải xử lý khối lƣợng công việc lớn, tính toán phức tạp. Matlab là một phần mềm có khả năng tính toán và thực hiện tốt các thuật toán điều khiển. Kết hợp Matlab và Card thu thập dữ liệu sẽ tạo ra bộ điều khiển rất linh hoạt, có khả năng thực hiện các thuật toán điều khiển trong l nh vực điều khiển tự động thể hiện qua các báo cáo [3], [8], [12], [13], [14], tuy nhiên giá thành card của các hãng thƣờng rất cao. Do đó đề xuất thiết kế card có khả năng thu thập và xuất tín hiệu ra đối tƣợng điều khiển để kiểm chứng các thuật toán điều khiển để phục vụ cho công tác giảng dạy và nghiên cứu là cần thiết. Qua luận văn này sẽ giúp tôi có cơ sở và phƣơng tiện để tiếp tục con đƣờng nghiên cứu về l nh vực điều khiển và tự động hóa tại Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp. Vì vậy tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo và kiểm nghiệm card điều khiển thời gian thực trong điều khiển hệ truyền động”. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu, thiết kế card giao tiếp với máy tính trong điều khiển thời gian thực (giao tiếp bằng phần mềm MatLab). 3. Dự kiến các kết quả đạt đƣợc Card điều khiển. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết về đo lƣờng, chuyển đổi tín hiệu. - Nghiên cứu lý thuyết phân tích, thiết kế mạch xử lý tín hiệu số, giao tiếp với Matlab. - Áp dụng lý thuyết vào thực nghiệm. 5. Cấu trúc của luận văn Luận văn đƣợc chia làm 3 chƣơng: Chƣơng 1. Cơ sở lý thuyết về đo lƣờng và điều khiển Chƣơng 2. Thiết kế card điều khiển Chƣơng 3. Thực nghiệm Kết luận và kiến nghị. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
-1- CHƢƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐO LƢỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN 1.1. Cơ sở lý thuyết về đo lƣờng [1] 1.1.1. Khái niệm đo lường Theo – D.I.Mendeleev thì: “Khoa học bắt đầu từ khi ngƣời ta biết đo. Một khoa học chính xác sẽ không có ý ngh a nếu thiếu đo lƣờng”. Ngay từ thời xa xƣa con ngƣời đã chú ý đến khái niệm đo lƣờng, đó là một ngành khoa học chuyên nghiên cứu các phƣơng pháp để đo các đại lƣợng khác nhau. Và đã đƣợc các nhà khoa học ở mọi l nh vực quan tâm. Đối với mỗi quốc gia việc phát triển đo lƣờng bao giờ cũng phải bao gồm 2 l nh vực của đo lƣờng đó là đo lƣờng pháp quyền và đo lƣờng khoa học. - Đo lƣờng pháp quyền liên quan đến vấn đề sau: + Xây dựng hệ thống pháp luật về đo lƣờng. + Xây dựng các tổ chức về đo lƣờng để quản lý công tác đo lƣờng trong cả nƣớc. + Xây dựng hệ thống chuẩn về đo lƣờng. + Kiểm định phƣơng tiện đo. Đo lƣờng pháp quyền là một l nh vực lớn đặt ra cho mỗi quốc gia để mọi hoạt động kinh tế, khoa học kỹ thuật, quốc phòng và đời sống xã hội luôn đƣợc đảm bảo về chất lƣợng và số lƣợng trong sản xuất thƣơng mại cũng nhƣ trong giao dịch quốc tế. Tuy nhiên với khoa học công nghệ ngày một phát triển với nhiều các phát minh sáng giá thì mỗi chúng ta nên quan tâm đến l nh vực đo lƣờng thứ hai đó là Đo lƣờng khoa học. Trong đo lƣờng khoa học ngƣời ta chú ý đến vị trí và nội dung của đo lƣờng trong hệ thống các ngành khoa học hiện đại: tập trung phân tích các ý tƣởng, nguyên lý và phƣơng hƣớng khoa học của nó đƣợc đặt dƣới cái tên chung Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
