Đang tải... (xem toàn văn)
Đó là một hệ thống đo cường đọ tự động ở khoảng cách xa nhờ việc truyền tin qua kênh liên lạc. Khi thiết kế 1 hệ thống đo xa, cần chú ý nhất là làm sao cho bảo đảm để cho sai số của phép đo phải nhỏ nhất- quá trình đo này con người không tham gia trực tiếpcủa con người. Sai số của phép đo thường do sự giảm tín hiệu và sự tồn tại của nhiễu (thay đổi khí hậu……). Hệ thống đo xa khác nhau tuỳ thuộc phương pháp tạo tín hiệu tức là phương pháp điều chế và mã hoá. 2. 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 trên không. Ở khoảng cách 20km thường dùng đường dây cáp, dùng tín hiệu một chiều. Sai số thường phụ thuộc vào sự biến động của các thông số của kênh liên lạc. Ví dụ: điện trở dây ra phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, trong khoảng từ -40 0 C ÷ 40
~~~~~~~-Giáo trình Đo lường Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BỘ MƠN : TỰ ĐỘNG HĨA GIÁO TRÌNH ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN XA DÙNG CHO SINH VIÊN NGÀNH ĐIỆN KĨ THUẬT (LƯU HÀNH NỘI BỘ) http://www.ebook.edu.vn Version 1.0 ĐÀ NẴNG 2007 ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~-Giáo trình Đo lường Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ http://www.ebook.edu.vn MỤC LỤC Trang Chương Các hệ thống đo xa Chương Tính tốn thơng số hệ thống đo xa tần số 13 Chương Tính tốn thơng 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 mơn 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 thơng 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 http://www.ebook.edu.vn thống đo xa tần số - Điều chế độ rộng – xung ; thời gian – xung Ỉhệ thống thời gian - Điều chế mã – xung Ỉhệ 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 http://www.ebook.edu.vn – 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 mơn 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)% , khơng có tác động bên ngồi 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 mơi 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 http://www.ebook.edu.vn T:thời gian quan sát σ ∑ đặc trưng cho tán xạ sai số xung quanh giá trị trung bình nó, cịn sai số trung bình độ lệch trung bình dụng cụ đo điều kiện có nhiệt khơng có nhiễu Khi nhiễu bỏ qua σ ∑ , cịn nhiễu mạnh bỏ qua σ TB Thời gian xác lập tỉ số T : ============== Khoa Điện – Bộ mơn 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 q trình q 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 q trình lượng tử hố 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 ) http://www.ebook.edu.vn 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 mơn 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 cơng (lấy trung bình tích phân, tích phân………) 3-Tính tốn 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 q 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 mơ hình khơng có trễ Ỉ 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 ) http://www.ebook.edu.vn 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 mơn 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 ) Ỉtính D(∆ d ) ( ∑ ) = M (∆ ) M (∆ d ) = Ỉ 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 hố tín hiệu: Bây ta tính sai số hệ thống đo xa phân kênh theo thời gian, hệ thống có rời rạc hố tín hiệu τ khoảng thời gian trễ tín hiệu xi truyền qua X(t) kênh t http://www.ebook.edu.vn Kênh Kênh Kênh Kênh Kênh T ============== Khoa Điện – Bộ mơn Tự động hóa ============== ~~~~~~~-Giáo trình Đo lường Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ Sai số việc xấp xỉ hoá sai số động, q trình rời rạc hố theo thời gian Ta xét khoảng thời gian (t i + ) ữ (t i +1 + ) ặõy 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 hố : ∆ d (t i + τ ) = y (t i + τ ) − x(t i + τ ) Nhưng : y (t i + τ ) = x(t i ) (trùng) Ỉgiữa 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 http://www.ebook.edu.vn số xấp xỉ hố, ta có: T τ +T D(∆ d ) = T τ +T = ∫τ M [∆ d ∫ [R x ] (t i + τ ) dt (0) − R x (τ )]dt τ 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 mơn 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 : http://www.ebook.edu.vn 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 mơn Tự động hóa ============== ... ============== Khoa Điện – Bộ mơn Tự động hóa ============== ~~~~~~~ -Giáo trình Đo lường Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ Đây hàm điều hồ có biên độ phụ thuộc vào f (2 πυ1m ) Để đo f ta dùng... hệ thống đo xa 93 ============== Khoa Điện – Bộ môn Tự động hóa ============== ~~~~~~~ -Giáo trình Đo lường Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~... ============== Khoa Điện – Bộ mơn Tự động hóa ============== ~~~~~~~ -Giáo trình Đo lường Điều khiển xa – Ngành Điện kĩ thuật ~~~~~~~~~~ Chương II: TÍNH TĨAN CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ THỐNG ĐO XA TẦN SỐ 2_1