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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Bùi Quốc Khánh TS Nguyễn Văn Khang Hà nội - 2007 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Kết nghiên cứu trình bày luận án hoàn toàn trung thực chưa người khác cơng bố cơng trình khoa học Tác giả Phạm Quang Đăng ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè đồng nghiệp tơi tận tình hỗ trợ giúp đỡ tơi q trình thực nghiên cứu luận án Tôi xin chân thành cảm ơn PGS TS Bùi Quốc Khánh TS Nguyễn Văn Khang tận tình hướng dẫn tơi suốt q trình nghiên cứu thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Bộ môn Tự động hóa Xí nghiệp cơng nghiệp, Trung tâm bồi dưỡng Sau đại học, Ban giám hiệu Trường Đại học Bách khoa Hà nội giúp đỡ tạo điều kiện cho q trình thực nghiên cứu Tơi xin chân thành cảm ơn Cơ quan trao đổi hàn lâm CHLB Đức (DAAD), GS Peter Büchner, chủ nhiệm môn đồng nghiệp Bộ môn Truyền động điện, Trường Đại học tổng hợp Kỹ thuật Dresden, CHLB Đức tạo điều kiện giúp đỡ việc tiếp cận nghiên cứu truyền thông điều khiển thời gian thực cho ứng dụng truyền động điện Bộ môn Truyền động điện, Trường Đại học tổng hợp Kỹ thuật Dresden, CHLB Đức Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo đồng nghiệp Phịng thí nghiệm trọng điểm Tự động hóa, Trung tâm nghiên cứu triển khai công nghệ cao, Trường Đại học Bách khoa Hà nội, nơi sống làm việc trình thực luận án, giúp đỡ tơi hồn thành cơng trình nghiên cứu Cuối tơi xin trân trọng tỏ lòng biết ơn sâu sắc bố, mẹ, gia đình người bạn đời tơi, người cổ vũ, động viên giúp đỡ tơi thực cơng trình nghiên cứu Tác giả Phạm Quang Đăng iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH VẼ vi DANH MỤC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC CHỮ VIT TT ix GII THIU CHUNG CHƯƠNG 1: TNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN DÙNG MẠNG TRUYỀN THƠNG SỐ 1.1 Hệ thống tự động hóa q trình sản xuất 1.1.1 Mơ hình phân cấp hệ thống tự động hóa q trình sản xuất 1.1.2 Mạng truyền thơng hệ thống tự động hóa q trình sản xuất 1.2 Điều khiển phân tán sử dụng mạng 1.2.1 Giới thiệu chung điều khiển phân tán 1.2.2 Hệ điều khiển truyền động phân tán 5 9 11 1.3 Trễ hệ điều khiển phân tán vấn đề nghiên cứu khắc phục ảnh hưởng hệ thống điều khiển 13 1.3.1 Trễ hệ điều khiển phân tán 13 1.3.2 Vấn đề nghiên cứu khắc phục ảnh hưởng trễ truyền thông 15 1.4 Kt lun 19 CHƯƠNG 2: MNG TRUYN THễNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 20 2.1 Kiến trúc hệ thống mạng điều khiển phân tán 20 2.2 Giao thức mạng (Network protocol) điều khiển phân tán 2.2.1 Phương pháp CSMA/CD 2.2.2 Phương pháp chuyển thẻ (Token passing) 2.2.3 Phương pháp CSMA/AMP (CAN) 22 24 26 29 2.3 Đánh giá hiệu mạng truyền thông 2.3.1 Hiệu suất hệ thống mạng 2.3.2 Hệ số sử dụng đường truyền 2.3.3 Số lượng thông điệp không truyền 31 32 32 32 iv 2.4 Kết lun CHƯƠNG 3: NGHIấN CU C TNH CA TR TRUYN THƠNG 33 34 3.1 Trễ truyền thơng thành phần trễ truyền thông 3.1.1 Thời gian tiền xử lý truyền thông nút truyền, Tpre 3.1.2 Trễ thời gian đợi nút truyền, Twait 