MỞ ĐẦU Mô phỏng sinh học đã tạo ra những thành tựu khoa học kỹthuật to lớn cho cuộc sống và công cuộc chinh phục thếgiới tựnhiên của loài người. Mô phỏng mạng nơron sinh học là một trong những lĩnh vực đang được phát triển mạnh mẽ đểtạo ra những hệthống thông minh có những khảnăng nhưghi nhớkinh nghiệm quá khứ, nhận dạng, điều khiển, ra quyết định, dự đoán...tương tựnhưbộnão người. Việc nghiên cứu và phát triển lý thuyết mạng nơron nhân tạo đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như đo lường, điều khiển, công nghệrôbôt, truyền thông, giao thông vận tải, hàng không.v.v... Mạng nơron với những ưu điểm vượt trội so với các hệthống tính toán truyền thống như: cho phép xấp xỉnhững ánh xạphi tuyến tùy ý; là hệthống xửlý song song làm tăng tốc độtính toán cho phép đáp ứng khảnăng tính toán thời gian thực và chính xác; là hệhọc và thích nghi, khi mạng được huấn luyện từcác dữliệu quá khứ, đồng thời có khảnăng khái quát hóa khi dữliệu vào bịthiếu hoặc không đầy đủ, phù hợp với các hệthống nhận dạng, chuẩn đoán kỹthuật... Với những ưu điểm trên việc ứng dụng mạng nơron đểchếtạo các cảm biến thông minh với độchính xác cao là điều hoàn toàn cần thiết, có khảnăng thúc đẩy sựphát triển của kỹthuật công nghệnói chung và lĩnh vực đo lường nói riêng. Nội dung chủyếu của luận văn là tập trung nghiên cứu ứng dụng mạng nơron cho khắc độdụng cụ đo và cảm biến thông minh. Luận văn bao gồm năm chương, trong đó chương 1 là phần tổng quan vềcác phương pháp khắc độthiết bị đo bao gồm các phương pháp khắc độcho dụng cụ đo tương tự, dụng cụ đo có sửdụng vi xửlý hoặc máy vi tính và các chuyển đổi đo lường sơcấp. Chương này cũng nêu ra các hướng ứng dụng mạng nơron cho việc xử lý sốliệu đo và hiệu chỉnh đặc tính thang đo của cảm biến.
1 Luận văn : Dụng cụ đo và cảm biến BẢNG KÝ HIỆU A= [a ij ] : Ma trận n x m chiều. A T : Ma trận chuyển vị của A. A -1 : Ma trận nghịch đảo của A. R n : Không gian thực n chiều. g(.) : Hàm quan hệ phi tuyến vào ra. f -1 : Hàm ngược của hàm f. W= [w ik ] : Ma trận trọng số liên kết n x m chiều. 1. BẢNG CHỮ VIẾT TẮT VÀ MỘT SỐ THUẬT NGỮ Adaline : Adaptive Linear Element- Phần tử nơron tuyến tính thích nghi, tên loại nơron do Windrow đề xuất năm 1960. ART : Adaptive Resonance Theory- Thuyết cộng hưởng thích nghi. Một loại mạng được xây dựng theo lý thuyết này. BAM : Bidirection Associative Memory- Một loại mạng do Kosko đề xuất năm 1988. BP : Backpropagation - Thuật học lan truyền ngượ c. CAM : Content Addressable Memory- Bộ nhớ nội dung được địa chỉ hóa. 2 LMS : Least Mean Square - Tên một thuật học (trung bình bình phương nhỏ nhất). LVQ : Learning Vector Quantization - Thuật học lượng hóa véctơ. MIMO : Multi Input Multi Output - Hệ nhiều đầu vào nhiều đầu ra. MNN : Artificial Neural Networks - Mạng nơron nhân tạo SISO : Single Input Single Output - Hệ một đầu vào một đầu ra. RBF : Radial Basis Functions - Tên một loại mạng do Moody và Darken đề xuất năm 1989. 