NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS) TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS) Học viên ĐÀO TUẤN ANH Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS Bùi Quốc Khánh THÁI NGUYÊN 2008 THÁI NGUYÊN 2008 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên : Đào Tuấn Anh http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập - Tự - Hạnh phúc -o0o - LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn công trình tổng hợp nghiên cứu THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Trong luận văn có sử dụng số tài liệu tham khảo nêu phần tài liệu tham khảo ĐỀ TÀI: Tác giả luận văn NGHI ÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS) Đào Tuấn Anh Học viên: Đào Tuấn Anh Lớp: CH-K8 Chuyên ngành: Tự động hoá Người HD khoa học: PGS TS Bùi Quốc Khánh Ngày giao đề tài: 01/11/2007 Ngày hoàn thành: 30/4/2008 KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN PGS.TS Bùi Quốc Khánh Đào Tuấn Anh Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC CHƢƠNG 2: GIAO THỨC MẠNG VÀ CÁC HỆ THỐNG MẠNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 2.1 Hệ thời gian thực điều khiển thời gian thực Trang TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN 21 21 2.1.1 Hệ thời gian thực 21 2.1.2 Điều khiển thời gian thực 23 26 2.2 Giao thức mạng MỤC LỤC 2.2.1 Phương pháp CSMA/CD 28 DANH MỤC HÌNH VẼ 2.2.2 Phương pháp chuyển thẻ (Token passing) 31 2.2.3 Phương pháp CSMA/AMP (CAN) 34 DANH MỤC BẢNG BIỂU LỜI NÓI ĐẦU 36 2.3 Một số hệ thống bus tiêu biểu sử dụng hệ DCS CHƢƠNG : TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 1.1 Tổng quan hệ tự động hoá trình sản xuất hệ điều khiển 2.3.1 PROFIBUS 36 2.3.1.1 PROFIBUS DP 37 1.1.1 Mô hình phân cấp hệ thống tự động hoá trình sản xuất 2.3.1.2 PROFIBUS PA 38 1.1.2 Mạng truyền thông hệ thống điều khiển tự động 2.3.1.3 PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification) 39 2.3.2 CAN 39 2.3.3 Ethernet 40 1.2.1.1 Cấp chấp hành - cảm biến 2.3.4 Fourdation Fieldbus 41 1.2.1.2 Cấp điều khiển 1.2 Truyền thông hệ điều khiển phân tán (DCS) 1.2.1 Khái quát chung hệ DCS 44 2.4 Đánh giá hiệu mạng truyền thông 1.2.1.3 Cấp vận hành, giám sát huy 2.4.1 Hiệu suất hệ thống mạng 45 1.2.1.4 Hệ thống quản lý thông tin 2.4.2 Hệ số sử dụng đường truyền 45 1.2.1.5 Chức hệ DCS 2.4.3 Số lượng thông điệp không truyền 46 10 2.5 Kết luận 46 10 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG MỘT SỐ 47 1.2.2.2 Phương pháp truyền thông hệ điều khiển chuyển động 11 3.1 Thời gian trễ truyền thông 1.2.2.3 Phương pháp truyền thông hệ điều khiển truyền động 17 1.2.2 Truyền thông hệ DCS 1.2.2.1 Ứng dụng mô hình chuẩn OSI mô hình bus trường MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP TIÊU BIỂU hệ DCS phân tán 47 3.1.1 Giới thiệu 47 3.1.2 Các thành phần thời gian trễ 48 1.3 Trễ hệ điều khiển phân tán 18 3.1.2.1 Thời gian tiền xử lý truyền thông nút truyền, Tpre 1.4 Kết luận 19 3.1.2.2 Trễ đo thời gian nút truyền, Twait Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 49 49 3.1.2.3 Trễ đường mạng, Ttx 51 3.1.2.4 Trễ xử lý nút nhận, Tpost 52 4.2.3 Đánh giá phương pháp truyền thông tương tự hệ điều khiển 93 3.1.2.5 Lược đồ thời gian trình truyền thông 52 4.3 Hệ điều khiển truyền động nhiều trục điều khiển vị trí dùng mạng 95 54 3.2 Trễ truyền thông mạng Ethernet 4.2.2.3 Resolver Synchro 92 truyền thông Bus-CAN 3.2.1 Cấu hình mạng truyền thông 54 4.3.1 Cấu hình mô hình 95 3.2.2 Cấu hình mạng Ethernet sử dụng Switch 58 4.3.2 Đánh giá phương pháp truyền thông sử dụng CAN-Bus 96 3.2.3 LAN Switch 60 4.4 Các phƣơng pháp mô hình hoá trễ hệ thống điều khiển 98 3.2.4 Trễ truyền thông mạng Ethernet sử dụng LAN Switch 62 4.4.1 Phương pháp xấp xỉ Padé 98 3.2.5 Nhận xét 74 4.4.2 Mô hình hoá trễ truyền thông dùng xích Markov 99 75 4.5 Tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng điều khiển 100 3.3.1 Phát lỗi xử lý lỗi mạng CAN 75 4.6 Phân tích ảnh hƣởng trễ truyền thông đến chất lƣợng điều 101 3.3.2 Đặc điểm trễ truyền thông mạng CAN 76 3.3.3 Trễ truyền thông trường hợp truyền lại 77 4.6.1 Cấu hình mô hình 102 3.3.4 Nhật xét 78 4.6.2 Phân tích ảnh hưởng trễ truyền thông đến chất lượng điều khiển 103 3.3 Trễ truyền thông mạng CAN khiển hệ thống truyền động nhiều trục 3.4 Đánh giá ảnh hƣởng thành phần trễ truyền thông 79 3.5 Kết luận 82 4.7 Kết luận 113 CHƢƠNG 4: PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG 83 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO 115 TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG NHIỀU TRỤC 83 4.1 Hệ truyền động nhiều trục điều khiển vị trí 4.1.1 Hệ điều khiển servo 84 4.1.2 Bộ nội suy quỹ đạo 84 4.1.3 Điều khiển trình 4.1.4 Điều khiển liên kết chéo (cross-coupled control) 85 85 4.2 Hệ điều khiển truyền động nhiều trục điều khiển vị trí dùng mạng truyền thông tƣơng tự (analog) 4.2.1 Cấu hình mô hình 4.2.2 Giới thiệu mô hình 89 89 90 4.2.2.1 Cụm điều khiển 90 4.2.2.2 Encoder 91 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên hệ thống http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI NÓI ĐẦU Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu đặc tính trễ truyền thông mạng truyền thông công nghiệp tiêu biểu phân tích ảnh hưởng trễ truyền thông tới chất Cơ sở lựa chọn đề tài mục đích nghiên cứu lượng điều khiển hệ thống điều khiển phân tán nói chung, điều khiển truyền Ngày với phát triển nhanh chóng kỹ thuật vi điều khiển phát triển mạnh mẽ công nghệ phần mềm, kỹ thuật truyền số, phát triển mạnh mẽ tạo bước ngoặt tích cực cho giải pháp đo lường điều động nói riêng Nội dung phương pháp nghiên cứu Nội dung luận văn với đề mục nội dung sau : Lời cam đoan khiển Trong năm 90 kỷ 20, trình module hoá, phân tán điều khiển Mục lục với mạng truyền thông kỹ thuật số phát triển mạnh mẽ cho đời hệ Danh mục hình vẽ hệ thống điều khiển – hệ thống điều khiển phân tán DCS Cho tới ngày nay, Danh mục bảng biểu điều khiển phân tán sử dụng hệ thống điều khiển truyền động Mở đầu điều khiển chuyển động Chương 1: Tổng quan mạng truyền thông hệ điều khiển phân tán Các hệ thống truyền thông sử dụng bus truyền thông chung dần thay hệ thống điều khiển truyền thông điểm – điểm trước đây, đem lại khả nâng cao hiệu suất, nâng cao tính linh hoạt, độ tin cậy hệ thống tích hợp đồng thời giảm chi phí, thời gian lắp đặt, nâng cấp bảo trì Tuy nhiên việc sử dụng hệ thống truyền thông bus chung nảy sinh khó khăn trễ truyền Chương 2: Giao thức mạng hệ thống mạng hệ điều khiển phân tán Chương 3: Nghiên cứu trễ truyền thông mạng truyền thông công nghiệp tiêu biểu Chương 4: Phân tích ảnh hưởng trễ truyền thông hệ điều khiển truyền động nhiều trục thông sensor, cấu chấp hành điều khiển Trễ truyền thông Kết luận Kiến nghị việc chia xẻ chung phương tiện truyền thông, thời gian tính toán cần Tài liệu tham khảo thiết cho việc mã hoá/giải mã đại lượng đo thời gian xử lý truyền thông Trễ Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Bùi Quốc Khánh, truyền thông có tính ngẫu nhiên phụ thuộc vào giao thức truyền thông, phần cứng thầy cô Khoa Điện Khoa Sau Đại Học trường Đại học Công Nghiệp sử dụng trạng thái hệ thống mạng truyền thông Trễ truyền thông lớn Thái Nguyên tạo điều kiện giúp đỡ suốt trình làm luận văn mang tính bất định cao lưu lượng truyền thông lớn, đặc biệt