3.1.3 Trễ đường mạng, Ttx 3.1.4 Trễ xử lý nút nhận, Tpost 3.1.5 Lược đồ thời gian trình truyền thông 34 36 36 37 38 38 3.2 Trễ truyền thơng mạng Ethernet 3.2.1 Cấu hình mạng truyền thống 3.2.2 Cấu hình mạng Ethernet sử dụng Switch 3.2.3 LAN Switch 3.2.4 Trễ truyền thông mạng Ethernet sử dụng LAN Switch 3.2.5 Nhận xét 40 40 43 45 47 57 3.3 Trễ truyền thông mạng CAN 3.3.1 Phát lỗi xử lý lỗi mạng CAN 3.3.2 Đặc điểm trễ truyền thông mạng CAN 3.3.3 Trễ truyền thông trường hợp truyền lại 3.3.4 Nhận xét 58 59 59 61 62 3.4 Trễ truyền thông mạng sử dụng giao thức chuyển thẻ 3.4.1 Giao thức truyền tin truyền tin mạng PROFIBUS 3.4.2 Thời gian đợi giành quyền truyền tin 3.4.3 Nhận xét 62 63 64 66 3.5 Vấn đề đo trễ truyền thơng 3.5.1 Đồng hóa đồng hồ thời gian thực 3.5.2 Đo trễ truyền thông 66 66 69 3.6 70 Kt lun CHƯƠNG 4: NGHIấN CU NH HNG CA TRỄ TRUYỀN THƠNG Q trình xử lý thơng tin hệ thống điều khiển phân tán có trễ truyền thơng 4.1.1 Giới thiệu chung 4.1.2 Hệ thống với lớp đồng 4.1.3 Hệ thống với lớp đồng phần 4.1.4 Hệ thống với lớp không đồng 4.1.5 Áp dụng cho hệ thống điều khiển phân tán 72 4.1 4.2 Các phương pháp mơ hình hóa trễ hệ thống điều khiển 4.2.1 Phương pháp xấp xỉ Padé 72 72 74 75 77 77 78 78 v 4.2.2 Mô hình hóa trễ truyền thơng dùng xích Markov 79 4.3 Mơ tả tốn học hệ thống điều khiển với trễ 4.3.1 Quan hệ vk u(t) 4.3.2 Mơ hình đối tượng điều khiển miền rời rạc 81 83 84 4.4 85 Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng điều khiển 4.5 Khảo sát ảnh hưởng trễ truyền thông 4.5.1 Khảo sát mơ hình mơ 4.5.2 Khảo sát mơ hình thí nghiệm 86 86 92 4.6 95 Kt lun CHƯƠNG 5: KHC PHC NH HNG CA TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG 96 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 5.1 Các giải pháp thực nghiệm khắc phục ảnh hưởng trễ truyền thông sử dụng 96 5.1.1 Cải tiến kiến trúc truyền thông hạn chế băng thông sử dụng 96 5.1.2 Lựa chọn giao thức truyền thông hợp lý 97 5.1.3 Đưa trễ truyền thông thành số 97 5.2 Xây dựng mơ hình hệ thống có xét tới trễ truyền thơng 5.2.1 Đồng thời điểm lấy mẫu 5.2.2 Không đồng thời điểm lấy mẫu 99 99 101 5.3 Khắc phục ảnh hưởng nghẽn mạng tạm thời điều khiển nhiều chế độ 105 5.3.1 Bộ điều khiển nhiều chế độ 105 5.3.2 Lựa chọn chế độ điều khiển nhiều chế độ 107 5.3.3 Bộ điều khiển với khâu ước lượng trạng thái sử dụng lọc Kalman 109 5.3.4 Ước lượng trạng thái dùng lọc Kalman với số lọc thay đổi 111 5.3.5 Áp dụng cho điều khiển chuyển động nhiều trục sử dụng mạng CAN 113 5.4 Kết luận 119 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 120 CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 122 TÀI LIỆU THAM KHẢO 123 PHỤ LỤC HỆ TRUYỀN ĐỘNG NHIỀU TRỤC ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ 130 130 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-2 Cấu trúc truyền động CNC ba trục 13 Hình 1-3 Sơ đồ điều khiển với thành phần trễ 14 Hình 1-4 Trễ truyền thơng mạng CAN 15 Hình 2-2 Định dạng khung truy nhập mạng Ethernet 25 Hình 2-3 Định dạng khung truy nhập mạng ControlNet 27 Hình 2-4 Sơ đồ thời gian chu