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

---------------------------------

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

PHẠM THANH HÀ

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

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

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

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

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

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] m [kg/m3] Khối lượng riêng của vật liệu chế tạo tải trọng. Chiều dài của cánh tay đòn dài. l1 [m]

Khối lượng riêng của không khí.

Chiều dài của cánh tay đòn ngắn. l2 [m]

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.

Hệ số giãn nở dài của vật liệu làm quang treo.  [m/ ºK]

t [s] Thời gian khảo sát.

Gia tốc quán tính. a0 [m/s2]

Góc lệch tại vị trí biên độ dao động ban đầu. 0 [rad]

Góc pha ban đầu.  [rad]

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.

Vận tốc góc của nhiễu dưới ảnh hưởng của sức cản không khí. td [rad.s-1]

td [rad.s-1] Vận tốc góc của nhiễu tổng có sức cản không khí.

Nhiễu.  [N]

Lực tạo ra bởi hệ tạo lực tải trọng.

F1 [N] ΔF1 [N] Sai lệch tổng hợp của lực tạo ra tại hệ tạo lực tải trọng.

Nhiễu lực hình thành và tác động tại hệ tạo lực tải trọng.

Lực tạo ra từ hệ tạo lực tải trọng thông qua hệ khuếch đại ΔFN [N] F2 [N] 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.

Lực tạo ra từ hệ tạo lực tải trọng thông qua hệ khuếch đại đòn bẩy F2/N [N] 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.

Giá trị hiện thời của lực điều chỉnh xác lập sự cân bằng đòn bẩy.

đcF2Δ [N] đcF2Δ [N]

Giá trị tiền định của lực điều chỉnh xác lập sự cân bằng đòn bẩy.

Hệ số chuyển đổi của Hệ tạo lực điều chỉnh cân bằng đòn bẩy.

Sai số tổng hợp trên đầu ra gắn với giá trị của lực chuẩn. K Δ2 [N]

Thành phần sai lệch gây ra do nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc Δ2/N [N]

và kiểu bồng bềnh.

viii

Thành phần sai lệch gây ra do các yếu tố khác.

Lực chuẩn được thiết lập trên đầu ra của LA-FSM.

Chiều dài quang treo của hệ tạo lực tải trọng. Δ2K [N] F2lc [N] la [m]

Chiều dài quang treo của hệ truyền lực đòn bẩy. lb [m]

Tổng các thành phần lực hướng tâm của lực tạo ra trong hệ tạo lực tải Fhta [N]

trọng.

Tổng các thành phần lực hướng tâm của lực tạo ra trong hệ truyền lực Fhtb [N]

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.

Tổng các Moment uốn tại gối đỡ đòn bẩy. Mu [N.m]

Góc lệch so với trạng thái cân bằng tại H1. a [rad]

a0 [rad] Góc lệch so với trạng thái cân bằng tại H1 dưới tác dụng của

tải trọng.

Góc lệch so với trạng thái cân bằng tại H1 dưới tác dụng của tải trọng acong [rad]

và sự cong của đòn dài (l1).

Góc lệch so với trạng thái cân bằng tại H2. b [rad]

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).

Góc lệch so với trạng thái cân bằng dưới tác dụng của Moment uốn c [rad]

tổng hợp tại H3.

Tín hiệu điện lấy ra từ mạch cầu tem biến dạng tại bản lề đàn hồi u1 [V]

điện tử H1 trong KBDCB.

Tín hiệu điện lấy ra từ mạch cầu tem biến dạng tại bản lề đàn hồi u2 [V]

điện tử H2 trong KBDCB.

Tín hiệu điện lấy ra từ mạch cầu tem biến dạng tại bản lề đàn hồi u3 [V]

điện tử H3 trong KBDCB.

Ui [V] Thông tin số của tín hiệu điện ui từ các kênh Hi.

Thông tin số về tín hiệu, được tổng hợp từ số liệu của các KBDCB. U⅀ [V]

Thông tin số đã được tính toán theo phương pháp xác định để cung Uđc [V]

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.

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

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 α0. ............ 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

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.

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. 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

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:

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

Nội dung sẽ trình bày các kết quả thực hiện nội dung nghiên cứu 1, trong đó đề cập

một cách khái quát về chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy sử dụng gối điện tử

điều khiển theo độ biến dạng LA-FSM và tình hình nghiên cứu về vấn đề nâng cao độ

chính xác cho LA-FSM nhằm luận giải cho hướng nghiên cứu của luận án, qua đó chỉ ra

yêu cầu khoa học và yêu cầu thực tiễn khi nghiên cứu nâng cao độ chính xác cho LA-

FSM, cũng như xác định hướng giải quyết cho bài toán này trong tình hình hiện nay.

Chương 2 Xác lập mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy và mô hình

nhiễu dao động ký sinh trong LA-FSM

Nội dung sẽ trình bày các kết quả thực hiện nội dung nghiên cứu 2, trong đó

có trình bày kết quả xác lập mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy và mô hình

nhiễu dao động ký sinh trong LA-FSM thông qua việc phân tích sự hình thành, đánh

giá mức độ ảnh hưởng và quá trình biến đổi vật lý của nhiễu dao động ký sinh kiểu

con lắc và kiểu bồng bềnh trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy để từ đó xác lập

mô hình toán học cho kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy và mô hình toán học cho

nhiễu dao động ký sinh này trong LA-FSM.

Chương 3: 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

Nội dung sẽ trình bày kết quả thực hiện nội dung nghiên cứu 3 và 4 về một đề

xuất giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh trong kênh

điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM bằng kỹ thuật điện tử thông qua xây dựng

thuật toán lọc theo định dạng bộ lọc số IIR. Trong đó, sẽ trình bày về cơ sở xây dựng giải

pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh bằng giải pháp lọc nhiễu bằng áp dụng thuật toán lọc

IIR, về giải pháp xây dựng thuật toán lọc trên nền tảng bộ lọc số dạng đệ quy IIR, và kết

quả đánh giá hiệu quả giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và

kiểu bồng bềnh mà qua đó nâng cao độ chính xác cho LA-FSM, cũng như đưa ra các

khuyến nghị về phạm vi ứng dụng giải pháp này.

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

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

1.1.1. Chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy- nguyên lý xây dựng và cấu trúc

Trong đo lường pháp quyền, để đảm bảo sự thống nhất về phép đo ở phạm vi quốc

gia và quốc tế, cần thiết phải có các chuẩn đo lường cho các đại lượng đo. Chuẩn đo

lường lực là một chuẩn đo lường quan trọng trong hệ thống các chuẩn đo lường. Theo

đó, chuẩn đo lường lực là một loại phương tiện kỹ thuật thể hiện đơn vị (hoặc ước/bội)

của lực với độ chính xác cao nhất có thể - thường được gọi là máy chuẩn lực (Force

Standard Machine - FSM), được liên kết chuẩn với các chuẩn cấp cao hơn, và được

dùng để sao truyền chuẩn cho các FSM cấp thấp hơn hay thiết bị đo hoặc thiết bị có

liên quan đến đại lượng lực [5], [8], [36].

Ban đầu, FSM được xây dựng theo nguyên lý thể hiện trực tiếp Định luật 2

Newton, và thường được gọi là máy chuẩn lực tải trọng trực tiếp (Deadweight Force

  gmF 

Standard Machine - DW-FSM), trong đó lực được thiết lập qua mối quan hệ:

- (1.1)   Ở đây, F - véctơ lực tạo ra từ tải trọng, N; m - khối lượng của tải trọng, kg; còn g

véctơ gia tốc trọng trường nơi đặt tải trọng, m/s2 [5], [36].

Lực tạo ra từ tải trọng theo (1.1) được xét khi tải trọng đặt trong môi trường

chân không. Tuy nhiên, trong thực tế tải trọng chỉ có thể đặt trong môi trường không

khí, vì vậy lực được tạo ra từ DW-FSM sẽ là:











 

m 

  

  

(1.2)

 a

m  m

  

  

Ở đây, thành phần là lực đẩy của không khí theo Định luật Acsimet, với

a - khối lượng riêng của không khí, kg/m3;

m - khối lượng riêng của vật liệu chế tạo tải

trọng, kg/m3.

Để đáp ứng yêu cầu thể hiện lực chuẩn có giá trị lớn, FSM có thể được xây

dựng bằng kết hợp giữa hai nguyên lý tạo lực kiểu DW-FSM với khuếch đại đòn bẩy

được gọi là máy chuẩn lực khuếch đại đòn bẩy (Lever Amplification Force Standard

Machine - LA-FSM) như mô tả ở Hình 1.1. Giá trị lực tạo ra ứng với biểu thức:

LAQFF  1 và khi xét điều kiện thực tế hóa, sẽ là:

QF 





(1.3)

đp

 

  

   Ở đây m - khối lượng của tải trọng; gđp - gia tốc trọng trường địa phương (tại nơi đặt

(1.4)

tải trọng); ρa - khối lượng riêng của không khí; ρm - khối lượng riêng của vật liệu chế

tạo quả cân tải trọng; QLA = l1/l2 - hệ số khuếch đại đòn bẩy, trong đó l1 - chiều dài của

Lực kế

Bộ tải trọng

cánh tay đòn dài và l2 - chiều dài của cánh tay đòn ngắn.

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý tạo lực của LA-FSM.

Cấu trúc của LA-FSM bao gồm 3 bộ phận chính: hệ tạo lực tải trọng, hệ khuếch

đại đòn bẩy và hệ truyền lực đòn bẩy. Trong đó, hệ khuếch đại đòn bẩy ban đầu được

thực hiện trên cơ sở hệ đòn bẩy với trục tâm quay bằng dao-gối cơ học theo hai dạng:

dao - vòng bi (Hình 1.2) và dao - gối phẳng (Hình 1.3). Việc kiểm soát sự cân bằng đòn

bẩy được thực hiện thông qua các cơ cấu cơ học: kim chỉ - vạch khắc, nivo,... Và việc

thiết lập trạng thái cân bằng đòn bẩy được thực hiện bởi người vận hành máy.

Khi sử dụng dao - vòng bi hoặc dao - gối phẳng, ưu điểm chính là đơn giản

nhưng có nhiều nhược điểm ảnh hưởng tới độ chính xác của hệ thống như:

+ Đối với dao - gối vòng bi, sai lệch và thăng giáng gây ra do sự tiếp xúc không

đều, sự lệch tâm của trục truyền lực trong vòng bi, sự rơ rão mài mòn của vòng bi do tác

động của lực và thời gian - đây cũng là các yếu tố khó kiểm soát và cần phải bảo dưỡng.

+ Đối với dao - gối phẳng, sai lệch và thăng giáng gây ra do sự tồn tại bán kính

thực của mũi dao, đường tiếp xúc không ổn định, sự không phẳng của bề mặt gối, sự mài

mòn do tác động của lực và thời gian, và do vậy chịu ảnh hưởng của lực ma sát - đây là

Hệ khuếch đại đòn bẩy

Dao-gối cơ học

Cánh tay đòn dài

Cánh tay đòn ngắn

nivo

Vòng bi

Hệ tạo lực tải trọng

Hệ truyền lực đòn bẩy

các yếu tố rất khó kiểm soát và cần phải bảo dưỡng.

Hệ khuếch đại đòn bẩy

Dao-gối cơ học

Cánh tay đòn dài

Cánh tay đòn ngắn

nivo

F1 Hệ tạo lực tải trọng

Hệ truyền lực đòn bẩy

Hình 1.2. Mô hình cấu trúc LA-FSM sử dụng dao - gối vòng bi.

Hình 1.3. Mô hình cấu trúc LA-FSM sử dụng dao - gối phẳng.

+ Việc kiểm soát trạng thái cân bằng đòn bẩy bằng cơ cấu cơ khí và quan sát bằng

mắt, khó đảm bảo tính chính xác khi có tác động của các yếu tố ảnh hưởng.

Để khắc phục các nhược điểm này, từ những năm 1970, gối điện tử điều khiển

theo độ biến dạng được xây dựng theo nguyên lý bản lề đàn hồi có thể kiểm soát độ

biến dạng đã được sử dụng thay cho gối tựa cơ khí (Hình 1.4) [50].

Giải pháp sử dụng gối điện tử theo nguyên lý bản lề đàn hồi được điều khiển

theo độ biến dạng đã khắc phục được hầu hết các nhược điểm của dao - gối cơ học

được chỉ ra ở trên, đồng thời tạo thuận lợi cho kiểm soát và thiết lập có điều khiển

Hệ khuếch đại đòn bẩy

XL-CT

Gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng

Cánh tay đòn ngắn

KĐĐL

Cánh tay đòn dài

Hệ tạo lực tải trọng

Hệ truyền lực đòn bẩy

KĐĐL - khuếch đại đo lường; XL-CT - xử lý và chỉ thị cân bằng điện tử

bằng điện tử đến trạng thái cân bằng đòn bẩy.

Hình 1.4. Mô hình cấu trúc LA-FSM sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng.

1- hệ tạo lực tải trọng; 2- hệ khuếch đại đòn bẩy; 3- gối điện tử; 4- hệ truyền lực.

a) b) KĐĐL - bộ khuếch đại đo lường; XL-CT - bộ xử lý và chỉ thị cân bằng điện tử;

Hình 1.5. Mô hình cấu trúc gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng (a)

và cấu trúc tổng thể của LA-FSM (b).

Mô hình cấu trúc gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng và cấu trúc tổng thể

của LA-FSM sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng có dạng như Hình 1.5.

Mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM này được mô tả khái quát

KBDCB - kênh biến dạng và cảm biến; BĐĐL - biến đổi đo lường; XL-CT - xử lý và chỉ thị; ĐKĐC - tạo tín

hiệu điều khiển động cơ; ĐCCB - động cơ cân bằng đòn bẩy, BTĐB - bàn trượt đòn bẩy.

như Hình 1.6.

Hình 1.6. Mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM.

Theo đó, hệ trục tâm quay trong trường hợp này được tạo ra từ một phần tử

đàn hồi (bản lề đàn hồi - BLĐH) có hình dạng phổ biến như trên Hình 1.5(a). Khi lân

cận điểm tựa trục tâm quay (phần thon bóp - gọi là kênh biến dạng và cảm biến

KBDCB) được lắp đặt các phần tử nhạy cảm với ứng suất biến dạng kiểu điện tử

(thường là tem biến dạng), tín hiệu điện thu được sẽ cho phép phát hiện, kiểm soát sự

có mặt và sự biến thiên của các lực hay moment lực tại trục tâm quay.

Như vậy, chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy sử dụng gối điện tử điều

khiển theo độ biến dạng là một LA-FSM mà trạng thái cân bằng được kiểm soát và

thiết lập bằng một kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy dựa theo bài toán cân bằng

moment lực. Độ chính xác của nó phụ thuộc vào khả năng xác định và thiết lập trạng

thái cân bằng đòn bẩy.

Do luận án chỉ tập trung nghiên cứu về chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn

bẩy sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng nên từ đây luận án sẽ gọi ngắn gọn

tên chuẩn đo lường lực này là LA-FSM.

1.1.2. Sai số và các ảnh hưởng đến độ chính xác của LA-FSM

Từ công thức (1.4), sai số lý thuyết của LA-FSM gây ra do sự sai lệch của các

tham số của hệ thống so với giá trị danh định có thể được xác định dưới dạng:

















đp

l l

 

1 

 

  

 l  l 

  

 l  g l 

- Sai số tuyệt đối:







đp

l l

 

  

 1  l l 

  

  

(1.5)

g 

đp

- Sai số tương đối:





F  F

m  m

)

l  l

   

  (  

đp

(1.6)

Từ (1.5), cho thấy rõ mức sai lệch tạo lực gây ra do sai lệch của tham số hệ

thống đối với LA-FSM lớn hơn QLA lần mức sai lệch của phần tạo lực DW-FSM. Và

từ (1.6), cho thấy rõ nguồn gốc phát sinh và mức độ đóng góp vào sai số chung của

hệ thống từ các sai lệch của từng tham số.

1.1.2.1 Các ảnh hưởng từ hệ tạo lực tải trọng

+ Ảnh hưởng từ khối lượng của tải trọng:

Các tải trọng của LA-FSM đều được hiệu chuẩn, đảm bảo liên kết với chuẩn

khối lượng quốc gia. Sai lệch từ khối lượng của tải trọng bao gồm:

- Độ lệch so với giá trị danh nghĩa, bởi vì không thể điều chỉnh khối lượng của

các tải trọng theo đúng các giá trị khối lượng danh nghĩa. Với công nghệ chế tạo hiện

nay, độ lệch tối đa là vào khoảng 3×10-6 [16], [38].

- Độ không đảm bảo đo, được xác định thông qua phép hiệu chuẩn các tải

trọng. Tuỳ vào điều kiện của từng nước mà có các công bố khác nhau, nhưng tốt nhất

hiện nay ở vào khoảng 2×10-6 [16], [38].

- Độ ổn định dài hạn của khối lượng trong nhiều năm, được lấy tương đương

với 1×10-6/năm [16], [38].

Trong đó, độ lệch so với giá trị danh nghĩa và độ không đảm bảo đo phụ thuộc

vào khả năng công nghệ chế tạo và hiệu chuẩn được kiểm soát và đánh giá bằng phép

kiểm định hoặc hiệu chuẩn. Còn độ ổn định theo thời gian được ước lượng qua thời gian

sử dụng.

Để thấy rõ mức độ ảnh hưởng của sai lệch của tham số này, ta có thể lấy ví

dụ theo số liệu từ LA-FSM 1MN của Viện Đo lường Việt Nam (VMI) [71]. Khi đó,

sai số tương đối đóng góp từ khối lượng của quả tải (tương ứng với lực 10 kN) với

m = 1021,953121 kg, lượng hiệu chỉnh 2530 mg và sai lệch (lấy theo độ đảm bảo đo)



Δm = 5110 mg, sẽ là:



5 

F  F

m  m

5110 1021953121

2530



(1.7)

+ Ảnh hưởng từ gia tốc trọng trường địa phương:

Sai lệch của gia tốc trọng trường gắn với sai số xác định gia tốc trọng trường

tại vị trí đặt tải trọng theo vĩ độ, độ cao và khối lượng riêng của không khí và sự biến

thiên theo thời gian. Có nhiều phương pháp xác định giá trị của gia tốc trọng trường

khác nhau với độ chính xác khác nhau, trong đó phương pháp chính xác nhất hiện

nay có độ chính xác cỡ khoảng 1×10-8 m/s2.

Năm 2014, VMI với sự trợ giúp của chuyên gia từ KRISS đã đo gia tốc trọng

trường tại Khu công nghệ cao Hoà Lạc [71], giá trị đo được là: g = 9,78664322 m/s2,

Δg = 45×10-8 m/s2. Cũng lấy ví dụ theo số liệu này, sai số tương đối tạo lực đóng góp

6,4



810 

từ gia tốc trọng trường tại Hoà Lạc sẽ là:

F  F

g  g

,0 ,9

00000045 78664322

(1.8)

+ Ảnh hưởng từ khối lượng riêng của không khí:

Sai lệch hoặc biến thiên khối lượng riêng của không khí có thể được tính gần

0612

34848

p 



h r

đúng theo công thức CIPM [87]:



 a

,0 15,273

009024 t



(1.9)

trong đó, p là áp suất xung quanh (hPa), hr là độ ẩm tương đối (% RH) và t là nhiệt độ

(ºC). Với sai lệch và biến thiên tối đa được ước tính vào khoảng 0,0548 kg/m3. Cũng lấy

ví dụ theo số liệu từ LA-FSM 1MN của VMI [71], khi đó sai số tương đối đóng góp từ

khối lượng riêng của không khí với ρa = 1,194774 kg/m3, Δρa = 0,0548 kg/m3 và với

khối lượng riêng của vật liệu chế tạo quả tải trọng được lấy bằng ρm = 7950 kg/m3, sẽ là:

9,6

610 





F  F

194774

7950

0548 ,0 ,1 

  a   a

 a

(1.10)

+ Ảnh hưởng từ khối lượng riêng của vật liệu chế tạo tải trọng:

Tuỳ theo khả năng chế tạo, khối lượng riêng của vật liệu chế tạo tải trọng nhận

được từ phép đo tại các cơ sở đo lường. Sự phân bố xác suất thống nhất của vật liệu

không khác biệt nhiều hơn 0,5%. Cũng lấy ví dụ theo số liệu từ LA-FSM 1 MN của

VMI [71], khi đó sai số tương đối đóng góp từ khối lượng riêng của quả tải với ρm =

7950 kg/m3, Δρm = 80 kg/m3 và ρa = 1,194774 kg/m3, sẽ là:

)

5,1

610 





(  m

F  F

)

(

7950

194774 ,1 ,1 

80  194774 ) 

  m a (   m a

(1.11)

Ngoài ra, giống như DW-FSM hệ tạo lực tải trọng của LA-FSM cũng có một

số yếu tố:

- Sự dao động kiểu con lắc (pendulum): Yếu tố này luôn tồn tại do chính cấu trúc

và nguyên lý xây dựng hệ thống. Tuy vậy, do có những khó khăn về kỹ thuật nên yếu tố

này mới chỉ được quan tâm trong vài năm gần đây. Và theo một khảo sát được công bố,

tuỳ theo mức tải trọng tần số dao động này ở vào khoảng (0,19 ÷ 0,23) Hz [81].

- Sự dao động kiểu bồng bềnh (bounce-mode): Yếu tố này cũng luôn tồn tại

do nguyên lý xây dựng hệ thống khi gia tải và có liên quan đến lực đẩy Acsimet của

không khí, nhiệt độ môi trường, điện từ trường,… Và cũng theo một khảo sát công bố

gần đây, tần số dao động này ở vào khoảng (0,67 ÷ 1,42) Hz [81], [82].

- Sự dao động với tần số tự nhiên và vấn đề cộng hưởng, cũng như chịu tác

động của những rung động cơ học từ bên ngoài [81].

Các dao động ký sinh này có tác động tổng hợp và gây ra sự ảnh hưởng bổ sung,

trực tiếp ảnh hưởng tới giá trị lực được tạo ra từ hệ tạo lực tải trọng, sau đó tới độ chính

xác của lực chuẩn đầu ra. Và trong thực tế, các thành phần này chưa có phương pháp đánh

giá. Do vậy, trong nhiều trường hợp ảnh hưởng của các dao động ký sinh này thường được

quy cho khoảng 5×10-5 [84]. Và do vậy, ảnh hưởng này rất cần phải quan tâm khi

thực hiện yêu cầu nâng cao độ chính xác của hệ thống.

1.1.2.2 Các ảnh hưởng từ hệ khuếch đại đòn bẩy

Từ (1.4) và (1.5) cũng cho thấy rõ về mặt toán học mức độ ảnh hưởng của sai

lệch tỷ lệ khuếch đại đòn bẩy đến sai số chung của hệ thống là rất lớn. Sai lệch tỷ lệ

khuếch đại đòn bẩy bắt nguồn từ sai lệch hay biến thiên chiều dài các cánh tay đòn.

Sai lệch và biến thiên này được hình thành từ các yếu tố:

+ Ảnh hưởng của sai lệch xuất phát từ khả năng gia công chế tạo và lắp đặt:

Mức độ ảnh hưởng của sai lệch này quy định ở trình độ gia công chế tạo (bao

gồm cả công cụ và con người). Với trình độ công nghệ gia công hiện nay (công bố từ

các hãng chế tạo), sai lệch tỷ lệ khuếch đại gây ra do sai lệch chiều dài các cánh tay

đòn có thể đạt 1×10-6.

+ Ảnh hưởng của sự biến thiên được thể hiện qua sự trôi trong suốt quá trình đo hoặc

trong một khoảng thời gian:

Sự trôi điểm không và sự trôi tỷ lệ khuếch đại trong suốt quá trình đo hoặc

theo thời gian phản ánh những thay đổi phức tạp do tác động lý - hoá từ các yếu tố

môi trường [51]. Việc phân tích cụ thể là khá khó khăn, và một trong những kết quả

khảo sát về sự trôi này được thể hiện trên Hình 1.7.

+ Ảnh hưởng của sai lệch do sự cong đòn bẩy dưới tác động của tải trọng:

Sự cong đòn bẩy dưới tác động của tải trọng cũng dẫn đến làm giảm độ dài

hiệu dụng của cánh tay đòn và qua đó làm thay đổi tỷ lệ khuếch đại đòn bẩy. Theo

các nghiên cứu khảo sát gần đây ở một số LA-FSM điển hình cho thấy rằng sự cong

đòn bẩy có thể nhận thấy rõ hơn với dải tải trọng trên 500 kN [47-48].

Hình 1.7. Sự trôi điểm không (a) và sự trôi tỷ lệ khuếch đại (b) [51].

+ Ảnh hưởng của sai lệch do sự tồn dư của các moment ký sinh:

Trong hệ khuếch đại đòn bẩy, các khớp nối truyền lực giữa 3 thành phần của hệ

thống đều phát sinh các moment uốn và hiệu ứng trượt (creep) [56]. Theo đó:

Moment uốn phát sinh tại khớp nối từ hệ tạo lực tải trọng đến cánh tay đòn

Ma, moment uốn phát sinh tại khớp nối từ cánh tay đòn đến hệ truyền lực đòn bẩy Mb

và moment uốn phát sinh tại gối tựa hệ đòn bẩy Mc (Hình 1.8).

Về nguyên tắc, ở trạng thái cân bằng đòn bẩy các moment này phải bằng “0”. Tuy

vậy, sự cong đòn bẩy do sức nặng của tải trọng sẽ dẫn đến tồn tại một lượng tồn dư moment

uốn trong hệ khuếch đại khi gối tựa cân bằng, điều này đều dẫn đến sai lệch xác định trạng

thái cân bằng và làm ảnh hưởng tới tỷ lệ khuếch đại đòn bẩy. Do sự cong đòn bẩy tồn tại từ

trong nguyên lý xây dựng nên ta coi lượng moment này là moment ký sinh.

- Hiệu ứng trượt (được định nghĩa là sự thay đổi giá trị đo theo thời gian khi tải

không đổi), hiệu ứng xuyên chéo (gây ra do cấu trúc vật lý của bản lề đàn hồi) và lực dọc

trục phát sinh ở các khớp nối và gối tựa cũng tạo nên các sai lệch bổ sung [51].

Việc sử dụng gối điện tử có tem biến dạng thay cho các khớp nối sẽ không

nhạy cảm với lực dọc trục, mà nó được thiết kế tối ưu hoá cho các moment uốn.

Thành phần xuyên chéo trong thực tế có thể được xem là nhỏ hơn 2,5×10-6 [56].

Hình 1.8. Các moment uốn ký sinh trong hệ khuếch đại đòn bẩy.

Cũng để dễ hình dung về mức độ ảnh hưởng của sai lệch của các yếu tố này,

ta có thể lấy ví dụ theo số liệu từ LA-FSM của VMI [71]. Khi đó, sai số tương đối

tạo lực được đóng góp từ:

- Sai lệch chiều dài của cánh tay đòn dài với l1 = 1260 mm khi sử dụng



dao - gối phẳng tại khớp nối hệ tạo lực tải trọng - cánh tay đòn, Δl1 = ± 0,2 mm

59,1





F  F

 l

2,0 1260

(1.12)

- Sai lệch chiều dài của cánh tay đòn ngắn với l2 = 126 mm khi sử dụng



dao - gối phẳng tại khớp nối cánh tay đòn - hệ truyền lực đòn bẩy, Δl2 = ± 0,3 mm

38,2





F  F

 l

3,0 126

(1.13)

Từ các ví dụ này cho thấy rõ tác động rất mạnh của sai lệch chiều dài của cánh

tay đòn đến độ chính xác của LA-FSM. Điều đó cho thấy rõ sự cần thiết và tính hiệu

quả khi sử dụng gối điện tử với phần tử đàn hồi được kiểm soát độ biến dạng không

chỉ ở gối tựa mà ở tất cả các khớp nối trong hệ khuếch đại đòn bẩy. Đồng thời cũng

cho thấy tác động của các moment uốn nêu trên (cũng dẫn tới sai lệch tương tự về

chiều dài cánh tay đòn) cần được quan tâm giải quyết bằng điều khiển sự cân bằng

theo kiểm soát độ biến dạng.

