Nghiên cứu ảnh hưởng của trễ truyền thông trong hệ thống điều khiển phân tán (DCS) để nâng cao chất lượng điều khiển
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM QUANG ĐĂNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS) ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN Chuyên ngành: Tự động hóa Mã số: 62.52.60.01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà nội – 2007 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà nội NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS. Bùi Quốc Khánh TS. Nguyễn Văn Khang Phản biện 1: PGS. TS. Lê Mỹ Tú Phản biện 2: PGS. TS. Thái Quang Vinh Phản biện 3: PGS. TS. Tô Văn Dực Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp nhà nước họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà nội, vào hồi 9 giờ 00 ngày 10 tháng 08 năm 2007. Có thể tìm hiểu luận án tại: 1. Thư Viện Quốc gia 2. Thư viện Trường Đại học Bách khoa Hà nội CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ (Liên quan tới đề tài nghiên cứu của luận án) 1. Bùi Quốc Khánh, Phạm Quang Đăng, Hệ thống điều khiển thời gian thực có xét tới trễ truyền thông, Tuyển tập báo cáo khoa học, Hội thảo toàn quốc lần thứ nhất về cơ điện tử, 2002. 2. Phạm Quang Đăng, Bùi Quốc Khánh, Điều khiển hệ truyền động nhiều trục tích hợp truyền thông kỹ thuật số, Tuyển tập các báo cáo khoa học, Hội nghị toàn quốc lần thứ 6 về Tự động hóa (VICA6), 2005. 3. Phạm Quang Đăng, Bùi Quốc Khánh, Điều khiển phân tán trong hệ truyền động nhiều trục, Tuyển tập các bài báo khoa học, Hội nghị khoa học lần thứ 20 Trường Đại học Bách khoa Hà nội, 2006. 4. Phạm Quang Đăng, Bùi Quốc Khánh, Điều khiển hệ truyền động phân tán có xét tới trễ truyền thông, Tuyển tập báo cáo khoa học hội nghị toàn quốc lần thứ ba về cơ điện tử - VCM2006, 2006. 24 Một số kiến nghị Từ kết quả nghiên cứu của luận án ta có thể thấy một số hướng nghiên cứu có thể cần thực hiện trong tương lai để cải thiện chất lượng của hệ thống điều khiển. Về mặt truyền thông, việc tìm kiếm một giao thức truyền thông với trễ truyền thông tiền định hơn, có sự đả m bảo truyền thông cao hơn là cần thiết. Với giao thức truyền thông có trễ tiền định mô hình hệ thống sẽ đơn giản hơn và giảm nhẹ gánh nặng tính toán cho các thuật toán điều khiển. Về mặt điều khiển, vấn đề áp dụng lý thuyết xác suất thống kê cho nghiên cứu phát triển các bộ điều khiển cần phải được đầu tư nghiên cứu thêm. Mộ t số hướng nghiên cứu về vấn đề điều khiển có thể cần thực hiện trong tương lai để cải thiện chất lượng của hệ thống điều khiển. Cụ thể như sau: Phương pháp lập lịch cho bộ điều khiển nhiều chế độ được xây dựng trên nền tảng đánh giá xác suất của trễ truyền thông ở đầu mỗi chu kỳ và được thực hiện thông qua phương pháp mô hình hóa trễ bằng xích Markov. Trường hợp không xác định được các trạng thái Markov chưa được đề cập và cần phải nghiên cứu thêm. Các nghiên cứu nhằm xác định thời điểm T deadline (gianh giới giữa vùng tính toán điều khiển với mẫu đo về và vùng tính toán điều khiển với giá trị ước lượng) tối ưu chưa được đề cập và cần phải đầu tư nghiên cứu thêm. Chiến lược lập lịch động với chu kỳ lấy mẫu có thể thay đổi on- line nhằm mở rộng “hạn chót” cho việc truyền thông điệp trong trườ ng hợp mạng quá tải ngắn hạn có thể cần được nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng điều khiển. Điều này đưa tới hướng nghiên cứu mới nhằm phát triển các luật điều khiển thông minh có sự kết hợp cả tham số điều khiển và truyền thông. 