3 MỞ ĐẦU Mô phỏng sinh học đã tạo ra những thành tựu khoa học kỹ thuật to lớn cho cuộc sống và công cuộc chinh phục thế giới tự nhiên của loài người. Mô phỏng mạng nơron sinh học là một trong những lĩnh vực đang được phát triển mạnh mẽ để tạo ra những hệ thống thông minh có những khả năng như ghi nhớ kinh nghiệm quá khứ, nhận d ạng, điều khiển, ra quyết định, dự đoán .tương tự như bộ não người. Việc nghiên cứu và phát triển lý thuyết mạng nơron nhân tạo đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như đo lường, điều khiển, công nghệ rôbôt, truyền thông, giao thông vận tải, hàng không.v.v . Mạng nơron với những ưu điểm vượt trội so với các hệ thống tính toán truyền thống như: cho phép xấp xỉ những ánh xạ phi tuyến tùy ý; là hệ thống xử lý song song làm tăng tốc độ tính toán cho phép đáp ứng khả năng tính toán thời gian thực và chính xác; là hệ học và thích nghi, khi mạng được huấn luyện từ các dữ liệu quá khứ, đồng thời có khả năng khái quát hóa khi dữ liệu vào bị thiếu hoặc không đầy đủ, phù hợp với các hệ thống nhận dạng, chuẩn đoán kỹ thuật . Với những ưu điểm trên việc ứng dụng mạng nơron để chế tạo các cảm biến thông minh với độ chính xác cao là điều hoàn toàn cần thiết, có khả năng thúc đẩy sự phát triển của kỹ thuật công nghệ nói chung và lĩnh vực đo lường nói riêng. Nội dung chủ yếu của luận văn là tập trung nghiên cứu ứng dụng mạng nơron cho khắc độ dụng cụ đo và cảm biến thông minh. Luận văn bao gồm năm chương, trong đó chương 1 là phần tổng quan về các phương pháp khắc độ thiết bị đo bao gồm các phương pháp khắc độ cho dụng cụ đo tương tự, dụng cụ đo có sử dụng vi xử lý hoặc máy vi tính và các chuyển đổi đo lường sơ cấp. Chương này cũng nêu ra các hướ ng ứng dụng mạng nơron cho việc xử lý số liệu đo và hiệu chỉnh đặc tính thang đo của cảm biến. 4 Chương 2 trình bày phần lý thuyết cơ sở của mạng nơron cho việc nghiên cứu ứng dụng trong việc xử lý số liệu nhằm giảm sai số ngẫu nhiên, khắc độ tự động đặc tính và hiệu chỉnh sai số hệ thống của cảm biến. Ở chương 3, tác giả đã tập trung vào việc nghiên cứu ứng dụng mạng nơron nhân tạo để xử lý số li ệu đo ngẫu nhiên nhằm giảm sai số ngẫu nhiên, từ các giá trị lấy mẫu đã được xử lý để giảm sai số ngẫu nhiên bằng mạng nơron chúng tôi đề xuất sử dụng hàm nội suy Lagrange để khắc độ tự động đường đặc tính của cảm biến thông minh. Đồng thời chương này cũng đã nghiên cứu việc ứng dụng mạng nơron để khắc độ tự động đặc tính của cảm biến đảm bảo độ chính xác cao. Chương 4 nghiên cứu ứng dụng mạng nơron để hiệu chỉnh đặc tính thang đo của cảm biến đảm bảo giới hạn sai số cho phép. Chương 5 đánh giá kết quả đạt được và hướng nghiên cứu tiếp theo dựa trên những kết quả của đề tài. 5 Chương 1 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẮC ĐỘ CỦA DỤNG CỤ ĐO VÀ CẢM