Ứng dụng máy tính trong đo lường và điều khiển

ỨNG DỤNG MÁY TÍNH TRONG ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂNGiới thiệu môn họcTên môn học: Ứng dụng máy tính trong ĐL&ĐKTổng thời gian: 30 tiếtĐiểm: Giữa kỳ 40% Cuối kỳ 60%Tài liệu tham khảo:[1] Trần Quang Vinh, Nguyên lý phần cứng và kỹ thuật ghép nối máy tính, NXB Giáo dục, 2003.[2] Stephen J. Chapman, Matlab Programming for Engineers, Thompson, 2008[3] Tập bài giảng của ThS. Huỳnh Minh Ngọc, ĐHCN TPHCMGiảng viên: ThS. Hoàng Văn Mạnh Email: manhhv87@gmail.comỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK2Mục tiêu môn họcNội dung: Giới thiệu các thành phần cơ bản của một hệ thống đo lường và điều khiển bằng máy tính, cung cấp kiến thức cần thiết để thiết kế và thực hiện các hệ thống đo lường và điều khiển dùng máy tính.Các hiểu biết, các kỹ năng cần đạt được sau khi học môn học:Kiến thức: Nắm vững những kiến thức cơ bản về tổ chức và nguyên tắc hoạt động về phần cứng cũng như phần mềm của một hệ thống đo lường và điều khiển dựa trên máy tính.Kỹ năng: Thiết kế các hệ thống đo lường các đại lượng vật lý và điều khiển bằng máy tính.Ứng dụng máy tính trong ĐL&ĐK3Chương 1: Tổng quan hệ thống ĐL&ĐK bằng máy tínhChương 2: Ghép nối VXL và máy tính với hệ thống ĐLĐKChương 3: Giao tiếp qua cổng song songChương 4: Giao tiếp qua cổng nối tiếp Chương 5: Lập trình giao tiếp nối tiếpChương 6: Đo lường, điều khiển và xử lý số liệu bằng máy tínhỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK4Nội dung môn học1.1. Giới thiệu chung1.2. Cấu trúc của hệ thống ĐL&ĐK bằng máy tính1.3. Hệ thống đo và xử lý tín hiệu1.4. Hệ thống điều khiểnỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK5Chương 1: Tổng quan về hệ thống ĐL&ĐK bằng máy tính1.1. Giới thiệu chung1.2. Cấu trúc của hệ thống ĐL&ĐK bằng máy tính1.3. Hệ thống đo và xử lý tín hiệu1.4. Hệ thống điều khiểnỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK6Chương 1: Tổng quan về hệ thống ĐL&ĐK bằng máy tínhGiới thiệu chungMáy tính trong đo lường và điều khiểnMáy tính sử dụng dưới ba dạng:Máy tính điều khiển hay máy vi tính – Personal ComputerVi xử lý điều khiển nhúng hay vi điều khiển (VĐK)Bộ điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Controller – PLC)Ứng dụng máy tính trong ĐL&ĐK7Giới thiệu chungMáy tính trong đo lường và điều khiểnHoạt động:Nhận tín hiệu từ cảm biếnLưu trữ và xử lý thông tin từ tín hiệu vàoTính toán và gửi tín hiệu đầu ra tới cơ cấu chấp hành dưới sự điều khiểnỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK8Giới thiệu chungMột số ứng dụng tiêu biểuỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK9Hệ thống cung cấp điệnTàu vũ trụMáy CNCHệ thống MTRRobotĐiều khiển động cơGiới thiệu chungƯu nhược điểmỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK10Ưu điểmNhược điểmTốc độ tính toán caoLinh hoạt trong việc kết nối với các thiết bị ngoại viKhả năng lưu trữ lớnKhả năng lập trìnhKhả năng vận hành từ xaNhỏ gọn+ Giá thành cao+ Khó duy trì+ Khả năng thích ứng môi trường thấp+ Yêu cầu nhiều thiết bị phụ trợGiới thiệu chungLịch sử phát triển1950: Việc sử dụng máy tính trong đo lường và điều khiển thời gian thực lần đầu tiên được công bốỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK11Sơ đồ cấu trúc sử dụng máy tính trong ĐL&ĐK do Brown và Campbell đưa raGiới thiệu chungLịch sử phát triển1959: Hệ thống điều khiển RW-300: Hệ thống đầu tiên trong công nghiệp điều khiển bằng máy tính ra đờiHệ thống cung cấp khả năng điều khiển vòng kín.