1.1.2.3 Các ảnh hưởng từ hệ truyền lực đòn bẩy

+ Ảnh hưởng do sai lệch phương ngang của mặt bàn nén, δFn :

Sai lệch gây ra khi mặt bàn nén không nằm chính xác theo phương ngang do

giới hạn sản xuất và kỹ thuật lắp đặt [38], [71]. Khi này, phương truyền lực lệch với

mặt bàn nén một góc αn sẽ gây ra một sai lệch về lực δFn . Trong nhiều trường hợp,

góc nghiêng này được giả định không vượt quá 0,03º. Do đó, sai số tương đối do góc

cos(

37,1)03,0 

7  10

nghiêng của mặt bàn nén có thể được tính:

Fn

(1.14)

+ Ảnh hưởng do sự không đồng trục của hệ truyền lực:

Khi lắp đặt, các ngàm kéo trong hệ truyền lực không đồng trục thì phương

truyền lực sẽ bị lệch đi một góc αl và cũng gây ra một sai lệch δFl . Trong nhiều trường

hợp, góc nghiêng này được giả định bằng 0,01º. Khi coi góc nghiêng là hằng số, sai



số tương đối do sự không đồng trục δFd có thể được tính [38], [71]:

cos(

52,1)01,0 



Fl

(1.15)

Từ những phân tích ở trên có thể kết luận rằng, các sai lệch của các tham

số hệ thống và ảnh hưởng của nó có tác động xếp chồng và khá phức tạp đến sai

số tổng cộng của hệ thống. Theo đó, các dao động phát sinh từ hệ tạo lực tải trọng

và các moment ký sinh từ hệ khuếch đại đòn bẩy có tác động mạnh nhất đến độ

chính xác của LA-FSM. Tuy vậy, cho đến nay khi xác định độ chính xác của LA-

FSM người ta vẫn chỉ xem xét một cách rời rạc ảnh hưởng của từng yếu tố này

với những giả định theo các phân bố đơn giản. Vì vậy, để tiếp tục nâng cao độ

chính xác cho LA-FSM sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng cần thiết

phải xem xét ảnh hưởng của các dao động và moment ký sinh một cách tổng hợp

và đồng thời, và đây cũng là khả năng hiện thực mà LA-FSM thuần cơ khí không

thể có được.

1.2. Bài toán tối ưu và tình hình nghiên cứu có liên quan về nâng cao độ chính

xác cho LA-FSM

1.2.1. Bài toán tối ưu nâng cao độ chính xác đối với LA-FSM

Bài toán tối ưu nâng cao độ chính xác đối với một hệ thống đo lường nói chung

đều dẫn tới phải hoàn thiện chúng theo quan điểm nâng cao độ tin cậy của kết quả đo

và tối ưu hóa hệ thống theo tiêu chí về độ chính xác - gọi là giải "bài toán tối ưu theo

tiêu chuẩn về độ chính xác". Biểu thức toán học hàm chứa bài toán này tính theo xác

(

([

))

,0(

)]

, 



suất (hay độ tin cậy) nhận được kết quả đo với sai số cho trước Δ (Δ > 0), có dạng:

uRRrP 0 )( Mu 



   

(1.16)

Ở đây r(R0 , R(u)) - sai số tổng cộng (sai lệch giữa giá trị nhận được từ phép

đo R(u) và giá trị thật của đại lượng cần đo R0); Tth - thời gian sử dụng tới hạn của hệ

thống; ε - đại lượng nhỏ nào đó cho trước; φ(u) - phiếm hàm đối với các chi phối cho

phép u  U bị hạn chế bởi giá trị M (đặc trưng cho kinh phí, mức độ phức tạp, khả

năng cung ứng vật tư và khả năng công nghệ chế tạo,...).

* có thể viết dưới dạng:

Với các chỉ tiêu Δ, M , Tth cho trước, tiêu chuẩn xác suất tối ưu về độ tin cậy phụ



* Ptu

thuộc vào sự lựa chọn yếu tố chi phối u = utư

const

, 

arg )(min uP Uu  

, MT th

   

(1.17)



* 

Và tiêu chuẩn độ chính xác - "tiêu chuẩn Δ", cũng có thể viết:

arg )(min u  Uu  const



, MT th

   

(1.18)

Nâng cao độ chính xác của hệ thống đo thông qua bài toán có biểu thức

toán học (1.16) ÷ (1.18) gọi là giải "bài toán tối ưu nâng cao độ chính xác". Theo

đó, bài toán đưa về:

- Tìm yếu tố chi phối tối ưu (các yếu tố chi phối lớn đến độ chính xác của hệ

thống mà việc giảm thiểu sai số theo nó có thể thực hiện được với yêu cầu không

vượt quá khả năng đáp ứng về kinh phí, mức độ phức tạp, khả năng bảm bảo kỹ thuật,

cung ứng vật tư và công nghệ chế tạo,...);

- Thực hiện tối ưu hóa hệ thống theo tiêu chuẩn về độ chính xác ứng với yếu tố chi

phối đã chọn cho từng khối của hệ thống và từng khâu của quá trình đo.

Nói cách khác, giải bài toán tối ưu nâng cao độ chính xác cho hệ thống đo

lường tương ứng với điều kiện (1.16) ÷ (1.18) sẽ dẫn tới phải giải quyết 3 vấn đề:

- Tối thiểu hóa sai số lý thuyết (đặc trưng bởi tính đúng đắn ở nguyên lý và

phương pháp đo được áp dụng, tính hợp lý của mô hình toán học mô tả vật lý đối

tượng và quá trình đo);

- Tối thiểu hóa sai số thuật toán (tính đến tính tương thích, tính hiệu quả và

tính hợp lý của thuật toán đối với yêu cầu của hệ thống);

- Tối thiểu hóa sai số thiết bị (đặc trưng bởi phẩm chất của công nghệ gia công

xử lý tín hiệu; chất lượng thiết kế cấu trúc hệ thống cũng như phẩm chất của công

nghệ chế tạo các phần tử cấu thành hệ thống,...).

Để giảm thiểu sai số, về cơ bản được thực hiện theo 3 giải pháp chính như sau:

- Loại bỏ nguyên nhân gây ra sai số trước khi đo;

- Loại trừ sai số trong quá trình đo;

- Giảm thiểu ảnh hưởng của sai số đến kết quả đo.

Với hai nhóm phương pháp cơ bản phổ biến (Hình 1.9):

- Tổng hợp tối ưu cấu trúc hệ thống (phương pháp cấu trúc);

- Xử lý tối ưu thông tin đo (phương pháp xử lý thông tin).

Hình 1.9. Phương pháp nâng cao độ chính xác đối với hệ thống đo lường.

Với mỗi phương pháp đều có những thuận lợi, khó khăn, phạm vi ứng dụng

và mức độ hiệu quả khác nhau. Trong đó, đối với hệ thống đo đơn kênh phương pháp

tổng hợp tối ưu cấu trúc là thích hợp nhất. Còn đối với các hệ thống đo đa kênh hoặc

đa tham số biến thiên ngẫu nhiên theo thời gian hay có thể thực hiện các phép đo lặp

thì áp dụng phương pháp xử lý tối ưu thông tin đo dựa trên việc phân tích thống kê

nhiều chiều hay xử lý tương quan thông tin đo là phù hợp hơn cả. Khi đó, bài toán tối

ưu nâng cao độ chính xác sẽ hướng tới đưa hệ thống đo về dạng bộ lọc hay bộ xử lý

tương quan nhiều chiều.

Trên thực tế, LA-FSM đã là một hệ thống đo lường. Vì vậy, việc nghiên cứu

giải pháp nâng cao độ chính xác cho LA-FSM thực chất là nghiên cứu áp dụng bài

toán tối ưu nâng cao độ chính xác đã được nêu ra ở trên.

Căn cứ vào nguyên lý xây dựng hệ thống và kết quả phân tích trên, bài toán

tối ưu nâng cao độ chính xác cho LA-FSM có thể xác định như sau:

- Yếu tố chi phối tối ưu khi này được chọn là các dao động ký sinh kiểu con

lắc, kiểu bồng bềnh và moment ký sinh do sự cong đòn bẩy;

- Thực hiện tối ưu hóa theo tiêu chuẩn về độ chính xác thông qua giảm thiểu

ảnh hưởng của các loại dao động và moment ký sinh đến độ chính xác của hệ thống

và được thực hiện trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy.

Về giải pháp:

- Để tối thiểu hóa sai số lý thuyết, cần thiết phải phân tích, xây dựng mô hình

toán học đầy đủ hơn mô tả vật lý phép đo và quá trình đo, trong đó ảnh hưởng của

các dao động và moment ký sinh đến độ chính xác của LA-FSM được thể hiện dưới

dạng nhiễu của tín hiệu trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy;

- Để tối thiểu hóa sai số thuật toán, cần phải lựa chọn và xây dựng giải pháp

xử lý tín hiệu bằng áp dụng thuật toán lọc nhiễu phù hợp với mô hình kênh điều khiển

cân bằng đòn bẩy và đặc tính của nhiễu;

- Để tối thiểu hóa sai số thiết bị, cần hướng tới giảm thiểu sai số xác định trạng thái

cân bằng hay phương sai của tín hiệu kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy.

Về phương pháp thực hiện:

- Đối với phương pháp cấu trúc: Kế thừa các giải pháp cơ khí và điện tử (điều

khiển gia tải,…) của các công trình trước đó;

- Đối với phương pháp xử lý thông tin: Xây dựng giải pháp xử lý tín hiệu kênh

điều khiển cân bằng đòn bẩy dưới dạng thuật toán lọc phù hợp với mô hình kênh và

đặc tính của nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh.

1.2.2. Tình hình nghiên cứu có liên quan

 Tình hình nghiên cứu trên thế giới:

Trong thời gian qua, đặc biệt là khoảng 20 năm gần đây các nhà khoa học trên

thế giới đã có nhiều nỗ lực trong nghiên cứu bằng thực hiện hàng loạt công trình với

những hướng nghiên cứu khác nhau và đã thu được nhiều kết quả đáng khích lệ, làm cơ

sở khoa học và thực tiễn cho những nghiên cứu tiếp theo. Các công trình nghiên cứu điển

hình theo định hướng trên là:

 Các nghiên cứu về sự dao động và giải pháp giảm thiểu:

- Công trình [25] do Dae-Im Kang, Byoung-Duk Lim thực hiện năm 1996. Trên

cơ sở hiệu chuẩn một hệ Build-up bằng một DW-FSM, công trình đã khảo sát và phân

tích các thành phần tín hiệu dao động từ các đầu dò lực trong hệ Build-up liên quan

đến chuyển động của tải trọng. Theo đó, DW-FSM có một dao động có chu kỳ với tần

số khoảng 0,23 Hz và (0,8 ÷ 1,5) Hz, trong đó các thành phần 0,23 Hz đến từ chuyển

động con lắc của tải trọng và (0,8 ÷ 1,5) Hz đến từ các dao động bồng bềnh của tải

trọng. Từ kết quả này, nhóm nghiên cứu đã đề xuất xác định thời gian trung bình tối

ưu cho tín hiệu đầu ra của các đầu dò lực trong một hệ Build-up. Khi chiều dài cửa sổ

quan trắc được thiết lập bằng chu kỳ dao động của tải trọng thì sai số do dao động của

tải trọng sẽ giảm đi, qua đó hiệu chuẩn hệ Build-up được chính xác hơn.

- Công trình [81] do Yon-Kyu Park và Dae-Im Kang thực hiện năm 1999.

Công trình này đi sâu nghiên cứu nhằm mô tả sắc thái động của DW-FSM tại KRISS.

Bằng việc sử dụng một hệ Build-up lắp vào một DW-FSM, tín hiệu từ đầu dò lực

trong hệ Build-up được phân tách, bao gồm một thành phần ‘DC’ và các thành phần

‘AC’. Kết quả cho thấy, tần số dao động khoảng (0,19 ÷ 0,23) Hz được gán cho

chuyển động kiểu con lắc và (0,67 ÷ 1,42) Hz là dao động kiểu bồng bềnh. Các tần

số sẽ giảm dần khi trọng tải được tăng lên. Giải pháp đề xuất tính trung bình theo thời

gian để giảm các thành phần xoay chiều. Tuy nhiên, thời gian tính trung bình luôn

phải điều chỉnh lại theo điều kiện tải trọng, do đó rất cần phương pháp khác để giảm các

thành phần xoay chiều hiệu quả hơn. Một giải pháp đã được giới thiệu là sử dụng một bộ

lọc thông thấp có đáp ứng xung vô hạn (IIR), sẽ làm giảm các thành phần dao động cho

tất cả các điều kiện tải. Kết quả thu được khi sử dụng bộ lọc IIR đã cho sự cải thiện hơn.

- Công trình [82] do Yon-Kyu Park and Dae-Im Kang thực hiện năm 2000.

Công trình tiếp tục đi sâu khảo sát sự chuyển động kiểu con lắc của tải trọng cả về

mặt tần số và quỹ đạo chuyển động của nó. Bằng một hệ Build-up được đặt vào một

DW-FSM 100 kN tại KRISS, các tín hiệu từ các đầu dò lực có các thành phần dao

động phản ánh sắc thái động của DW-FSM với tần số thành phần khoảng 0,28 Hz.

Đây là thành phần liên quan mạnh đến chuyển động con lắc của tải trọng. Từ việc

khảo sát và mô tả sắc thái động với những tải trọng cụ thể cả về tần số dao động cũng

như quỹ đạo của chuyển động con lắc, một phương pháp xử lý tín hiệu được thiết kế

để ước lượng trạng thái động của các tải trọng, và một sự thay đổi của DW-FSM được

thiết kế để giảm chuyển động con lắc này.

- Công trình [83] do Yon-Kyu Park, Dae-Im Kang, Rolf Kumme and Amritlal

Sawla thực hiện năm 2001. Với công trình này, nhóm tác giả tiếp tục nghiên cứu khảo

sát sâu hơn về trạng thái động của DW-FSM. Theo đó, các tần số của chuyển động

con lắc được ước tính và cho thấy tần số dao động phụ thuộc cả vào mức tải và chiều

cao tâm khối của phần tải trọng. Chuyển động elip theo thời gian được bảo tồn trong

một dải hẹp cho tất cả các tải. Nhìn chung, độ không đảm bảo đo tương đối sẽ giảm

khi tải tăng lên.

- Công trình [84] do Yon-Kyu Park, Dae-Im Kang, Jong-Ho Kim and Min-

Seok Kim thực hiện năm 2009. Nhóm nghiên cứu tiếp tục khảo sát các thành phần

dao động gắn với chuyển động con lắc của tải trọng trong tín hiệu đo lực bằng sử

dụng một hệ Build-up. Trong công trình này, thuật toán ước lượng được kiểm chứng

bằng cách so sánh với quỹ đạo đo trực tiếp thông qua việc phân tích một DW-FSM

500 kN tại KRISS, và đã đề xuất giải pháp giảm các hiệu ứng chuyển động con lắc

bằng cách kiểm soát chính xác tốc độ ra tải. Kết quả là việc sửa đổi đã giảm đáng kể

mức dao động của DW-FSM.

Có thể thấy rằng, các công trình này đã đi sâu khảo sát và đo đạc về thuộc tính

động, đưa ra số liệu định lượng cụ thể về sự dao động và sự trôi, sự không tuyến tính

và cũng từ đó đưa ra những giải pháp giảm thiểu sai số và các khuyến cáo cần đặc

biệt quan tâm đến các yếu tố này. Tuy vậy, các yếu tố được phân tách và xem xét một

cách riêng rẽ trong khi ảnh hưởng của chúng là kết quả xếp chồng của tất cả các yếu

tố, do vậy các kết quả đưa ra chỉ là gần đúng. Các đề xuất về giải pháp tính thời gian

trung bình hay sử dụng bộ lọc số IIR để giảm thiểu ảnh hưởng của dao động ký sinh

chỉ mới áp dụng cho DW-FSM, chưa áp dụng cho LA-FSM, tức là chưa thực hiện

cho kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy mà trong đó có quá trình chuyển đổi lực -

moment - tín hiệu điện - lực. Các nghiên cứu này đều đưa ra khuyến nghị cần thiết

phải có những nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố ảnh hưởng này và đưa ra giải pháp

hiệu quả hơn.

 Các nghiên cứu cải tiến tối ưu hoá hệ thống, bù khử các moment ký sinh:

- Công trình [56] do G. Navrozidis, F. Strehle, D. Schwind and H. Gassmann

thực hiện năm 2001. Trên cơ sở đánh giá đặc tính của LA-FSM 110 kN/1.1 MN mới

của EIM (Hy Lạp) do GTM (Đức) sản suất dựa trên bản lề đàn hồi, các khảo sát có

tính hệ thống về ảnh hưởng của moment ký sinh đến hệ khuếch đại đòn bẩy đã được

thực hiện. LA-FSM này cũng là kiểu FSM “2 trong 1” với DW-FSM có dải lực tới

110 kN và LA-FSM có dải lực tới 1,1 MN với tỷ số đòn bẩy 10:1. Kết quả khảo sát

đã khẳng định khả năng của việc sử dụng gối điện tử kiểm soát độ biến dạng so với

dao - gối truyền thống trong việc bù khử và xử lý các lực và moment ký sinh tại

khớp nối tải trọng - cánh tay đòn, khớp nối cánh tay đòn - hệ truyền lực đòn bẩy.

- Công trình [50] do Lim Chi Kah, Bernd Glöckner and Thomas Allgeier thực

hiện năm 2003. Theo đó, một phát triển mới về tính năng và thuộc tính đo lường cho

một LA-FSM 55 kN/2,2 MN được thiết lập gần đây tại SPRING (Singapore). Trong

đó, lần đầu tiên một FSM kiểu “2 trong 1” ở dải lực này sử dụng một hệ thống điều

khiển số hoàn toàn, với những cải tiến mới:

+ Hệ khuếch đại đòn bẩy, ổ đỡ và khớp nối: Để LA-FSM đạt được độ lặp lại

cao với tỷ lệ khuếch đại 40:1, cánh tay đòn bẩy được làm từ một thanh thép nguyên

khối, đảm bảo tính đồng nhất và dẫn đến tỷ lệ khuếch đại ổn định cao. Để đạt độ phân

giải cao hơn cho mạch điều khiển biến dạng, các tem biến dạng được sử dụng có điện

trở 5000 Ω cho phép dùng nguồn điện áp cao hơn. Khớp nối tải trọng cũng được thiết

kế với bản lề đàn hồi có kiểm soát biến dạng, và để giảm moment uốn tối đa, ổ đỡ

dao - gối giữa bản lề và khung tải cũng được hợp nhất.

+ Hệ tạo lực tải trọng: Hệ thống điều khiển nâng hạ quả tải đã được cải tiến

để nâng và hạ các quả tải bất kỳ. Việc điều khiển nâng hạ quả tải được thực hiện bởi

lệnh của người vận hành.

+ Hệ truyền lực đòn bẩy: Hệ truyền lực đòn bẩy được thiết kế cứng và nặng

hơn, được điều khiển bằng một động cơ servo với hệ giảm tốc đa cấp. Một lực bất kỳ

được tạo ra ở hệ truyền lực đòn bẩy (kéo hoặc nén) sẽ được điều khiển theo các tín

hiệu lấy từ các ổ đỡ và khớp nối đòn bẩy. Vị trí của bàn trượt được điều chỉnh cho

đến khi không có moment trong hệ khuếch đại đòn bẩy.

+ Hệ thống điều khiển số: Việc điều khiển đã được số hóa hoàn toàn. Theo đó,

tín hiệu từ các cảm biến của ổ đỡ đòn bẩy được số hóa bởi một bộ khuếch đại đo

lường, đưa các giá trị số tới máy tính điều khiển. Quá trình điều khiển được thực hiện

bằng phần mềm để điều khiển động cơ điện qua bộ điều khiển servo.

Kết quả cũng chỉ ra rằng, giải pháp mới này có thể mở rộng giới hạn của LA-

FSM so với giới hạn đã có trước đó. Điều này đạt được bao gồm các giải pháp về cơ khí,

điện tử kết hợp phần mềm. Và chỉ có một giải pháp tổng thể có tính đến tất cả các khía

cạnh của thông số đo lường mới có thể mang lại hiệu quả thực sự.

- Công trình [51] do Chi Kah Lim, Bernd Glöckner, Thomas Allgeier thực

hiện năm 2004 dựa trên LA-FSM 55 kN/2,2 MN sử dụng gối điện tử điều khiển

theo độ biến dạng (Singapore). Từ khảo sát giám sát sự trôi dạt theo thời gian, chỉ

ra rằng việc điều chỉnh cơ học và điện tử là cần thiết để đảm bảo tỷ lệ khuếch đại

chính xác và tuyến tính trong dải tải, và cần phải có một thiết kế cho phép thực

hiện điều chỉnh một cách nhanh chóng và chính xác. Công trình cũng khuyến cáo

rằng, cần tập trung xác định nguyên nhân của các biến động và khả năng giảm

chúng, hướng tới giảm số lần điều chỉnh này. Công trình cho rằng LA-FSM đã đạt

công suất trên 2 MN với tỷ số đòn bẩy là 40:1, độ không đảm bảo đo 1×10-4 và có

thể đạt được với tỷ lệ 200:1, khi mà duy trì liên tục trong thời gian dài.

- Công trình [37] do S. K. Jain, S. S. K. Titus, Falk Tegtmeier, Norbert Tetzlaff

and Daniel Schwind thực hiện năm 2012. Theo đó, một LA-FSM 100 kN/1 MN được

phát triển bởi GTM (Đức) với một số tính năng được tối ưu hoá hoặc thiết kế mới,

dẫn đến độ không đảm bảo đo thấp, bao gồm:

+ Tăng độ cứng cho khung máy phần tải trọng và phần đòn bẩy.

+ Phát triển thêm các quả tải để khử bỏ sự méo dạng bất đối xứng, giảm sai

lệch của việc ghép tải, cải thiện sự thay đổi mịn tải và giảm chuyển động phụ.

+ Thiết kế đòn bẩy có độ cứng, độ ổn định tỷ số khuếch đại đòn bẩy cao

hơn và được bao kín để giảm ảnh hưởng môi trường xung quanh.

+ Bộ tải trọng bao gồm 26 quả tải có giá trị khác nhau được dùng để điều

chỉnh đến giá trị 'g' địa phương và mật độ không khí có độ không đảm bảo đo

5×10-6 (k = 2).

+ Thiết kế lại quang treo quả tải (bốn cột) để có điểm cân bằng nằm thấp

hơn và để thuận tiện cho lắp đặt buồng ổn nhiệt.

Với những thay đổi này LA-FSM 100 kN/1 MN mới có độ không đảm bảo

đo thấp hơn so với LA-FSM cũ của NPL trong cùng dải đo.

- Công trình [47] và [48] do Ulrich Kolwinski, Daniel Schwind thực hiện

năm 2012 và 2014. Các công trình này tập trung mô tả hiệu năng của một LA-

FSM với một phương pháp mới để tự động bù sự cong cánh tay đòn để giữ tỷ lệ

khuếch đại không đổi. Theo đó, một LA-FSM 100 kN/1 MN với tỷ lệ đòn bẩy 10:1

sử dụng các gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng, được thiết kế như [37] và

có thêm một phát triển mới: bù sự cong đòn bẩy do tải với gối điện tử kiểm soát

lực dọc trục tải đòn bẩy. Việc bù sự cong đòn bẩy do tải được thực hiện bằng việc

đưa vào một lượng hiệu chỉnh được mô tả bằng một hàm đa thức (nhưng đến nay

vẫn chưa công bố tường minh), qua đó làm giảm độ không đảm bảo đo đo của LA-

FSM xuống cỡ 9×10-5 ở bên khuếch đại đòn bẩy.

Với loạt công trình nghiên cứu cải tiến tối ưu hoá hệ thống, bù khử các

moment ký sinh và sự cong đòn bẩy đã thể hiện các bước phát triển liên tục. Những

kết quả đạt được từ các công trình này là rất tích cực, đã từng bước nâng cao đáng

kể độ chính xác của LA-FSM và là cơ sở nền tảng cho những nghiên cứu tiếp theo,

và càng khẳng định vai trò của gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng trong bài

toán nâng cao độ chính xác cho LA-FSM.

 Tình hình nghiên cứu có liên quan ở trong nước:

Đối với nước ta, hệ thống chuẩn lực còn rất thiếu và có nhiều hạn chế cả về

dải giá trị lực thể hiện và độ chính xác. Đặc biệt là các chuẩn quốc gia thuộc lớp

chuẩn đầu/chuẩn thứ. Vì vậy, để đáp ứng yêu cầu của sự nghiệp công nghiệp hoá

đất nước và phát triển kinh tế - xã hội, đảm bảo sự hội nhập của đất nước trong

thương mại quốc tế thì việc nghiên cứu mở rộng dải thể hiện lực chuẩn và nâng

cao độ chính xác của các chuẩn đầu/chuẩn thứ càng trở nên cấp thiết nhằm hướng

tới sự tương đồng về trình độ chuẩn, đảm bảo sự thừa nhận lẫn nhau.

Trong những năm qua, việc nghiên cứu về FSM ở nước ta mới chỉ được

thực hiện tại VMI thông qua các đề tài nghiên cứu khoa học [5], [8]. Năm 2013,

để góp phần khắc phục sự thiếu hụt về năng lực chuẩn đo lường lực, với phương

châm đi thẳng vào công nghệ mới, Việt nam đã đầu tư một LA-FSM 100 kN/1 MN

kiểu “2 trong 1” thuộc lớp chuẩn đầu/chuẩn thứ tại VMI, trong đó phần DW-FSM có

dải tới 100 kN với độ không đảm bảo đo đạt 2×10-5 và phần LA-FSM có dải tới 1

MN với độ không đảm bảo đo 1×10-4 [71]. Đây là loại FSM mới, lần đầu được nhập

khẩu từ nước ngoài, nên tài liệu kỹ thuật rất hạn chế. Việc nghiên cứu để khai thác

tốt và tiến tới làm chủ về kỹ thuật và công nghệ đối với chuẩn này đang đặt ra cấp

bách. Trong thời gian qua, các nghiên cứu có liên quan chủ yếu gắn với mục đích đưa

thiết bị chuẩn này vào khai thác và sử dụng trong sơ đồ sao truyền chuẩn lực quốc

gia [7 - 10], và đang rất cần có những nghiên cứu sâu hơn, hướng tới những cải tiến

nhằm nâng cao năng lực của chuẩn này.

Từ những phân tích trên, có thể khái quát hóa giải pháp và kết quả chính

của các công trình nghiên cứu trên như ở Bảng 1.1.

Bảng 1.1 - Giải pháp và kết quả chính của các công trình nghiên cứu.

