MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong l nh vực điều khiển và tự động hóa, có rất nhiều thuật toán điều khiển từ kinh điển đến hiện đại đòi hỏi bộ điều khiển phải xử lý khối lƣợng công việc lớn, tính toán phức tạp. Matlab là một phần mềm có khả năng tính toán và thực hiện tốt các thuật toán điều khiển. Kết hợp Matlab và Card thu thập dữ liệu sẽ tạo ra bộ điều khiển rất linh hoạt, có khả năng thực hiện các thuật toán điều khiển trong l nh vực điều khiển tự động thể hiện qua các báo cáo [3], [8], [12], [13], [14], tuy nhiên giá thành card của các hãng thƣờng rất cao.
Do đó đề xuất thiết kế card có khả năng thu thập và xuất tín hiệu ra đối tƣợng điều khiển để kiểm chứng các thuật toán điều khiển để phục vụ cho công tác giảng dạy và nghiên cứu là cần thiết. Qua luận văn này sẽ giúp tôi có cơ sở và phƣơng tiện để tiếp tục con đƣờng nghiên cứu về l nh vực điều khiển và tự động hóa tại Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp. Vì vậy tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo và kiểm nghiệm card điều khiển thời gian thực trong điều khiển hệ truyền động”. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu, thiết kế card giao tiếp với máy tính trong điều khiển thời gian thực (giao tiếp bằng phần mềm MatLab).
Dự kiến các kết quả đạt đƣợc Card điều khiển. Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết về đo lƣờng, chuyển đổi tín hiệu. - Nghiên cứu lý thuyết phân tích, thiết kế mạch xử lý tín hiệu số, giao tiếp với Matlab. - Áp dụng lý thuyết vào thực nghiệm.
Cấu trúc của luận văn Luận văn đƣợc chia làm 3 chƣơng: Chƣơng 1. Cơ sở lý thuyết về đo lƣờng và điều khiển Chƣơng 2. Thiết kế card điều khiển Chƣơng 3. Thực nghiệm Kết luận và kiến nghị.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -1- CHƢƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐO LƢỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN 1. Cơ sở lý thuyết về đo lƣờng [1] 1. Khái niệm đo lường Theo – D.Mendeleev thì: “Khoa học bắt đầu từ khi ngƣời ta biết đo.
Một khoa học chính xác sẽ không có ý ngh a nếu thiếu đo lƣờng”. Ngay từ thời xa xƣa con ngƣời đã chú ý đến khái niệm đo lƣờng, đó là một ngành khoa học chuyên nghiên cứu các phƣơng pháp để đo các đại lƣợng khác nhau. Và đã đƣợc các nhà khoa học ở mọi l nh vực quan tâm. Đối với mỗi quốc gia việc phát triển đo lƣờng bao giờ cũng phải bao gồm 2 l nh vực của đo lƣờng đó là đo lƣờng pháp quyền và đo lƣờng khoa học.
- Đo lƣờng pháp quyền liên quan đến vấn đề sau: + Xây dựng hệ thống pháp luật về đo lƣờng. + Xây dựng các tổ chức về đo lƣờng để quản lý công tác đo lƣờng trong cả nƣớc. + Xây dựng hệ thống chuẩn về đo lƣờng. + Kiểm định phƣơng tiện đo.
Đo lƣờng pháp quyền là một l nh vực lớn đặt ra cho mỗi quốc gia để mọi hoạt động kinh tế, khoa học kỹ thuật, quốc phòng và đời sống xã hội luôn đƣợc đảm bảo về chất lƣợng và số lƣợng trong sản xuất thƣơng mại cũng nhƣ trong giao dịch quốc tế. Tuy nhiên với khoa học công nghệ ngày một phát triển với nhiều các phát minh sáng giá thì mỗi chúng ta nên quan tâm đến l nh vực đo lƣờng thứ hai đó là Đo lƣờng khoa học. Trong đo lƣờng khoa học ngƣời ta chú ý đến vị trí và nội dung của đo lƣờng trong hệ thống các ngành khoa học hiện đại: tập trung phân tích các ý tƣởng, nguyên lý và phƣơng hƣớng khoa học của nó đƣợc đặt dƣới cái tên chung Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -2- là “Lý thuyết đo lƣờng”. Để hiểu rõ nội dung của đo lƣờng khoa học trƣớc tiên ta phải hiểu đo lƣờng là gì và cơ sở để hình thành lý thuyết đo lƣờng? Đo lƣờng nhƣ là một phƣơng pháp đánh giá về định lƣợng của đối tƣợng vật chất và phi vật chất có tính biện chứng toàn diện, từ đó hình thành các hƣớng khác nhau của lý thuyết đo lƣờng.