-2- là “Lý thuyết đo lƣờng”. Để hiểu rõ nội dung của đo lƣờng khoa học trƣớc tiên ta phải hiểu đo lƣờng là gì và cơ sở để hình thành lý thuyết đo lƣờng? Đo lƣờng nhƣ là một phƣơng pháp đánh giá về định lƣợng của đối tƣợng vật chất và phi vật chất có tính biện chứng toàn diện, từ đó hình thành các hƣớng khác nhau của lý thuyết đo lƣờng. Ví dụ, trong vật lý lƣợng tử khi thực hiện phép đo cần phải quan tâm đến việc đo các đại lƣợng có kích thƣớc nhỏ, điều này hình thành lý thuyết đo lƣờng cơ học lƣợng tử. Hay trong xã hội, tâm lý học, kỹ thuật hệ thống, điều khiển học…phải quan tâm đến đại lƣợng phi vật lý cần đo, điều này hình thành lý thuyết đo lƣờng tâm lý. Trong đo lƣờng học (metrology) ngƣời ta quan tâm đến sai số từ đó hình thành lý thuyết về sai số. Sai số cũng đƣợc coi là một dạng nhiễu trong kênh đo lƣờng và từ đó hình thành lý thuyết đo lƣờng thông tin. Việc nghiên cứu về phép đo nhƣ là một phƣơng pháp nào đó để nhận đƣợc kết quả bằng số về giá trị của một đại lƣợng cần đo nào đó (vật lý hay phi vật lý) từ đó hình thành lý thuyết đo lƣờng angôrit. Nhƣ vậy lý thuyết đo lƣờng là một khái niệm rất rộng nó bao quát nhiều l nh vực, nhiều hƣớng phát triển và mỗi hƣớng tuỳ thuộc vào điều kiện cụ thể của nó mà hình thành lý thuyết đo lƣờng. 1.1.2. Lý thuyết đo lường cơ sở Lý thuyết đo lƣờng cơ sở là những vấn đề nền tảng của đo lƣờng. Nó chính là gốc để phát triển khoa học chính xác nhƣ vật lý, toán học, phi vật lý. Trong l nh vực này quan tâm đến những đặc tính chung nhất, những quy luật của phép đo nhƣ là một phƣơng pháp đánh giá định lƣợng các thông số của thế giới đối tƣợng. Những phát minh về quy luật của phép đo luôn đem lại ảnh hƣởng có tính quyết định đến nền khoa học chính xác. Ví dụ, trong vật lý hiện đại phát minh nổi tiếng trong l nh vực đo lƣờng là hệ thức bất định của Werner Heisenberg (Đức) về nguyên tắc nó hạn chế độ chính xác của phép đo lƣờng cơ lƣợng tử trong vật lý lƣợng tử. Trong toán học cũng vậy những phát minh toán học sẽ hỗ trợ cho quá trình đo lƣờng một cách hiệu quả. Ví dụ việc phát minh ra Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
-3- phƣơng pháp biến đổi Furiê nhanh đã giúp các nhà đo lƣờng phân tích phổ một tín hiệu đo với một dải tần ngày càng cao và xác định đƣợc hàm mật độ phổ một cách nhanh chóng, mở ra một phƣơng pháp đo lƣờng hiện đại, đó là đo lƣờng toán học logic mà cốt lõi của nó là đo lƣờng angôrit trong đó bao hàm cả việc gia công kết quả đo lƣờng. Đối với các đại lƣợng đo phi vật lý, lý thuyết đo lƣờng cơ sở chú ý đến việc xác định các đặc trƣng phi vật lý (ví dụ lƣợng thông tin hay các đặc trƣng thống kê…) những phát minh về mặt toán học đã đặt cơ sở cho lý thuyết đo các đại lƣợng phi vật lý mà ta gọi đó là đo lƣờng tâm lý. 1.1.3. Lý thuyết đo lường ứng dụng Lý thuyết đo lƣờng ứng dụng tập trung nghiên cứu các phép đo trong thực tế, các bài toán cụ thể đƣợc đặt ra cho kỹ thuật nói chung và kỹ thuật đo lƣờng nói riêng. Ví dụ việc nghiên