Công Giải pháp chính đối với nhiễu dao Kết quả chính trình/năm động và moment ký sinh Ở nước ngoài:

Xác nhận về dao động kiểu

Đo đạc và giải pháp tính trung bình con lắc và kiểu bồng bềnh. [25]/1996 theo thời gian tối ưu (bằng chu kỳ cơ Thời gian tính trung bình cho DW-FSM bản). luôn phải thay đổi theo tải

trọng.

Tách tín hiệu thành 2 phần: DC và AC. Như [25] + xác nhận tần số [81]/1999 Tính trung bình theo thời gian tối ưu giảm dần khi tăng tải. Có thể cho DW-FSM (bằng chu kỳ cơ bản) đối với AC và sử dùng IIR để lọc nhiễu. dụng thêm bộ lọc IIR.

Đo đạc và phân tích sắc thái động theo Mô tả thực nghiệm sắc thái [82]/2000 quỹ đạo động. Ước lượng trạng thái động liên quan đến chuyển cho DW-FSM động. động kiểu con lắc.

Đo đạc và phân tích sắc thái động theo [83]/2001 Như [82] + xác nhận tác quỹ đạo động có tính đến độ cao tâm cho DW-FSM động của độ cao tâm khối. khối. Ước lượng trạng thái động.

Tiếp tục đo và phân tích sắc thái động

[84]/2009 theo quỹ đạo động có tính đến độ cao Đánh giá kết quả tốt hơn

cho DW-FSM tâm khối và tính thêm tốc độ gia tải. [83].

Ước lượng trạng thái động.

Khảo sát có tính hệ thống về ảnh Kết luận về khả năng kiểm [56]/2001 hưởng của các moment ký sinh tại các soát và bù khử các moment cho LA-FSM khớp nối. ký sinh.

Thiết kế cơ khí cứng và nặng hơn. [50]/2003 Cải tiến một cách cơ bản và Cánh tay đòn bằng thép nguyên khối. cho LA-FSM tổng thể về cơ khí và điện tử. Tăng độ nhạy bằng tăng điện trở tem

Công Giải pháp chính đối với nhiễu dao Kết quả chính trình/năm động và moment ký sinh

biến dạng. Cải tiến phương pháp gia

tải. Sử dụng máy tính và điều khiển

mềm.

Như [50] + Tính thêm độ trôi dạt và [51]/2004 điều chỉnh bằng các hệ số độc lập theo Khá phức tạp, độ chính xác cỡ 1×10-4. Khuyến cáo cần cho LA-FSM từng tham số. chú ý đến tính biến động.

Tăng tính tối ưu so với [50] + Tăng độ

cứng cho khung và đòn bẩy. Thêm tải Cải tiến về cơ khí và hiệu [37]/2012 bù sự mất đối xứng, bao kín đòn bẩy chỉnh gần đúng cho độ chính cho LA-FSM với môi trường. Hiệu chỉnh bù gia tốc xác tốt hơn. trọng trường và mật độ không khí. Hạ

thấp quả tải, giảm chuyển động phụ.

Bù cong đòn bẩy bằng [47]/2012 Như [37] + Tính thêm sự cong đòn bẩy lượng hiệu chỉnh dạng đa [48]/2014 do tải bằng hệ số điều chỉnh dạng đa

cho LA-FSM thức dược kiểm soát theo lực dọc trục. thức để nâng cao độ chính xác đến 9×10-5.

Ở trong nước

Chủ yếu để khai thác vận hành LA- Các nghiên cứu Tìm hiểu, khai thác vận FSM 1 MN tại Khu Công nghệ cao liên quan. hành tốt. Hòa Lạc.

Như vậy, tổng quan về tình hình nghiên cứu có liên quan như trên cho thấy

rằng, các nghiên cứu gần đây đều hướng đến nâng cao độ chính xác của LA-FSM.

Tuỳ theo hướng nghiên cứu, các công trình này hoặc đã có những phát hiện mới hay

đưa những khuyến cáo cụ thể, hoặc đã đưa ra được bộ số liệu rất quan trọng hay một

số giải pháp tốt để giảm thiểu ảnh hưởng của dao động và moment ký sinh trong việc

xác định trạng thái cân bằng đòn bẩy, là cơ sở khoa học và thực tiễn cho những nghiên

cứu tiếp theo về vấn đề này.

1.2.3. Hướng nghiên cứu của luận án

Từ bài toán tối ưu nâng cao độ chính xác cho LA-FSM được xác định như mục

1.2.1, đồng thời để đảm bảo khả năng ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn,

luận án hướng tới giải quyết bài toán nâng cao độ chính xác cho LA-FSM với các

điều kiện cụ thể sau:

- LA-FSM có hệ khuếch đại đòn bẩy sử dụng 3 gối điện tử điều khiển theo độ

biến dạng (kiểu LA-FSM 1 MN của VMI hiện nay đang đặt tại Khu Công nghệ cao

Hòa Lạc);

- Tín hiệu của từng gối điện tử đã được gia công đưa về dạng số với các tham

số và số liệu thiết kế tường minh.

Khi này, nhiệm vụ đặt ra cho luận án được xác định là:

- Phân tích, xây dựng mô hình toán học đầy đủ hơn mô tả vật lý phép đo và quá

trình đo, trong đó có nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh, từ đó đánh

giá ảnh hưởng của nhiễu dao động ký sinh đến độ chính xác của LA-FSM và khả năng

giảm thiểu;

- Thực hiện giải pháp xử lý tín hiệu dùng cho xác định và thiết lập trạng thái

cân bằng trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM bằng phương pháp

xử lý thông tin đo thông qua thuật toán lọc phù hợp, đảm bảo giảm thiểu ảnh hưởng

của các dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh (có tính đến sự cong đòn bẩy do

tác động của tải).

Đây được coi là yêu cầu khoa học và thực tiễn đối với luận án. Và để giải quyết

hai nhiệm vụ này, giải pháp thực hiện được xác định là:

- Phân tích toán học về sự hình thành của các dao động và moment ký sinh,

xác lập mô hình toán học cho tín hiệu và nhiễu trong kênh điều khiển cân bằng đòn

bẩy làm cơ sở cho các phân tích đặc tính của nhiễu và đánh giá mức độ tác động của

nhiễu đến độ chính xác của hệ thống bằng mô phỏng. Nghiên cứu khả năng giảm

thiểu ảnh hưởng của các dao động kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh đến độ chính xác

của hệ thống bằng phương pháp xử lý thông tin đo của tín hiệu trong kênh điều khiển

cân bằng đòn bẩy.

Khâu luận án tác động

Gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng

Khâu luận án tác động

KBDCB

BĐĐL

XL-CT

10 : 1

ĐKĐC

ĐCCB

KĐ

BTĐB

ΔF2

Hệ tạo lực điều chỉnh cân bằng đòn bẩy

FN Hệ tạo lực tải trọng

Hệ khuếch đại đòn bẩy

Hình 1.10. Mô hình hệ thống của LA-FSM và khâu được luận án tác động.

Hình 1.11. Mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy

của LA-FSM mà luận án nghiên cứu.

- Coi các dao động ký sinh là các nhiễu lực và coi thành phần tín hiệu điện do

các dao động ký sinh này có trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy là thành phần

nhiễu tín hiệu điện, từ đó tiến hành xây dựng thuật toán lọc các nhiễu này đối với tín

hiệu điện dùng cho xác định và thiết lập trạng thái cân bằng đòn bẩy sao cho phù hợp

với mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy và phù hợp với đặc tính của nhiễu.

Nói cách khác, giải pháp mà luận án hướng đến là xây dựng thuật toán lọc bảo

đảm nâng cao hiệu quả xử lý đối với các thành phần nhiễu do dao động ký sinh kiểu

con lắc và kiểu bồng bềnh có trong LA-FSM.

Khi này, các khâu được luận án tác động trên mô hình hệ thống của LA-FSM

có thể mô tả như trên Hình 1.10 và khâu luận án tác động trên sơ đồ mô hình kênh

điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM có thể biểu diễn như trên Hình 1.11.

1.3. Kết luận Chương 1

Kết quả nghiên cứu tổng quan về chuẩn đo lường lực LA-FSM và tình hình

nghiên cứu có liên quan cho phép rút ra kết luận như sau:

1) Nghiên cứu nâng cao độ chính xác đối với LA-FSM vẫn luôn là vấn đề

cần thiết, rất được quan tâm của khoa học đo lường trong lĩnh vực đo lực và là nhu

cầu cấp thiết cho hội nhập quốc tế của khoa học đo lường Việt Nam.

2) Độ chính xác của LA-FSM chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau,

trong đó các dao động và moment ký sinh có mức ảnh hưởng lớn. Việc nâng cao độ

chính xác cho LA-FSM đã được thực hiện bằng nhiều giải pháp kết hợp cả cơ khí và

điện tử, tuy vậy vấn đề giảm thiểu ảnh hưởng của các dao động và moment ký sinh

chưa được giải quyết hiệu quả.

3) Để nâng cao độ chính xác cho LA-FSM thông qua giảm thiểu ảnh hưởng

của các dao động và moment ký sinh, luận án đề xuất thực hiện 2 giải pháp:

- Phân tích, 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.

- Xây dựng giải pháp xử lý tín hiệu cho kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy

bằng áp dụng thuật toán lọc nhiễu phù hợp mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn

bẩy và đặc tính của nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh.

Chương 2

XÁC LẬP MÔ HÌNH KÊNH ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ĐÒN BẨY VÀ

MÔ HÌNH NHIỄU DAO ĐỘNG KÝ SINH TRONG LA-FSM

2.1. Sự cần thiết và yêu cầu xác lập mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy

và nhiễu dao động ký sinh trong LA-FSM

Từ Chương 1, bài toán tối ưu nâng cao độ chính xác cho LA-FSM đã

được xác định:

- Phân tích, đánh giá ảnh hưởng của các loại dao động ký sinh đến độ chính

xác của hệ thống và khả năng giảm thiểu;

- Xây dựng giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng của các dao động kiểu con lắc và

kiểu bồng bềnh bằng phương pháp xử lý tối ưu thông tin đo đối với tín hiệu trong

kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM.

Theo lý thuyết xử lý tín hiệu, cả hai vấn đề trên có thể được thực hiện dễ dàng

khi biết mô hình động học của kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM, trong

đó có mô hình tín hiệu và nhiễu. Vì vậy, việc xây dựng mô hình kênh điều khiển cân

bằng đòn bẩy, trong đó có mô hình các tín hiệu và nhiễu, là một trong những nội dung

cơ bản khi nghiên cứu xây dựng các giải pháp nâng cao độ chính xác của LA-FSM.

Tuy vậy, cho đến nay vẫn chưa có công trình nghiên cứu nào về mô hình động

học mô tả quá trình vật lý diễn ra trong hệ khuếch đại đòn bẩy của LA-FSM. Điều này

trước hết xuất phát từ khó khăn trong việc kiểm soát các tham số có liên quan trong hệ

thống bằng phương pháp vật lý thông thường, ngoài ra còn do khó khăn trong phối hợp

giữa khoa học liên ngành về cơ học và điện tử khi diễn giải quá trình vật lý diễn ra

trong hệ khuếch đại đòn bẩy của LA-FSM. Do vậy, việc xác lập mô hình động học cho

kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM trong bài toán nâng cao độ chính xác

mà trong đó có mô hình tín hiệu và nhiễu là rất cần thiết.

Để thực hiện điều này, một trong những phương án phù hợp hơn cả là trực tiếp

phân tích và mô hình hóa bằng toán học các quá trình biến đổi trong hệ thống. Theo

đó, cần thiết phải thực hiện các bước sau:

1) Trước hết, thiết lập mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của

LA-FSM đảm bảo mô tả đầy đủ và tin cậy về sơ đồ cấu trúc vật lý, diễn giải tường

minh bằng toán học về phương pháp tạo lực chuẩn và gia công tín hiệu điều khiển

cân bằng đòn bẩy.

2) Tiến hành phân tích và mô hình hóa bằng toán học một cách đầy đủ hơn,

cho phép mô tả vật lý phép đo và quá trình đo diễn ra trong hệ thống, đặc biệt là quá

trình biến đổi “lực → moment → tín hiệu điện → lực” trong kênh điều khiển cân bằng

đòn bẩy mà trong đó các gối đỡ - khớp nối sử dụng ba gối điện tử điều khiển theo độ

biến dạng. Điều này thực chất là xây dựng mô hình động học của các quá trình diễn

ra trong hệ khuếch đại đòn bẩy theo các phương trình lực, moment và tín hiệu điện,

trong đó có dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh.

3) Trên cơ sở mô hình toán học xác lập được, tiến hành phân tích đặc tính cơ

bản và đánh giá ảnh hưởng của nhiễu dao động ký sinh đến độ chính xác của LA-

FSM bằng phương pháp mô phỏng. Khi này, hệ thống và nhiễu dao động ký sinh

được xem xét một cách toàn diện trong trạng thái động với tác động đồng thời của

nhiều yếu tố.

Đây cũng là ba nội dung được đi sâu nghiên cứu và được lần lượt trình bày ở

các phần tiếp theo trong chương này.

2.2. Thiết lập mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM

Xét LA-FSM được xây dựng với mô hình hệ thống có dạng như Hình 2.1.

Theo đó, hệ khuếch đại đòn bẩy có sử dụng ba gối điện tử điều khiển theo độ biến

dạng mà tín hiệu điện của nó được lấy để kiểm soát và điều khiển trạng thái cân bằng

đòn bẩy. Trong đó, H1 là bản lề đàn hồi điện tử dùng cho khớp nối giữa hệ tạo lực tải

trọng - hệ khuếch đại đòn bẩy, H2 là bản lề đàn hồi điện tử dùng cho khớp nối giữa

hệ khuếch đại đòn bẩy - hệ truyền lực đòn bẩy và H3 là bản lề đàn hồi điện tử dùng

cho gối tựa hệ khuếch đại đòn bẩy. Các tín hiệu điện từ các bản lề điện tử phản ánh

trạng thái cân bằng của đòn bẩy được xử lý và gia công để đảm bảo cho xác định và

xác lập vị trí cân bằng đòn bẩy.

Với thiết kế này mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM sẽ

quy định bài toán nâng cao độ chính xác của LA-FSM (đặt bài toán). Theo đó, bài

toán nâng cao độ chính xác cho LA-FSM trong trường hợp này thực chất là bài toán

giảm thiểu sai số trong quá trình đo, trong đó hướng tới đảm bảo xác định với độ

chính xác cao nhất có thể đối với vị trí cân bằng của đòn bẩy và lực điều chỉnh dùng

để thiết lập trạng thái cân bằng đòn bẩy.

Hình 2.1. LA-FSM sử dụng ba gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng.

Theo định hướng nghiên cứu được rút ra ở Chương 1, mục tiêu này đạt được

khi thực hiện 2 yêu cầu:

- Giảm thiểu phương sai xác lập trạng thái cân bằng đòn bẩy do tác động

của nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh;

- Giảm thiểu sai lệch của tín hiệu điều khiển tạo lực điều chỉnh có tính đến

nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh.

Để thực hiện đồng thời cả hai yêu cầu trên, kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy

của LA-FSM sử dụng ba gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng cần được thiết kế

và biểu diễn dưới dạng sơ đồ mô tả các quá trình biến đổi lực - moment - tín hiệu điện

- lực trong kênh điều khiển để xác lập trạng thái cân bằng đòn bẩy như trên Hình 2.2

và Hình 2.3.

Theo đó, sơ đồ sẽ diễn giải các phương pháp gia công xử lý tín hiệu và phương

pháp xử lý thông tin đo để đưa ra tín hiệu điều chỉnh Uđc nhằm tạo ra lực điều chỉnh

xác lập trạng thái cân bằng đòn bẩy cũng như xác nhận trạng thái cân bằng đòn bẩy

ΔFN

10 : 1

PC Xử lý thông tin đo - Xác định trạng thái cân bằng và chỉ thị kết quả

BĐĐL Khuếch đại - gia công xử lý số tín hiệu

KBDCB

XL-CT I/O Chỉ thị kênh (trạng thái cân bằng)

Uđc

∆F2

BTĐB

ĐKĐC

ĐCCB

Hệ tạo lực điều chỉnh cân bằng đòn bẩy (HTLĐC)

KBDCB - kênh biến dạng cân bằng, BĐĐL - khối biến đổi đo lường, XLCT - khối xử lý và chỉ thị

kênh, ĐKĐC - bộ điều khiển động cơ, ĐCCB - động cơ cân bằng, BTĐB - bàn trượt đòn bẩy

và biểu diễn giá trị lực chuẩn trên đầu ra của LA-FSM.

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.

Ở đây: F1 - lực tạo ra bởi hệ tạo lực tải trọng;

ΔFN - nhiễu lực hình thành và tác động tại hệ tạo lực tải trọng;

F2 - lực tạo ra từ (F1 + ΔFN) thông qua hệ khuếch đại đòn bẩy (thành phần cơ

bản của lực chuẩn);

ΔF2 - lực bổ sung để thiết lập sự cân bằng đòn bẩy sao cho khi cộng với F2 cho

ra lực chuẩn đạt tới giá trị thiết lập (GTTL) với một độ chính xác cần thiết theo yêu cầu;

Ma - moment uốn tại H1 phản ánh sự biến đổi từ lực → moment của quá trình

truyền lực từ hệ tạo lực tải trọng đến hệ khuếch đại đòn bẩy, mang thông tin về tình

trạng của trạng thái cân bằng đòn bẩy ứng với GTTL;

Mb - moment uốn tại H2 phản ánh sự biến đổi từ lực → moment của quá trình

truyền lực từ hệ khuếch đại đòn bẩy đến hệ truyền lực đòn bẩy (tạo lực chuẩn cung cấp

cho thiết bị cần hiệu chuẩn), mang thông tin về tình trạng của trạng thái cân bằng đòn bẩy

ứng với GTTL;

Mc - moment uốn tổng hợp tại H3 phản ánh trực tiếp về tình trạng của trạng

thái cân bằng đòn bẩy, được thể hiện dưới dạng moment do tác động của tổng hợp

lực từ hệ tạo lực tải trọng và hệ truyền lực đòn bẩy trong hệ khuếch đại đòn bẩy ứng

với GTTL;

u1 - tín hiệu điện lấy ra từ mạch cầu tem biến dạng tại bản lề đàn hồi điện tử

H1 trong KBDCB, mà trong trường hợp này các mạch cầu tem biến dạng được thiết

lập để sao cho có độ nhạy cảm tốt nhất đối với moment uốn tại H1;

u2 - tín hiệu điện lấy ra từ mạch cầu tem biến dạng tại bản lề đàn hồi điện tử

H2 trong KBDCB, mà trong trường hợp này các mạch cầu tem biến dạng được thiết

lập để sao cho có độ nhạy cảm tốt nhất đối với moment uốn tại H2;

u3 - tín hiệu điện lấy ra từ mạch cầu tem biến dạng tại bản lề đàn hồi điện tử

H3 trong KBDCB, và trong trường hợp này các mạch cầu tem biến dạng cũng được

thiết lập để sao cho có độ nhạy cảm tốt nhất đối với moment uốn tại H3;

Ui - thông tin số của tín hiệu điện ui từ các kênh Hi tương ứng sau khi đã được

khuếch đại - gia công xử lý số tín hiệu;

U⅀ - thông tin số về tín hiệu, được tổng hợp từ số liệu của các KBDCB theo

phương pháp xác định tương ứng với phương trình tổng hợp moment trong hệ khuếch

đại đòn bẩy, mang thông tin về trạng thái cân bằng đòn bẩy;

Uđc - 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 với độ chính xác cao nhất có thể.



Δ

Khi này, phương pháp tạo lực chuẩn sẽ là

2lc

F 2

(2.1)







Lực điều chỉnh dùng để xác lập sự cân bằng đòn bẩy được thiết lập sao cho

F 2

đc

* F đc 2

 đc

F 2

(2.2)

* 2đcF

đcF2

trong đó: và - giá trị hiện thời và giá trị tiền định của lực điều chỉnh xác

lập sự cân bằng đòn bẩy, K - hệ số chuyển đổi của HTLĐC.

Khi hệ đòn bẩy đạt đến trạng thái cân bằng, ta sẽ có được:







GTTL 

đc

(2.3)

2 - sai số tổng hợp trên đầu ra gắn với giá trị của lực chuẩn, được tính bằng

Ở đây,





N/2

với - thành phần sai lệch gây ra do nhiễu dao động ký sinh kiểu

K2 - thành phần sai lệch gây ra do các yếu tố khác.

ΔFN

F2lc = GTTL ± Δ2-XL

LỌC

XL-CT



I/O

Xử lý thông tin đo

U∑

Xác định trạng thái cân bằng đòn bẩy, đánh giá và chỉ thị kết quả

ΔF2

Uđc

HTLĐC

con lắc và kiểu bồng bềnh, và

Hình 2.3. Sơ đồ kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy

sử dụng phương pháp xử lý thông tin đo.

Khi sử dụng phương pháp xử lý thông tin đo ở dạng phép lọc đối với nhiễu dao



động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh có trong tín hiệu kênh điều khiển cân bằng

2  /2

2  2



đòn bẩy (Hình 2.3) thì sai số tổng hợp sau khi xử lý được giảm

thiểu hay hướng tới giá trị nhỏ hơn. Điều này có thể được đánh giá thông qua mức giảm

phương sai của thành phần sai số do nhiễu dao động ký sinh gây ra.

Theo đó, thiết lập sự cân bằng đòn bẩy của LA-FSM thực chất là thiết lập một mối

quan hệ đồng nhất và đơn trị giữa một giá trị lực chuẩn đầu ra hướng tới một GTTL với một

sai số được đánh giá là tối thiểu. Việc điều khiển đến trạng thái cân bằng đòn bẩy được thực

hiện bằng bổ sung một lực điều chỉnh được tổng hợp và tính toán theo các thông tin

đo nhận được từ các tín hiệu điện ứng với các moment tại hệ khuếch đại đòn bẩy

mang thông tin về trạng thái của đòn bẩy ứng với một GTTL cụ thể và mô hình nhiễu

F2lc = F2 + ΔF2đc ± Δ2-XL (2.4)

GTTL

Từ nguồn khác

Luận án hướng tới giảm thiểu

Từ nguồn sai số do nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh

đã được xác lập, sao cho:

Khi này, việc lọc nhiễu dao động ký sinh có trong tín hiệu kênh điều khiển cân

bằng đòn bẩy chính là giải pháp giảm thiểu phương sai của thành phần sai số do nhiễu

dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh mà luận án đã đặt ra và hướng tới

giải quyết trong bài toán nâng cao độ chính xác đối với LA-FSM. Do vậy, việc phân

tích và xác lập mô hình nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh là rất

cần thiết trước khi xây dựng thuật toán lọc nhiễu cho tín hiệu trong kênh điều khiển

cân bằng đòn bẩy như mô tả trên Hình 2.3.

2.3. Xác lập mô hình nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh

trong LA-FSM

2.3.1. Sự hình thành và mô hình nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc trong hệ tạo

lực tải trọng

Từ nguyên lý xây dựng LA-FSM, hệ tạo lực tải trọng có cấu trúc của hệ con

lắc đơn, do vậy nó cũng tuân theo các quy luật vật lý về hệ con lắc đơn (Hình 2.4).

Dựa vào lý thuyết con lắc đơn [52], ta có thể phân tích các quá trình vật lý diễn ra

trong hệ tạo lực tải trọng, trong đó có quá trình hình thành các nhiễu lực gây ra do

m B

dao động ký sinh.

Hình 2.4. Mô hình hệ tạo lực tải trọng ở dạng hệ con lắc đơn

Theo đó, phương trình năng lượng của hệ tạo lực tải trọng có thể được thiết



đ W 

lập dưới dạng:

(2.5)

trong đó:

mgh

 l

cos ) 

W t 

(2.6) với

W đ 

2mv 2

(2.7)

Do đó, cơ năng viết ở dạng tổng quát sẽ là:

mgl

cos

mgl

cos

)





) 











mv 2

(2.8)

ở đây: l - độ dài quang treo - tâm khối tải trọng tương ứng với chiều dài con lắc;

α và α0 - góc lệch tại vị trí bất kỳ (A) và tại vị trí biên độ dao động (B);

v và v0 - vận tốc tại vị trí bất kỳ (A) và tại vị trí cân bằng (O).

Tuân theo định luật bảo toàn cơ năng, ta sẽ có thể xác định được:

W 

mgl

)

cos  



mgh



B W

mv 2



→ → (2.9)

 gl 2

 1

0 cos 

→ → (2.10)

W 





mgh





 hg

h

A W

mv 2

→ → (2.11)

cos







cos

 gl 2



 cos

0

0 

m B

→ . (2.12) →

Hình 2.5. Mô hình lực trong hệ tạo lực tải trọng xét ở dạng hệ con lắc đơn.

Nếu coi lực tạo ra từ hệ tạo lực tải trọng là lực căng quang treo tải trọng (tương

ứng với lực căng dây ở hệ con lắc đơn) , theo định luật II Newton ta có:

 CF  am

 P

 F





(2.13)

cos

. am











cos

(2.14)

mv l

(2.15)

cos

 gl 2

 

 cos

0 

Với , ta có được:

mg 3

cos















 3

0 

(2.16)

mg 3

cos









 23 

max

0 

(2.17)



cos

min

(2.18)

Tuân theo phương trình dao động của hệ con lắc đơn cho biên độ nhỏ, ta có

thể viết phương trình dao động của hệ tạo lực tải trọng ở dạng:

cos



  

(2.19)

. l

trong đó, - li độ của dao động (khoảng cách từ tải trọng đến vị trí cân bằng);

lg /



.0 l 0 

- biên độ của dao động (li độ cực đại); - tần số góc của dao

động. Theo đó, ta có các phương trình của hệ tạo lực tải trọng:

- Phương trình dao động theo li độ góc:

cos

 

  

(2.20)

- Phương trình vận tốc:

sin





. 

  

(2.21)



max

(khi ở vị trí cân bằng);

- Phương trình gia tốc:

cos











  



(2.22)

max

(khi ở hai biên).

 s

2  

Từ (2.19) và (2.21) có thể suy ra được: và năng lượng dao động

kiểu con lắc của hệ có thể xác định được bằng:



W t

Wđ 

Sm .  2

mgl  2

sm  2

mgl  2

2mv 2

; ; .

cos







 3

    

F C

0

(2.23) Từ (2.20) và (2.16), ta có:  

Như vậy, lực tạo ra từ hệ tạo lực tải trọng được xây dựng theo nguyên lý tải

trọng trực tiếp mà bỏ qua sự dao động kiểu con lắc sẽ chịu một sai lệch nhất định.

Nếu ta coi lượng sai lệch giữa trọng lực biểu kiến (trạng thái tĩnh) và lực căng quang

treo tải trọng (trạng thái động) là thành phần nhiễu lực gây ra bởi sự dao động kiểu

con lắc (gọi tắt là nhiễu dao động kiểu con lắc), ta có thể viết:





FP 

Ncl

(2.24)

cos









 31 

 

    

FNcl

0

(2.25)

Điều đó có nghĩa là nhiễu dao động kiểu con lắc trong hệ tạo lực tải trọng là

nhiễu lực và có mô hình toán học theo biểu thức (2.25).

Từ sự hình thành và mô hình toán học, cũng như từ kết quả mô phỏng của nó

(Hình 2.6 và Hình 2.7) ta có thể rút ra một số nhận định sau:

- Nhiễu dao động kiểu con lắc phát sinh và tồn tại ngay trong bản thân nguyên lý

xây dựng hệ tạo lực tải trọng - vì thế có thể gọi là nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc.

- Nhiễu dao động ký sinh có giá trị trung bình khác 0. Độ lớn của nhiễu phụ

thuộc vào biên độ dao động, tỷ lệ với khối lượng của tải trọng và gia tốc trọng trường

địa phương.

- Nhiễu có dạng phức tạp, gồm cả thành phần một chiều và thành phần xoay

chiều có tần số cơ sở là tần số của dao động con lắc ω, được quy định bởi gia tốc

) 3 2

2 ( o e h

t )

( ộ đ

n ê B

) 5 2

2 ( o e h

t )

( ộ đ

n ê B

đỏ - α0 = 0,030

, xanh - α0 = 0,020, tím - α0 = 0,010, đen - α0 = 00

trọng trường thực tế và chiều dài của quang treo - tải trọng (liên hệ với chiều cao tâm khối của tải trọng).

đỏ - m = 10219,561437 kg, xanhb - m = 5109,773642 kg,

xanhg - m = 2043,910874 kg, tím - m = 1021,956124 kg, đen - m = 204,390824 kg.

Hình 2.6. Sự khác biệt của nhiễu ứng với các giá trị biên độ dao động α0.

Hình 2.7. Sự khác biệt của nhiễu ứng với các giá trị của tải trọng.

- Do α0 và φ là đại lượng ngẫu nhiên cùng với giá trị khối lượng của tải trọng được

thiết lập rời rạc nên nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc trong hệ tạo lực tải trọng có thể

được xem như một đại lượng ngẫu nhiên có tính đột biến và không phải dạng tạp trắng.

2.3.2. Sự tương tác và mô hình nhiễu dao động kiểu bồng bềnh trong hệ tạo

lực tải trọng

Cũng theo lý thuyết hệ con lắc đơn, hệ tạo lực tải trọng cũng chịu các tác động

của các yếu tố như: sự thay đổi nhiệt độ môi trường và tác động của các lực khác (lực

đẩy Acsimet, lực điện từ và lực quán tính,…). Sự tác động của các yếu tố này đối với

hệ tạo lực tải trọng thực chất là tác động đến sự dao động kiểu con lắc và làm biến

đổi nó. Kết quả là, các tác động này làm biến đổi dạng và thành phần của nhiễu dao

động kiểu con lắc. Sau đây, ta xét sự tương tác này và sự biến thiên mô hình nhiễu

dao động do các yếu tố này gây ra.

2.3.2.1. Tác động của sự thay đổi nhiệt độ môi trường

Khi nhiệt độ môi trường thay đổi sẽ làm thay đổi chiều dài quang treo - tâm

khối tải trọng (ứng với sự thay đổi chiều dài con lắc l), đồng thời cũng làm thay đổi

gia tốc trọng trường (ứng với sự thay đổi chiều cao tâm khối).

Do quang treo tải trọng bằng kim loại nên khi nhiệt độ môi trường thay đổi từ

T 





1CT đến

2CT chiều dài của nó sẽ là:

 11 

CT

, với - độ biến thiên

nhiệt độ của môi trường;  - hệ số nở dài của vật liệu làm quang treo.

Xét với gia tốc trọng trường không đổi, sự biến thiên chu kỳ dao động là:

2

; (2.26)



 



 

 1

l 1

 lT 1 C

T C

T 2 T 1

(2.27)



11 T 

(2.28)



 1 

CT

Xét với gia tốc trọng trường thay đổi theo độ cao tâm khối. Khi này, giả sử tại độ cao

tâm khối của tải trọng ban đầu là h0 ứng với chiều dài l1 có gia tốc trọng trường là

thì tại độ cao tâm khối của tải trọng ứng với chiều dài l2 là

Gg 



(

)

M 2 R

M 

R 0

h 0

(2.28)

(ở đây, R0 – bán kính Trái đất tại bề mặt đất nơi lắp đặt thiết bị). Khi đó,

Gg 

M  



2

sự biến thiên chu kỳ dao động sẽ là:

2

2 

T 1 

)

(

(2.29) ;



1 



g g

  R

T   R

T T

(2.30)





T C  R

 11 T  

  

(2.31)

Vì sự thay đổi của nhiệt độ môi trường gây ra sự thay đổi chiều dài quang treo

- tâm khối tải trọng và theo đó cũng làm thay đổi gia tốc trọng trường, dẫn tới sự biến

đổi chu kỳ dao động, sẽ là:



 



T T

l l

g g

T   R

 1.  

  

(2.32)



 



11 T

T   R

  

  

(2.33) .

CT được yêu cầu duy trì ở dải khá nhỏ (với LA-FSM 1MN

0 

Khi và

0C và độ cao tâm khối h0 = 0 ÷ 2,322 m), mô

03,0

1 CT

của Việt Nam có ,

hình toán học dao động kiểu con lắc của hệ tạo lực tải trọng sẽ biến dạng theo nhiệt

độ môi trường, và có thể viết gần đúng ở dạng:

cos









    

TC 

2   R

  

     

  

(2.34)

Và mô hình toán học của nhiễu dao động kiểu con lắc khi này sẽ là:

cos











    cos cos 

TN 

2   R

  

  

 1  

  

(2.35)

 

T 



TN 

TC 

2   R

 1  

  

(2.36)

Như vậy, sự thay đổi nhiệt độ môi trường làm thay đổi cả chiều dài quang treo

- tâm khối tải trọng và gia tốc trọng trường. Cả hai điều này diễn ra đồng thời và làm

biến đổi cả về biên độ và tần số của nhiễu dao động kiểu con lắc, giống như nó đã

được điều chế biên độ và điều chế tần số.

2.3.2.2. Tác động của các lực khác

 Tương tự như ở hệ con lắc đơn, ngoài trọng lực P

hệ tạo lực tải trọng còn

chịu thêm tác động của lực khác . Nếu ta coi như khi đó hệ tạo lực tải trọng chịu

 P

  FP 



 kF  hdP

 hdP

, với , trong đó được gây ra bởi

hd 

gia tốc trọng trường hiệu dụng ( ) thì chu kỳ mới của dao động kiểu tác dụng của trọng lực hiệu dụng  hdg

con lắc được xác định lại bằng:

T 2

hdgl

(2.37)

Và ta coi đây là phương pháp tổng quát khi xét tác động của các lực khác trong

hệ tạo lực tải trọng.

m B

a) Khi tính đến tác động của lực đẩy Acsimet:

Hình 2.8. Mô hình lực trong hệ tạo lực tải trọng có tác động của lực đẩy Acsimet.

  FP 





AC 

cos











AC 

(2.38) Khi tính đến lực đẩy Acsimet, biểu thức (2.13) đưa về dạng:  F

 am Với khối lượng riêng của không khí là ρa và của tải trọng là ρm , ta có: V V

v l

 

(2.39)

cos









 AC

mv l

V V

 a  m

cos

 gl 2





(2.40)

 cos

0

Cũng với , ta có được:

cos







 0

 AC

 a  m

  

      

   

(2.41)

Do vậy, ta có:







2 



 a  m

  1 

  

  

  

; (2.42)

Và các biểu thức (2.23) và (2.25) trong trường hợp này sẽ là:

cos











 cos 

  

 0

AC 

 a  m

  

      

   

(2.43)

cos











 cos 

  

 0

AN 

 a  m

  

  

  1  

   

(2.44)













AN 

AC 

 a  m

(2.45)

m B

b) Khi tính đến tác động của lực điện từ

Hình 2.9. Mô hình lực trong hệ tạo lực tải trọng có tác động của lực điện từ.

Thực tế LA-FSM là một hệ thống có kết cấu gồm phần cơ khí và phần điện tử,

ở một mức độ nào đó luôn tồn tại lực điện từ. Khi đó, hệ tạo lực tải trọng hoàn toàn

có thể bị tích điện tích và nhiễm từ, vì vậy sẽ chịu ảnh hưởng của lực từ điện. Khi

này, ảnh hưởng lực điện từ sẽ phụ thuộc vào hướng tác động của nó, do vậy ta có thể

xét cho từng trường hợp cụ thể.

+ Khi lực điện từ hướng lên trên:

 am





  FP  EC

 F E

 1

. P

cos

. Eq

cos

. m













EC 

(2.46)

v l

cos

Eq .

cos









(2.47)

F EC



mv l

(2.48)

cos

 gl 2



 cos

0 

, ta có được: Cũng với v

cos









F EC



qE m

  

  

     

(2.49)

g 

Và trong trường hợp này:



2 



2 



ghd

. Eq m

qE m

  

  

; với điều kiện g > q.E/m.

Từ đó ta có được:

cos













 cos cos 

  

EC 

qE m

  

     

  

(2.50)

cos











 

 

  

EN 

qE m

  

  

 1  

  





(2.51)

1 EC

  

1 EN 

qE mg

(2.52)







2 



2 



+ Khi lực điện từ hướng xuống dưới:

g hd

. Eq m

qE m

  

  

; (2.53)

cos











 cos 

  

EC 

qE m

  

  

  

  

cos











(2.54)

  cos cos 

  

EN 

qE m

  

  

 1  

  













(2.55)

EN 

EC 

qE mg

(2.56)

+ Khi lực điện từ hướng hợp với phương ngang một góc β:

cos













 90

 

 90



g hd

qE m

qE mg

  

2   

  

  

1 4

(2.57)



2 











 0 cos 90

 

 0 cos 90

qE m

qE mg

  

2   

  

2   

  11  

     

   

   

(2.58)

cos













  cos cos 

  

 cos 90

 

EC 

qE mg

  

  

   

    mg    

   

(2.59)

cos













  cos cos 

  

 0 cos 90

 

t 3

 0

EN 

qE mg

  

2   

   

   

  mg 1  

   

2.60)

cos















 90



EN 

EC 

qE mg

  

  

(2.61)

c) Khi tính đến tác động của lực quán tính

Trong thực tế, điểm treo hệ tạo lực tải trọng trong LA-FSM được chuyển động

trong quá trình thiết lập trạng thái cân bằng đòn bẩy. Vì vậy, việc xem xét tác động

của lực quán tính đến hệ tạo lực tải trọng là cần thiết.

+ Xét trường hợp điểm treo hệ tạo lực tải trọng chuyển động có gia tốc a0

hướng thẳng đứng lên trên (tức là điểm treo chuyển động thẳng đứng lên trên nhanh

FQT

m B

dần đều hoặc chuyển động xuống dưới chậm dần đều), ta có:

Hình 2.10. Mô hình lực trong hệ tạo lực tải trọng

có tác động của lực quán tính hướng lên trên.

 F

 am

  FP 









. P

cos

. m

















v l

cos









(2.62)





mv l cos



 gl 2

(2.63) (2.64)

F QT  cos

0 

cos









F QT





Cũng với , ta có được:

a g

  

(2.65)

   ;





   2  

g hd

0

   TQT

0ag Và trong trường hợp này:

 gl

và: (2.66)

cos













 cos 

  









a g

  

  

cos











 

 

  









(2.67)

a g

  

       1  

  











1

(2.68)









   a g

. (2.69)

+ Xét trường hợp điểm treo hệ tạo lực tải trọng chuyển động có gia tốc hướng

thẳng đứng xuống dưới (tức là điểm treo chuyển động thẳng đứng đi xuống nhanh

FQT

m B

dần đều hoặc chuyển động lên trên chậm dần đều), ta có:

Hình 2.11. Mô hình lực trong hệ tạo lực tải trọng có tác động của lực quán tính hướng xuống dưới.

 F

 am

  FP 







. P

cos

. m













(2.70)



v l

cos









(2.71)

F QT





(2.72)

cos

mv l 

 gl 2

 cos

0 

cos









F QT





Cũng với , ta có được:

a g

  

  

     

(2.73)

2  





 gl

TQT

0

0ag

g hd

(2.74)

; Và trong trường hợp này:

cos











  cos cos 

  



a g

  

     

  

(2.75)

cos













 cos 

  



a g

  

  

 1  

  











1

(2.76)



a g

(2.77)

Trong thực tế, hệ tạo lực tải trọng sẽ chịu tác động của các yếu tố trên một

cách đồng thời. Vì vậy, ta có thể xét tác động tổng hợp của các yếu tố bằng phương

pháp xếp chồng. Khi đó, ta có được:





  FP  C

 F A

 F E

 F QT



(2.78)

cos







 





(2.79)

cos











 F  T  Amg  mg 1

 am     cos cos t       t   

F N

0





(2.80) 0 cos









2   R

qE m

a g

 

  

  

(2.81)





 





2   R

a g

 

(2.82) qE m

2.3.2.3. Tác động của sức cản không khí

Một thực tế nữa, hệ tạo lực tải trọng của các LA-FSM thường chỉ được đặt

trong môi trường không khí, do vậy nó chịu tác động của sức cản không khí mà ảnh

hưởng trực tiếp đến dao động kiểu con lắc mà ta đang xét. Chính vì vậy, khi xét đến

tác động của sức cản không khí chính là xét đến sự tắt dần đối với dao động kiểu con



tktd

lắc của hệ tạo lực tải trọng. Khi này, (2.20) sẽ có dạng:

 

  cos t 

, (2.83)

tức là biên độ và tần số dao động thay đổi theo thời gian.

Và khi xét cùng với tác động tổng hợp của các yếu tố ở trên thì (2.79) và (2.80)



tk td

có thể viết lại là:

cos







 

2/ 

 

   t 







tk td

(2.84)

cos









 

 Amg  1

 

2/ 

 

cos   





(2.85)

2 td

trong đó:

 









2   R

qE m

a 0  g

lk 4 g

 

(2.86)

2000.0204

2000.0202

2000.02

2000.0198

2000.0196

0.2804

0.2802

0.28

0.2798

gttl = 20 000 N, m = 204.390824 kg; g = 9.78664322 m/s2, l1 = 1.260 m, l2 = 0.126 m

0.2796

15 Thời gian (s)

ktd - hệ số tắt dần.

Hình 2.12. Một ví dụ về độ lớn, sự biến thiên và phổ của lực và nhiễu lực theo (2.84) và (2.85).



Và (2.85) hoàn toàn có thể đưa về dạng:

cos









 











1 2

  

  

  

(2.87)

cos









1 2 2.1

1     2   3.2.1

   1   

   ...   

   1    

      

1 2

; (2.88)

  

  







 

 1

A 2

A 

n !



1   2   n .1

    1

1   2   n .2.1 

    n 1



   1   

   ...   

      

      



; (2.89)

tde



 

(2.90)

2.3.2.4. Ảnh hưởng của cấu trúc hình học và kết cấu cơ khí

Tất cả các xem xét ở trên về ảnh hưởng của các yếu tố vật lý tác động đến hệ

tạo lực tải trọng với tư cách một hệ dao động kiểu con lắc đều được xét với tải trọng

có dạng hình cầu.

Tuy vậy, trong thực tế các tải trọng thường được thiết kế có cấu trúc hình học

dạng đĩa trụ tròn, và được kết nối với quang treo ở dạng khớp nối không chặt. Chính

với cấu trúc hình học và kết cấu cơ khí như vậy cùng với sự không đồng nhất của vật

liệu và sự không cân bằng trong gia công chế tạo cũng dẫn đến sự tác động không

đồng đều của các yếu tố đã xét ở trên đến tải trọng.

Kết quả là, sự xếp chồng tác động của tất cả các yếu tố (bao gồm cả yếu tố vật

lý, cấu trúc và kết nối cơ khí) tạo nên sự chuyển động có dạng dao động kiểu bồng

bềnh trong hệ tạo lực tải trọng.

Như vậy, từ việc xem xét riêng rẽ cho tới xếp chồng tác động của các yếu tố

đến hệ tạo lực tải trọng cho phép rút ra những nhận định sau:

- Dao động kiểu con lắc trong hệ tạo lực tải trọng có mô hình toán học theo

biểu thức (2.25). Dao động này phát sinh và tồn tại ngay trong bản thân nguyên lý

xây dựng hệ tạo lực tải trọng. Các tham số của nó là các đại lượng ngẫu nhiên, do vậy

nó mang thuộc tính ngẫu nhiên.

- Ảnh hưởng xếp chồng của nhiệt độ môi trường và các lực khác cùng sức cản

không khí, về mặt toán học, có thể được xem như chúng đã gây ra các phép điều chế

theo quy luật biến thiên và mối liên hệ ràng buộc riêng có của từng tham số đối với

dao động kiểu con lắc. Do vậy, sắc thái động của hệ tạo lực tải trọng thể hiện dưới

dạng nhiễu lực được mô tả bằng biểu thức (2.87).

- Việc phân tích toán học như trên cho thấy rõ bản chất của nhiễu này cả về

sự tồn tại, độ lớn và các sắc thái động của nó qua khai triển toán học có dạng chuỗi

Fourier (2.87). Điều này đã giải thích về trạng thái bồng bềnh của hệ tạo lực tải trọng

và quỹ đạo chuyển động elip hoặc lipsazu khi xét trong các mặt phẳng ngang mà đã

được đo đạc và phân tích ở một số công trình trước đây [25], [81-84], thực chất chỉ

là phát hiện vật lý về sự hiện diện của các thành phần nhiễu theo nhận định cảm quan,

và không mâu thuẫn với kết quả mô tả toán học này.

Trong thực tế, hệ tạo lực tải trọng còn có thể chịu tác động của các yếu tố khác

như dao động riêng của hệ thống (bên trong) và rung chấn tại nơi đặt hệ thống (bên

ngoài). Các ảnh hưởng này diễn ra theo hình thức cộng hưởng dao động và góp phần

tạo thêm hiệu ứng bồng bềnh. Ảnh hưởng của yếu tố này thường rất được quan tâm

giảm thiểu bằng nhiều biện pháp có liên quan đến thiết kế cấu trúc và kết cấu công

trình, do vậy không xét chi tiết trong luận án.

Nói cách khác, lực được tạo ra từ hệ tạo lực tải trọng bao gồm lực tải trọng và

nhiễu lực. Trong đó, nhiễu lực được hình thành từ dao động kiểu con lắc và tác động

xếp chồng của các yếu tố được phát sinh do sự biến thiên của các tham số nội tại và

các yếu tố ngoại sinh kể trên mang đặc điểm của phép điều chế biên độ và tần số đối

với dao động cơ sở là dao động kiểu con lắc.

Kết quả là, nhiễu dao động ký sinh hình thành từ dao động kiểu con lắc và

tác động xếp chồng của các yếu tố tại hệ tạo lực tải trọng là một tổ hợp nhiều thành

phần. Trong đó, thành phần ứng với tần số cơ bản được quy là nhiễu dao động kiểu

con lắc, còn các thành phần có tần số bậc cao hơn được quy là nhiễu dao động kiểu

bồng bềnh [81-84]. Nhiễu lực này có đặc tính của nhiễu ngẫu nhiên biến đổi chậm,

đa thành phần, không trắng Gauss, không dừng (phương sai thay đổi theo thời gian)

và có tính đột biến.

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

Xuất phát từ nguyên lý tạo lực của LA-FSM, lực chuẩn đầu ra của hệ thống

chính bằng lực tạo ra từ hệ tạo lực tải trọng được khuếch đại bằng hệ khuếch đại đòn

QLA 

l 1 / l

bẩy có hệ số khuếch đại , tức là:







 LAQF 

(2.91)

ở đây ΔF1 - sai lệch tổng hợp của lực tạo ra tại hệ tạo lực tải trọng.

Khi xét đến sự tồn tại của nhiễu dao động kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh thì









 P



(

1/)



l l



tk td

mô hình toán học của lực chuẩn từ hệ truyền lực đòn bẩy của LA-FSM sẽ là:

cos







 

 A

 

2/ 

 

  



l l

(2.92)

trong đó: ΔF(N-Σtd)/1 - nhiễu dao động kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh trong hệ tạo lực

tải trọng, có dạng (2.85).

Khi này, thành phần lực được tạo ra từ hệ truyền lực đòn bẩy do ảnh hưởng



tk td

cos









của nhiễu dao động ký sinh có thể được mô tả ở dạng:

 1

 

2/ 

 cos 

   t 





F 



l l

(2.93)

Khi tính đến sự cong đòn bẩy do sức nặng của tải trọng mà được biểu hiện

bằng sự co ngắn độ dài hiệu dụng của cánh tay đòn, biểu thức (2.92) và (2.93) có thể

l 1









 P



F /2

F (

tđ

1/`)



l  l 2

tan

)





l 1

acong



tk td

được biểu diễn lại ở dạng:

cos[

cos







 

2/ 

 0

  0

 A 

  

tan

)





l 1

acong



tk td

(2.94)









 1

2/ 

 cos  0

   t cos  td

 cos  0



A 



F 



l 2

(2.95)

104

2.0000164038

2.0000164036

2.0000164034

2.0000164032

2.000016403

2.0000164028

2.80178

2.801775

2.80177

gttl = 20 000 N, m = 204.390824 kg; g = 9.78664322 m/s2, l1 = 1.260 m, l2 = 0.126 m

2.801765

10 Thời gian (s)

Hình 2.13. Một ví dụ về độ lớn và sự biến thiên của lực và nhiễu.

Nói cách khác, nhiễu dao động ký sinh trong thành phần lực được tạo ra từ

LA-FSM có dạng (2.95). Dưới tác động của sự cong đòn bẩy, nó đã được khuếch đại

lên gần bằng QLA lần từ nhiễu dao động kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh của hệ tạo lực

tải trọng. Do vậy, nó gần như giữ nguyên các đặc tính là nhiễu ngẫu nhiên phức hợp,

không trắng Gauss và có tính đột biến.

Như vậy, phân tích toán học các biến đổi cơ học trong LA-FSM cho ta mô

hình động học của nhiễu dao động ký sinh phát sinh từ nguyên lý tạo lực của hệ thống,

qua đó cho ta biết cơ chế, thành phần, mức độ ảnh hưởng và đặc tính của nhiễu dao

động ký sinh này.

Ảnh hưởng của nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh trong



(

2) l







QP 



tan

cos









 lmg

  1)

  /

  

acong

  0





tan



  td   l /)

acong



cos







(2.96)

2/ 

  

  0



   

việc tạo lực của LA-FSM có thể được đánh giá sơ bộ khi xét:

 cos  0  lmg 1(   0 , với:

min

max

cos





;

max

cos



 1    21   21 

min

 0

0  ;

 A0 A cos 

Khi coi









2   R

qE m

a g

 

  

  

(2.97)

Hình 2.14. Một ví dụ về độ lớn và sự biến thiên của hệ số tính theo (2.96).

Các biểu thức (2.96) và (2.97) đã phản ánh rõ về mức độ ảnh hưởng của nhiễu

dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh phụ thuộc vào biên độ dao động và

các hệ số tác động của các yếu tố. Trên Hình 2.13 và Hình 2.14 là kết quả mô phỏng

về mức độ ảnh hưởng này. Theo đó, sai số trung bình do nó gây ra có thể đạt đến xấp

xỉ 1,4×10-4.

Để trực quan về định lượng, ta có thể xét mức độ ảnh hưởng của nhiễu dao

động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh thông qua xét một ví dụ với số liệu nêu

trong Bảng 2.1.

cos







max

A0 



cos

,32

14159265

360













 03,0



2   R

qE m

a g

 

  

  





,11

9999999999



3 







20   6370

194774 7950

,0 0001 1021 953121 ,

001 78664322

10 

 10

2794

 10

50286

4  10

78518

8  10

0218

5  10

1 

















Với α0 ứng với góc bằng 0,03°, ta có:

Bảng 2.1. Số liệu về các tham số.

Đơn vị Giá trị Nguồn số liệu Tham số

độ α0 0,03° Đạt được với công nghệ chế tạo hiện nay

°C

K-1 λ 20×10-5 Số liệu điển hình

ΔTc 1 Số liệu giả thiết như vậy

m R 6370000 Lấy số liệu trung bình, chấp nhận được

kg/m3 ρa 1,194774 Số liệu cho LA-FSM đặt tại Hoà Lạc [71]

kg/m3 7950 Số liệu cho LA-FSM đặt tại Hoà Lạc [71] ρm

q.E C.V/m 0,0001 Số liệu giả thiết như vậy

m/s2 a0 0,0001 Số liệu giả thiết như vậy

m/s2 g 9,78664322 Số liệu cho LA-FSM đặt tại Hoà Lạc [71]

m kg 1021,953121 Số liệu cho LA-FSM đặt tại Hoà Lạc [71]

Từ kết quả của ví dụ này cũng cho thấy rõ ảnh hưởng của nhiễu dao động ký

sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh là khá đáng kể, cỡ xấp xỉ 1,5×10-4. Mức độ ảnh

hưởng của từng yếu tố cũng rất khác nhau, trong đó đáng kể nhất là ảnh hưởng của

lực đẩy Acsimet và lực quán tính. Theo đó, khi yêu cầu của LA-FSM đạt mức sai số

nhỏ hơn 1,5×10-4 mà không tính đến ảnh hưởng của lực đẩy Acsimet, hoặc đạt mức

sai số nhỏ hơn 1×10-5 mà không tính đến cả ảnh hưởng của lực quán tính có trong

thành phần của nhiễu này thì thật sự khó có thể đạt được.

Vì vậy, việc xem xét, đánh giá và tìm khả năng khắc phục hoặc giảm thiểu ảnh

hưởng của nhiễu này đến kết quả xác định giá trị thực của lực chuẩn đầu ra rõ ràng là

rất cần thiết cho mục tiêu nâng cao độ chính xác cho LA-FSM.

2.4. Xác lập mô hình nhiễu dao động ký sinh trong kênh điều khiển cân bằng

đòn bẩy của LA-FSM

2.4.1. Sự biến đổi lực - moment trong hệ khuếch đại đòn bẩy và phương trình cân

bằng đòn bẩy của LA-FSM

Xét LA-FSM có hệ khuếch đại đòn bẩy sử dụng ba gối điện tử điều khiển theo

độ biến dạng như Hình 2.15. Với thiết kế này, khi đòn bẩy mất cân bằng các moment

lực được hình thành tại các gối điện tử, làm xuất hiện biến dạng bề mặt tại vùng trục

tâm quay của các bản lề đàn hồi như mô tả trên Hình 2.15.

Từ Hình 2.15, moment uốn Ma được hình thành tại gối điện tử H1 bởi thành

phần lực hướng tâm của lực tạo ra trong hệ tạo lực tải trọng với cánh tay đòn là quang

treo - tâm khối tải trọng, có thể xác định bằng biểu thức:



FM  a

htta

(2.98)

trong đó: la - chiều dài của quang treo - tâm khối tải trọng; Fhtta - tổng các thành phần

lực hướng tới vị trí cân bằng trung tâm của lực tạo ra trong hệ tạo lực tải trọng, được



tk td

tan.

)

cos







htta

 a

 cos  0

A 





xác định gần đúng bằng:

tan

)

cos







   t  td 2/

 

(2.99)

Khi hệ đòn bẩy chưa được điều khiển tiến đến trạng thái cân bằng, tức là βa ≠ 0, thì



tk td

mgl

tan.

)

cos











 







moment uốn Ma tại H1 có giá trị là:

cos

tde

mgl

tan

)







   t   2/ 

(2.100)



tk td

Và khi hệ đòn bẩy được điều khiển đến trạng thái cân bằng, tức là βa → 0, thì moment

mgl

)







 1(

 cos 

2/ 

   t cos 





(2.101) uốn Ma tại H1 tiến đến giá trị là:  cos 



tk td

tan.

mgl

cos

)









 

acong







mgl

tde

cos

tan

)







Nếu xét đến sự cong đòn bẩy do sức nặng của tải trọng, tức là ở trạng thái cân

 

acong

(2.102) bằng đòn bẩy nhưng βa = βa0 + βacong(F1) = βacong (F1 ) > 0. Khi đó, ta có:    t  2/

βc

βa

βb

maht

Fhtb

Hình 2.15. Các moment lực trong hệ khuếch đại đòn bẩy.