hệ thống Do kiến thức thân hạn chế nên luận văn không tránh khỏi mạng rơi vào trạng thái nghẽn mạng Để đảm bảo ổn định đảm bảo thiếu sót Tôi mong góp ý thầy cô bạn đồng nghiệp để chất lượng điều khiển hệ thống điều khiển, việc nghiên cứu trễ truyền thông luận văn hoàn thiện Thái Nguyên, 04.2008 hệ thống điều khiển cần thiết Tác giả, Đào Tuấn Anh Đề tài “Nghiên cứu đặc tính trễ truyền thông hệ điều khiển phân tán” lựa chọn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 3-4 Cấu hình mạng chuyển mạch hoàn toàn sử dụng Switch DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 3-5 Ngưỡng đệm đầu vào Hình 1-1 Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển tự động hoá trình sản xuất Hình 3-6 Mô hình hoạt động LAN Switch Hình 4-1 Sai lệch quỹ đạo chuyển động Hình 1-2 Mô hình điều khiển đơn giản Hình 4-2 Cấu trúc điều khiển liên kết chéo Hình 1-3: Tổng quan phần cứng PLC Hình 4-3 Cấu hình truyền thông hệ điều khiển truyền động nhiều trục Hình 1-4 Sơ đồ chức điều khiển hệ DCS Hình 4-4 Encoder thẳng Hình 1-5 So sánh mô hình Fieldbus mô hình OSI Hình 1-6 Các phần tử tiêu biểu môt hệ điều khiển chuyển động Hình 4-5 Vạch vị trí Hình 4-6 Cấu tạo Synchro, resolver Hình 1-7 Cấu hình hệ điều khiển chuyển động Hình 1-8 Cấu trúc truyền thông hệ điều khiển chuyển động truyền thống Hình 1-9 Cấu hình mạng hệ điều khiển chuyển động (tốc độ cao) Hình 1-10 Cấu hình mạng hệ điều khiển chuyển động (tốc độ thấp) Hình 4-7 Cấu hình truyền thông dùng CAN-bus cho hệ điều khiển chuyển động Hình 4-8 Cấu hình hệ điều khiển truyền động nhiều trục dùng truyền thông CAN-Bus Hình 4-9 Cấu hình hệ điều khiển truyền động dùng truyền thông Bus-CAN Hình 4-10 Cấu trúc điều khiển chuyển động hai trục điều khiển vị trí Hình 1-11 Sơ đồ điều khiển với thành phần trễ Hình 4-11 Kết mô khảo sát ITAE với tần số lấy mẫu khác Hình 2-1 Các dạng tính kịp thời Hình 4-12 Quỹ đạo chuyển động (xác suất thông điệp kiện 3%, chu kỳ lấy mẫu 2.5ms) Hình 2-2 Các kiểu tác vụ theo chuẩn IEC 61131-3 Hình 4-13 Sai lệch quỹ đạo chuyển động Hình 2-3 Định dạng khung truy nhập mạng Ethernet Hình 4-14 Sai lệch quỹ đạo chuyển động hệ truyền động hai trục XY với chu kỳ Hình 2-4 Định dạng khung truy nhập mạng ControlNet lấy mẫu 4ms Hình 2-5 Sơ đồ thời gian chu kỳ quay vòng thẻ TRT Hình 4-15: Quỹ đạo chuyển động X-Y trạng thái chưa bão hoà Hình 2-6 Định dạng khung truy nhập mạng CAN Hình 4-16 Sai lệch quỹ đạo chuyển động hệ truyền động hai trục XY với chu kỳ Hình 2-7 Cấu hình Multi-Master PROFIBUS lấy mẫu 2.5 ms Hình 2-8 Cấu hình Multi-Master PROFIBUS Hình 4-17 Quỹ đạo chuyển động X-Y mạng bão hoà Hình 2-9 Cấu hình Multi-Master PROFIBUS Hình 2-10 Mạng Foundation Fieldbus H1 Hình 2-11 Mạng H1/HSE Hình 3-1 Phân bố thành phần trễ truyền thông mô hình mạng OSI Hình 3-2 Lược đồ thời gian trình truyền tin mạng Hình 3-3 Cấu hình mạng Ethernet truyền thống Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn CHƯƠNG : TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN DANH MỤC BẢNG BIỂU 1.1 Tổng quan hệ tự động hoá trình sản xuất hệ điều khiển 1.1.1 Mô hình phân cấp hệ thống tự động hoá trình sản xuất Bảng 1-1 Thông số kỹ thuật số loại bus Hệ thống điều khiển, điều hành quản lý sản xuất cách tự nhiên Bảng 4-1 Xấp xỉ Padé cho thành phần trễ exp (-s) phân chia thành nhiều cấp Phù hợp với thực tế này, hệ thống tự động hoá trình Bảng 4-2 Kết khảo sát thông điệp kiện truyền mạng Bảng 4-3 Kết khảo sát xác suất xuất thông điệp kiện mạng 1% sản xuất phân chia thành nhiều cấp điển hành hệ thống tự động hoá trình sản xuất thường bao gồm cấp Hình 1-1 Bảng 4-4 Kết khảo sát xác suất xuất thông điệp kiện mạng 3% Bảng 4-5 Kết khảo sát xác suất xuất thông điệp kiện mạng 5% Cấp quản lý công ty Workstation, PC, Servers Cấp quản lý nhà máy Workstation, PC, Servers Cấp giám sát – huy Cấp điều khiển Cấp trường (cảm biến - chấp hành) Workstation, PC Controllers, PLC, CNC, PC Controllers, sensors, actuators Hình 1-1 Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển tự động hoá trình sản xuất Đặc điểm cấp sau: Cấp thứ nhất: Là cấp cảm biến - chấp hành hay cấp trường.Nó thực kết nối điều khiển, cảm biến cấu chấp hành Cấp thứ hai: cấp điều khiển (phân xưởng) thực việc điều khiển trình công nghệ thực việc kết nối điều khiển, thiết bị điều khiển lôgic khả trình PLC, thiết bị điều khiển trình công nghệ máy điều khiển số CNC máy tính PC công nghiệp Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Cấp thứ ba: Là cấp vận hành, giám sát huy thực chức vận hành 1.1.2 Mạng truyền thông hệ thống điều khiển tự động giám sát điều khiển huy trình công nghệ Tại cấp thứ ba thực Mỗi cấp hệ thống tự động hoá trình sản xuất có yêu cầu thông chức giao diện người-máy, lưu trữ số liệu liên quan tới sản xuất, tin cần xử lý trao đổi thông tin khác Trong sơ đồ phân cấp Hình lệnh, thiết lập cấu hình thay đổi chế độ làm việc cho trình công nghệ, máy 1-1 cấp cao lượng thông tin yêu cầu xử lý trao đổi lớn tần sản xuất,…Thiết bị cấp thứ ba máy trạm làm việc, máy tính PC suất yêu cầu tính thời gian thực giảm dần Ở cấp thường có nhu cầu trao Các cấp 1,2 cấp trực tiếp thực trình công nghệ đổi thông tin theo hai hướng: trao đổi thông tin với cấp trao đổi thông tin với Cấp thứ tư: cấp quản lý nhà máy thực phối hợp nhiều nhiệm vụ quản lý khác quản lý kỹ thuật, quản lý sản xuất, quản lý nguồn lực,… cấp Cấp quản lý công ty thường đòi hỏi kết nối truyền tin với gói liệu kích thước lớn, khoảng cách lớn thường sử dụng công nghệ mạng diện Cấp thứ năm: cấp quản lý công ty thực kết nối phối hợp rộng (WAN) Cấp quản lý nhà máy cấp giám sát - huy thường sử dụng mạng hoạt động quản lý khác nhà máy, chi nhánh văn phòng công ty Ethernet với giao thức TCP/IP (mạng cục - LAN) Cấp điều khiển cấp cảm nhiều thành phố quốc gia khác biến - chấp hành đòi hỏi tính thời gian thực tần suất trao đổi thông tin lớn Các Trong sơ đồ phân cấp hệ thống tự động hoá trình sản xuất cấp 1, yêu cầu khác không cấp điều khiển khác mà cấp trực tiếp thực trình công nghệ hệ thống điều khiển tự cấp hệ thống điều khiển trình công nghệ phức tạp ứng động áp dụng cho cấp gọi hệ thống tự động hoá trình công dụng, công đoạn sản xuất có yêu cầu khác trao đổi thông nghệ cấp thứ thứ thực chức quản lý hệ thống tự động tin, đặc biệt cấp cảm biến - chấp hành Do đỏi hỏi phải áp dụng hoá áp dụng cho hai cấp gọi hệ thống tự động hoá điều hành quản lý công nghệ khác cho cấp điều khiển Có ba giải pháp để thực việc sản xuất trao đổi thông tin hệ thống tự động hoá trình sản xuất nói chung, hệ thống điều khiển phân tán riêng là: Cơ cấu chấp hành Thiết bị đo Phương thức trao đổi thông tin tín hiệu tương tự (analog): Trong hệ thống sử dụng phương thức trao đổi thông tin tín hiệu analog, tín hiệu số thiết bị điều khiển số chuyển đổi thành tương tự thông qua chuyển đổi số - tương tự (DAC) ngược lại thiết bị nhận tín hiệu chuyển đổi từ tương tự sang số thông qua chuyển đổi tương tự số (ADC) Trong hệ Bộ điều khiển thống điều khiển sử dụng phương thức trao đổi thông tin tín hiệu tương tự, khối lượng thông tin cần trao đổi lớn dần tới tăng khối lượng dây dẫn làm giảm chất lượng điều khiển sai số trình chuyển đổi tín hiệu chuyển đổi ADC DAC Hình 1-2 Mô hình điều khiển đơn giản Điều khiển phân tán với truyền thông kỹ thuật số điểm - điểm Điều khiển phân tán sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn So với phương án điều khiển phân tán sử dụng mạng truyền thông, phương + Mạng điều khiển: Mạng thực chức liên kết điều khiển án sử dụng truyền thông điểm - điểm nhiều hạn chế khả tích hợp, chi phí với với trạm vận hành Trước (và số hệ thống nay) mạng điều bảo trì, sửa chữa cao Trong thập kỷ gần đây, phát triển công nghệ khiển thường dùng giao thức Token Passing, chuẩn mạng chuẩn kín, riêng thông tin truyền thông thúc đẩy việc chuyển hướng phát triển hệ nhà cung cấp, điều khiển nhà cung cấp khác thường kết thống điều khiển tự động hoá trình công nghệ sang hướng điều khiển phân tán nối vào chuẩn mạng Ngày nay, tốc độ dung lượng đường truyền sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số nhằm tận dụng ưu điểm phương mạng Ethernet ngày nâng cao, vấn đề hạn chế mạng án dần giải thoả đáng, xu mở tạo thuận lợi cho khách hàng Mạng máy tính (hay mạng truyền thông kỹ thuật số) hệ thống tự động khuyến khích hãng sử dụng chuẩn Ethernet cho mạng điều khiển hoá trình sản xuất phân chia thành hai loại: mạng điều khiển mạng + Mạng vận hành, giám sát huy: Mạng thực chức trao đổi liệu Trong mô hình phân cấp hệ thống tự động hoá trình sản xuất đại, thông tin hệ thống điều khiển hệ thống điều hành, quản lý nhà máy để cập hệ thống mạng máy tính sử dụng cho cấp quản lý công ty (cấp 5), cấp quản lý nhập thông tin tình hình sản xuất mệnh lệnh sản xuất Trước điều hành nhà máy (cấp 4) phần cấp giám sát – huy mạng liệu bây giờ, chuẩn mạng thường dùng chuẩn Ethernet Mạng máy tính sử dụng cho cấp cảm biến – chấp hành (cấp trường), cấp điều khiển trình công nghệ (cấp điều khiển) cấp điều khiển giám sát mạng điều khiển Mạng liệu có đặc điểm gói liệu có kích thước lớn, tần suất truyền tin nhỏ Yêu cầu hệ thống mạng sử dụng cho mạng liệu khoảng cách truyền tin lớn, tốc độ liệu phải cao để truyền gói tin có kích thước lớn So với mạng liệu mạng điều khiển có khác biệt mạng điều khiển có khả đáp ứng yêu cầu ứng dụng có đòi hỏi khắt khe thời gian xử lý Tương ứng với lớp, cấp độ hệ thống điều khiển phân tán, ta có mạng truyền thông: + Mạng thiết bị: Mạng thiết bị bus trường bao gồm mạng truyền thông điều khiển với vào/ra phân tán, truyền thông điều khiển với PLC điều khiển cấp điều khiển máy sản xuất công đoạn sản xuất độc lập tương đối Hệ thống mạng thường sử dụng chuẩn mạng DeviceNet, Profibus, Foundation Fieldbus Mô hình truyền thông sử dụng master/slave peer to peer Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 1.2 Truyền thông hệ điều khiển phân tán (DCS) 1.2.1 Khái quát chung hệ DCS Một hệ DCS thông thường có cấp thực việc liên kết với phần cấp quản lý điều hành sản xuất thông qua hệ thống quản lý thông tin cấp để tích hợp vào hệ thống quản lý sản xuất, quản lý thông tin phối hợp quản lý diện rộng SAP, PRM,… Đặc điểm cấu trúc điều khiển phân tán việc phân bố thiết bị xuống vị trí gần kề với trình kỹ thuật, sử dụng mạng truyền thông công nghiệp để kết nối trao đổi thông tin Sơ đồ cấu trúc tiêu biểu cho hệ thống điều khiển phân tán Hình 1-3 1.2.1.1 Cấp chấp hành - cảm biến Lớp chấp hành cảm biến bao gồm vào/ra phân tán để ghép nối với sensor, cấu chấp hành có chức kết nối với tín hiệu vào/ra xử lý sơ trước chuyển lên cấp điều khiển Sensor có chức thu thập liệu trình, có khả truyền thông cài thuật toán tự hiệu chuẩn, tự kiểm tra, chuẩn đoán lỗi Sensor thông minh thực việc thu thập liệu đại lượng vật lý trình cần đo nhiệt độ, tốc độ, độ PH,… từ trường, mã hoá liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn truyền tới thiết bị khác thông qua mạng truyền thông Ngoài sensor số trường hợp kết nối trực tiếp với điều khiển Các PLC kết nối thông minh có khả tự hiệu chuẩn, tự chuẩn đoán lỗi, hỏng hóc với hệ DCS gọi Subsystems gặp phải để phát cảnh báo cần thiết 1.2.1.2 Cấp điều khiển Cấp điều khiển bao gồm điều khiển, nơi thực chức điều khiển toàn nhà máy Cấp quản lý SX Lưu trữ PC Quản lý thông tin Bên cạnh cấp điều khiển phải thực chức truyền thông với cấp cảm biến chấp hành để lấy liệu từ đầu vào sau xử lý tín hiệu, thực PC mạng giám sát – huy thuật toán điều khiển gửi tín hiệu điều khiển đầu đến thiết bị Cấp vận hành, giám sát-chỉ huy OPC Trạm vận hành Trạm vận hành với thông qua mạng truyền thông cấp điều khiển Trạm vận hành mạng điều khiển px2 mạng điều khiển px1 Cấp điều khiển Controller Controller mạng thiết bị (bus trường) S C A máy sx Cung cấp giao diện với hình ảnh đồ họa mô tả hoạt động toàn mạng thiết bị (bus trường) S C A công đoạn sx Smart sensor 1.2.1.3 Cấp vận hành, giám sát huy Cấp vận hành, giám sát huy bao gồm trạm vận hành, cung cấp giao diện cho người vận hành với trình Controller IPC chấp hành cấp cảm biến chấp hành Các điều khiển đọc, trao đổi liệu Cấp trường (cảm biến-chấp hành) Trạm I/O Smart actuator Smart actuator Smart sensor trình cách sinh động trực quan 1.2.1.4 Hệ thống quản lý thông tin Hệ thống lý thông tin phần cấp điều hành quản lý sản PLC Hình 1-3 Cấu hình tiêu biểu hệ thống DCS xuất Hệ thống bao gồm lớp con: Lớp Gateway: dựa chuẩn OPC (OLE for Process Control), cho phép tất Ngoài cấp chấp hành cảm biến có PLC, máy tính công nghiệp điều khiển máy sản xuất công đoạn sản xuất tương đối độc lập máy tính kết nối với hệ DCS có hỗ trợ OPC Lớp gateway phục vụ việc trao đổi liệu với điều khiển phân xưởng, công đoạn Cấp chấp hành cảm biến cung cấp giao diện sau: * Giao diện kết nối trực tiếp với vào/ra tương tự (như áp suất, nhiệt độ, ) khác Lớp Database: Đọc liệu từ điều khiển thông qua Gateway OPC và vào/ra số (như tín hiệu rơ le tín hiệu chuyển mạch, liên động, ) * Giao diện Bus trường: cung cấp giao diện với chuẩn Bus trường như: lưu trữ định dạng liệu chuẩn MS SQL, Oracle,… Lớp Management: Lớp quản lý cung cấp thông tin cho người sử dụng Foundation Fieldbus, Profibus, HART Cho phép biến đổi cấu chấp hành trao đổi thông tin trực tiếp với điều khiển đường truyền thông số thức, quản lý tài nguyên nhà máy, tối ưu hoá trình,… Lớp quản lý đọc * Giao diện kết nối với PLC: PLC nối vào hệ DCS thông qua số card giao diện truyền thông Thông thường nối với giao diện vào/ra Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên mạng templates bao gồm: lập báo cáo, quản lý theo mẻ, tính toán theo công http://www.lrc-tnu.edu.vn liệu từ lớp Database trao đổi thông tin với điều khiển thông qua gateway OPC Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 88 Cx  sin   với: C y  cos + 89 Ex 2r Ey 4.2 Hệ điều khiển truyền động nhiều trục điều khiển vị trí dùng mạng 2r 4.2.1 Cấu hình mô hình truyền thông tƣơng tự (analog) Dễ dàng nhận thấy Cx Cy không phụ thuộc vào tham số quỹ đạo đặt  r mà phụ thuộc vào sai lệch trục (Ex Ey) sai lệch quỹ đạo chuyển động hàm phi tuyến sai lệch trục Chúng ta xem xét cấu hình hệ điều khiển truyền động nhiều trục sử dụng máy công cụ điều khiển số CNC: Mục tiêu điều khiển liên kết chéo di chuyển đối tượng chuyển động Servo motor Servo driver CNC vè vị trí S (vị trí gần quỹ đạo mong muốn) điều khiển vị trí hệ servo dẽ điều khiển đối tượng chuyển động phía điểm đặt (điểm R) Sai lệch trục đo theo thời gian thực, đại lượng tham số D/A Quỹ đạo đặt  20 mA A/D  SX quỹ đạo đặt nhận từ nội suy quỹ đạo Velocity feedback (Encoder, resolver) + + Servo Controller + Servo Motor Nội suy quỹ đạo Cx Bộ ước lượng