Giải pháp xử lý nhiễu dao đọng ký sinh cho tín hiệu kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của máy chuẩn lực kiểu khuếch đại đòn bẩy bằng thuật toán lọc IIR

bá nh b y m kế u kh á h h ng há m h ng đ i i gi i há l c nhi u a đ ng k inh bằng b l c đ a a nh ng đánh giá ề kh n ng ng ng. ừ khóa: Máy chuẩn lực khuếch đại đòn bẩy; Gối điện tử; Nhiễu dao động ký sinh. 1. Ặ VẤ Ề Nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh luôn tồn tại trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của máy chuẩn lực khuếch đại đòn bẩy (Lever Amplification Force Standard Machine - LA-FSM). Cơ chế hình thành, mô hình toán học và ảnh hưởng của nhiễu này đã được nghiên cứu đánh giá từ [1-3]. Bài toán nâng cao độ chính xác của LA-FSM hiện nay là tìm giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu dao động ký sinh trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy. Giải pháp sử d ng bộ lọc số để xử lý nhiễu dao động ký sinh đã được áp d ng cho một số -FSM (Deadweight Force Standard Machine) [ , mang đến một sự cải thiện về độ chính xác từ c 3.10-5 lên c 2.10-5. ể nâng cao độ chính xác của LA-FSM, việc khảo sát khả n ng và tính hiệu uả của bộ lọc áp d ng cho LA-FSM là r t c n thiết. ựa vào các mô hình toán học của tín hiệu và nhiễu đã được đưa ra từ [ , c thể thực hiện khảo sát, đánh giá bằng phương pháp mô ph ng. Sau đây là một số kết uả khảo sát về giải pháp lọc nhiễu này. 2. ÂY Ự MÔ Ì Ê Ề Ể Â BẰ Ò BẨY t đối v i LA-FSM c hệ khuếch đại đòn bẩy sử d ng gối điện tử được điều khiển th o độ biến dạng, trong đ , ph n biến đ i đo lư ng ( L) và xử lý tín hiệu ( LTH) của kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy được thiết kế th o sơ đồ hình 1 [1]. Hình 1. đ h n biến đ i n hi u của kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 9 - 2020 213 Từ nguyên lý xây dựng LA-FSM, phương trình cân bằng mom nt được t ng hợp từ thông tin đo của các tín hiệu từ gối điện tử, th o cách: 31 2 1 2 3 ( )( ) ( ) ( ) 0 U kU k U k U k S S S      (1) à c thể biểu diễn ở dạng toán học là:  /20( ) (1 .tan )cos costd k k t a acong td kU k mgl A A e t                   /20 2 22 (1 tan )cos sintd kk ta acong b blechmgl e F F l           /2 /21 0 0(1 tan ) cos cos 2costd k td kk t k tacong td kmgl A e t e              2 2 2 0F F l   (2) Trong đ : ( )iU k và ( )U k là giá tr của tín hiệu kênh thứ i và giá tr tín hiệu t ng hợp th o ( ) tại th i điểm kt ; iS là hệ số độ nhạy của kênh thứ i; m là khối lượng của tải trọng; g là gia tốc trọng trư ng; 1l là độ dài của tay đòn dài; 2l là độ dài của tay đòn ngắn; al là độ dài hiệu d ng tay đòn tạo mom nt uay tại H1; bl là độ dài hiệu d ng tay đòn tạo mom nt uay tại H2; 0 là g c biên độ dao động con lắc;  là g c pha đ u của dao động con lắc; acong là g c cong tay đòn do sức n ng của tải trọng; blech là g c lệch tr c truyền lực tải; tdk là hệ số tắt d n của dao động con lắc; 2F là lực tác động lên tải được tao ra từ lực của hệ tải trọng; 2F là lượng b c n thiết đảm bảo xác l p trạng thái cân bằng đòn bẩy; A và td là hệ số biến thiên biên độ và t n số g c của nhiễu dao động ký sinh [1]. Phương trình cân bằng lực ứng v i m i giá tr thiết l p (GTTL) của lực chuẩn tại th i điểm kt c dạng:  1 /20 2 ( )(1 tan ) ( ) cos cos sin td ka a acong k t td k b blech l l l A x k mg e t l l                      1 /20 2 2 ( )(1 tan ) 2 cos GTTL ( ) 0 sin td ka acong k t đc b blech l l mg e F k l l               (3) trong đ , 2 ( )đcF k là lực hiệu ch nh tương ứng v i 2 ( )F k c n thiết để b sung vào 2 ( )F k sao cho lực chuẩn trên đ u ra c giá tr bằng GTTL v i một sai số nào đ . hi coi thành ph n sai lệch mà trong đ c nhiễu dao động ký sinh là: 2/ 2/( ) ( ) GTTLN NF k F k     1 /20 2 ( )(1 tan ) cos cos sin td ka a acong k t td k b blech l l l A mg e t l l                      1 /20 2 ( )(1 tan ) 2 cos GTTL sin td ka acong k t b blech l l mg e l l             (4) Kỹ thuật điện tử Phạm Thanh Hà, “Giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh bằng thuật toán lọc IIR.” 214 thì ( ) trở thành: 2/ 2( ) ( ) ( ) 0N đcx k F k F k    (5) à khi lựa chọn lực điều ch nh 2 ( )đcF k bằng: 2 2/ 1 ( ) (0) ( ) M đc N n F k F x k n       v i (0) 0x  (6) thì uá trình thiết l p trạng thái cân bằng c thể mô hình h a ở dạng: 1 ( ) ( ) (0) ( ) 0 M n x k y k y x k n       (7) hay 1 0 ( ) ( ) ( ) M M n r n r x k a x k n b y k r        (8) v i 2/( ) ( )Ny k F k  và các hệ số a0 = 1, a1:M = -1, b0 = 1, b1:M-1 = 0, bM = -1. Như v y, uá trình xử lý tín hiệu và điều khiển cân bằng đòn bẩy c thể được mô tả bằng các phương trình ( ) - (8), trong đ , (8) c dạng một phương trình sai phân hệ số hằng của bộ lọc số đệ uy đối v i nhiễu dao động ký sinh. N i cách khác, mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM được thiết kế như trên đã là một bộ lọc số đệ uy đối v i nhiễu dao động ký sinh và phương sai xác đ nh điểm cân bằng được uy đ nh bởi ( )x k . o v y, nâng cao độ chính xác của LA-FSM c thể thực hiện bằng thu t toán xử lý tín hiệu kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy th o đ nh dạng bộ lọc số sao cho cải thiện khả n ng lọc nhiễu dao động ký sinh. Mô hình ph p xử lý tín hiệu như v y c thể mô tả như hình . Hình 2. h nh h l nhi u a đ ng k inh bằng b l c ng kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của -FSM. hi này, việc áp d ng thu t toán xử lý tín hiệu kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy th o đ nh dạng bộ lọc số (gọi tắt là “thu t toán lọc ”) đồng nghĩa v i việc b sung thêm vào kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM một bộ lọc ΔFN F2 F1 PC F2lc = GTTL ± Δ2 + x ∑ U∑ u1 u2 LOC Thu t toán lọc IIR u3 ΔF2 ác đ nh các thông số ˆ ( )IIRx k → ΔF2đc XL-CT I/O U(ΔF2đc ) HTL C B.tay Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 9 - 2020 215 mắc nối tiếp mà c đ c tính mong muốn để nâng cao hiệu uả xử lý nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh. à việc khảo sát khả n ng và hiệu uả của thu t toán xử lý nhiễu dao động ký sinh đối v i mô hình kênh điều khiển như trên c thể tiến hành bằng phương pháp mô ph ng trên ph n mềm Mathlab. . BẰ Ậ Ọ ÂY Ự Ạ B Ọ R 3.1. Mô hình mô phỏng và kết quả khảo sát t kênh xử lý tín hiệu và điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM được thiết l p th o (8) v i đ nh dạng bộ lọc số b c M, c mô hình c u trúc như hình . ể thu n tiện cho mô ph ng trên ph n mềm Mathlab, ta khảo sát v i các số liệu tương ứng v i LA-FSM MN của iệt Nam, và x t tại mức GTTL = N, tương ứng v i nhiễu dao động ký sinh ua mô ph ng được thể hiện như hình 4. Hình 3. h nh c u c kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của -F m h định ạng b l c bậc đ i i nhi u a đ ng k inh Hình 4. hể hi n của nhi u a đ ng k inh ng -FSM 1MN. Kỹ thuật điện tử Phạm Thanh Hà, “Giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh bằng thuật toán lọc IIR.” 216 ựa vào mô hình tín hiệu kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM sau khi b sung thêm bộ lọc + (hình 5), ta c thể khảo sát khả n ng xử lý nhiễu dao động ký sinh cho các thu t toán lọc được xây dựng th o một số phương pháp thiết kế điển hình khác nhau c trong ph n mềm Mathlab. ết uả khảo sát c thể được thể hiện trên hình 6, 7 và 8. Hình 5. T n hi u kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của A-FSM khi ch a b ung b l c Hình 6. h nh kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của -FSM khi b ung hêm b l c +. Th o đ , hình 5 là một thể hiện của nhiễu dao động ký sinh và tín hiệu kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy khi chưa b sung bộ lọc số +. Hình 7 là một thể hiện của tín hiệu ra sau khi thực hiện ph p lọc bằng các bộ lọc số + được xây Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 9 - 2020 217 dựng th o các phương pháp thiết kế khác nhau. à cuối c ng, tín hiệu {x(k)}IIR d ng để xác đ nh trạng thái cân bằng đòn bẩy của LA-FSM nh n được từ thu t toán lọc được xây dựng th o các phương pháp khác nhau c dạng như hình 8. Hình 7. Các n hi u a au khi b ung b l c + h h ng há hiế kế khác nhau Hình 8. Dạng n hi u ùng ch ác định ạng hái cân bằng đòn bẩy ng ng i các b l c + đ ợc hiế kế h các h ng há khác nhau ết uả mô ph ng cho th y rằng, các thu t toán lọc th o đ nh dạng bộ lọc số được xây dựng th o các phương pháp thiết kế khác nhau đều cho ra tín hiệu d ng để xác đ nh trạng thái cân bằng tốt hơn đáng kể ngay từ b c lọc th p. Trong đ , bộ lọc số được thiết kế th o phương pháp Ch bysh v c khả n ng khử nhiễu và độ hội t nhanh hơn cả. Kỹ thuật điện tử Phạm Thanh Hà, “Giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh bằng thuật toán lọc IIR.” 218 3.2. h n t và àn u n ết uả khảo sát đã cho th y, việc sử d ng thu t toán xử lý tín hiệu và điều khiển cân bằng đòn bẩy th o đ nh dạng bộ lọc số ứng d ng cho bài toán xử lý nhiễu dao động ký sinh của LA-FSM là hợp lý và hiệu uả. Giải pháp đưa t i sự cải thiện v i mức độ khác nhau t y th o phương pháp thiết kế được áp d ng. Tuy nhiên, giải pháp này cũng g p một số hạn chế, bao gồm: Cũng tương tự như bộ lọc số thông thư ng, thu t toán ch n đ nh khi đáp ứng v i một bộ thông số kỹ thu t nh t đ nh về t n số nhiễu c n lọc, t n số l y mẫu, khoảng l y mẫu và đảm bảo không thay đ i. i một LA-FSM c 6 uả tải (LA- FSM MN của iệt Nam) sẽ được t hợp để tạo thành r t nhiều mức tải khác nhau thì yêu c u phải c số lượng bộ thông số tương ứng, làm cho ph n mềm xử lý tín hiệu trở nên khá phức tạp. M c d yêu c u về sự ràng buộc ch t chẽ đối v i bộ thông số kỹ thu t của hệ thống, nhưng trong thực tế h u hết các tham số của hệ thống đều hàm chứa đ c tính ngẫu nhiên c phân bố khác nhau, tạo nên tín hiệu ngẫu nhiên không phải tạp trắng Gauss, vừa c tính biến đ i ch m, vừa c tính đột biến [ nên trong r t nhiều trư ng hợp ph p lọc không thực hiện được. êu c u về mối uan hệ ch t gi a t n số l y mẫu và t n số cơ bản của nhiễu xu t phát từ cơ sở nền tảng của bộ lọc số v i chức n ng chọn lọc t n số bằng biến dạng phân bố ph t n tín hiệu, chưa uan tâm đến các đ c tính ngẫu nhiên của nhiễu. Tuy v y, yêu c u này dễ dàng được đảm bảo bởi lực chuẩn đ u ra được thiết l p v i các giá tr r i rạc và dải biến thiên về t n số thực tế cũng tương đối hẹp. 4. Ế Ậ ây dựng và xác l p mô hình toán học cho kênh xử lý tín hiệu và điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM là r t c n thiết, tạo thu n lợi cho khảo sát trạng thái động của hệ thống đa tham số. Thông ua mô hình toán học, việc khảo sát bằng phương pháp mô ph ng về giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh khi áp d ng thu t toán lọc đã cho ph p x m x t một cách toàn diện về khả n ng xử lý nhiễu dao động ký sinh c trong tín hiệu kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM. Phương pháp này đã thay thế tốt cho khảo sát đo đạc bằng v t lý gắn v i nhiều kh kh n và tốn k m. ết uả khảo sát về giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM bằng áp d ng thu t toán lọc đã minh chứng cho khả n ng và ưu nhược điểm của giải pháp này. Th o đ , giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh bằng thu t toán lọc sẽ tạo ra một sự cải thiện đáng kể về độ chính xác đối v i LA-FSM sử d ng gối điện tử điều khiển th o độ biến dạng. À M [1]. Phạm Thanh Hà, “Establishment the parasitic cilla i n m l’ balanc control of LA-FSM by using strain controlled electronic hinge”, Tạp chí Nghiên cứu H&CN uân sự, Số 6 A, 5/ 9. [2]. Yon-Kyu Park và Dae-Im Kang, “Oscillating signal components of a dead- weight force-standard machine and reduction techniques”, Measurement Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 9 - 2020 219 Science and Technology, Volume 10, Number 8, 1999 - iopscience.iop.org. [3]. Lim C. K., Bernd G. and Thomas A., “New developments in lever-amplified force standard machines”, Proceedings of XVII IMEKO World Congress, June 22 - 27, 2003, Dubrovnik, Croatia. ABSTRACT A SOLUTION TO PARASITIC OSCILLATION NOISE PROCESSING FOR LEVER-BALANCED CONTROL CHANNEL SIGNALS OF LA-FSM USING IIR FILTER ALGORITHM The lever-balanced control channel of a lever-amplified force standard machine using strain controlled electronic things always has a pendulum and floating-type parasitic oscillation noise. The construction of this noise filtering solution for lever-balanced control channel signals is essential for the problem of improving the accuracy of the system. In the paper, a number of simulation results for the parasitic oscillation noise filtering solution using the IIR filter and provides applicability assessments is presented. Keywords: Lever-amplified force standard machine; Electronic hing; Parasitic oscillation noise. Nhận b i ng y 17 tháng 4 n m 2020 Hoàn thi n ng y 30 háng 7 n m 2020 Ch nhận đ ng ng y 28 tháng 8 n m 2020 Địa chỉ: iện o lư ng iệt Nam, 8 Hoàng Quốc iệt, C u Gi y, Hà Nội. *Email: hapt@vmi.gov.vn.