Ứng dụng máy tính trong ĐL&ĐK12Máy tính trong hệ thống RW-300 – chức năng ĐKQT và ghi dữ liệuGiới thiệu chungLịch sử phát triển1962: ICI (Imperial Chemical Industries) đưa ra khái niệm hệ thống máy tính điều khiển số trực tiếp (DDC)Các vòng điều khiển tương tự thông thường được thay bằng một máy tính trung tâmThế hệ máy tính đầu tiên là Feranti Argus.Hệ thống lớn gồm 120 vòng lặp điều khiển và 256 phép đo.Ứng dụng máy tính trong ĐL&ĐK13Máy tính Feranti Argus 200Giới thiệu chungLịch sử phát triểnĐiều khiển phân tán (~1980)Hệ thống gồm nhiều máy vi tính giao tiếp nhau chia xẻ tài nguyên1975: Hệ thống đầu tiên loại này là Honeywell TDC2000Ứng dụng máy tính trong ĐL&ĐK14Giới thiệu chungLịch sử phát triểnHệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (Supervisory Control And Data Acquisition – SCADA)Máy tính công nghiệp mạnh (Industrial PC – IPC) làm nhiệm vụ giám sát, kết nối với PLC hay bộ điều khiển thu thập vào ra hiện trường, các module I/O thông qua mạng Ethernet – TCP/IP hay fieldbus.Phần mềm giao diện người máy (HMI) cùng điều khiển và giám sát hệ thốngỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK151.1. Giới thiệu chung1.2. Cấu trúc của hệ thống ĐL&ĐK bằng máy tính1.3. Hệ thống đo và xử lý tín hiệu1.4. Hệ thống điều khiểnỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK16Chương 1: Tổng quan về hệ thống ĐL&ĐK bằng máy tínhCấu trúc của hệ thống ĐL&ĐK bằng máy tínhSơ đồ tổng quátBộ xử lý trung tâm (CPU):VXL, máy tính, bộ nhớ ...Các kênh truyền thông liên lạc giữa người-máy và máy-máyCác thiết bị ghép nối và chuyển đổi tương tự-số, số-tương tựCảm biến:Nhiệt, áp suất, dịch chuyển, vận tốc ...Cơ cấu chấp hành:Rơ le, động cơ, van khí và thủy lực, xy lanh ...Quá trình vật lýỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK17Ví dụ về hệ thống ĐL&ĐK dựa trên máy tínhỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK18Hệ thống máy thổi khí nóngCấu trúc của hệ thống ĐL&ĐK bằng máy tínhCác thông số của một hệ đo và điều khiểnĐộ nhạy (sensitivity):Là sự thay đổi giá trị cực tiểu còn phát hiện được so với giá trị trung tâm của đại lượng cần đoXác định bởi tỷ số tín hiệu trên ồn của thiết bịDải chết (deat band):Dải biến đổi của tín hiệu vào mà không gây nên một sự thay đổi nào giá trị tín hiệu raĐộ chính xác (accuracy):Sai lêch nhỏ nhất của các giá trị đo được so với một giá trị chuẩn được coi là giá trị đúngỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK19Cấu trúc của hệ thống ĐL&ĐK bằng máy tínhCác thông số của một hệ đo và điều khiển Ứng dụng máy tính trong ĐL&ĐK20Cấu trúc của hệ thống ĐL&ĐK bằng