cứu chế tạo các chuẩn đơn vị đo lƣờng (trƣớc đây là hệ một, hệ tuyệt đối Gause và ngày nay là hệ đo lƣờng quốc tế SI Système International d'unités) để đảm bảo sự thống nhất đo lƣờng trên toàn thế giới. Xung quanh bài toán đó trong khoa học ngày nay hình thành một l nh vực đƣợc gọi là đo lƣờng học (Metrology). Đo lƣờng học là một môn khoa học về các phép đo, về phƣơng pháp và phƣơng tiện đo để đảm bảo cho các quá trình đo đƣợc thống nhất và các phƣơng pháp nhằm đạt đƣợc độ chính xác yêu cầu. Đo lƣờng học đóng vai trò to lớn trong việc xây dựng phƣơng pháp thiết bị đo và giải quyết hầu hết các bài toán đặt ra của kỹ thuật đo lƣờng. Khoa học và kỹ thuật ngày càng phát triển, việc ứng dụng các thành tựu của máy tính và điều khiển học kỹ thuật trong đo lƣờng đã làm xuất hiện một l nh vực mới trong đo lƣờng ứng dụng đó là đo lƣờng tự động. Nội dung của đo lƣờng tự động đó là con ngƣời ít can thiệp vào các thao tác đo lƣờng và xử lý thông tin mà hầu nhƣ các thao tác này là hoàn toàn tự động. Sự xuất hiện của các thiết bị đo thông minh, các hệ thống thông tin đo Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
-4- lƣờng và điều khiển thông minh, việc truyền tín hiệu đi xa bằng kỹ thuật số và các phƣơng tiện hiện đại nhƣ cáp quang hay vô tuyến đã tạo ra các hệ thống đo và điều khiển từ xa rất hiệu quả và tiện lợi. Nhƣ vậy lý thuyết đo lƣờng ứng dụng hiện đại bao gồm hai hƣớng phát triển hỗ trợ cho nhau là: đo lƣờng học và đo lƣờng tự động. Cả hai đều phản ánh quá trình quan trọng nhất trong kỹ thuật đo lƣờng đó là quá trình vật lý (sử dụng những thành tựu của vật lý để hoàn thiện thiết bị đo và quá trình tự động hoá. Sử dụng các phƣơng pháp đo tự động trong điều khiển sản xuất công nghiệp). Cùng với đo lƣờng cơ sở, đo lƣờng ứng dụng ngày càng phát triển tạo thành ngành kỹ thuật đo lƣờng là một ngành khoa học công nghệ cao, nó có mặt ở khắp mọi nơi, ở mọi l nh vực của kinh tế quốc dân và đời sống xã hội. Sự phát triển của nó có ảnh hƣởng rất lớn đến sự phát triển khoa học – kỹ thuật, đƣa lại lợi ích to lớn cho xã hội. 1.1.4. Phân loại và cách thức thực hiện phép đo Để thực hiện một phép đo ta có thể thực hiện nhiều cách đo khác nhau, ta có thể phân biệt các cách đo sau đây: - Đo trực tiếp: là cách đo mà kết quả nhận đƣợc trực tiếp từ một phép đo duy nhất. Cách đo này cho kết quả ngay. Dụng cụ đo đƣợc sử dụng thƣờng tƣơng ứng với đại lƣợng cần đo. Ví dụ: đo điện áp dựng Vônmét thì trên mặt thang đo đã khắc độ sẵn bằng vôn. Trên thực tế chủ yếu dựng phƣơng pháp này. - Đo gián tiếp: là cách đo mà kết quả đƣợc suy ra từ sự phối hợp kết quả của nhiều phép đo dựng cách đo trực tiếp. Ví dụ: khi đo dòng điện ta dùng Vônmét và Ômmét sau đó dựng định luật Ôm để suy ra kết quả: I = U/R. Tuy nhiên cách đo này thƣờng mắc phải sai số lớn là tổng các sai số của các phép đo trực tiếp. - Đo thống kê: để đảm bảo độ chính xác của phép đo nhiều khi ngƣời ta phải sử dụng cách đo thống kê tức là phải tiến hành đo nhiều lần, sau đó lấy giá Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
