Equation Section (Next)Equation Chapter 2 Section 157
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN TRỌNG CÁC
PHƢƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG TRUYỀN THÔNG TIN
THỜI GIAN THỰC TRONG CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Nguyễn Văn Khang HÀ NỘI - 2015
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi dưới sự hướng
dẫn của PGS.TS. Nguyễn Văn Khang. Luận án là một công trình lao động nghiên túc, các
số liệu và kết quả trong Luận án hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong
bất kỳ công trình nào.
trong hội đồng chấm Luận án, các nhà khoa học đã giành thời gian đọc và đóng góp ý kiến
quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh Luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai.
Tôi xin chân thành cảm ơn Hội nghiên cứu sinh của Viện điện tử Viễn thông và các
bạn bè thân thiết trong LAB 618, những người đã luôn ở bên cạnh, ủng hộ, động viên và
giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm nghiên cứu sinh. Tôi xin chúc các anh, chị, em may
mắn và thành đạt trên con đường nghiên cứu khoa học trong tương lai.
Cuối cùng, tôi dành những lời yêu thương nhất đến gia đình tôi: bố mẹ, các anh chị và
đặc biệt là vợ và con trai tôi. Sự động viên, giúp đỡ và sự hy sinh, nhẫn nại của họ là động lực
mạnh mẽ giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành Luận án này.
Xin chân thành cảm ơn !
Tác giả
Nguyễn Trọng Các
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT i
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ iii
DANH MỤC CÁC BẢNG v
MỞ ĐẦU 1
1. Tính cấp thiết của Luận án 1
2. Mục đích nghiên cứu của Luận án 3
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của Luận án 3
4. Nội dung nghiên cứu của Luận án 4
5. Phƣơng pháp nghiên cứu của Luận án 5
2.1. Đặt vấn đề 33
2.2. Giao thức MAC với các sách lƣợc ƣu tiên khác nhau 33
2.2.1. Giao thức MAC với sách lược ưu tiên tĩnh 33
2.2.2. Giao thức MAC với sách lược ưu tiên lai 36
2.3. Các vấn đề thực thi ứng dụng điều khiển quá trình trên mạng truyền thông 40
2.3.1. Sơ đồ cấu trúc 40
2.3.2. Trễ truyền thông 41
2.3.3. Chọn chu kỳ lấy mẫu 41
2.3.4. Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng điều khiển 42
2.3.5. Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng dịch vụ 42
2.3.6. Điều kiện thực thi trên mạng CAN 42
2.4. Thực thi ứng dụng điều khiển quá trình sử dụng mô hình hàm truyền đạt và
mô hình không gian trạng thái 43
2.4.1. Thực thi ứng dụng điều khiển sử dụng mô hình hàm truyền đạt 44
2.4.2. Thực thi ứng dụng điều khiển sử dụng mô hình không gian trạng thái 46
2.5. Đánh giá kết quả 48
2.5.1. Đánh giá kết quả với mô hình hàm truyền đạt 48
2.5.2. Đánh giá kết quả với mô hình không gian trạng thái 52
2.6. Kết luận Chƣơng 2 54
CHƢƠNG 3: BÙ TRỄ TRUYỀN THÔNG 55
3.1. Đặt vấn đề 55
3.2. Bù trễ sử dụng phƣơng pháp thiết kế đặt điểm cực 55
3.2.1. Ý tưởng chung 56
3.2.2. Trễ truyền thông 57
3.2.3. Tính toán trễ truyền thông 57
3.2.4. Các bước tiến hành bù trễ 57
3.2.5. Sơ đồ thực thi bù trễ truyền thông trên mạng CAN 58