máy tínhCác thông số của một hệ đo và điều khiểnDải động (dynamic range):Tỷ số giữa độ rộng dải đo trên độ nhạy của phép đoĐộ trôi (drift):Thường gặp ở các giá trị đo có phổ rất gần thành phần 1 chiều DCĐộ phân giải (Resolution):Là độ chính xác mà phép đo có thể hiển thị đượcĐộ trễ (delay):Sự lệch về mặt thời gian giữa đại lượng biến đổi cần đo và giá trị đo đượcỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK21Cấu trúc của hệ thống ĐL&ĐK bằng máy tínhCác thông số của một hệ đo và điều khiểnThời gian đáp ứng:Thời gian để thiết bị đạt được số % giá trị xác định nào đó trên toàn bộ dải đoThời gian tăng:Thời gian để tín hiệu ra của thiết bị tăng từ giá trị này – giá trị khácHằng số thời gian:Thời gian để giá trị đầu ra đạt được từ 0% đến 63% giá trị toàn dảiỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK221.1. Giới thiệu chung1.2. Cấu trúc của hệ thống ĐL&ĐK bằng máy tính1.3. Hệ thống đo và xử lý tín hiệu1.4. Hệ thống điều khiểnỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK23Chương 1: Tổng quan về hệ thống ĐL&ĐK bằng máy tínhHệ thống đo và xử lý tín hiệuKhái niệm:Gồm 3 thành phần chính:Cảm biến (sensor/transducer): Chuyển đổi các đại lượng vật lý được đo thành tín hiệu điệnBộ điều chế tín hiệu (signal conditioner): Điều chế các tín hiệu nhận được từ cảm biến theo các điều kiện để hiển thị. Các bộ điều chế tín hiệu như bộ khuếch đại, mạch trích và giữ mẫu, bộ lọc, chuyển đổi A/D ...Hiển thị (display system): Hiển thị dữ liệu từ bộ điều chế tín hiệu dưới dạng tương tự hoặc sốỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK24Hệ thống đo và xử lý tín hiệuVí dụ: Hệ thống đo nhiệt độỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK25Hệ thống đo và xử lý tín hiệuCác loại cảm biến thường gặpỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK26Hệ thống đo và xử lý tín hiệuCảm biến đo độ dịch chuyển:Biến trở con chạy:Điểm dịch chuyển cần đo được gắn cố kết với vị trí con chạy trên một biến trở. Giá trị biến đổi điện trở của nhánh tỉ lệ với độ dịch chuyểnỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK27Hệ thống đo và xử lý tín hiệuCảm biến đo độ dịch chuyển:Cảm biến sức căng (Strain Gauge):Khi được gắn cố kết với đối tượng cần đo độ dịch chuyển sẽ có giá trị điện trở phụ thuộc vào sức căng và do vậy phụ thuộc vào độ dịch chuyển của đối tượng cần đo. Ví dụ: mạch cầu WheatstoneỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK28Hệ thống đo và xử lý tín hiệuCảm biến đo độ dịch chuyển:Cảm biến đo độ dịch chuyển bằng các cuộn điện cảm sử dụng nguyên tắc tự cảm, hỗ cảm và biến thế vi sai:Ứng dụng máy tính trong ĐL&ĐK29Các thông số ghép giữa các cuộn dây này sẽ bị biến đổi bởi sự chuyển dịch của 1 vật có độ từ thẩm cao đặt giữa chúng. Vậy bằng cách xác định giá trị điện phụ thuộc vào thông số ghép ta có thể xác định được độ dịch chuyển của vật.Hệ thống đo và xử lý tín hiệuCảm biến đo độ dịch chuyển:Các cảm biến điện dung:Điện dung giữa 2 bản cực song song của 1 tụ điện tỉ lệ với khoảng cách giữa chúng. Vậy nếu cố kết vật cần đo độ dịch chuyển với 1 bản cực thì bằng cách đo giá trị biến đổi của điện dung ta có thể biết được độ dịch chuyển của vật.