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