kỳ quay vịng thẻ TRT 29 Hình 2-5 Định dạng khung truy nhập mạng CAN 30 Hình 3-1 Phân bố thành phần trễ truyền thông mơ hình mạng OSI 35 Hình 3-2 Lược đồ thời gian trình truyền tin mạng 39 Hình 3-3 Cấu hình mạng Ethernet truyền thống 41 Hình 3-4 Cấu hình mạng chuyển mạch hồn tồn sử dụng Switch 44 Hình 3-5 Ngưỡng đệm đầu vào 46 Hình 3-6 Mơ hình hoạt động LAN Switch 48 Hình 3-7 Lưu đồ xử lý nút mạng master giữ thẻ mạng PROFIBUS 65 ca Hình 3-9 Truyền tín hiệu ngược mang thơng tin τk-1 70 Hình 4-1 Mơ hình xử lý thơng tin hệ thống điều khiển 72 Hình 4-2 Biểu đồ thời gian q trình xử lý tín hiệu 73 Hình 4-3 Mơ hình nhiều lớp q trình xử lý tín hiệu 74 Hình 4-4 Trễ hệ thống có hai lớp 74 Hình 4-5 Trễ quan hệ lớp thứ i lớp thứ i+1 75 Hình 4-6 Quan hệ trễ hai lớp lớp đồng phần 76 Hình 4-8 Cấu trúc điều khiển hệ điều khiển phân tán 82 Hình 4-9 Quan hệ u(t) vk 84 Hình 4-10 Kết mơ khảo sát ITAE với tần số lấy mẫu khác 90 Hình 4-11 Quỹ đạo chuyển động (xác suất thông điệp kiện 3%, chu kỳ lấy mẫu 2.5ms)90 Hình 4-12 Sai lệch quỹ đạo chuyển động 91 Hình 4-13 Sai lệch quỹ đạo chuyển động thí nghiệm truyền động hai trục XY 93 Hình 4-14 Quỹ đạo chuyển động X-Y 93 Hình 4-15 Khảo sát chất lượng điều khiển mơ hình thí nghiệm với tần số lấy mẫu khác 94 Hình 4-16 Ảnh hưởng tượng bão hòa tạm thời tới quỹ đạo chuyển động 94 Hình 5-1 Sử dụng đệm để đưa trễ truyền thơng thành số 98 vii Hình 5-2 Biểu đồ thời gian hệ thống đồng thời điểm lấy mẫu 101 Hình 5-3 Biểu đồ thời gian hệ thống không đồng thời điểm lấy mẫu 103 Hình 5-4 Bộ điều khiển hai chế độ sử dụng mẫu cũ 107 Hình 5-5 Sơ đồ cấu trúc lọc Kalman 110 Hình 5-6 Bộ điều khiển hai chế độ với khâu ước lượng trạng thái lọc Kalman 111 Hình 5-7 Cấu trúc kênh lọc Kalman cho ứng dụng truyền động phân tán trục 115 Hình 5-8 Sai lệch quỹ đạo trường hợp sử dụng điều khiển thông thường điều khiển đa chế độ với khâu ước lượng Kalman mơ hình mơ 116 Hình 5-9 Sai lệch quỹ đạo trường hợp sử dụng điều khiển thông thường điều khiển đa chế độ với khâu ước lượng Kalman trên mơ hình thí nghiệm 116 Hình 5-10 Quỹ đạo chuyển động mơ hình thí nghiệm, T=4ms 117 Hình A- Sai lệch quỹ đạo chuyển động 133 Hình A- Cấu trúc điều khiển liên kết chéo 135 Hình A- Thư viện mơ TrueTime Hình A- Hộp thoại thơng số nút mạng Hình A- Mơ hình mơ hệ truyền động trục X-Y sử dụng mạng CAN Hình A- Cấu trúc điều khiển chuyển động hai trục điều khiển vị trí Hình A- Card điều khiển thông minh DS1103 136 138 138 139 141 viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3-1 Xấp xỉ Padé cho thành phần trễ exp(-τs) 79 Bảng 3-2 Kết khảo sát khơng có thơng điệp kiện truyền mạng 87 Bảng 3-3 Kết khảo sát hệ thống xác suất xuất thông điệp kiện 1% 88 Bảng 3-4 Kết khảo sát hệ thống xác suất xuất thông điệp kiện 3% 88 Bảng 3-5 Kết khảo sát hệ thống xác suất xuất thông điệp kiện 5% 88 Bảng 3-6 Kết khảo sát mơ hình thí nghiệm với chu kỳ lấy mẫu khác 92 Bảng 4-1 Kết khảo sát chất lượng hệ thống với điều khiển đa chế độ mơ hình mơ với xác suất thông tin kiện 3% 117 Bảng 4-2 Kết khảo sát chất lượng hệ thống với điều khiển