1 GIỚI THIỆU CHUNG Cơ sở lựa chọn đề tài Sức ép của cạnh tranh trên thị trường đòi hỏi các hệ thống sản xuất phải linh hoạt hơn, phải có khả năng mở rộng cả về vật lý cũng như các chức năng, phải có khả năng ứng dụng nhanh chóng những thành tựu mới của khoa học công nghệ để giảm chi phí, nâng cao chất lượ ng sản phẩm. Các hệ thống truyền thông sử dụng bus truyền thông chung có thể đáp ứng được yêu cầu đó. Tuy nhiên việc sử dụng hệ thống truyền thông bus chung thay thế cho phương pháp truyền thông điểm - điểm làm nảy sinh những khó khăn mới đó là các trễ truyền thông giữa các sensor, cơ cấu chấp hành và bộ điều khiển. Các thành phần trễ này làm giảm chất lượng đ iều khiển, thậm chí gây ra sự mất ổn định của hệ thống, làm hạn chế khả năng ứng dụng của các mạng truyền thông kỹ thuật số trong nhiều ứng dụng công nghiệp có yêu cầu cao về vấn đề đáp ứng thời gian thực. Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của trễ truyền thông trong hệ thống điều khiển phân tán để nâng cao chất lượ ng điều khiển” được lựa chọn nhằm nghiên cứu phát triển phương pháp cải thiện chất lượng điều khiển, hạn chế các sai lệch điều khiển do ảnh hưởng của trễ truyền thông, mở rộng khả năng ứng dụng của các hệ thống điều khiển phân tán sử dụng mạng truyền thông số và các hệ truyền động phân tán. Phương pháp và nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu có sự kết hợp của các phương pháp sau: • Nghiên cứu lý thuyết • Nghiên cứu thống kê • Mô phỏng và thực nghiệm Nội dung của luận án bao gồm: • Nghiên cứu tổng quan về điều khiển phân tán DCS (Distributed Control System) sử dụng mạng truyền thông số và các vấn đề tồn tại của nó từ đó xác định nhiệm vụ, m ục tiêu nghiên cứu của đề tài. 2 • Nghiên cứu về truyền thông và trễ truyền thông, đặc điểm của trễ truyền thông và phương pháp mô hình hóa trễ truyền thông. • Nghiên cứu về ảnh hưởng của trễ truyền thông trong hệ thống điều khiển phân tán. • Nghiên cứu khắc phục ảnh hưởng trễ truyền thông để nâng cao chất lượng của hệ thống điều khiển phân tán có ảnh hưởng củ a trễ truyền thông. Luận án có đóng góp những điểm mới sau: • Phát triển các phương trình giải tích khảo sát trễ truyền thông trong mạng Ethernet công nghiệp sử dụng Switch làm cơ sở cho việc thiết kế hệ thống mạng Ethernet công nghiệp sử dụng cho các ứng dụng điều khiển. • Phát triển thêm mô hình hệ thống điều khiển với phương pháp lấy mẫu tuầ n tự, phương pháp lấy mẫu phổ biến trong các hệ thống điều khiển thực tế. • Phát triển bộ điều khiển đa chế độ với khâu ước lượng trạng thái sử dụng lọc Kalman có hệ số lọc thay đổi làm cơ sở cho việc thiết kế các bộ điều khiển sao cho hệ thống có khả năng vượt qua trạ ng thái bão hòa tạm thời. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học của đề tài là phân tích ảnh hưởng của trễ truyền thông tới chất lượng điều khiển trong các chế độ bão hòa và bão hòa tạm thời, phát triển mô hình toán học của hệ thống điều khiển có trễ truyền thông với các phương pháp lấy mẫu khác nhau và bộ điều khiển đa chế độ nhằm khắc phục ảnh hưởng của hiện tượng bão hòa tạm thời. Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng để phát triển các luật điều khiển nhằm nâng cao chất lượng hệ thống, giảm tần suất xảy ra sự cố do tác động của trễ truyền thông đồng thời mở rộng khả năng ứng dụng mạng truyền thông kỹ thuật số và điều khiển phân tán cho các ứng dụng điều khiển truyền động và điều khiển chuyển động. 23 mạng không có nhiễu và không dùng để truyền thông tin sự kiện). Trên mô hình thí nghiệm hệ thống có thể mở rộng giới hạn làm việc ổn định từ tần số lấy mẫu 250Hz tới 400Hz và do vậy mở rộng khả năng ứng dụng của hệ thống điều khiển. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Các kết quả nghiên cứu đưa tớ i các kết luận sau: 1. Trễ truyền thông và tính bất định của trễ truyền thông là tồn tại khách quan của các mạng truyền thông số và nó làm suy giảm chất lượng điều khiển trong hệ thống điều khiển sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số. Ảnh hưởng của trạng thái nghẽn mạng tạm thời là nguyên nhân chính làm hạn chế khả năng ứng dụ ng của hệ thống điều khiển sử dụng mạng trong nhiều ứng dụng công nghiệp nói chung, trong các hệ điều khiển truyền động nói riêng. 