~~~~~~~-Giáo trình Đo lường Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BỘ MÔN : TỰ ĐỘNG HÓA GIÁO TRÌNH ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN XA DÙNG CHO SINH VIÊN NGÀNH ĐIỆN KĨ THUẬT (LƯU HÀNH NỘI BỘ) Version 1.0 ĐÀ NẴNG 2007 ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~-Giáo trình Đo lường Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ MỤC LỤC Trang Chương Các hệ thống đo xa Chương Tính toán thông số hệ thống đo xa tần số 13 Chương Tính toán thông số hệ thống đo xa thời gian – xung 26 Chương Hệ thống đo xa mã - xung 31 Chương Hệ thống đo lường xa thích nghi 39 Chương Mã chế biến mã 43 Chương Kênh liên lạc 61 Chương Các biện pháp nâng cao độ xác truyền tin 66 Chương Thiết bị mã hóa dịch mã 75 Chương 10 Cơ lý thuyết truyền tin 80 Chương 11 Độ tin cậy hệ thống đo xa 93 ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~-Giáo trình Đo lường Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ CHƯƠNG : CÁC HỆ THỐNG ĐO XA 1-Khái niệm chung Đo lường, kiểm tra điều khiển xa trình thực khoảng cách xa Hệ thống đo xa: Đó hệ thống đo cường đọ tự động khoảng cách xa nhờ việc truyền tin qua kênh liên lạc Khi thiết kế hệ thống đo xa, cần ý cho bảo đảm sai số phép đo phải nhỏ nhất- trình đo người không tham gia trực tiếpcủa người Sai số phép đo thường giảm tín hiệu tồn nhiễu (thay đổi khí hậu……) Hệ thống đo xa khác tuỳ thuộc phương pháp tạo tín hiệu tức phương pháp điều chế mã hoá Việc chọn phương pháp điều chế : Việc chọn phương pháp điều chế có liên quan đến thông số cuả kênh liên lạc Ở khoảng cách gần (3-7)km , thường dùng đường dây không Ở khoảng cách 20km thường dùng đường dây cáp, dùng tín hiệu chiều Sai số thường phụ thuộc vào biến động thông số kênh liên lạc Ví dụ: điện trở dây phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, khoảng từ -40 C ÷ 40 C , điện trở dây R d thay đổi 27% - Sự thay đổi dẫn đến sai số lớn truyền tín hiệu Trong hệ thống đo lường điều khiển xa công nghiệp người ta dùng phương pháp điều chế: - Điều chế tần số tần số xung : hệ thống đo dùng phương pháp gọi hệ thống đo xa tần số - Điều chế độ rộng – xung ; thời gian – xung Æhệ thống thời gian - Điều chế mã – xung Æhệ thống số Kết cấu phân loại hệ thống đo xa : a, Kết cấu : hệ thống đo xa có kết cấu sau : k1 x1 k2 z Fát k3 kk y1 y2 Thu k4 I CT ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== CĐSC ~~~~~~~-Giáo trình Đo lường Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ z=k x y =k z y =k k y  x = k k k k k k1 x1  n  → = x x ∑ ki  i =1  I=k y x =k I Từ cho thấy độ xác x phụ thuộc vào k i -Nếu k i thay đổi δ % dẫn đến thay đổi đọ xác phép đo x δ % Hiện thường khống chế khoảng 1% Về mặt kinh tế : hệ thống đo xa khâu đắt dây liên lạc Về tính kinh tế : hệ thống đo xa thường dùng hệ thống nhiều kênh-Trong gồm có đo lường xa , tín hiệu điều khiển xa , kiểm tra từ xa b phân loại : - Hệ thống tương tự :trong hệ thống người ta thiết lập quan hệ liên tục x độ sâu điều chế : M=kx - Hệ thống số : Trong hệ thống sử dụng phương pháp lượng tử hoá theo mức lượng rời rạc hoá theo thời gian Các thông số truyền dạng mã nhị phân hay mã khác-Hệ thống dùng rộng rãi ưu điểm sau: - Độ tin cậy cao - kết nối với máy tính - Chống nhiễu tốt dùng mã sữa sai - Xử lý gia công tín hiệu số sai số – Các đặc tính quan trọng hệ thống đo xa : Đặc tính quan trọng sai số : - Sai số tuyệt đối : ∆ = x − x1 - Sai số tương đối : γ % = ∆ * 100% x ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~-Giáo trình Đo lường Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ - Sai số tương đối quy đổi : γ * % = ∆ * 100% x max − x Trong : x : giá trị thực x : giá trị đo x max , x : gía trị lớn , giá trị nhỏ Sai số tổng gồm hai thành phần : - Sai số :là sai số xác định điều kiện tiêu chuẩn : điện áp , tần số , nhiệt độ môi trường 20 C + C, độ ẩm (30 ÷ 80)% , tác động bên từ trường , điện trường …… Sai số chủ yếu nguyên lý làm việc , cấu trúc , công nghệ, chế tạo… - Sai số phụ :là sai số biến động điều kiện làm việc tiêu chuẩn : áp, tần số thay đổi , nguồn cung cấp, nghiệt độ môi trường……… - Nếu hệ thống có n kênh nối tiếp sai số thi sai số tổng binh quân phương : σ ∑ = n ∑σ i =1 i = σ 12 + σ 22 + + σ n2 Một nguồn gây sai số quan nhiễu ; sai số tương đối nhiễu sinh theo công thức : T σ N 2 = lim ∫ σ (t )dt = σ + σ TB ∑ T →∞ T −T Trong : σ TB T = σ = lim ∫ σ (t )dt T →∞ T −T − T 2 σ = lim ∫ [σ (t ) − σ TB ] dt ∑ T →∞ T −T T:thời gian quan sát σ ∑ đặc trưng cho tán xạ sai số xung quanh giá trị trung bình nó, sai số trung bình độ lệch trung bình dụng cụ đo điều kiện có nhiệt nhiễu Khi nhiễu bỏ qua σ ∑ , nhiễu mạnh bỏ qua σ TB Thời gian xác lập tỉ số T : ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~-Giáo trình Đo lường Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ Là khoảng thời gian thời điểm thay đổi đột ngột đại lượng đo thời điểm mà số đạt đến vị trí với sai số cho phép (thường ±2% so với giá trị ổn định) Trong công nghiệp:thời gian vào khoảng T ep = (3 ÷ 5)s Sai số động: Do có trình độ mà giá trị cần đo lệch khởi giá trị thực Sai số gây trình đọ gọi sai số động Nó thường sinh khâu: lọc, quán tính , tích phân hệ thống Đối với hệ thống đo số :sai số trình lượng tử hoá xác định: Nếu gọi ∆x k :bước lượng tủ hoá x max − x = khoảng thay đổi thông số x n= x max − x số bước lượng tử hoá ∆x k Vậy sai số : γ k ≤ = ( x max − x n ) = ∆x k 2n Cộng tín hiệu : Trong hệ thống đo xa, xuất việc cộng tín hiệu đo(ở phần phát huy hay thu) Ví dụ : đo công suất tổng, tổng lưu lượng nước , ………… thường ta tiến hành cộng tín hiệu phần phát đẻ giảm số kênh Trong trình cộng, đại lượng đo A , A ……… A n thường biến đổi thành đại lượng khác : x , x ……… x n Tức : x = f ( A2 ) ………………… x n = f n ( An ) x1 = f ( A1 ) Để cộng cá tín hiệu ta thực : n ∑x i =1 n i = k ∑ Ai i =1 Với quan hệ x A tuyến tính: xi = ϕ i ( Ai ) = k i Ai với k i số Nếu k i : k1 = k = = k n = k ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~-Giáo trình Đo lường Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ Thì k gọi số cộng: n n n ∑ x = ∑ k(A i =1 i i =1 + A2 + + An ) = k ∑ Ai i =1 Để thực phép cộng , người ta dùng đại lượngtrung gian :dòng, áp, số xung, dòng chiều , dòng xoay chiều : điện dung , điện trở , điệ cảm Hiện người ta thực cộng tín hiệu qua máy tính kết hợp với việc gia công (lấy trung bình tích phân, tích phân………) 3-Tính toán đặc tính thống kê sai số hệ thống đo xa liên tục tuyến tính(hệ thống dừng tuyến tính) Sai số động:tín hiệu đo biểu diễn trình ngẫu nhiên x(t) S x (ω ) hàm mật độ phổ tín hiệu vào x(t) S y (ω ) ……………………………… y(t) Thì S y (ω ) = W1( ) ( jω ) S x (ω ) (1) ¦ W1 ( jω ) :đặc tính tần số phức hệ thống đo x ∆d = y − x y G ( jω ) giả sử mô hình trễ Æ W1 ( jω ) = ∆d y−x y = = −1 x x x W1 ( jω ) = G ( jω ) − (2) Từ (1) viết : S y (ω ) =| G ( jω ) − | S x (ω ) Tính phương sai D sai số động cách lấy tích phân hàm mật độ phổ: D(∆ d ) = 2π +∞ ∫S ∆d (ω )dω −∞ Khi trình ngẫu nhiên dừng tác động lên đầu vào hệ thống tuyến tính thi sai số động có kỳ vọng toán học=0 (M( ∆ d )=0) Sai số tĩnh : ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~-Giáo trình Đo lường Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ T →∞ T giả sử có sai số tĩnh ∆ t (t ) → B(∆ d ) = lim T ∫ [∆ t (t ) − M (∆ t )] dt T ∆ t (t )dt T →∞ T ∫ : M (∆ d ) = lim Các hàm ∆ t (t ) ∆ d (t ) độc lập, vậy: ( ∑ ) = D(∆ ) + D(∆ ) D∆ t d ( ) Nếu thí nghiệm ta tính Dt ∆ ∑ Dd (∆ t ) Ætính D(∆ d ) ( ∑ ) = M (∆ ) M (∆ d ) = Æ M ∆ t Ví dụ : giả sử mật độ phổ QUÁ TRÌNHTN khoảng tần số giới hạn- Wgh ÷ +W gh , :  Akhi ω ≤ ω gh S x (ω ) =  0khi ω > ω gh D(∆ d ) = 2π W gh ∫ G(iω ) − dω −Wgh Sai số động hệ thống đo xa có rời rạc hoá tín hiệu: Bây ta tính sai số hệ thống đo xa phân kênh theo thời gian, hệ thống có rời rạc hoá tín hiệu τ khoảng thời gian trễ tín hiệu xi truyền qua X(t) kênh t Kênh Kênh Kênh Kênh Kênh T ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~-Giáo trình Đo lường Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ Sai số việc xấp xỉ hoá sai số động, trình rời rạc hoá theo thời gian Ta xét khoảng thời gian (t i + τ ) ÷ (t i +1 + τ ) Æđây khoảng thời gian tương ứng với nấc thang đường y(t) khoảng ta xét thời điểm t Từ sơ đồ hệ thống ta có phương trình ∆ d = y − x Vậy ta có sai số xấp xỉ hoá : ∆ d (t i + τ ) = y (t i + τ ) − x(t i + τ ) Nhưng : y (t i + τ ) = x(t i ) (trùng) Ægiữa đường x(t) y(t) Vậy: ∆ d (t i + τ ) = x(t i ) − x(t i + τ ) kỳ vọng toán học biểu thức : [ ]   M ∆2d (t i + τ ) = M [x(t i ) − x(t i + τ )]    2 = M x (t i ) + M x (t i + τ ) − M [x(t i ).x.(t i + τ )] [ ] [ ] Ta có : M ( x ) = ∆( x) = D ( x) + M ( x)  M [x(t i ) x(t i + τ )] = R x (τ ) + M ( x) → M ∆2d (t i + τ ) = 2[D( x) − R x (τ )] [ ] Vậy : D( x) = R x (0) [ ] M ∆2d (t i + τ ) = 2[R x (0) − R x (τ )] Khi t nằm khoảng τ → (τ + T ) : ta lấy trung bình theo chu kỳ lấy tán xạ sai số xấp xỉ hoá, ta có: T τ +T D(∆ d ) = T τ +T = ∫τ M [∆ d ∫τ [R x ] (t i + τ ) dt (0) − R x (τ )]dt 1_4 Lựa chọn tối ưu chu kỳ rời rạc hoá hệ thống đo xa Độ tác động nhanh hệ thống đo xa phụ thuộc chủ yếu vào thông số kênh liên lạc ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~-Giáo trình Đo lường Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ Khi cần giải tần kênh ấn định cường độ nhiễu đă biết x i cần phải có độ dài định Độ dài lớn việc truyền giá trị x i xác , sai số nhỏ Nhưng muốn tăng độ dài x i kênh liên lạc cần tăng chu kỳ lặp lại Tc giá trị rời rạc Trong hệ thống có n kênh , dùng phân kênh theo thời gian chu kỳ cần phải lớn tổng độ dài n tín hiệu tín hiệu phụ (tín hiệu đồng bộ) Nhưng tăng T tăng sai số động Như việc tăng T dẩn đến giảm sai số tỉnh D( ∆t ) , làm tăng sai số động (sai số rời rạc hoá) D( ∆d ) D Từ đồ thị ta có đường D( ∆t ) , D(∆∑) D( ∆d ) → Từ ta có đường D(∆đ) D( ∆ ∑ ) Đường cực tiểu A , từ A gióngxuống trục T D(∆t) T T0 , ta có T Vậy T giá trị tối ưu chu kỳ rời rạc hoá Lệch bình quân phương đại lượng cần đo: ε= D(∆d ) D( x) = D(∆d ) R x ( 0) Do D(x) = Rx(0) ⇒ ε = D(∆d ) D(x) Trở lại ví dụ trên: Rx(0) = Ta có : Aω gh π Nhưng : ε2 = υ= Đặt : Vậy : ω ghT   ) ω ghT − 2Si (   πD(∆d ) = Aω gh ω ghT ε2 = υ ω ghT (2υ − Siυ ) = 2(1- Siυ ) υ Phân tích Si υ thành chuổi - 10 ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~-Giáo trình Đo lường Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ b) Theo thời gian: chia liên tục thời gian làm khoảng ∆t - ∆t nhỏ lượng tử hóa cxác: x' (t ) ≈ x(t ) , số lần biến đổi lớn - ∆t lớn sai số lớn lượng tử hóa theo thời gian thỏa mãn định lý Kochenhicop: hàm liên tục có phổ bị giới hạn tần số f m hoàn toàn xác định cá giá trị tức thời lấy thời điểm cách x(t ) = ∝ ∑ x ( K∆t ) K =0 có nghĩa là: fm sin 2πf m (t − K∆t ) 2π f m (t − K∆t ) Trong k: bậc hàm điều hòa → Hàm x(t) tương tự hàm x’(t) Vì hàm sin x có giá trị =1 x=0, giá trị ra, hàm tắt nhanh → hàm liên x tục Ban đầu tương ứng với tập hàm điều hòa có biên độ lớn giá trị tức thời hàm liên tục thời điểm cách ∆t = Như vậy: chọn ∆t = fm Thì khôi phục lại x(t) từ x’(t) fm Tuy nhiên định lý có hạn chế hàm có phổ vô lớn, nên chọn giá trị f m thích hợp Tuy nhiên đo điều khiển xa, tín hiệu cần truyền biến thiên chậm có phổ tập trung, áp dụng định lý 10.4 Tin tức, đặc trưng, đơn vị đo: a) Đặc trưng: Tin tức có hai dạng: +Tin tức dạng tĩnh: tin tức ghi giấy, băng, đĩa… +Tin tức dạng động: tin tức qua trình truyền âm thanh, lời nói, điện thoại, tín hiệu điều khiển… b) Các tính chất bản: - 84 ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~-Giáo trình Đo lường Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ +Tin tức ghi lại cách đọc, truyền, ghi lại mà không bị tổn thất Có nghĩa là: dạng tồn tin tức thay đổi, thân tin tức không Ví dụ: giảng thầy truyền cho sv khối lượng lớn tin tức, thầy không bị kiến thức Hay sách có nhiều người đọc, tin tức sách không bị +Tin tức đựợc ghi hình thức nào, sau thời gian bị c) Phương pháp thống kê định lượng tin tức: Tin tức có mặt: +Độ bất ngờ +Nội dung tin +Trong truyền tin người ta chọn độ bất ngờ làm thước đo tin tức Tin xuất → độ bất ngờ lớn → lượng tin đem lại nhiều Ví dụ: +Người ta ném đồng xu lên cao, thử xem đồng xu rơi xuống hay bay lên cao Rõ ràng đồng xu rơi xuống → thử nghiệm tin +Người ta có đồng xu đối xứng, người ta ném lên thử xem đồng xu lật sấp hay ngửa Lúc xác suất mặt 50% → thử nghiệm có lượng tin xác định +Có học sinh: giỏi, Nếu HS giỏi đạt 10 → tin Nếu HS đạt 10 → tin Vì khả đạt 10 khó Vậy: -Lượng tin kiện tỷ lệ nghịch với xác suất xảy -Khi xác suất xảy kiện = lượng tin kiện đem lại = -Khi xác suất kiện → lượng tin kiện đem lại → ∝ Ta ký hiệu lượng tin chứa xi I( xi ) I( xi ) biểu diễn = biểu thức để thỏa mãn điều kiện trên, có khả cộng tin Có nghĩa là: tin kiện đc lập phải = tổng tin kiện thành phần Người ta dùng hàm logarit để đo tin tức I ( xi ) = log a ( công thức Harley ) P ( xi ) - 85 ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~-Giáo trình Đo lường Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ Hay: I ( xi ) = log a P( xi ) P( xi ): xác suất xảy kiện xi Biểu thức thỏa mãn điều kiện yêu cầu nên gọi lượng tin riêng xi Tổng quát: nguồn thông báo x thường có thành phần x1 , x , , x n với xác suất tương ứng P( x1 ), P( x ), , P( x n ) Vậy lượng tin tức trung bình nguồn thông báo bằng: n I ( x) = −∑ P( xi ) log a P ( xi ) (công thức Shenon) i =1 Khi xác suất thành phần nhau: P( xi ) = n Thì : 1 I ( x) = −n log a = log a n Lúc lượng tin tức đạt giá trị lớn n n đơn vị đo tin tức: phụ thuộc số a a thường chọn =2, 10, e truyền tin chọn a = -Đơn vị đo tin tức: bit ( logarit số ) Bit: binary digit: số nhị phân -Trở lại vi dụ đồng xu sấp, ngữa: xác suất trường hợp = → đồng khả vơi số khả n = Lượng tincủa thí nghiệm bằng: I ( x) = log 2 = Vậy bit lượng tin thông báo có khả đồng xác suất d) Giá trị tin tức: phụ thuộc vào chủ quan người nhận tin 10.5 Entropi – số đo lường không xác định: Lượng không xác định thông báo tỷ lệ nghịch với xác suất xuất Xác suất xuất nhỏ lượng không xác định lớn Do độ không xác định thông báo xác định = biểu thức tương tự lượng tin tức: n H ( x) = −∑ P ( xi ) log a P ( xi ) i =1 - 86 ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~-Giáo trình Đo lường Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ Cần phân biệt I(x) H(x): Mặc dầu khái niệm hàm xác định khác nguyên tắc: H(x): độ không xác định trung bình trạng thái nguồn thông báo, có tính khách quan, biết đặc tính thống kê nguồn thông báo, xác định Entropi nó, tức biết Etropi trước nhận thông báo I(x): lượng tin tức trung bình thu sau nhận thông báo nguồn Do không nhận thông báo nhận lượng tin tức Do đó: H(x) số đo lượng thiếu tin tức trạng thái nguồn thông báo Khi nhận tin tức hiểu biết trạng thái nguồn tăng lên → độ không xác dịnh giảm → Entropi nguồn giảm Vậy lượng tin tức I(x) sau nhận thông báo hiệu số Entropi H(x) nguồn trước nhận sau nhận thông báo → I ( x) = H ( x) − H ( x) 10.6 Entropi nguồn thông báo gián đọan: Entropi nguồn thông báo gián đọan tính theo công thức: n H ( x) = −∑ P ( xi ) log P ( xi ) i =1 Nó có đặc tính sau: -Entropi số thực, hữu hạn, không âm ≤ P( xi ) ≤ -Entropi thông báo hoàn toàn xác định =0 Rõ ràng rằng: biết trước kiện xảy xác suất kiện = 1, xác suất kiện khác = 0, tức P ( x1 ) = P ( x ) = P ( x3 ) = = P( x n ) = Vậy: Entropi nguồn viết: n H ( x) = − P( x1 ) log P ( x1 ) + ∑ P ( xi ) log P ( xi ) i=2 Số hạng đầu = 0, log = Số hạng thứ hai → P( xi ) → -Entropi cực đại xác suất xuất thông báo nhau, tức P( xi ) = n n Lúc H ( x) max = −∑ log i =1 n ≈ log n n - 87 ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~-Giáo trình Đo lường Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ Từ ta thấy rằng: trường hợp đồng xác suất, entropi tỷ lệ với số lượng thông báo n có nguồn -Entropi hệ thống kiện có khả nằm phạm vi H ( x) = − P ( x1 ) log P( x1 ) − P( x ) log P( x ) = − P ( x1 ) log P( x1 ) − [1 − P ( x1 )]log [1 + P ( x )] Biểu thức = P ( x1 ) = P ( x2 ) = P ( x1 ) = Entropi đạt cực đại P( x1 ) = P( x ) = P( x2 ) = H(x) P(x) 0.5 1 2 Lúc H ( x) max = − log   = đị vị nhị phân Như định nghĩa đơn vị nhị phân entropi hệ thống kiện độc lập có khả Ví dụ : xác