Luận án Nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác cho chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ --------------------------------- PHẠM THANH HÀ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CHO CHUẨN ĐO LƯỜNG LỰC KIỂU KHUẾCH ĐẠI ĐÒN BẨY SỬ DỤNG GỐI ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN THEO ĐỘ BIẾN DẠNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ --------------------------------- NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CHO CHUẨN ĐO LƯỜNG LỰC KIỂU KHUẾCH ĐẠI ĐÒN BẨY SỬ DỤNG GỐI ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN THEO ĐỘ BIẾN DẠNG Ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9520203 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS Đào Mộng Lâm 2. PGS.TS Vũ Khánh Xuân Hà Nội - 2022 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các kết quả nghiên cứu và số liệu trình bày trong luận án là trung thực, chưa từng được ai công bố ở trong bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. NGƯỜI CAM ĐOAN Phạm Thanh Hà ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến PGS.TS Đào Mộng Lâm, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, PGS.TS Vũ Khánh Xuân, Hội Đo lường Việt Nam đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ dẫn các nội dung nghiên cứu giúp tôi hoàn thành luận án này. Sự động viên, khuyến khích, những kiến thức khoa học cũng như chuyên môn mà các Thầy chia sẻ trong những năm nghiên cứu sinh đã giúp tôi nâng cao năng lực khoa học, phương pháp nghiên cứu và lòng yêu nghề. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám đốc Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Bộ Quốc phòng, thủ trưởng và cán bộ nhân viên phòng Đào tạo và Viện Điện tử đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Xin trân trọng cảm ơn thủ trưởng và cán bộ Viện Đo lường Việt Nam nơi tôi công tác, đã tạo điều kiện để tôi hoàn thành nhiệm vụ. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các nhà giáo, các nhà khoa học, đồng nghiệp và người thân đã tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành luận án này. Tác giả luận án Phạm Thanh Hà iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... ii MỤC LỤC ............................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC VIẾT TẮT ..................................................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................x DANH MỤC CÁC HÌNH ....................................................................................... xi MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CHO CHUẨN ĐO LƯỜNG LỰC KIỂU KHUẾCH ĐẠI ĐÒN BẨY SỬ DỤNG GỐI ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN THEO ĐỘ BIẾN DẠNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN ........................................................... 6 1.1. Khái quát về chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng ..................................................................... 6 1.1.1. Chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy-nguyên lý xây dựng và cấu trúc ....................................................................................................... 6 1.1.2. Sai số và các ảnh hưởng đến độ chính xác của LA-FSM ........................ 11 1.2. Bài toán tối ưu và tình hình nghiên cứu có liên quan về nâng cao độ chính xác cho LA-FSM ............................................................................................. 17 1.2.1. Bài toán tối ưu nâng cao độ chính xác đối với LA-FSM ......................... 17 1.2.2. Tình hình nghiên cứu có liên quan .......................................................... 21 1.2.3. Hướng nghiên cứu của luận án ................................................................ 29 1.3. Kết luận Chương 1 .......................................................................................... 