2. Bộ điều khiển đa chế độ với khâu ước lượng dùng lọc Kalman cho phép khắc phục ảnh hưởng của hiện tượng nghẽn mạng tạm thời và nâng cao chất lượng điều khiển. Các khảo sát trên mô hình mô ph ỏng và thí nghiệm của hệ truyền động phân tán 2 trục cho kết quả tốt. Trên mô hình thực nghiệm đã đạt được các cải thiện như sau: Chất lượng điều khiển được nâng cao: Ở chu kỳ lấy mẫu 4ms, chỉ số ITAE với trường hợp sử dụng bộ điều khiển đa chế độ mới tương ứng là 146 so với sử d ụng bộ điều khiển thường là 244. Giới hạn trên của tần số lấy mẫu được mở rộng từ 250Hz tới 400Hz với bộ điều khiển đa chế độ. Biên độ của sai lệch quỹ đạo được cải thiện. Tại chu kỳ lấy mẫu 4ms biên độ sai lệch là trên 0,2rad khi sử dụng bộ điều khiển thông th ường và là 0,05rad khi sử dụng bộ điều khiển đa chế độ ở mô hình thực nghiệm. 22 Hình 5-8. Sai lệch quỹ đạo trong các trường hợp sử dụng bộ điều khiển thông thường và bộ điều khiển đa chế độ trên mô hình mô phỏng 50 100 150 200 250 300 350 400 450 100 150 200 250 300 350 400 Tan so lay mau (Hz) ITAE Bo dieu khien thong thuong Bo di eu khien da che do Hình 5-12. Khảo sát tiêu chuẩn ITAE trong các trường hợp sử dụng bộ điều khiển đa chế độ và bộ điều khiển thông thường trên mô hình thí nghiệm Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng chất lượng điều khiển chung được cải thiện, giới hạn trên của tần số lấy mẫu được mở rộng, hệ thống có thể làm việc ở những tần số lấy mẫu gần với trường hợp lý tưởng (khi 3 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN DÙNG MẠNG TRUYỀN THÔNG SỐ Chương 1 trình bày tổng quan về hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất và điều khiển phân tán sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số, phân tích các ưu điểm của việc ứng dụng các hệ điều khiển phân tán và mạng truyền thông số trong sản xuất. Qua đó thấy rõ đượ c xu hướng phát triển nổi bật của các hệ tự động hóa quá trình sản xuất là phân cấp và phân tán quá trình tính toán điều khiển đồng thời có sự tích hợp mạng truyền thông số. Trong chương này cũng đã phân tích đặc điểm và tính chất của các dạng thông tin trong hệ tự động hóa quá trình sản xuất và hệ thống điều khiển phân tán sử dụng mạng truyền thông số. Một hướng ứng dụng mới của điều khiển phân tán là ứng dụng điều khiển các hệ truyền động và chuyển động, làm ra đời các hệ điều khiển truyền động phân tán (DDCS). Trễ truyền thông là cản trở chính cho việc ứng dụng điều khiển phân tán cho các ứng dụng đòi hỏi khắt khe về tính thời gian thực như các hệ truyền động và chuyển động. M ục 1.3 của luận án trình bày về trễ trong hệ điều khiển phân tán và vấn đề nghiên cứu khắc phục ảnh hưởng của nó trong các hệ thống điều khiển. Trễ điều khiển trong các mạch vòng điều khiển thực hiện bằng hệ thống điều khiến phân tán bao gồm cả trễ tính toán và trễ truyền thông trong đó trễ truyền thông là thành phần chủ yế u trong việc tạo ra trễ điều khiển và nó còn mang tính bất định. Sự chậm trễ nói chung, hoặc ít hoặc nhiều đều gây ra sự suy giảm chất lượng điều khiển. Vấn đề nghiên cứu khắc phục ảnh hưởng của trễ truyền thông đã được đề cập nghiên cứu theo hai hướng chính là: 1) cải tiến thiết bị và giao thức truyền thông nhằm giảm trễ truyền thông và tính b ất định của nó và 2) coi trễ truyền thông như tồn tại khách quan và phát triển các thuật toán điều khiển khắc phục ảnh hưởng của nó. Theo hướng thứ hai, vấn đề về phân tích thiết kế hệ thống điều khiển có trễ truyền thông đã được đề cập nghiên cứu. Tuy nhiên hệ thống chưa được xem xét đồng thời cả 4 dưới góc độ điều khiển và truyền thông, ảnh hưởng của trễ truyền thông trong các trạng thái khác nhau, đặc biệt là trạng thái nghẽn mạng tạm thời chưa được đề cập nghiên cứu một cách hệ thống. Để