-5- trị trung bình. Cách đo này đặc biệt hữu hiệu khi tín hiệu đo là ngẫu nhiên hoặc khi cần kiểm tra độ chính xác của một dụng cụ đo. - Đo so sánh: là cách đo mà kết quả đạt đƣợc khi ta tiến hành so sánh đại lƣợng cần đo với mẫu. Cách đo này hiện nay đƣợc dựng khá phổ biến vì nó có độ chính xác khá cao. Tuỳ thuộc vào các điều kiện cụ thể khác nhau mà chúng ta lựa chọn một phép đo sao cho phù hợp. Lựa chọn đƣợc một phép đo tốt và phù hợp sẽ đem lại cho bạn một kết quả với độ chính xác cao. 1.1.5. Các đặc trưng cơ bản của kỹ thuật đo Để hiểu rõ hơn về ngành kỹ thuật đo lƣờng ta nên quan tâm tới các đặc trƣng của nó. Đó là các yếu tố cần thiết không thể thiếu đƣợc trong kỹ thuật đo. Những đặc trƣng đó bao gồm: các đại lƣợng cần đo, điều kiện đo, phƣơng pháp đo, thiết bị đo, ngƣời quan sát hay các thiết bị thu nhận kết quả đo. 1.1.5.1. Đại lƣợng đo Là một thông số đặc trƣng cho đại lƣợng vật lý cần đo. Theo tính chất thay đổi của đại lƣợng đo có thể chia chúng thành hai loại đó là: đại lƣợng đo tiền định và đại lƣợng đo ngẫu nhiên. - Đại lƣợng đo tiền định: là đại lƣợng đo đã biết trƣớc quy luật thay đổi theo thời gian của chúng, nhƣng một hoặc nhiều thông số của chúng chƣa cần phải đo. Đại lƣợng đo tiền định thƣờng là tín hiệu một chiều hay xoay chiều hình sin hay xung vuông. Các thông số cần đƣợc đo thƣờng là: biên độ, tần số, góc pha, … của tín hiệu đo. - Đại lƣợng đo ngẫu nhiên: là đại lƣợng đo mà sự thay đổi theo thời gian không theo một quy luật nào cả. Nếu ta lấy bất kỳ giá trị nào của tín hiệu thì ta đều nhận đƣợc đại lƣợng ngẫu nhiên. Ta thấy trong thực tế số các đại lƣợng đo đều là ngẫu nhiên. Tuy nhiên ở một chừng mực nào đó ta có thể giả thiết rằng suốt thời gian tiến hành một phép đo đại lƣợng đo phải không đổi hoặc thay đổi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
-6- theo quy luật đã biết (tức là đại lƣợng đo tiền định) hoặc tín hiệu phải thay đổi chậm. Vì thế nếu đại lƣợng đo ngẫu nhiên có tần số thay đổi nhanh sẽ không thể đo đƣợc bằng các phép đo thông thƣờng. Trong trƣờng hợp này ta phải sử dụng một phƣơng pháp đo đặc biệt đó là đo lƣờng thống kê. Theo cách biến đổi đại lƣợng đo mà ta có thể chia thành đại lƣợng đo liên tục hay đại lƣợng đo tƣơng tự (analog) và đại lƣợng đo rời rạc hay đại lƣợng đo số (digital): - Đại lƣợng đo tƣơng tự (analog): là biến đổi nó thành một đại lƣợng đo khác tƣơng tự nó. Ứng với đại lƣợng đo này ngƣời ta thƣờng chế tạo ra các dụng cụ đo tƣơng tự. Ví dụ: một Ampemet có kim chỉ tƣơng ứng với cƣờng độ dòng điện. - Đại lƣợng đo số (digital): là biến đổi từ các đại lƣợng tƣơng tự thành đại lƣợng số. ứng với đại lƣợng đo này ngƣời ta cũng chế tạo ra các dụng cụ đo số. Theo bản chất của đại lƣợng đo ta có thể chia thành: - Đại lƣợng đo năng lƣợng: là đại lƣợng đo mà bản thân nó mang năng lƣợng. Ví dụ: sức điện động, điện áp, dòng điện…vv. - Các đại lƣợng đo thông số: đó là thông số của mạch điện nhƣ: điện trở, điện cảm, điện dung…vv. - Các đại lƣợng đo phụ thuộc vào thời gian nhƣ: chu kỳ tần số góc pha… - Các đại lƣợng đo không điện: để đo đƣợc bằng phƣơng pháp điện nhất thiết phải biến đổi chúng thành các đại lƣợng điện thông qua các bộ cảm biến. Thông qua các bộ cảm biến mà ta nhận đƣợc tín hiệu Y tỷ lệ với đại lƣợng cần đo X khi đó ta có: Y = f(X) (1.1) Ta biết rằng tín hiệu đo là loại tín hiệu mang đặc tính thông tin về đại lƣợng đo vì thế ngƣời ta có thể coi tín hiệu đo chính là đại lƣợng đo. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