Nói cách khác, khi tính đến nhiễu dao động ký sinh và sự cong của đòn bẩy

do sức nặng của tải trọng, biểu thức (2.102) sẽ là mô tả toán học của thành phần

moment uốn phát sinh tại H1 khi đòn bẩy cân bằng.

Tương tự, moment uốn Mb được hình thành tại gối điện tử H2 bởi thành phần

hướng tâm của lực đòn bẩy tạo ra với cánh tay đòn là trục truyền lực đòn bẩy. Do đó,

moment uốn Mb có thể được viết dưới dạng:

FM 



httb

(2.103)

trong đó: lb - chiều dài của quang treo - điểm truyền lực đòn bẩy; Fhttb - thành phần

lực hướng tới vị trí cân bằng trung tâm của lực đầu ra gây ra tại cơ cấu truyền lực tới

đối tượng đo kiểm (do hiệu ứng trượt), được xác định bằng:

sin

 



F httb

F F 2  2

(2.104)

ở đây βb - góc lệch so với trạng thái cân bằng tại vị trí H2; ∆F2 - lực bổ sung. Từ đó,

moment lực Mb tại H2 có thể được xác định:

FM 



sin



 



httb

(2.105)

Khi hệ khuếch đại đòn bẩy được điều khiển tiến đến cân bằng, tức là βb → 0

thì Mb → 0. Nhưng nếu xét đến sự lệch trục truyền lực đòn bẩy (do lắp đặt), tức là ở

trạng thái cân bằng đòn bẩy nhưng βb = βb0 + βblech = βblech > 0, ta có:



sin

 

 lF

blech

(2.106)

Và (2.106) là mô tả toán học của moment uốn tại H2 khi đòn bẩy cân bằng.

Moment uốn Mc hình thành tại gối điện tử H3 từ hai moment, trong đó moment

thứ nhất bởi lực tạo ra từ hệ tạo lực tải trọng với đòn dài l1, còn moment thứ hai bởi

lực tạo ra từ hệ truyền lực đòn bẩy với đòn ngắn l2.

Theo đó, moment uốn tại H3 trong trường hợp này được viết:

cos

FM 



l 











(2.107)

trong đó: βc - góc lệch so với trạng thái cân bằng tại vị trí H3; l1 - chiều dài của cánh

tay đòn dài của hệ khuếch đại đòn bẩy; l2 - chiều dài của cánh tay đòn ngắn của hệ

khuếch đại đòn bẩy; F1 - lực tạo ra từ hệ tạo lực tải trọng; F2 - lực được tạo ra từ hệ

truyền lực đòn bẩy; ∆F2 - lực bổ sung (có điều khiển) để đạt được trạng thái cân bằng

đòn bẩy.

Và khi tính đến nhiễu dao động ký sinh (tức là F1 = P - ΔF(N-Σtd)/1) và sự cong

đòn bẩy do sức nặng của tải trọng, moment uốn tại H3 sẽ là:

)

cos





l 











 lF

 P

 ( l

(

1/)



(2.108)

)











 P

 (

(

1/)





tk td

Khi cân bằng đòn bẩy, tức là βc → 0 thì

mgl

tan

)

cos











 A

 lF    

   

 a

  0

 2 lF 2

   0



  

(2.109)

Nếu ta coi hệ thống các moment lực phát sinh trong hệ khuếch đại đòn bẩy là

hệ phẳng thì khi thiết lập trạng thái cân bằng, phương trình moment đòn bẩy cần được

xác lập dưới dạng:



MMMM 



0

(2.110)

2F sao cho phương trình moment

Điều này đạt được bằng điều chỉnh giá trị



tk td

mgl

)

cos









 1(

   

 a

A 

  



tk td

mgl

tan

cos









 

  0 

 a

 b



tk td

mgl

tan

)

cos







  cos

 lF 2   

 a

tan   0   0

sin   0

 c

)  A 

  

cos







lực trong hệ khuếch đại đòn bẩy trở thành:



 lF 2

 c

(2.111)



tk td

mgl

tan

)

cos









 1(

acong

Và khi ở trạng thái cân bằng đòn bẩy, phương trình (2.111) sẽ có dạng:

  0

    t  td

A 





mgl

tan

)

cos











 



 lF 2

blech

acong



tk td

tan

cos











mgl 1

acong

  

  0

   t  td

sin   0



  A ) 









F 2

 lF 2

(2.112)

( l

1)(

tan

)





acong

A 



tk td

)( ty

cos





  0

   t  td



sin



l 1 

l b

blech

  

  

l (

1)(

tan

)





acong

cos

GTTL









Và phương trình cân bằng theo lực có thể được xác lập ở dạng:



 tk  e td 0

F 2

đc

sin

l 1 



blech

  

  

(2.113)

( l

1)(

tan

)





acong

A 



tk td

)( t

cos





F /2

  0

   t  td



sin



l 1 

blech

  

  

l (

1)(

tan

)





acong

cos

tk  tde



Trong đó:

2/

  0

sin

l 1 



l b

blech

  

  

( l

1)(

tan

)





acong

A 



tk td

)( t

cos







F /2

  0

   t  td



sin

l 1 



blech

  

  

l (

1)(

tan

)





acong

cos

tk  tde



(2.114)

 GTTL 

  0

sin

l 1 



l b

blech

  

  

(2.115)

là dạng thức suy ra từ phương trình cân bằng (2.94) và (2.95) đối với mỗi GTTL.

2F , và bằng:

(

1)(

tan

)





acong





tk td

cos







  t

 

 

  

đc



sin





blech

  

  

(

1)(

tan

)





acong



cos(

tde

)

GTTL







sung Theo đó, để đạt được trạng thái cân bằng đòn bẩy ứng với mỗi GTTL, lực bổ đcF2 cần phải được điều chỉnh tiến đến giá trị

sin





blech

  

  

(2.116)

ty )(

t )(







Khi này, phương trình sai lệch điểm “0” ứng với mỗi GTTL sẽ là:

đc

104

2.00023892

2.00023891

2.0002389

2.00023889

2.00023888

gttl = 20 000 N, m = 204.390824 kg; g = 9.78664322 m/s2, l1 = 1.260 m, l2 = 0.126 m

2.00023887

2.3892

2.3891

2.389

2.3889

2.3888

2.3887

10 Thời gian (s)

(2.117)

Hình 2.16. Một ví dụ về mức và phổ của nhiễu dao động

ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh theo (2.114) và (2.115).

Như vậy, việc thiết lập trạng thái cân bằng đòn bẩy là quá trình chỉnh “0”. Từ

(2.113) ÷ (2.117) cho thấy rằng trạng thái cân bằng đòn bẩy (điểm “0”) và giá trị lực

đcF2 chịu ảnh hưởng rất lớn của nhiễu dao động ký sinh

điều chỉnh cân bằng đòn bẩy

đcF2 có thể coi như độ chính xác tới hạn của LA-FSM.

(Hình 2.16). Do đó, độ chính xác xác định trạng thái cân bằng và giá trị lực điều chỉnh

Có thể nói, việc phân tích toán học các quá trình biến đổi lực - moment và xác

lập phương trình cân bằng moment trong hệ khuếch đại đòn bẩy là cách tiếp cận tổng

quát và đầy đủ nhất khi xem xét quá trình động học của đòn bẩy. Theo đó, để thiết

lập trạng thái cân bằng đòn bẩy lực điều chỉnh cần phải xác lập theo biểu thức (2.116).

Độ chính xác của LA-FSM sẽ phụ thuộc vào phương sai xác định điểm “0” và lực

điều chỉnh này. Điều này dẫn đến cần phải có một giải pháp giảm thiểu phương sai

xác định điểm “0” và giá trị lực điều chỉnh tương ứng với giá trị lực chuẩn cần tạo ra

khi tính đến ảnh hưởng của nhiễu dao động ký sinh được mô tả bằng biểu thức

(2.115).

2.4.2. Xác lập mô hình tín hiệu và nhiễu dao động ký sinh trong kênh điều khiển

cân bằng đòn bẩy của LA-FSM

Xuất phát từ nguyên lý thiết kế gối điện tử và cấu trúc hệ thống, mỗi gối điện

tử được gắn mạch cầu tem biến dạng nhạy cảm với biến dạng mong muốn. Theo đó:

Ở gối điện tử H1, mạch cầu tem biến dạng được lắp đặt để đảm bảo nhạy cảm

nhất đối với biến dạng gây ra bởi moment uốn Ma. Khi này, với độ nhạy của cầu tem

biến dạng là S1, tín hiệu điện ở đầu ra dưới dạng điện áp khi đòn bẩy chưa đạt trạng



tk td

mgl

tan.

)

cos



MS 







u 1

 a

  0

A 



thái cân bằng có thể viết:

tk  tde

mgl

tan

)

cos





   t   td 2/

cos   0

 a

(2.118)



tk td

mgl

tan.

)

cos











u 1

S 1

acong

Khi đòn bẩy đạt đến trạng thái cân bằng, tín hiệu điện này đạt tới giá trị bằng:

  0

A 



tan

)

cos

tk  tde







S 1

mgl a

acong

(2.119)

   t  td 2/   0

Ở gối điện tử H2, mạch cầu tem biến dạng được lắp đặt đảm bảo nhạy cảm với

các biến dạng gây ra bởi moment uốn Mb. Khi này, với độ nhạy của cầu tem biến



MS 





sin



 FS



dạng được chọn là S2, tín hiệu điện ở đầu ra này dưới dạng điện áp sẽ là:

(2.120)

Khi đòn bẩy đạt trạng thái cân bằng, tín hiệu này đạt giá trị bằng:





sin

 FS

 blF

blech

(2.121)

Ở gối điện tử H3, mạch cầu tem biến dạng được lắp đặt để đảm bảo nhạy cảm

nhất đối với biến dạng gây ra bởi moment uốn Mc. Khi này, với độ nhạy của cầu tem

)

cos



MS 















 lF

  PS

 (

 

(

1/)





tk td

mgl

tan

)

cos











 A

  cos

  

 a

  0

  0

 c



  





cos

 FS

 lF

biến dạng là S3, tín hiệu ra tại H3 có thể viết dưới dạng điện áp là:

(2.122)



tk td

tan

cos











 

mgl 1

acong

 cos  0

   t  td

  0

 A ) 



Và khi đạt trạng thái cân bằng, tín hiệu này sẽ là:







 2 l

BĐĐL

XL-CT

KĐ

(2.123)

PLC Các bộ chỉ thị

I/O

Thuật toán lọc nhiễu và đánh giá kết quả đo

Kênh 1 – H1

Kênh 2 -H2

Uđc

Kênh 3 – H3

Hình 2.17. Sơ đồ mô tả khối BĐĐL và XL-CT thực hiện quá trình đo.

Giả thiết rằng các phần còn lại của kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy được

thiết kế theo sơ đồ Hình 2.17. Trong đó, các tín hiệu điện nhận được từ H1, H2 và H3

mang thông tin về trạng thái của hệ khuếch đại đòn bẩy (sự mất cân bằng hoặc cân

bằng), có mô hình toán học được thể hiện bằng các biểu thức toán học tương ứng với

(2.118) ÷ (2.123), được gia công xử lý phù hợp với bài toán nâng cao độ chính xác

của LA-FSM đã được xác định trong mục 2.2 của chương này. Theo đó, các tín hiệu

này được khuếch đại và biến đổi thành dạng số để thực hiện chỉ thị kênh về trạng thái

của đòn bẩy. Các số liệu này cũng được dùng để tổng hợp toán học và xác định độ

lớn của tín hiệu điều khiển (ở dạng số), rồi đưa đến HTLĐC để tạo lực điều chỉnh cân

bằng đòn bẩy. Như phân tích ở trên, để nâng cao độ chính xác của lực chuẩn, dữ liệu

của tín hiệu điều khiển này cần thiết được lọc nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và

kiểu bồng bềnh bằng phương pháp xử lý tối ưu thông tin đo như mô tả trên Hình 2.17.

Từ nguyên lý xây dựng như trên, khi các gối điện tử (bao gồm bản lề đàn hồi,

mạch cầu tem biến dạng và BĐĐL) được thiết kế tường minh, tức là các hệ số độ

nhạy S1, S2 và S3 đã biết cụ thể (hoặc có thể thiết lập được), phương trình cân bằng

moment tương ứng với (2.110) có thể được tổng hợp từ thông tin đo (ở dạng rời rạc)

của các tín hiệu này theo cách thức sau:

nU )(









nU )( S



tk td

tan.

)











(2.124)

mgl a

acong

)( nU 

A 





tk td

mgl

tan

cos

sin



















acong

F 2

 lF 2

blech



tk td

tan

cos











 

  

mgl 1

acong

  0

 cos  0   0  cos  0

 cos  

)  A ) 

mà mô hình toán học của nó được mô tả dưới dạng:    cos t  n









 lF 2

(2.125)

Xuất phát từ mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy đã được thiết kế như

2F nhờ HTLĐC

nêu ở mục 2.2, trong mỗi lần tạo lực chuẩn cần thiết phải tạo lập

sao cho thiết lập trạng thái cần bằng đòn bẩy ứng với GTTL. Theo đó, cần thiết phải

)(nU 

thực hiện một quá trình lặp: tổng hợp , xác định phương trình cân bằng lực

)(ny

)( ny

)(2 nF đc

và giá trị lực điều chỉnh , tiến hành điều chỉnh sao cho . Quá

trình này có thể được diễn giải như sau:

Giả sử, phương trình cân bằng theo lực thể hiện trạng thái của đòn bẩy ứng

(

1)(

tan

)





acong

A 



tk td

)( ny

cos





  

  0

  

sin

l 1 



blech

  

  

(

1)(

tan

)





acong

cos

GTTL

n )(









với mỗi GTTL tại thời điểm tn tương ứng với (2.113) dưới dạng:



 tk  e td 0

F 2

đc

sin

l 1 



l b

blech

  

  

(2.126)

được tổng hợp từ các thông tin đo theo phương pháp:

ny )(







nU )( sin l 



nU )( sin l 



nU )( sin l 



 lS



 lS



 lS



blech

(2.127)

)(nx

nx )(

n )(

GTTL









(

1)(

tan

)





acong

A 



tk td

cos





  

  0

  

sin



l 1 

blech

  

  

(

1)(

tan

)





acong



td tk

cos



Từ (2.126), khi ta coi nhiễu dao động ký sinh là:

 GTTL 

  0

sin



l 1 

l b

blech

  

  

(2.128)

nF )(

n )(





đc

Và giá trị lực điều chỉnh được tổng hợp từ thông tin đo bằng cách:

n )(

ˆ x

(

ny (



)1 



đc

(2.129)

)0(



ˆ 2 x đc

l (

1)(

tan

)





acong





tk td

cos





 

 

  



sin





blech

  

  

(

1)(

tan

)





acong



trong đó, tại thời điểm t0 các giá trị được tính bằng:

cos

tde



 

 GTTL 

sin





blech

  

  

(2.130)

y 0)0( 

(2.131)

tức là:

)( n

)0(

( ny

)







đc



(2.132)

Khi này, quá trình thiết lập trạng thái cân bằng đòn bẩy theo (2.117) sẽ được

thể hiện thông qua biến đổi (2.126) và có thể được mô hình hóa ở dạng:

ny )(

nx )(

)0(

ny (







k ) 





(2.133)

)( ny

( nya

)









hay

( nxb k



1 



(2.134)

với các hệ số a0 = 1, a1:S = -1, b0 = 1, b1:S-1 = 0, bS = -1.

Như vậy, có thể kết luận rằng mô hình tín hiệu trong kênh điều khiển cân bằng

đòn bẩy của LA-FSM có thể được xác lập bằng toán học theo biểu thức (2.134) ứng

với nhiễu dao động ký sinh được biểu diễn bằng biểu thức (2.128). Theo đó, biểu thức

(2.134) là mô hình toán học của tín hiệu dùng để xác định trạng thái cân bằng đòn

bẩy và xác định lực điều chỉnh, có dạng thức phương trình sai phân hệ số hằng của

bộ lọc số đệ quy đối với nhiễu dao động ký sinh.

Nói cách khác, mô hình toán học kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-

FSM có thể thiết lập như một bộ lọc số đệ quy có đáp ứng xung vô hạn IIR đối với

nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh.

2.5. Kết luận Chương 2

Từ kết quả xác lập mô hình tín hiệu và nhiễu dao động ký sinh trong kênh điều

khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM cho phép rút ra nhận định sau:

1) Các dao động kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh phát sinh và luôn tồn tại

trong LA-FSM. Tác động của các dao động đó được phản ánh thông qua thành phần

nhiễu dao động ký sinh trong tín hiệu của kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy.

2) Mô hình toán học của kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy mô tả các biến

đổi vật lý và quá trình đo diễn ra trong hệ thống có thể được thể hiện bằng biểu

thức (2.134), trong đó nhiễu dao động ký sinh được biểu diễn bằng biểu thức

(2.128). Mô hình này cho phép xem xét tác động đồng thời trong trạng thái động

của các yếu tố.

3) Nhiễu dao động ký sinh trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của

LA-FSM có đặc tính ngẫu nhiên biến đổi chậm (có phổ tần số siêu thấp), không phải

tạp trắng Gauss, không dừng (phương sai thay đổi theo thời gian) và có tính đột biến.

Mức độ ảnh hưởng của nhiễu dao động ký sinh (có tính đến sự cong đòn bẩy) đến độ

chính xác của LA-FSM là rất đáng kể, cỡ 1,5×10-4.

4) Việc nâng cao độ chính xác cho LA-FSM bằng áp dụng giải pháp xử lý

nhiễu dao động ký sinh cho tín hiệu kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy sẽ chính là

xây dựng một thuật toán lọc theo định dạng bộ lọc số IIR, đảm bảo phù hợp với mô

hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy và mô hình nhiễu này.

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

3.1. Cơ sở xây dựng giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh bằng thuật toán lọc

theo định dạng IIR

3.1.1. Xuất phát từ bài toán nâng cao độ chính xác cho LA-FSM

Xét LA-FSM với tư cách một hệ thống đo lường, việc nâng cao độ chính xác

cũng được thực hiện theo các giải pháp: loại bỏ hoặc giảm thiểu nguyên nhân gây ra

nhiễu trước khi đo, loại trừ hay giảm thiểu nhiễu trong quá trình đo, và giảm thiểu

ảnh hưởng của nhiễu đến kết quả đo.

Trong thực tiễn, các giải pháp đã được thực hiện theo 4 hướng chính sau:

1) Tối thiểu hoá nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh bằng giải

pháp chống nhiễm từ và khử điện tích trước mỗi phép đo. Đây thực chất là giải pháp

loại bỏ hoặc giảm thiểu nguyên nhân gây ra sai số trước khi đo.

Theo kết quả phân tích về sự hình thành của nhiễu dao động ký sinh kiểu con

lắc và kiểu bồng bềnh ở trên, đã chỉ ra sự tham gia của lực điện từ trong nhiễu này.

Mặc dù ảnh hưởng trực tiếp và tức thời của lực điện từ đến độ chính xác của hệ

thống là không lớn (đã xét ở mục 2.3.3, cỡ 1×10-7), song tác động của yếu tố này

lại có tính tích luỹ theo thời gian qua các lần đo nên ảnh hưởng của nó vẫn cần được

tính đến.

Trong các LA-FSM hiện nay, giải pháp nâng cao độ chính xác dựa theo yếu

tố này được thực hiện thông qua việc chế tạo các tải trọng từ vật liệu kém nhiễm từ

và các thiết kế đảm bảo thực hiện “khử từ” bằng kết nối “đất” cho các tải trọng trước

mỗi phép đo bằng chính bộ gá và giá đỡ các tải trọng.

Thật ra, khi thực hiện giải pháp này nhà thiết kế chưa hề có ý định tính đến

tác động lực điện từ trường trong mối quan hệ với nhiễu dao động ký sinh kiểu

con lắc và kiểu bồng bềnh, mà chỉ xét tương đối trong trạng thái tĩnh mà thôi. Tuy

vậy, bằng giải pháp này, ảnh hưởng nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu

bồng bềnh gây ra bởi lực điện từ trong quá trình đo sẽ được giảm thiểu và có thể được

bỏ qua.

2) Giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng

bềnh bằng bù trừ tác động của lực đẩy Acsimet. Đây cũng có thể được coi là giải

pháp giảm thiểu ảnh hưởng của sai số trong quá trình đo.

Từ kết quả phân tích ở trên, lực đẩy Acsimet là yếu tố có tác động lớn nhất

đến độ chính xác của hệ thống. Giải pháp nâng cao độ chính xác dựa theo yếu tố này

trong các LA-FSM hiện nay được thực hiện bằng đưa vào biểu thức toán học thể hiện

nguyên lý xây dựng hệ thống một hệ số hiệu chỉnh dưới dạng:













đp

 

  

  Q 

(3.1)



  1

m 

trong đó, - hệ số hiệu chỉnh; F2 - lực chuẩn đầu ra bên phía đòn bẩy;

F1 - lực tạo ra từ hệ tạo lực tải trọng; m - khối lượng tải trọng; gđp - gia tốc trọng

trường địa phương; ρa - khối lượng riêng của không khí; ρm - khối lượng riêng của

vật liệu tải trọng. Cơ sở của giải pháp bắt nguồn từ hệ thức toán học:



FF 





mF 









đp

V V

 

  

  

  

  Q 

(3.2)

trong đó, Fa - lực đẩy Acsimet.

Khi thực hiện giải pháp này nhà thiết kế cũng không trực tiếp hướng đến giảm

thiểu tác động của lực đẩy Acsimet trong mối quan hệ với nhiễu dao động ký sinh

kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh trong quá trình đo. Điều này được thấy rõ khi so sánh

biểu thức (3.2) với biểu thức (2.92).

Nói cách khác, giải pháp này thực chất chỉ là phép bù gần đúng, và cũng

được xét trong trạng thái tĩnh ở mức biên độ tác động, chưa xét đến tác động của

lực đẩy Acsimet trong mối quan hệ với nhiễu dao động ký sinh trong hệ tạo lực

tải trọng với tư cách là sắc thái động của hệ thống. Đối chiếu với dạng thức (2.114),

ta thấy rõ sự khác biệt là rất đáng kể. Chính vì vậy, với khả năng công nghệ chế

tạo hiện nay giải pháp này chỉ có thể đảm bảo cho LA-FSM đạt độ chính xác cỡ

1×10-4.

3) Giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu dao động ký sinh theo phương pháp bù giá

trị trung bình trong chu kỳ dao động của thành phần nhiễu hoặc sử dụng bộ lọc số

kiểu IIR cho DW-FSM. Đây là giải pháp giảm thiểu sai số trong quá trình đo.

Các giải pháp này thực hiện theo phương pháp tính gần đúng, được áp dụng

cho DW-FSM [25], [81]. Tuy vậy, giải pháp bù theo chu kỳ chỉ đạt hiệu quả khi

khoảng thời gian tính trung bình thay đổi phù hợp với sự thay đổi của chu kỳ dao

động của nhiễu cho từng GTTL. Mặt khác, nhiễu dao động ký sinh có trung bình khác

0, thay đổi theo thời gian và hàm chứa các thành phần ngẫu nhiên khác. Những điều

này dẫn tới việc tính giá trị trung bình sẽ không thật chính xác, và tạo nên sự phức

tạp cho hệ thống và quá trình đo.

Tương tự, bộ lọc số kiểu IIR cũng mới được áp dụng cho DW-FSM [81] với

ý tưởng giảm thiểu thành phần xoay chiều có trong kết quả đo. Việc áp dụng bộ lọc

số IIR cho LA-FSM chưa được thực hiện do chưa xác định được mô hình và đặc tính

của nhiễu, nên hiệu quả sẽ không cao.

4) Giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu bằng bù thành phần nhiễu do cong đòn bẩy

gây ra bởi tải trọng. Đây thực chất là giải pháp giảm thiểu sai số trong quá trình đo.

Giải pháp này đã được trình bày ở [47] và [48], và được thực hiện bằng sử

dụng gối điện tử H2 có dạng đặc biệt, có thêm cảm biến đo nhạy cảm với lực dọc trục

trong hệ truyền lực đòn bẩy. Theo đó, từ tín hiệu tỷ lệ với lực dọc trục cho phép đưa

vào lượng bù tương ứng với độ lớn của lực tải để bù lượng sai lệch do cong đòn bẩy



MlF 

lF 



gây ra bởi sức nặng của tải trọng, được thể hiện bằng biểu thức:





MlF 

lF 

đp

 

  

  l 

(3.3)

Lực chuẩn ở đầu ra khi này sẽ là:









đp

M l

 

  1 

 l  l 

(3.4)

ở đây, F2 - lực chuẩn đầu ra bên phía đòn bẩy; m - khối lượng tải trọng; g - gia tốc

trọng trường địa phương; ρa - khối lượng riêng của không khí; ρm - khối lượng riêng

của vật liệu tải trọng; l2 - chiều dài cánh tay đòn ngắn; l1 - chiều dài cánh tay đòn dài;

Mu - tổng các moment uốn ở gối đỡ đòn bẩy; ΔF2 - sai số tổng cộng của F2, không do

cong đòn bẩy.

Để bù thành phần sai số do cong đòn bẩy, một moment lực hiệu chỉnh Mhc do

lực hiệu chỉnh Fhc được tạo ra tỷ lệ với lực dọc trục tại H2, và được bổ sung cho

moment uốn tổng cộng M'u, tức là:







lFMMMM  hc 2

' u

(3.5)

sao cho moment uốn M'u bù trừ được sai số hệ thống, tức là khi này:









đp

M l

 

  1 

 l  l 

(3.6)

Các giá trị của lực hiệu chỉnh Fhc tương ứng với độ lớn của lực tải được mô tả

bằng một hàm đa thức (hiện nay vẫn chưa công bố tường minh), và được xác định từ

cơ sở dữ liệu thông qua phép hiệu chuẩn. Mặc dù có cải thiện về độ chính xác, nhưng

giải pháp này vẫn xem xét ở trạng thái tĩnh, chưa xem xét trong sự xếp chồng tác

động của các yếu tố ảnh hưởng khác. Do vậy, giải pháp này cùng với các giải pháp

cơ khí trước đó chỉ đảm bảo cho LA-FSM đạt độ chính xác đến 9×10-5.

Dựa vào cơ sở xây dựng và nguyên lý thực hiện đối với các giải pháp trên, ta

có thể rút ra nhận định sau:

- Các giải pháp nêu trên được thực hiện theo hướng trực tiếp tối thiểu hoá hoặc

bù sai số theo từng yếu tố tác động riêng lẻ.

- Các giải pháp này được thực hiện thông qua đưa vào các hệ số gần đúng cho

từng tham số, được xét trong trạng thái tĩnh, chưa xét trong trạng thái động với sự có

mặt của dao động ký sinh, hoặc xét đến ảnh hưởng của thành phần xoay chiều có

trong tín hiệu nhưng chưa thật sự phù hợp với đặc tính của nhiễu, vì vậy độ chính xác

chỉ đạt tới 9×10-5.

Cũng từ bài toán nâng cao độ chính xác đối với hệ thống đo lường có phép đo

lặp, phương pháp xử lý thông tin đo luôn được coi là giải pháp mạnh cho việc giảm

thiểu ảnh hưởng của nhiễu đến kết quả đo. Khi đó, bài toán nâng cao độ chính xác sẽ

hướng tới đưa vào hệ thống một hay nhiều bộ lọc.