Ứng dụng máy tính trong ĐL&ĐK30Hệ thống đo và xử lý tín hiệuCảm biến đo nhiệt độCặp nhiệt điện:Sử dụng hiệu ứng Peltier-Seebeck tồn tại một sức điện động ở điểm tiếp giáp giữa 2 kim loại, sức điện động này tỉ lệ với nhiệt độ tại điểm đó.Ứng dụng máy tính trong ĐL&ĐK31Hệ thống đo và xử lý tín hiệuCảm biến đo nhiệt độNhiệt điện trở (RTDs):Hoạt động dựa trên nguyên lý: giá trị điện trở của cảm biến tỉ lệ với nhiệt độ của nóCó nhiệt điện trở kim loại, nhiệt điện trở bán dẫn ...Phổ biến là nhiệt điện trở Pt (100, 200, 1000)Ứng dụng máy tính trong ĐL&ĐK32Hệ thống đo và xử lý tín hiệuCảm biến nhạy ánh sángQuang trở:Là một linh kiện điện tử có điện trở thay đổi giảm theo ánh sáng chiếu vào.Photodiode:Là loại diode có dòng ngược tăng tỷ lệ với quang thông chiếu lên tiếp giáp phân cực ngược của nó.Phototransistor:Là loại transistor có dòng collector tăng theo quang thông chiếu vào các lớp tiếp giáp p-n của nóỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK33Hệ thống đo và xử lý tín hiệuCác mạch điện điều chế tín hiệuBộ khuếch đại thuật toánMạch cách lyBộ dồn kênhBộ lọcMạch kích thíchMạch tuyến tính hóaỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK34Hệ thống đo và xử lý tín hiệuCác mạch điện thích ứng tín hiệuBộ khuếch đại thuật toán:Ứng dụng máy tính trong ĐL&ĐK35Bộ khuếch đại đảoBộ khuếch không đại đảoHệ thống đo và xử lý tín hiệuCác mạch điện thích ứng tín hiệuBộ khuếch đại thuật toán:Ứng dụng máy tính trong ĐL&ĐK36Mạch cộng đảoMạch cộng thuậnHệ thống đo và xử lý tín hiệuCác mạch điện thích ứng tín hiệuBộ khuếch đại vi sai:Ứng dụng máy tính trong ĐL&ĐK37Hệ thống đo và xử lý tín hiệuCác mạch điện thích ứng tín hiệuMạch tích phân, mạch vi phân:Ứng dụng máy tính trong ĐL&ĐK38 Mạch vi phânMạch tích phân Hệ thống đo và xử lý tín hiệuCác mạch điện thích ứng tín hiệuMạch so sánh điện áp:Ứng dụng máy tính trong ĐL&ĐK391.1. Giới thiệu chung1.2. Cấu trúc của hệ thống ĐL&ĐK bằng máy tính1.3. Hệ thống đo và xử lý tín hiệu1.4. Hệ thống điều khiểnỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK40Chương 1: Tổng quan về hệ thống ĐL&ĐK bằng máy tínhHệ thống điều khiểnKhái niệmMột chiếc hộp đen được sử dụng để điều khiển đầu ra của nó theo 1 giá trị đặt trướcVí dụ: hệ thống điều khiển nhiệt độ trong nhàỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK41Hệ thống điều khiểnĐiều khiển vòng hở và vòng đóngĐiều khiển vòng hở:Không có thanh phần hồi tiếp để so sánh giá trị đầu ra thực và giá trị đầu ra mong muốn.Không kiểm soát đầu vào.Độ chính xác điều khiển phụ thuộc vào khả năng điều chỉnh và độ tin cậy điều chỉnh của thiết bị.Chịu ảnh hưởng lớn của nhiễu.Đáp ứng chậm.