-7- 1.1.5.2. Điều kiện đo Thông tin đo lƣờng bao giờ cũng gắn chặt với môi trƣờng sinh ra đại lƣợng đo. Khi tiến hành phép đo ta phải tính tới ảnh hƣởng của môi trƣờng đến kết quả đo và ngƣợc lại khi dựng dụng cụ đo không để dụng cụ đo ảnh hƣởng đến đối tƣợng đo. Ngoài ra, ta phải chú ý đến môi trƣờng bên ngoài có thể ảnh hƣởng đến kết quả của phép đo. Những yếu tố của môi trƣờng là: nhiệt độ, độ ẩm của không khí, từ trƣờng bên ngoài, độ rung, độ lệch áp suất so với áp suất trung bình, bụi bẩn... Những yếu tố này phải ở trong điều kiện chuẩn. Điều kiện tiêu chuẩn là điều kiện đƣợc quy định theo tiêu chuẩn quốc gia, là khoảng biến động của các yếu tố bên ngoài mà suốt trong khoảng đó dụng cụ đo vẫn đảm bảo độ chính xác quy định, đối với mỗi loại dụng cụ đo đều có khoảng tiêu chuẩn đƣợc ghi trong các đặc tính kỹ thuật của nó. Trong thực tế ta thƣờng phải tiến hành đo nhiều đại lƣợng cùng một lúc rồi lại phải truyền tín hiệu đo đi xa, tự động ghi lại và gia công thông tin đo. Cho nên, cần phải tính đến các điều kiện đo khác nhau để tổ chức các phép đo cho tốt nhất. 1.1.5.3. Đơn vị đo Để cho nhiều nƣớc có thể sử dụng một hệ thống đơn vị duy nhất ngƣời ta đã thành lập hệ thống đơn vị đo quốc tế SI – 1960 đã đƣợc thông qua ở hội nghị quốc tế về mẫu và cân. Hệ đo lƣờng quốc tế (viết tắt là SI từ tiếng Pháp) là hệ đo lƣờng đƣợc sử dụng rộng rãi nhất. Nó đƣợc sử dụng trong mọi hoạt động kinh tế, thƣơng mại, khoa học, giáo dục và công nghệ của phần lớn các nƣớc trên thế giới.Trong hệ thống đó các đơn vị đƣợc xác định nhƣ sau: - Đơn vị chiều dài một (m). - Đơn vị khối lƣợng là kilogam (kg). - Đơn vị thời gian là giây (s). - Đơn vị cƣờng độ dòng điện là ampe (A). - Đơn vị nhiệt độ là kelvin (K). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
-8- - Đơn vị cƣờng độ ánh sáng là nền candela (Cd). - Đơn vị số lƣợng vật chất là mol (mol). Đó là 7 đơn vị cơ bản. Ngoài ra còn có các đơn vị dẫn xuất cùng với một bộ các tiền tố đƣợc suy ra từ các đơn vị cơ bản này. 1.1.5.4. Phƣơng pháp đo Các phép đo đƣợc thực hiện bằng các phƣơng pháp đo khác nhau phụ thuộc vào các phƣơng pháp nhận thông tin đo và nhiều yếu tố đo nhƣ đại lƣợng đo lớn hay nhỏ, điều kiện đo, sai số, yêu cầu... Phƣơng pháp đo có thể có nhiều nhƣng ngƣời ta đã phân thành 2 loại: - Phƣơng pháp đo biến đổi thẳng. - Phƣơng pháp đo so sánh. Các phƣơng pháp này đã đƣợc chế tạo thành các thiết bị đo để sử dụng trong thực tế. 1.1.5.5. Ngƣời quan sát Đó là ngƣời đo và gia công kết quả đo. Nhiệm vụ của ngƣời quan sát khi đo là phải nắm đƣợc phƣơng pháp đo; am hiểu về thiết bị đo mà mình sử dụng, kiểm tra điều kiện đo, phán đoán về khoảng đo để chọn thiết bị đo cho phù hợp với sai số yêu cầu và phù hợp với điều kiện môi