Đo lường và Điều khiển tự động doc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
KHOA ĐIỆN TỬ
Bộ môn: Đo lường và Điều khiển tự động
THUYẾT MINH ĐỀ TÀI
ĐỔI MỚI PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY
NĂM 2007
MÔN HỌC:
HỆ THỐNG THÔNG TIN CÔNG NGHIỆP
Chủ nhiệm đề tài: TS. Nguyễn Hữu Công
Cộng tác: Nguyễn Văn Chí
Nguyễn Hoài Nam
THÁI NGUYÊN 2007
Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử
CHƯƠNG 1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐO LƯỜNG
1.1 Định nghĩa và sự phát triển của hệ thống thông tin đo lường
1.1.1 Định nghĩa hệ thống thông tin đo lường
HTD là một hệ thống tự động đo và điều khiển việc gia công thông tin theo một
algorithm(thuật toán) định sẵn.
Cụ thể hơn hệ thống thông tin đo lường là một tập hợp các thiết bị có cùng một nhiệm
vụ, cùng một thuật toán chức năng để có thể thiết lập được ước lượng về đối tượng. Sau đó
biến đổi thông tin, gia công và chuyển về dạng con người có thể thu nhận được.
+ Các quá trình xảy ra trong hệ thống thông tin đo lường
• Quá trình đo lường
• Quá trình kiểm tra
• Quá trình nhận dạng
• Quá trình tính toán
• Quá trình chẩn đoán
-Quá trình đo lường: Sử dụng phương pháp thực nghiệm để nhận được ước lượng định
lượng của đối tượng thông qua việc so sánh với mẫu. Đây là quá trình quan trọng nhất của hệ
thống thông tin đo lường.
-Quá trình kiểm tra: so sánh giữa trạng thái của đại lượng cần kiểm tra so với mẫu cho

tín hiệu đánh giá.
-Quá trình nhận dạng: xác định xem có sự tương ứng hay không giữa đối tượng và mẫu
đã cho
-Quá trình chẩn đoán: là quá trình theo dõi sự làm việc bình thường của đối tượng và
tìm ra chỗ hỏng hóc. Hệ thống kiểm tra các hoạt động của thiết bị kỹ thuật gọi là hệ thống
chẩn đoán
+ Đặc tính chung của các quá trình
Tất cả các quá trình đều có một đặc tính chung là phải có sự thu nhận đại lượng bằng
các thiết bị kỹ thuật biến đổi qua các đại lượng trung gian rồi so sánh với mẫu. Ghi lại tất cả
các trạng thái hay tính chất của đối tượng và đưa ra kết quả bằng số.
Hệ thống kỹ thuật ngày càng phức tạp cho nên có nhiều điểm thu thập số liệu từ nhiều
đối tượng khác nhau, vì vậy xuất hiện các hệ thống đo, đó là tổ hợp đo của nhiều đại lượng,
hiện nay số điểm thu thập có thể lên đến hàng ngìn điểm.
Ví dụ: Động cơ, máy phát, lò luyện kim, quá trình sản xuất xi măng và nhiêu đại lượng
khác nhau, đại lượng điện như dòng, áp, công suất, cosϕ, đại lượng nhiệt, nồng độ…
Để điều khiển quá trình sản xuất xi măng
Ta phải lấy mẫu clanhke và đưa qua máy phân tích phổ. Tín hiệu đầu ra của máy phân
tích phổ được đưa vào máy tính. Máy tính sẽ tính toán theo một phần mềm định sẵn, sau đó
ra lệnh để phối liệu sao cho đạt chất lượng xi măng như mong muốn.
Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 2
Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử
+ Sơ đồ cấu trúc của một hệ thống thông tin đo lường.
Hình 1.1 - Sơ đồ cấu trúc của HTD
-Thiết bị thu nhận thông tin chủ yếu là các cảm biến, biến tín hiệu cần đo của đối tượng
sang tín hiệu điện. Sau đó sẽ có quá trình đo thực hiện phép so sánh với mẫu, quá trình lượng
tử hoá và mã hoá.v.v
-Thiết bị gia công (biến đổi, tính toán) thông tin thực hiện các phép tính theo một
algorithm nhất định(thường phải sử dụng µP và µC).
-Thiết bị lưu trữ ghi vào bộ nhớ hoặc in ra để lưu trữ.
-Thiết bị thể hiện thông tin có thể là thiết bị đo hoặc tự ghi, hoặc là màn hình của máy

tính.
+Nhiệm vụ của hệ thống thông tin đo lường.
Thực hiện việc đo hay kiểm tra chẩn đoán, nhận dạng hay tính toán từ nhiều tín hiệu
khác nhau trong thời gian ngắn nhất.
Biến đổi tín hiệu thành các tín hiệu chuẩn hoá để truyền đi xa mà không bị mất mát.
Hệ thống thông tin đo lường làm nhiệm vụ tự động hoá cao độ, quá trình đo, kiểm tra
nhận dạng, từ đó cho ra thông tin để điều khiển kịp thời đối tượng. Nhờ đó mà nâng cao được
chất lượng sản phẩm.
1.1.2 Sự phát triển của hệ thống thông tin đo lường.
-Vào những năm 1960: Chủ yếu là hệ tập trung, chưa có sự tham gia của máy tính.
Thường dùng mạch biến áp hoặc senxin. Tín hiệu đưa về là tín hiệu tương tự.
-Từ những năm 1970 ÷ 1982: Vẫn là các hệ tập trung, song đã có sự tham gia xử lý tín
hiệu bằng máy tính. Lúc này đã xuất hiện các tổ hợp đo lường tính toán.
-Từ năm 1982 ÷ đến nay: Là các hệ thống phân tán, các máy tính đều được đưa tới các
phân xưởng. Mỗi máy tính chịu trách nhiệm 1 cụm nào đó. Máy tính sẽ đo và xử lý sơ bộ sau
đó gửi thông tin lên máy tính trung tâm thông qua các mạng máy tính.
1.2 Phân loại hệ thống thông tin đo lường
1.2.1 Phân loại dựa trên tín hiệu vào
Khác với dụng cụ đo một hệ thống thông tin đo lường có thể có một số lượng lớn các đầu vào đại
lượng vật lý giống nhau hoặc khác nhau. Chúng có những đặc trưng rất khác nhau. Do vậy thường căn
cứ vào tín hiệu vào để xác định nguyên lý làm việc của hệ thống. Việc phân loại hệ thống thông tin đo
lường theo tín hiệu vào có thể dựa trên các tiêu chí sau:
 Theo số lượng tín hiệu vào
+ Hệ thống có từ 2 tín hiệu vào trở nên gọi là hệ nhiều kênh (đa kênh)
Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 3
Đối
tượng
Thiết bị
thu
nhận

thông
tin
Thiết bị
gia
công
thông
tin
Thiết bị
lưu giữ
thông
tin
Thiết bị
thể hiện
thông
tin
Người quan sát
Thiết bị điều khiển
Tín hiệu vào
Tín hiệu ra
Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử
 Theo tính chất của tín hiệu.
+ Hệ thống có các tín hiệu vào độc lập hay phụ thuộc.
Ví dụ t
0
và U là hai tín hiệu độc lập, còn t
0
và độ ẩm là hai tín hiệu phụ thuộc.
 Theo sự thay đổi của tín hiệu
+Hệ thống có các tín hiệu vào tiền định (biết trước quy luật) hay ngẫu nhiên (không biết
trước quy luật)

