Đang tải... (xem toàn văn)
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 hạn chế của phương pháp truyền thông truyền thống là điểm – điểm nhờ một số ưu điểm nổi trội như sau: Thực hiện cài đặt đơn giản, tiết kiệm được chi phí do số lượng dây dẫn ít, thậm chí không cần dây dẫn trong các mạng điều khiển không dây. Nâng cao hiệu suất, độ tin cậy và tính linh hoạt (mềm dẻo) của hệ thống: có thể dễ dàng thêm hoặc bớt một hay nhiều nút mạng và các thành phần khác của hệ thống mà không cần phải cấu hình lại hệ thống. Giảm chi phí, thời gian lắp đặt, nâng cấp cũng như bảo trì, dễ dàng trong chuẩn đoán. Cho phép thực thi các hệ thống phân tán phức tạp theo cả chiều ngang (phối hợp ngang hàng giữa cảm biến, cơ cấu chấp hành, bộ điều khiển) và theo chiều dọc (cấp giám sát, cấu hình lại), đó là những nhân tố quan trọng trong giải pháp điện tử công nghiệp và tự động hóa các quá trình sản xuất. Hiệu suất sử dụng băng thông và chất lượng dịch vụ tăng, chi phí t ính toán và truyền thông giảm. Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới trong lĩnh vực điện tử công nghiệp. Với những ưu điểm nổi trội như trên, ngày nay NCS đã được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp Ôtô, điện tử công nghiệp, các hệ thống nhúng có nối mạng, quân sự, máy bay, rôbốt; các hệ thống nhiệt, thông gió, điều hòa không khí, tự động hóa quá trình sản xuất [39]. Tuy nhiên, việc thêm vào hệ thống điều khiển vòng kín một mạng truyền thông chung làm cho các phân tích, thiết kế và tổng hợp của NCS trở nên phức tạp và có nhiều thách thức hơn. Các lý thuyết điều khiển cổ điển với nhiều giả thiết lý tưởng cần được xem xét và phân tích lại trước khi áp dụng vào NCS [59]. Do các thành phần cơ bản của hệ thống gồm bộ cảm biến, bộ điều khiển, cơ cấu chấp hành trao đổi thông tin với nhau thông qua mạng truyền thông chung, nên ngoài các ưu 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]. 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 nghiên cứu của bản Luận án này. 2. Mục đích nghiên cứu của Luận án Từ những vấn đề cấp thiết đã trình bày ở trên, mục đích nghiên cứu của Luận án sẽ tập trung giải quyết một số nội dung khoa học chính như sau: Đề xuất và giải quyết vấn đề truy nhập đường truyền của các nút mạng cho NCS nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ (Quality of Service, QoS), từ đó nâng cao chất lượng điều khiển (Quality of Control, QoC). Đề xuất mô hình giải tích khảo sát trễ truyền thông cho NCS, sau đó sử dụng phương pháp thiết kế đặt điểm cực để bù với trễ truyền thông này nhằm nâng cao QoC. Đề xuất và giải quyết vấn đề đồng thiết kế (co-design) giữa hệ thống điều khiển tự động (xem xét vấn đề bù trễ truyền thông) và mạng truyền thông (xem xét vấn đề lập lịch thông điệp truy nhập đường truyền của các nút mạng) nhằm nâng cao đồng thời cả QoS và QoC với mong muốn có được một NCS hiệu quả hơn. Các giải pháp đề xuất nêu trên đều có chung mục đích là khắc phục tối đa các vấn đề còn tồn tại trong NCS đó là: lập lịch thông điệp truy nhập đường truyền của các nút mạng, bù trễ truyền thông, cuối cùng là đồng thiết kế giữa hệ thống mạng truyền thông (liên quan đến lập lịch thông điệp) và hệ thống điều khiển (liên quan đến bù trễ truyền thông). ng và phm vi nghiên cu ca Lun án
. 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. 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. 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