3.3. Thực thi ứng dụng điều khiển quá trình sử dụng mô hình hàm truyền đạt 59
3.3.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển vòng kín 59
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 90
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO 93
PHỤ LỤC 98 i
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt
Từ tiếng Anh đầy đủ
Nghĩa tiếng Việt
ACK
Acknowledge
Trường xác nhận
ADS
Asynchronous Dynamical System
Hệ thống động không đồng bộ
A/D
Analog/Digital
Tương tự/Số
ASIC
Application-Specific Integrated
Circuit
Vi mạch tích hợp chuyên dụng
CAN
Controller Area Network
Mạng khu vực điều khiển
CSMA
End Of Frame
Trường kết thúc khung thông điệp
FP
Fixed Priority
Ưu tiên cố định
FIFO
First In First Out
Vào trước ra trước
ID
IDentifier
Định danh
IFAC
International Federation of
Automatic Control
Liên đoàn Quốc tế về điều khiển tự
động
ISO
International Standard
Organization
Tổ chức tiêu chuẩn hóa Quốc tế
IAE
Integral of the Absolute
Magnitude of the Error
Tiêu chuẩn tích phân giá trị tuyệt
đối của sai lệch
ISE
Integral of the Square of the Error
Tiêu chuẩn tích phân bình phương
của sai lệch
ITAE
LEF
Large Error First
Sai lệch lớn nhất đầu tiên
MAC
Medium Access Control
Điều khiển truy nhập đường truyền
MIMO
Multiple Input – Multiple Output
Nhiều đầu vào – nhiều đầu ra
MSB
Most Significant Bit
Bit có chỉ số cao nhất
MTS
Mixed Traffic Scheduler
Lập lịch lưu thông hỗn hợp
MJLS
Markovian Jump Linear Systems
Hệ thống tuyến tính bước nhảy
Markov
MEF-TOD
Maximum Error First with Try On
Discard
Sai lệch lớn nhất đầu tiên loại bỏ khi
thử
NCS
Networked Control Systems
Hệ thống điều khiển qua mạng
NPC
Networked Predictive Control
Điều khiển dự báo qua mạng
Thời gian lên
t
s
Settling time
Thời gian xác lập
TDMA
Time Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia thời gian
ZOH
Zero Order Hold
Khâu giữ bậc không iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc của các hệ thống điều khiển [49]. 9
Hình 1.2. Trình tự thời gian của các hệ thống điều khiển [33] 10
Hình 1.3. Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của chu kỳ lấy mẫu đến chất lượng của các hệ
thống điều khiển [16]. 12
Hình 1.4. Mô hình hệ thống điều khiển vòng kín có tích hợp mạng truyền thông. 13
Hình 1.5. Đồ thị đáp ứng thời gian với các giá trị trễ khác nhau. 14
Hình 1.6. Đồ thị đáp ứng đầu ra tương ứng với vị trí điểm cực trong mặt phẳng phức [18].
iv
Hình 2.17. Đồ thị so sánh QoS của 8 ứng dụng điều khiển quá trình (bài toán sử dụng mô
hình không gian trạng thái). 53
Hình 2.18. Đồ thị đáp ứng thời gian thực thi với các sách lược ưu tiên khác nhau trên mạng
CAN (bài toán sử dụng mô hình không gian trạng thái). 53
Hình 3.1. Đồ thị thể hiện vùng của các điểm cực trong mặt phẳng s [6]. 56
Hình 3.2. Sơ đồ thực thi bù trễ truyền thông. 58
Hình 3.3. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển vòng kín khi không nối mạng truyền thông.59
Hình 3.4. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển vòng kín với các thành phần trễ truyền thông.