nâng cao chất lượng điều khiển của các hệ thống điều khiển có trễ truyền thông, mở rộng khả năng ứng dụng của các hệ truyền động phân tán đòi hỏi ta phải đồng thời xem xét hệ thống dưới cả góc độ điều khiển và truyền thông và nhiệm vụ nghiên cứu đặt ra với đề tài là: • Nghiên cứu, phân tích nguyên nhân và đặc điểm của trễ truyền thông trong các hệ thống mạng truyền thông phổ biến trong công nghiệp. Xác định nguyên nhân của trễ truyền thông là do đâu? Đặc điểm của nó như thế nào và với trình độ khoa học công nghệ hiện tại có thể loại bỏ được nó hay không?; • Nghiên cứu ảnh hưởng của trễ truyền thông tới chất lượng điều khiển. Xác định các dạng ảnh hưởng khác nhau của trễ truyền thông tới chất lượng điều khiển và nguyên nhân hạn chế phạm vi ứng dụng của các hệ điều khiển phân tán sử dụng m ạng. • Nghiên cứu phát triển mô hình hệ thống với các trường hợp lấy mẫu khác nhau. Từ đó nghiên cứu phát triển các phương pháp khắc phục ảnh hưởng của trễ truyền thông nhằm mục tiêu nâng cao chất lượng điều khiển để mở rộng khả năng ứng dụng của điều khiển phân tán và truyền động phân tán. Chương 2. MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ Đ IỀU KHIỂN PHÂN TÁN Chương 2 trình bày kiến trúc mạng trong hệ thống điều khiển phân tán và một số giao thức mạng sử dụng phổ biến trong công nghiệp làm cơ sở cho việc phân tích trễ truyền thông trong các chương tiếp theo. 2.1 Kiến trúc của hệ thống mạng trong điều khiển phân tán Về mặt kiến trúc mạng, hệ thống mạng truyền thông cho điều khiển dùng để kết nối truyền tin giữa các thiết bị như sensor, cơ cấu chấp hành và các bộ điều khiển nhằm đạt được mục tiêu là sử dụng ít dây dẫn và dễ dàng bảo 21 Với cách mô tả trạng thái của trễ như (5.23), ở phía bộ điều khiển ta có: kk kk ek ek ek wsysCxsδ== + (5.26) và các hệ số lọc Kalman sẽ trở thành: 1 2 11 TT k kk kk KPCCPCR − −− ⎡ ⎤ = Φ + ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ; (5.27) 1 2 11 TT k kk kk KPCCPCR − −− ⎡ ⎤ = + ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ; (5.28) 1 1 T kk kk PP + = ΦΦ+ R; (5.29) 1 2 11 1 1 1 1 TT kk kk ekkk kk k PPsPCCPCRC − ++ + + + + k P ⎡ ⎤ = − + ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ; (5.30) với 1 2 0 0 ek R R s R ⎛⎞ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ = ⎟ ⎜ ⎟ ⎟ ⎜ ⎝⎠ 0| 1 0 () ; x Ex − = 0| 1 0 0 () T PEx − = ; x ; 5.3.5 Áp dụng cho điều khiển chuyển động nhiều trục sử dụng mạng CAN Sử dụng hệ thống truyền động nhiều trục điều khiển vị trí. Mô hình hóa hệ thống trên MATLAB/Simulink TM và khảo sát hoạt động của mô hình hệ thống điều khiển, so sánh đáp ứng điều khiển trong các trường hợp sử dụng bộ điều khiển thông thường, bộ điều khiển hai chế độ sử dụng mẫu cũ và bộ điều khiển hai chế độ với bộ lọc Kalman. Hình 5-8 cho ta kết quả mô phỏng so sánh sai lệch quỹ đạo chuy ển động trong các trường hợp sử dụng và không sử dụng bộ ước lượng trạng thái. Kết quả cho thấy sai lệch điều khiển do hiện tượng bão hòa tạm thời đã được giảm thiểu một cách đáng kể. Áp dụng bộ điều khiển hai chế độ với khâu ước lượng trạng thái sử dụng lọc Kalman cho mô hình thí nghiệm hệ điều khi ển truyền động hai trục XY điều khiển vị trí. Kết quả khảo sát so sánh hai trường hợp sử dụng bộ điều khiển với khâu ước lượng trạng thái bằng lọc Kalman và sử dụng bộ điều khiển thông thường cho ta hình ảnh về chất lượng điều khiển với các tần số lấy mẫu trên hình 5- 12. 