định Entropi hệ thống mô tả đại lượng ngẫu nhiên gián đoạn x có phân bố sau: P ( x1 ) = P( x ) = P ( x3 ) = P ( x ) = 0,01 P ( x5 ) = 0,96 Giải: n H ( x) = −∑ P ( xi ) log P ( xi ) i =1 Ta có : = −∑ P ( xi ) log P ( xi ) i =1 = −4 × 0,01 log 0,01 − 0,96 log 0,96 =0, 322 đvị nhị phân 10.7 Ưu khuyết phương pháp thống kê đo lường tin tức: - 88 ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~-Giáo trình Đo lường Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ Điểm chủ yêu phương pháp thống kê đánh giá tin tức qua xác suất xuất kiện -Ưu điểm phương pháp tính vạn Tin tức đo đơn vị thống ( bit ) mà không phụ thuộc chất vật lý nội dung Nhờ đó, phương pháp thuận tiện phân tích tổng hợp hệ thống tin tức phức tạp -Ưu điểm phương pháp tính khách quan Lượng tin tức đánh giá không phụ thuộc vào yếu tố tâm lý phương pháp dựa vào liệu thống kê -Nhược điểm ý đến đặc tính thống kê tin tức, mà không dùng đến ngữ nghĩa nội dung, giá trị tin tức 10.8 Truỳền tin kênh không nhiễu: Kênh không nhiễu kênh lý tưởng, kênh c/suất tín hiệu lớn nhiều so với c/s nhiễu Khả thông qua kênh gọi thông lượng C Thông lượng C xác định sau : C = lim T →∝ log q T q: số tín hiệu truyền di thời gian T Trường tổng quát: T →∝ Trường hợp cụ thể: T = chu kỳ truyền tin Vậy thông lượng C tốc độ truyền tin tới hạn mà không gây sai số Nếu tín hiệu truyền với tốc độ S xung giây, có ghĩa S = τ , τ : độ rộng xung ( thời gian truyền xung ), thời gian T truyền n xung: n= T τ = S T Đối với kênh nhị phân – tức kênh truyền tín hiệu có giá trị ( 0, hay +, -, … ) số lượng xung tối đa truyền thời gian T là: q max = n = ST Vậy thông lượng kênh nhị phân là: log q ST = log T →∝ T T C = lim =S đvị nhị phân giây - 89 ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~-Giáo trình Đo lường Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ Đơn vị đo: đơn vị NP Giây Hay: b i t giây Như kênh nhị phân: C = số ký hiệu truyền giây, độ rộng xung nhỏ S lớn → C lớn Dung lượng kênh biểu diễn ký hiệu (xung): Đối với kênh nhị phân: C= đvị NP Ký hiệu × giây Có nghĩa kênh nhị phân, ký hiệu (1 hay 0) tối đa mang lượng tin tức = đvị nhị phân ( bit ) Nếu đầu vào kênh có nguồn tin tức mà Entropi ký hiệu = dung lượng kênh, người ta bảo nguồn tin kênh phù hợp Nếu dạng lượng kênh lớn trị số entropi ký hiệu nguồn tin chúng không phù hợp Lúc kênh truyền chưa dùng hết khả Vậy: Nếu kênh có khả thông lượng C ( đvị NP/S ) nguồn tin có entropi H ( đvị NP/thông báo ) tốc độ trung bình truyền tin kênh vượt C/H ( thông báo/S ) Ví dụ 1: nguồn có tin A, B với xác suất P(A)=P(B)=0, Entropi nguồn: H = −(0,5 log 0,5 + 0,5 log 0,5) = đơn vị NP thông báo H biểu thị lượng tin tức chứa thông báo ( A;B ) dòng kênh nhị phân có C=1 đvị NP/giây, vận tốc trung bình truyền tin: C = =1 H thông báo/S Ví dụ 2: nguồn tin có tin A B với xác suất: P(A) = 0, P(B)=0, H = −(0,1log 0,1 + 0,9 log 0,9 ) = 0,5 đviNP tbáo Dùng kênh nhị phân có C= đvị NP → vận trung bình truyền tin: - 90 ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~-Giáo trình Đo lường Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ S C =2 H tbáo S Như đối ví dụ 2, tốt truyền tin với tốc độ tbáo Có nghĩa kênh có S thể dùng để truyền tin cho nguồn thông báo Nếu không thỏa mãn điều kênh không sử dụng hết khả 10.9 Truyền tin kênh có nhiễu: Nhiễu làm cho việc truyền tin gặp nhiều khó khăn Nhiễu làm sai tín hiệu truyền Do phía thu cần quan tâm đến vận tốc truyền tin độ cxác truyền tin( khả chống nhiễu ) Việc nâng cao tốc độ truyền tin nâng cao độ cxác truyền mặt đối lập vấn đề nâng cao hiệu truyền tin Nhiễu làm sai lệch phần tin truyền đi, làm giảm thông lượng kênh Thông lượng kênh có nhiễu viết sau: C n = H ( x) = H y ( x) H(x): entropi nguồn tbáo H y ( x) : entropi tbáo nhận có nhiễu Xét trường hợp kênh nhị phân, truyền tín hiệu 0, P(0)=P(1)=0, P1 (0) = P (1) = P xác suất nhiễu cho tín hiệu → → Vậy: H ( x) = −(0,5 log 0.5 + 0,5 log 0,5) = H y ( x) = −[P log P + (1 − P) log (1 − P)] Do thông lượng kênh trường hợp có nhiễu là: C n = + P log P + (1 − P) log (1 − P) Nếu P → → C→1 ta có khả thông qua kênh không nhiễu Hình sau trình bày qhệ C n xác suất gây méo P: P=0, → C n = 0, - 91 ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~-Giáo trình Đo lường Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ P=0, → Cn = P= 10 −3 → C n ≈ → ( Pn → → C n → ) Tốc độ truyền tin lý thuyết ( thông lựợng ) Shenon biểu diễn dạng khác:  P  C = ∆f log1 + th  Pn   đviNP S ∆f : dải tần kênh Pth : c/s trung bình tín hiệu Pn : c/s trung bình nhiễu trắng Từ biểu thức ta thấy rằng, muốn tăng C phải tăng tỷ số Pth Pn Bài tập 1: có tập gồm K thông báo, biết thông báo chứa bit tin tức Hãy tìm số thông báo K Cho thông báo có đồng xác suất H = log K = Giải: → K = 23 = Bài tập 2: cho chữ A, B, C, D Xác suất xuất chữ PA = PB = 0,25, PC = 0,34, PD = 0,16 Hãy xác định lượng tin tức ký hiệu thông báo tạo thành từ chữ Giải: Lượng tin tức ký hiệu thông báo = entropi chữ cho n H = −∑ Pi log Pi = −(2 × 0,25 log 0,25 + 0,34 log 0,34 + 0,16 log 0,16 = i =1 × 0,5 + 0,529174 + 0,423017 =1, 952191 bit/ký hiệu Bài tập3: truyền 100 thông báo, thông báo có chữ cái, ta thu số liệu thống kê sau: Chữ A gặp 80 lần Chữ B gặp 50 lần A B đồng thời xuất gặp 10 lần Hãy xác định entropi điều kiện xuất chữ A thông báo có chữ B entropi điều kiện xuất chữ B Khi thông báo có chữ A Giải: Tổng số chữ truyền n=6 100=600 - 92 ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~-Giáo trình Đo lường Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ 80 = 0,1333 600 50 PB = = 0,0833 600 10 PAB = = 0,0166 600 0,0166  A P P  = AB = ≈ 0,2 0,0833  B  PB P 0,0166 P B = AB = = 0,0123 A PA 0,1333 PA = ( )   A A H ( ) = −  P  log B  B   A   A   A   P  + 1 − P  log 1 − P   B   B   B    = −(0,2 log 0,2 + 0,8 log 0,8) = 0,464386 + 0,257514 = 0,7219 bit kýhiêu B H   = −[0,0123 log 0,0123 + (1 − 0,0123) log (1 − 0,0123)] = 0,095 bít kýhieu  A - 93 ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~-Giáo trình Đo lường Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ CHƯƠNG 11: ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG ĐO – ĐIỀU KHIỂN XA 11.1 Độ tin cậy tiêu quan trọng hệ thống đo, điều khiển xa: Mục đích cuối HT đo điều khiển xa mệnh lệnh điều khiển truỳên xác kịp thời Để đảm bảo yêu cầu đó, phải áp dụng biện pháp chống nhiễu hay gọi biện pháp nâng cao độ tin cậy tin tức Trong chương trước, ta thấy vấn đề mã hóa truyền tin giúp cho việc nâng cao độ tin cậy Tuy nhiên, dù có loại mã có tính chống nhiễu cao, có thuật toán truyền tin thích hợp chưa đủ đảm bảo độ tin cậy cao, truyền tin xác, mà cần phải đảm bảo thiết bị làm việc bình thường, không hỏng Vì cần áp dụng biện pháp đảm bảo độ tin cậy thiết bị Vì ta đề cập đến độ tin cậy thiết bị Để đánh giá chất lượng hệ thống đo đkhiển xa cần có tiêu sau: +Tính chống nhiễu +Độ tin cậy +Giá thành Hệ thống đo ĐK xa gồm nhiều phần tử, làm việc khoảng cách lớn, chịu nhiều ảnh hưởng ngoại cảnh, khả xảy hỏng hóc lớn 11.2 Các tiêu để đánh giá độ tin cậy: Hỏng hóc, cường độ hỏng hóc: Có nhiều nguyên nhân gây hỏng hóc: -Làm việc tải, tác động môi trường, sai sót vận hành -Các nguyên nhân gây mang tính ngẫu nhiên → hỏng có tính ngẫu nhiên -Hỏng gồm loại chính: +Hỏng đột ngột: trước xảy hỏng, phần tử họat động tốt, sau thời điểm xảy hỏng → phần tử khả làm việc +Hỏng dần dần: hỏng xảy từ từ, trình phần tử làm việc chất lượng → tạo trình giả hóa -Về mặt tương quan, hỏng gồm có hỏng độc lập hỏng phụ thuộc -Để định lượng hỏng người ta dùng khái niệm cường độ hỏng λ (t ) λ (t ) cường độ hỏng, số lần hỏng đvị thời gian ( thường lấy giờ, năm) - 94 ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~-Giáo trình Đo lường Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ -Cường độ hỏng λ (t ) hàm thời gian: Đường λ (t ) chia làm giai đọan: Đoạn ÷ t1 đoạn chạy thử máy Trong giai đọan này, sai sót lắp ráp nên cường độ hỏng lớn Đoạn t1 ÷ t : đoạn mà phần tử làm việc ổn định Thời gian tuổi thọ phần tử Trong thời gian λ = Đoạn t ÷ : đoạn sau tuổi thọ, tượng già hóa nên hỏng tăng lên lớn