BIẾN 1.1 Phương pháp khắc độ dụng cụ đo tương tự Dụng cụ đo tương tự là loại dụng cụ đo mà số chỉ của nó là đại lượng liên tục tỉ lệ với đại lượng đo liên tục. Trong dụng cụ đo tương tự người ta thường dùng các chỉ thị cơ điện, trong đó tín hiệu vào là dòng điện còn tín hiệu ra là góc quay của phần động (kim chỉ) hoặc là di chuyển của bút ghi trên giấy (dụng cụ tự ghi). Các cơ cấu chỉ thị này thường dùng trong máy đo các đại lượng như dòng điện, điện áp, công suất, tần số, góc pha, điện trở.v.v . Những dụng cụ này chính là dụng cụ đo chuyể n đổi thẳng. Tức là thực hiện việc biến năng lượng điện từ thành năng lượng cơ học làm quay phần động một góc α so với phần tĩnh. Như vậy α = F(x), với x là đại lượng điện ( dòng hay áp hoặc là tích của hai dòng điện) Đối với chỉ thị cơ điện ta có phương trình đặc tính thang đo α α d dw D e 1 = , trong đó D là mômen cản riêng và W e là năng lượng điện từ trường. Từ phương trình này ta sẽ biết được đặc tính của thang đo và tính chất của cơ cấu chỉ thị. Do trong cơ cấu chỉ thị cơ điện tồn tại nhiều mômen như mômen ma sát, mômen cản dịu, mômen động lượng nên để xác định dạng thang đo của cơ cấu chỉ thị thường sử dụng phương pháp đồ thị. Bằng thực nghiệm ta xây dựng các đường cong mômen quay M d = f(α) với các giá trị X khác nhau. Ví dụ với cơ cấu chỉ thị điện từ ta xây dựng các đường cong mômen quay 1, 2, 3, 4 với các giá trị X tương ứng bằng 40, 60, 80 và 100% X n (X n - trị số dòng điện định mức làm kim lệch toàn thang). Trong trường hợp ở đồ thị hình 1.1 X n =I n =50mA. Các đường cong mômen quay M q cắt đường mômen cản M c tại các điểm A, B, C, D. Từ giao điểm A, B, C, D ta có các vị trí cân bằng α = 30 ° , 50 ° , 70 ° , 90 ° tương ứng với các giá trị X=20, 30, 40, 50 mA. Như vậy ta có thang đo của cơ cấu chỉ thị điện từ theo đơn vị của đại lượng X đầu vào. 6 Tuỳ thuộc vào phương trình đặc tính thang đo mà thang đo có thể là tuyến tính (ví dụ : cơ cấu chỉ thị từ điện) hoặc phi tuyến (ví dụ : cơ cấu chỉ thị điện từ , điện động, tĩnh điện). Nếu thang đo phi tuyến ta thường để thang đo đạt được tương đối đều. Đối v ới cơ cấu chỉ thị từ điện ta có phương trình đặc tính thang đo là α= BswI D 1 = K.I [TL3] Trong đó B- Độ từ cảm của nam châm vĩnh cửu s- Diện tích khung dây w- số vòng dây α- góc lệch của khung dây so với vị trí ban đầu Góc lệch α tỉ lệ thuận với dòng điện I nên đặc tính của thang đo đều. Cơ cấu chỉ thị điện từ có phương trình đặc tính là α= 2 2 1 I d dL D α [TL3]. Góc quay tỉ lệ với bình phương dòng điện do đó thang đo không đều. Ngoài M q α 0 ° 30 ° 50 ° 70 ° 90 ° X=40%X n (I= 20 mA) X=60%X n (I= 30 mA) X=80%X n (I= 40 mA) X=100%X n (I= 50 mA) 4 3 2 1 0 20 30 40 50 Hình 1.1 : Xác định thang đo bằng phương pháp đồ thị X(mA) 7 ra đặc tính thang đo lại còn phụ thuộc vào tỉ số α d dL là một đại lượng phi tuyến. Để cho đặc tính thang đo đều cần phải tính