Từ LA-FSM đang xét, kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy đã thực sự là một hệ

thống số thực hiện phép đo lặp, do vậy việc xây dựng thuật toán lọc theo phương

pháp xử lý thông tin đo dùng để lọc nhiễu cho tín hiệu của kênh là hoàn toàn có cơ

sở khoa học và phù hợp với điều kiện bài toán.

3.1.2. Xuất phát từ đặc tính của nhiễu dao động ký sinh trong LA-FSM

Nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh luôn tồn tại trong kênh

điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM. Đặc tính nổi bật của nhiễu này là:

- Dạng nhiễu ngẫu nhiên biến đổi chậm, không trắng Gauss, có phổ tần số

hữu hạn và siêu thấp. Với số liệu lấy từ máy chuẩn lực của Việt Nam LA-FSM

1MN, tần số cơ bản của nhiễu dao động ký sinh sẽ nằm trong dải từ 0,2426 Hz đến

0,3621 Hz.

- Kiểu không dừng do phương sai của nhiễu biến đổi theo thời gian. Đặc

tính này bắt nguồn từ sự tắt dần của dao động kiểu con lắc dưới tác động của lực

ma sát.

- Tính đột biến (có thành phần cưỡng bức - thành phần DC). Đặc tính này

bắt nguồn từ nguyên lý xây dựng hệ thống và công nghệ chế tạo.

Với các đặc tính này, các bộ lọc thông thường hay phép lọc áp dụng cho

nhiễu tạp trắng Gauss đều không còn phù hợp [11-14], [27], [49], [63], [69-70],

và trong trường hợp này bộ lọc số đệ quy theo định dạng IIR là phù hợp hơn cả.

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

Từ mô hình LA-FSM đang xét, trong đó hệ khuếch đại đòn bẩy có sử dụng 03

gối điện tử được điều khiển theo độ biến dạng. Khi phần biến đổi và xử lý tín hiệu

của kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy được thiết kế theo sơ đồ Hình 3.1, quá trình

)( ny

( nya

)

( nxb

)









thiết lập trạng thái cân bằng có thể mô hình hóa ở dạng:



1 



(3.7)

nx )(

N

/2 nF )(

với các hệ số a0 = 1, a1:S = -1, b0 = 1, b1:S-1 = 0, bS = -1.

Theo đó, quá trình xử lý tín hiệu và điều khiển cân bằng đòn bẩy được mô

tả bằng một phương trình sai phân hệ số hằng của bộ lọc số đệ quy IIR đối với

nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh. Do vậy, để xử lý nhiễu

này giải pháp sử dụng thuật toán lọc theo định dạng một bộ lọc số đệ quy IIR có

đặc tính phù hợp mô hình nhiễu dao động ký sinh là hợp lý.

Khi này, việc áp dụng thuật toán xử lý tín hiệu kênh điều khiển cân bằng

đòn bẩy theo định dạng bộ lọc số IIR (từ đây gọi tắt là “thuật toán lọc IIR”) đồng

nghĩa với việc đưa thêm vào kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM một

bộ lọc IIR mắc nối tiếp với bộ lọc IIR ban đầu (tức là nối với tín hiệu ra của kênh)

mà có các đặc tính mong muốn để xử lý nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và

XLTH

BĐĐL

KĐ

PLC Các bộ chỉ thị

I/O

AD Kênh 1 - H1

PC Tổng hợp tín hiệu & Thuật toán lọc nhiễu

Uđc

Kênh 2 - H2

Kênh 3 - H3

kiểu bồng bềnh.

Hình 3.1. Sơ đồ phần biến đổi tín hiệu của kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy.

Việc đưa thêm bộ lọc vào kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy sẽ làm thay đổi

đặc tính chung của hệ thống mà ở đây là đáp ứng xung và đáp ứng biên độ - tần số,

qua đó làm thay đổi chất lượng xử lý nhiễu dao động ký sinh. Khi đó, mô hình hệ

thống và mô hình phép xử lý nhiễu dao động ký sinh bằng bộ lọc số IIR được mô tả

như trên Hình 3.2 và Hình 3.3.

ΔFN

F2lc = GTTL ± Δ2

XL-CT I/O

∑ U∑

LOC Thuật toán lọc IIR

u2 u3

Xác định các thông số {y}IIR → 0 ΔF2đc

U(ΔF2đc )

ΔF2

HTLĐC

Hình 3.2. Mô hình hệ thống mô tả phép xử lý nhiễu dao động ký sinh diễn ra trong

x[n]

y’[n]

y’’[n]

IIR

IIR’

y[n]

h’[n]

h[n]

x2đc[n]

HTLĐC

kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM.

Hình 3.3. Mô hình phép xử lý nhiễu dao động ký sinh bằng bộ lọc số IIR

trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM.

Có nghĩa là, giả sử IIR là bộ lọc tự thân của kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy

ban đầu của LA-FSM, có phương trình sai phân hệ số hằng ở dạng (3.7). Bộ lọc bổ

)(' ny

(' knya

)

( knyb

)









sung IIR’ có phương trình sai phân hệ số hằng ở dạng tổng quát (Hình 3.3):



1 



(3.8)

với P và Q nhỏ hơn hoặc bằng S. Và trong trường hợp này, ta chọn P = Q = S.

Từ lý thuyết xử lý tín hiệu và lọc số, ta có:

(

)

khkh ).

(

)





(3.9)

)(kh

trong đó, - đáp ứng xung của bản thân kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy ban

)(' kh

đầu với tư cách là bộ lọc IIR, - đáp ứng xung của bộ lọc IIR’ cần xây dựng,

)(kh

còn - đáp ứng xung tổng hợp của kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy cải tiến

với tư cách như một bộ lọc tổng hợp nhằm đảm bảo đặc tính lọc nhiễu dao động ký

sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh cho LA-FSM.

Khi này, quá trình lọc nhiễu dao động ký sinh diễn ra trong kênh điều khiển

mới có thể diễn giải bằng toán học ở dạng:

)( ny

( knya

)

( knxb

)













1 

1. (3.10)

trong đó: a0 = 1, a1:S = -1, b0 = 1, b1:S-1 = 0, bS = -1;

nx )(

n )(

GTTL







n )(

)0(

)





kny ( 



(3.11)

x 2

đc

nF )( đc 2





)(' ny

)









(3.12)

(' knya 2

( knyb 2





1 

)(' ny

)

)( ny

)









2. (3.13)

(' knya 3

( knxb 3



1 



(3.14)

ny )('

ny )(





   Y

IIR

[

nx (

)]

(3.15)

)('' ny

)(' ny

)( ny

)('' ny











nx  

3. (3.16)    IIRY

Trong đó, (3.16) chính là tín hiệu được dùng để xác định “điểm 0” hay trạng thái cân

bằng đòn bẩy. Và ta sẽ có:

GTTL











đc

LOC



(3.17)

 F F

GTTL









đc

LOC



(3.18)

Khi đạt trạng thái cân bằng đòn bẩy, ta sẽ có được:

GTTL









đc

LOC



(3.19)



LOC

N  /2

LOC

2  /2

LOC

2  2



với , trong đó - là phương sai xác định điểm “0”

)('' ny

K2 - phương sai của sai lệch do các yếu tố khác. Biểu thức (3.19)

theo , còn

hoàn toàn đồng nhất với (2.4) tại mục 2.2 và thỏa mãn yêu cầu của bài toán.

Như vậy, lực chuẩn đầu ra khi này có giá trị bằng GTTL, và sẽ chịu một sai

)('' ny

lệch gần bằng phương sai xác định điểm “0” theo . Điều đó nói nên rằng,

nâng cao độ chính xác cho LA-FSM hoàn toàn có thể được thực hiện bằng áp

dụng một thuật toán lọc có định dạng bộ lọc số IIR để xử lý nhiễu dao động

ký sinh cho tín hiệu kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy. Khả năng của giải

pháp chỉ phụ thuộc vào chất lượng thiết kế bộ lọc IIR sao cho phù hợp với mô

hình kênh và mô hình nhiễu.

Nói cách khác, việc đưa vào kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-

FSM một bộ lọc số đệ quy làm biến đổi đặc tính chung của kênh về đặc tính lọc

nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh. Dựa trên mô hình toán

học của tín hiệu và nhiễu, bài toán nâng cao độ chính xác của LA-FSM khi này

đưa về tổng hợp bộ lọc IIR’ có đặc tính phù hợp.

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

3.2.1. Xác định tham số đặc tả của bộ lọc IIR’ dùng cho LA-FSM

Xét bài toán xử lý tín hiệu trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-

FSM tương ứng với LA-FSM 1MN của Việt Nam (để có số liệu của các tham số

trong bài toán mô phỏng). Theo đó, nhiễu dao động ký sinh phát sinh tại từng mức

thiết lập lực chuẩn đầu ra tương ứng với từng GTTL có mô hình toán học được mô

Bảng 3.1. Các tham số cơ bản tính cho LA-FSM 1MN của Việt Nam [71].

tả bằng phương trình (2.128) và các tham số được nêu trong Bảng 3.1.

Giá trị Ghi chú Ký hiệu Đơn vị Tên tham số và điểm kiểm tra

0

Biên độ dao động ban đầu rad rand(1,1)*0,03*2*pi/360 Số liệu giả định hợp lý

m kg/m3

7950 Tỷ trọng của vật liệu tải trọng Số liệu thiết kế được công bố

a kg/m3

1,194774 Tỷ trọng của không khí địa phương Số liệu đo đạc được công bố

m/s2 9,78664322 Gia tốc trọng trường địa phương Số liệu đo đạc được công bố

Giá trị Ghi chú Ký hiệu Đơn vị Tên tham số và điểm kiểm tra

m/s2 0,0001 Số liệu giả định Gia tốc chuyển động đòn bẩy tại H1

m Chiều dài cánh tay đòn dài 1,260 Số liệu thiết kế được công bố

m Chiều dài cánh tay đòn ngắn 0,126 Số liệu thiết kế được công bố

m Số liệu thiết kế 1,764 Chiều dài tay đòn moment lực tại H1

m Số liệu thiết kế 0,630 Chiều dài tay đòn moment lực tại H2

Khối lượng tải trọng tại điểm kiểm tra

GTTL = 20 000 N 204,390824

GTTL = 100 000 N 1021,956124 m kg

GTTL = 200 000 N 2043,910874 Số liệu lấy cho 5 mức trong dải giá trị thiết lập GTTL = 500 000 N 5109,773642

GTTL = 1 000 000 N 10219,561437

Chiều dài quang treo - tâm khối tải trọng

GTTL = 20 000 N 1,890

tql 

GTTL = 100 000 N 2,014 m

GTTL = 200 000 N 2,390 Số liệu lấy cho 5 mức trong dải giá trị thiết lập GTTL = 500 000 N 2,890



GTTL = 1 000 000 N 4,212

Góc pha đầu rad rand(1,1)*2*pi Số liệu hợp lý

Góc lệch do sự cong đòn bẩy

GTTL = 20 000 N 0,0001*2*pi/360

acong

GTTL = 100 000 N 0,0002*2*pi/360 rad GTTL = 200 000 N 0,0003*2*pi/360

GTTL = 500 000 N 0,001*2*pi/360 Số liệu giả định lấy cho 5 mức trong dải giá trị thiết lập

GTTL = 1 000 000 N 0,002*2*pi/360

blech

Góc lệch do lệch trục tải rad rand(1,1)*0,001*2*pi/360 Số liệu giả định hợp lý

Hình 3.4. Nhiễu dao động ký sinh trong LA-FSM 1MN ứng với tải nhỏ nhất (sử dụng quả tải thứ nhất).

Khi đó, nhiễu dao động ký sinh trong trường hợp này có tần số cơ bản

khoảng (0,2426 ÷ 0,3621) Hz và gây ra một lượng sai số về lực chuẩn đầu ra cỡ

(1,25 ÷ 1,35) ×10-4. Một trong những thể hiện của nhiễu dao động ký sinh trong kênh

nx )(

n )(



điều khiển cân bằng đòn bẩy tương ứng với các giá trị thiết lập có

thể được mô tả theo đặc tính biên độ - thời gian (dạng) và theo đặc tính biên độ - tần

số (cấu trúc phổ) của nó như Hình 3.4 và Hình 3.5.

Từ bài toán xử lý tín hiệu trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-

FSM có thể được thiết lập với mô hình toán học tuân theo biểu thức (3.7), tức là có

định dạng một bộ lọc số IIR bậc S, ta có thể mô tả cấu trúc kênh như trên Hình 3.6.

Hình 3.5. Nhiễu dao động ký sinh trong LA-FSM 1MN ứng với tải toàn phần (sử dụng toàn bộ 26 quả tải).

Hình 3.6. Mô hình cấu trúc bộ lọc số IIR bậc S tương ứng với cấu trúc ban đầu của kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM.

Cũng từ đây, bằng phần mềm MATLAB ta có thể mô phỏng để thấy rõ được các

đặc tính cơ bản của kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy với tư cách là một bộ lọc số IIR đối

với nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh. Kết quả của các mô phỏng này

sẽ làm cơ sở để đưa ra phương án cần thiết cho việc xây dựng bộ lọc bổ sung.

Dựa vào mô hình toán học của kênh và nhiễu, ta có thể xác định đặc tính và

tham số đặc trưng của kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy với tư cách bộ lọc IIR bằng

phương pháp mô phỏng trên phần mềm MATLAB theo thuật toán:

b = [1 zeros (N-1,1)’ -1];

a = [1 -1*ones (N-1,1)’ -1];

iir = dsp.IIRFilter (‘Num.’, b, ‘Den.’,a);

Hình 3.7. Đáp ứng biên độ và đáp ứng pha của kênh tương ứng với bộ lọc số IIR ban đầu.

Hình 3.8. Đáp ứng xung và trễ nhóm của bộ lọc số IIR ban đầu.

Hình 3.9. Đồ thị điểm cực và điểm không của bộ lọc số IIR ban đầu.

Hình 3.10. Đặc tính và tham số cơ bản của bộ lọc số IIR ban đầu.

)(ny

Và một thể hiện của nhiễu dao động ký sinh và tín hiệu đầu ra của kênh

điều khiển cân bằng đòn bẩy với tư cách là kết quả của phép lọc bằng bộ lọc số IIR

)

( ộ đ n ê B

)

( ộ đ n ê B

)

( ộ đ

n ê B

)

( ộ đ n ê B

ban đầu có dạng như trên Hình 3.11.

Hình 3.11. Tín hiệu kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy ban đầu.

Hình 3.12. Tín hiệu ra từ bộ lọc IIR ban đầu ứng với tải nhỏ nhất.

Hình 3.13. Tín hiệu ra từ bộ lọc IIR ban đầu ứng với tải toàn phần.

Từ kết quả mô phỏng cho thấy, quá trình xử lý tín hiệu trong kênh điều khiển

cân bằng đòn bẩy của LA-FSM có dạng một bộ lọc số đệ quy IIR đối với nhiễu dao

động ký sinh, song hiện tại nó không được thiết kế cho mục đích triệt nhiễu này. Do

đó, tín hiệu ra của kênh vẫn gần như giữ nguyên vẹn cả về độ lớn và cấu trúc phổ của

nhiễu dao động ký sinh ban đầu.

Để đảm bảo khả năng lọc nhiễu dao động ký sinh, kênh điều khiển cân bằng

đòn bẩy cần thiết phải bổ sung bộ lọc IIR’, có đặc tính lọc tốt hơn và phù hợp với đặc

tính của nhiễu. Căn cứ vào tham số đặc tính của nhiễu và số liệu thiết kế của LA-FSM

1MN [71], bộ lọc IIR’ cần được xây dựng sao cho đảm bảo khả năng xử lý nhiễu dao

động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh đạt hiệu quả cao hơn và phù hợp với

nguyên lý thiết kế cấu trúc của LA-FSM. Theo đó, các tham số đặc tả của bộ lọc IIR’

cần đạt được như Bảng 3.2.

Tham số đặc tả

Lựa chọn

Lý do lựa chọn

Lọc thông

Nhiễu dao động ký sinh có

thấp IIR

phổ tần số tập trung ở dải tần

Kiểu bộ lọc

số siêu thấp

Tần số giới hạn dải thông, Hz

Tới thành phần nhiễu 1/100

Tần số giới hạn dải chắn, Hz

Tới thành phần nhiễu 1/1000

0,1

Độ gợn dải thông, dB

Tham số điển hình

- 80

Độ suy hao dải chắn, dB

Tham số điển hình

100

Tần số lấy mẫu, Hz

Theo LA-FSM 1MN tại Việt Nam

Bảng 3.2. Thiết lập các tham số đặc tả của bộ lọc IIR’.

Từ các tham số đặc tả này, ta có thể xác định các tham số đặc tính bao gồm

các đáp ứng cơ bản, các hệ số của hàm truyền của bộ lọc IIR’.

3.2.2. Xác định đặc tính và cấu trúc của bộ lọc IIR’ dùng cho LA-FSM

Từ mô hình tín hiệu ở trên, bằng phương pháp mô phỏng trên phần mềm

MATLAB ta có thể xác định các tham số đặc tính của bộ lọc IIR’ dùng cho xử lý tín

hiệu kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM dựa trên các phương pháp tổng

hợp bộ lọc số IIR điển hình.

Để lựa chọn phương pháp thiết kế cho phù hợp và hiệu quả, ta thực hiện mô

phỏng đồng thời với 4 phương pháp điển hình, gồm Elliptic, Butterworth, Chebyshev

I và Chebyshev II ứng với các tham số đặc tả đã được xác định như trên. Kết quả mô

phỏng nhận được về các đặc tính cơ bản của bộ lọc IIR’ có thể được mô tả trên các

hình vẽ dưới đây.

+ Đối với các đáp ứng cơ bản:

Đáp ứng biên độ (dB)

-20

-40

Elliptic Butterworth Chebyshev Type I Chebyshev Type II

-60

-80

-100

Tần số (Hz)

Đáp ứng pha

-5

-10

-15

-20

-25

-30

Elliptic Butterworth Chebyshev Type I Chebyshev Type II

-35

Tần số (Hz)

Đáp ứng xung

0.1

Elliptic Butterworth Chebyshev Type I Chebyshev Type II

0.05

-0.05

1.5

0.5

3.5

4.5

2.5 Thời gian (s) Hình 3.14. Các đáp ứng cơ bản của bộ lọc IIR’ ứng với 4 phương pháp.

Đặc tính trễ nhóm

150

Elliptic Butterworth Chebyshev Type I Chebyshev Type II

100

Tần số (Hz) Đồ thị điểm cực / điểm không

0.5

-0.5

Elliptic: Zero Elliptic: Pole Butterworth: Zero Butterworth: Pole Chebyshev Type I: Zero Chebyshev Type I: Pole Chebyshev Type II: Zero Chebyshev Type II: Pole

-1

-2

-1.5

-1

-0.5

0.5

1.5

0 Re[Z]

+ Đối với đặc tính ổn định:

Hình 3.15. Các đặc tính ổn định của bộ lọc IIR’

ứng với các phương pháp thiết kế khác nhau.

+ Đối với đặc tính cấu trúc:

Hình 3.16. Các tham số đặc tính cấu trúc.

+ Đối với khả năng lọc:

Khả năng xử lý nhiễu được thể hiện qua tín hiệu ra của bộ lọc IIR’ được bổ

sung như mô tả trên Hình 3.17 - Hình 3.20.

Hình 3.17. Khả năng lọc của bộ lọc IIR’

ứng với tải nhỏ nhất (khi sử dụng quả tải đầu tiên).

Hình 3.18. Khả năng lọc của bộ lọc IIR’

ứng với tải toàn phần (khi sử dụng toàn bộ 26 quả tải).

Hình 3.19. Tín hiệu ra của bộ lọc IIR’ đối với tải nhỏ nhất.

Hình 3.20. Tín hiệu ra của bộ lọc IIR’ với tải toàn phần.

Kết quả mô phỏng trên cho phép đánh giá và so sánh đặc tính của bộ lọc IIR’

được tổng hợp theo các phương pháp điển hình, từ đó có thể nhận định và đưa ra

phương án lựa chọn hợp lý cho xử lý nhiễu dao động ký sinh. Theo đó:

+ Về đáp ứng lọc: Các bộ lọc IIR’ được tổng hợp theo 4 phương pháp như

trên đều đáp ứng yêu cầu đặt ra của bài toán xử lý nhiễu dao động ký sinh kiểu con

lắc và kiểu bồng bềnh của LA-FSM.

Theo đó, các bộ lọc IIR’ được tổng hợp theo 4 phương pháp đều có đáp ứng

biên độ và đáp ứng xung (Hình 3.14) phù hợp với các tham số của bài toán lọc đang

cần thiết kế. Đồng thời, các bộ lọc IIR’ được tổng hợp như trên đều đảm bảo tính ổn

định vì đều có các điểm cực nằm trong vòng tròn đơn vị (Hình 3.15), do đó nó đảm

bảo tính ổn định của quá trình xử lý nhiễu dao động ký sinh.

Đặc tính pha phi tuyến là đặc tính chung của bộ lọc IIR, còn đặc tính trễ nhóm

(Hình 3.15) thể hiện tác động của yếu tố phức tạp về cấu trúc của bộ lọc.

Dựa vào tốc độ hội tụ, thời gian tính toán (Hình 3.17 - Hình 3.20) thì khả

năng lọc nhiễu dao động ký sinh tốt nhất thuộc về bộ lọc IIR’ được tổng hợp bằng

phương pháp Elliptic và Chebyshev II.

+ Về cấu trúc: Bộ lọc IIR’ được tổng hợp theo các phương pháp này đều có

cấu trúc phức tạp kiểu phân tầng (cascade), được tích hợp bởi nhiều tầng lọc IIR bậc

2 mắc nối tiếp. Trong đó, bộ lọc tổng hợp theo phương pháp Elliptic có số lượng tầng

ít nhất - 4 tầng, còn theo phương pháp Butterworth có số tầng nhiều nhất - 12 tầng

(Hình 3.16). Điều này bắt nguồn từ yêu cầu và khả năng của bộ lọc so với đặc tính

ngẫu nhiên không trắng Gauss, không dừng, biến đổi chậm với dải tần số siêu thấp

của nhiễu dao động ký sinh.

+ Về tính khả thi: Tính khả thi của bộ lọc IIR’ được tổng hợp theo 4 phương

pháp nêu trên được quy định bởi độ phức tạp về cấu trúc, mức độ yêu cầu về dung lượng

xử lý và thời gian tính toán đưa ra số liệu cuối cùng. Các yếu tố này có thể dễ dàng thỏa

mãn khi phép lọc được thực hiện trên máy tính. Tuy vậy, trong trường hợp này bộ lọc

IIR’ được tổng hợp theo phương pháp Elliptic có tính khả thi hơn cả.

Khi này, dạng cấu trúc và các hệ số của hàm truyền của bộ lọc IIR’ cần xây

dựng cũng được xác định tường minh. Theo đó:



+ Đối với bộ lọc IIR được tổng hợp theo phương pháp Elliptic:

Tầng 1:

Tử số: [1, - 1.7566683372179872, 1]

Mẫu số: [1, -1.8338261111873586, 0.91536560450136939]

Hệ số khuếch đại: 0.5116161746498874

 Tầng 2:

Tử số: [1, -1.5477484139478537, 1]

Mẫu số: [1, -1.7962210680338826, 0.84447069934384467]

 Tầng 3:

Hệ số khuếch đại: 0.34456065748601111

Tử số: [1, -0.064033798006648684, 1]

Mẫu số: [1, -1.7679604475255564, 0.78659156692984067]

 Tầng 4:

Hệ số khuếch đại: 0.17904033121285035

Tử số: [1, -1.8068182360523095, 1]

Mẫu số: [1, -1.8727628511377965, 0.97399257045491938]

Hệ số khuếch đại: 0.005646840777916824

Hệ số khuếch đại chung: 1.

 Tầng 1:

+ Đối với bộ lọc IIR được tổng hợp theo phương pháp Chebyshev II:

Tử số: [1, -1.7485950542941957, 1]

Mẫu số: [1, -1.8025062443413653, 0.93696327301922866]

 Tầng 2:

Hệ số khuếch đại: 0.5348225282537038.

Tử số: [1, -1.7132116937148683, 1]

Mẫu số: [1, -1.6790931314852853, 0.81423893318823981]

 Tầng 3:

Hệ số khuếch đại: 0.47123888506314981.

Tử số: [1, -1.6207641789012517, 1]

Mẫu số: [1, -1.5418606694042214, 0.68563346179721096]

 Tầng 4:

Hệ số khuếch đại: 0.37911184649287916.

Tử số: [1, -1.3959068220454631, 1]

Mẫu số: [1, -1.3894825728828883, 0.54807629463924523]

Hệ số khuếch đại: 0.26253188670886185.

 Tầng 5:

Tử số: [1, -0.75832381924039571, 1]

Mẫu số: [1, -1.2410318562058367, 0.41678430345472739]

 Tầng 6:

Hệ số khuếch đại: 0.14154451053524508.

Tử số: [1, 1.785487532710421, 1]

Mẫu số: [1, -1.1427209234375209, 0.3306764373541492]

Hệ số khuếch đại: 0.059132493633518537.

Hệ số khuếch đại chung: 1.

Nói cách khác, thuật toán lọc IIR dùng cho LA-FSM được xây dựng dựa trên

mô hình bộ lọc số IIR’ được tổng hợp theo phương pháp Elliptic là tối ưu về cấu trúc,

chất lượng lọc và tốc độ xử lý đáp ứng yêu cầu của bài toán xử lý nhiễu dao động ký

sinh trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM và đảm bảo sát với điều

kiện thực tế hơn.

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

Xây dựng thuật toán lọc IIR dựa theo mô hình bộ lọc số IIR là lựa chọn dạng

thức cấu trúc phù hợp và xác định hàm truyền tối ưu của nó trên cơ sở các tham số

đặc tính đã được xác định ở trên.

Theo lý thuyết, quá trình lọc của bộ lọc số IIR bậc N có thể được biểu diễn





bằng biểu thức toán học trong miền thời gian ở dạng:

  ny

   . knxkb



   . nyka







1 





(3.20)

  ny

 nx

 ny

  khk .

   . khk b





1 

hay (3.21)

Khi thực hiện biến đổi Z, quá trình này có thể được biểu diễn bằng tích của tín

hiệu đầu vào X(z) và hàm biến đổi H(z), ở dạng:

zY )(

zHzX ). )(

(

zX (



zB )( )( zA



  . zkb





(3.22) ,

)( zH



0 N



)( zB zA )(



  . zka

1 

(3.23)

được gọi là các hệ số của tử số và mẫu số của hàm truyền; Ở đây,  kb và  ka

N- số bậc của bộ lọc. Khi này, sơ đồ cấu trúc tổng quát của bộ lọc số IIR có thể được

mô tả như trên Hình 3.21.

Cũng theo lý thuyết, việc thiết kế bộ lọc số IIR có thể được thực hiện theo các

dạng thức cấu trúc khác nhau, trong đó sử dụng phổ biến nhất là:

- Dạng thức DR (Direct Realization);

- Dạng thức DTR (Direct Transpose Realization);

- Dạng thức DCR (Direct Canonical Realization);

- Dạng thức DTCR (Direct transpose Canonical Realization);

- Dạng thức CR (Cascade Realization).

Hình 3.21. Sơ đồ cấu trúc dạng tổng quát của bộ lọc số IIR.

Căn cứ vào kết quả phân tích và mô phỏng, để đáp ứng yêu cầu xử lý nhiễu

dao động ký sinh cho kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM, phương án lựa

chọn xây dựng thuật toán lọc theo mô hình bộ lọc IIR’ được tổng hợp từ phương pháp

Elliptic là phù hợp hơn cả. Theo đó, bộ lọc IIR’ được thiết kế theo cấu trúc dạng CR,

tức là cấu trúc đa tầng với tầng lọc IIR bậc 2.