Trong phần ta xét hỏng độc lập λ = → Có nghĩa giai đọan mà thiết bị làm việc ổn định Sau hỏng mà phần tử phục hồi = sữa chữa để dùng tiếp, khả hỏng khắc phục Nếu hỏng mà khả phục hồi phải thay Ở ta xét đến độ tin cậy p tử không phục hồi 2) Độ tin cậy – thời gian làm việc tin cậy trung bình thời gian làm việc cho phép: Độ tin cậy khả phần tử thực chức điều kiện cho trước khoảng thời gian cho trước Theo định nghĩa này, phần tử làm việc tin cậy điều kiện quảng thời gian cho trước Theo định nghĩa này, p tử làm việc tin cậy điều kiện quảng thời gian cho trước Nhưng không làm việc tin cậy điều kiện quảng thời gian khác Khi x = → độ tin cậy tính theo công thức sau: P (t ) = e − λt λ : cường độ hỏng ( lần/giờ ) t: quảng thời gian xét ( ) → P(t) hàm mũ giảm dần t=0 → P(t) = t→ ∝ → P(t) = Cường độ hỏng λ thường cho sổ tay 3) Thời gian làm việc tin cậy trung bình: Do hỏng có tính ngẫu nhiên nên quảng thời gian từ lúc t = ÷ xảy hỏng đại lượng ngẫu nhiên - 95 ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~-Giáo trình Đo lường Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ Quảng thời gian trung bình theo xác suất gọi thời gian làm việc tin cậy trung bình: Ttb = λ : ( lần/giờ ) λ → ta tìm xác suất làm việc tin cậy thời điểm t= Ttb : P (Ttb ) = e − λTtb = e −1 = 0,37 Như t= Ttb xác suất làm việc tin cậy lại thấp Đối với hệ đo điều khiển xa, độ tin cậy cho phép: [P(t)] ≥ 0, Do ta cần quan tâm đến quảng thời gian vận hành cho phép Tcp quảng thời gian mà độ tin cậy hệ thống ≥ độ tin cậy cho phép Sau khoảng thời gian t cp hệ thống phải bảo dưỡng định kỳ Ta viết: [P(t )] = e − tcp λ → t cp = ln[P(t )] λ 11.3 Độ tin cậy hệ thống: Khi tính toán độ tin cậy thiết bị ta cần xác định sơ đồ thay Sơ đồ thay sơ đồ logic hiểu theo nghĩa, độ tin cậy phần tử nối tiếp, lỏng phần tử dẫn đến hỏng hệ thống, hỏng phần tử mà hệ thống làm việc bình thường phần tử coi nối song song với phần tử khác Để có sơ đồ thay cxác, phải phân tích kỹ chức nhiệm vụ phần tử 1) Độ tin cậy sơ đồ nối tiếp: Giả sử có n phần tử, mà p tử có độ tin cậy Pi (t ) Độ tin cậy hệ thống xác định: n Pht (t ) = ∏ Pi (t ) → Pi (t ) ≤ i =1 Ta thấy rằng: độ tin cậy hệ thống nhỏ độ tin cậy phần tử có độ tin cậy thấp Pi (t ) Trong sơ đồ nối tiếp, muốn nâng cao độ tin cậy hệ thống, phải nâng cao độ tin cậy phần tử - 96 ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~-Giáo trình Đo lường Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ Độ tin cậy hệ thống giảm số phần tử hệ thống nối tiếp tăng lên Hình bên cho ta thấy quan hệ Pht vàPpt với giá trị n khác 2) Độ tin cậy sơ đồ song song: Giả sử có n phần tử nối song song, phần tử có độ tin cậy Pi (t ) hình sau: Độ tin cậy hệ thống xác định theo công thức sau: n Pht = − ∏ [1 − Pi (t )] i =1 Khi độ tin cậy phần tử = P, ta có: Pht = − (1 − P ) n → Vậy: độ tin cậy hệ thống ≥ độ tin cậy phần tử phần tử song song, số phần tử song song tăng độ tin cậy hệ thống tăng → độ tin cậy hệ thống ≥ độ tin cậy phần tử → Kết luận: xây dựng sơ đồ có khả có độ tin cậy cao, sở phần tử có độ tin cậy tương đối thấp 3) Các biện pháp nâng cao độ tin cậy: Cần áp dụng biện pháp tổng hợp -Trong giai đọan thiết kế: phải chọn phương án tối ưu, có nghĩa đảm bảo tiêu kỹ thuật, đồng thời có số phần tử nhất, đơn giản nhất, dễ vận hành Khi cần thiết phải đặt mạch dự phòng để nâng cao độ tin cậy hệ thống -Trong giai đọan chế tạo, phải áp dụng công nghệ tiên tiến, dùng nguyên liệu tốt để phần tử có tính đạt yêu cầu thiết kế -Trong giai đọan vận hành: phải đảm bảo điều kiện làm viậc yêu cầu: nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, độ bụi, độ rung…Phải tuân thủ quy trình quy phạm để ngăn chặn cố nhầm lẫn, có chế độ theo dõi, bảo dưỡng thường xuyên 4) Thông tin công nghiệp Hệ thống thông tin công nghiệp hệ thống thông tin dùng để điều khiển trình vật lý Các hệ thống hoạt động trực tuyến với trình kiểm soát TTCN cần thỏa mãn yêu cầu sau: -Quản lý số lượng lớn đầu vào/ra - 97 ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~-Giáo trình Đo lường Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ -Đảm bảo họat động tin cậy -Thỏa mãn thời gian thực TTCN khác hệ thống TT cổ điển phương pháp kỹ thuật ¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤¤ - 98 ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== [...]