toán sao cho khi góc lệch α thay đổi thì tỉ số α d dL thay đổi theo quy luật tỉ lệ nghịch với dòng điện. Như vậy đường cong tổng hợp sẽ là đường tuyến tính với một độ chính xác nhất định. Cơ cấu chỉ thị điện động có phương trình đặc tính thang đo đối với trường hợp dòng một chiều I 1 và I 2 : α= 21 12 II d dM α [TL3]. Trong trường hợp dòng xoay chiều ta có α= 21 12 cos II Dd dM ϕ α . Như vậy góc lệch α phụ thuộc vào tích I 1 I 2 nên thang đo không đều. Có thể thay đổi vị trí của các cuộn dây để thay đổi tỉ số α d dM 12 theo hàm ngược với I 1 I 2 nhằm đạt được thang đo đều (thường từ 20%÷100% thang đo có thể chia đều còn 20% đầu thang đo chia không đều) Đối với Lôgômét điện động ta có phương trình đặc tính thang đo α= ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ),cos( ),cos( 22 11 III III F [TL3]. Khi cos(I,I 1 )=cos(I,I 2 )=1 tức là dòng điện chạy qua α I, L I 2 α d dL Đặc tính thang đo ~ α d dL I 2 Hình 1.2 : Đặc tính thang đo với α d dL đã điều chỉnh 8 cuộn động và cuộn tĩnh đồng pha thì α = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ 2 1 I I F . Như vậy góc lệch α tỉ lệ với tỉ số hai dòng điện. Cơ cấu chỉ thị sắt điện động có phương trình đặc tính thang đo : α=k 1 s 2 w 2 I 1 I 2 cos(I 1 ,I 2 ), góc lệch α tỉ lệ với tích hai dòng điện. Đối với cơ cấu chỉ thị tĩnh điện ta có phương trình đặc tính thang đo α= α d dCU 2 2 [TL3]. Như vậy góc lệch α tỉ lệ với bình phương điện áp U. Đặc tính thang đo không đều (bậc hai) và phụ thuộc vào tỉ số α d dC là một đại lượng phi tuyến. Trong thực tế để cho đặc tính thang đo đều cần phải tính toán sao cho khi góc lệch α thay đổi thì tỉ số α d dC thay đổi tỉ lệ nghịch với điện áp và đường cong tổng hợp sẽ là đường tuyến tính với một độ chính xác nhất định. Giống như trường hợp cơ cấu chỉ thị điện từ. Đối với cơ cấu chỉ thị tự ghi đầu vào thường là dòng điện biến thiên theo thời gian i(t) và đầu ra là đường quan hệ α(t). Đường ghi trên băng giấ y là sự phối hợp giữa hai chuyển động y=α=f(i) và x=Kt. Theo cách ghi có thể phân loại cơ cấu tự ghi làm ba loại : loại thứ nhất là ghi các đường cong liên tục; loại thứ hai là ghi các đường cong rời rạc; loại thứ ba là in số lên băng giấy. Nhận xét : trong dụng cụ đo tương tự chỉ thị kim thì sai số phi tuyến được đưa lên thang đo mà không nhất thiết phải tuyến tính hóa đặc tính phi tuyến nh ư dụng cụ đo số. 1.2 Phương pháp khắc độ dụng cụ đo có sử dụng vi xử lý hoặc máy vi tính [TL3] Việc sử dụng vi xử lý trong lĩnh vực đo lường mở ra những hướng phát triển và mang lại nhiều ưu điểm cho dụng cụ đo và hệ thống thông tin đo lường như : 9 - Có thể ghép nối thiết bị đo với bàn phím cho phép nhập thông tin bằng bàn phím số hoặc đặt trước giá trị đo lường hay kiểm tra của một thông số nào đó. - Có thể ghép nối với màn hình để đọc kết quả và sai số - Có thể gia công kết quả đo theo các thuật toán đã định sẵn và