PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TRUYỀN THÔNG TIN THỜI

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 HÀ NỘI - 2015 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 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 62520203 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. Người cam đoan Nguyễn Trọng Các LỜI CẢM ƠN Để có được thành quả này, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS. TS. Nguyễn Văn Khang - người thầy không chỉ hướng dẫn trực tiếp về mặt khoa học mà còn hỗ trợ về mọi mặt để tôi có thể hoàn thành bản Luận án này trong suốt quá trình làm nghiên cứu sinh. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến TS. Nguyễn Xuân Hùng - người thầy tuy không trực tiếp hướng dẫn nhưng luôn hết sức tận tình chỉ bảo, định hướng và hỗ trợ kịp thời về mặt chuyên môn trong suốt quá trình thực hiện đề tài Luận án. Tôi cũng xin cảm ơn Viện Điện tử Viễn thông và Viện Đào tạo Sau Đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, động viên và giúp đỡ tôi về mọi mặt trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Bộ môn Điện tử và Kỹ thuật máy tính - Viện Điện tử Viễn thông và các Thầy cô giáo trong LAB 618 – Thư viện Tạ Quang Bửu đã hướng dẫn và trao đổi rất giá trị về chuyên môn trong các buổi seminar. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới Ban giám hiệu Trường Đại học Sao Đỏ đã tạo mọi điều kiện cả về vật chất lẫn tinh thần để hỗ trợ tôi trong thời gian đi làm nghiên cứu sinh và đóng góp những ý kiến quí báu về mặt chuyên môn trong quá trình thực hiện đề tài Luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo phản biện, các thầy cô giáo 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 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án 5 7. Các kết quả mới sẽ đạt đƣợc của Luận án 6 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUA MẠNG (NCS) 8 1.1. Giới thiệu chung về hệ thống điều khiển qua mạng (NCS) 8 1.1.1. Khái niệm về NCS 8 1.1.2. Sự hình thành và phát triển của NCS 9 1.1.3. Ảnh hưởng của chu kỳ lấy mẫu đối với NCS 11 1.1.4. Ảnh hưởng của trễ truyền thông đối với NCS 13 1.1.5. Lập lịch trong NCS 14 1.2. Nhắc lại một số vấn đề cơ bản về hệ thống điều khiển truyền thống 15 1.2.1. Điểm cực vòng kín 15 1.2.2. Phân tích sự ổn định của hệ thống điều khiển vòng kín 17 1.2.3. Phân tích đáp ứng của hệ thống điều khiển vòng kín 17 1.2.4. Đánh giá chất lượng điều khiển của hệ thống điều khiển vòng kín 18 1.3. Phân tích những vấn đề cơ bản về hệ thống điều khiển bằng máy tính 19 1.4. Phân tích những vấn đề cơ bản về phƣơng pháp truy nhập bus trong mạng truyền thông 21 1.4.1. Đặt vấn đề 21 1.4.2. Phương pháp truy nhập bus 22 1.5. Tổng quan về mạng CAN 28 1.5.1. Đặt vấn đề 28 1.5.2. Giao thức điều khiển truy nhập đường truyền của mạng CAN 28 1.5.3. Khảo sát một số công trình nghiên cứu về mạng CAN 30 1.6. Đề xuất hƣớng nghiên cứu của tác giả 31 1.7. Kết luận Chƣơng 1 32 CHƢƠNG 2: GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP ĐƢỜNG TRUYỀN SỬ DỤNG SÁCH LƢỢC ƢU TIÊN LAI CHO CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUA MẠNG CAN 33 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 3.3.2. Phân tích thiết kế đặt cực 60 3.3.3. Phân tích và đánh giá sự hợp lý khi thực hiện bù trễ theo phương pháp thiết kế đặt điểm cực 64 3.3.4. Thực thi ứng dụng điều khiển quá trình qua mạng CAN 66 3.4. Thực thi ứng dụng điều khiển quá trình sử dụng mô hình không gian trạng thái 68 3.4.