Nghiên cứu về cách thức sử dụng phần mềm labview cơ bản

MỞ ĐẦU
Trong nền công nghiệp hiện đại, thuật ngữ “đo lường và điều khiển” đã
trở nên quá quen thuộc, sẽ khơng phải mơ tả nhiều để có thể hình dung được
mục đích, tác dụng và tầm quan trọng của nó. Hiện tại các hệ thống thiết bị
điều khiển tự động đều mang một tỷ trọng rất lớn các phần tử với đặc điểm
của kỹ thuật vi tính. Có thể tìm thấy các phần tử đó ở mọi lớp của cấu trúc hệ
thống. Từ lớp kế cận hay trực tiếp với q trình cơng nghệ, cho tới các lớp
cấp trên. Kỹ thuật vi tính đã góp phần làm thay đổi bộ mặt của các trung tâm
điều khiển, nơi theo dõi - xử lý các tín hiệu - dữ liệu thu thập được, thực hiện
các nhiệm vụ điều khiển và tối ưu hố, vận hành và phân tích q trình cơng
nghệ. Khi xây dựng các hệ thống đo lường và điều khiển dựa trên máy tính
PC có sự hỗ trợ của các phần mềm chuyên dụng thường yêu cầu có tốc độ
giao tiếp cao.
Nhu cầu về đo lường - điều khiển ngày càng phức tạp và nhu cầu làm
việc liên tục của các q trình sản xuất địi hỏi độ tin cậy của các thiết bị đo
lường - điều khiển ngày càng cao. Câu hỏi đặt ra là làm thế nào để tăng năng
suất, giảm thời gian và chi phí cho các ứng dụng thiết kế, điều khiển, kiểm
tra, tạo ra được các ứng dụng linh hoạt có khả năng tích hợp dễ dàng với
nhiều kiểu I/O khác nhau phục vụ đắc lực trong đo lường và điều khiển tự
động trong các ngành công nghiệp hiện đại.
Trong gần 30 năm qua, National Instruments đã không ngừng đổi mới
phương pháp kiểm tra và đo lường cho các kĩ sư. Với PC và các công nghệ
thương mại, thiết bị đo ảo làm tăng năng suất và giảm chi phí cho các ứng
dụng kiểm tra và đo lường tự động qua phần mềm dễ tích hợp LabVIEW và
phần cứng đo lường và điều khiển kiểu module cho PXI, PCI, USB và
Ethernet…mà tiêu biểu là card PCI - 1710. Đó chính là nền tảng của q trình
kiểm tra, đo lường và điều khiển tự động. Trong những ứng dụng cơng nghiệp
địi hỏi khắt khe sử dụng I/O tiên tiến (I/O tương tự tốc độ cao); xử lý tiên tiến

1

cho các ứng dụng như đo, điều khiển độ rung và thị giác máy; truyền thông
tới phần cứng công nghiệp, bao gồm các thiết bị OPC và PLC của bên thứ ba
cũng như cơ sở dữ liệu doanh nghiệp…vv. Bạn có thể tích hợp các bộ điều
khiển tự động hóa khả trình (PAC) của NI được xây dựng với LabVIEW vào
các hệ thống hiện tại để bổ sung tính năng đo lường và điều khiển.
Mục đích nghiên cứu của đồ án:
Trong phạm vi của đồ án chúng em chủ yếu nghiên cứu về cách thức sử
dụng phần mềm LabVIEW cơ bản như: cách tạo giao diện, lập trình sơ đồ
khối, làm thế nào để tạo thiết bị ảo (VI) và thiết bị ảo con (Sub VI)…vv. Tìm
hiểu các ứng dụng của LabVIEW trong đo lường và điều khiển công nghiệp.
Nghiên cứu card PCI – 1710 từ đó kết hợp với phần mềm LabVIEW để tạo ra
một ứng dụng cụ thể trong đo lường và điều khiển.
Đối tượng phạm vi nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu chung của đồ án là: phần mềm LabVIEW và
card PCI-1710. Do thời gian nghiên cứu ngắn nên chúng em chỉ tập chung
nghiên cứu được một ứng dụng quen thuộc của LabVIEW và card PCI-1710.
Đó là thu thập tín hiệu từ thiết bị bên ngồi (cảm biến nhiệt độ), giao tiếp với
PC thông qua card PCI-1710 từ đó mơ phỏng và xử lý tín hiệu trong một quá
trình sản xuất.
Ý nghĩa thực tiễn của đồ án:
National Instruments là tiên phong và đứng đầu về các dụng cụ ảo một khái niệm tiến bộ đã làm thay đổi các phương pháp đo đạc và tự động
hóa của các kỹ sư và nhà khoa học trong công nghiệp. LabVIEW nhằm nâng
cao khả năng đo lường công nghiệp nhờ những đặc điểm mới được thiết kế
cho những giao diện phân tích và điều khiển tiên tiến; quản lý hệ thống phân
tán nâng cao và đích (target) mới cho giao diện người máy (HMI). Các dụng
cụ ảo làm tăng năng suất và làm giảm chi phí cho các ứng dụng thiết kế, điều
khiển và kiểm tra thông qua các phần mềm dễ tích hợp như NI LabVIEW