31 CHƯƠNG 2. XÁC LẬP MÔ HÌNH KÊNH ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ĐÒN BẨY VÀ MÔ HÌNH NHIỄU DAO ĐỘNG KÝ SINH TRONG LA-FSM ............ 32 2.1. Sự cần thiết và yêu cầu thiết lập mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy và nhiễu dao động ký sinh trong LA-FSM ...................................................... 32 2.2. Thiết lập mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM .............. 33 iv 2.3. Xác lập mô hình nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh trong LA-FSM ................................................................................................. 38 2.3.1. Phân tích sự hình thành và mô hình nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc trong hệ tạo lực tải trọng ................................................................... 38 2.3.2. Sự tương tác và mô hình nhiễu dao động kiểu bồng bềnh trong hệ tạo lực tải trọng ............................................................................................. 40 2.3.3. Đặc tính và mức độ ảnh hưởng của nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh trong LA-FSM .................................................... 54 2.4. Xác lập mô hình nhiễu dao động ký sinh trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM ...................................................................................... 58 2.4.1. Các moment lực trong hệ khuếch đại đòn bẩy và phương trình cân bằng đòn bẩy của LA-FSM ............................................................................. 58 2.4.2. Xác lập mô hình tín hiệu và nhiễu dao động ký sinh trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy .......................................................................... 63 2.5. Kết luận Chương 2 .......................................................................................... 67 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG GIẢI PHÁP XỬ LÝ NHIỄU DAO ĐỘNG KÝ SINH CHO TÍN HIỆU KÊNH ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ĐÒN BẨY CỦA LA-FSM BẰNG ÁP DỤNG THUẬT TOÁN LỌC IIR ..................................... 69 3.1. Cơ sở xây dựng giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh bằng thuật toán lọc theo định dạng IIR ........................................................................................... 69 3.1.1. Xuất phát từ bài toán nâng cao độ chính xác cho LA-FSM .................... 69 3.1.2. Xuất phát từ đặc tính của nhiễu dao động ký sinh trong LA-FSM ......... 73 3.1.3. Xuất phát từ mô hình toán học kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng ....................................... 73 3.2. Xây dựng thuật toán lọc IIR cho giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM ................................... 77 3.2.1. Xác định tham số đặc tả của bộ lọc IIR’ dùng cho LA-FSM .................. 77 3.2.2. Xác định đặc tính và cấu trúc của bộ lọc IIR’ dùng cho LA-FSM .......... 86 3.2.3. Xây dựng thuật toán lọc IIR dùng cho xử lý nhiễu dao động ký sinh trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM .......................... 94 v 3.3. Hiệu quả xử lý nhiễu dao động ký sinh khi áp dụng thuật toán lọc IIR ......... 99 3.3.1. Khả năng giảm thiểu sai số do nhiễu dao động ký sinh .......................... 95 3.3.2. Khả năng xử lý tổ hợp nhiễu cộng ......................................................... 107 3.4. Giới hạn và khuyến nghị ............................................................................... 109 3.5. Kết luận Chương 3 ........................................................................................ 111 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 112 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ...................... 