 Theo sự biến đổi của tín hiệu
+Hệ thống có tín hiệu vào rời rạc hay liên tục.
 Theo bản chất của tín hiệu
+Hệ thống có tín hiệu vào là chủ động, tức là bản thân nó có năng lượng như I, U, t
0
,
ánh sáng v.v. hoặc có tín hiệu vào là bị động, tức là bản thân nó không mang năng lượng như
R, L, C, sức bền vật liệu.
 Theo quan hệ của tín hiệu và nhiễu
+ Hệ thống có các tín hiệu có nhiễu độc lập (có thể tách khỏi tín hiệu) hoặc nhiễu phụ
thuộc (không thể tách khỏi tín hiệu).
Ví dụ như tín hiệu máy điện tim: U
tín hiệu
= 0.7mV, U
nhiễu
=20mV
1.2.2 Phân loại dựa trên tín hiệu ra
1. Hệ thống đo lường
Là HTĐ có nhiệm vụ đo các đại lượng vật lý cho thông tin ra bằng số, kết quả được đưa
ra trực tiếp. Hệ thống đo lường bao gồm hai loại:
 Hệ thống thông tin đo lường gần
 Hệ thống thông tin đo lường xa(truyền số liệu)
2. Hệ thống kiểm tra tự động
Là hệ thống có nhiệm vụ so sánh giá trị đo được với một giá trị chuẩn để nhằm nhiệm
vụ kiểm tra. Để thực hiện việc kiểm tra hay điều khiển ta phải ấn định giá trị chuẩn
Sp(setpoint) điểm đặt. Sau đó so sánh với giá trị cần kiểm tra. Những hệ thống như vậy gọi là
hệ thống kiểm tra tự động. Tín hiệu ra thường có 3 mức: chuẩn, trên chuẩn, dưới chuẩn.
-Với hệ thống kiểm tra: tín hiệu ra mang tính chất lượng để trả lời cho câu hỏi thấp hơn
hay cao hơn chuẩn. Trong công nghiệp hệ thống đo lường và hệ thống kiểm tra thường đi đôi với
nhau.

3. Hệ thống chẩn đoán kỹ thuật
Trên cơ sở kết quả đo hệ thống đưa ra đánh giá về trạng thái làm việc của đối tượng, đặc
tính hư hỏng và phương pháp sửa chữa. Hệ thống này phải có sự tham gia của thiết bị tính
toán và các phần tử logic.
4. Hệ thống nhận dạng
Nhận biết các thông tin xem có giống với mẫu hay không, thông thường hệ thống này
cũng phải kết hợp với thiết bị tính toán. Ví dụ như hệ thống phân loại sản phẩm.
Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 4
Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử
1.2.3 Phân loại dựa trên sơ đồ cấu trúc
1- Hệ thống có các kênh song song
Hình 1.2 Hệ thống có các kênh song song
-Đặc điểm: các kênh liên lạc làm việc độc lập với nhau
-Ưu điểm: Độ làm việc tin cậy, nếu hỏng một kênh thì các kênh khác vẫn làm việc bình thường.
-Nhược điểm: Số lượng dây quá lớn (nếu số lượng điểm đo lớn) nên chỉ áp dụng cho
các nhà máy nhỏ (khoảng cách ≤ 2km)
2- Hệ thống có các kênh nối tiếp
Hình 1.3 Hệ thống có các kênh nối tiếp
Mux: Multiplexor – bộ dồn kênh
Cấu tạo Mux như sau:
• Đầu vào địa chỉ (A): Address
• Đầu vào dữ liệu (D): Data
• Đầu vào cho phép (C): Clock
• Xung đồng bộ
• Đầu ra: Q (
Q
) (
Q
là đầu ra đảo của Q), Q sẽ được đóng vào các tín hiệu
đầu vào theo 2 phương án:

-
Theo một chương trình quét cho trước: D
0
, D
1
,…,D
n-1
Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 5
S1
S2
Sn
Phần đo lường 1
Phần đo lường 2
Phần đo lường n
.
.
.
.
.
.
Thiết bị thể
hiện thông tin
Người
Thiết bị điều khiển
S1
S2
Sn
.
.
.

Mux
Thiết bị đo
lường
Thiết bị thể
hiện thông
tin
Người
Thiết bị điều khiển
Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử
-
Đầu ra Q được đóng vào chân dữ liệu đầu vào D
i
nào đó nếu như tương ứng với
địa chỉ của nó.
Một Mux có n chân địa chỉ thì bao giờ cũng có 2
n
chân dữ liệu.
Ví dụ: một mux có 4 chân dữ liệu
Bảng trạng thái
Chân địa chỉ Chân Clock Đầu ra
A
0
A
1
C Q
X X 0 0
0 0 1 D
0
1 0 1 D
1

0 1 1 D
2
1 1 1 D
3
Hàm logic: Q = C[D
0
0
A
1
A
+ D
1
A
0
1
A
+ D
2
0
A
A
1
+ D
3
A
0
A
1
]
Các kênh được biến từ song song thành nối tiếp (nhờ Mux) để đưa vào một kênh duy nhất.

-Ưu điểm: Tốn ít đường dây, sử dụng khi đo ở khoảng cách xa, rẻ tiền, đơn giản
-Nhược điểm: Độ tin cậy thấp vì nếu hỏng hóc ở phần kênh chung thì coi như tê liệt hệ
thống
3 - Hệ thống song song nối tiếp
Hình 1.4 Hệ thống có cách kênh song song nối tiếp
Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 6
Mux
D
0
D
1
D
2
D
3
A
2
A
1
C
Q
Q
S1
S2
Sn
Mux1
Phần đo lường
S1
S2
Sn

Muxm
Phần đo lường
.
.
.
Mux∑
Thiết bị
thể hiện
thông tin
Người
Thiết bị điều khiển
Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử
Hệ thống này có ưu điểm là tăng độ tin cậy, tăng được số kênh đầu vào, song có nhược điểm
là cồng kềnh, đắt tiền nên thường dùng cho các hệ thống lớn và phải truyền đi xa.
4- Hệ thống kiểm tra tự động
Hình 1.5 Hệ thống kiểm tra tự động
Có một mẫu chung dùng cho tất cả các bộ so sánh, thiết bị thể hiện sẽ thông báo trạng
thái của tín hiệu so với mẫu (lớn hơn, bằng, hay nhỏ hơn).
1.3 Tổ chức làm việc của hệ thống thông tin đo lường
Quá trình làm việc của HTĐ được điều khiển bằng bộ điều khiển, bộ điều khiển này
điều khiển hệ thống thông qua một thuật toán nào đó như: điều khiển tác động lẫn nhau giữa
các khâu trong hệ thống; thứ tự thực hiện công việc; các thao tác chọn tần số lấy mẫu tín hiệu;
chọn số kênh, xác định giới hạn đo của từng tín hiệu ở từng kênh, tính toán sai số của việc đo;
gia công kết quả đo.
Bộ điều khiển HTĐ ngày nay là các bộ vi xử lý và máy tính
Tất cả các thiết bị trong hệ thống nói chung là các thiết bị có tín hiệu vào ra khác nhau,
do vậy để có thể trao đổi thông tin giữa các thiết bị với nhau hoặc với bộ điều khiển thì đòi
hỏi phải có một giao diện chung (interface). Giao diện ở đây bao gồm giao diện phần cứng
(các card ghép nối giữa thiết bị và máy tính, các bộ chuyển đổi tín hiệu. . .) và phần mềm
(ngôn ngữ lệnh trong vi xử lý, các driver hay các trình điều khiển thiết bị ).

Ví dụ: Một hệ thống sử dụng µP như sau
Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 7
S1
S2
Sn
So sánh 1
So sánh 2
So sánh n
Mẫu
Thiết bị
thể hiện
thông tin
Người
Thiết bị điều
khiển
Phần đo lường
S1
S2
Sn
TR1
TR2
TRn
Mux
ADC
µP
Program Memory
Date Memory
RS 232
Interface
RS 232

Interface
RS 232
Interface
Printer
Display
Keyboard
Control
ROM
RAM
Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử
Hình 1.6 - HTĐ sử dụng vi xử lý
Hình 1.7 – Trao đổi giữa vi xử lý và giao diện
-Tín hiệu S được đưa qua các TR(TR
1
, TR
2
,…,TR
n
) đến bộ chọn kênh(Mux). Sau đó tín
hiệu được đưa tới bộ nhớ chương trình, nhớ dữ liệu. µP sẽ điều khiển mọi hoạt động qua
Interface (RS232) để in ra nếu cần thiết, hoặc điều khiển các khâu khác nhau.
1.4 Phân cấp trong hệ thống đo lường - điều khiển và thông tin công nghiệp hiện nay
1.4.1 Phân cấp hệ thống
Hệ thống sản xuất ngày nay càng được mở rộng và có phạm vi địa lý phân tán cho nên
hệ thông thông tin đo lường và điều khiển cũng vì thế mà phát triển và được phân cấp hệ
thống cơ bản theo 5 lớp – hình chóp như sau:
Hình 1.8 Phân cấp hệ thống
 Cấp chấp hành: Bao gồm các cảm biến, cơ cấu chấp hành chúng có chức năng nhận tín
hiệu đo thông qua cảm biến, thực hiện việc điều khiển theo lệnh cấp trên. Đây là thiết
bị hiện trường(FI - Field Instruments) .

 Cấp điều khiển: Bao gồm các máy tính điều khiển (CPU – Control Processing Unit); Các
modul I/O (input / Output). Chức năng là bộ điều khiển cơ sở, điều khiển logic, tổng hợp dữ
liệu, bảo vệ thiết bị và giám sát hiện trường FCS (Field Control Station).
 Cấp điều khiển giám sát: là cấp điều khiển quá trình bao gồm các trạm thiết kế kỹ thuật và
trạm vận hành.
Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 8
RS 232
Interface
Printer
µP
Control
Date
Address
Cấp chấp hành
Cấp điều khiển
Cấp điều khiển giám sát
Cấp điều hành sản xuất
Cấp
quản lý
công ty
Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử
• Trạm thiết kế kỹ thuật – EWS (Engineering Work Station)
Bao gồm: Thiết kế các thông số hệ thống như chọn số kênh, chọn tần số quét của tín hiệu, tần
số cắt mẫu, dải tần của kênh liên lạc, lựa chọn tối ưu các thông số của tín hiệu sao cho sai số
của phép đo là nhỏ nhất. Định nghĩa mọi thiết bị, kết nối và phân luồng quản lý của từng
CPU cụ thể.
• Trạm vận hành OS (Operating Station)
Có chức năng vận hành hệ thống bao gồm điều khiển giám sát (supervery control), tối ưu hóa
quá trình về chất lượng cũng như năng lượng tiêu thụ, xử lý sự cố, chẩn đoán kỹ thuật, bảo
toàn hệ thống.

 Cấp điều hành sản xuất: Theo dõi đánh giá kết quả sản xuất, lập kế hoạch sản xuất dựa
vào tình trạng thiết bị, đầu vào, đầu ra của sản phẩm, tính toán, tổ chức sản xuất theo
hướng tối ưu hóa
 Cấp quản lý công ty: Tính toán kinh tế, thống kê số liệu về sản xuất kinh doanh, xử lý đơn
đặt hàng, giao dịch thương mại (thương mại điện tử, quản lý kho tàng). Hoạch định tài
nguyên của công ty: tài chính, nhân lực sản xuất, khả năng mở rộng và phát triển sản xuất.
1.4.2 Ví dụ một hệ thống đo lường - điều khiển phân tán trong công nghiệp.
Hình 1.9 Ví dụ về hệ thống đo lường - điều khiển phân tán trong công nghiệp
1.4.3 Chức năng mở của hệ thống
Năm 1978 Hội tiêu chuẩn quốc tế ISO (International Standard Organization) đưa ra một
mô hình hệ thống mở: OSI (Open System Information) nghĩa là phải có phương thức truyền
thông mở theo một tiêu chuẩn bao gồm 7 lớp để có thể thay thế thiết bị lẫn nhau của nhiều
hãng sản xuất.
Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 9
I/O
Layer
Control
Layer
Operation
Layer
Management
Layer
Control Network
Tocken Passing
Profibus
Management Network
(Ethernet)
Data Historial
Operation
Station

Information
Management
System
Field Control
Field I/O
Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử
Application
Presentation
Session
Transport
Network
Data link
Physical
Hình 1.10 Giao thức truyền thông mở bảy lớp trong công nghiệp
 Application Layer: có chức năng truyền file, trao đổi bản tin, báo cáo
 Presentation Layer: chuyển đổi cú pháp các dữ liệu được truyền đi trên OSI
 Session Layer: tổ chức và đồng bộ dữ liệu trao đổi như cung cấp, quản lý thông tin giữa
các ứng dụng, thiết lập duy trì đồng bộ hóa, hủy bỏ phiên truyền thông giữa các ứng dụng
trong hệ thống.
 Transport Layer: thực hiện truyền giữa hai đầu sử dụng, phát hiện và sửa đổi, ghép và tách
kênh
 Network Layer: tối ưu hóa việc truyền một bản tin từ mạng này sang mạng khác, chuyển
mạch luồng thông tin, kiểm soát luồng dữ liệu,cắt bỏ khối nếu cần
 Data link Layer: cung cấp phương tiện truyền thông qua liên kết vật lý, đảm bảo tin cậy,
phát hiện, sửa lỗi, khóa dữ liệu.
 Physical Layer: đảm bảo về cơ điện cho hệ thống.
Truy nhập thông tin được thực hiện qua các giao thức gọi là protocol.
Ví dụ: việc truy cập thông tin trên internet qua đường điện thoại phải thông qua giao
thức TCP/IP (Transfer Control Protocol / Internet Protocol)
Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 10

x
x(t)
t
0
Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử
CHƯƠNG 2
CÁC ĐẶC TÍNH THÔNG TIN CỦA TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG
1.5 Tín hiệu đo lường trong công nghiệp
1.5.1 Định nghĩa
Tín hiệu đo là loại tín hiệu mang đặc tính thông tin, chứa đựng thông tin về giá trị cần
đo. Tín hiệu đo làm nối liền các khâu trong hệ thống đo lường - điều khiển của cả quá trình
sản xuất, tín hiệu đo có thể thay đổi theo thời gian hoặc các thông số khác.
Một tín hiệu đo phụ thuộc vào nhiều thông số khác nhau nhưng người ta cố định các
thông số khác và chỉ để phụ thuộc duy nhất vào một thông số.
Ví dụ: x(t, a, b, c, ) ⇒ x(t)
Như vậy tín hiệu đo trên phụ thuộc thời gian, các thông số khác nằm trong phạm vi cho
phép.
1.5.2 Phân loại tín hiệu đo
Có thể phân loại tín hiệu đo dựa theo các tiêu chí sau:
 Dựa vào sự xuất hiện của tín hiệu
a. Tín hiệu tiền định và gần tiền định
+ Tín hiệu tiền định là tín hiệu đã biết trước các thông số cũng như quy luật thay đổi. Ví
dụ như tín hiệu: U = 10V, I = 5A.
+ Tín hiệu gần tiền định là các tín hiệu biết trước quy luật cần xác định thông số. Ví dụ
như tín hiệu xoay chiều hình sin: x = x
max
sin(ωt + ϕ). Trong đo các lượng x
max
, ω, ϕ
đều có thể là chưa biết và cần phải đo. Xung đơn vị lý tưởng, xung đơn vị có chu kỳ.

b. Tín hiệu ngẫu nhiên
Là các tín hiệu không biết trước quy luật biến thiên cũng như các thông số, trong thực tế
phần lớn là các tín hiệu dạng này. Sự thay đổi ngẫu nhiên của tín hiệu thường phụ thuộc vào
các điều kiện bên ngoài như nhiệt độ, áp xuất, độ ẩm v.v
Ví dụ: Nhiệt độ của một lò nung là tín hiệu ngẫu nhiên, nó phụ thuộc vào nhiệt độ môi
trường cũng như các điều kiện xung quanh.

 Dựa vào hình thức biến đổi tín hiệu
a. Tín hiệu liên tục (a)
Là tín hiệu liên tục theo thời gian liên tục. Đồ thị của tín
hiệu là hàm liên tục của đối số liên tục.
b. Tín hiệu liên tục lượng tử (b)
Là tín hiệu liên tục theo thời gian và lượng tử theo mức.
Đồ thị của tín hiệu là hàm gián đoạn của đối số liên tục.
∆x là mức lượng tử
Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 11
a)
x
x(t)
t
0
∆x
k
b)
c)
Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử
c. Tín hiệu rời rạc (c)
Là hàm liên tục của đối số rời rạc.
∆t là chu kỳ rời rạc
d. Tín hiệu rời rạc lượng tử (d)

Là hàm lượng tử theo mức của đối số rời rạc.
Hình 2.1- Các dạng tín hiệu (a, b, c, d)
1.5.3 Khái niệm quá trình ngẫu nhiên.
-Một tín hiệu đo ngẫu nhiên được gọi là một thể hiện
-Khi đo nhiều lần tín hiệu ngẫu nhiên X ta được nhiều đường cong khác nhau bao gồm
nhiều thể hiện x
i
(t) và được gọi là quá trình ngẫu nhiên X(t) (là tập hợp của nhiều thể hiện).
Ví dụ khi đo 1 quá trình nhiệt độ theo thời gian thì nhiệt độ sẽ dao động xung quanh 1 giá
trị trung bình Tc
1.5.4 Các đặc tính của tín hiệu đo ngẫu nhiên
1. Các đặc tính của tín hiệu ngẫu nhiên
 Đặc tính phân bố
• Luật phân bố
Hình 2.2. Mô tả tín hiệu ngẫu nhiên
Giả sử cho tín hiệu ngẫu nhiên X(t) với n thể hiện x
i
(t). Tại thời điểm t =t
1
các giá trị
x
i
(t
1
) (i = 1, 2, n) là đại lượng ngẫu nhiên đặc trưng bởi luật phân bố P
t1
(X). Đây là luật
phân bố cấp một vì nó phụ thuộc vào các thời điểm của đối số t
Luật phân bố mô tả quan hệ giữa xác suất suất hiện giá trị x là P(x) của tín hiệu ngẫu
nhiên X(T) và giá trị x tại thời điểm nào đó.

Có hai loại thường gặp là phân bố đều và phân bố chuẩn.
Hình 2.4 Một số luật phân bố của tín hiệu ngẫu nhiên
Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 12
∆x
x
x(t
i
)
t
0
∆t
x
X
i
(t
i
)
t
0
∆t
d)
c)
P
t1
(X)
x
Phân bố đều
x
0
x

1
1

Phân bố chuẩn
P
t1
(X)
x
x
0
1
( )
2
0
xx
1t
e)X(P
−−
=
t
X(t)
Một thể hiện
Nhiều thể hiện
x
i
(t)
Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử
• Hàm mật độ xác suất bậc 1 - hình 2.5 a
Được đánh giá bằng xác suất suất hiện giá trị x nằm trong khoảng x
1

và x
1
+ dx
1
của đại
lượng ngẫu nhiên X(t) tại thời điểm t
1
và ký hiệu là w
1
(x
1
,t
1
)
P{x
1
≤ X(t
1
) ≤ x
1
+ dx
1
} = w
1
(x
1
,t
1
)dx
1

• Hàm phân bố xác suất bậc 1- hình 2.5b
Hàm phân bố xác suất bậc 1 của tín
hiệu ngẫu nhiên X(t) được định nghĩa là xác
suất của các giá trị tức thời của X(t) ở thời
điểm t = t
1
không vượt quá x
1
và được ký
hiệu là F
1
(x
1
, t
1
)
F
1
(x
1
, t
1
) = P{X(t
1
) ≤ x
1
}
• Quan hệ giữa hàm phân bố xác suất và
hàm mật độ xác suất
Theo lý thuyết về xác suất ta có:

( )
( )
( )







=
=
∂
∂
∫
∞+
∞−
)t,x(Fdxt,xw
t,xw
x
t,xF
111
11
11
• Nhận xét
Như vậy để xác tín hiệu ngẫu nhiên X(t)
tại n thời điểm khác nhau ta phải xác định
được hàm phân bố xác suất và mật độ xác suất
bậc n
w

n
(x
1
, t
1
; x
2
, t
2
; ;x
n
, t
n
)
F
n
(x
1
, t
1
; x
2
, t
2
; ;x
n
, t
n
)
Nếu như n lớn thì việc xác định hai hàm trên rất khó khăn và do đó người ta dùng các

đặc tính số như sau .
 Đặc tính số
Trong thực tế người ta ít sử dụng đặc tính phân bố mà thường sử dụng các đặc tính số,
đó là:
+ Kỳ vọng toán học
[ ]
∫
+∞
∞−
== dt)t,x(xw)t(XM)t(m
x 1
Trong đó: w
1
(x,t) là hàm mật độ phân bố xác suất bậc 1 của tín hiệu ngẫu nhiên X(t)
Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 13
t
x
1
x
1
+ dx
1
X(t)
t = t
1
X(t)
x
1
t = t
1

t
x
1
F
1
(x, t
1
)
Hình 9.5 a, b, c
a)
b)
c)
Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử
-Khi tín hiệu ngẫu nhiên là phân bố đều hoặc phân bố chuẩn thì:
∫
=≈
T
xx
mdt)t(x
T
)t(m
0
1
-Khi tín hiệu ngẫu nhiên ở dạng rời rạc thì:
∑
=
=
m
k
ikix

)t(x
m
)t(m
1
1
+Phương sai
{ }
[ ]
[ ]
dx)t,x(w)t(mx)t(m)t(XM)t(D
xxx 1
22
−=−=
∫
+∞
∞−
-Khi tín hiệu ngẫu nhiên ở rạng rời rạc thì:
[ ]
∑
=
−=
m
k
ixikix
)t(m)t(x
m
)t(D
1
2
1

+Sai số bình quân phương
)t(D)t(
xx
=σ
 Hàm tương quan
Kỳ vọng toán học và phương sai của tín hiệu ngẫu nhiên xác định một hành lang trong
đó xếp đặt các thể hiện của THNN, tuy nhiên không làm rõ mức độ thay đổi của THNN bên
trong hành lang đó.
Ví dụ ta có 2 THNN X1(t) và X2(t) có cùng m
x
(t) và D
x
(t) nhưng đặc tính thay đổi của
các thể hiện hoàn toàn khác nhau:
Nếu như trong các algorthm biến đổi tín hiệu X
1
(t) và X
2
(t) có chứa các phép vi tích
phân thì kết quả của các phép biến đổi ấy là khác nhau cho dù hai tín hiệu này có cùng
phương sai và kỳ vọng toán học. Như thế để đặc trưng tốt hơn cho THNN cần thiết phải biết
đến mức độ thay đổi của THNN ấy tại những thời điểm khác nhau của đối số t.
Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 14
X
1
(t)
t t
X
2
(t)

D
x1
(t) D
x2
(t)
M
x
(t)
t
1
t
2
t
3
t
1
t
2
t
3

Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử
Mức độ thay đổi của THNN theo đối số t được xác định bởi hàm tương quan của THNN
theo công thức sau:

( )
[ ]
( )
[ ]
{ }

[ ] [ ]
( )
∫ ∫
∞+
∞−
∞+
∞−
−−=
−−=
21221122211
221121
dxdxt,x;t,xw)t(mx)t(mx
)t(mtX)t(mtXM)t,t(R
xx
xxx
Với W
1
(x
1
, t
1
;x
2
, t
2
) là hàm mật độ xác suất bậc 2 của tín hiệu ngẫu nhiên X
1
(t) và X
2
(t).

Trong thực tế việc xác định W
2
là rất khó khăn.
-Khi tín hiệu ngẫu nhiên rời rạc:
[ ] [ ]
∑
=
τ∆+−τ∆+−=τ∆
n
k
ixikixikx
)t(m)kt(x)t(m)t(x
n
)k(R
1

1
2. Tính dừng và tính egodic của tín hiệu đo ngẫu nhiên.
 Tính dừng
Một tín hiệu ngẫu nhiên được gọi là có tính dừng nếu thoả mãn 3 yếu tố:
• Kỳ vọng toán học bằng hằng số: m
x
= const
• Phương sai là hằng số: D
x
= const
• Hàm tương quan chỉ phụ thuộc vào hai thời điểm:
R
x
(τ) phụ thuộc vào t

1
, t
2
: τ = t
2
- t
1
 Tính Egodic
Một tín hiệu có tính egodic nếu: khi lấy trung bình theo khoảng thời gian T của một thể hiện
cũng bằng lấy trung bình theo tập m giá trị của các thể hiện tại một thời điểm
m
x
=
∫
∑
=
=
T
m
i
ii
)t(x
N
)t(d)t(x
T
0
1
1
11
Thường tất cả các tín hiệu ngẫu nhiên dừng đều có tính egodic. Như vậy một tín hiệu

ngẫu nhiên dừng và egidic thì:
}
{
∫
=−=
T
xx
dt)t(m)t(x
T
)t(D
0
2
const
1
[ ] [ ]
)const;ttm)t(xm)t(x
T
)(R)t,t(R
T
xxxx
=−=τ−τ+−=τ=
∫
x21
0
21
m ( dt
1
3. Mật độ phổ tín hiệu
Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 15
Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử

Hàm mật độ phổ S
x
(f) của tín hiệu x(t) là một hàm số biểu diễn sự phân bố năng lượng
của tín hiệu x(t) trên trục tần số.
• Khi tín hiệu x(t) là tiền định









=
=
∫
∫
∞+
∞−
π
∞+
∞−
π−
dfe)f(X)t(x
dte)t(x)f(S
ft2j
ft2j
x
• Khi tín hiệu X(t) là ngẫu nhiên

Ta có thể tính hàm mật độ phổ thông qua hàm tương quan của X(t) bằng cách áp dụng
công thức Viner-Khinshin sau:
( )
( )









ω
π
=τ
ττ=
τπ
∞+
∞−
τπ−
∞+
∞−
∫
∫
de)f(S
2
1
R
de)(RfS

f2j
xx
f2j
xx
Ví dụ: Mật độ phổ của một tín hiệu hiệu như hình vẽ:
• Một số tính chất của hàm mật độ phổ của tín hiệu ngẫu nhiên dừng
+ Là một hàm thực chẵn dương của ω
Chứng minh:
( )
τωττ−τωττ=ττ=ω
∫∫∫
+∞
∞−
+∞
∞−
ωτ−
+∞
∞−
dsin)(Rjdcos)(Rde)(RS
xx
j
xx
Vì R(ι) của tín hiệu ngẫu nhiên dừng là một hàm chẵn cho nên nhân với sinωτ là một hàm lẻ
theo τ cho nên:
Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 16
S(ω)
ω
30KHz 50KHz
Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử
0dsin)(R

x
=τωττ
∫
+∞
∞−
Như vậy:
( )
τωττ=ω
∫
+∞
∞−
dcos)(RS
xx
là một hàm thực, chẵn theo ω ( S
x
(-ω) = S
x
(ω) )
Ta có thể viết lại như sau:
( )
τωττ=ω
∫
+∞
dcos)(R2S
0
xx
Mặt khác:
( )
τωττ
π

=τ
∫
+∞
∞−
dcos)(G
1
R
xx
Với S
x
(ω) = 2 G
x
(ω), khi ω ≥ 0 thì
( )
τωττ=ω
∫
+∞
dcos)(RG
0
xx
+ Lấy tích phân hàm mật độ phổ thì được phương sai của tín hiệu ngẫu nhiên dừng X(t)
Chứng minh:
Vì D
x
=
)0(R
x
2
x
=σ

Nếu cho τ = 0 thì ta có:
∫∫
∞+∞
∞−
ωω
π
=ωω
π
==
0
xxxx
d)(S
1
d)(S
2
1
)0(RD
+ Nếu thay đổi tỷ lệ của đối số τ trong hàm tương quan thì sẽ dẫn đến sự thay đổi tỷ lệ ngược
của ω cũng như chính mật độ phổ.
Chứng minh:
Giả thiết tín hiệu ngẫu nhiên X(t) có hàm tương quan R
x
(τ) và hàm mật độ phổ S
x
(ω). Khi
có sự thay đổi tỷ lệ của đối số τ của hàm tương quan, tức là τ
1
= nτ khi đó:
( )







ω
=ττ






ω
τ=τωττ=ω
∫∫
+∞+∞
n
S
n
1
d
n
1
n
cos)(Rdcos)n(RS
x11
0
1x
0

xx
Như vậy hàm tương quan R
x
(nτ) tương ứng sẽ có hàm mật độ phổ






ω
n
S
n
1
x
+ Hàm mật độ chuẩn được xác định như sau:
( )
0R
)(S
D
)(S
d)(S
2
1
)(S
)(g
x
x
x

x
x
x
x
ω
=
ω
=
ωω
π
ω
=ω
∫
∞+
∞−
1.6 Rời rạc hoá tín hiệu liên tục
Trong quá trình truyền, xử lý thông tin trong HTĐ thì luôn phải có quá trình biến đổi
tín hiệu từ dạng này sang dạng khác, trong đó có quá trình rời rạc hóa tín hiệu.
1.6.1 Định nghĩa
Rời rạc hoá tín hiệu liên tục là quá trình biến đổi một hàm liên tục theo thời gian x(t)
thành hàm rời rạc theo thời gian x
i
, là tổ hợp các tung độ mà theo đó ta có thể nhận được ước
lượng của tín hiệu liên tục x
*
(t). Trong trường hợp chung sự thể hiện rời rạc một tín hiệu x(t)
trong khoảng thời gian T bằng một tập hợp các giá trị x
0
, x
1

, … x
n
và sự phục hồi lại để nhận
biết được x
*
(t) có thể viết dưới dạng:
Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 17
Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử



=
=
)t(x)x, ,x,x,x(B
)x, ,x,x,x()t(Ax
*
N210
N210
Trong đó A là toán tử thể hiện, B là toán tử phục hồi. Toán tử A và B có thể là tuyến
tính hoặc phi tuyến. Một toán tử thể hiện có thể sử dụng nhiều toán tử phục hồi khác nhau và
ngược lại.
Sai số của quá trình rời rạc hóa:
ε
x
(t) = x(t) – x
*
(t)
Vậy bài toán rời rạc hoá tín hiệu đo đưa đến việc lựa chọn cặp A, B sao cho đảm bảo sai
số cho trước ε
0

: ε
x
(t) ≤ ε
0
Tóan tử A, B có thể là toán tử tuyến tính hoặc cũng có thể là toán tử phi tuyến, tuy
nhiên ta cũng có thể thấy rằng các toán tử tuyến tính bao giờ cũng dẫn đến việc thực hiện
bằng các thiết bị đơn giản hơn là các toán tử phi tuyến nhưng ngược lại thì tóan tử tuyến tính
trong nhiều trường hợp thì mắc phải sai số lớn hơn.
1.6.2 Một số toán tử thể hiện và toán tử phục hồi tuyến tính
Toán tử A và B tuyến tính có dạng:








==
==
∑
∫
=
)t(x)t(Wx)x, ,x,x,x(B
xdt)t(x)t(V)t(Ax
*
N
i
iiN
i

T
i
0
210
0
với i = 0, 1, 2 …N
V
i
(t) là hàm trọng lượng, W
i
(t) là hàm cơ sở
Các hàm V
i
(t), W
i
(t) có thể là một trong các trường hợp sau:

Là hệ số của một dãy nào đó x
i

Là các giá trị tức thời x
t
(i),
Khi đó V
i
(t) = δ(t-t
i
) là hàm delta Dirac, các giá trị rời rạc được thể hiện như hình vẽ
sau:
Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 18

X
i
t
1 2 3
4
N+1
Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử

Là các hiệu hữu hạn

)kTt(xC)()t(
i
k
N
k
N
k
i
N
x 0
0
1 −−=∆
∑
=
Khi đó
)kTtt(C)()t(V
i
k
N
k

N
k
i 0
0
1 +−δ−=
∑
=
, tức V
i
(t) là một tổ hợp tuyến tính các hàm
dirac. Các giá trị rời rạc được thể hiện là
∆x(t
i
) = x(t
i
)- x(t
i
-T
0
) = x(t
i
) - x(t
i-1
)
V
i
(t) = δ(t-t
i
) - δ(t-t
i

+T
0
) =δ(t-t
i
)-δ(t-t
i-1
)
Quá trình phục hồi đường cong trong tất cả các trường hợp đều có thể biểu diễn dưới
dạng một đa thức bậc N, so với tín hiệu x(t) thì x
*
(t) là 1 đường cong gần đúng(ví dụ đường
cong gấp khúc). Khi x
i
là các giá trị tức thời thì đường cong này được gọi là đường nội suy
tuyến tính. Khi x
i
là các hiệu hữu hạn thì theo các giá trị này ta xây dựng các giá trị tức thời
x(t
i
) sau đó xây dựng các đường cong gần đúng. Vì thế việc phục hồi có thể coi là một phép
lọc tuyến tính với các hàm xung W
i
(t). Khi phục hồi phải đảm bảo sao cho sai số là nhỏ nhất.
Quá trình phục hồi đảm bảo tối ưu rất khó khăn.
1.6.3 Quá trình rời rạc hóa thích nghi
Có hai cách như sau:
 Cho khoảng ∆, nếu tín hiệu chưa vượt quá thì chưa chuyển tiếp.

 Thực hiện tuyến tính hoá, coi ξ là sai số nhất định để tuyến tính hoá.
Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 19

X(t
i
)
t
i
t
0
t
1
t
2
t
3
T
0
x(t
i
)
t
i
t
0
t
1
t
2
t
3
∆x(t
1

)
∆x(t
2
)
∆x(t
3
)
∆x(t
i
)
t
i
t
0
t
1
t
2
t
3
∆x(t
1
)
∆x(t
2
) ∆x(t
3
)
t
ξ

t
1
t
2
t
∆
t
1
t
2
t
3
X
x(t)
x
*
(t)
Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử
Nhận xét: Khi tiến hành rời rạc hoá thích nghi thì các khoảng thời gian là không còn
đều nhau.
1.7 Lượng tử hoá tín hiệu
1.7.1 Cách lượng tử hóa
Lượng tử hoá theo mức, đó là việc làm tròn các giá trị tín hiệu đến giá trị lượng tử gần
nhất(có hai cách làm tròn là theo kiểu cắt bỏ hoặc theo kiểu làm tròn với nửa bước lượng tử)
Tức là mỗi giá trị được làm tròn khác với các giá trị ban đầu (giá trị thực) của tín hiệu một
lượng gọi là sai số làm tròn.
Lượng tử hoá theo mức thực chất là quá trình rời rạc hoá theo mức, thường người ta sử
dụng các chuyển đổi A/D. Thường có 2 cách lấy lượng tử:
 Lượng tử đều
∆ là mức lượng tử hóa

Các mức lượng tử là bằng nhau ∆ = CONST
ξ là sai số làm tròn
Trong nhiều trường hợp thì lượng tử hoá đều
hiệu quả không cao.
 Lượng tử hoá kiểu logarit (không đều)
∆ ≠ CONST
∆ thay đổi phụ thuộc vào độ lớn của tín
hiệu và sai số làm tròn cho phép ξ
0
1.7.2 Sai số của phép lượng tử hoá
Ta nhận thấy độ lớn của ξ không vượt quá một nửa bước rời rạc hoá ∆/2. Nếu tín hiệu
vào không biết một cách chính xác thì sai số làm tròn ξ là một đại lượng ngẫu nhiên. Khi
bước lượng tử hoá ∆ nhỏ có thể coi luật phân bố của đại lượng ngẫu nhiên ξ là gần đúng với
phân bố đều





∆
≤ξ≤
∆
∆
=ξ
otherwhise 0
22
- khi
1
)(P

Một dãy các giá trị sai số khi làm tròn ξ tạo ra khi lượng tử hoá các giá trị rời rạc của
tín hiệu x(kT) sẽ tạo ra 1 quá trình ngẫu nhiên rời rạc ξ(kT) gọi là tạp âm lượng tử. Tín hiệu
đã lượng tử có thế coi là tổng của tín hiệu rời rạc chưa lượng tử x(kT) với tạp âm lượng tử
ξ(kT)
Phương sai của tạp âm lượng tử được tính như sau:
Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 20
X
t
∆
ξ(t
0
)
x
*
(t)
x(t)
t
0
X
t
x(t)
x
*
(t)
∆
Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử
∫∫
∆
∆
−

∆
∆
−
ξ
∆
=ξ
∆
ξ=ξξξ=σ
2
2
2
2
2
2
22
12
1
dd)(P
∆≈
∆
=σ
ξ
290
12
.
Tức là sai số bình quân phương cuả quá trình lượng tử hoá chiếm 0,29 bước lượng tử hoá.
Ví dụ: Một máy tính 8 bit thì có thang đo chia làm 2
8
vạch. Vậy một vạch là:
∆ = 1/ 2

8
= 1/256
Sai số lượng tử hoá
σ%=0,29∆.100 = 0.29*100/256=0.113%
Như vậy với máy 8 bit thì sai số do phép lượng tử hoá chỉ chiếm 0.113% . Từ đây ta có
thể dựa vào để chọn AD cho phù hợp với sai số yêu cầu.
1.8 Mã hoá và một số phương pháp mã hoá
* Mã hoá: Mã hoá là thay thế các ký hiệu dạng này thành cách ký hiệu dạng khác.
Mã: Là tập hợp các con số để thể hiện, số con số của mã được gọi là cơ số. Trong kỹ
thuật thường dùng cơ số 2, các con số là con số 1 và con số 0 đại diện cho 2 trạng thái có điện
và không có điện trong kỹ thuật.
Nếu như có n giá trị lượng tử hoá được đánh số từ 1-n thì số dãy mã cơ số 2 (m) cần để
mã hoá n giá trị làc m ≥ log
2
N
. Số dãy mã là nguyên dương.
VD: n=26 ⇒ m = 5
n=10 ⇒ m =4
Để tránh sự dư thừa thông tin thi những dãy mã có số 0 đằng trước được bỏ đi vì nó
không mang thông tin.
Để phân biệt các tập mã với nhau thì người ta dùng xung có biên độ khác hoặc xung có
dấu ngược lại.
Trong kỹ thuật do lường người ta sử dụng nhiều phương pháp mã hoá khác nhau, để
giảm sự dư thừa thông tin người ta còn có thể dùng mã thống kê hoặc mã thích nghi.
1.9 Sự dư thừa thông tin và phương pháp giảm
1.9.1 Hiện tượng dư thừa thông tin.
Ngày nay máy tính có tốc độ khá nhanh cho nên khoảng thời gian rời rạc ∆t nhỏ nên
nhiều khi thông tin thừa không có ích. Theo kinh nghiệm thì khoảng 5% thông tin từ vũ trụ là
có lợi.
Nếu cần độ chính xác 2% thì chỉ cần 1/20 ÷ 1/ 10 lượng thông tin. Do đó lượng thông

tin thừa rất nhiều.
Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 21
Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử
1.9.2 Nguyên nhân tạo thông tin thừa.
Do đo quá gần nhau các giá trị của một đại lượng biến thiên chậm
Đặt các sensor quá gần nhau khi cần đo một đại lượng vật lý.
Mã hoá thông tin không tối ưu
Rời rạc hoá không thích nghi.
1.9.3 Cách đánh giá thông tin thừa
+Đánh giá sự dư thừa theo phần tử.
Giả sử có n phần tử thông tin truyền đi mà chỉ cần có n
0
phần tử như vậy sẽ dư thừa n-
n
0
phần tử.
Hệ số dư thừa là:
0
0
n
nn
K
n
−
=

+Đánh giá sự dư thừa theo tần số. Đó là khoảng tần số cần thiết của kênh liên lạc khi
chưa giảm tần số dư thừa với khoảng tần số đã cắt giảm dư thừa
0
F

F
K
f
=
1.9.4 Các phương pháp giảm sự dư thừa thông tin.
Để giảm sự dư thừa thông tin trước hết ta phải chọn khoảng thời gian thực hiện phép đo
cho phù hợp, chọn vị trí đặ các sensor hợp lý, thực hiện mã hoá tối ưu, tiến hành rời rạc hoá
thích nghi.
Để giảm thông tin thừa, phải xác định số lượng tối ưu các giá trị tức thời
Có hai cách giảm thông tin:
- Cách 1: Từ thiết bị đo trước khi vào thiết bị gia công: giảm thông tin thừa
-Cách 2: Giảm thông tin thừa ngay tại ở thiết bị đo.
1. Kỹ thuật tương tự: Tác động nhanh song kém chính xác: Có 2 phương pháp
a. Phương pháp ngoại suy bậc thang ( đa thức bậc 0)
Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 22
ĐT
TT
đo
giảm
giảm
TB đo TB gia công
TB
ghi
Người quan
sát
Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử
Cách làm: Thực hiện vẽ đường p(t)và liên tực tính sai số : C = /p(t)-x(t)/ sau đó tiến hành so
sánh ở thời điểm /p(t)-x(t)/ = C
o
thì ta tiến hành đo giá trị x(t)

.
Kết quả được

thực hiện như
sau:
b. Phương pháp nội suy tuyến tính
p
(ti)
= x
(
t
i-1)
+x'
(
t
i-1)
.Δt
Chọn: /p
(
t
i)
- x
(
t
i)
/= C
o
Đầu ra của bộ so sánh có tín hiệu điều khiển
Suy ra thời điểm so sánh: / x
(ti-1)

+x'
(ti-1)
.Δt -x
(ti)
/ = / x'
(ti-1)
.Δt -Δx/ = C
o
2.Kỹ thuật số:
a, Algôrit ngoại suy bậc thang:
+ Ở thời điểm t
o
, giả sử có x
0
.
Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 23
K
bộ nhớ bộ trừ
bộ so sánh
đưa đến TB đo
p(t)=x(t
i
- 1)
Δx(t)
lệnh đến TB
đo
x
(ti )
Δx(t) = p(t)- x(t)
C

o
C
o
C
o
τ
1
τ
2
t
x(t)
K
1
bộ nhớ
1
đưa đến TB đo
P(t)=x(t
i
-
1
)
bộ trừ
1
Δx(t)
bộ SS
lệnh đến
TB đo
x'
(ti-1 )
bộ trừ

2
vi phân
K
2
bộ nhớ
2
bộ
nhân
nguồn phát
C
o
x'
(ti-1 )
.Δt
Δt
C
x(t)
Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử
+ x
0
được nhớ vào Ram cùng lúc có thể có thể truyền đi hoặc đưa vào xử lý.
+Ở thời điểm t
1
xuất hiện x
1

+ Tính độ sai lệch giữa hai giá trị C
(
t
1)

= /x
1
- x
0
/
+ So sánh giữa C
(
t
1)
với C
0
cho trước; nếu C
(t1)
< C
0
thì x
1
bị loại bỏ, coi như thông tin thừa, tiếp
tục điểm thứ hai.
+ Ở thời điểm t
2
xuất hiện x
2
+Tính C
(
t
2)
= /x
2
- x

0
/
+So sánh giữa C
(
t
2)
với C
0
+ Nếu C
(
t
2)
< C
0
thì x
2
bị loại bỏ coi như thông tin thừa và cứ tiếp tục .
+ t
3
xuất hiện x
3

+ Giả sử ở 1 thời điểm t
k
xuất hiện x
k
mà có C
(
t
k)

≥ C
0
. Lúc đó giá trị x
k
được ghi lại và được
truyền đi hay đưa vào xử lý còn x
0
được xoá; khoảng thời gian rời rạc là : Δt
k
= t
k
- t
0
; t
0
là
điểm đầu của đường ngoại suy, t
k
là điểm cuối của đường ngoại suy đó.
b, Algôrit nội suy tuyến tính:
+. Ở thời điểm t
o
→ x
0
.
+ x
0
được nhớ vào RAM cùng lúc có thể có thể truyền đi hoặc đưa vào xử lý.
+Ở thời điểm t
1

xuất hiện x
1
: được nhớ nhưng không truyền đi
+ Ở thời điểm t
2
xuất hiện x
2;
x
2
được nhớ nhưng không truyền đi
+ Tính tỷ số các số gia bậc 1 của đa thức nội suy lagrăng đi qua 2 điểm x
0
và x
2

2 0
2 0
2 0
( , )
x x
t t
t t
−
∇ =
−

+Tính giá trị đa thức nội suy ở t
1
: p
1

( t
1
)
P
1
( t
1
) = x
0
+
2 0 1 0
( , )( )t t t t∇ −
+Tính độ sai lệch ở t
1
: C
(t1)
= /x
1
- p
1
(t
1
)/
+So sánh giữa C
(
t
1)
với C
0
cho trước; nếu C

(
t
1)
< C
0
thì tín hiệu sẽ không truyền đi coi như TT
thừa.
+ t
3
xuất hiện x
3
; x
3
được nhớ , không truyền đi
+ Tính tỷ số các số gia bậc 1 với đa thức nội suy P
2 :
3 0
3 0
3 0
( , )
x x
t t
t t
−
∇ =
−
+Tính các giá trị của đa thức nội suy ở t
1
, t
2

: P
1
( t
1
) = x
0
+
3 0 1 0
( , )( )t t t t∇ −
P
1
( t
2
) = x
0
+
3 0 1 0
( , )( )t t t t∇ −
+ Tính độ sai lệch của phép nội suy tại t
1
, t
2

C
(
t
1)
= /x
1
- p

2
(t
1
)/
Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 24
Bộ môn Đo lường và điều khiển tự động – Khoa Điện tử
C
(
t
2)
= /x
2
- p
2
(t
1
)/
+ So sánh C
(
t
1)
và C
(
t
2)
vớiC
0
+ Nếu C
(
t

1)
< C
0
và C
(
t
2)
< C
0
thì giá trị x
2
không chấp nhận và không được truyền đi coi như TT thừa.
+ Giả sử ở t
k
nào đó xuất hiện x
k
và đa thức nội suy là
( ) ( ) ( )
1 0 0 0
;
k k
P t x t t t t
−
= +∇ −
trong đó:
0
0
0
( , )
k

k
k
x x
t t
t t
−
∇ =
−
mà ta có: C
k-1
(t
j
) =
( )
1j k j
x P t
−
− ≥
C
0
với 0 < j < k thì x
k-1
được chấp nhận
+
1 1 0k k
t t t
− −
∆ = −
khoảng nội suy lúc đó trong dây liên lạc hoặc đưa vào sử lý là giá trị x
k-1

.
Khoảng nội suy mới được xác định bắt đầu từ t
k-1
Như vậy phép nội suy tuyến tính được tiến hành theo cách nối liền các điểm bằng đoạn thẳng
P(t)
( )
( )
( )
1 0
0 0
1 0
k
k
k
x x
P t x t t
t t
−
−
−
= + −
−
Đoạn thẳng tiếp theo sẽ đi qua điểm x
k-1
và giá trị tiếp theo của quá trình rời rạc hoá thích nghi
1.10 Nhiễu và các phương pháp chống nhiễu
1.10.1 Nhiễu
Nhiễu là các tác động không ổn định tác động lên tín hiệu gây ra sự mất mát thông tin
hiệu. Do đó nhiễu thường là nguyên nhân gây ra các hỏng hóc và sai số. Nhiễu thường có mặt
ở tất cả các khâu.

+ Đối tượng
Đối với đối tượng thường nhiễu ở các sensor, chuyển đổi chuẩn hoá và các mux.
Thường nhiễu sinh ra do điều kiện làm việc nặng nề ví dụ như nhiệt độ, gia tốc, độ ẩm, môi
trường hoá học.
+Kênh liên lạc
Nhiễu đa số do ảnh hưởng của trường điện từ, do môi trường, không khí, khí quyển.
+Thiết bị thu và xử lý.
Là do sự thay đổi của nhiệt độ, do sự thay đổi của nguồn cung cấp
Giáo trình hệ thống thông tin công nghiệp Trang: 25
Đối tượng
nghiên cứu
Kênh
liên lạc
Thiết bị
thu và xử lý
Nhiễu