60
Hình 3.5. Đồ thị so sánh QoC khi thực hiện bù trễ theo phương pháp thiết kế đặt điểm cực
(bài toán sử dụng mô hình hàm truyền đạt). 65
Hình 3.6. Code thực thi bù trễ đối với bài toán sử dụng mô hình hàm truyền đạt. 66
Hình 3.7. Đồ thị so sánh QoC của 8 ứng dụng điều khiển quá trình. 67
Hình 3.8. Đồ thị đáp ứng thời gian thực thi với 8 ứng dụng điều khiển quá trình (bài toán
sử dụng mô hình hàm truyền đạt). 67
Hình 3.9. Đồ thị so sánh QoC khi thực hiện bù trễ theo phương pháp thiết kế đặt điểm cực
(bài toán sử dụng mô hình không gian trạng thái). 73
Hình 3.10. Code thực thi bù trễ đối với bài toán sử dụng mô hình không gian trạng thái. 74
Hình 3.11. Đồ thị đáp ứng thời gian thực thi với 8 ứng dụng điều khiển quá trình (bài toán
sử dụng mô hình không gian trạng thái). 75
Hình 4.1. Đồ thị biểu diễn hàm lợi ích trong các ứng dụng thời gian thực. 78
Hình 4.2. Sơ đồ thực thi đồng thiết kế giữa lập lịch thông điệp và bù trễ truyền thông. 80
Hình 4.3. Mô hình mô phỏng hệ thống sử dụng TrueTime Toolbox 81
Hình 4.4. Đồ thị so sánh QoC của 8 ứng dụng điều khiển quá trình. 83
Hình 4.5. Đồ thị đáp ứng thời gian (zoom) của 8 ứng dụng điều khiển quá trình khi không
thực hiện đồng thiết kế (bài toán sử dụng mô hình hàm truyền đạt). 84
Hình 4.6. Đồ thị đáp ứng thời gian (zoom) của 8 ứng dụng điều khiển quá trình khi thực
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của Luận án
Tốc độ phát triển nhanh chóng của công nghệ vi điện tử, kỹ thuật truyền thông và
công nghệ phần mềm trong những năm gần đây đã tạo sự chuyển biến cơ bản trong hướng
đi cho các giải pháp điện tử và tự động hóa công nghiệp hiện đại. Xu hướng phân tán, mềm
hóa và chuẩn hóa là ba trong nhiều điểm đặc trưng cho sự thay đổi này. Những xu hướng
mới đó không nằm ngoài mục đích giảm giá thành giải pháp và nâng cao chất lượng hệ
thống. Sự ứng dụng rộng rãi các hệ thống mạng truyền thông kỹ thuật số, đặc biệt là các hệ
thống bus trường là một ví dụ tiêu biểu.
Các hệ thống điều khiển phân tán (tên tiếng anh là Distributed Control System, viết
tắt là DCS) cũng như công nghệ bus trường không phải là một lĩnh vực kỹ thuật hoàn toàn
mới, mà đã được áp dụng trong công nghiệp từ những năm 90 của thế kỷ 20. Nhưng mãi
đến năm 2005 IFAC mới chính thức thành lập một ủy ban kỹ thuật lấy tên là hệ thống điều
khiển qua mạng (tên tiếng anh là Networked Control Systems, viết tắt là NCS). Mục tiêu
chính của phân tích và thiết kế NCS là để sử dụng và khai thác có hiệu quả những lợi thế
của mạng truyền thông số (thuộc về cộng đồng mạng), trong khi đó vẫn đảm bảo và duy trì
tốt chất lượng của hệ thống điều khiển vòng kín (thuộc về cộng đồng điều khiển).
Với một tình thế cạnh tranh và toàn cầu hóa như hiện nay, ngay cả các tập đoàn công
nghệ điện tử và tự động hóa có tên tuổi cũng phải tự tiến hóa và thay đổi tư duy về giải
pháp tích hợp hệ thống. Vì vậy, có thể nói NCS ra đời đã làm thay đổi hẳn tư duy về phân
tích, thiết kế và tích hợp hệ thống đối với cộng đồng điều khiển và cộng đồng mạng truyền
thông, mà trước đây hai lĩnh vực này thường được nghiên cứu độc lập với nhau vì lý do kỹ
thuật. Ưu thế của NCS không chỉ nằm ở phương diện kỹ thuật mà còn ở khía cạnh hiệu quả
kinh tế. Chính vì vậy nghiên cứu về NCS là một lĩnh vực mới, một xu hướng chính đang
thu hút sự quan tâm đặc biệt lớn trong cộng đồng nghiên cứu ngày nay. Đây là một vấn đề
cấp thiết, có tính thời sự và ứng dụng cao trong thực tế, có độ phức tạp lớn và đã trở thành
một lĩnh vực nghiên cứu đa ngành gồm: tự động hóa, khoa học máy tính (chủ yếu là lập
lịch tác vụ) và mạng truyền thông (chủ yếu là lập lịch thông điệp và các giao thức truyền
thông) [33], [39], [51], [55].