Ví dụ, trong vật lý lƣợng tử khi thực hiện phép đo cần phải quan tâm đến việc đo các đại lƣợng có kích thƣớc nhỏ, điều này hình thành lý thuyết đo lƣờng cơ học lƣợng tử. Hay trong xã hội, tâm lý học, kỹ thuật hệ thống, điều khiển học…phải quan tâm đến đại lƣợng phi vật lý cần đo, điều này hình thành lý thuyết đo lƣờng tâm lý. Trong đo lƣờng học (metrology) ngƣời ta quan tâm đến sai số từ đó hình thành lý thuyết về sai số. Sai số cũng đƣợc coi là một dạng nhiễu trong kênh đo lƣờng và từ đó hình thành lý thuyết đo lƣờng thông tin.
Việc nghiên cứu về phép đo nhƣ là một phƣơng pháp nào đó để nhận đƣợc kết quả bằng số về giá trị của một đại lƣợng cần đo nào đó (vật lý hay phi vật lý) từ đó hình thành lý thuyết đo lƣờng angôrit. Nhƣ vậy lý thuyết đo lƣờng là một khái niệm rất rộng nó bao quát nhiều l nh vực, nhiều hƣớng phát triển và mỗi hƣớng tuỳ thuộc vào điều kiện cụ thể của nó mà hình thành lý thuyết đo lƣờng. Lý thuyết đo lường cơ sở Lý thuyết đo lƣờng cơ sở là những vấn đề nền tảng của đo lƣờng. Nó chính là gốc để phát triển khoa học chính xác nhƣ vật lý, toán học, phi vật lý.
Trong l nh vực này quan tâm đến những đặc tính chung nhất, những quy luật của phép đo nhƣ là một phƣơng pháp đánh giá định lƣợng các thông số của thế giới đối tƣợng. Những phát minh về quy luật của phép đo luôn đem lại ảnh hƣởng có tính quyết định đến nền khoa học chính xác. Ví dụ, trong vật lý hiện đại phát minh nổi tiếng trong l nh vực đo lƣờng là hệ thức bất định của Werner Heisenberg (Đức) về nguyên tắc nó hạn chế độ chính xác của phép đo lƣờng cơ lƣợng tử trong vật lý lƣợng tử. Trong toán học cũng vậy những phát minh toán học sẽ hỗ trợ cho quá trình đo lƣờng một cách hiệu quả.
Ví dụ việc phát minh ra Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -3- phƣơng pháp biến đổi Furiê nhanh đã giúp các nhà đo lƣờng phân tích phổ một tín hiệu đo với một dải tần ngày càng cao và xác định đƣợc hàm mật độ phổ một cách nhanh chóng, mở ra một phƣơng pháp đo lƣờng hiện đại, đó là đo lƣờng toán học logic mà cốt lõi của nó là đo lƣờng angôrit trong đó bao hàm cả việc gia công kết quả đo lƣờng. Đối với các đại lƣợng đo phi vật lý, lý thuyết đo lƣờng cơ sở chú ý đến việc xác định các đặc trƣng phi vật lý (ví dụ lƣợng thông tin hay các đặc trƣng thống kê…) những phát minh về mặt toán học đã đặt cơ sở cho lý thuyết đo các đại lƣợng phi vật lý mà ta gọi đó là đo lƣờng tâm lý. Lý thuyết đo lường ứng dụng Lý thuyết đo lƣờng ứng dụng tập trung nghiên cứu các phép đo trong thực tế, các bài toán cụ thể đƣợc đặt ra cho kỹ thuật nói chung và kỹ thuật đo lƣờng nói riêng. Ví dụ việc nghiên cứu chế tạo các chuẩn đơn vị đo lƣờng (trƣớc đây là hệ một, hệ tuyệt đối Gause và ngày nay là hệ đo lƣờng quốc tế SI Système International d'unités) để đảm bảo sự thống nhất đo lƣờng trên toàn thế giới.