20 5 .com d pre wait tx post 5.3.3 Bộ điều khiển với khâu ước lượng trạng thái sử dụng bộ lọc Kalman với hằng số lọc thay đổi trì hơn so với kiến trúc truyền thông điểm - điểm trong các hệ thống điều khiển truyền thống. Các thiết bị trong hệ thống điều khiển được nối vào mạng có thể gồm các sensor thông minh, các cơ cấu chấp hành thông minh, các bộ điều khiển mạng, các máy tính thực hiện chức năng vận hành và kỹ thuật. Có thể nhận thấy với bộ điều khiển nhiều chế độ thì giá trị ước lượng chỉ có giá trị trong chu kỳ điều khiển tiếp sau. Ta có thể lập lịch để quá trình tính toán lọc Kalman được khởi động tạ i một thời điểm cố định trong chu kỳ điều khiển để đảm bảo quá trình tính toán sẽ kết thúc trong chu kỳ đó. Như vậy có thể xảy ra các trường hợp sau: 2.2 Giao thức mạng (Network protocol) trong điều khiển phân tán Hình 5-6. Bộ điều khiển hai chế độ với khâu ước lượng trạng thái bằng lọc Kalman Hầu hết các giao thức mạng được xây dựng dựa trên chuẩn mô hình 7 lớp ISO/OSI (International Standards Organization/Open Systems Interconnection) và sử dụng cùng dạng lược đồ địa chỉ đầu/cuối. Trong luận án ba loại mạng được sử dụng phổ biến trong công nghiệp với ba phương pháp truy nhập mạng điển hình là CSMA/CD, token passing và CSMA/AMP được phân tích. • Mẫu tới trước thời điểm khởi động tính toán; 2.3 Đánh giá hiệu năng của mạng truyền thông Dưới góc độ điều khiển ta cần quan tâm tới hai điểm chính được tổng hợp từ các yếu tố trên là: trễ truyền thông và sự đảm bảo truyền tin. • Mẫu tới sau thời điểm khởi động tính toán. Ở đây chúng ta phải giải quyết vấn đề tính toán lọc Kalman trong tr ường hợp mẫu tới sau thời điểm khởi động tính toán. Khi đó ta hoàn toàn không có thông tin về đầu ra của quá trình và do vậy không thể tính được thành phần hiệu chỉnh của bộ lọc Kalman. Để mô tả sự kiện tới của mẫu so với thời điểm bắt đầu của quá trình tính toán bộ lọc Kalman, T Kalman (tính từ đầu chu kỳ điều khiển), ta định nghĩa một biến ngẫu nhiên nhị phân s e để biểu diễn trạng thái trễ của mẫu so với thời điểm bắt đầu tính toán bộ lọc Kalman tương tự như s c như sau: () ⎧ Chương 3. NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG Chương này trình bày các phân tích, nghiên cứu về trễ truyền thông, các thành phần và nguyên nhân của nó. Trên cơ sở đó tiến hành khảo sát cụ thể trễ truyền thông trong một số mạng truyền thông tiêu biểu trong công nghiệp. Các trạng thái nghẽn mạng (bão hòa) và nghẽn mạng tạm thời cũng được đề cập. (5.23) () | 1; sc kKalman ek sc kKalman T s T τ τ ⎪ ∀≤ ⎪ ⎪ = ⎨ ⎪ ∀ > ⎪ ⎪ ⎩ (0) (1) 1| | 1 | 1 1| kk kk kk kk kk ekk k xx vvsKyCx ∧ + −− − ⎛⎞ ⎟ ⎜ = Φ + Γ + Γ + − ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎝⎠ 3.1 Trễ truyền thông và các thành phần của trễ truyền thông Trễ truyền thông được biểu diễn theo phương trình sau: TTTTT=+ ++ 0; (3.1) Ta có viết phuơng trình bộ lọc Kalman mới như sau: ∧∧ Trong đó T com.d là trễ truyền thông, T pre là trễ tiền xử lý, T wait là thời gian đợi truyền tin, T tx là thời gian truyền tin và T post là trễ xử lý trên nút nhận. (5.24) ||1 | | k kk kk kk ek k xx sKyCx ∧∧ ∧ − ⎛⎞ ⎟ ⎜ =+ − ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎝⎠ 1 − (5.25) 6 19 () () 1; 0; sc deadline c sc deadline T s T τ τ ⎧ ⎪ ∀≤ ⎪ ⎪ = ⎨ ⎪ ∀ > ⎪ ⎪ ⎩ T pre là thời gian cần thiết để thực hiện các tính toán, mã hóa dữ liệu cần thiết trước khi truyền dữ liệu như thời gian tính toán kích thước dữ liệu, phân chia dữ liệu, tính toán mã kiểm tra, mã hóa dữ liệu, (5.17) Khi s c = 0 bộ điều khiển sẽ lấy giá trị w k-1 để tính toán giá trị điều khiển thay cho w k . Trong bộ điều khiển sử dụng giá trị “0” với chế độ lỗi thì giá trị “0” sẽ được sử dụng để thay thế cho w k khi s c = 0. 5.3.2 Lựa chọn chế độ trong bộ điều khiển nhiều chế độ Bộ lựa chọn chế độ làm việc của bộ điều khiển sẽ lựa chọn chế độ điều khiển luồng thông tin và chế độ lập lịch cho bộ điều khiển trong các chế độ làm việc khác nhau. Việc điều khiển luồng thông tin được thực hiện theo (5.17). Phương pháp lập lịch cải tiến nhằm thu được hiệ u năng cao hơn là thực hiện việc tính toán điều khiển ngay khi mẫu tới bộ điều khiển trong chế độ bình thường hoặc là tại thời điểm T deadline trong chế độ lỗi. Có thể tính được xác suất của trễ truyền thông lớn hơn giá trị T deadline dựa vào mô hình Markov đã trình bày trong mục 4.2.2 như sau: Hình 5-4. Bộ điều khiển hai chế độ sử dụng mẫu cũ Hình 3-1. Phân bố của các thành phần trễ truyền thông trong mô hình mạng OSI Thời gian đợi ở nút truyền của thông điệp bao gồm thời gian đợi trong hàng đợi và thời gian đợi giành quyền truyền tin. Gọi thời gian xếp hàng là T queue và thời gian đợi giành quyền truyền tin là T block ta có: TT T=+ (3.2) wait queue block frame prop T+ Trễ trên đường mạng bao gồm độ dài của thông điệp (theo thời gian) và thời gian truyền của tín hiệu trên phương tiện truyền thông. Trễ trên đường mạng được tính như sau: = (3.3) tx TT Trễ xử lý tại nút nhận, T post là thời gian cần thiết để tiến hành giải mã dữ liệu nhận được thành định dạng phù hợp để có thể sử dụng trong các ứng dụng điều khiển. Hình 3-2. Lược đồ thời gian của quá trình truyền tin trên mạng () ()( sc sc k deadline ij k deadline k j PT qPTsττ>= > = ∑ )j (5.22) trong đó q ij là xác suất chuyển trạng thái của trễ từ trạng thái hiện tại i sang trạng thái j, () sc PTsjτ >= là xác suất sc line Tτ > của trạng thái j và có thể tính được từ hàm phân bố xác suất cho trước. sc PTτ > 3.2 Trễ truyền thông trong mạng Ethernet k deadline k kdead ( kdeadli Dựa vào giá trị của ) ne ta có thể đánh giá được τ k sc và đưa ra ước lượng chế độ của bộ điều khiển cho chu kỳ điều khiển hiện tại. Quá trình tính toán bộ lọc Kalman được thực hiện ngay sau khi kết thúc tính toán điều khiển và khi mẫu tới bộ điều khiển. Ethernet là mạng kiểu băng cơ sở (baseband) trong đó tín hiệu mang thông tin dạng số được đưa trực tiếp 18 Hình 5-3. Biểu đồ thời gian của hệ thống không đồng bộ thời điểm lấy mẫu 12 k (5.9) () (1) 11 (1) kk k kk k wC xk T C v C vθ − − −− −− = Φ−++Γ + Γ 7 {} 0 1,2, 15 16 k kkcr k kc k ET gPP k k gP ⎪ = ⎪ ⎪ ⎪ == ⎨ ⎪ ⎪ = ⎪ ⎪ ⎩ {} {} 0 block k resid k ET ET T = =+ ∑ vào kênh truyền dẫn mà không qua điều biến. Ethernet sử dụng thuật toán đợi thử lại BEB (Binary Exponential Backoff) nên ta có thể tính kỳ vọng toán của thời gian đợi truyền lại của lần xung đột thứ k tương ứng với các tình huống như sau: 0 ⎧ Hình 3-3. Cấu hình mạng Ethernet truyền thống (3.16) và do đó kỳ vọng toán của thời gian đợi giành quyền truyền tin là: 16 (0) 11 5.3 Khắc phục ảnh hưởng của nghẽn mạng tạm thời bằng bộ điều khiển nhiều chế độ 5.3.1 Bộ điều khiển nhiều chế độ Dưới góc độ của điều khiển thì trễ truyền thông nếu vượt qua thời hạn cho phép để tính toán điều khiển (không đảm bảo yêu cầu về hạn chót) có thể được coi như là dữ liệu bị mất. Để khắc phục tình trạng này là ta sẽ phát triển bộ điều khiển với hai chế độ làm việc: 1)chế độ bình thường và 2)chế độ lỗi. Trong ch ế độ lỗi ta sẽ thực hiện việc bỏ qua dữ liệu của mẫu đến chậm hoặc bị mất và thay vào đó giá trị “0”, mẫu cũ hoặc giá trị mong đợi. Hình 5-4 là bộ điều khiển hai chế độ sử dụng mẫu cũ. Để chuyển chế độ ta sử dụng một khối lựa chọn chế độ. Khối này thực hiệ n việc so sánh thời điểm w k tới bộ điều khiển và hạn chót cho phép, T deadline , theo luật sau: với T resid là thời gian đợi nút mạng đang truyền kết thúc truyền tin và mạng trở về trạng thái sẵn sàng. Mạng Ethernet sử dụng Switch là cấu trúc mạng hình sao chuyển mạch gói có trạm truyền tin trung tâm sử dụng phương thức chuyển mạch gói nên việc truyền tín hiệu giữa hai nút mạng không phải là trực tiếp mà thông qua trạm chủ truyền tin trung tâm – LAN Switch. Từ hoạt động của các LAN Switch ta có các trường hợp sau của hệ thố ng mạng: Hình 3-4. Cấu hình mạng chuyển mạch hoàn toàn sử dụng Switch 1. Bộ đệm đầu ra và bộ đệm đầu vào không bao giờ đầy; 2. Bộ đệm đầu ra đầy nhưng bộ đệm đầu vào không bao giờ đầy; 3. Bộ đệm đầu ra không bao giờ đầy và bộ đệm đầu vào đầy; 4. Bộ đệm đầu vào và bộ đệm đầu ra cùng đầy. Thuật toán BEB và tính ngẫu nhiên của việc xuất hiện các thông điệp khác nhau trên mạng làm cho T block mang tính ngẫu nhiên và nó góp phần chính vào việc tạo nên tính ngẫu nhiên của trễ truyền thông 8 trên mạng Ethernet với cấu hình truyền thống, đặc biệt khi số lượng nút mạng lớn và khi lưu lượng truyền thông lớn. 3.3 Trễ truyền thông trong mạng CAN Theo hoạt động của phương pháp truy nhập mạng CSMA/AMP thì thời gian đợi giành quyền truyền tin của một nút mạng bất kỳ bao gồm việc đợi nút mạng đang truyền tin kết thúc việc truyền tin và thời gian đợi tất cả các nút mạng có mức ưu tiên cao hơn hoàn tất việc truyền tin. (1)k block j bit j tx j T T − ∈ ++ ⎢⎥ =+ ⎢ ⎢⎥ ⎢⎥ ∑ hp block resid jN TJ TT T ⎥ (3.52) ⎡⎤ trong đó T resid là thời gian cần thiết còn lại phải đợi nút đang truyền tin kết thúc truyền tin, N hp là tập các nút mạng có mức ưu tiên cao hơn nút mạng đang đợi truyền tin, x ⎡⎤ ⎥ là phép làm tròn lên, có nghĩa ⎢ x ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ , 1 m n m a bit prop r i i TT = ⎡⎤ =++× ++ ⎢⎥ ⎣⎦ ∑ , m ri t frame ph prop TTT++ 7 8 là số nguyên nhỏ nhất lớn hơn hoặc bằng x,J j là jitter của tác vụ j,T bit là độ dài của một bit và T j là chu kỳ của nút j. Khi làm việc trong môi trường có nhiễu lớn, nhiều khả năng xảy ra lỗi do hiện tượng tín hiệu truyền bị tác động bởi nhiễu và ta phải thực hiện việc truyền lại. Khi thực hiện truyền lại thì trễ trên đường mạng đối với thông điệp m bất kỳ sẽ là: t (3.57) 47 8 tx stuff dat TN N trong đó n m là số lần truyền lại của thông điệp m và là thời gian giữa lần truyền thứ i và thứ i-1 của thông điệp m. Thời gian giữa hai lần truyền liên tiếp trong khi thực hiện việc truyền lại sẽ nằm trong khoảng [ T ph , T ph + T frame ] với T ph là khoảng thời gian kể từ khi phát hiện ra lỗi tới khi bắt đầu thực hiện việc truyền lại được gọi là thời gian phục hồi. Ta có thể tính được thời gian chiếm đường truyền tối đa là: () (3.58) ,maxtx frame m TTn=+ trong đó: 4 f rame stuff TN data bit NT ⎡ ⎤ =++× ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ 17 Hình 5-2. Biểu đồ thời gian của hệ thống đồng bộ thời điểm lấy mẫu 5.2.2 Không đồng bộ thời điểm lấy mẫu Trong hệ thống điều khiển với thời điểm lấy mẫu không đồng bộ mỗi cơ cấu đo sẽ thực việc lấy mẫu tại một thời điểm riêng biệt, thường là thời điểm trước khi nó thực hiện việc truyền thông. Chính xác là hệ thống có thời điểm lấy mẫu tuần tự. Khác với hệ thống đồng bộ thời điểm lấy mẫu, thời điểm lấy mẫu trong trường hợp này nằm giữa khoảng chu kỳ lấy mẫu của bộ điều khiển. Do vậy ta cần tính các biến trạng thái ở khoảng giữa của chu kỳ lấy mẫu. () kk () (1) (0) 11 (1) kk kkk x kT xkT vθθ + − ++ =Φ ++Γ +Γ () 1 1 (0) k kk sc ca kk k T AT s k edsB θ θθ θτ τ + + + + −− ++ Γ = ∫ () 1 (1) sc ca kk k kk k AT s k edsB θτ τ θθ θ + ++ − + − Γ = ∫ 1 () kk AT k e θθ + − + Φ = v (5.7) với: ; [...]... điểm phát hành của thông điệp đó trong mục 3.5.2 3.6 Kết luận Kết quả nghiên cứu trễ truyền thông nói chung và khảo sát cụ thể trễ truyền thông trong một số mạng truyền thông tiêu biểu trong công nghiệp cho thấy tính bất định của trễ truyền thông là đặc điểm tự nhiên của các hệ thống mạng truyền thông nói chung, truyền thông công nghiệp nói riêng Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy trễ truyền thông không... độ của hệ thống mạng, số lượng nút mạng, giao thức mạng và bản thân dữ liệu cần truyền mà còn phụ thuộc vào lưu lượng truyền thông và trạng thái của hệ thống mạng khi thực hiện truyền tin Khi lưu lượng truyền tin tăng nó sẽ làm tăng giá trị và độ bất định của trễ truyền thông Chương 4: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG Chương 4 trình bày kết quả nghiên cứu, phân tích của quá trình xử lý thông. .. phục ảnh hưởng của trễ truyền thông Các giải pháp thực nghiệm khắc phục ảnh hưởng của trễ truyền thông bao gồm: • Cải tiến