sai lệch quỹ đạo chuyển động SZ SY SX MCU Công nghệ D/A  20 mA Velocity feedback (Encoder, resolver) PI  20 mA Servo Controller + A/D  Cy -  SY D/A + A/D SZ - Velocity feedback (Encoder, resolver) Servo Motor Hình 4-3 Cấu hình truyền thông hệ điều khiển truyền động nhiều trục Hình 4-2 Cấu trúc điều khiển liên kết chéo Sai lệch quỹ đạo chuyển động đưa vào điều khiển bù liên kết chéo để tính toán tín hiệu điều khiển Các tín hiệu điều khiển thêm vào tín Giới thiệu sơ đồ: - Cụm điều khiển máy (Machine Control Unit - MCU) hiệu đầu điều khiển servo trục đưa tới hệ truyền - Cụm điều khiển động servo(Servo driver) động động servo - Cụm động servo (servo motor) - Bộ chuyển đổi Số - Tương tự, Tương tự - Số: D/A, A/D Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 90 91 - SX, SY, SZ: Giá trị vị trí trục b Xử lý số liệu (data processing) Cấu trúc chương trình điều khiển được đưa vào cụm MCU - Cụm phản hồi tốc độ (Velocity feedback) Khối điều khiển máy (MCU) đầu não trung tâm máy CNC bao gồm: máy tính có nhiệm vụ điều khiển chung hoạt động máy, giao tiếp với người sử dụng, nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí thực thuật toán nội suy, so sánh đưa lệnh điều khiển, hiệu chỉnh vị trí gia công; điều khiển khả trình PLC làm nhiệm vụ điều khiển chức máy Khối điều khiển servo làm nhiệm vụ nhận lệnh điều khiển từ máy tính trung tâm, nhận tín hiệu phản hồi tốc độ từ cảm biến tốc độ, thực thuật toán điều chỉnh hợp lý (PID, trượt, mờ, nơron) để điều khiển lượng cấp cho động servo Cảm biến dùng để đo tốc độ máy CNC thường dùng loại Encoder, Resolve, Synchro Cảm biến dùng để đo vị trí máy CNC thường biến áp vi sai Encoder Inductosyn Truyền động máy CNC thường hệ truyền động động servo chiều không chổi than động servo xoay chiều mã hoá thành số nhị phân sau lưu truyền độngữ vào cụm nhớ đệm c Số liệu (data output) Số liệu đưa MCU tín hiệu vị trí, lượng chạy dao tốc độ truyền động thành phần cho trục X, Y, Z Các tín hiệu gửi tới mạch điều khiển servo để sinh tín hiệu điều khiển động Trong cụm dẫn động, động có mạch khuyếch đại tín hiệu trước đưa vào cụm dẫn động nhỏ không đủ công suất để động làm việc d Ghép nối vào/ra (machine I/O interface) Các tín hiệu rời rạc yêu cầu từ số liệu vào chiều quay trục chính, đóng mở động làm mát, bôi trơn, dừng khẩn cấp, dừng chu trình tín hiệu khác từ máy công cụ gửi tới hệ điều khiển CNC e Phần mềm ứng dụng Chương trình ứng dụng gọi chương trình NC (Numberical Compute) Chương trình cho phép mô tả đường chuyển động dụng cụ trình gia công, kiểu chuyển động: chạy nhanh, nội suy thẳng, nội suy vòng, điều kiện cắt, tốc 4.2.2 Giới thiệu mô hình độ trục chính, lượng ăn dao, chiều sâu cắt Chương trình ứng dụng viết 4.2.2.1 Cụm điều khiển Cụm điều khiển máy coi trái tim máy công cụ điều khiển số Nó có nhiệm vụ liên kết tất chức để điều khiển máy Các chức bao gồm: vào/ số liệu, xử lý số liệu ghép nối máy với thiết bị ngoại vi hai cách: Chương trình mã G chương trình tham số 4.2.2.2 Encoder Trong số loại cảm biến đo vị trí, Encoder loại sử dụng cho ứng dụng đòi hỏi độ phân giải độ tin cậy trung bình Encoder chia làm hai a Số liệu vào (data input) Chức bao gồm: chức vào lưu trữ số liệu Đó số liệu mô tả đường chuyển động dụng cụ điều kiện gia công sản phẩm Bao gồm: loại: Encoder quay Encoder thẳng Các trục máy CNC thường trang bị dụng cụ đo vị trí để xác - Giá trị quỹ đạo đặt định tọa độ bàn máy dao cụ thiết bị đo thường Encoder - Các số liệu vào công nghệ: số liệu xác định vị trí, lượng chạy dao, hiệu thẳng (hình 4-4) chỉnh chiều dài, đường kính dụng cụ, yêu cầu điều khiển đóng ngắt hệ thống bôi tế tức thời trục tọa độ Các đại lượng để đo đoạn đường trơn, làm mát chi tiết,… chuyển động thẳng góc chuyển động quay trục - Các giá trị vị trí SX, SY, SZ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Các Encoder thẳng đo khoảng cách dịch chuyển tức xác định tọa độ thực http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 92 93 tọa độ Tín hiệu đầu Encoder thẳng đưa so sánh với giá trị đặt vị Nó bao gồm rotor, stator, rotor người ta bố trí cuộn dây stator người ta bố trí hai cuộn dây đặt lệch 90 Đối với Synchro stator có ba trí, kết đưa vào đầu vào điều chỉnh vị trí Mặt khác Encoder thẳng trang bị vài điểm chuẩn (Reference Mark) hình 4-5 cuộn dây đặt lệch 1200 Người ta đặt điện áp xoay chiều vào cuộn dây rotor resolver synchro rotor quay cuộn dây stator xuất điện áp hình 4-6 Reference Mark Encoder Hình 4-4 Encoder thẳng Hình 4-5 Vạch vị trí Mục đích để thiết lập lại (xác định lại) toạ độ trục sau lần khởi động máy Nếu khởi động lại máy sau có điện trở lại trục toạ độ phải di chuyển qua điểm chuẩn (Reference Mark) phát tín hiệu, tín hiệu truyền đến hệ CNC lúc hệ điều khiển xác định tọa độ đồng thời hiển thị giá trị tọa độ thực tế lên hình Vì vậy, sau Hình 4-6 Cấu tạo Synchro, resolver chạy hết trục điểm quy chuẩn (Reference Mark) thực Tín hiệu resolver synchro thường nhỏ thực tế người gia công máy ta phải khuyếch đại mạch điện tử sau đưa qua ADC biến đổi thành tín 4.2.2.3 Resolver Synchro hiệu số Resolver Synchron thiết bị đo kiểu tương tự, dùng để xác định vị trí tốc độ Thiết bị có độ xác độ tin cậy cao nên thường sử dụng máy CNC Thiết bị đo làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ Điện áp tín hiệu vào tỷ lệ với vị trí góc tốc độ trục resolver Resolver có cấu trúc giống động điện xoay chiều cỡ nhỏ Hình 4-6 kiểu resolver thường gặp máy CNC 4.2.3 Đánh giá phƣơng pháp truyền thông tƣơng tự hệ điều khiển Với sơ đồ điều khiển chuyển động nhiều trục sử dụng điều khiển chuyển động cho trục hình 4-3 Giữa trục có mối liên hệ với theo quy luật định Việc tạo quỹ đạo thuật toán điều khiển vị trí thực bục phần cứng đơn lẻ Các drive sử dụng số tương tự, hoạt động mode vận tốc mode mô men Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 94 95 Tín hiệu điều khiển gửi từ MCU đến Servo Driver tín hiệu dòng (4-20mA) hay áp (0-10V) Tín hiệu phản hồi tín hiệu vị trí lấy từ encoder, resolver,… Với hệ điều khiển chuyển động có số nhược điểm sau: 4.3 Hệ điều khiển truyền động nhiều trục điều khiển vị trí dùng mạng truyền thông Bus-CAN 4.3.1 Cấu hình mô hình  Về mặt giám sát: Do truyền thông chiều nên giao diện từ MCU đến Servo Drive không cung cấp khả giám sát thông số, lỗi Servo drive nên việc điều khiển, phát cố gặp nhiều khó khăn  Về mặt trễ: Do sử dụng tín hiệu analog để điều khiển nên tín hiệu từ MCU đến Servo drive phải qua biến đổi D/A, tín hiệu vị trí phản hồi từ Encoder (A/D) Sự biến đổi hai lần tạo trễ làm ảnh hưởng đến tính thời gian thực hệ thống điều khiển Từ phân tích ta nhận thấy phương pháp truyền thông truyền Hình 4-7 Cấu hình truyền thông dùng CAN-bus cho hệ điều khiển chuyển động thống (dùng tín hiệu analog) đáp ứng ứng dụng điều khiển Giá trị quỹ đạo đặt Các thông số trình công nghệ chuyển động đơn giản (số trục tham gia chuyển động ít) yêu cầu xác không MCU cao Một hệ điều khiển chuyển động phức tạp có nhiều trục tham gia chuyển động, trục có mối liên hệ, phối hợp chuyển động với để thực nhiệm vụ chung Đối với hệ tính đồng trục trao đổi thông tin trục với cần thiết CAN-BUS Do đó, người ta phải tìm phương pháp truyền thông khác để đáp ứng toán điều khiển chuyển động phức tạp dễ dàng cho việc thiết kế, điều Servo Driver Velocity feedback (Encoder, resolver)  Servo Motor Velocity feedback (Encoder, resolver) Servo Driver khiển truyền động nhiều trục điều khiển vị trí cần thiết  Servo Motor Servo Driver Velocity feedback (Encoder, resolver) khiển Việc ứng dụng phương pháp truyền thông số dùng mạng (Bus) cho hệ điều  Servo Motor Hình 4-8 Cấu hình hệ điều khiển truyền động nhiều trục dùng truyền thông CAN-Bus Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 96 97 4.3.2 Đánh giá phƣơng pháp truyền thông sử dụng CAN-Bus Ở sơ đồ hình 4-8, xây dựng mạng truyền thông dùng Bus-CAN Khi dùng mạng (bus) để truyền thông hệ điều khiển chuyển động số vấn đề ta phải quan tâm là: cho hệ điều khiển truyền động nhiều trục từ MCU xuống Servo driver Với  Tính thời gian thực hệ thống khả truyền thông tin hai chiều CAN-Bus cho phép:  Thời gian trễ truyền thông - Truyền tín hiệu điều khiển từ CNC đến Driver để đưa lệnh điều khiển, hiệu chỉnh vị trí gia công… trục thành phần  Tính toàn vẹn tín hiệu truyền  Độ xác hệ thống chuyển động (đánh giá theo tiêu đó) - Truyền thông từ trục thành phần lên CNC bao gồm: tín hiệu phản Khái niệm xử lý thời gian thực không đồng nghĩa với xử lý nhanh mà hồi tín hiệu vị trí lấy từ encoder, resolver,…, giá trị phản hồi tốc độ, khả đáp ứng kịp thời xác với tác động kiện Một thông số mômen, gia tốc, tải, dòng… truyền từ servo driver yếu tố ảnh hưởng tới tính kịp thời hệ thống : đưa lên CNC  Ảnh hưởng trễ xử xử lý tính toán truyền thông (tiền định – - Khả truyền thông nội Servo driver thông qua đường bus Do yêu cầu tính thời gian thực hệ thống truyền động nhiều trục, ước lượng trước được)  Ảnh hưởng lỗi, nhiễu gây làm hay thay đổi tín hiệu đặc biệt hệ truyền động robots CNC, giao diện điều khiển nhiều Việc loại bỏ thời gian trễ truyền thông điều Nhưng ta có trục điều khiển truyền động thành phần dùng tín hiệu tương tự thể ước lượng thời gian trễ cho phép hệ điều khiển Từ đó, ta có Nếu dùng truyền thông kỹ thuật số hệ truyền động nhiều trục hình 4-8 thể chọn cấu hình truyền thông điều khiển tương ứng mà đảm bảo khắc phục nhược điểm kỹ thuật tương tự, nâng cao độ xác tốc tính thời gian thực tính ổn định hệ thống độ làm việc hệ thống Tuy nhiên, xuất số vấn đề cần phải Trong phạm vi luận văn nghiên cứu việc dùng truyền thông CAN-bus nghiên cứu độ trễ truyền thông, lỗi truyền thông, vấn đề đồng hóa hoạt động cho hệ điều khiển chuyển động Trên sở đó, phân tích ảnh hưởng trễ truyền hệ thống,… thông đến chất lượng điều khiển hệ thống truyền động nhiều trục điều khiển vị Khi dùng bus tín hiệu truyền tín hiệu số Ta dễ nhận thấy trí Vấn đề cần quan tâm sử dụng mạng CAN-bus cho hệ truyền động ưu điểm chuyển từ truyền tín hiệu tương tự (phương pháp truyền ảnh hưởng trạng thái bão hoà mạng truyền thông đến chất lượng hệ thống thống) sang truyền tín hiệu số (dùng bus) là: qua thấy ảnh hưởng chu kỳ lấy mẫu Ts đến thời gian trễ  Thông tin truyền bus theo chiều, lượng thông tin truyền lớn nên dễ điều khiển  Khả chống nhiễu cao  Cấu trúc nối dây đơn giản  Và giảm giá thành Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 98 99 4.4 Các phƣơng pháp mô hình hoá trễ hệ thống điều khiển 4.4.2 Mô hình hoá trễ truyền thông dùng xích Markov Trong chương ta phân tích đặc điểm trễ truyền thông cho thấy trễ 4.4.1 Phƣơng pháp xấp xỉ Padé Trong trường hợp đơn giản ta giả thiết trễ hệ thống điều khiển phân tán số ta sử dụng công cụ phân tích thiết kế với hệ thống điều khiển có trễ phương pháp đồ thị Bode, phương pháp sơ đồ Nyquist Khi coi trễ truyền thông số ta gần hệ thống hệ có trễ thông thường áp dụng điều khiển dự báo Smith (Smith-predictor) để điều khiển hệ thống [5] Khi không cần độ xác cao việc phân tích hệ thống ta sử dụng phương pháp xấp xỉ Padé Phương pháp xấp xỉ Padé gần thành phần trễ e-s hàm truyền đối tượng có trễ đa thức G ( s )  P ( s ) Q ( s ) Về chất dạng khai truyền thông phụ thuộc vào lưu lượng truyền thông hay tải đường mạng, cụ thể phụ thuộc vào chiều dài hàng đợi thông điệp cần truyền Xem xét khoảng thời gian lần truyền tin ta thấy thay đổi tải mạng hay chiều dài hàng đợi trình chậm trễ truyền thông lần truyền không hoàn toàn ngẫu nhiên độc lập với dẫn tới trễ mạch vòng điều khiển có tính chất Kết phân tích cho thấy trễ hệ thống điều khiển sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số có số hữu hạn trạng thái ta mô hình hoá trình chuyển trạng thái trễ trình Markov [19] Gọi trạng thái trễ truyền thông thời điểm k sk nhận ngẫu nhiên triển chuỗi Taylo Bậc P(s) Q(s) P(s) = Q(-s) để đảm bảo đặc giá trị tập S = {1, 2, 3…s} Theo [3], [7] [17] xác xuất để trạng thái tính truyền đạt hệ thống, có nghĩa G(w)=1 Trên Bảng 4-1 ba bậc trễ truyền thông chuyển từ trạng thái i sang trại thái j là: qij  Ps k 1  j s k  i xấp xỉ Padé Bảng 4-1 Xấp xỉ Padé cho thành phần trễ exp (-s) Bậc 1 s ij 1 Ma trận chuyển trạng thái xích Markov sau:  q 00 q 01 q s  q q11 q1s  Ps   10     q q q s1 ss   s0  n=2  ( s ) 1 s  12  ( s ) 1 s  12 n=3  ( s ) ( s ) 1 s   12 120  ( s ) ( s ) 1 s   12 120 2 q j Xấp xỉ Padé 1 s n=1 Trong đó:  i, j  s;  qij  (4.5) (4.6) Tuỳ thuộc vào đặc điểm tính chất mạng truyền thông ta có đặc điểm trình chuyển trạng thái khác Trong mạng có thiết lập chế độ ưu tiên trễ thông điệp truyền nút mạng có mức ưu tiên cao tăng theo bậc (chỉ chuyển tới trạng thái liền kề) nút mạng ưu tiên thấp tăng nhiều bậc (có thể chuyển tới trạng thái không liền kề) Quá trình giảm vậy, không thiết lập chế độ bỏ qua thông điệp cũ gói tin lỗi trình giảm trễ theo bậc thiết lập chế độ bỏ qua thông Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 100 101 điệp cũ gói tin lỗi trình giảm giảm nhiều bậc Ví dụ trễ Các thành phần trễ hệ thống làm tăng thêm độ trễ pha hệ thống trạng thái 2, tăng giảm bậc chuyển sang trạng thái Trễ hệ thống trích mẫu bao gồm trễ hữu hạn tần số lấy mẫu chuyển sang trạng thái hay nói cách khác q23, q21  q24 = chậm trễ khác Sự trễ pha hữu hạn tần số lấy mẫu gọi trễ pha lượng tử hoá (s) d trễ pha chậm trễ Theo [15] trễ pha có Gọi xác suất trạng thái Markov i ta có: i(k) = P(sk = i) (4.7) thể tính toán sau: Và ta có vector phân bố trạng thái sau: (k) = [1(k) 2(k) … fTs (4.11)  d  fTd (4.12)  s  s(k)] (4.8) Phân bố xác suất trạng thái sk tính phương pháp đệ quy Ts chu kỳ lấy mẫu, Td trễ sau: Băng thông hệ thống điều khiển, f bw tần số tối đa mà đầu hệ  (k + 1) = (k)P thống bám theo tín hiệu đầu vào hình sin với sai số cho phép Một cách (0) = 0 diễn đạt khác, băng thông hệ thống điều khiển tần số tín hiệu vào mà 4.5 Tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng điều khiển Hai tiêu chuẩn thường sử dụng để đánh giá thiết kế hệ thống điều khiển tiêu chuẩn tích phân bình thương sai lệch (ISE) tiêu chuẩn tích phân tích số thời gian giá trị tuyệt đối sai lệch (ITAE) Công thức tính toán tiêu chuẩn sau [1]: đầu hệ thống suy giảm 3dB (hay đầu 0.707 lần đầu vào) [15] Để đảm bảo chất lượng điều khiển tần số lấy mẫu, f s hệ thống phải đảm bảo yêu cầu sau: 20  tf ISE   e dt (4.9) t0 tf ITAE   t e dt (4.10) t0 f f bw  40 (4.13) 4.6 Phân tích ảnh hƣởng trễ truyền thông đến chất lƣợng điều khiển hệ thống truyền động nhiều trục Do yêu cầu tính thời gian thực hệ thống truyền động nhiều trục, Ở t0 tf thời điểm đầu cuối trình khảo sát e sai lệch quỹ đạo thực quỹ đạo đặt Tiêu chuẩn ISE đánh giá sai lệch thời điểm ITAE đánh