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 115 vi DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC VIẾT TẮT m [kg] Khối lượng của tải trọng. g [m/s2] Gia tốc trọng trường. gđp [m/s2] Gia tốc trọng trường địa phương (tại nơi đặt tải trọng). a [kg/m3] Khối lượng riêng của không khí. m [kg/m3] Khối lượng riêng của vật liệu chế tạo tải trọng. l1 [m] Chiều dài của cánh tay đòn dài. l2 [m] Chiều dài của cánh tay đòn ngắn. QLA Hệ số khuếch đại đòn bẩy. Tc [ºK] Nhiệt độ môi trường. ΔTc [ºK] Độ biến thiên của nhiệt độ môi trường. R [m] Bán kính trái đất. G [N.m2.kg-2] Hằng số hấp dẫn. L [m] Chiều dài quang treo.  [m/ ºK] Hệ số giãn nở dài của vật liệu làm quang treo. t [s] Thời gian khảo sát. a0 [m/s2] Gia tốc quán tính. 0 [rad] Góc lệch tại vị trí biên độ dao động ban đầu.  [rad] Góc pha ban đầu. N-T [rad.s-1] Vận tốc góc của nhiễu dưới ảnh hưởng của nhiệt độ. N-A [rad.s-1] Vận tốc góc của nhiễu dưới ảnh hưởng của lực đẩy Archimed. N-E1 [rad.s-1] Vận tốc góc của nhiễu dưới ảnh hưởng của lực điện từ hướng đi lên. N-E2 [rad.s-1] Vận tốc góc của nhiễu dưới ảnh hưởng của lực điện từ hướng xuống dưới. N-E3 [rad.s-1] Vận tốc góc của nhiễu dưới ảnh hưởng của lực điện từ hướng hợp với phương ngang 1 góc . vii N-QT+ [rad.s-1] Vận tốc góc của nhiễu dưới ảnh hưởng của lực quán tính - Trường hợp điểm treo hệ tạo lực tải trọng chuyển động có gia tốc hướng thẳng đứng lên trên. N-QT- [rad.s-1] Vận tốc góc của nhiễu dưới ảnh hưởng của lực quán tính - Trường hợp điểm treo hệ tạo lực tải trọng chuyển động có gia tốc hướng thẳng đứng xuống dưới. ktd Hệ số tắt dần. td [rad.s-1] Vận tốc góc của nhiễu dưới ảnh hưởng của sức cản không khí. td [rad.s-1] Vận tốc góc của nhiễu tổng có sức cản không khí.  [N] Nhiễu. F1 [N] Lực tạo ra bởi hệ tạo lực tải trọng. ΔF1 [N] Sai lệch tổng hợp của lực tạo ra tại hệ tạo lực tải trọng. ΔFN [N] Nhiễu lực hình thành và tác động tại hệ tạo lực tải trọng. F2 [N] Lực tạo ra từ hệ tạo lực tải trọng thông qua hệ khuếch đại đòn bẩy. ΔF2 [N] Sai lệch tổng hợp của lực tạo ra tại hệ truyền lực đòn bẩy không bao gồm sai lệch do cong đòn bẩy dưới tác dụng của tải trọng. F2/N [N] Lực tạo ra từ hệ tạo lực tải trọng thông qua hệ khuếch đại đòn bẩy bao gồm nhiễu dao động kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh. ΔF(N-td)l1 [N] Nhiễu dao động kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh trong hệ tạo lực tải trọng. ΔF(N-td)l2 [N] Nhiễu dao động kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh trong hệ truyền lực đòn bẩy. đcF2Δ [N] Giá trị hiện thời của lực điều chỉnh xác lập sự cân bằng đòn bẩy. *đcF2Δ [N] Giá trị tiền định của lực điều chỉnh xác lập sự cân bằng đòn bẩy. K Hệ số chuyển đổi của Hệ tạo lực điều chỉnh cân bằng đòn bẩy. Δ2 [N] Sai số tổng hợp trên đầu ra gắn với giá trị của lực chuẩn. Δ2/N [N] Thành phần sai lệch gây ra do nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh. viii Δ2K [N] Thành phần sai lệch gây ra do các yếu tố khác. F2lc [N] Lực chuẩn được thiết lập trên đầu ra của LA-FSM. la [m] Chiều dài quang treo của hệ tạo lực tải trọng. lb [m] Chiều dài quang treo của hệ truyền lực đòn bẩy. Fhta [N] Tổng các thành phần lực hướng tâm của lực tạo ra trong hệ tạo lực tải trọng. Fhtb [N] Tổng các thành phần lực hướng tâm của lực tạo ra trong hệ truyền lực đòn bẩy. Ma [N.m] Moment uốn tại H1. Mb [N.m] Moment uốn tại H2. Mc [N.m] Moment uốn tổng hợp tại H3. Mu [N.m] Tổng các Moment uốn tại gối đỡ đòn bẩy. a [rad] Góc lệch so với trạng thái cân bằng tại H1. a0 [rad] Góc lệch so với trạng thái cân bằng tại H1 dưới tác dụng của tải trọng. acong [rad] Góc lệch so với trạng thái cân bằng tại H1 dưới tác dụng của tải trọng và sự cong của đòn dài (l1). b [rad] Góc lệch so với trạng thái cân bằng tại H2. b0 [rad] Góc lệch so với trạng thái cân bằng tại H2 dưới tác dụng của tải trọng. blech [rad] Góc lệch so với trạng thái cân bằng tại H2 dưới tác dụng của tải trọng và sự cong của đòn ngắn (l2). c [rad] Góc lệch so với trạng thái cân bằng dưới tác dụng của Moment uốn tổng hợp tại H3. u1 [V] Tín hiệu điện