Ứng dụng máy tính trong ĐL&ĐK42Hệ thống điều khiểnĐiều khiển vòng hở và vòng đóngĐiều khiển vòng hở:Ứng dụng máy tính trong ĐL&ĐK43Hệ thống điều khiểnĐiều khiển vòng hở và vòng kínĐiều khiển vòng kín:Thiết bị hồi tiếp được sử dụng để so sánh giá trị đầu ra thực và giá trị đầu ra mong muốn, sai lệch giữa hai tín hiệu này được dùng làm tín hiệu vào của thiết bị điều khiểnĐộ chính xác điều khiển caoGiảm tác động và ảnh hưởng của nhiễuTốc độ đáp ứng nhanhTăng được bề rộng dải tần có đáp ứng tốtCó khuynh hướng tạo ra bộ dao động do quán tính của sự so sánh tín hiệuỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK44Hệ thống điều khiểnĐiều khiển vòng hở và vòng kínĐiều khiển vòng kín:Ứng dụng máy tính trong ĐL&ĐK45Hệ thống điều khiểnĐiều khiển vòng hở và vòng kínCác thành phần của điều khiển vòng kín:Phần tử so sánh: so sánh giá trị tham chiếu hoặc giá trị đặt với giá trị thực và đưa ra sai lệch giữa chúngPhần tử điều khiển: đưa ra những phản ứng tương ứng với sai lệch nhận đượcPhần tử chấp hành: thực thi lệnh điều khiểnPhần tử quá trình: đối tượng được điều khiểnPhần tử đo lường: đo giá trị thực đầu ra được điều khiểnỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK46Hệ thống điều khiểnCác phương pháp toán học phân tích hệ điều khiển tự độngCác đặc tính quan trọng của hệ thống điều khiển tự động bao gồm:Đặc tính tĩnhĐặc tính độngĐặc tính thời gianĐặc tính tần sốỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK47Hệ thống điều khiểnCác phương pháp toán học phân tích hệ điều khiển tự động Ứng dụng máy tính trong ĐL&ĐK48Hệ thống điều khiểnTính ổn định hệ điều khiểnHệ thống ĐKTĐ được gọi là ổn định nếu sau khi bị phá vỡ trạng thái cân bằng do tác động của nhiễu, nó sẽ tự điều chỉnh để trở lại trạng thái cân bằngỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK49Hệ thống điều khiểnTính ổn định hệ điều khiển Ứng dụng máy tính trong ĐL&ĐK50Hệ thống điều khiểnCác tiêu chuẩn ổn định đại sốTiêu chuẩn Routh:Điều kiện cần và đủ để hệ thống tuyến tính ổn định là tất cả các số hạng trong cột thứ nhất của bảng Routh dươngTiêu chuẩn ổn định Hurwitz:Điều kiện cần và đủ để cho hệ thống tuyến tính ổn định là tất các định thức con chứa đường chéo của ma trận Hurwitz đều dương.Ứng dụng máy tính trong ĐL&ĐK51Hệ thống điều khiểnCác tiêu chuẩn ổn định tần số Ứng dụng máy tính trong ĐL&ĐK52Hệ thống điều khiểnHệ điều khiển sốSơ đồ khối hệ thống điều khiển sốỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK53Hệ thống điều khiểnHệ điều khiển sốBộ chuyển đổi ADC:Đưa tín hiệu từ cảm biến vào máy tínhADC nhiều kênhChuyển đổi VFCBộ đếm xungMạch xử lý tín hiệu phức tạp có vi xử lý nhúng bên trongỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK54Hệ thống điều khiểnHệ điều khiển sốBộ chuyển đổi DAC:Vi mạch DACBộ điều chế độ rộng xung PWMKhuếch đại công suất:Rơle bán dẫn SCRVan khí nénThiết bị phức tạp: chỉnh lưu có điều khiển, bộ biến tầnỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK55Hệ thống điều khiểnHệ điều khiển số Ứng dụng máy tính trong ĐL&ĐK56Hệ thống điều khiểnHệ điều khiển sốLấy mẫu tín hiệu liên tục thời gian:Rời rạc hóa tín hiệuKhôi phục lại tín hiệu đã bị rời rạcBiến đổi z và hàm truyền zỨng dụng máy tính trong ĐL&ĐK57Hệ thống điều khiểnHệ điều khiển sốHệ thống lấy mẫu tín hiệuThuật toán điều khiển:Ứng dụng máy tính trong ĐL&ĐK58