trƣờng xung quanh. Biết điều khiển quá trình đo để có đƣợc kết quả nhƣ mong muốn sau cùng là nắm đƣợc các phƣơng pháp gia công kết quả đo để tiến hành gia công (có thể bằng tay hay sử dụng máy tính) số liệu thu đƣợc sau khi đo. Biết xét đoán kết quả đo xem đã đạt yêu cầu hay chƣa, có cần thiết phải đo lại hay không, hoặc phải đo nhiều lần theo phƣơng pháp đo lƣờng thống kê. 1.1.5.6. Kết quả đo Kết quả đo ở một mức độ nào đó có thể coi là chính xác. Một giá trị nhƣ vậy đƣợc coi là giá trị ƣớc lƣợng của đại lƣợng đo. Ngh a là giá trị đƣợc xác Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
-9- định bởi thực nghiệm nhờ các thiết bị đo. Giá trị này gần với giá trị thực mà ở một điều kiện nào đó có thể coi là thực. Để đánh giá sai lệch giữa giá trị ƣớc lƣợng và giá trị thực ngƣời ta sử dụng khái niệm sai số của phép đo: đú là hiệu giữa giá trị thực và giá trị ƣớc lƣợng. Sai số của phép đo có vai trò quan trọng trong kỹ thuật đo lƣờng. Nó cho phép đánh giá phép đo có đạt yêu cầu hay không. Có rất nhiều nguyên nhân gây nên sai số của phép đo nhƣ: - Nguyên nhân đầu tiên phải kể đến là do phƣơng pháp đo chƣa hoàn thiện, chƣa phù hợp với điều kiện thực tế. - Do có sự biến động của các điều kiện bên ngoài vƣợt ra ngoài các điều kiện tiêu chuẩn đƣợc quy định cho dụng cụ đo mà ta chọn. - Ngoài ra còn một số các yếu tố khác nữa nhƣ: sử dụng các dụng cụ đo không đảm bảo độ chính xác, do cách đọc của ngƣời quan sát hoặc do cách đặt dụng cụ không chính xác… Kết quả đo là những con số kèm theo đơn vị đo hay những đƣờng cong tự ghi, để ghi lại quá trình thay đổi của đại lƣợng đo theo thời gian. Việc gia công kết quả đo theo một thuật toán (angôrit) nhất định bằng máy tính hay bằng tay để đạt đƣợc kết quả nhƣ mong muốn. 1.2. Cơ sở lý thuyết xử lý số tín hiệu [7], [15] Tín hiệu (một dòng thông tin đƣợc chuyển tải thông qua một đại lƣợng vật lý nào đó, thƣờng là điện áp hay dòng điện) có thể đƣợc xử lý theo một trong hai cách: xử lý tƣơng tự và xử lý số. Ví dụ việc lọc thông thấp một tín hiệu dòng điện, giải pháp tƣơng tự sẽ dùng một mạch lọc (tích cực hay thụ động) để làm suy giảm các thành phần tần số không mong muốn và giữ lại các thành phần đƣợc quan tâm ở ngõ ra, trong khi giải pháp số sẽ chuyển tín hiệu dòng điện thành một chuỗi các giá trị tƣơng ứng tại những thời điểm rời rạc, sử dụng các cơ cấu tính toán số để thực hiện việc lọc tần số, sau đó tái tạo lại tín hiệu đã đƣợc lọc ở ngõ ra. Việc chuyển đổi các giá trị tƣơng tự thành chuỗi giá trị số Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
- 10 - đƣợc thực hiện bằng các bộ chuyển đổi tƣơng tự-số (ADC-Analog to Digital Converter), và việc chuyển đổi ngƣợc lại đƣợc thực hiện bằng các bộ chuyển đổi số-tƣơng tự (DAC-Digital to Analog Converter). Nhƣ vậy, các hệ thống xử lý tƣơng tự tín hiệu sử dụng các cơ cấu tính toán tƣơng tự để thực hiện việc xử lý các tín hiệu tƣơng tự, còn các hệ thống xử lý số tín hiệu lại thực hiện việc xử lý các tín hiệu tƣơng tự thông qua các cơ cấu tính toán số. Một điều cần nói là các thuật ngữ 'tƣơng tự' và 'số' không thể hiện bản chất