2

cũng như các phần cứng điều khiển và đo đạc card PCI-1710. Mơi trường
LabVIEW mở tương thích với mọi phần cứng đo với các trợ giúp tương tác,
tạo mã nguồn và khả năng kết nối tới hàng nghìn thiết bị giúp tập hợp dữ liệu
dễ dàng. Vì LabVIEW cung cấp tính kết nối tới hầu hết mọi thiết bị đo, nên
bạn có thể dễ dàng kết hợp những ứng dụng LabVIEW mới vào các hệ thống
hiện tại. LabVIEW có thể đo được mọi tín hiệu như: nhiệt độ, sức căng, độ
rung, âm thanh, điện áp, dòng, tần số, ánh sáng, điện trở, xung, thời gian (giai
đoạn), tín hiệu số.
Chính vì vậy mà LabVIEW trở thành lựa chọn hàng đầu của các kỹ sư và
các nhà khoa học ở Việt Nam nói riêng và trên thế giới nói chung. Kết quả
nghiên cứu của đồ án có thể giúp mọi người có thể dễ dàng sử dụng khi mới
làm quen với phần mềm LabVIEW.
Nội dung của đồ án:
Với các mục tiêu nêu trên, đồ án được trình bày trong 5 chương:
Chương 1

Tổng quan về đo lường và điều khiển

Chương 2

Sơ lược về LabVIEW

Chương 3

LabVIEW trong đo lường và điều khiển

Chương 4

CARD PCI – 1710

Chương 5

Thiết kế hệ thống đo lường và điều khiển bằng LabVIEW
và card PCI - 1710

3


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN
1.1. Khái luận về đo lường và các đặc trưng cơ bản của kỹ thuật đo
Theo – D.L.Men-đê-lê-ép thì: “Khoa học bắt đầu từ khi người ta biết
đo. Một khoa học chính xác sẽ khơng có ý nghĩa nếu thiếu đo lường”. Ngay từ
thời xa xưa con người đã chú ý đến khái niệm đo lường, đó là một ngành khoa học chuyên
nghiên cứu các phương pháp để đo các đại lượng khác nhau. Và đã được các nhà khoa học
ở mọi lĩnh vực quan tâm. Đối với mỗi quốc gia việc phát triển đo lường bao giờ cũng phải
bao gồm 2 lĩnh vực của đo lường đó là đo lường pháp quyền và đo lường khoa học.

- Đo lường pháp quyền liên quan đến vấn đề
sau:
+ Xây dựng hệ thống pháp luật về đo
lường.
+ Xây dựng các tổ chức về đo lường để
quản lý công tác đo lường trong cả nước.
+ Xây dựng hệ thống chuẩn về đo

Hình 1.1 Minh họa phương
pháp đo lường pháp quyền

lường.

+ Kiểm định phương tiện đo.
Đo lường pháp quyền là một lĩnh vực lớn đặt ra cho mỗi quốc gia để
mọi hoạt động kinh tế, khoa học kỹ thuật, quốc phòng và đời sống xã hội luôn
được đảm bảo về chất lượng và số lượng trong sản xuất thương mại cũng như
trong giao dịch quốc tế. Tuy nhiên với khoa học công nghệ ngày một phát
triển với nhiều các phát minh sáng giá thì mỗi chúng ta nên quan tâm đến lĩnh
vực đo lường thứ hai đó là Đo lường khoa học.
Trong đo lường khoa học người ta chú ý đến vị trí và nội dung của đo
lường trong hệ thống các ngành khoa học hiện đại: tập trung phân tích các ý
tưởng, nguyên lý và phương hướng khoa học của nó được đặt dưới cái tên
chung là “Lý thuyết đo lường”. Để hiểu rõ nội dung của đo lường khoa học

4


trước tiên ta phải hiểu đo lường là gì và cơ sở để hình thành lý thuyết đo
lường?
Đo lường như là một phương pháp
đánh giá về định lượng của đối tượng
vật chất và phi vật chất có tính biện
chứng tồn diện, từ đó hình thành các
hướng khác nhau của lý thuyết đo
Hình 1.2 Minh họa phương pháp đo
lường

lường

Ví dụ như, trong vật lý lượng tử khi thực hiện phép đo cần phải quan
tâm đến việc đo các đại lượng có kích thước nhỏ, điều này hình thành lý
thuyết đo lường cơ học lượng tử. Hay trong xã hội, tâm lý học, kỹ thuật hệ
thống, điều khiển học…phải quan tâm đến đại lượng phi vật lý cần đo, điều
này hình thành lý thuyết đo lường tâm lý. Trong đo lường học (metrology)
người ta quan tâm đến sai số từ đó hình thành lý thuyết về sai số. Sai số cũng
được coi là một dạng nhiễu trong kênh đo lường và từ đó hình thành lý thuyết
đo lường thơng tin. Việc nghiên cứu về phép đo như là một phương pháp
(angôrit) nào đó để nhận được kết quả bằng số về giá trị của một đại lượng
cần đo nào đó (vật lý hay phi vật lý) từ đó hình thành lý thuyết đo lường
angôrit. Như vậy lý thuyết đo lường là một khái niệm rất rộng nó bao quát
nhiều lĩnh vực, nhiều hướng phát triển và mỗi hướng tuỳ thuộc vào điều kiện
cụ thể của nó mà hình thành lý thuyết đo lường.
1.1.1. Lý thuyết đo lường cơ sở
Là những vấn đề nền tảng của đo lường. Nó chính là gốc để phát triển
khoa học chính xác như vật lý, tốn học, phi vật lý. Trong lĩnh vực này quan
tâm đến những đặc tính chung nhất, những quy luật của phép đo như là một
phương pháp đánh giá định lượng các thông số của thế giới đối tượng. Những
phát minh về quy luật của phép đo ln đem lại ảnh hưởng có tính quyết định

5


đến nền khoa học chính xác. Ví dụ như, trong vật lý hiện đại phát minh nổi
tiếng trong lĩnh vực đo lường là hệ thức bất định của Gâyzenbeg về ngun
tắc nó hạn chế độ chính xác của phép đo lường cơ lượng tử trong vật lý lượng
tử. Trong toán học cũng vậy những phát minh toán học sẽ hỗ trợ cho q trình
đo lường một cách hiệu quả. Ví dụ việc phát minh ra phương pháp biến đổi
Furiê nhanh đã giúp các nhà đo lường phân tích phổ một tín hiệu đo với một
dải tần ngày càng cao và xác định được hàm mật độ phổ một cách nhanh

chóng, mở ra một phương pháp đo lường hiện đại, đó là đo lường tốn học
logic mà cốt lõi của nó là đo lường angơrit trong đó bao hàm cả việc gia công
kết quả đo lường. Đối với các đại lượng đo phi vật lý, lý thuyết đo lường cơ
sở chú ý đến việc xác định các đặc trưng phi vật lý (ví dụ lượng thơng tin hay
các đặc trưng thống kê…) những phát minh về mặt toán học đã đặt cơ sở cho
lý thuyết đo các đại lượng phi vật lý mà ta gọi đó là đo lường tâm lý.
1.1.2. Lý thuyết đo lường ứng dụng
Lý thuyết đo lường ứng dụng tập trung nghiên cứu các phép đo trong
thực tế, các bài toán cụ thể được đặt ra cho kỹ thuật nói chung và kỹ thuật đo
lường nói riêng. Ví dụ việc nghiên cứu chế tạo các chuẩn đơn vị đo lường
(trước đây là hệ mét, hệ tuyệt đối Gause và ngày nay là hệ đo lường quốc tế
SI) để đảm bảo sự thống nhất đo lường trên toàn thế giới. Xung quanh bài
tốn đó trong khoa học ngày nay hình thành một lĩnh vực được gọi là đo
lường học (Metrology).
Đo lường học là một môn khoa học
về các phép đo, về phương pháp và
phương tiện đo để đảm bảo cho các
quá trình đo được thống nhất và các
phương pháp nhằm đạt được độ
chính xác yêu cầu.

6


Hình 1.3 Minh họa phương pháp đo
lường học

Đo lường học đóng vai trị to lớn trong việc xây dựng phương pháp
thiết bị đo và giải quyết hầu hết các bài toán đặt ra của kỹ thuật đo lường.
Khoa học và kỹ thuật ngày càng phát triển, việc ứng dụng các thành tựu của

máy tính và điều khiển học kỹ thuật trong đo lường đã làm xuất hiện một lĩnh
vực mới trong đo lường ứng dụng đó là đo lường tự động.
Nội dung của đo lường tự động đó là con người ít can thiệp vào các
thao tác đo lường và xử lý thông tin mà hầu như các thao tác này là hoàn toàn
tự động. Sự xuất hiện của các thiết bị đo thông minh, các hệ thống thông tin
đo lường và điều khiển thơng minh, việc truyền tín hiệu đi xa bằng kỹ thuật số
và các phương tiện hiện đại như cáp quang hay vô tuyến đã tạo ra các hệ
thống đo và điều khiển từ xa rất hiệu quả và tiện lợi. Như vậy lý thuyết đo
lường ứng dụng hiện đại bao gồm hai hướng phát triển hỗ trợ cho nhau là: đo
lường học và đo lường tự động. Cả hai đều phản ánh quá trình quan trọng
nhất trong kỹ thuật đo lường đó là q trình vật lý (sử dụng những thành tựu
của vật lý để hoàn thiện thiết bị đo và q trình tự động hố. Sử dụng các
phương pháp đo tự động trong điều khiển sản xuất công nghiệp).
Cùng với đo lường cơ sở, đo lường ứng dụng ngày càng phát triển tạo
thành ngành kỹ thuật đo lường là một ngành khoa học công nghệ cao, nó có
mặt ở khắp mọi nơi, ở mọi lĩnh vực của kinh tế quốc dân và đời sống xã hội.
Sự phát triển của nó có ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển khoa học – kỹ
thuật, đưa lại lợi ích to lớn cho xã hội.
1.1.3. Phân loại và cách thức thực hiện phép đo
Để thực hiện một phép đo ta có thể thực hiện nhiều cách đo khác nhau,
ta có thể phân biệt các cách đo sau đây:
- Đo trực tiếp: là cách đo mà kết quả nhận được trực tiếp từ một phép đo duy
nhất. Cách đo này cho kết quả ngay. Dụng cụ đo được sử dụng thường tương

7


ứng với đại lượng cần đo. Ví dụ: đo điện áp dùng Vơnmét thì trên mặt thang
đo đã khắc độ sẵn bằng vôn. Trên thực tế chủ yếu dùng phương pháp này.
- Đo gián tiếp: là cách đo mà kết quả được suy ra từ sự phối hợp kết quả của

nhiều phép đo dùng cách đo trực tiếp. Ví dụ: khi đo dịng điện ta dùng
Vơnmét và Ơmmét sau đó dùng định luật Ôm để suy ra kết quả: I = U/R. Tuy
nhiên cách đo này thường mắc phải sai số lớn là tổng các sai số của các phép
đo trực tiếp.
- Đo thống kê: để đảm bảo độ chính xác của phép đo nhiều khi người ta phải
sử dụng cách đo thống kê tức là phải tiến hành đo nhiều lần, sau đó lấy giá trị
trung bình. Cách đo này đặc biệt hữu hiệu khi tín hiệu đo là ngẫu nhiên hoặc
khi cần kiểm tra độ chính xác của một dụng cụ đo.
- Đo so sánh: là cách đo mà kết quả đạt được khi ta tiến hành so sánh đại
lượng cần đo với mẫu. Cách đo này hiện nay được dùng khá phổ biến vì nó có
độ chính xác khá cao.
Tuỳ thuộc vào các điều kiện cụ thể khác nhau mà chúng ta lựa chọn
một phép đo sao cho phù hợp. Lựa chọn được một phép đo tốt và phù hợp sẽ
đem lại cho bạn một kết quả với độ chính xác cao.

1.1.4. Các đặc trưng cơ bản của kỹ thuật đo
Để hiểu rõ hơn về ngành kỹ thuật đo lường ta nên quan tâm tới các đặc
trưng của nó. Đó là các yếu tố cần thiết khơng thể thiếu được trong kỹ thuật
đo. Những đặc trưng đó bao gồm: các đại lượng cần đo, điều kiện đo, phương
pháp đo, thiết bị đo, người quan sát hay các thiết bị thu nhận kết quả đo.
1. Đại lượng đo:

8


Là một thông số đặc trưng cho đại lượng vật lý cần đo. Theo tính chất
thay đổi của đại lượng đo có thể chia chúng thành hai loại đó là: đại lượng đo
tiền định và đại lượng đo ngẫu nhiên.
- Đại lượng đo tiền định: là đại lượng đo đã biết trước quy luật thay đổi
theo thời gian của chúng, nhưng một hoặc nhiều thông số của chúng chưa cần

phải đo. Đại lượng đo tiền định thường là tín hiệu một chiều hay xoay chiều
hình sin hay xung vng. Các thông số cần được đo thường là: biên độ, tần
số, góc pha…của tín hiệu đo.
- Đại lượng đo ngẫu nhiên: là đại lượng đo mà sự thay đổi theo thời
gian không theo một quy luật nào cả. Nếu ta lấy bất kỳ giá trị nào của tín hiệu
thì ta đều nhận được đại lượng ngẫu nhiên. Ta thấy trong thực tế số các đại
lượng đo đều là ngẫu nhiên. Tuy nhiên ở một chừng mực nào đó ta có thể giả
thiết rằng suốt thời gian tiến hành một phép đo đại lượng đo phải không đổi
hoặc thay đổi theo quy luật đã biết (tức là đại lượng đo tiền định) hoặc tín
hiệu phải thay đổi chậm. Vì thế nếu đại lượng đo ngẫu nhiên có tần số thay
đổi nhanh sẽ không thể đo được bằng các phép đo thông thường. Trong
trường hợp này ta phải sử dụng một phương pháp đo đặc biệt đó là đo lường
thống kê.
Theo cách biến đổi đại lượng đo mà ta có thể chia thành đại lượng đo
liên tục hay đại lượng đo tương tự (analog) và đại lượng đo rời rạc hay đại
lượng đo số (digital):
- Đại lượng đo tương tự (analog): là biến đổi nó thành một đại lượng
đo khác tương tự nó. Ứng với đại lượng đo này người ta thường chế tạo ra các
dụng cụ đo tương tự. Ví dụ như: một Ampemet có kim chỉ tương ứng với
cường độ dịng điện.
- Đại lượng đo số (digital): là biến đổi từ các đại lượng tương tự thành
đại lượng số. ứng với đại lượng đo này người ta cũng chế tạo ra các dụng cụ
đo số.

9


Theo bản chất của đại lượng đo ta có thể chia thành:
- Đại lượng đo năng lượng: là đại lượng đo mà bản thân nó mang năng
lượng. Ví dụ như: sức điện động, điện áp, dòng điện…vv.

- Các đại lượng đo thơng số: đó là thơng số của mạch điện như: điện
trở, điện cảm, điện dung…vv.
- Các đại lượng đo phụ thuộc vào thời gian như: chu kỳ tần số góc
pha…
- Các đại lượng đo khơng điện: để đo được bằng phương pháp điện
nhất thiết phải biến đổi chúng thành các đại lượng điện thông qua các bộ cảm
biến. Thông qua các bộ cảm biến mà ta nhận được tín hiệu Y tỷ lệ với đại
lượng cần đo X khi đó ta có:
Y = f(X)
Ta biết rằng tín hiệu đo là loại tín hiệu mang đặc tính thơng tin về đại lượng
đo vì thế người ta có thể coi tín hiệu đo chính là đại lượng đo.
2. Điều kiện đo:
Thơng tin đo lường bao giờ cũng gắn chặt với môi trường sinh ra đại
lượng đo. Khi tiến hành phép đo ta phải tính tới ảnh hưởng của mơi trường
đến kết quả đo và ngược lại khi dùng dụng cụ đo không để dụng cụ đo ảnh
hưởng đến đối tượng đo. Ngồi ra, ta phải chú ý đến mơi trường bên ngồi có
thể ảnh hưởng đến kết quả của phép đo. Những yếu tố của môi trường là:
nhiệt độ, độ ẩm của khơng khí, từ trường bên ngồi, độ rung, độ lệch áp suất
so với áp suất trung bình, bụi bẩn... Những yếu tố này phải ở trong điều kiện
chuẩn. Điều kiện tiêu chuẩn là điều kiện được quy định theo tiêu chuẩn quốc
gia, là khoảng biến động của các yếu tố bên ngồi mà suốt trong khoảng đó
dụng cụ đo vẫn đảm bảo độ chính xác quy định, đối với mỗi loại dụng cụ đo
đều có khoảng tiêu chuẩn được ghi trong các đặc tính kỹ thuật của nó. Trong
thực tế ta thường phải tiến hành đo nhiều đại lượng cùng một lúc rồi lại phải

10


truyền tín hiệu đo đi xa, tự động ghi lại và gia cơng thơng tin đo. Cho nên, cần
phải tính đến các điều kiện đo khác nhau để tổ chức các phép đo cho tốt nhất.

3. Đơn vị đo:
Để cho nhiều nước có thể sử dụng một hệ thống đơn vị duy nhất người
ta đã thành lập hệ thống đơn vị đo quốc tế SI – 1960 đã được thông qua ở hội
nghị quốc tế về mẫu và cân. Hệ đo lường quốc tế (viết tắt là SI từ tiếng Pháp)
là hệ đo lường được sử dụng rộng rãi nhất. Nó được sử dụng trong mọi hoạt
động kinh tế, thương mại, khoa học, giáo dục và công nghệ của phần lớn các
nước trên thế giới.Trong hệ thống đó các đơn vị được xác định như sau:
- Đơn vị chiều dài mét (m).
- Đơn vị khối lượng là kilogam (kg).
- Đơn vị thời gian là giây (s).
- Đơn vị cường độ dòng điện là ampe (A).
- Đơn vị nhiệt độ là kelvin (K).
- Đơn vị cường độ ánh sáng là nền candela (Cd).
- Đơn vị số lượng vật chất là mol (mol).
Đó là 7 đơn vị cơ bản. Ngồi ra cịn có các đơn vị dẫn xuất cùng với một
bộ các tiền tố được suy ra từ các đơn vị cơ bản này.
4. Phương pháp đo:
Các phép đo được thực hiện bằng các phương pháp đo khác nhau phụ
thuộc vào các phương pháp nhận thông tin đo và nhiều yếu tố đo như đại
lượng đo lớn hay nhỏ, điều kiện đo, sai số, yêu cầu... Phương pháp đo có thể
có nhiều nhưng người ta đã phân thành 2 loại:
- Phương pháp đo biến đổi thẳng.
- Phương pháp đo so sánh.
Các phương pháp này đã được chế tạo thành các thiết bị đo để sử dụng trong
thực tế.
5. Người quan sát:

11

Đó là người đo và gia cơng kết quả đo. Nhiệm vụ của người quan sát
khi đo là phải nắm được phương pháp đo; am hiểu về thiết bị đo mà mình sử
dụng, kiểm tra điều kiện đo, phán đốn về khoảng đo để chọn thiết bị đo cho
phù hợp với sai số yêu cầu và phù hợp với điều kiện mơi trường xung quanh.
Biết điều khiển q trình đo để có được kết quả như mong muốn sau cùng là
nắm được các phương pháp gia công kết quả đo để tiến hành gia cơng (có thể
bằng tay hay sử dụng máy tính) số liệu thu được sau khi đo. Biết xét đoán kết
quả đo xem đã đạt yêu cầu hay chưa, có cần thiết phải đo lại hay khơng, hoặc
phải đo nhiều lần theo phương pháp đo lường thống kê.
6. Kết quả đo:
Kết quả đo ở một mức độ nào đó có thể coi là chính xác. Một giá trị
như vậy được coi là giá trị ước lượng của đại lượng đo. Nghĩa là giá trị được
xác định bởi thực nghiệm nhờ các thiết bị đo. Giá trị này gần với giá trị thực
mà ở một điều kiện nào đó có thể coi là thực. Để đánh giá sai lệch giữa giá trị
ước lượng và giá trị thực người ta sử dụng khái niệm sai số của phép đo: đó là
hiệu giữa giá trị thực và giá trị ước lượng. Sai số của phép đo có vai trị quan
trọng trong kỹ thuật đo lường. Nó cho phép đánh giá phép đo có đạt u cầu
hay khơng. Có rất nhiều nguyên nhân gây nên sai số của phép đo như:
- Nguyên nhân đầu tiên phải kể đến là do phương pháp đo chưa hoàn
thiện, chưa phù hợp với điều kiện thực tế.
- Do có sự biến động của các điều kiện bên ngoài vượt ra ngoài các
điều kiện tiêu chuẩn được quy định cho dụng cụ đo mà ta chọn.
- Ngồi ra cịn một số các yếu tố khác nữa như: sử dụng các dụng cụ đo
không đảm bảo độ chính xác, do cách đọc của người quan sát hoặc do cách
đặt dụng cụ khơng chính xác…
Kết quả đo là những con số kèm theo đơn vị đo hay những đường cong tự
ghi, để ghi lại quá trình thay đổi của đại lượng đo theo thời gian. Việc gia

12

cơng kết quả đo theo một thuật tốn (angơrit) nhất định bằng máy tính hay
bằng tay để đạt được kết quả như mong muốn.
1.2. Tổng quan về điều khiển tự động
1.2.1. Lịch sử ra đời
Điều khiển tự động có lịch sử phát triển từ trước công nguyên, bắt đầu
từ đồng hồ nước có phao điều chỉnh của Ktesibios ở Hy Lạp. Hệ điều chỉnh
nhiệt độ đầu tiên do Cornelis Drebbel (1572 - 1633) người Hà Lan sáng chế.
Hệ điều chỉnh mức đầu tiên là của Polzunov người Nga. Hệ điều chỉnh tốc độ
được ứng dụng trong công nghiệp đầu tiên là của Jame Watt.
Thời kỳ trước năm 1868 là thời kỳ chế tạo những hệ tự động theo trực
giác. Các cơng trình nghiên cứu lý thuyết bắt đầu từ Maxwell, đề cập đến ảnh
hưởng của thông số đối với chất lượng của hệ, I.A Vysnhe gradsku với cơng
trình tốn học về các bộ điều chỉnh. Chiến tranh thế giới thứ 2 đã đòi hỏi sự
phát triển về lý thuyết và ứng dụng để có những máy bay lái tự động, những
hệ điều khiển vị trí của các loại pháo, điều khiển tự động của các rađa…vv.
Những năm 1950, các phương pháp tốn học và phân tích đã phát triển và đưa
vào ứng dụng nhanh chóng. Ở Mỹ thịnh hành hướng nghiên cứu trong miền
tần số với các cơng trình ứng dụng của Bode, Nyquist và Black ở các trung
tâm thí nghiệm điện tín. Trong khi ấy, ở Liên Xơ (cũ) chú trọng lĩnh vực lý
thuyết điều khiển và ứng dụng trong miền thời gian.
Từ những năm 1980, máy tính số bắt đầu được sử dụng rộng rãi, cho
phép điều khiển với độ chính xác cao các đối tượng khác nhau. Với sự ra đời
của vệ tinh, thời đại vũ trụ bắt đầu thì các hệ điều khiển ngày càng phức tạp
hơn và đòi hỏi chất lượng ngày một cao. Các phương pháp của Liapunoi,
Minorsky cũng như lý thuyết điều khiển tối ưu hiện đại của L.S Pontryagin
(Liên Xô cũ) đã có ý nghĩa rất lớn. Các nguyên tắc điều khiển thích nghi, điều
khiển bền vững, điều khiển mờ, các “Hệ thông minh”…vv đã ra đời và được

13

áp dụng có hiệu quả vào thực tiện. Rõ ràng là trong việc phân tích và tổng
hợp các hệ điều khiển hiện nay, việc sử dụng đồng thời miền tần số và miền
thời gian là rất cần thiết.
Ở Việt Nam, từ những năm 1960, đảng và nhà nước ta đã quan tâm đến
việc đào tạo cán bộ và nghiên cứu khoa học trong lĩnh vực này. Hiện nay,
công nghệ tự động là một trong những hướng phát triển công nghệ mũi nhọn
của đất nước trong tế kỷ 21. Nghị quyết 27CP của chính phủ về “Chương
trình tự động hố quốc gia” đã khẳng định vai trò quan trọng của ngành cơng
nghệ này. Những cơng trình cơng nghiệp lớn và trọng điểm hiện nay đều
được tự động hoá - tự động điều khiển ở mức độ tương đối cao và chủ yếu là
do các chuyên gia nước ngoài đảm nhiệm.
1.2.2. Các khái niệm cơ bản về điều khiển
Điều khiển là một lĩnh vực quan trọng của đời sống xã hội, của nền
kinh tế quốc dân, của khoa học kỹ thuật, của nền đại cơng nghiệp…vv. Bất cứ
ở vị trí nào, bất cứ làm một cơng việc gì mỗi người trong chúng ta đều tiếp
cận với điều khiển. Nó là khâu quan trọng cuối cùng quyết định sự thành bại
trong mọi hoạt động của chúng ta.
Nền đại công nghiệp hiện nay càng ngày càng được nâng cao mức độ
tự động hoá với mục đích nâng cao năng suất lao động, giảm chi phí sản xuất,
giải phóng con người ra khỏi những vị trí làm việc độc hại cho sức khoẻ…vv.
Để tiếp cận với nền đại cơng nghiệp có trình độ tự động hố cao, mỗi chúng
ta ngồi những kiến thức cơ bản về chun mơn của mình, cần phải trang bị
một số kiến thức cơ bản về điều khiển tự động.
Trong khoa học tồn tại một ngành khoa học đã và đang phát triển mạnh
mẽ gọi là điều khiển học. Vậy câu hỏi đặt ra là: Điều khiển học là gì?
- Điều khiển học: là khoa học chuyên nghiên cứu về các q trình thu thập, xử
lý tín hiệu và điều khiển trong mọi lĩnh vực đời sống xã hội, khoa học công

14


nghệ, môi trường thiên nhiên…vv. Điều khiển học chia ra nhiều lĩnh vực khác
nhau gồm điều khiển học toán học, điều khiển học sinh học, điều khiển học
kỹ thuật, điều khiển học kinh tế…vv.
- Điều khiển học kỹ thuật: là khoa học nghiên cứu về quá trình thu thập, xử lý
tín hiệu và điều khiển các q trình và hệ thống thiết bị kỹ thuật. Cơ sở lý
thuyết của điều khiển học kỹ thuật là lý thuyết điều khiển tự động.
Khái niệm điều khiển được hiểu là tập hợp tất cả các tác động mang
tính tổ chức của một quá trình nào đó nhằm đạt được mục đích mong muốn
của q trình đó. Hệ thống điều khiển mà khơng có sự tham gia trực tiếp của
con người trong quá trình điều khiển được gọi là điều khiển tự động.
Một hệ thống điều khiển tự động chủ yếu gồm 3 phần: thiết bị điều
khiển (TBĐK), đối tượng điều khiển (ĐTĐK)và thiết bị đo lường (TBĐL).
Được mơ tả như hinh vẽ:
N

R

TBĐK

U

ĐTĐK

F

TBĐL
Hình1.4 Sơ đồ khối của hệ thống ĐKTĐ

Trong đó các tín hiệu:
C: Tín hiệu ra (tín hiệu cần điều khiển);
U: Tín hiệu điều khiển;
R: Tín hiệu vào (Tín hiệu chủ đạo);
N: Tín hiệu nhiễu tác động từ bên ngoài vào hệ thống;
F: Tín hiệu hồi tiếp (hay tín hiệu phản hồi);

15

C


Có thể nói hầu hết các hệ thống vật lý đều là hệ phi tuyến. Có nghĩa là
trong hệ thống có ít nhất một phần tử là phần tử phi tuyến (quan hệ vào và ra
là quan hệ phi tuyến). Tuy nhiên nếu phạm vi thay đổi của các biến hệ thống
khơng lớn, hệ thống có thể được tuyến tính hóa trong phạm vi biến thiên của
các biến tương đối nhỏ. Hơn nữa việc tính tốn thường rất phức tạp đối với hệ
phi tuyến (khơng có phương pháp tổng qt để có thể giải quyết một số lớn
các hệ phi tuyến. Cịn các hệ tuyến tính có sự phong phú về các kỹ thuật giải
tích và đồ họa giúp cho việc thiết kế dễ dàng. Đặc trưng cơ bản nhất của các
phần tử tuyến tính là chịu tác động của nguyên lý xếp chồng nghĩa là khi có
một tổ hợp tín hiệu tác động ở đầu vào của phần tử thì tín hiệu ra sẽ bằng tổ
hợp tương ứng của các tín hiệu ra thành phần, hệ thống phi tuyến không chịu
tác động của nguyên lý này).
Điều chỉnh là một khái niệm hẹp hơn của điều khiển.
- Điều chỉnh: là tập hợp tất cả các tác động nhằm giữ cho một tham số nào đó
của q trình ổn định hay thay đổi theo một quy luật nào đó. Tham số này
được gọi là tham số cần điều chỉnh.
Một hệ thống điều chỉnh tự động bao gồm hai thành phần cơ bản là

đối tượng điều chỉnh (ĐTĐC) và thiết bị điều chỉnh (TBĐC). ĐTĐC là thành
phần tồn tại khách quan có tín hiệu ra là đại lượng cần điều chỉnh và nhiệm vụ
cơ bản của điều chỉnh là phải tác động lên đầu vào của ĐTĐC sao cho đại
lượng cần điều chỉnh đạt được giá trị mong muốn. TBĐC là tập hợp tất cả các
phần tử của hệ thống nhằm mục đích tạo ra giá trị điều chỉnh tác động lên đối
tượng. Giá trị này được gọi là tác động điều chỉnh. Đại lượng cần điều chỉnh
còn được gọi là đại lượng ra của hệ thống điều chỉnh tự động. Những tác động
từ bên ngoài lên hệ thống được gọi là tác động nhiễu.
Phương pháp để TBĐC tạo ra tín hiệu điều chỉnh gọi là phương thức
điều chỉnh (điều khiển). Có ba phương pháp điều chỉnh là:
+ Phương thức điều chỉnh theo chương trình.

16


+ Phương thức bù nhiễu.
+ Phương thức điều chỉnh theo sai số.
1.2.3. Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển
Hệ điều khiển tự động là một ngành được sinh ra từ những ngành khoa
học kỹ thuật khác, trong đó có sự kết hợp giữa cơ khí, điện, điện tử, điều
khiển, khoa học máy tính,… Tiền thân trực tiếp sinh ra điều khiển tự động là
do tự động hoá (Automation) và cơ khí (Mechanics) kết hợp với nhau, trong
q trình phân công lao động đã nảy sinh ra nhiều các điều khiển tự động và
một nhánh rẽ khác là cơ điện tử (Mecharonics). Người kỹ sư điều khiển tự
động có khả năng làm những công việc liên quan đến nhiều lĩnh vực. Chủ yếu
nó được ứng dụng trong các nhà máy xí nghiệp hoặc được giảng dạy trong
các trường học. Đối tượng làm việc chủ yếu của người kỹ sư điều khiển tự
động là: các máy tự động nói chung, rôbot, tay máy, người máy, phần mềm
kỹ thuật, thiết bị đo lường điều khiển và tự động hoá…

Chương 2
SƠ LƯỢC VỀ LABVIEW
LabVIEW là một phần mềm được viết ra nhằm mục đích phát triển
những ứng dụng rộng lớn trong đo lường và điều khiển giống như ngơn ngữ
lập trình C hoặc Basic cũng như LabWindows, tuy nhiên LabVIEW khác so

17


với các ngơn ngữ trên là các trình ứng dụng của nó đặt trong các VI ( Virtual
Intrument) nằm trong thư viện của Labview, một số ứng dụng đặc biệt của
Labview là tạo các giao diện để người dùng quan sát một cách trực quan các
hiện tượng vật lý trên thực tế. Khác với những ngơn ngữ lập trình hệ thống
được viết trên nền văn bản để tạo ra các dịng lệnh hoặc mã lệnh. Trong khi
đó LabVIEW lại sử dụng một ngơn ngữ lập trình đồ hoạ G để tạo ra những
chương trình ứng dụng đặc biệt. LabVIEW có rất nhiều cơng dụng để tạo ra
một trình ứng dụng theo ý của người sử dụng nó, trong LabVIEW chứa đựng
nhiều khối đã tạo sẵn được đặt trong thư viện, đặc biệt nó cịn bao gồm các
thư viện của các hàm và các chương trình con cho một nhiệm vụ nào đó.
Labview cịn có những hướng dẫn và những ví dụ.
LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) là
một ngôn ngữ lập trình đồ hoạ mà sử dụng các biểu tượng thay vì các hàng
văn bản để tạo ra các ứng dụng. Trái với các ngơn ngữ lập trình văn bản cơ
sở, nơi mà hướng dẫn xác định mệnh lệnh thực hiện chương trình, LabVIEW
sử dụng lập trình lưu đồ, ở đó luồng dữ liệu xuyên qua các nút trên sơ đồ khối
xác định mệnh lệnh thực hiện của các VI và các hàm chức năng. Các VI, hay
các thiết bị ảo, là các chương trình LabVIEW mà bắt chước các dụng cụ vật
lý.
Trong LabVIEW, bạn xây dựng một giao diện người dùng bằng việc sử
dụng một tập hợp các dụng cụ và các đối tượng. Giao diện người dùng được

biết đến như là giao diện (mặt máy). Sau khi bạn thêm mã sử dụng trình bày
đồ hoạ của các hàm chức năng tới điều khiển các đối tượng giao diện. Mã
nguồn đồ hoạ này cũng được biết đến như mã G hoặc mã sơ đồ khối. Sơ đố
khối chứa đựng mã này. Trong một số cách, sơ đồ khối giống với lưu đồ.

18


2.1. Các thành phần của LabVIEW ứng dụng
LabVIEW bao gồm các thư viện của các hàm chức năng và các công cụ
phát triển được thiết kế đặc biệt dành cho thiết bị điều khiển. Các chương
trình LabVIEW được gọi là những dụng cụ ảo bởi vì sự xuất hiện và hoạt
động của chúng mô phỏng các dụng cụ thực tế. Tuy nhiên, chúng là tương tự
tới các hàm chức năng từ các chương trình ngơn ngữ truyền thống. Các VI có
cả 2 tương tác đó là: một tương tác giao diện người dùng và một mã nguồn
tương đương, và truy nhập các tham số từ các VI tầng cao.
LabVIEW gồm có 3 thành phần chính đó là: bảng giao diện ( The Front
Panel), sơ đồ khối (The Block Diagram) và biểu tượng và đầu nối (The
icon/connect)
2.1.1. Bảng giao diện (The Front Panel)
Front Panel là mặt mà người sử dụng hệ thống nhìn thấy. Các VI bao
gồm một giao diện người dùng có tính tương tác, mà được gọi là bảng giao
diện, vì nó mơ phỏng mặt trước của một dụng cụ vật lý. Bảng giao diện có thể
bao gồm các núm, các nút đẩy, các đồ thị và các dụng cụ chỉ thị và điều khiển
khác. Bạn nhập vào dữ liệu sử dụng bàn phím và chuột rồi sau đó quan sát các
kết quả trên màn hình máy tính.
Vào Start>>All Programs>> National Instruments LabVIEW một
cửa sổ LabVIEW xuất hiện. Bạn tiếp tục chọn Evaluate và cửa sổ Getting
Started sẽ xuất hiện ngay sau đó. Bạn chọn Blank VI để hiển thị bảng giao
diện hoặc bạn có thể chọn New và sau đó hộp thoại New xuất hiện và trong

hộp thoại đó mặc định con trở ở danh mục Blank VI. Để hiển thị bảng giao
diện bạn chỉ cần kích vào nút OK ở phía góc phải dưới. Cả hai cách trên đều
để mở bảng giao diện mới để bạn có thể xây dựng một VI mới hoàn toàn.
Ngoài ra bạn có thể mở một bảng giao diện có sẵn trong LabVIEW
bằng cách trong hộp thoại New, từ mục Create New, lựa chọn VI>>From

19


template>>Tutorial (Getting Started)>>Generate and Display. Và sau đó
kích nút OK để hiển thị bảng giao diện. Bảng giao diện sẽ xuất hiện như hình
2.1 sau đây:

Hình 2.1 Bảng giao diện mới

Ta cũng có thể mở bảng giao diện của một VI có sẵn trong thư viện
LabVIEW bằng cách trong hộp thoại bảng giao diện vào File>>Open sau đó
kích đúp vào các ví dụ có sẵn. Trong khi VI đang tải, một hộp thoại xuất hiện,
cái mà mô tả tên của VI hiện thời đang tải, tên của điều khiển cứng mà VI
được định vị trên đó, các thư mục và các đường dẫn đang được tìm kiếm, và
số lượng VI trong quá trình tải. Hộp thoại xuất hiện như hình 2.2 bên dưới:

Hình 2.2 Mơ tả tên của VI hiện thời đang tải

20