lấy ra từ mạch cầu tem biến dạng tại bản lề đàn hồi điện tử H1 trong KBDCB. u2 [V] Tín hiệu điện lấy ra từ mạch cầu tem biến dạng tại bản lề đàn hồi điện tử H2 trong KBDCB. ix u3 [V] Tín hiệu điện lấy ra từ mạch cầu tem biến dạng tại bản lề đàn hồi điện tử H3 trong KBDCB. Ui [V] Thông tin số của tín hiệu điện ui từ các kênh Hi. U⅀ [V] Thông tin số về tín hiệu, được tổng hợp từ số liệu của các KBDCB. Uđc [V] Thông tin số đã được tính toán theo phương pháp xác định để cung cấp cho HTLĐC nhằm tạo ra lực điều chỉnh ΔF2 sao cho lực chuẩn F2lc được thiết lập trên đầu ra của LA-FSM có giá trị bằng GTTL. BLĐH Bản lề đàn hồi. BĐĐL Biến đổi đo lường. BUILD-UP Tổ hợp đầu đo lực. BTĐB Bàn trượt đòn bẩy. CIPM Ủy ban quốc tế về cân đo (Comité international des poids et mesures). DW- FSM Máy chuẩn lực tải trực tiếp (Deadweight Force Standard Machine) ĐCCB Động cơ cân bằng đòn bẩy. ĐKĐC Bộ tạo tín hiệu điều khiển động cơ. FSM Máy chuẩn lực (Force Standard Machine). GTTL Giá trị thiết lập. HTLĐC Hệ tạo lực điều chỉnh cân bằng đòn bẩy. IIR Bộ lọc số đệ quy có đáp ứng xung dài vô hạn. KĐĐL Khuếch đại đo lường. KRISS Viện nghiên cứu Chuẩn và Khoa học Hàn Quốc (Korea Research Institute of Standards and Science). KBDCB Kênh biến dạng và cảm biến. LA-FSM Máy chuẩn lực kiểu khuếch đại đòn bẩy (Lever Amplification Force Standard Machine). LA-FSM 1MN Máy chuẩn lực kiểu khuếch đại đòn bẩy của Viện Đo lường Việt Nam được lắp đặt tại Khu công nghệ cao Láng Hòa Lạc. VMI Viện Đo lường Việt Nam (Vietnam Metrology Institute). XL-CT Xử lý và chỉ thị. x DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Giải pháp và kết quả chính của các công trình nghiên cứu. .................... 27 Bảng 2.1. Số liệu về các tham số. ............................................................................ 57 Bảng 3.1. Các tham số cơ bản tính cho LA-FSM 1MN của Việt Nam [71]. ........... 77 Bảng 3.2. Thiết lập các tham số đặc tả của bộ lọc IIR’. .......................................... 86 Bảng 3.3. Mức suy giảm nhiễu dao động ký sinh. ................................................. 104 Bảng 3.4. Các thành phần sai lệch do các yếu tố khác. ......................................... 105 xi DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý tạo lực của LA-FSM. ..................................................... 7 Hình 1.2. Mô hình cấu trúc LA-FSM sử dụng dao - gối vòng bi. ............................ 8 Hình 1.3. Mô hình cấu trúc LA-FSM sử dụng dao - gối phẳng. ............................... 8 Hình 1.4. Mô hình cấu trúc LA-FSM sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng. .............................................................................................. 9 Hình 1.5. Mô hình cấu trúc gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng (a) ................ 9 và cấu trúc tổng thể của LA-FSM (b). ...................................................................... 9 Hình 1.6. Mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM. .................... 10 Hình 1.7. Sự trôi điểm không và sự trôi tỷ lệ khuếch đại [51]. .............................. 14 Hình 1.8. Các moment uốn ký sinh trong hệ khuếch đại đòn bẩy. ......................... 15 Hình 1.9. Phương pháp nâng cao độ chính xác đối với hệ thống đo lường. ........... 19 Hình 1.10. Mô hình hệ thống của LA-FSM và khâu được luận án tác động. ......... 30 Hình 1.11. Mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy ......................................... 30 của LA-FSM mà luận án nghiên cứu. ..................................................................... 30 Hình 2.1. LA-FSM sử dụng ba gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng. ............. 34 Hình 2.2. Sơ đồ mô tả diễn tiến biến đổi lực - moment - tín hiệu điện - lực trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy cho LA-FSM. ............................... 