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển 68 3.4.2. Phân tích thiết kế đặt điểm cực 71 3.4.3. Phân tích và đánh giá sự hợp lý khi thực hiện bù trễ theo phương pháp thiết kế đặt điểm cực. 72 3.4.4. Thực thi ứng dụng điều khiển quá trình qua mạng CAN 74 3.5. Kết luận Chƣơng 3 75 CHƢƠNG 4: ĐỒNG THIẾT KẾ GIỮA LẬP LỊCH THÔNG ĐIỆP VÀ BÙ TRỄ TRUYỀN THÔNG 77 4.1. Đặt vấn đề 77 4.2. Phân tích các nghiên cứu liên quan đến đồng thiết kế giữa lập lịch thông điệp và bù trễ truyền thông 77 4.3. Đề xuất thực thi đồng thiết kế giữa lập lịch thông điệp và bù trễ truyền thông 80 4.4. Thực thi ứng dụng điều khiển quá trình sử dụng mô hình hàm truyền đạt 81 4.4.1. Thiết lập sơ đồ mô phỏng 81 4.4.2. Đánh giá kết quả với mô hình hàm truyền đạt 82 4.5. Thực thi ứng dụng điều khiển quá trình sử dụng mô hình không gian trạng thái 85 4.5.1. Thiết lập sơ đồ mô phỏng 85 4.5.2. Đánh giá kết quả với mô hình không gian trạng thái 87 4.6. Kết luận Chƣơng 4 88 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 Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm biến sóng mang CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection Đa truy nhập cảm biến sóng mang/ phát hiện xung đột CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance Đa truy nhập cảm biến sóng mang/ tránh xung đột CSMA/AMP Carrier Sense Multiple Access with Arbitration Message Priority Đa truy nhập cảm biến sóng mang/ phân xử ưu tiên thông điệp CRC Cyclic Redundancy Check Trường kiểm tra lỗi DCS Distributed Control System Hệ thống điều khiển phân tán DDC Direct Digital Control Điều khiển số trực tiếp EDF Earliest Deadline First Hạn chót sớm nhất đầu tiên EOF 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 Integral of Time multiplied by the Absolute Value of the Error Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị tuyệt đối của sai lệch ITSE Integral of Time multiplied by the Square of the Error Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và bình phương của sai lệch INT Interframe Khoảng ngừng giữa hai thông điệp LSB Least Significant Bit Bit có chỉ số thấp nhất LMI Linear Matrix Inequalities Bất đẳng thức ma trận tuyến tính ii Chữ viết tắt Từ tiếng Anh đầy đủ Nghĩa tiếng Việt LQG Linear Quadratic Gaussian Chuẩn toàn phương tuyến tính 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 OSI Open System Interconnect Kết nối hệ thống mở PD Proportional Derivative Tỷ lệ đạo hàm PI Proportional Integral Tỷ lệ tích phân QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ QoC Quality of Control Chất lượng điều khiển O Overshoot Độ quá điều chỉnh RM Rate Monotonic Lập lịch đơn điệu có tỷ lệ SISO Single Input – Single Output Một đầu vào – một đầu ra SOF Start Of Frame Khởi động khung thông điệp t r Rise time 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]. 16 Hình 1.7. Đáp ứng thời gian của hệ thống tuyến tính bậc hai (đầu vào là hàm đơn vị) [6]. 17 Hình 1.8. Sơ đồ hệ thống điều khiển vòng kín [52]. 18 Hình 1.9. Sơ đồ thể hiện sai lệch của hệ thống điều khiển vòng kín. 19 Hình 1.10. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển bằng máy tính [35]. 20 Hình 1.11. Phân loại các phương pháp truy nhập bus [1]. 22 Hình 1.12. Cấu trúc định dạng khung truy nhập của mạng CAN [53]. 29 Hình 1.13. Cơ chế phân xử truy nhập đường truyền của mạng CAN. 29 Hình 2.1. Thứ tự truy nhập trường truyền của các nút mạng sử dụng sách lược ưu tiên tĩnh. 34 Hình 2.2. Thứ tự truy nhập đường truyền khác nhau của các luồng dữ liệu. 35 Hình 2.3. Thứ tự truy nhập trường truyền của các nút mạng sử dụng sách lược ưu tiên lai. 36 Hình 2.4. Cấu trúc của trường ID sử dụng sách lược ưu tiên lai. 37 Hình 2.5. Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa e, u và Prio_dyn. 38 Hình 2.6. Sơ đồ thực thi sách lược ưu tiên lai. 39 Hình 2.7. Sơ đồ thực thi ứng dụng điều khiển quá trình qua mạng truyền thông. 41 Hình 2.8. Sơ đồ thiết lập mô phỏng với 8 ứng dụng điều khiển quá trình. 43 Hình 2.9. Sơ đồ hệ thống điều khiển liên tục không nối mạng truyền thông. 44 Hình 2.10. Đồ thị đáp ứng thời gian của hệ rời rạc không nối mạng. 46 Hình 2.11. Sơ đồ cấu trúc con lắc ngược gắn trên một xe đẩy. 47 Hình 2.12. Đồ thị đáp ứng thời gian của hệ rời rạc không nối mạng. 48 Hình 2.13. Đồ thị so sánh QoS của 8 ứng dụng điều khiển quá trình (bài toán sử dụng mô hình hàm truyền đạt). 49 Hình 2.14. Lập lịch thông điệp của các nút mạng trong 10 chu kỳ lấy mẫu đầu tiên. 50 Hình 2.15. Đồ thị so sánh QoC của 8 ứng dụng điều khiển quá trình (bài toán sử dụng mô hình hàm truyền đạt). 51 Hình 2.16. 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 hàm truyền đạt). 51 [...]... Phƣơng pháp nghiên cứu của Luận án Phương pháp nghiên cứu có sự kết hợp của các phương pháp cơ bản sau:  Phương pháp nghiên cứu tài liệu: thu thập, tổng hợp và phân tích các tài liệu 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. .. vấn đề quan trọng hàng đầu ảnh hưởng tới chất lượng của mỗi hệ thống bus là phương pháp phân chia thời gian gửi thông điệp trên đường truyền hay phương pháp truy nhập bus 1.4.2 Phương pháp truy nhập bus Có thể phân loại phương pháp truy nhập bus thành hai nhóm đó là nhóm các phương pháp tiền định và nhóm các phương pháp ngẫu nhiên như mô tả trên Hình 1.11 Phương pháp truy nhập bus Truy nhập tiền định... 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) ... chỉ cho mỗi thông điệp, giao thức truyền còn phải định rõ quy tắc truyền để đảm bảo việc truyền chính xác và tránh xung đột Phần chính của giao thức truyền thông là điều khiển truy nhập bus Nhiều phương pháp truy nhập bus đã được phát triển, điển hình là: phương pháp chủ/tớ (master/slave), phương pháp đa truy nhập phân chia thời gian (TDMA), phương pháp chuyển thẻ bài (Token Passing), phương pháp đa truy... 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 thiết kế đặt điểm cực để bù với trễ truyền thông này nhằm nâng cao QoC cho các hệ thống điều khiển qua mạng Vấn đề đồng thiết kế giữa hệ thống điều khiển (xem xét vấn đề bù trễ truyền thông) và mạng truyền thông. .. 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 phương pháp tính toán trễ truyền thông trong hệ thống điều khiển vòng kín dựa vào ưu tiên truy nhập đường truyền của các nút mạng (sử dụng sách lược ưu tiên tĩnh), sau đó sử dụng phương pháp thiết kế đặt điểm cực để bù với trễ truyền thông này nhằm nâng. .. 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] 2 Đề tài Phương pháp nâng cao. .. 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... xuất sách lược truy nhập đường truyền sử dụng ưu tiên lai (kết hợp giữa ưu tiên động và ưu tiên tĩnh) nhằm nâng cao QoS, từ đó nâng cao QoC cho các hệ thống điều khiển qua mạng  Phân tích và đề xuất phương pháp tính trễ truyền thông trong vòng kín dựa vào ưu tiên truy nhập đường truyền của các nút mạng có kết hợp bù trễ sử dụng 6 phương pháp thiết kế đặt cực nhằm nâng cao QoC cho các hệ thống điều... đột (CSMA/CD), phương pháp đa truy nhập nhận biết sóng mang tránh xung đột (CSMA/CA hoặc CSMA/AMP) Những tính năng và ưu, nhược điểm của các phương pháp truy nhập bus nói trên được trình bày cụ thể trong phần tiếp theo ngay sau đây 1.4.2.1 Phương pháp truy nhập tiền định a Phương pháp Master/Slave (chủ/tớ) [1] Trong mô hình truyền thông chủ/tớ có thể thực hiện truyền thông theo phương pháp hỏi đáp tuần