Xung quanh bài toán đó trong khoa học ngày nay hình thành một l nh vực đƣợc gọi là đo lƣờng học (Metrology). Đo lƣờng học là một môn khoa học về các phép đo, về phƣơng pháp và phƣơng tiện đo để đảm bảo cho các quá trình đo đƣợc thống nhất và các phƣơng pháp nhằm đạt đƣợc độ chính xác yêu cầu. Đo lƣờng học đóng vai trò to lớn trong việc xây dựng phƣơng pháp thiết bị đo và giải quyết hầu hết các bài toán đặt ra của kỹ thuật đo lƣờng. Khoa học và kỹ thuật ngày càng phát triển, việc ứng dụng các thành tựu của máy tính và điều khiển học kỹ thuật trong đo lƣờng đã làm xuất hiện một l nh vực mới trong đo lƣờng ứng dụng đó là đo lƣờng tự động.
Nội dung của đo lƣờng tự động đó là con ngƣời ít can thiệp vào các thao tác đo lƣờng và xử lý thông tin mà hầu nhƣ các thao tác này là hoàn toàn tự động. Sự xuất hiện của các thiết bị đo thông minh, các hệ thống thông tin đo Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -4- lƣờng và điều khiển thông minh, việc truyền tín hiệu đi xa bằng kỹ thuật số và các phƣơng tiện hiện đại nhƣ cáp quang hay vô tuyến đã tạo ra các hệ thống đo và điều khiển từ xa rất hiệu quả và tiện lợi. Nhƣ vậy lý thuyết đo lƣờng ứng dụng hiện đại bao gồm hai hƣớng phát triển hỗ trợ cho nhau là: đo lƣờng học và đo lƣờng tự động. Cả hai đều phản ánh quá trình quan trọng nhất trong kỹ thuật đo lƣờng đó là quá trình vật lý (sử dụng những thành tựu của vật lý để hoàn thiện thiết bị đo và quá trình tự động hoá.
Sử dụng các phƣơng pháp đo tự động trong điều khiển sản xuất công nghiệp). Cùng với đo lƣờng cơ sở, đo lƣờng ứng dụng ngày càng phát triển tạo thành ngành kỹ thuật đo lƣờng là một ngành khoa học công nghệ cao, nó có mặt ở khắp mọi nơi, ở mọi l nh vực của kinh tế quốc dân và đời sống xã hội. Sự phát triển của nó có ảnh hƣởng rất lớn đến sự phát triển khoa học – kỹ thuật, đƣa lại lợi ích to lớn cho xã hội. Phân loại và cách thức thực hiện phép đo Để thực hiện một phép đo ta có thể thực hiện nhiều cách đo khác nhau, ta có thể phân biệt các cách đo sau đây: - Đo trực tiếp: là cách đo mà kết quả nhận đƣợc trực tiếp từ một phép đo duy nhất.
Cách đo này cho kết quả ngay. Dụng cụ đo đƣợc sử dụng thƣờng tƣơng ứng với đại lƣợng cần đo. Ví dụ: đo điện áp dựng Vônmét thì trên mặt thang đo đã khắc độ sẵn bằng vôn. Trên thực tế chủ yếu dựng phƣơng pháp này.
- Đo gián tiếp: là cách đo mà kết quả đƣợc suy ra từ sự phối hợp kết quả của nhiều phép đo dựng cách đo trực tiếp.