của việc xử lý, thuật ngữ chính xác hơn là 'liên tục' và 'rời rạc' (theo thời gian và phạm vi biến đổi của tín hiệu). Chúng ta có các hệ thống xử lý liên tục tín hiệu với các cơ cấu tính toán tác động lên các tín hiệu liên tục (có độ lớn thay đổi một cách liên tục) đối lập với các hệ thống xử lý rời rạc tín hiệu sử dụng các cơ cấu tính toán tác động lên các tín hiệu rời rạc (có độ lớn thay đổi một cách rời rạc tại những thời điểm rời rạc). Tuy nhiên kể từ đây trở đi, nhóm tác giả vẫn dùng các thuật ngữ phổ thông là 'tƣơng tự' và 'số' để thuận tiện cho ngƣời đọc. Việc xử lý số tín hiệu xem ra có vẻ phức tạp hóa vấn đề, nếu dựa vào ví dụ đơn giản trên để đánh giá. Tuy nhiên, có một số lý do khiến việc xử lý số tín hiệu vẫn đƣợc sử dụng: - Tính linh hoạt: dữ liệu có thể đƣợc lấy mẫu và xử lý sau đó, cũng có thể áp dụng nhiều thuật toán lên cùng một dữ liệu để tìm ra thuật toán thích hợp nhất. Độ phức tạp của thuật toán hầu hết chỉ bị giới hạn bởi bộ nhớ và tốc độ của bộ xử lý, cũng nhƣ các thuật toán có thể đƣợc tạo sẵn để tự động thích nghi với môi trƣờng. - Tính lập trình: Nhiều bộ xử lý ngày nay có thể đƣợc cấu hình lại (bằng cách lập trình phần mềm) để thực hiện nhiều tác vụ xử lý số tín hiệu khác nhau. Chỉ cần thay đổi phần mềm để thực hiện một thuật toán khác. Điều này cũng có ngh a là chỉ cần một số lƣợng linh kiện tối thiểu để thực hiện các thuật toán xử lý rất phức tạp. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN
- 11 - - Tính lặp lại: Các chức năng của các hệ thống số dựa trên phần mềm hay phần cứng bên ngoài, do đó có thể lặp lại nhiều lần các thao tác đã đƣợc thực hiện. - Tính ổn định: Dữ liệu đƣợc lƣu trữ và xử lý bằng phần cứng số do đó những ảnh hƣởng của môi trƣờng nhƣ nhiệt độ và sự lão hóa của linh kiện gặp phải trong xử lý tƣơng tự là không có. - Nén dữ liệu: Dữ liệu có thể đƣợc nén để truyền đi với những khoảng cách xa, tiết kiệm đƣợc chi phí truyền dữ liệu mà vẫn đảm bảo thông tin đầy đủ đến đƣợc điểm nhận. - Chi phí: Ứng dụng của các bộ xử lý số tín hiệu ngày càng trải rộng, và trong nhiều trƣờng hợp, chi phí của việc hiện thực thuật toán số nhỏ hơn chi phí cho thuật toán tƣơng tự. Hai thành phần cần thiết để một hệ thống xử lý số tín hiệu có thể giao tiếp với thế giới thực là DAC và ADC. 1.3. Tổng quan về điều khiển tự động [4] 1.3.1. Lịch sử ra đời Điều khiển tự động có lịch sử phát triển từ trƣớc công nguyên, bắt đầu từ đồng hồ nƣớc có phao điều chỉnh của Ktesibios ở Hy Lạp. Hệ điều chỉnh nhiệt độ đầu tiên do Cornelis Drebbel (1572 - 1633) ngƣời Hà Lan sáng chế. Hệ điều chỉnh mức đầu tiên là của Ivan Polzunov (1728 - 1766) ngƣời Nga. Hệ điều chỉnh tốc độ đƣợc ứng dụng trong công nghiệp đầu tiên là của James Watt (1736 - 1819). Thời kỳ trƣớc năm 1868 là thời kỳ chế tạo những hệ tự động theo trực giác. Các công trình nghiên cứu lý thuyết bắt đầu từ Maxwell, đề cập đến ảnh hƣởng của thông số đối với chất lƣợng của hệ, I.A Vysnhe gradsku với công trình toán học về các bộ điều chỉnh. Chiến tranh thế giới thứ 2 đã đòi hỏi sự phát Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN