Cải tiến phương pháp truy nhập đường truyền cho các hệ thống điều khiển qua mạng CAN

Bài viết Cải tiến phương pháp truy nhập đường truyền cho các hệ thống điều khiển qua mạng CAN đề xuất một sách lược ưu tiên lai để cải tiến truy nhập đường truyền của mạng CAN (Controller Area Network) tiêu chuẩn nhằm nâng cao chất lượng điều khiển cho các hệ thống điều khiển qua mạng.

16 Nguyễn Trọng Các, Đinh Văn Nhượng CẢI TIẾN PHƯƠNG PHÁP TRUY NHẬP ĐƯỜNG TRUYỀN CHO CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUA MẠNG CAN IMPROVING MEDIUM ACCESS CONTROL FOR CAN-BASED NETWORKED CONTROL SYSTEMS Nguyễn Trọng Các, Đinh Văn Nhượng Trường Đại học Sao Đỏ; cacdhsd@gmail.com; nhuongdv2000@gmail.com Tóm tắt - Lập lịch thơng điệp chế quan trọng ảnh hưởng lớn đến chất lượng dịch vụ (Quality of Service - QoS) chất lượng điều khiển (Quality of Control - QoC) ứng dụng điều khiển trình hệ thống điều khiển qua mạng (Networked Control Systems - NCS) Mục đích báo đề xuất sách lược ưu tiên lai để cải tiến truy nhập đường truyền mạng CAN (Controller Area Network) tiêu chuẩn nhằm nâng cao chất lượng điều khiển cho hệ thống điều khiển qua mạng Chúng tơi thực thi ứng dụng điều khiển q trình mạng CAN tiêu chuẩn tính tốn chất lượng điều khiển; sau thơng qua việc so sánh chất lượng điều khiển ứng dụng với sách lược ưu tiên khác nhau, ưu điểm sách lược ưu tiên lai đề xuất chất lượng hệ thống điều khiển nâng cao Abstract - In the context of Networked Control Systems (NCS), the scheduling of messages is an important mechanism because it strongly influences the Quality of Service (QoS) and the Quality of Control (QoC) of process control applications The goal of this paper is to propose a hybrid priority scheme to improve standard CAN (Controller Area Network) network protocol in order to improve the Quality of Control for Networked Control Systems We consider the implementation of process control applications on a standard CAN network and evaluate the Quality of Control; then we show the strong points of the proposed hybrid priority scheme by comparing the QoC provided by different priority schemes Từ khóa - mạng CAN; giao thức điều khiển truy nhập đường truyền; ưu tiên tĩnh; ưu tiên lai; hệ thống điều khiển qua mạng Key words - CAN network, medium access control protocol, static priority, hybrid priority, networked control systems Đặt vấn đề Giao thức MAC (Medium Access Control) mạng CAN sử dụng NCS chủ yếu dựa vào sách lược ưu tiên tĩnh (static priority), tức nút mạng có mức ưu tiên cố định (không đổi suốt trình hệ thống làm việc) Việc sử dụng ưu tiên tĩnh có nhiều hạn chế luồng liệu NCS đa dạng có yêu cầu ưu tiên truy nhập đường truyền thay đổi theo thời gian Để truy nhập đường truyền, CAN sử dụng phương pháp CSMA/AMP (Carrier Sense Multiple Access with Arbitration Message Priority)hoặc CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collission Arbitration) Đây điểm khác biệt lớn mạng CAN so với loại bus trường khác, với phương pháp thông điệp ấn định mức độ ưu tiên dùng để phân xử truy nhập mạng Định dạng khung truy nhập mạng mạng CAN thể Hình [1] Từ Hình thấy khung truy nhập mạng mạng CAN bao gồm trường: khởi động khung truy nhập SOF, trường phân xử, trường điều khiển, trường liệu, trường kiểm tra CRC, trường xác nhận ACK, trường kết thúc khung truy nhập EOF CAN hỗ trợ hai định dạng cho trường phân xử trường phân xử với mã cước 11bit trường phân xử với mã cước 29 bit, tương ứng với định dạng chuẩn (Standard format) định dạng mở rộng (Extended format) Từ Hình 1, nhận thấy có trường gọi mã cước (IDentifier) dùng để phân xử truy nhập đường truyền gọi tắt trường ID Các bit trường ID 1, bit gọi bit trội, bit gọi bit lặn; bit trội dành quyền ưu tiên so với bit lặn Một nút mạng muốn truyền liệu phải đợi mạng rỗi bắt đầu truyền ID theo quy luật bit Nghiên cứu [2], [3] sử dụng tham số điều khiển sai lệch e, trường ID sử dụng trường ID mở rộng (29 bits) chia làm hai lớp (16 bit cho lớp ưu tiên động 10 bit cho lớp ưu tiên tĩnh), mã hóa trực tiếp giá trị sai lệch thành giá trị trường ID lớp ưu tiên động Việc mã hóa có hạn chế giá trị sai lệch vượt giá trị mã hóa trường ID khơng thể mã hóa Vì vậy, cần phải có giới hạn để mã hóa tất sai lệch có hệ thống, hạn chế tác giả chưa đề cập đến báo Hạn chế thứ hai nghiên cứu sử dụng điều khiển trung tâm để phân xử truy nhập đường truyền thay sử dụng điều khiển phân tán Từ hạn chế nghiên cứu nêu trên, báo đề xuất nội dung nghiên cứu sau: đề xuất sử dụng với NCS phân tán (tức khơng có nút trạm chủ nào); đề xuất sử dụng sách lược ưu tiên lai với trường ID tiêu chuẩn 11 bits, bits cho lớp ưu tiên động, bits cho lớp ưu tiên tĩnh; phân tích, so sánh việc sử dụng ưu tiên lai thông qua tham số điều khiển tín hiệu điều khiển u, giá trị mức ưu tiên động, tính tốn thơng qua hàm số u Phần cịn lại báo bố cục sau: Mục trình bày đề xuất sách lược ưu tiên lai; thực thi ứng dụng điều khiển trình qua mạng CAN trình bày Mục 3; đánh giá kết trình bày Mục 4; kết luận cuối đưa Mục báo ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN 17 Hình Cấu trúc định dạng khung truy nhập mạng CAN Những đề xuất sách lược ưu tiên lai 2.1 Ý tưởng Ý tưởng sách lược ưu tiên lai nhằm khắc phục mặt hạn chế sách lược ưu tiên tĩnh, tức mức ưu tiên nút mạng (hoặc luồng liệu) thay đổi tỷ lệ thuận với khẩn cấp truyền tin Sự khẩn cấp truyền tin cao ưu tiên lớn ngược lại Vì vậy, ưu tiên lai thể thông qua việc chia trường ID (n bit) thành hai lớp nhỏ Hình [4] Prio_dyn Prio_dynmax f(u) us u Hình Đồ thị thể mối quan hệ u Prio_dyn Hình Cấu trúc trường ID sử dụng sách lược ưu tiên lai Trong đó, lớp (gồm m bit có số cao nhất) thể tính khẩn cấp truyền tin thông điệp, gọi lớp ưu tiên động (ký hiệu Prio_dyn) Giá trị lớp thay đổi q trình hệ thống làm việc luồng liệu có giá trị ưu tiên động Lớp (gồm (n-m) bit) ưu tiên cố định nhất, xác định trước hệ thống làm việc, lớp ưu tiên gọi lớp ưu tiên tĩnh (ký hiệu Prio_sta) Tính lớp đảm bảo khơng có hai hay nhiều nút mạng có giá trị trường ID Thuật ngữ “ưu tiên lai” kết hợp ưu tiên động ưu tiên tĩnh Quá trình phân xử truy nhập đường truyền thực trước tiên việc so sánh lớp (Prio_dyn) trước Khi có nhiều thơng điệp có giá trị Prio_dyn, việc so sánh giá trị lớp (Prio_sta) xác định luồng liệu phép truy nhập đường truyền 2.2 Tính tốn lớp ưu tiên động Tính tốn lớp ưu tiên động thực điều khiển thông qua hàm số Hình hàm số cơng thức(1)  u , 0 u  us  Prio _ dynmax us (1) f (u )    Prio _ dyn ,u  us max  đó: us giá trị bão hịa, có nghĩa giá trị u lớn giá trị bão hịa mức ưu tiên động ln đạt giá trị lớn (Prio_dynmax) 2.3 Mã hóa mức ưu tiên vào trường ID Gọi giá trị lớp ID_sta giá trị lớp ID_dyn Giá trị ID_sta cài đặt trước hệ thống làm việc, cịn giá trị ID_dyn mã hóa lại từ mức ưu tiên động sau chu kỳ Lớp ưu tiên động gồm bit cho phép biểu diễn 28 = 256 mức ưu tiên từ đến 255 Mức ưu tiên động (kí hiệu Prio_dyn) nhỏ Prio_dynmin = ứng với trường ID_dyn gồm bit lặn (bit 1) Mức ưu tiên động lớn Prio_dynmax = 255 ứng với trường ID_dyn gồm bit trội (bit 0) Phương trình mối quan hệ giá trị (hệ thập phân) trường ID_dyn mức ưu tiên động công thức (2): (2) ID _ dyn  256  Prio _ dyn 2.4 Thực thi sách lược ưu tiên lai Sơ đồ thực thi sách lược ưu tiên lai qua mạng CAN thể Hình Quá trình thực thi sách lược ưu tiên lai sau:  Tại thời điểm tk, cảm biến lấy mẫu tín hiệu đầu yk vànhận giá trị ưu tiên động gửi từ điều khiển chu kỳ trước (thời điểm tk-1), sau cảm biến sử dụng mức ưu tiên (Prio_dynk-1) để gửi thông điệp (chứa yk) đến điều khiển  Bộ điều khiển sau nhận tín hiệu yk từ cảm biến, thực tính tốn tín hiệu điều khiển ukvà tính tốn mức ưu tiên động Prio_dynk gửi thơng điệp chứa tín hiệu lên mạng Sau cấu chấp hành nhận giá trị uk áp dụng vào đối tượng điều khiển, cảm biến nhận Prio_dynk để sử dụng chu kỳ sau (thời điểm tk+1) Về mức ưu tiên động mà điều khiển sử dụng để gửi thơng điệp, có giải pháp: là, sử dụng giá trị Prio_dynk vừa tính xong [2], [3]; hai là, sử dụng mức ưu tiên động lớn Prio_dynmax [4] 18 Nguyễn Trọng Các, Đinh Văn Nhượng Hình Sơ đồ thực thi sách lược ưu tiên lai Trong báo này, đề xuất giải pháp mà điều khiển ln có mức ưu tiên động lớn Chú ý: thời điểm lấy mẫu (t0 = 0) cảm biến chưa có ưu tiên động để sử dụng, báo đề xuất cảm biến ln có ưu tiên động lớn thời điểm lấy mẫu Thực thi ứng dụng điều khiển trình qua mạng CAN 3.1 Sơ đồ cấu trúc Sơ đồ cấu trúc hệ liên tục khơng có nối mạng truyền thơng thực thi thông qua ứng dụng điều khiển trình, mơ hình hệ thống thể Hình Do đó, tìm Td = 0,035 (s), K = 0,5382 3.2 Xác định hàm truyền hệ thống điều khiển vịng kín Tham chiếu đầu vào hàm bước nhảy đơn vị có R(s) = 1/s, đầu Y(s) Hàm truyền đạt hệ thống vịng kín là: 2000 K (1  Td s) F ( s)  (4) s  (2  2000 KTd ) s  2000 K n2 (1  Td s) (5) s  2n s  n2 đó, n tần số riêng (rad/s),  hệ số tắt dần Để tìm n , ta tiến hành đồng đa thức mẫu số F ( s)  công thức (4) (5), tìm n = 32,8(rad/s),  = 0,6 Hình Sơ đồ hệ thống điều khiển liên tục nối mạng truyền thơng Các tham số sơ đồ giải thích sau: R(s), E(s), U(s), Y(s) biến đổi Laplace tín hiệu tham chiếu đầu vào đơn vị r(t), sai lệch e(t), tín hiệu điều khiển u(t), tín hiệu đầu y(t) Đối tượng điều khiển có hàm truyền đạt sau: 1000 G(s)  s (0,5 s  1) Bộ điều khiển sử dụng điều khiển PD có hàm truyền đạt là: PD  K (1  sTd ) Độ dự trữ pha G(s) Pm0 = 2,60 tần số cắt c=44,7(rad/s) (tần số mà G ( j c )  1[5]) Độ dự trữ pha nhỏ (dự trữ pha cần đạt khoảng 450 đến 600 [6]), mục đích ban đầu điều khiển PD để bù pha, cho góc pha 600 tần số c Muốn vậy, điều khiển phải bù thêm pha dương c = 600 – Pm0 Để thực việc này, phải có: tg (c )  Td c (3)  20 log( K (1  jcTd ))  3.3 Chọn chu kỳ trích mẫu Chu kỳ trích mẫu thiết kế điều khiển rời rạc không phù hợp với định lý Shanon, mà cịn lựa chọn theo quy tắc gọi quy tắc thực nghiệm Một quy tắc thực nghiệm thường sử dụng 0,1  n h  0,6[7] Với n = 32,8(rad/s), chu kỳ trích mẫu h nằm khoảng 3,05ms h 18,29ms Trong báo xem xét vớih = 10ms 3.4 Tính tốn luật điều khiển Để tính tốn tín hiệu điều khiển uk, điều khiển số vi phân tỉ lệ (PD) sử dụng Bộ điều khiển số PD bao gồm hai thành phần: thành phần tỉ lệ Pk thành phần vi phân Dk Luật điều khiển tính tốn theo công thức sau:  Pk  Kek  Td NKTd  Dk 1  (ek  ek 1 )  Dk  Nh  T Nh  Td d  uk  Pk  Dk  (6) đó: ek = rk - yk; N tham số lọc, có giá trị khơng đổi lấy khoảng từ 25 đến 75 [7] Trongbài báo xem xét với N = 50 3.5 Điều kiện thực thi mạng CAN  Chúng xem xét thực thi ứng dụng điều khiển q trình thơng qua mạng CAN (Hình 6), ký hiệu ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN P1, P2, P3, P4 Mỗi ứng dụng điều khiển q trình có tác vụ nằm máy tính khác nhau, là: tác vụ điều khiển, tác vụ cảm biến tác vụ chấp hành Như vậy, có 12 máy tính khác ứng dụng điều khiển q trình kết nối với thơng qua mạng CAN, có luồng liệu (4 luồng fsc luồng fca) khác lưu thông mạng Chúng xem xét luồng liệu fsc đồng có chu kỳ trích mẫu h 19 n    i n i 1 (8)  nhỏ QoS tốt ngược lại 3.8 Công cụ để thực mô Phần mềm sử dụng để mô cho nội dung nghiên cứu có tên TrueTime [8], công cụ chạy Matlab/Simulink cho phép mô hệ thống điều khiển phân tán thời gian thực Đánh giá kết 4.1 Đánh giá chất lượng dịch vụ (QoS) Các kết đánh giá QoS sách lược ưu tiên tĩnh sách lược ưu tiên lai trình bày Bảng với giá trị trễ truyền thơng trung bình ứng dụng điều khiển trình Bảng Bảng số liệu đánh giá QoS( ms) Hình Sơ đồ thiết lập mô với ứng dụng điều khiển trình  Tốc độ bit lớp vật lý CAN chọn 125 kbit/s  Chiều dài toàn thông điệp chọn 80 bit [8]  Xem xét với sách lược ưu tiên tĩnh (để làm tham chiếu so sánh với sách lược ưu tiên lai): Một kết luận quan trọng đưa để đảm bảo trễ truyền thơng nhỏ Prio_stafca>Prio_stafsc [9] Đối với trình Pi ưu tiên luồng liệu fcai fsci Prio_sta fcai>Prio_sta fsci Như vậy, ứng dụng điều khiển q trình, phải có: Prio _ sta fca1  Prio _ sta fca  Prio _ sta fca3  Prio _ sta fca   Prio _ sta fsc1  Prio _ sta fsc  Prio _ sta fsc  Prio _ sta fsc (7) Thứ tự ưu tiên công thức (7) sử dụng lớp ưu tiên tĩnh (lớp Hình 2) sách lược ưu tiên lai 3.6 Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng điều khiển Trong nội dung nghiên cứu sử dụng độ điều chỉnh đáp ứng thời gian đầu ray (t) để đánh giá chất lượng điều khiển QoC (Quality of Control) 3.7 Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng dịch vụ Chất lượng dịch vụ QoS (Quality of Service) xem xét đánh giá thông qua giá trị trung bình trễ truyền thơng chu kỳ Gọiilà trễ truyền thơng chu kỳ trích mẫuhi (tức từ thời điểm ti tới thời điểm ti+1) n số chu kỳ trích mẫu thời gian xác lập Chúng ta có trễ thời gian trung bình tồn chu kỳ trích mẫu là: P1 P2 P3 P4  max   Ưu tiên tĩnh 0,6 1,2 1,8 2,4 1,8 Ưu tiên lai 2,29 2,37 2,43 2,57 0,28 Nhận xét: Đối với ưu tiên tĩnh, ứng dụng có ưu tiên tĩnh cao trễ nhỏ (P1 có ưu tiên cao nhất, nên có trễ nhỏ P4 có ưu tiên thấp nhất, nên có trễ lớn nhất) Điều hợp lý, ưu tiên cao tương ứng với hội truy nhập đường truyền nhanh Đối với sách lược ưu tiên lai, trễ truyền thơng trung bình ứng dụng cân so với ưu tiên tĩnh; điều hợp lý tác động lớp ưu tiên động sách lược ưu tiên lai Nếu xét giá trị sai lệch trễ trung bình lớn ( max ) nhỏ ( ), ta thấy giá trị sai lệch ưu tiên lai 0,28 ms thấp nhiều so với giá trị ưu tiên tĩnh 1,8 ms Qua đó, thấy ưu điểm ưu tiên lai so với ưu tiên tĩnh 4.2 Đánh giá chất lượng điều khiển (QoC) QoC xem xét đánh giá sách lược ưu tiên tĩnh sách lược ưu tiên lai ứng dụng điều khiển q trình thơng qua độ q điều chỉnh đáp ứng thời gian đầu ray (t), trình bày Hình Nhận xét: QoC hệ QoS Do đây, thấy kết luận QoC sách lược ưu tiên (tĩnh lai) tương tự kết luận QoS Cụ thể, sách lược ưu tiên tĩnh, ưu tiên cao QoC tốt; sách lược ưu tiên lai, QoC ứng dụng điều khiển cân so với sách lược ưu tiên tĩnh Do đó, có giới hạn QoC yêu cầu, sách lược ưu tiên lai cho phép cài đặt nhiều ứng dụng mạng so với ưu tiên tĩnh.Ví dụ, u cầu độ q điều chỉnh khơng vượt 42,2% Từ Hình thấy, sách lược ưu tiên tĩnh cho phép cài đặt ứng dụng điều khiển trình, ngược lại sách lược ưu tiên lai cho phép cài đặt đến ứng dụng điều khiển trình Kết luận Trong báo này, đề xuất sách lược 20 Nguyễn Trọng Các, Đinh Văn Nhượng ưu tiên lai để truy nhập đường truyền nút mạng cho hệ thống điều khiển qua mạng CAN tiêu chuẩn 11 bit nhằm nâng cao QoS, từ nâng cao QoC Các kết mô cho thấy, sách lược ưu tiên lai, trễ truyền thơng trung bình (QoS) ứng dụng cân so với sách lược ưu tiên tĩnh Từ cân QoS dẫn đến cân QoC; QoC hệ QoS, QoS tốt QoC tốt ngược lại Thực thi với sách lược ưu tiên lai cho phép cài đặt nhiều ứng dụng mạng so với sách lược ưu tiên tĩnh Do vậy, giao thức truy nhập đường truyền mạng CAN sử dụng hệ thống điều khiển qua mạng đáp ứng yêu cầu tính khẩn cấp truyền tin, yêu cầu chất lượng điều khiển Do đó, việc sử dụng sách lược ưu tiên “mềm dẻo” cần thiết mà chúng tơi trình bày y(t) 1.6 y(t) 1.6 P4 P3 P2 P1 1.5 1.4 1.5 1.3 1.3 1.2 1.2 1.1 1.1 1 0.9 200 P 1, P2, P3, P4 1.4 400 600 time (ms) 800 1000 0.9 200 400 600 time (ms) 800 1000 Hình Đồ thị đáp ứng thời gian đầu ray(t) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Robert Bosch GmbH, “CAN specification version 2.0, Parts A and B”, 1991 [2] Manel Velasco, Pau Martí, Rosa Castané, Josep Guardia and Josep M Fuertes, “A CAN application profile for control optimization in Networked Embedded Systems”, 32nd Annual Conference on IEEE Industrial Electronics, Paris, pp 4638-4643 [3] Pau Martí, Antonio Camacho, Manel Velasco and Mohamed El Mongi Ben Gaid, “Runtime allocation of optional control jobs to a set of CAN-based Networked Control Systems”, IEEE Transactions on Industrial Informatics, Vol 6, No 4, pp 503-520 [4] Guy Juanole and Gérard Mouney, “Networked Control Systems: Definition and analysis of a hybrid priority scheme for the message scheduling”, 13th IEEE conference on Embedded and Real-Time Computing Systems and Applications, Korea, pp 267-274 [5] Benjamin C Kuo, Farid Golnaraghi, “Automatic Control Systems”, 8th Edition, John Wiley & Sons, INC, 2003, page 236-245 [6] John J D’Azzo, C H Houpis, “Linear Control System Analysis and Design: Conventional and Modern”,4th Edition, McGraw-Hill, New York, 1995, page 301 [7] Karl J Åström and B Wittenmark, “Computercontrolled systems: theory and design”3th Edition, Prentice Hall, 1997 [8] Martin Ohlin, Dan Henrikssonand Anton Cervin, “TrueTime 1.5Reference Manual”, Lund Institute of Technology, Sweden, 2007 [9] Guy Juanole, Gerard Mouney, Christophe Calmettes, Marek Peca, “Fundamental considerations for implementing control systems on a CAN network”, 6th International Conference on Fielbus Systems and their Applications, Mexico, 2005, pp 280-285 (BBT nhận bài: 28/06/2015, phản biện xong: 28/07/2015) ... Nguyễn Trọng Các, Đinh Văn Nhượng ưu tiên lai để truy nhập đường truy? ??n nút mạng cho hệ thống điều khiển qua mạng CAN tiêu chuẩn 11 bit nhằm nâng cao QoS, từ nâng cao QoC Các kết mô cho thấy, sách... nhiều ứng dụng mạng so với sách lược ưu tiên tĩnh Do vậy, giao thức truy nhập đường truy? ??n mạng CAN sử dụng hệ thống điều khiển qua mạng khơng thể đáp ứng u cầu tính khẩn cấp truy? ??n tin, yêu... thi ứng dụng điều khiển trình qua mạng CAN 3.1 Sơ đồ cấu trúc Sơ đồ cấu trúc hệ liên tục khơng có nối mạng truy? ??n thơng thực thi thơng qua ứng dụng điều khiển q trình, mơ hình hệ thống thể Hình