35 Hình 2.3. Sơ đồ kênh điều khiển cân bằng đòn bẩysử dụng phương pháp xử lý thông tin đo. ......................................................................................... 37 Hình 2.4. Mô hình hệ tạo lực tải trọng ở dạng hệ con lắc đơn ............................... 39 Hình 2.5. Mô hình lực trong hệ tạo lực tải trọng xét ở dạng hệ con lắc đơn. ......... 40 Hình 2.6. Sự khác biệt của nhiễu ứng với các giá trị biên độ dao động α0. ............ 42 Hình 2.7. Sự khác biệt của nhiễu ứng với các giá trị của tải trọng. ........................ 42 Hình 2.8. Mô hình lực trong hệ tạo lực tải trọng có tác động của lực đẩy Acsimet. ...... 45 Hình 2.9. Mô hình lực trong hệ tạo lực tải trọng có tác động của lực điện từ. ....... 46 Hình 2.10. Mô hình lực trong hệ tạo lực tải trọng có tác động của lực quán tính hướng lên trên. ..................................................................................... 48 xii Hình 2.11. Mô hình lực trong hệ tạo lực tải trọng có tác động của lực quán tính hướng xuống dưới. .............................................................................. 49 Hình 2.12. Một ví dụ về độ lớn, sự biến thiên và phổ ............................................ 51 của lực và nhiễu lực theo (2.84) và (2.85). ............................................................. 51 Hình 2.13. Một ví dụ về độ lớn và sự biến thiên của lực và nhiễu. ........................ 55 Hình 2.14. Một ví dụ về độ lớn và sự biến thiên của hệ số tính theo (2.96). .......... 56 Hình 2.15. Các moment lực trong hệ khuếch đại đòn bẩy. ..................................... 59 Hình 2.16. Một ví dụ về mức và phổ của nhiễu dao động ...................................... 62 ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh theo (2.114) và (2.115). ........................... 62 Hình 2.17. Sơ đồ mô tả khối BĐĐL và XL-CT thực hiện quá trình đo. ................ 64 Hình 3.1. Sơ đồ phần biến đổi tín hiệu của kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy. .... 74 Hình 3.2. Mô hình hệ thống mô tả phép xử lý nhiễu dao động ký sinh diễn ra trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM. ...................... 75 Hình 3.3. Mô hình phép xử lý nhiễu dao động ký sinh bằng bộ lọc số IIR ............ 75 trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM. ......................................... 75 Hình 3.4. Nhiễu dao động ký sinh trong LA-FSM 1MN ........................................ 79 ứng với tải nhỏ nhất (sử dụng quả tải thứ nhất). ..................................................... 79 Hình 3.5. Nhiễu dao động ký sinh trong LA-FSM 1MN ........................................ 80 ứng với tải toàn phần (sử dụng toàn bộ 26 quả tải). ............................................... 80 Hình 3.6. Mô hình cấu trúc bộ lọc số IIR bậc S tương ứng .................................... 80 với cấu trúc ban đầu của kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM............ 80 Hình 3.7. Đáp ứng biên độ và đáp ứng pha ............................................................ 81 của kênh tương ứng với bộ lọc số IIR ban đầu. ...................................................... 81 Hình 3.8. Đáp ứng xung và trễ nhóm của bộ lọc số IIR ban đầu. ........................... 82 Hình 3.9. Đồ thị điểm cực và điểm không của bộ lọc số IIR ban đầu. ................... 82 Hình 3.10. Đặc tính và tham số cơ bản của bộ lọc số IIR ban đầu. ........................ 83 Hình 3.11. Tín hiệu kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy ban đầu. ........................... 83 Hình 3.12. Tín hiệu ra từ bộ lọc IIR ban đầu ứng với tải nhỏ nhất. ........................ 84 Hình 3.13. Tín hiệu ra từ bộ lọc IIR ban đầu ứng với tải toàn phần. ...................... 85 xiii Hình 3.14. Các đáp ứng cơ bản của bộ lọc IIR’ ứng với 4 phương pháp. .............. 87 Hình 3.15. Các đặc tính ổn định của bộ lọc IIR’ ..................