giá sai lệch sau nặng sai lệch ban đầu đặc biệt hệ truyền động robots CNC, giao diện điều khiển nhiều trục điều khiển truyền động thành phần dùng tín hiệu tương tự Nếu dùng truyền thông kỹ thuật số hệ truyền động nhiều trục khắc phục nhược điểm kỹ thuật tương tự, nâng cao độ xác tốc độ làm việc Các hệ thống điều khiển ngày thường dùng điều khiển số Trong hệ thống điều khiển số để xác định tần số lấy mẫu tốt đảm bảo ổn hệ thống Tuy nhiên, xuất số vấn đề cần phải nghiên cứu độ trễ truyền thông, lỗi truyền thông, vấn đề đồng hóa hoạt động hệ thống, vv định hệ thống chất lượng điều khiển ta cần phải xác định độ dự trữ pha băng thông hệ điều khiển Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 102 103 4.6.1 Cấu hình mô hình + + Servo Controller Servo Motor + Bộ ước lượng sai lệch quỹ đạo chuyển động CAN Bus Hình 4-9 Cấu hình hệ điều khiển truyền động dùng truyền thông Bus-CAN Nội suy quỹ đạo Cx PD Board DS1103 (có giao diện CAN) cắm vào khe ISA máy tính gửi tín Cy hiệu điều khiển qua mạng CAN xuống Drive IDM640 (có giao diện CAN) để + điều khiển động đồng hình vẽ Mạch vòng vị trí đưa lên Board - Servo Controller + - Servo Motor DS1103 nên tín hiệu gửi qua mạng CAN xuống Drive IDM640 giá Controller trị vận tốc tham chiếu Thông số tốc độ cập nhật mạch vòng tốc độ/ mômen tương ứng Hình 4-10 Cấu trúc điều khiển chuyển động hai trục điều khiển vị trí 1KHz/10KHz Tốc độ cập nhật mạch vòng vị trí thay đổi việc thay đổi chu kỳ lấy mẫu (bước tính mô hình Simulink) Ví dụ: Nếu ta chọn chu 4.6.2 Phân tích ảnh hƣởng trễ truyền thông đến chất lƣợng điều khiển kỳ lấy mẫu Ts = 10ms sau 10ms tín hiệu tham chiếu vận tốc lại gửi hệ thống từ DS1103 qua mạng CAN xuống Drive Chúng ta xem xét sơ đồ cấu trúc điều khiển chuyển động hai trục điều khiển vị trí sử dụng truyền thông mạng CAN sử dụng luật điều khiển PD cho điều khiển vị trí trục Hình 4-10 Từ hình 4-2 hình 4-10, tiến hành phân tích, đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống truyền động nhiều trục điều khiển vị trí dựa kết khảo sát mô hình mô Đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống tiêu chuẩn ITEA với tần số lấy mẫu khác trường hợp sau: - Mạng không sử dụng để truyền thông tin kiện; - Xác suất xuất thông điệp kiện 0.01, chiều dài thông điệp ngẫu nhiên khoảng từ – 80 bytes; - Xác suất xuất thông điệp kiện 0.03, chiều dài thông điệp ngẫu nhiên khoảng từ – 80 bytes; Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 104 105 - Xác suất xuất thông điệp kiện 0.05, chiều dài thông điệp ngẫu Bảng 4-2 Kết khảo sát thông điệp kiện truyền mạng T nhiên khoảng từ – 80 bytes Sử dụng quỹ đạo chuyển động đặt đường tròn, đường kính 200mm Kích (ms) ITAE1 ITAE2 ITAE3 ITAE4 ITAE5 ITAE6 ITAE7 ITAE8 ITAE9 ITAE10 ITAEtb Mất ổn định thước thông điệp đo lường điều khiển bytes ta tính chiều dài 1,2 0,2923 0,2923 0,2923 0,2923 0,2923 0,2923 0,2923 0,2923 0,2923 0,2923 0,2923 khung truy nhập theo là: 1,4 0,0550 0,0550 0,0550 0,0550 0,0550 0,0550 0,0550 0,0550 0,0550 0,0550 0,0550 1,6 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 1,8 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 47 CAN 2.0A 65 với CAN 2.0B Với tốc độ truyền 500kbps ta có Tbit= 2µs 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 chiều dài khung truy nhập từ 222  s tới 250 s Trong hệ truyền 0,2383 0,2383 0,2383 0,2383 0,2383 0,2383 0,2383 0,2383 0,2383 0,2383 0,2383 0,3383 0,3383 0,3383 0,3383 0,3383 0,3383 0,3383 0,3383 0,3383 0,3383 0,3383 động trục ta cần thiết phải truyền 04 giá trị đo lường điều khiển nên thời gian 10 0.4386 0.4386 0.4386 0.4386 0.4386 0.4386 0.4386 0.4386 0.4386 0.4386 0.4386 truyền thông chu kỳ yêu cầu từ 888 s tới 1000 s Nếu thời gian cần 12 0.5393 0.5393 0.5393 0.5393 0.5393 0.5393 0.5393 0.5393 0.5393 0.5393 0.5393 14 0.6384 0.6384 0.6384 0.6384 0.6384 0.6384 0.6384 0.6384 0.6384 0.6384 0.6384 16 0.7408 0.7408 0.7408 0.7408 0.7408 0.7408 0.7408 0.7408 0.7408 0.7408 0.7408 điều khiển nhỏ lựa chọn để hệ thống đảm bảo yêu cầu kết thúc 18 0.8537 0.8537 0.8537 0.8537 0.8537 0.8537 0.8537 0.8537 0.8537 0.8537 0.8537 trình tính toán truyền tin chu kỳ 1,15 ms 20 1.055 1.055 1.055 1.055 1.055 1.055 1.055 1.055 1.055 1.055 1.055 Tframe = Nstuff + Nc + N data Tbit (4.14) Nstuff số bít nhồi, lấy giá trị từ tới 14 bít, Nc số bít điều khiển lấy giá trị thiết cho việc tính toán điều khiển trường hợp xấu 150 s chu kỳ Vì thông tin kiện có tính ngẫu nhiên, nên phải qua nhiều lần thí nghiệm ứng với chu kỳ lấy mẫu, lần làm thí nghiệm thu giá trị 10 ITAE  k 1 10 (4.15) Qua 10 lần thí nghiệm, với kết thu bảng 4-2, bảng 4-3, bảng 4-4 bảng 4-5 sau [4]: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên T (ms) ITAE sau tính giá trị ITAE trung bình theo công thức sau:  ITAE k Bảng 4-3 Kết khảo sát xác suất xuất thông điệp kiện mạng 1% http://www.lrc-tnu.edu.vn ITAE1 ITAE2 ITAE3 ITAE4 ITAE5 ITAE6 Mất ổn định 1,2 Mất ổn định 1,4 ITAE7 ITAE8 ITAE9 ITAE10 ITAEtb 44,36 Mất ổn định 1,6 49,1 49,1 49,1 24,6 19,8 49,1 55,4 49,1 49,1 49,1 1,8 17,72 17,72 27,85 17,72 29,82 17,72 17,72 17,72 17,20 17,72 19,89 0,0785 0,0785 0,0789 0,0787 0,0808 0,0783 0,0783 0,0765 0,0782 0,0761 0,0782 0,1535 0,1518 0,1518 0,1516 0,1517 0,1518 0,1518 0,1515 0,1518 0,1518 0,1519 0,2507 0,2500 0,2507 0,2507 0,2507 0,2507 0,2516 0,2507 0,2507 0,2507 0,2507 0,3423 0,3423 0,3423 0,3423 0,3423 0,3423 0,3423 0,3423 0,3423 0,3423 0,3423 10 0,4408 0,4408 0,4408 0,4408 0,4408 0,4408 0,4408 0,4408 0,4408 0,4408 0,4408 12 0,5415 0,5415 0,5415 0,5415 0,5415 0,5415 0,5415 0,5415 0,5415 0,5415 0,5415 14 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 16 0,7402 0,7402 0,7402 0,7402 0,7402 0,7402 0,7402 0,7402 0,7402 0,7402 0,7402 18 0,8534 0,8534 0,8534 0,8534 0,8534 0,8534 0,8534 0,8534 0,8534 0,8534 0,8534 20 1,0570 1,0570 1,0570 1,0570 1,0570 1,0570 1,0570 1,0570 1,0570 1,0570 1,0570 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 106 107 Qua kết khảo sát ta thấy, hai trường hợp mạng thông Bảng 4-4 Kết khảo sát xác suất xuất thông điệp kiện mạng 3% T (ms) ITAE1 ITAE2 ITAE3 ITAE4 ITAE5 ITAE6 Mất ổn định 1,2 Mất ổn định 1,4 Mất ổn định ITAE7 ITAE8 ITAE9 ITAE10 ITAEtb điệp kiện hay có thông điệp kiện với xác suất xuất thông điệp khác nhau, ta thay đổi chu kỳ trích mẫu – Ts kết độ sai lệch vị trí (được đánh giá theo tiêu chuẩn ITAE) khác Từ bảng kết ta vẽ ước lượng đồ thị thể liên hệ giá trị sai lệch vị trí theo tiêu chuẩn ITAE với thời 1,6 168,60 168,60 168,60 168,60 145,74 98,86 168,60 196,80 168,60 157,45 161,05 1,8 59,59 59,59 59,59 82,72 59,59 59,59 59,59 51,45 59,59 59,59 61,10 39,79 39,79 39,79 39,79 39,79 39,79 39,79 39,79 39,79 39,79 39,79 0,1746 0,1737 0,1734 0,1734 0,1734 0,1742 0,1734 0,1734 0,1734 0,1734 0,1736 0,2605 0,2635 0,2605 0,2605 0,2622 0,2605 0,2605 0,2605 0,2605 0,2605 0,2610 0,3510 0,3510 0,3752 0,3510 0,3510 0,3510 0,3621 0,3510 0,3510 0,3510 0,3545 10 0,4407 0,4407 0,4407 0,4407 0,4407 0,4407 0,4407 0,4407 0,4407 0,4407 0,4407 12 0,5414 0,5414 0,5414 0,5414 0,5414 0,5414 0,5414 0,5414 0,5414 0,5414 0,5414 14 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 16 0,7453 0,7453 0,7453 0,7453 0,7453 0,7453 0,7453 0,7453 0,7453 0,7453 0,7453 18 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 20 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 