kiến trúc truyền thông và hạn chế băng thông sử dụng • Lựa chọn giao thức truyền thông hợp lý • Đưa trễ truyền thông thành hằng số 5.2 Xây dựng mô hình hệ thống có xét tới trễ truyền thông 5.2.1 Đồng bộ thời điểm lấy mẫu Trong cách tiếp cận đồng bộ thời điểm lấy mẫu hệ thống điều khiển. .. triển trong chương này Cuối cùng các nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của trễ trên mô hình mô phỏng và mô hình thực nghiệm được trình bày trong mục 4.5 15 Hình 4-13 Sai lệch quỹ đạo chuyển động trong thí nghiệm truyền động hai trục XY Chương 5: KHẮC PHỤC ẢNH HƯỞNG CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN Chương 5 giới thiệu các giải pháp thực nghiệm khắc phục ảnh hưởng của trễ truyền thông. .. tin trong hệ điều khiển phân tán Việc phân tích quá trình xử lý thông tin được thực hiện bằng cách sử dụng mô hình nhiều lớp và qua đó thấy được sự đóng góp của trễ truyền thông vào trễ chung của toàn hệ thống Đặc điểm biến đổi của trễ qua các chu kỳ lấy mẫu được xác định để từ đó xây dựng mô hình của sự biến đổi trễ bằng cách áp dụng xích Markov trong mục 4.2.2 Mô tả toán học hệ thống điều khiển có trễ. .. làm tăng trễ truyền thông dẫn tới sự suy giảm chất lượng điều khiển thể mô tả quan hệ giữa giá trị đầu ra um(t) và đầu vào vmk của cơ cấu chấp hành m trong khoảng kT ≤ t < (k + 1)T như sau: m (4.17) T ruc Y (m m) vòng điều khiển khép mạch qua mạng và ta có τsc là trễ truyền thông giữa sensor và bộ điều khiển, τca là trễ truyền thông giữa bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành Bỏ qua ảnh hưởng của các thành... mẫu giảm Chất lượng điều khiển thấp ở hệ thống với chu kỳ lấy mẫu lớn là do sai lệch quỹ đạo lớn còn khi hệ thống mạng tiến tới trạng thái bão hòa chất lượng điều khiển giảm là do tần suất bão hòa tạm thời tăng lên Sử dụng mô hình thí nghiệm truyền động hai trục XY với mạng truyền thông là mạng CAN, bộ điều khiển DS1103 Thông tin sự kiện được giả lập bằng việc truyền thông tin điều khiển của trục thứ... với các hệ thống điều khiển không có trễ là khi chu kỳ lấy mẫu nhỏ tới giới hạn thì chất lượng điều khiển có sự suy giảm Hình 4-7 Các trạng thái của trễ biểu diễn bằng xích Markov Xác suất để trạng thái của trễ truyền thông chuyển từ trạng thái i sang trạng thái j là: qij = P {sk +1 = j sk = i} (3.5) trong đó: 0 ≤ i, j ≤ s ; 0 ≤ qij ≤ 1 và ∑ qij = 1 j 4.3 Mô tả toán học hệ thống điều khiển với trễ Chúng... sát ảnh hưởng của trễ truyền thông Khảo sát trên mô hình mô phỏng hệ thống truyền động Hình 4-9 Quan hệ giữa u(t) và vk nhiều trục điều khiển vị trí với các tần số lấy mẫu khác nhau Khi tần số lấy mẫu tăng tới một giới hạn thì diễn ra hiện tượng suy giảm chất lượng điều khiển đột ngột Nguyên nhân chính là do khi tăng tần số lẫy mẫu sẽ làm tăng lưu lượng truyền thông và khi tới ngưỡng bão hòa của hệ thống. .. tạm thời, nâng cao chất lượng điều khiển Trong chương 5 cũng trình bày kết quả phát triển bộ ước lượng trạng thái với hằng số lọc Kalman thay đổi thích hợp với các trạng thái bão hòa tạm thời của mạng truyền thông Thuật toán lập lịch xử lý thông tin trong các chế độ khác nhau của bộ điều khiển cũng được đề xuất và phát triển 14 11 4.2 Các phương pháp mô hình hóa trễ trong hệ thống điều khiển 4.2.1 . truyền thông trong hệ thống điều khiển phân tán. • Nghiên cứu khắc phục ảnh hưởng trễ truyền thông để nâng cao chất lượng của hệ thống điều khiển phân tán có ảnh hưởng củ a trễ truyền thông. . tiêu nghiên cứu của đề tài. 2 • Nghiên cứu về truyền thông và trễ truyền thông, đặc điểm của trễ truyền thông và phương pháp mô hình hóa trễ truyền thông. • Nghiên cứu về ảnh hưởng của trễ truyền. cầu cao về vấn đề đáp ứng thời gian thực. Đề tài Nghiên cứu ảnh hưởng của trễ truyền thông trong hệ thống điều khiển phân tán để nâng cao chất lượ ng điều khiển được lựa chọn nhằm nghiên cứu