đưa ra màn hình. - Có thể nối với máy in để in kết quả đo hay tự động vẽ lại các đường cong sau khi đã gia công kết quả bằng phép xây dựng đường cong thực nghiệm. - Thay đổi toạ độ bằng cách đưa thêm vào các hệ số nhân thích hợp. - Tiến hành tính toán khi thực hiện phép đo gián tiếp hay hợp bộ hoặc đo lường thống kê. - Hiệu chỉnh được sai số của phép đo - Bù các kết quả đo bị sai l ệch do ảnh hưởng của sự biến động các thông số như nhiệt độ, độ ẩm, tần số…. - Điều khiển các khâu của dụng cụ đo cho phù hợp với đại lượng đo ví dụ : tự động chọn thang đo. - Mã hoá các tín hiệu đo - Ghép nối với kênh liên lạc để truyền số liệu đi xa. - Có thể ghép nối v ới bộ nhớ để lưu giữ số liệu của kết quả đo hay các giá trị tức thời của tín hiệu đo. Ngoài ra dụng cụ đo có sử dụng vi xử lý hoặc máy vi tính còn có khả năng tự động khắc độ. Quá trình tự động khắc độ như sau : - Đầu tiên người ta đo các giá trị của tín hiệu chuẩn, ghi vào bộ nhớ, sau đó đo các giá trị của đại lượng cần đo và bằng các công cụ toán học (dưới dạng thuật toán) có thể so sánh, gia công kết quả đo và loại trừ các sai số. 10 Ví dụ : Trong một Vônmét thực hiện theo phương pháp này việc khắc độ được thực hiện trước mỗi lần đo (ở chế độ đồng bộ trong). Việc bù sai số do sự lệch không của bộ khuếch đại (sự trôi điểm không chẳng hạn) sẽ được thực hiện bằng cách đo mức không (mức đất) của tín hiệu, sau đó bắt đầu đo đ iện áp chuẩn cố định từ nguồn mẫu (ví dụ như pin mẫu). Sử dụng vi xử lý hoặc máy vi tính có thể thay thế cho một loạt các thao tác mà trong dụng cụ tương tự không thực hiện được ví dụ như : phép nhân, phép tuyến tính hoá, điều khiển quá trình đo, điều khiển sự làm việc của các thiết bị vào ra v.v . 1.3 Phương pháp khắc độ các chuyển đổi đo lường s ơ cấp 1.3.1 Chuyển đổi đo lường so cấp Chuyển đổi đo lường là thiết bị thực hiện một quan hệ hàm đơn trị giữa hai đại lượng vật lý với một độ chính xác nhất định. Như vậy chuyển đổi đo lường làm nhiệm vụ biến đổi từ đại lượng vật lý này sang đại lượng vật lý khác. Mối quan hệ hàm có thể là tuy ến tính hay phi tuyến. Tuy nhiên trong kỹ thuật đo lường người ta cố gắng tạo ra các chuyển đổi tuyến tính để nâng cao độ chính xác của phép đo. Chuyển đổi đo lường sơ cấp là các chuyển đổi đo lường mà đại lượng vào là đại lượng không điện và đại lượng ra của nó là đại lượng điện. Phương trình đặc tính của chuyển đổi Y=f(X) Trong đó X-là đại lượng không điện cần đo Y-đại lượng điện sau chuyển đổi Hàm đặc tính của chuyển đổi là một hàm đồng biến hoặc nghịch biến. Khi chuyển đổi sơ cấp được đặt trong một vỏ hộp có kích thước và hình dáng phù hợp với vị trí điểm đo hoặc có khi tích hợp với mạch đo để tạo thành một dụng cụ được gọi là đầu đo, bộ cảm biến hoặc là sensor. Để có được đặc tính của chuyển đổi sơ cấp người ta thường làm thực nghiệm để tìm ra mối quan hệ giữa X và Y. Mối quan hệ này thường là phi