gian lấy mẫu Ts để so sánh đánh giá quy luật ảnh hưởng trễ truyền thông với chu kỳ lấy mẫu khác ta có Hình 4-11 Bảng 4-5 Kết khảo sát xác suất xuất thông điệp kiện mạng 5% T (ms) ITAE1 ITAE2 ITAE3 ITAE4 ITAE5 ITAE6 Mất ổn định 1,2 Mất ổn định 1,4 Mất ổn định 1,6 ITAE7 ITAE8 ITAE9 ITAE10 ITAEtb 62,71 Mất ổn định 1,8 59,70 65,42 59,70 64,85 59,70 59,70 78,96 59,70 59,70 59,70 48,94 48,94 48,94 48,94 48,94 48,94 48,94 48,94 48,94 48,94 48,94 0,1832 0,1881 0,1832 0,1845 0,1832 0,1832 0,1869 0,1832 0,1874 0,1832 0,1846 0,2732 0,2780 0,2732 0,2732 0,2792 0,2780 0,2732 0,2794 0,2732 0,2732 0,2754 0,3692 0,3692 0,3752 0,3692 0,3692 0,3692 0,3692 0,3692 0,3692 0,3692 0,3704 10 0,4432 0,4432 0,4432 0,4432 0,4432 0,4432 0,4432 0,4432 0,4432 0,4432 0,4432 12 0,5475 0,5475 0,5475 0,5475 0,5475 0,5475 0,5475 0,5475 0,5475 0,5475 0,5475 14 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 Nhìn đồ thị ta thấy, tần số lấy mẫu tăng lên, giá trị sai lệch điều 16 0,7454 0,7454 0,7454 0,7454 0,7454 0,7454 0,7454 0,7454 0,7454 0,7454 0,7454 khiển giảm, điều cho thấy tần số lấy mẫu tăng lên chất lượng điều khiển 18 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 20 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 4-11 Kết mô khảo sát ITAE với tần số lấy mẫu khác Kết thu hình 4-11 cho thấy tần số lấy mẫu thấp chất lượng điều khiển có khác biệt trường hợp mạng thông điệp kiện mạng có thông điệp kiện tăng lên trường hợp hệ thống điều khiển số trễ thông thường Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 108 109 Hệ thống điều khiển sử dụng mạng truyền thông số có trễ truyền thông thêm Ta nhận thấy hệ thống mạng có điểm sai lệch quỹ đạo trạng thái vào làm tăng trễ hệ thống điều khiển làm thu hẹp vùng lựa tải tạm thời thời điểm lưu lượng truyền thông tăng làm trễ truyền chọn chu kỳ lấy mẫu so với hệ điều khiển số thông thường (không sử dụng thông trễ tính toán thiết bị điều khiển Như hệ thống mạng truyền thông) Trong hệ điều khiển số thông thường chu kỳ lấy mẫu giảm mạng thiết kế đảm bảo yêu cầu chế độ hoạt động bình thường tới giới hạn trễ tính toán thiết bị điều khiển diễn tượng suy giảm chất hệ thống sử dụng mạng truyền thông tượng bão hoà mạng lượng điều khiển đột ngột tới mức ổn định Ở tượng diễn xuất tạm thời (thoáng qua) gây suy giảm chất lượng điều khiển tương tự chất lượng điều khiển suy giảm chu kỳ lấy mẫu lớn cách đột ngột tạm thời Nguyên nhân tượng tính ngẫu nhiên giới hạn tạo tổng trễ truyền thông trễ tính toán thông tin kiện khác truyền mạng ảnh hưởng nhiễu dẫn Qua kết khảo sát đồ thị ta nhận thấy mạng có xác suất xuất tới lỗi truyền thông Khi việc truyền thông bị lỗi, chế phát xử lý lỗi thông điệp 0,03 0,05 chất lượng điều khiển tăng dần theo tần số lấy hệ thống mạng loại bỏ thông điệp bị lỗi Giải pháp phổ biến sử dụng mẫu, nhiên lại nhanh chóng đạt tới ngưỡng bão hoà tần số lấy mẫu tăng kỹ thuật truyền tin thực truyền lại thông điệp bị phát lỗi Còn mạng có xác suất xuất thông điệp 0,01 ngưỡng bão hoà điều làm tăng trễ truyền thông lưu lượng truyền thông dẫn tới hệ thống mạng hệ thống lớn Như điểm suy giảm chu kỳ lấy mẫu lớn bị bão hoà tạm thời Điều cho ta thấy trễ truyền thông thay xác suất xuất thông điệp kiện lớn Nguyên nhân tăng đổi theo thời gian (do tính ngẫu nhiên nguyên nhân gây trễ truyền tần số lấy mẫu làm tăng lưu lượng truyền thông, tăng băng thông sử dụng thông phân tích chương 3) tới ngưỡng bão hoà hệ thống mạng làm tăng trễ truyền thông dẫn tới suy Để đánh giá sai lệch quỹ đạo chuyển động trường hợp hệ thống làm giảm chất lượng điều khiển Với xác suất xuất thông điệp kiện lớn việc với tần số lấy mẫu khác Hình 4-13 ta thấy mạng sử dụng băng thông yêu cầu lớn mạng nhanh vào trạng thái bão hoà để truyền thông điệp kiện chu kỳ lấy mẫu nhỏ tới mức mà hệ Chúng ta xem xét sai lệch quỹ đạo chuyển động hình 4-12 với hệ thống có chu kỳ lấy mẫu 2,5 ms mạng có xác suất xuất thông điệp kiện 0,03: thống có chất lượng điều khiển tốt xuất điểm mà sai lệch quỹ đạo lớn Đó điểm mà trễ truyền thông tăng cao đột ngột khoảng thời gian ngắn hay nói cách khác hệ thống mạng rơi vào trạng thái nghẽn mạng tạm thời Những điểm peak sai lệch dẫn tới phế phẩm chí gây tác động hệ thống bảo vệ làm dừng sản xuất Có thể nhận thấy kỳ lấy mẫu lớn tồn sai lệch quỹ đạo lớn có khác trường hợp mạng không sử dụng để truyền thông điệp kiện (trễ gần số) trường hợp mạng sử dụng để truyền thông điệp kiện (trễ mang tính bất định) Hình 4-12 Quỹ đạo chuyển động (xác suất thông điệp kiện 3%, chu kỳ lấy mẫu 2.5ms) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 110 111 Hình 4-14 Sai lệch quỹ đạo chuyển động hệ truyền động hai trục XY với chu kỳ lấy mẫu 4ms Quỹ đạo chuyển động X-Y đường tròn với chu kỳ lấy mẫu 4ms trạng thái chưa bão hoà thu hình 4-15 Hình 4-13 Sai lệch quỹ đạo chuyển động Sai lệch ổn định giảm chu kỳ lấy mẫu giảm chu kỳ lấy mẫu nhỏ có khác biệt trường hợp có thông điệp kiện thông điệp kiện Cụ thể mạng có thông điệp kiện chu kỳ lấy mẫu nhỏ tần suất xuất điểm có sai lệch quỹ đạo lớn lớn làm cho chất lượng điều khiển so với thông điệp kiện Chất lượng điều khiển thấp chu kỳ lấy mẫu lớn sai lệch tạo chu kỳ lấy mẫu chu kỳ lấy mẫu tiến tới giới hạn bão hoà chất lượng điều khiển giảm tần suất nghẽn mạng tạm thời tăng lên Hình 4-15 Quỹ đạo chuyển động X-Y trạng thái chưa bão hoà Với mô hình điều khiển truyền động dùng truyền thông CAN-Bus hình 4-9 sơ đồ cấu trúc điều khiển truyền động hai trục XY điều khiển vị trí hình 4-10 Thông tin kiện giả lập việc truyền thông tin điều khiển trục thứ ba Theo [4] kết khảo sát thu để đánh giá sai lệch quỹ đạo chuyển động trường hợp chu kỳ lấy mẫu 4ms hình 4-14 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Tại chu kỳ lấy mẫu 4ms chất lượng điều khiển tương đối tốt, sai lệch quỹ đạo nhỏ Tuy nhiên trục thứ ba thực việc truyền thông thời điểm với việc truyền thông hai trục XY nói cách khác có nghẽn mạng thông điệp truyền trục thứ gây nên làm cho hệ thống trở nên ổn định có sai lệch quỹ đạo lớn trước làm việc tốt Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 112 113 Chúng ta tiếp tục xem xét chu kỳ lấy mẫu 2,5ms, thu đồ gian đợi giành quyền truyền tin Tblock trễ truyền thông tăng lên Đặc biệt thị mô tả sai lệch quỹ đạo chuyển động, hình 4-16, hình ảnh quỹ đạo chuyển lưu lượng truyền tin tăng lên làm tăng hệ số sử dụng mạng tới mức 100% động hình 4-17 đồng thời tăng chiều dài hàng đợi dẫn tới làm tăng thời gian đợi hàng đợi Tqueue Khi hệ thống mạng rơi vào trạng thái bão hoà Trong trạng thái bão hoà, trễ truyền thông tăng lên vượt qua khoảng trễ cho phép ứng dụng ta gọi trạng thái hệ thống mạng trường hợp trạng thái “nghẽn mạng” Chất lượng điều khiển hệ thống bị suy giảm mạnh dẫn tới ổn định mạng truyền thông vào trạng thái bão hoà 4.7 Kết luận Trong chương tiến hành nghiên cứu phân tích hưởng trễ tuyền Hình 4-16 Sai lệch quỹ đạo chuyển động hệ truyền động hai trục XY với chu kỳ lấy mẫu 2.5 ms thông tới chất lượng điều khiển hệ thống truyền động nhiều trục điều khiển vị trí sử dụng mạng CAN dựa theo kết nghiên cứu [4] khảo sát mô hình mô mô hình thực nghiệm Kết cho thấy trễ truyền thông làm suy giảm chất lượng điều khiển hệ thống điều khiển sử dụng mạng truyền thông, đặc biệt trạng thái nghẽn mạng nghẽn mạng tạm thời Chất lượng điều khiển