Với sự xuất hiện của NCS sử dụng bus truyền thông chung đã khắc phục được những
điểm đã nêu ở trên thì NCS cũng còn một số tồn tại mà ngày nay cộng đồng nghiên cứu
đang tìm cách giải quyết, cụ thể là:
Chia sẻ tài nguyên giữa các ứng dụng bị hạn chế gồm tài nguyên tính toán (CPU,
bộ nhớ, v.v.) và tài nguyên đường truyền (truy nhập đường truyền, băng thông,
v.v.) dẫn đến sự tranh chấp giữa các thành phần khác nhau trong hệ thống. Việc
chia sẻ nguồn tài nguyên nảy sinh những vấn đề mới mà các nhà nghiên cứu đã
và đang tập trung giải quyết, một số vấn đề chính đó là: thời gian trễ (trễ tính
toán và trễ truyền thông), tần số lấy mẫu, lập lịch tác vụ (giải quyết vấn đề xung
đột bộ nhớ và xung đột sử dụng CPU), lập lịch thông điệp (giải quyết vấn đề
xung đột truy nhập đường truyền) [20], [23], [48], [62].
Việc sử dụng mạng truyền thông chung làm nảy sinh những khó khăn mới đó là
trễ truyền thông. Trễ truyền thông (trễ từ bộ cảm biến tới bộ điều khiển và từ bộ
điều khiển tới cơ cấu chấp hành) xảy ra khi các thành phần cơ bản của hệ thống
gồm bộ cảm biến, bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành trao đổi thông tin với nhau
thông qua mạng truyền thông chung. Trễ truyền thông sinh ra là chủ yếu từ các
giao thức mạng sử dụng trong NCS. Trễ truyền thông này có thể là không đổi
hoặc thay đổi, thậm chí là ngẫu nhiên và mang tính bất định cao, làm giảm chất
lượng của hệ thống điều khiển, làm méo tín hiệu, thậm chí gây ra sự mất ổn định
của hệ thống [15], [29], [32], [38], [39]. 3
Đề tài “Phương pháp nâng cao chất lượng truyền thông tin thời gian thực trong
các hệ thống điều khiển phân tán” được lựa chọn nhằm nâng cao đồng thời cả chất
lượng dịch vụ (thuộc về cộng đồng mạng) và chất lượng điều khiển (thuộc về cộng đồng
điều khiển) cho NCS với mong muốn khắc phục một số vấn đề còn tồn tại trong NCS mà
ngày nay các nhà nghiên cứu đang tìm cách giải quyết, đồng thời mở ra một hướng nghiên
cứu tích hợp mới và có độ phức tạp cao ở Việt Nam gồm các lĩnh vực: tự động hóa, khoa
học máy tính và mạng truyền thông. Đây cũng là cơ sở để tác giả lựa chọn nội dung
4
để đạt được QoS và QoC mong muốn. Nội dung nghiên cứu của Luận án tập trung vào chủ
đề thứ hai đó là điều khiển qua mạng (NCS). Trong mỗi cấu trúc của NCS có nhiều thách
thức để duy trì và nâng cao hoặc là QoS hoặc là QoC hoặc là cả hai. Trong khi hướng
nghiên cứu cải tiến giao thức truyền thông nhằm mục đích là để nâng cao QoS của hệ
thống mạng thì hướng phát triển các thuật toán điều khiển nhằm mục đích là để nâng cao
QoC của hệ thống điều khiển vòng kín. Thường các đề tài nghiên cứu chỉ lựa chọn một
trong hai nội dung trên để nghiên cứu (hoặc là nâng cao QoS hoặc là nâng cao QoC), tuy
nhiên trong Luận án này sẽ đề cập đến cả hai nội dung nhằm mục đích là để có được một
NCS hiệu quả hơn.
Đối tượng nghiên cứu của Luận án là các hệ thống điện tử công nghiệp nói chung và
hệ thống nhúng có nối mạng nói riêng; các hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất nói
chung và hệ thống điều khiển qua mạng nói riêng. Trong Luận án này, mạng CAN
(Controller Area Network) được xem xét nghiên cứu [9], [53].
4. Nội dung nghiên cứu của Luận án
Nội dung nghiên cứu của Luận án sẽ tập trung giải quyết một số nội dung khoa học
chính nhằm nâng cao QoS và QoC cho NCS. Nội dung của Luận án bao gồm 4 Chương.
Chương 1 của Luận án trình bày tổng quan về NCS, tổng hợp và phân tích những
kiến thức cơ bản thuộc hai lĩnh vực đó là tự động hóa và mạng truyền thông; khảo sát và
đánh giá các công trình nghiên cứu liên quan mật thiết đến đề tài Luận án; từ đó nêu ra
những vấn đề còn tồn tại, chỉ ra những vấn đề mà Luận án cần tập trung nghiên cứu và giải
quyết.
Chương 2 của Luận án trình bày về giao thức MAC (Medium Access Control) sử
dụng sách lược ưu tiên lai cho các hệ thống điều khiển qua mạng CAN. Chương này phân
tích về những hạn chế của giao thức MAC sử dụng sách lược ưu tiên tĩnh, từ đó đề xuất sử
dụng sách lược ưu tiên lai nhằm nâng cao QoS, từ đó nâng cao QoC cho các hệ thống điều
khiển qua mạng CAN.
Chương 3 của Luận án nghiên cứu về bù trễ truyền thông. Chương này đề xuất
trong và ngoài nước liên quan mật thiết đến đề tài nghiên cứu.
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: sử dụng các phương pháp phân tích như
phương pháp thống kê, phương pháp đối chiếu so sánh, phương pháp giải tích,
phương pháp mô hình hóa toán học; trên cơ sở các công trình nghiên cứu liên
quan mật thiết đến đề tài Luận án đã được công bố, tiến hành phân tích những
mặt hạn chế từ đó làm cơ sở để đề xuất những cải tiến nhằm có được một nghiên
cứu hiệu quả hơn.
Thử nghiệm mô phỏng: những phân tích lý thuyết nhằm xác định cơ sở để quyết
định tính khả thi và hiệu quả của mô hình; mô phỏng sẽ giúp nhìn nhận và chỉ ra
rõ ràng tính khả thi của hệ thống. Kỹ thuật mô phỏng được sử dụng với hai mục
đích chính là tối ưu hóa và thống nhất hóa thay vì phải thực nghiệm nhiều lần
trên đối tượng thật nhằm rút ngắn thời gian và tiết kiệm chi phí. Trong Luận án
này, thực hiện kỹ thuật mô phỏng trên máy tính nhúng (Embedded PC) thông
qua phần mềm mô phỏng chuyên dụng TrueTime để đánh giá và kiểm nghiệm
các kết quả nghiên cứu lý thuyết. Các kết luận quan trọng về phương pháp đề
xuất được đưa ra dựa trên sự so sánh giữa các kết quả mô phỏng và lý thuyết đạt
được.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án
Về ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu về NCS là một lĩnh vực có ý nghĩa khoa học, mang
tính thời đại và có độ phức tạp cao nhằm kết nối giữa cộng đồng mạng và cộng đồng điều 6
khiển lại với nhau, mà trước đây hai lĩnh vực này thường được nghiên cứu độc lập với
nhau vì lý do kỹ thuật; đồng thời cũng giải quyết các mục tiêu mà Luận án đặt ra, được thể
hiện ở các kết quả nghiên cứu lý thuyết của Luận án. Luận án đã đề xuất được một sách
lược ưu tiên lai để lập lịch truy nhập đường truyền của các nút mạng nhằm nâng cao QoS,
từ đó nâng cao QoC cho các hệ thống điều khiển qua mạng. Xây dựng thuật toán giải tích
khảo sát trễ truyền thông trong hệ thống điều khiển vòng kín, sau đó sử dụng phương pháp
7
phương pháp thiết kế đặt cực nhằm nâng cao QoC cho các hệ thống điều khiển
qua mạng.
Phân tích và đề xuất phương pháp đồng thiết kế giữa mạng truyền thông (liên
quan đến lập lịch thông điệp truy nhập đường truyền của các nút mạng) và hệ
thống điều khiển (liên quan đến bù trễ truyền thông) nhằm cải tiến đồng thời cả
QoS và QoC với mong muốn có được một NCS hiệu quả hơn.
Các kết quả nghiên cứu mới nêu trên sẽ lần lượt được trình bày cụ thể trong các
Chương 2, 3 và 4 của Luận án. Đồng thời với những kết quả nghiên cứu đã đạt được, tác
giả và tập thể hướng dẫn lần lượt xem xét để công bố trên các tạp chí và hội nghị chuyên
ngành trong nước và Quốc tế. 8
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
QUA MẠNG (NCS)
Chương này trình bày và tổng hợp một cách có hệ thống về NCS, nhằm cung cấp
những kiến thức nền tảng cho những đề xuất nghiên cứu sau này của Luận án. Trong đó
tập trung vào phân tích những vấn đề liên quan trực tiếp đến nội dung nghiên cứu của Luận
án. Hai khía cạnh sẽ được phân tích đó là khía cạnh đối với cộng đồng điều khiển (tự động
hóa) và khía cạnh đối với cộng đồng mạng (truyền thông). Mục 1.1 sẽ giới thiệu một cái
nhìn tổng quan về NCS bao gồm: khái niệm, quá trình hình thành và phát triển NCS, các
thông tin ảnh hưởng trực tiếp đến NCS. Mục 1.2 và Mục 1.3 sẽ nhắc lại một số vấn đề cơ
bản trong lý thuyết điều khiển tự động truyền thống và hệ thống điều khiển bằng máy tính.
Vấn đề truyền thông trong NCS và truyền thông trên mạng CAN được mô tả và phân tích
một hệ thống, trong đó các thành phần cơ bản của hệ thống như bộ cảm biến, bộ điều
khiển và cơ cấu chấp hành, v.v. trao đổi thông tin với nhau thông qua mạng truyền thông
chung [19], [29], [39], [51].
Bộ cảm biến 1
Bộ cảm biến 2 Bộ cảm biến n
Bộ điều khiển
Đối tượng vật lý
Bộ điều khiển 1
Đối tượng vật lý
Bộ điều khiển 2 Bộ điều khiển n
Cơ cấu
chấp hành 1
Cơ cấu
chấp hành 2
Cơ cấu
chấp hành n
Cơ cấu
chấp hành 1
Cơ cấu
chấp hành 2
Cơ cấu
chấp hành n
Bộ cảm biến 1
Bộ cảm biến 2 Bộ cảm biến n
a) Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển điểm - điểm.
b) Sơ đồ cấu trúc của DCS.
Bộ cảm biến 1
Bộ cảm biến 2 Bộ cảm biến n
Bộ điều khiển 1 Bộ điều khiển 2 Bộ điều khiển n
Đối tượng vật lý
(s)
Máy tính
giám sát
Cảm biến 1
Cảm biến 2
Cảm biến n
Quá trình 1 Quá trình 2 Quá trình m
Bộ điều khiển 1
Bộ điều khiển 2
Bộ điều khiển i
1930
1950
1970
1980 1990
QoC
Lập lịch tác vụ
(QoC và QoS)
Lập lịch tác vụ và thông điệp
(QoC và QoS)
a)
b)
c)
d)
Điều khiển tương tự
Điều khiển số
1940 1960
Điều khiển qua mạng
2000
Mạng
động và sự cần thiết của QoC đối với các hệ thống điều khiển liên tục dựa trên khái niệm
hệ thống điều khiển vòng kín.
- Sơ đồ Hình 1.2 (b) thể hiện hệ thống điều khiển phản hồi thông qua một máy tính
điều khiển số chuyên dụng (tức là không chia sẻ tác vụ) và những vấn đề liên quan đến
QoC cũng như lựa chọn tần số lấy mẫu.
- Sơ đồ Hình 1.2 (c) thể hiện nhiều hệ thống điều khiển được thực hiện thông qua
một máy tính chuyên dụng (điều khiển tập trung, tức là máy tính thực hiện nhiều tác vụ của
các đối tượng điều khiển khác nhau) và những vấn đề liên quan đến QoC.
- Sơ đồ Hình 1.2 (d) thể hiện cấu trúc điển hình của hệ thống điều khiển qua mạng
(NCS), trong đó các thành phần cơ bản của hệ thống được trao đổi thông tin với nhau
thông qua một mạng truyền thông chung (mạng có dây hoặc không dây). Những vấn đề
cần quan tâm lúc này là cả QoC và QoS.