đa chế độ mơ hình thí nghiệm 118 ix DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ADC Analog to Digital Converter BEB Binary Exponential Backoff CAN Controller Area Network CCCH Cơ cấu chấp hành CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collission Detect CSMA/AMPCarrier Sense Multiple Access with Arbitration Message Priority CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collission Arbitration CNC Computer Numerical Control DAC Digital to Analog Converter DCS Distributed Control System FIFO First In First Out GPS Global Positioning System LAN Local Area Network MAC Media Access Control MIMO Multi Input Multi Output OSI Open Systems for Interconnection PC Personal Computer PLC Programmable Logic Controller QoS Quality of Service QTCN Q trình cơng nghệ TRT Token Rotation Time WAN Wide Area Network 127 [52] Nilsson Johan, Bo Bernhardsson, Björn Wittenmark, Stochastic Analysis and Control of Real-time Systems with Random Time Delays, 13th International Federation of Automatic Control World Congress, San Francisco, 1996 [53] Nilsson Johan, Real-Time Control System with Delays, PhD thesis, Department of Automatic Control, Lund Institute of Technology, 1998 [54] Orlov Y., L Belkoura, J.P Richardn, M Dambrine, Identifiability Analysis of Linear Time-Delay Systems, Proceedings of the 40th IEEE Conference on Decision and Control, 2001 [55] Orlov Y., L Belkoura, J.P Richardn, M Dambrine, On-line Parameter Identification of Linear Time-Delay Systems, Proceedings of the 41th IEEE Conference on Decision and Control, 2002 [56] Otanez Paul G., James R Moyne, Dawn M Tilbury, Using Deadbands to Reduce Communication in Networked Control Systems, Procedings of the 2002 American Control Conference, 2002 [57] Park, E., Tilbury, D.M., Khargonekar, P.P., A Formal Implementation of Logic Controllers for Machining Systems Using Petri Nets and Sequential Function Charts, Proceedings Japan-USA Symposium on Flexible Automation, Otsu, Japan, pp 683-690, 1998 [58] Park, E., Tilbury, D.M., Khargonekar, P.P., A Modeling and Analysis Methodology for Modular Logic Controllers of Machining Systems using Petri Net Formalism, IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics-C, 1999 [59] Park, E., Tilbury, D.M., Khargonekar, P.P., Modular Logic Controller for Machining Systems: Formal Representation and Performance Analysis using Petri Nets, IEEE Transactions on Robotics and Automation, 15(6), pp 10461061, 1999 [60] Pleinevaux P., J.-D Decotignie, Time Critical Communication Networks: Field Buses, IEEE Network, Vol.2, No.3, 1988 [61] Pritty D W., J R Malone, D.N Smeed, Banerjee S K., Lawrie N L., A Real-Time Upgrade for Ethernet Based Factory Networking, IEEE IECON 21st International Conference on Industrial Electronics, Volume 2, pages 16311637, Orlando, FL USA, November 1995 [62] Ray Asok, Introdution to Networking for Intergrated Control Systems, IEEE Control System Magazine, 1989 128 [63] Schossmaier Klaus, An Interval-based Framework for Clock Rate Synchronization Proceeding of