... cần phải tính nó theo điều kiện sai số tổnglà nhỏ nhất - 25 ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~ -Giáo trình Đo lường và Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ THỐNG ĐO XA THỜI GIAN – XUNG 3 1 Sơ đồ khối của HT đo xa thời gian-xung: Trong các hệ thống đo xa thời gian-xung, thông... τ τ N K’’ P1 GM P2 N/I Pn N/U Trong các hệ thống hiện đại, ngoài tín hiệu đo xa, trong HT còn có tín hiệu khác như: điều khiển xa, kiểm tra xa, hiệu chỉnh tự động tầm xa - 26 ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~ -Giáo trình Đo lường và Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ 3.2 Các dạng tín hiệu: Thông thường các... ~~~~~~~ -Giáo trình Đo lường và Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ Phương pháp này có ưu điiểm là độ tác động nhanh cao Việc đo T có thể tiến hành cả chu kỳ T hay 1 T 2 t’1 t1 t’2 t2 t T T’ Nhược điểm : _ Phải tiến hành phép biến đổi ngược _ Sai số lớn do tác động của nhiễu : do nhiễu chu kỳ đo từ T → T’ Sai số sẽ là ∆T = T − T ' Để khắc phụccó thể tiến hành đo mT , nhưng như vậy thì độ tác. .. ============== ~~~~~~~ -Giáo trình Đo lường và Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ Khác với các hệ thống đo đã xét, ở đó f min =0 ở đây phải đảm bảo mT khi f min không vượt quá thời gian tính 1 lần đo là TC được chọn từ điều kiện bảo đảm sai số động Theo công thức: y = b b = ( f o + Kx ) N a Thì sai số do việc đo mT phải tính lại để tương ứng với sai số do tần số f và đại lượng đo x U(t) U’(t) t’1... pháp đo tần số kiểu lấy trung bình - 19 ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~ -Giáo trình Đo lường và Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ Trong trường hợp sử dụng máy đo tần số kiểu tương tự theo kiểu lấy trung bình các xung ấn định ở từng chu kỳ(hay nửa chu kỳ)của tín hiệu đo Ta tìm mối liên hệ giữa sai số đo và. .. hoá và độ lệch trung bình - 12 ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~ -Giáo trình Đo lường và Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ Chương II: TÍNH TÓAN CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ THỐNG ĐO XA TẦN SỐ 2_1 Cấu trúc của hệ thống Trong hệ thống đo tần số , bộ phát cho ra tín hiệu xoay chiều hay tín hiệu xung có chu kỳ được điều. .. Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~ -Giáo trình Đo lường và Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ Ở bộ phận thu, khi giải điều chế, cùng với tín hiệu đo, ở tần số thấp, còn có tín hiệu ồn nữa Sự méo tín hiệu ảnh hưởng khác nhau đến độ chính xác phụ thuộc vào phương pháp đo khoảng thời gian giữa các xung Trong trường đơn giản nhất là đo khoảng thời gian T khi tín hiệu vượt một giá... quá trình đo x(t) đã biết Vấn đề cần giải quyết là : tính các giá trị tối ưu T C , T S mà với các giá trị này ta nhận được sai số tổng (phương sai của sai số tổng )là nhỏ nhất Ví dụ : Giả sử ta co n! quá trình đo x(t) có cùng hàm phân bố dạng : - 17 ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~ -Giáo trình Đo lường và Điều khiển xa. .. án đo tần số ở phía thu và ảnh hưởng của chúng đế việc chọn các thông số của tín hiệu 1Dùng mạch vi phân và tách sóng biên độ : Nếu ta có tín hiệu U 1 (t) =U 1m Sin(2 π ∫ f1 d t ) vi phân U 1 (t) : du1 = 2 πf 1 υ 1m Cos (2 π ∫ f 1t )=U 2 (t) dt - 14 ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~ -Giáo trình Đo lường và Điều khiển xa. .. sau đó cho nó = 0 Điều này rất khó vì phải giải phương trình đại số bậc 4 - 30 ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~ -Giáo trình Đo lường và Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ Nhưng nếu tìm được Tco thì được Do (δ n ∑ ) , từ đó xác định được (Tmax − Tmin ) ; τ min ,τ C : không phụ thuộc vào điều kiện tối ưu Tmax