Chúng ta nhận thấy rằng, các hệ thống điều khiển với các thành phần điều khiển
phân tán đã tồn tại từ nhiều thập kỷ qua như: các hệ thống điều khiển quá trình hóa học, lọc
dầu, v.v Các thành phần điều khiển này được liên kết trực tiếp với nhau bằng dây dẫn và
được gọi là truyền thông điểm - điểm, tín hiệu thu được từ các bộ cảm biến được đưa trực
tiếp đến bộ xử lý trung tâm và sau đó bộ xử lý trung tâm xử lý tín hiệu này thông qua các
luật điều khiển và gửi lệnh điều khiển đến cơ cấu chấp hành.
1.1.3. Ảnh hưởng của chu kỳ lấy mẫu đối với NCS
Chu kỳ lấy mẫu (ký hiệu là
)h
dùng để biến đổi tín hiệu liên tục theo thời gian thành
tín hiệu rời rạc theo thời gian. Việc lựa chọn chính xác chu kỳ lấy mẫu là một vấn đề quan
trọng trong các hệ thống điều khiển qua mạng vì có ảnh lớn đến chất lượng của hệ thống
điều khiển vòng kín. Nếu chọn chu kỳ lấy mẫu quá lớn thì trễ mạng sẽ lớn, do đó sẽ không
đạt được QoC mong muốn, ngược lại nếu chọn chu kỳ lấy mẫu quá nhỏ thì không đủ thời
gian để truyền các gói tin, do đó sẽ làm tăng tải trọng cho hệ thống máy tính và mạng. Vì
vậy, việc lựa chọn chính xác
h
là tùy thuộc vào mục đích của mỗi NCS.
12 0,1 0,6,
n
h
(1.3)
trong đó,
r
t
là thời gian lên (rise time),
n
là tần số riêng (rad/s).
Vị trí điểm cực vòng kín trong các hệ rời rạc phụ thuộc nhiều vào
.h
Do đó, hiệu
suất của các hệ thống điều khiển vòng kín cũng phụ thuộc khá nhiều vào chu kỳ lấy mẫu
h
[16], [27].
Hình 1.3 thể hiện mối quan hệ giữa hiệu suất (được hiểu là chất lượng của hệ thống
điều khiển vòng kín) và chu kỳ lấy mẫu
h
đối với ba loại hệ thống điều khiển gồm: điều
khiển liên tục, điều khiển rời rạc (điều khiển số) và điều khiển qua mạng (NCS).
A
B C
- Đối với hệ thống điều khiển rời rạc (điều khiển số): chu kỳ lấy mẫu có ảnh hưởng
đáng kể đến hiệu suất của hệ thống điều khiển. Hiệu suất của hệ thống điều khiển chỉ được
chấp nhận với chu kỳ lấy mẫu nhỏ
( ).
A
hh
Còn khi chu kỳ lấy mẫu lớn
()
A
hh
thì hiệu
suất sẽ bị suy giảm phụ thuộc vào băng thông của quá trình, nếu chu kỳ lấy mẫu quá lớn thì
sẽ không đáp ứng được các ràng buộc trong công thức (1.3) (ví dụ:
0,6).
n
h
Do đó đòi
hỏi cần thiết kế một bộ điều khiển riêng (phần cứng hoặc phần mềm), do phải có bộ điều
khiển riêng nên các thành phần trong hệ thống như bộ cảm biến, bộ điều khiển và cơ cấu 13
chấp hành sẽ bị giới hạn về chia sẻ nguồn tài nguyên làm giảm QoS và QoC, hạn chế này
sẽ được khắc phục trong NCS.
- Đối với NCS: hiệu suất chỉ được chấp nhận trong khoảng B, C, sau đó xấu đi khi
chu kỳ lấy mẫu nằm ngoài khoảng B, C, điều này là do ảnh hưởng của trễ mạng và vấn
đề lập lịch tác vụ. Nếu chu kỳ lấy mẫu lớn
đóng vai trò lần lượt là bộ
cảm biến, bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành được trao đổi thông tin với nhau thông qua
một mạng truyền thông chung như trên Hình 1.4.
Bộ điều khiển
u
k
D/A ZOH
Đối tượng
điều khiển
u(t)
Bộ cảm biến
A/D
r
C
j
C
k
C
i
h
y(t)
Cơ cấu chấp hành
Mạng truyền thông
ca
sc
y
k
y
Copyright: Tài liệu đại học ©