suy giảm mạnh hệ thống mạng truyền thông vào trạng thái bão hoà (hay nghẽn mạng) Qua phân tích cho thấy ảnh hưởng tượng nghẽn mạng tạm thời (bão hoà ngắn hạn) mạng truyền thông làm suy giảm đột ngột chất lượng điều khiển, gây phế phẩm tượng ngừng hoạt động thống Chính điều làm hạn chế khả ứng dụng hệ thống điều khiển sử dụng mạng nhiều ứng dụng công nghiệp nói chung, hệ điều khiển Hình 4-17 Quỹ đạo chuyển động X-Y mạng bão hoà truyền thông nói riêng Như chu kỳ lấy mẫu nhỏ (2,5 ms) sai lệch điều khiển mạng lớn rơi vào trạng thái bão hoà, quỹ đạo chuyển động hai trục X-Y không bám theo quỹ đạo đặt Nguyên nhân tượng việc truyền thông tin có tính chất chu kỳ hệ thống mạng sử dụng để truyền thông tin kiện, tính chất chu kỳ Sự xuất mang tính ngẫu nhiên thông tin kiện làm tăng tức thời lưu lượng truyền tin dẫn tới gia tăng thời Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 114 115 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO Kết luận Việc nghiên cứu đặc tính, phân tích đánh giá mức độ ảnh hưởng trễ truyền thông hệ điều khiển phân tán có sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số nhằm mục đích nâng cao chất lượng hệ thống điều khiển Ứng dụng truyền thông số (dùng bus) để thay cho truyền thông analog (dùng Tiếng việt [1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi (2006), Điều chỉnh tự động truyền động điện NXB Khoa học kỹ thuật [2] Hoàng Minh Sơn (2007), Mạng truyền thông công nghiệp, In lần thứ tư, NXB dây dẫn) chứng tỏ rõ tính vượt trội như: lượng thông tin trao đổi lớn Khoa học kỹ thuật (có thể truyền theo hai chiều), khả chống nhiễu cao, cấu trúc nối dây đơn giản, [3] Pugatrep-Bản dịch Tiếng Việt (1997), Lý thuyết hàm ngẫu nhiên, , NXB thống dễ dàng thay đổi cấu trúc hệ chuyển động, đặc biệt tăng tính thời gian thực kê độ xác hệ thống điều khiển Để khai thác tối đa ưu [4] Phạm Quang Đăng (2007), Nghiên cứu ảnh hưởng trễ truyền thông hệ điểm phương pháp truyền thông dùng mạng (bus) việc nghiên cứu khảo thống điều khiển phân tán để nâng cao chất lượng điều khiển, Luận án Tiến sỹ kỹ sát đặc tính trễ truyền thông loại mạng cần thiết thuật, Trường Đại học Bách khoa HN, Hà nội Trễ truyền thông tính bất định tồn khách quan mạng [5] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Duy Bình, Phạm Quang Đăng, Phạm Hồng Sơn truyền thông số làm suy giảm chất lượng điều khiển hệ thống điều khiển (2006), Hệ điều khiển DCS cho nhà máy sản xuất điện - Tập Nhà xuất sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số Khoa học Kỹ thuật Dựa vào thông số đo phần mô thực nghiệm nghiên cứu để đánh giá hệ truyền động nhiều trục điều khiển vị trí dùng truyền thông mạng CAN-bus, ta thấy mạng rơi vào trạng thái nghẽn mạng nghẽn mạng tạm thời làm tăng trễ truyền thông gây suy giảm chất lượng điều khiển Tiếng Anh [6] Astrom Karl J.,Bjorn Wittenmark (1990), Computer Controlled Systems (1990), Theory and Design, Second Edition Prentice-Hall [7] Barnes J Wesley (1994), Statistical Analysis for Engineers and Scientists: A Computer-Based Approach, McGraw-Hill International Editions Kiến nghị [8] Boukas El-Kebir, Zi-Kuan Liu (2002), Deterministic and Stochastic Time Delay Từ kết nghiên cứu luận văn cho thấy để nâng cao chất Systems, Birkhauser Boston lượng điều khiển, việc nghiên cứu tạo cấu hình, phương thức [9] Bosteel Jan, Coordinated Multi-Axis Motion Control via CAN bus, truyền thông mới, luật điều khiển việc giảm tần suất xảy cố tác http://www.a-m-c.com, động trễ truyền thông mở rộng khả ứng dụng mạng truyền thông kỹ [10] Bushnell Linda G.(2001), Networds and Control IEEE Control System thuật số điều khiển phân tán cho ứng dụng điều khiển truyền động điều Magazine khiển chuyển động Thời gian trễ truyền thông có ảnh hưởng đến việc lựa [11] CiA, CAN Specification 2.0 Part A, http://www.can.cia.org/ chọn chu kỳ lấy mẫu có ảnh hưởng nhiều đến chất lượng hệ thống Do [12] CiA, CAN Specification 2.0 Part B, http://www.can-cia.org/ việc tối ưu thời gian lấy mẫu cần thiết Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 116 [13] Cruz Rene L (1991), A calculus for Network Delay, Part I: Network Elements in Isolation, IEEE Transaction on Information Theory [14] Cruz Rene L.(1991), A calculus for Network Delay, Part II: Network Analysis, IEEE Transaction on Information Theory [15] Franklin Gene F., J David Powell, Michael Workman (1990), Digital Control of Dynamic Systems, Second Edition, Addsion – Wesley [16] IEEE Standards (2002), IEEE Std 802.3-2002 part 3: Carrier Sense Multiple Access with Collission Detection (CAMA/CD) Access Method and Physical Layer Specification, The Institute of Electrical and Electronics Engineer [17] Leon-Garcia Alberto (1994), Probability and Random Processes for Electrical Engineering, Second Edition PEARSON Addision Wesley [18] Li Lian Feng, James Moyne, Dawn Tilbury (2001), Performance Evaluation of Control Networks: Ethernet, ControlNet and DeviceNet, IEEE Control Systems Magazine [19] Nilsson Johan (1998), Real-Time Control System with Delays, PhD thesis, Departerment of Automatic Control , Lund Institute of Technology [20] Tanenbaun Andrew S.(2003), Computer Networks, Fourth Edition, Pearson Education – Prentice Hall PTR [21] Tindell K (1994), Analysis of Hard Real-Time Communication, YCS222, Dept of Computer Science, University of York Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn [...]... phân tán và mạng truyền thông số cho ứng dụng truyền động nhiều trục sẽ cho ta một cấu trúc mới của các hệ điều khiển truyền động nhiều trục được gọi là hệ điều khiển truyền động phân tán hay gọi tắt là hệ truyền động phân tán Tài nguyên tính toán của hệ điều khiển truyền động phân tán là các hệ xử lý của bộ điều khiển trung tâm và các hệ xử lý của các bộ điều Hình 1-10 Cấu hình mạng của hệ điều khiển. .. (Trễ tính toán trong controller phát triển của các hệ điều khiển truyển động phân tán Việc nghiên cứu đặc tính và đánh giá ảnh hưởng của trễ truyền thông sẽ được nghiên cứu trong các phần tiếp theo của luận văn v(k) Trễ truyền thông giữa các controller và cơ cấu chấp hành u(t) Cơ cấu chấp hành Và đối tượng điều khiển y(t) Controller W(k) 1.3 Trễ trong hệ điều khiển phân tán Trễ truyền thông giữa sensor... mạng truyền thông kỹ thuật số trong nhiều ứng dụng công nghiệp có TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN yêu cầu khắt khe về đáp ứng thời gian thực và là trở ngại chính cho sự phát triển của các hệ thống điều khiển phân tán Trong khuôn khổ của luận văn này, nguyên nhân, đặc tính của trễ truyền thông và phân tích ảnh hưởng của nó tới chất lượng điều khiển được nghiên cứu 2.1 Hệ thời gian thực và điều khiển thời... chính xác của đại lượng điều khiển và độ trễ điều khiển Hình 1-11 Sơ đồ điều khiển với các thành phần của trễ Chính vì vậy, nghiên cứu đặc tính và phân tích ảnh hưởng của trễ truyền thông trong trạng thái bão hoà và nghẽn mạng tạm thời của hệ thống mạng tới chất Trễ điều khiển là khoảng thời gian giữa thời điểm lấy mẫu và thời điểm tác lượng điều khiển sẽ được đề cập trong luận văn động của cơ cấu... tán Điều khiển phân tán với mạng truyền thông kỹ thuật được sử dụng trong hệ tốc độ cập nhật của mạch vòng vị trí nằm khoảng 1ms (nghĩa là 1.2.2.3 Phương pháp truyền thông trong hệ điều khiển truyền động phân tán