Nói cách khác, với các tham số đặc tính đã lựa chọn, bộ lọc IIR’ dùng cho LA-

 Phương pháp Elliptic;

 Cấu trúc CR với 4 tầng bậc 2.

FSM để xử lý nhiễu dao động ký sinh sẽ được thiết kế tuân theo:



Khi này, hàm truyền của bộ lọc IIR’ cần xây dựng được biểu diễn ở dạng:

zH )(











1 

1 1

b a

z ].1[ z ].1[

b a

z ].2[ ].2[ z

 

  

  

(3.24)

][zHi

ig - hệ số khuếch đại riêng cho tầng lọc thứ i (hằng số);

0g - hệ số khuếch đại chung;

Ở đây: - hàm truyền của tầng lọc thứ i;

][kai

- hệ số của phần đệ quy của tầng lọc IIR thứ i;

][kbi

- hệ số của phần không đệ quy của tầng lọc IIR thứ i.

Và khi tầng lọc IIR bậc 2 được thiết kế theo cấu trúc DCR ở dạng:

Hình 3.22. Sơ đồ mô tả tầng lọc bậc 2 với cấu trúc DCR.

Sơ đồ cấu trúc tổng thể của bộ lọc IIR’ cần xây dựng được mô tả như trên Hình 3.23.

Hình 3.23. Sơ đồ cấu trúc bộ lọc IIR’

dùng cho xử lý tín hiệu kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy được thiết kế.

 Tầng 1:

Theo đó, hàm truyền của các tầng lọc khi này là:

]

[1,

1.75666833

72179872,

kb [1

;

]

[1,

1.83382611

11873586,

0.91536560

450136939]

ka [1

;

0.51161617

46498874

1 g

1 



0.51161617

46498874

179872

)



  zH 1

z 2 

-1

1.83382611

.11(* 7566683372  1- z* 11873586

9153656045

z  0136939

*1 z *



 Tầng 2 :

;

[1,

1.54774841

39478537,

kb ][2

;

]

[1,

1.79622106

80338826,

0.84447069

934384467]

ka

;

0.34456065

748601111

2 g

;



0.34456065

748601111

478537

)



  zH 2

-1

1.79622106

80338826

8444706993

z z *1 *  2  4384467 z *

5477484139 .11( *  1- z* 

 Tầng 3:

]

[1,

0.06403379

8006648684

1] ,

kb [3

;

]

[1,

1.76796044

75255564,

0.78659156

692984067]

ka

;

0.17904033

121285035

3 g



121285035

06648684

)



  zH 3

0640337980 1-

0.17904033 -1

1.76796044

.01(*  75255564 z*

7865915669

* 2984067

 *

*1 2  z



 Tầng 4:

;

]

[1,

1.80681823

60523095,

kb [4

;

]

[1,

1.87276285

11377965,

0.97399257

045491938]

ka

;

0.00564684

0777916824

4 g



0.00564684

0777916824

523095

)



  zH 4

-1

1.87276285

11377965

.11(*  1- z*

9739925704

* 5491938

z *1  2  z *

8068182360 

10 g .

;



zH )(





1 



  g

1 

1 1

b i a

].1[ ].1[

z z

b i a

].2[ ].2[

z z

 









1 1

   [1]. [1].

z z

z [2]. z [2].

1 1

   b [1]. a [1].

z z

b 2 a

z [2]. z [2].

 

b 1 a 1



Và (3.24) có thể được khai triển ở dạng:





1 1

b 3 a

].1[ ].1[

z z

b 3 a

].2[ ].2[

z z

1 1

b 4 a

].1[ ].1[

z z

b 4 a

].2[ ].2[

z z

 

(3.25)

Khi này, hàm lọc của bộ lọc IIR’ được mô tả theo toán học có dạng:

ny [

].1

ny [

].2











gny ]. [ 1

bg ]1[. 11

bg ]2[. 11

ny [ 1

a ].1 ]1[ 1

ny [ 1

a ].2 ]2[ 1

ny ][ 1

(3.26)

].1

].2

]2[

]1[

]2[











gny ]. [ 1

ny [ 1

bg ]1[. 2 2

ny [ 1

bg . 1 2

ny [ 2

a ].1 2

ny [ 2

a ].2 2

ny ][ 2

].1

].2











(3.27)

gny ]. [ 2 3

ny [ 2

bg ]1[. 33

ny [ 2

bg ]2[. 33

ny [ 3

a ].1 ]1[ 3

ny [ 3

a ].2 ]2[ 3

ny ][ 3

].2







(3.28)

gny ].[ 3 4

].1[ ny  3

bg ]1[. 44

ny [ 3

bg ]2[. 44

].1[ ny a ]1[  4 4

ny [ 4

a ].2 ]2[ 4

ny ][ 4

(3.29)

ny ]['



gny ]. [ 4

. (3.30)

Hình 3.24. Mô hình phép xử lý nhiễu dao động ký sinh bằng

áp dụng bộ lọc số IIR trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM.

Như vậy, bộ lọc IIR’ cần xây dựng có sơ đồ cấu trúc như Hình 3.23, hàm

truyền có dạng (3.25) và hàm lọc có dạng (3.26) ÷ (3.30). Theo đó, bộ lọc được

xây dựng có cấu trúc phân tầng kiểu CR (cascade) với 4 tầng lọc bậc 2 DCR. Dựa

vào cấu trúc và hàm truyền, ta hoàn toàn xây dựng được chương trình tính toán

trên máy tính. Khi này, mô hình xử lý nhiễu dao động ký sinh trong kênh điều

khiển cân bằng đòn bẩy cho LA-FSM đã được nêu ở Hình 3.3 sẽ được mô tả cụ thể

hơn theo Hình 3.24.

3.3. Hiệu quả xử lý nhiễu dao động ký sinh khi áp dụng thuật toán lọc IIR

3.3.1. Khả năng giảm thiểu sai số do nhiễu dao động ký sinh

Khả năng giảm thiểu sai số do nhiễu dao động ký sinh trong trường hợp này

chính là sai số xác định điểm cân bằng của đòn bẩy, tức là xác định “điểm 0” theo tín

)('' ny

)( ny

hiệu ra thay cho theo sơ đồ Hình 3.3.

Khi áp dụng giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh bằng thực hiện thuật toán

lọc IIR’ theo phương pháp tổng hợp Elliptic với cấu hình phân tầng 4 lớp (cascade)

và hàm truyền như biểu thức (3.25), quá trình lọc nhiễu được diễn ra đối với tín hiệu

)( ny

xác định trạng thái cân bằng trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy. Do

vậy, khả năng giảm thiểu sai số do nhiễu dao động ký sinh có thể được đánh giá thông

qua trực tiếp phương sai hoặc gián tiếp qua mức suy giảm nhiễu sau khi áp dụng bộ

lọc IIR cho kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy.

100

Để đơn giản cho tính toán mà không làm mất đi bản chất của nó, trong trường

hợp này mức suy giảm nhiễu có thể được xem là tỷ số của các giá trị trung bình của

biên độ tín hiệu khi chưa áp dụng và khi đã áp dụng bộ lọc IIR’.

Sau đây là một số kết quả mô phỏng:

Hình 3.25. Kết quả xử lý nhiễu dao động ký sinh ở mức tải 20 000 N.

Hình 3.26. Kết quả xử lý nhiễu dao động ký sinh ở mức tải 100 000 N.

101

Hình 3.27. Kết quả xử lý nhiễu dao động ký sinh ở mức tải 200 000 N.

Hình 3.28. Kết quả xử lý nhiễu dao động ký sinh ở mức tải 500 000 N.

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).

102

Kết quả mô phỏng thể hiện trên Hình 3.25 đến Hình 3.29 cho thấy rằng:

- Khả năng xử lý nhiễu dao động ký sinh của bộ lọc IIR’ luôn ổn định ngay cả

khi biên độ và tần số của nhiễu khác nhau (tương ứng với mức tải).

- Tốc độ suy giảm nhiễu dao động ký sinh cho tín hiệu xác định trạng thái cân

bằng là khá nhanh ngay cả với đặc tính phức tạp của nhiễu.

Điều này cho phép rút ra nhận định rằng: Thuật toán lọc được xây dựng theo

định dạng của bộ lọc số IIR được thiết kế theo phương pháp Elliptic với dạng thức

cấu trúc CR gồm 4 tầng lọc như trên hoàn toàn phù hợp với đặc tính của nhiễu và bài

toán xử lý nhiễu dao động ký sinh trong kênh điều khiển đòn bẩy của LA-FSM.

Mức suy giảm nhiễu có thể được đánh giá bằng mô phỏng ở dạng:

Hình 3.30. Mức suy giảm nhiễu dao động ký sinh ở mức tải 20 000 N.

Hình 3.31. Mức suy giảm nhiễu dao động ký sinh ở mức tải 100 000 N.

Tín hiệu ra y(n) khi chưa bổ sung bộ lọc IIR'

24.436

gttl = 200 000 N; m = 2043.910874 kg; g = 9.78664322 m/s2; fo = 0.3220 Hz

)

24.434

24.432

( ộ đ n ê B

24.43

b = [1 zeros(N-1,1)' -1]; a = [1 -1*ones(N-1,1)' -1]; iir = dsp.IIRFilter('Num.',b,'Den.',a); y = iir(x);

24.428

100

Tín hiệu ra y''(n) sau bộ lọc IIR'

0.511

)

0.5105

( ộ đ n ê B

[z,p,k] = ellip(n,Rp,Rs,Fs,'low'); gk = [g1 g2 g3 g4 g5 ]; Hd = dfilt.df2sos(b1,a1,b2,a2,b3,a3,b4,a4,gk); y' = filter(Hd,y); y'' = y - y';

0.51

100

50 60 Thời gian (s)

103

Tín hiệu ra y(n) khi chưa bổ sung bộ lọc IIR'

63.18

gttl = 500 000 N; m = 5109.773642 kg; g = 9.78664322 m/s2; fo = 0.2929 Hz

)

63.17

63.16

( ộ đ n ê B

63.15

b = [1 zeros(N-1,1)' -1]; a = [1 -1*ones(N-1,1)' -1]; iir = dsp.IIRFilter('Num.',b,'Den.',a); y = iir(x);

63.14

100

Tín hiệu ra y''(n) sau bộ lọc IIR'

1.322

)

1.32

( ộ đ n ê B

1.318

[z,p,k] = ellip(n,Rp,Rs,Fs,'low'); gk = [g1 g2 g3 g4 g5 ]; Hd = dfilt.df2sos(b1,a1,b2,a2,b3,a3,b4,a4,gk); y' = filter(Hd,y); y'' = y - y';

100

50 60 Thời gian (s)

Hình 3.32. Mức suy giảm nhiễu dao động ký sinh ở mức tải 200 000 N.

Tín hiệu ra y(n) khi chưa bổ sung bộ lọc IIR'

134.7365

gttl = 1000 000 N; m = 10219.561437 kg; g = 9.78664322 m/s2; fo = 0.2426 Hz

)

134.736

(

ộ đ

134.7355

n ê B

134.735

b = [1 zeros(N-1,1)' -1]; a = [1 -1*ones(N-1,1)' -1]; iir = dsp.IIRFilter('Num.',b,'Den.',a); y = iir(x);

134.7345

100

Tín hiệu ra y''(n) sau bộ lọc IIR'

2.81635

2.8163

)

(

2.81625

ộ đ

2.8162

n ê B

2.81615

[z,p,k] = ellip(n,Rp,Rs,Fs,'low'); gk = [g1 g2 g3 g4 g5 ]; Hd = dfilt.df2sos(b1,a1,b2,a2,b3,a3,b4,a4,gk); y' = filter(Hd,y); y'' = y - y';

100

50 60 Thời gian (s)

Hình 3.33. Mức suy giảm nhiễu dao động ký sinh ở mức tải 500 000 N.

Hình 3.34. Mức suy giảm nhiễu dao động ký sinh ở mức tải 1 000 000 N.

104

Bảng 3.3. Mức suy giảm nhiễu dao động ký sinh.

Mức suy giảm sau 10 giây

Tần số Mức tải, Biên độ nhiễu Biên độ nhiễu STT cơ bản, msg = N lớn nhất trước lớn nhất sau khi Hz A0loc/Aloc khi lọc, A0loc lọc, Aloc

20 000 0,3621 2,389 1 0,049 47,8

100 000 0,3508 12,214 2 0,255 47,8

200 000 0,3220 24,431 3 0,511 47,8

500 000 0,2929 63,158 4 1,322 47,8

1 000 000 0,2426 134,735 5 2,816 47,8

Như vậy, khi áp dụng bộ lọc IIR’ chỉ sau 10 giây mức nhiễu dao động ký sinh

có trong tín hiệu xác định trạng thái cân bằng đã được suy giảm 47,8 lần.

Từ (3.19), phương trình lực chuẩn được tạo ra trong hệ tạo lực đòn bẩy khi

GTTL



đòn bẩy ở trạng thái cân bằng sẽ là:

lcF

LOC



. (3.31)

LOC

N /2

LOC

2  /2

LOC

2  2

 2 



với , trong đó: - là phương sai xác định điểm “0” theo

)('' ny

K2 - phương sai của các sai lệch do các yếu tố khác.

Theo đó, khi LA-FSM đã được hiệu chuẩn định kỳ theo quy định, phương sai

K2

của các sai lệch do các yếu tố khác không liên quan đến nhiễu dao động ký sinh

được xác định theo các thành phần như nêu trong Bảng 3.4 (theo phân tích từ Chương

1 và [38], [48], [50]).

105

Yếu tố gây sai lệch

Ký hiệu Mức sai lệch

Nguồn dữ liệu

tích ở

1×10-6

12K

Sai lệch tỷ lệ khuếch đại đòn bẩy do gia công lắp đặt

Đã phân Chương 1.

tích ở

2,5×10-6

22K

Sai lệch do thành phần lực xuyên chéo, nhỏ hơn

Đã phân Chương 1.

Sai lệch do thiết lập phương ngang

Đã phân

tích ở

1,37×10-7

32K

của bàn trượt, nhỏ hơn

Chương 1.

Sai số lượng tử của XL-CT (với Fs

Khả năng công nghệ

1× 10-6

42K

= 100 Hz), nhỏ hơn

hiện nay.

Sai lệch do sự phi tuyến của BĐĐL,

Khả năng công nghệ

52K

nhỏ hơn

1×10-5

hiện nay.

3×10-5

62K

Sai lệch do hệ tạo lực điều chỉnh, nhỏ hơn.

Khả năng công nghệ hiện nay.

Bảng 3.4. Các thành phần sai lệch do các yếu tố khác.

K2 được xác định bằng:

  2 K

2 2

 

5  102,3







Khi đó,

 26  101 



 26  105,2 



 27  10 37,1 



 26  101 



 25  101 



 25  103 



N/2 (bao

Khi phương sai của thành phần sai lệch do nhiễu dao động ký sinh

gồm các ảnh hưởng của lực đẩy Acsimet, sự cong đòn bẩy, các dao động và moment ký

sinh) theo (2.134) được xác định (qua mô phỏng và lấy ở mức lớn nhất có thể) gần bằng

2 khi chưa áp dụng bộ lọc IIR’ được xác định bằng:

24  )10

2,3(

25  )10

4,1

4  10

35,1( 









2  N /2

2 2

1,35×10-4. Do vậy,

Điều này có nghĩa là, khi chưa áp dụng bộ lọc IIR’ và cũng chưa áp dụng giải

pháp gần đúng đối với hệ số tỷ trọng và giải pháp gần đúng đối với sự cong đòn bẩy

nêu ở mục 3.1.3, sai số của hệ thống có thể tính được bằng 1,4×10-4.

Khi áp dụng giải pháp gần đúng đối với hệ số tỷ trọng và giải pháp gần đúng

đối với sự cong đòn bẩy nêu ở mục 3.1.3, sai số của hệ thống hiện tại được công bố

khoảng từ 9×10-5 (ở Ấn độ [38]) đến 1×10-4 (ở Việt Nam [71]).

106

Còn khi đã áp dụng bộ lọc IIR’ như trên, với mức suy giảm nhiễu dao động ký

)('' ny

sinh tại thời điểm 10 giây sau khi ra tải bằng 47,8, phương sai xác định điểm “0” theo

4  10

)8,47/

2,3(

25  )10

5,3

5  10

35,1( 









LOC

2  /2

LOC

2  K 2

 2 



cũng sẽ suy giảm khoảng 47,8 lần. Do vậy, ta có:

Kết quả này cho thấy rõ rằng, việc áp dụng bộ lọc IIR’ sẽ cho phép giảm sai

số của hệ thống từ mức 9×10-5 đến cỡ 3,5×10-5 (so với trường hợp áp dụng giải pháp

gần đúng đối với hệ số tỷ trọng và giải pháp gần đúng đối với sự cong đòn bẩy nêu ở

mục 3.1.3), hoặc từ mức 1,4×10-4 đến cỡ 3,5×10-5 (so với trường hợp chưa áp dụng

giải pháp gần đúng đối với hệ số tỷ trọng và giải pháp gần đúng đối với sự cong đòn

bẩy nêu ở mục 3.1.3). Nói cách khác, với khả năng công nghệ hiện nay việc sử dụng

bộ lọc IIR’ để xử lý tín hiệu kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM sẽ cho

phép đảm bảo độ chính xác của LA-FSM đến 3,5×10-5 , tức là nâng cao độ chính xác

từ 1,4×10-4 đến 3,5×10-5.

F2lc = GTTL ± Δ2-LOC

Từ nguồn khác

Từ nguồn sai số do nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh

Luận án đã thực hiện giảm thiểu bằng áp dụng bộ lọc IIR’ cho xử lý tín hiệu kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy

Trở lại với mục 3.1.3, ta có thể diễn giải bằng lược đồ sau:

Kết quả là giảm mức nhiễu dao động ký sinh cho tín hiệu kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy

Giữ nguyên và lựa chọn phù hợp

Kết quả tổng hợp là nâng cao độ chính xác của LA-FSM

Giảm sai số từ 1,4×10-4 xuống cỡ 3,5×10-5

Giảm xấp xỉ 47,8 lần

Hình 3.35. Lược đồ diễn giải tác động của giải pháp đề xuất.

107

Kết quả này đã khẳng định rõ về tính hiệu quả của việc áp dụng thuật toán lọc theo định dạng bộ lọc số IIR được thiết kế như trên đối với bài toán nâng cao độ

chính xác của LA-FSM, thỏa mãn yêu cầu khoa học và yêu cầu thực tiễn, đáp ứng

hoàn toàn mục tiêu của luận án đã đặt ra.

3.3.2. Khả năng xử lý tổ hợp nhiễu cộng

Khả năng xử lý tổ hợp nhiễu cộng chính là xem xét khả năng thực hiện bài

toán lọc trong điều kiện thực tế. Điều này cũng là yêu cầu cần thiết của bộ lọc IIR’

trong hệ thống LA-FSM.

Để thấy rõ khả năng xử lý tổ hợp nhiễu gồm nhiễu dao động ký sinh và các

nhiễu cộng khác, ta tiến hành mô phỏng với nhiễu cộng phức hợp, có tần số ở các dải

khác nhau (trong đó, đặc biệt là nhiễu nguồn điện lưới).

Giả sử, khi ta xét với tổ hợp nhiễu có dạng:

% Tần số của điện lưới bằng 50 Hz;

Fx = 50; x1 = 1,5*sin(2007*pi*f0*t)-7,5*sin(57,3*pi*f0*(t+5))+

+3,3*sin(71*pi*f0*(t+5))+1,86*randn(1,1)*sin(2*pi*fx*(t+5));

% Các hệ số được lựa chọn bất kỳ;

x = x0 + x1;

% x0 là nhiễu dao động ký sinh có tần số cơ bản f0;

Kết quả mô phỏng được mô tả trên các hình từ 3.36 đến 3.40 dưới đây.

Hình 3.36. Kết quả xử lý nhiễu tổng hợp ở mức tải 20 000 N.

108

Hình 3.37. Kết quả xử lý nhiễu tổng hợp ở mức tải 100 000 N.

)

( ộ đ n ê B

)

( ộ đ n ê B

Hình 3.38. Kết quả xử lý nhiễu tổng hợp ở mức tải 200 000 N

Hình 3.39. Kết quả xử lý nhiễu tổng hợp ở mức tải 500 000 N.

)

( ộ đ n ê B

)

( ộ đ n ê B

109

Hình 3.40. Kết quả xử lý nhiễu tổng hợp ở mức tải 1 000 000 N

(sử dụng toàn bộ 26 quả tải).

Từ các kết quả mô phỏng về xử lý tổ hợp nhiễu cộng gồm nhiễu dao động ký

sinh và các nhiễu cộng khác ở các mức tải khác nhau cho thấy rằng:

- Khả năng xử lý nhiễu dao động ký sinh vẫn ổn định đặc tính ngay cả khi có

thêm các thành phần nhiễu cộng khác (trong đó có nhiễu nguồn điện lưới) với

sự khác biệt mạnh về biên độ (thể hiện mức độ khắc nghiệt khác nhau).

- Tốc độ suy giảm mức đối với tổ hợp nhiễu dao động ký sinh và các nhiễu cộng

khác vẫn rất nhanh, hầu như không thay đổi so với trường hợp chỉ riêng nhiễu

dao động ký sinh.

Điều này càng khẳng định rằng bộ lọc IIR’ được thiết kế theo phương pháp

Elliptic với dạng thức cấu trúc CR gồm 4 tầng lọc bậc 2 DCR như trên có khả năng

lọc tốt, hoàn toàn phù hợp với thực tiễn của bài toán xử lý nhiễu dao động ký sinh

trong kênh điều khiển đòn bẩy của LA-FSM.

3.4. Giới hạn và khuyến nghị

Các kết quả mô phỏng đã cho thấy rõ về hiệu quả áp dụng giải pháp xử lý

nhiễu dao động ký sinh bằng sử dụng thuật toán lọc theo định dạng bộ lọc số IIR để

thực hiện bài toán nâng cao độ chính xác của LA-FSM.

Từ những điều kiện thực hiện bài toán, có thể đưa ra một số giới hạn và

khuyến nghị cho việc áp dụng giải pháp đã đề xuất như sau:

110

1) Giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh cho LA-FSM bằng thuật toán lọc

theo định dạng bộ lọc số IIR được thực hiện dựa trên mô hình nhiễu ở dạng tổng quát,

đáp ứng với các điều kiện khắc nghiệt của bài toán. Do đó, giải pháp có thể áp dụng

cho tất cả các LA-FSM có dải thể hiện lực chuẩn khác nhau, được thiết kế theo cấu

hình như Hình 3.1 và đã áp dụng các giải pháp cơ khí và điện tử như được nêu ở công

trình [37], [47] và [48].

Theo đó, các yếu tố cần bảo đảm để có thể áp dụng gồm:

a. LA-FSM sử dụng ba bản lề đàn hồi điện tử có độ nhạy phù hợp với sự biến

thiên của moment lực tại các khớp nối truyền lực của hệ khuếch đại đòn bẩy;

b. Các số liệu về các tham số hệ thống (khối lượng quả tải, độ cao tâm khối

và độ dài quang treo,…) được cho cụ thể (theo số liệu thiết kế) hoặc có thể được xác

định trực tiếp;

c. Các tín hiệu từ các bản lề điện tử trong kênh điều khiển cân bằng đòn

bẩy được khuếch đại và gia công xử lý thành tín hiệu số theo từng kênh riêng biệt

tương ứng.

2) Giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh bằng thuật toán lọc IIR được thực

hiện ở dạng tổng quát, xét đến các tác động đồng thời của nhiều yếu tố, do vậy cho

phép xây dựng LA-FSM thành hệ tự động đo đa tham số.

3) Giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh bằng thuật toán lọc theo định dạng

bộ lọc số IIR được thực hiện không quá phức tạp về kỹ thuật và không đòi hỏi phải

cải hoán về cơ khí, do đó việc áp dụng là khả thi cho tất cả các LA-FSM có cùng cấu

hình và khi yêu cầu độ chính xác đạt tới 3,5×10-5.

4) Do thuật toán lọc được xây dựng theo định dạng bộ lọc số IIR nên giải pháp

này cũng hàm chứa các ưu nhược điểm của bộ lọc số IIR [11], [13-14], [17-18], [22],

[27], như:

- Có khối lượng tính toán nhỏ, thuận tiện cho áp dụng đối với các hệ thống

hay thiết bị làm việc độc lập.

- Có sự phi tuyến pha, cũng như còn tồn tại độ gợn ở cả dải thông và dải

chắn, cần giám sát tính ổn định. Tuy vậy, các yêu cầu này cơ bản thỏa mãn

trong điều kiện thực tế cũng như khả năng kỹ thuật và công nghệ hiện nay.

111

5) Nâng cao độ chính xác cho LA-FSM là yêu cầu khoa học và nhu cầu thực

tiễn đối với chuẩn đo lường lực hiện nay nên việc áp dụng giải pháp này là thực sự

cần thiết, cho phép nâng cao trình độ chuẩn đo lường và phù hợp với xu hướng hội

nhập và phát triển.

Như vậy, việc xây dựng thuật toán lọc theo định dạng bộ lọc số IIR như trên

hoàn toàn phù hợp với mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy và đặc tính của

nhiễu dao động ký sinh trong LA-FSM. Giải pháp đáp ứng hoàn toàn yêu cầu khoa

học và yêu cầu thực tiễn, cũng như đã giải quyết đầy đủ các nhiệm vụ đối với bài toán

nâng cao độ chính xác cho LA-FSM hiện nay, và thỏa mãn mục tiêu nghiên cứu mà

luận án đã đặt ra.

3.5. Kết luận Chương 3

Kết quả thực hiện bài toán nâng cao độ chính xác cho LA-FSM bằng áp

dụng thuật toán lọc theo định dạng bộ lọc số IIR như trên cho phép rút ra một số

nhận định sau:

1) Giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh bằng áp dụng thuật toán lọc theo

định dạng bộ lọc số IIR chính là đưa vào kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy một bộ

lọc số IIR’ đối với nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh. Thuật toán

lọc được thiết kế theo phương pháp Elliptic với cấu trúc theo dạng thức Cascade gồm

4 tầng lọc bậc 2 DCR, có cấu trúc như Hình 3.23, với biểu thức hàm truyền (3.25) và

mô hình toán học (3.26) ÷ (3.30).

2) Việc áp dụng thuật toán lọc theo định dạng bộ lọc số IIR được thiết kế để

xử lý nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh trong kênh điều khiển

cân bằng đòn bẩy cho phép nâng cao độ chính xác từ 1,4×10-4 đến cỡ 3,5×10-5. Độ

3) Giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh bằng thuật toán lọc theo định dạng

chính xác này rất khó đạt được nếu chỉ bằng các giải pháp cơ khí.

bộ lọc số IIR là giải pháp không phức tạp về kỹ thuật và phù hợp với thực tiễn (không

đòi hỏi cải hoán nhiều về kết cấu cơ khí), do đó việc áp dụng là khả thi cho tất cả các

LA-FSM có cùng cấu hình và khi yêu cầu độ chính xác đạt tới 3,5×10-5.

112

KẾT LUẬN

Nghiên cứu xây dựng 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 LA-FSM là

một yêu cầu khoa học và yêu cầu thực tiễn hiện nay đối với lĩnh vực đo lường lực. Thông

qua nội dung nghiên cứu, luận án đã đạt được những kết quả sau:

1. Các kết quả nghiên cứu của luận án:

1) Phân tích và xác định được yếu tố chi phối tối ưu trong bài toán tối ưu

nâng cao độ chính xác của LA-FSM hiện nay là tác động của nhiễu dao động ký sinh

kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh, từ đó xác định hướng giảm thiểu ảnh hưởng của nó

bằng áp dụng phương pháp xử lý thông tin đo.

2) Xây dựng được mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy cho LA-FSM,

từ đó xác lập được mô hình toán học cho nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu

bồng bềnh bẩy. Mô hình toán học này là cơ sở để xây dựng giải pháp xử lý tín hiệu

nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng

bềnh đến độ chính xác của hệ thống.

3) Trên cơ sở mô hình toán học của nhiễu trong kênh điều khiển cân bằng

đòn bẩy của LA-FSM, đã đề xuất xây dựng được giải pháp xử lý nhiễu dao động ký

sinh bằng áp dụng thuật toán lọc theo định dạng bộ lọc số IIR, đảm bảo giảm thiểu

ảnh hưởng của nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh để nâng cao

độ chính xác cho LA-FSM từ 1,4×10-4 đến 3,5×10-5.

Các kết quả nghiên cứu của luận án có thể coi là cơ sở để thực hiện các nghiên

cứu tiếp theo đối với lĩnh vực chuẩn đo lường lực, góp phần thúc đẩy sự phát triển về

trình độ khoa học và công nghệ của chuẩn đo lường lực Việt Nam, cũng như đối với

lĩnh vực cơ - điện tử và kỹ thuật điện tử nói chung.

2. Đóng góp mới của luận án:

Từ các kết quả nghiên cứu đã đạt được, luận án có 2 đóng góp mới về mặt

khoa học như sau:

1) Xây dựng mô hình toán học của kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy và mô

hình toán học nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh trong hệ thống

113

chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy LA-FSM. Các mô hình toán học đã xây

dựng được là cơ sở để nghiên cứu, đánh giá và xây dựng giải pháp xử lý nhiễu dao

động ký sinh cho LA-FSM.

2) Đề xuất giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh trong kênh điều khiển

cân bằng đòn bẩy bằng áp dụng thuật toán lọc theo định dạng bộ lọc số IIR. Giải

pháp đề xuất, với khả năng thực hiện không quá phức tạp và có tính mở, có thể khắc phục

đáng kể ảnh hưởng của nhiễu dao động ký sinh trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy,

từ đó cải thiện được độ chính xác của LA-FSM.

3. Hướng nghiên cứu tiếp theo:

Mô hình toán học mô tả nhiễu dao động ký sinh trong kênh điều khiển cân

bằng đòn bẩy của LA-FSM đã chỉ rõ tác động của các dao động này đối với hệ thống.

Từ kết quả này cho phép mở ra hướng nghiên cứu tiếp theo là cải tiến LA-FSM thành

một hệ thống đo lường tự động, đa tham số.

Đồng thời, kết quả xử lý nhiễu dao động ký sinh cho kênh điều khiển cân bằng

đòn bẩy của LA-FSM bằng áp dụng thuật toán lọc IIR là cơ sở vững chắc cho việc

cải tiến LA-FSM 1MN thuộc chuẩn đo lường lực của Việt Nam (đang đặt tại Khu

Công nghệ cao Hòa Lạc). Đây cũng là hướng nghiên cứu tiếp theo của luận án nhằm

góp phần nâng cao năng lực của hệ thống chuẩn đo lường lực Việt Nam, phù hợp với

xu hướng phát triển và hội nhập quốc tế về lĩnh vực đo lường lực hiện nay.

114

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

1. Phạm Thanh Hà, Đào Mộng Lâm, Vũ Khánh Xuân, Nguyễn Đức Dũng, Đào

Xuân Việt, Lê Hữu Thắng (2016) “Nghiên cứu tính toán, thiết kế gối điện tử

hoạt động dựa trên hiệu ứng áp trở, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và công

nghệ quân sự, Đặc san Viện Tên lửa, (09), tr.102-108.

2. Phạm Thanh Hà (2019), “Establishment the parasitic oscillation model’s

balance control of LA-FSM by using strain controlled electronic hinge”,

Military science and technology, (60A), tr.31-40.

3. Phạm Thanh Hà, Vũ Khánh Xuân, Phạm Quang Minh (2020), “Giải pháp xử

lý nhiễu dao động ký sinh cho tín hiệu kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của

LA-FSM”, Tuyển tập báo cáo khoa học Hội nghị đo lường toàn quốc lần thứ

VII, tr.505-511.

4. Phạm Thanh Hà (2020), “Giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh cho tín hiệu

kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của máy chuẩn lực kiểu khuếch đại đòn bẩy

(LA-FSM) bằng thuật toán lọc IIR”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và công

nghệ quân sự, Đặc san Viện điện tử, (09), tr.212-219.

115

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt:

[1] Phan Bá, Đào Mộng Lâm (2000), Đo lường - Senxơ, Nxb Quân đội Nhân dân.

[2] Lê Văn Doanh, Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Văn Hòa, Võ Thạch Sơn, Đào Văn

Tân (2005), Các bộ cảm biến trong kỹ thuật đo lường và điều khiển, Nxb Khoa

học và Kỹ thuật, Hà Nội.

[3] Vũ Quí Điềm, Phạm Văn Tuân, Nguyễn Thúy Anh, Đỗ Lê Phú, Nguyễn Ngọc Văn

(2009), Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.

[4] Nguyễn Hoàng Hải, Nguyễn Khắc Kiểm, Nguyễn Trung Dũng, Hà Trần Đức

(2003), Lập trình MatLab dành cho sinh viên khối khoa học và kỹ thuật, Nxb

Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.

[5] Ngô Hưng Phong, Võ Sanh, Phạm Thanh Hà (2002), Báo cáo tổng hợp đề tài

NCKH cấp Tổng cục TC-ĐL-CL, “Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy chuẩn lực tải

trực tiếp 5 kN”.

[6] Nguyễn Phùng Quang (2004), Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự

động, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.

[7] Võ Sanh, Đỗ Đức Nguyên (2007), Kỹ thuật đo lường lực, Tổng cục Tiêu chuẩn

đo lường chất lượng.

[8] Võ Sanh, Phạm Thanh Hà, Trịnh Minh Hoàn (2010), Báo cáo tổng hợp đề tài

NCKH cấp Bộ: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ quả tải tạo lực đến 100 N dùng

trong dẫn xuất, sao truyền chuẩn đơn vị đo lực”.

[9] Võ Sanh, Phạm Thanh Hà, Trịnh Minh Hoàn (2015), “Phương pháp xử lý bù

cánh tay đòn do uốn võng trên máy chuẩn lực 100 kN/1MN FSM”, Tuyển tập

báo cáo khoa học Hội nghị đo lường toàn quốc lần thứ 6, 5/2015.

[10] Lê Hữu Thắng, Phạm Thanh Hà (2015), “Bản lề đàn hồi có kiểm soát trong

chuẩn đầu lực và mô-men”, Tuyển tập báo cáo khoa học Hội nghị đo lường toàn

quốc lần thứ 6, 5/2015.

[11] Nguyễn Linh Trung, Trần Đức Tân, Huỳnh Hữu Tuệ (2012), Xử lý tín hiệu số,

Nxb Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội.

116

[12] Nguyễn Quốc Trung (2006), Xử lý tín hiệu và lọc số, Tập 1, Nxb Khoa học và

Kỹ thuật, Hà Nội.

[13] Nguyễn Quốc Trung (2008), Xử lý tín hiệu và lọc số, Tập 2, Nxb Khoa học và

Kỹ thuật, Hà Nội.

[14] Lê Thành Trung (2013), Xử lý tín hiệu và lọc số, Nxb Khoa học và Kỹ thuật,

Hà Nội.

Tiếng Anh:

[15] Alexander A., Trusov P.D. (2011), “Allan Variance Analysis of Random Noise

Modes in Gyroscopes”, University of California, Irvine, CA, 92697, USA.

March 31, 2011.

[16] Allgeier T., El-Hakeem H., El-Sayed A. and Glöckner B. (2001), “A new design

of deadweight force standard machine with substitute load control and self-

checking systems”, Proceedings of the 17th IMEKO Conference, Istanbul,

Turkey, 2001.

[17] Antoniou A. (2005), Digital Signal Processing: Signals, Systems and Filters,

McGraw - Hill.

[18] Antoniou A. (2016), Digital Signal Processing, McGraw - Hill.

[19] Asada K. and Itabashi T. (2016), Filter circuit for noise cancellation, noise

reduction signal production method and noise canceling system, US Patent

App. 2016-008659.

[20] Berntorp K.; Di Cairano S. (2018), “Approximate noise-adaptive filtering using

Student-t distributions”, TR2018-088 July 13, 2018.

[21] Binqi Z., Pengcheng F., Baoqing L. and Xiaobing Y. (2018), “A robust adaptive

Unscented Kalman Filter for nonlinear estimation with uncertain noise

covariance”. Sensors, 12 January 2018.

[22] Chen S., Istepanian R. H., Luk B. L. (2001), “Digital IIR filter design using

adaptive simulated annealing”, Jou. Digital Signal Process. 11(3), 241-251.

[23] Cieplok G., Sikora M. (2015), “Two-mass dynamic absorber of a widened

antiresonnance zone”, Archive of mechanical engineering, Vol. LXII 2015

Number 2, 10.1515/meceng-2015-0015.

117

[24] Dai, Chaohua, Chen, Weirong, Zhu, Yunfang (2010), “Seeker optimization

algorithm for digital IIR filter design”, IEEE Trans. Ind. Electron, 57(5),

1710-1718.

[25] Dae-ImKang, Byoung-DukLim (1996), “Determination of the averaging time

for precision calibration of a Build-up system in a deadweight force machine”,

Measurement V.19, I.3-4, November-December 1996, p.217-227.

[26] Dahlbe T. (1989), “On optimal use of the mass of a dynamic vibration

absorber”, Journal of Sound and Vibration, 132, 1989.

[27] Elena Punskaya (2020), Design of IIR Filters, www. Sigproc.eng.cam.ae.uk,

~op205, December 1, 2020.

[28] Flaga A., Szulej J., Wielgos P. (2008), “Comparison of determination methods

of vibration’s damping coefficient for complex structures”, Budownictwo i

Architektura, 3, 2008.

[29] Gassmann H. and Sawla A. (1995), “Metrological characteristics of force

standard machines equipped with strain controlled elastic joints for lever

multiplication”, Proceedings of the 11th, IMEKO Conference, Warszawa,

Poland, 1995.

[30] Gassmann H., Allgeier T. and Kolwinski U. (2000), “A new design of primary

torque standard machines”, 16th IMEKO World Congress, Vienna, Austria, 2000.

[31] Huang Y, Zhang Y, Li N, Chambers JA (2016), “Robust Student's t based

nonlinear filter and smoother”, IEEE Transactions Aerospace and Electronic

Systems 2016, 52(5), 2586-2596.

[32] Huang Y., Zhang Y., Wu Z., Li N., Chambers J. (2017), “A novel robust

Student's t based Kalman filter”, IEEE Transactions on Aerospace and

Electronic Systems 2017.

[33] Huang Y., Zhang Y., Wu Z., Li N., Chambers J. (2017), “A novel adaptive

Kalman filter with inaccurate process and measurement noise covariance

matrices”, IEEE Trans. on Automatic Control 2017. DOI: 10.1109/

TAC.2017.2730480.

118

[34] Iglesias A., Aguirre G., Munoa J., Dombovari Z., Laka I., Stepan G. (2017),

“Damping of in-process measuring system through variable stiffness tunable

vibration absorber”, Hal.archives-ouvertes.fr/hal-01505977, Submitted on 12

Apr 2017.

[35] IIR Filter Design - MATLAB & SIMULINK - Mathworks, www. Mathworks.

[36] Jabbour Z. J., Yaniv S. L., “The kilogram and measurements of mass and

force”, Journal of Research of the NIST, Vol. 106, No. 1, Jan-Feb 2001.

[37] Jain S. K., Titus S. S. K., Tegtmeier F., Tetzlaff N. and Schwind D. (2012),

“Low uncertainty in force values achieved in a lever multiplication deadweight

force standard machine of 1 MN”, XX IMEKO World Congress Metrology for

Green Growth September 9−14, 2012, Busan, Republic of Korea.

[38] Jain S.K. et al., “Metrological characterization of the new 1 MN force standard

machine of NPL India”, Measurements 45 (2012) 590-596.

[39] John Wiley and Sons (2008), Advanced Digital Signal Processing and Noise

Reduction.

[40] Jylanki P., Vanhatalo J. and Vehtari A. (2011), “Robust Gaussian Process

Regression with a Student-t Likelihood”, Journal of Machine Learning

Research 12 (2011) 3227-3257.

[41] Karaboga N., Kalinli A., Karaboga D. (2004), “Designing IIR filters using ant

colony optimisation algorithm”, J. Eng. Appl. Artif. Intell. 17(3), 301-309.

[42] Karaboga N., Kalinli A.(2005), “A new method for adaptive IIR filter design

based on tabu search algorithm”, Int. J. Electron. Commun. (AEU) 59(2),

111-117.

[43] Karaboga N., Latifoglu F. (2013), “Elimination of on transcranial Doppler

signal using IIR filters designed with artificial bee colony-ABC-algorithm”,

Digital Signal Process, 19(1), 1051-1058.

[44] Karasalo M. and Hu X. M. (2011), “An optimization approach to adaptive

Kalman filtering”, Automatica, vol. 47, no. 8, pp. 1785-1793, Aug. 2011.

119

[45] Kaur R., Patterh M. S., Dhillon J. S. (2015), “A new greedy search method for

the design of digital IIR filter”, Journal of King Saud University - Computer

and Infomation Sciences, 2015, 27, 278-287.

[46] Kolwinski, U., Martin, J., Schwalbe, P. and Schwind D. (2003), “A new control

and feedback-control-system for force and torque standard machines”,

Proceedings of the XVII IMEKO World Congress, Dubrovnik, Croatia, 2003.

[47] Kolwinski U., Schwind D. (2012), “Compensation of lever arm distortion of

force standard machines”, XX IMEKO World Congress Metrology for Green

Growth September 9−14, 2012, Busan, Republic of Korea.

[48] Kolwinski U., Schwind D. (2014), “Performance of force standard machines

with compensation of lever arm distortion”, ACTA IMEKO June 2014, V.3, N.2,

19 - 22, www.imeko.org.

[49] Kuo S. M. (2005), Digital Signal Processors: Architectures - Implementations

and Applications, Prentice Hall.

[50] Lim C. K., Bernd G. and Thomas A. (2003), “New developments in lever-

amplified force standard machines”, Proceedings of XVII IMEKO World

Congress, June 22 - 27, 2003, Dubrovnik, Croatia.

[51] Lim C. K., Bernd G., Thomas A. (2004), “Short and long-term behaviour of a

55 kN/2,2 MN lever deadweight force standard machine”, Proceedings of

IMEKO-TC3-2005-017u.

[52] Masatsugu S. and Itsuko S. S, “Physics of simple pendulum a case study of

nonlinear dynamics”. Department of Physics, State University of New York at

Binghamton, Binghamton, New York 3902-6000, U.S.A. August 28, 2008.

[53] Mohazzabi P., Shankar S. P.. Damping of a Simple Pendulum Due to Drag on

Its String.

[54] Mondal M., Percival D.B. (2011), Wavelet Variance Analysis of Irregularly

Sampled Time Series. State College, June 16, 2011.

[55] Mondal M., Percival D.B. (2009), Wavelet Variance Analysis for Random

Fields. November 23, 2009.

120

[56] Navrozidis G., Strehle F., Schwind D. and Gassmann H. (2001), “Operation of

a New Force Standard Machine at Hellenic Institute of Metrology”,

Proceedings of the 17th International Conference on Force, Mass, Torque and

Pressure Measurements, IMEKO TC3, 17-21 Sept. 2001, Istanbul, Turkey.

[57] Paulo S. R. Diniz, Eduardo A. B. Da Silva and Sergio L. Netto (2010), Digital

Signal Processing: System Analysis and Design, 2th ed., Cambridge Univ. Press.

[58] Percival D.B., Walden, A.T. (2000), Wavelet methods for time series analysis,

Cambridge University Press, 2000.

[59] Piche R., Sarkka S., and Hartikainen J. (2012), “Recursive outlier-robust

filtering and smoothing for nonlinear systems using the multivariate Student-t

distribution”, Proceedings of MLSP, Sept. 2012.

[60] Pitas I., Venetsanopuolos A. N. (2013), Nonlinear Digital Filters: Principles

and Applications, Springer Science & Business Media.

[61] Proakis J. G. and Manolakis D. K. (2006), Digital Signal Processing: Principles

- Algorithms and Applications, 4th ed., Prentice Hall.

[62] Saha K. S., Kar R., Mandal D., Ghoshal S. P. (2014), “Gravitation search

algorithm: application to the optimal IIR filter design”, King Saud Univ. Eng.

Sci. 1, 69-81.

[63] Sarkka S. and Nummenmaa A. (2009), “Recursive noise adaptive Kalman

filtering by variational Bayesian approximations”, IEEE Trans. Automat.

Control, vol. 54, no. 3, pp. 596-600, Mar. 2009.

[64] Sarkka S., and Hartikainen J. (2013), “Variational Bayesian adaptation of

noise covariance in nonlinear Kalman filtering,” arXiv: 1302.0681v1

[Stat.ME], Feb. 2013.

[65] Sarkka S. (2013). Bayesian Filtering and Smoothing.

[66] Schäfer A., “Examples and proposed solutions regarding the growing

importance of calibrationof high nominal forces”, IMEKO 2010 TC3, TC5

and TC22 Conferences, Pattaya, Chonburi, Thailand, November, 2010.

[67] Schilling R. J. and Harris S. L. (2010), Fundamentals of Digital Signal

Processing Using MATLAB, 2nd ed., Cengage Learning.

121

[68] Richard Budynas, Keith Nisbett (2014), Shigley’s Mechanical Engineering

Design. McGraw - Hill Series in Mechanical Engineering, 10th ed.

[69] Roth M., Ozkan E. and Gustafsson F. (2013), “A Student’s filter for heavy- tailed

process and measurement noise,” IEEE International Conference on Acoustics,

Speech and Signal Processing (ICASSP), May 2013, pp. 5770-5774.

[70] Tan L., Jiang J. (2018), Digital Signal Processing: Fundamentals and

Applications, 3th ed., A.P London, UK, ISBN: 978-0-12-815071-9.

[71] Technical Document: Force Standard Machine 1000 kN FSM. GTM Gassmann

Testing and Metrology GmbH.

[72] Timoshenko S.P., Goodier J.N. (1993), Theory of Elasticity, 3th ed.,

McGraw - Hill.

[73] Tsai J. T., Chou J. H. (2006), “Optimal design of digital IIR filters by using an

improved immune algorithm”, IEEE Trans. Signal Process 54(12), 4582-4596.

[74] Tzikas D., Likas A., and Galatsanos N. (2008), “The variational approximation

for Bayesian inference”, IEEE Signal Process. Mag., vol. 25, no. 6, pp. 131-

146, Nov. 2008.

[75] Uncertainty of force measurements, Calibration Guide EURAMET cg-4,

Version 2.0, 03/2011.

[76] Vaseghi S. V. (2013), “Advanced Signal Processing and Digital Noise

Reduction”, Springer-Verlag.

[77] Wisniewski M. and Wcislik M. (2016), “Digital equalizer for data acquisition

path, constructed using IIR filters”, IFAC, p.342-345, www.sciencedirect.com.

[78] Williams C. S. (1986), Designing Digital Filters, Prentice-Hall, 1986.

[79] Wang Y., Li B., Cheng Y. (2011), “Digital IIR filter design using multi-

objective optimization evolutionary algorithm”, Appl. Soft. Comput. 11(2),

1851-1857.

[80] Yu Y., Xinjie Y. (2007), “Cooperative coevolutionnary genetic algorithm for

digital IIR filter design”, IEEE Trans. Ind. Electron, 54(3), 1311-1318.

122

[81] Yon-Kyu Park và Dae-Im Kang (1999), “Oscillating signal components of a

dead-weight force-standard machine and reduction techniques”, Measurement

Science and Technology, V.10, N.8, 1999 - iopscience.iop.org.

[82] Yon-Kyu Park and Dae-Im Kang (2000), “Pendulum motion of a deadweight

force-standard machine”, Measurement Science and Technology, V.11, N.12,

2000 - iopscience.iop.org.

[83] Yon-Kyu Park, Dae-Im Kang, Rolf Kumme and Amritlal Sawla (2001),

“Investigation of the Dynamic Behaviour of PTB Deadweight Force Standard

Machines”, Proceedings of the 17th International Conference on Force, Mass,

Torque and Pressure Measurements, IMEKO TC3, 17-21 Sept. 2001, Istanbul,

Turkey.

[84] Yon-Kyu Park, Dae-Im Kang, Jong-Ho Kim and Min-Seok Kim (2009),

“Reduction of deadweight pendulum motion and its conformation by using a

Build-up system”, Journal of Mechanical Science and Technology 23 (2009)

2956~2963.

[85] Zhang G. X., Jin W. D., Jin F. (2003), “Multi-criterion satisfactory optimization

method for designing IIR digital filters”, In: Pro. Int. Conf. Commun. Technol.,

Beijing, China, pp. 1484-1490.

[86] Zheng M., Ikeda K. and Shimomura T. (2010), “Estimation of Continuous-time

Nonlinear Systems by using Unscented Kalman Filter”, Source: Kalman Filter,

Book edited by: Vedran Kordić, May 2010.

[87] Veera Tulasombut, Kittipong Chaemthet, Chanchai Amornsakun, Noppadol

Sumyong (2009), “Design and Structure of new 1.5 kN and 5 kN deadweight

force standard machine and result of comparison with 100 kN deadweight force

standard machine”, National Institute of Metrology, Thailand (NIMT),

Thailand.

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

  0

    t  td

  0

   t  td

  0

   t  td 2/   0

 26  101 



 26  105,2 



 27  10 37,1 



 26  101 



 25  101 



 25  103 



Có thể bạn quan tâm

Bài Giảng Kỹ thuật cơ điện - GV. Đinh Hải Lĩnh

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển nguồn nhân lực du lịch trong các cơ sở lưu trú tại Hà Nội

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển nguồn nhân lực du lịch trong các cơ sở lưu trú tại Hà Nội

Luận án Tiến sĩ: Giáo dục đạo đức sinh thái cho sinh viên các trường đại học tại Thành phố Hồ Chí Minh hiện nay

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Giáo dục đạo đức sinh thái cho sinh viên các trường đại học tại Thành phố Hồ Chí Minh hiện nay

Luận án Tiến sĩ: Công tác hoằng pháp và hoạt động của đạo tràng Phật giáo tỉnh Lào Cai hiện nay

Luận án Tiến sĩ: Hành vi nguy cơ ảnh hưởng đến sức khỏe tâm thần của học sinh trung học phổ thông tại Hà Nội hiện nay

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Hành vi nguy cơ ảnh hưởng đến sức khỏe tâm thần của học sinh trung học phổ thông tại Hà Nội hiện nay

Luận án Tiến sĩ: Đảng bộ tỉnh Đồng Nai lãnh đạo công tác bảo tồn và phát huy giá trị các di tích lịch sử - văn hóa từ năm 1996 đến năm 2015

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Đảng bộ tỉnh Đồng Nai lãnh đạo công tác bảo tồn và phát huy giá trị các di tích lịch sử - văn hóa từ năm 1996 đến năm 2015

Luận án Tiến sĩ: Thực hiện Pháp lệnh thực hiện dân chủ ở xã, phường, thị trấn vùng dân tộc thiểu số tỉnh Quảng Nam hiện nay

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Thực hiện Pháp lệnh thực hiện dân chủ ở xã, phường, thị trấn vùng dân tộc thiểu số tỉnh Quảng Nam hiện nay

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Công tác hoằng pháp và hoạt động của đạo tràng Phật giáo tỉnh Lào Cai hiện nay

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu chất lượng dịch vụ viễn thông di động tại Tổng công ty viễn thông Viettel

Luận án Tiến sĩ: Nâng cao chất lượng cơ sở vật chất các trường đại học tư thục trên địa bàn thành Hà Nội

Luận án Tiến sĩ: Năng lực cạnh tranh của doanh nghiệp nhỏ và vừa trên địa bàn tỉnh Phú Thọ

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới sự thành công trong khởi sự kinh doanh của phụ nữ khu vực miền Bắc

Luận án Tiến sĩ: Kiểm soát nội bộ tại Tập đoàn xăng dầu Việt Nam

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Kiểm soát nội bộ tại Tập đoàn xăng dầu Việt Nam

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu giải pháp phát triển trung tâm logistics quốc tế cho khu vực kinh tế trọng điểm phía Bắc

Tài liêu mới

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu xây dựng thuật toán thích nghi và học tăng cường cấu trúc Actor - Critic điều khiển bám quỹ đạo cho robot di động đa hướng mecanum

Luận án Tiến sĩ: Cơ cấu bệnh tim mạch và chất lượng cuộc sống của người cao tuổi mắc suy tim, rung nhĩ điều trị tại Bệnh viện Thống Nhất, thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu hiện tượng nứt dăm đê sông vùng đồng bằng sông Hồng và dự báo khả năng bị nứt của một số đoạn đê

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu xây dựng giải pháp đảm bảo an toàn thông tin cho quá trình học liên kết dựa trên mật mã

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Phát triển năng lực đánh giá công nghệ cho học sinh trong dạy học môn Công nghệ 11 ở trường trung học phổ thông

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu phân loại chi cầu diệp – Bulbophyllum Thouars (Orchidaceae) ở vùng Tây Nguyên bằng phương pháp hình thái và phân tử

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu đặc điểm phân bố và dinh dưỡng của các loài lưỡng cư ở Vườn Quốc gia Bến En và Khu bảo tồn thiên nhiên Pù Luông, tỉnh Thanh Hóa

Luận án Tiến sĩ: Tổng hợp luật dẫn và điều khiển cho một lớp tên lửa đối hải trên cơ sở ứng dụng mạng nơ ron và hệ mờ

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu tổng hợp hệ điều khiển góc Pitch tua bin gió trong điều kiện có nhiễu tác động

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu hóa học lipid của hai loài san hô thủy tức Millepora dichotoma và Millepora platyphylla ở Việt Nam

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu kiểm soát phân phối công suất kéo trên cầu chủ động của ô tô con bằng ABS

Luận án Tiến sĩ: Ứng dụng phản ứng Domino vào tổng hợp các dẫn xuất Podophyllotoxin, Pyrimidine và đánh giá hoạt tính sinh học của các chất tổng hợp được

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu thành phần hóa học và một số hoạt tính sinh học của cây chùm ngây (Moringa oleifera)

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu thành phần hóa học và ứng dụng ức chế ăn mòn cho thép của cao chiết xuất từ cây Lộc vừng thuộc họ Lecythidaceae

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu hiện tượng nứt dăm đê sông vùng đồng bằng sông Hồng và dự báo khả năng bị nứt của một số đoạn đê

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Giới thiệu

Về chúng tôi

Việc làm

Quảng cáo

Liên hệ

Chính sách

Thoả thuận sử dụng

Chính sách bảo mật

Chính sách hoàn tiền

DMCA

Hỗ trợ

Hướng dẫn sử dụng

Đăng ký tài khoản VIP

093 303 0098

support@tailieu.vn

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi

Facebook

Youtube