the 16th ACM Symposium on Priciple of Distributed Computing, Santa Barbara, USA, August 1997 [64] Sha Lui, Tarek Abdelzaher, Karl-Erik Årzén, Anton Cervin, Theodore Baker, Alan Burns, Giorgio Buttazzo, Marco Caccamo, John Lehoczky, Aloysius K Mok, Real-Time Scheduling Theory: A Historical Perspective, Real-Time System, 2004 [65] Tanenbaum Andrew S., Computer Networks, Fourth Edition, Pearson Education – Prentice Hall PTR, 2003 [66] Tindell K., Analysis of Hard Real-time Communication , YCS222, Dept of Computer Science, University of York, January 1994 [67] Tovar Eduardo and Francisco Vasques, Setting Target Rotation Time in Profibus Based Real-Time Distributed Applications, Proceeding of 15th IFAC Real-Time Distributed Applications, 1998 [68] Tovar Eduardo and Francisco Vasques, Cycle Time Properties of the PROFIBUS Timed Token Protocol, Computer Communications, Elsevier Science, January 1999 [69] Tovar Eduardo, Francisco Vasques, Alan Burns, Adding Local Prioritybased Dispatching Mechanisms to P-net Networks: a Fixed Priority Approach, The 11th Euromicro Conf Realtime Systems (RTS99), York, UK, June 1999 [70] Tovar Eduardo, Francisco Vasques, Alan Burns, Supporting Real-Time Distributed Computer-Controlled Systems with Multi-hop P-NET Networks, Control Engineering Practice, vol 7, August 1999, pp 1015-1025, Pergamon Press [71] Tovar Eduardo and Francisco Vasques, Real-time Fieldbus Communications using Profibus Networks, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol 46, No 6, December 1999 [72] Vasques Francisco and Guy Juanole, Pre-Run-Time Scheduability Analysisin Fieldbus Networks, Proceeding of IECON’94, Bologna, Italia, pp 1200-1204, 1994 [73] Walsh Gregory C., Ye Hong, L Bushnell, Asymtotic Behavior of Network Control Systems, In Proceedings of the Conference on Control Applications, 1999 [74] Walsh Gregory C., Ye Hong, Scheduling of Networked Control Systems, IEEE Control System Magazine, February 2001 129 [75] Walsh Gregory C., Ye Hong, Stability Analysis of Networked Control System, IEEE Transaction on Control System Technology, Vol 10, No 3, 2002 [76] Wittenmark Björm, Martin Törngren, Johan Nilsson, Timing problems in Real-time Control Systems, Proceedings of the 1995 American Control Conference, Seattle, Washington, 1995 [77] Wittenmark Björm, Ben Bastian, Johan Nilsson, Analysis of Time Delays in Synchronous and Asynchronous Control Loops, 37th CDC, Tampa, 1998 [78] Wing Shing Wong, Roger W Brockett, Systems with Finite Communication Bandwidth Constrains - Part 1: Stat Estimation Problems, IEEE Transaction on Automatic Control, Vol 42, No 9, 1997 [79] Yook J.K., D.M Tilbury, Performance Evaluation of Distributed Control Systems with reduced communication, Proceedings of the Allerton Conference on Communication, Control, and Computing, 2000 [80] Yook J K., D M Tilbury, N R Soparkar, A Design Methodology for Distributed Control Systems to Optimize Performance in the Presence of Time Delays, International Journal of Control, Vol 74, No 1, 2001 [81] Yook J K., D M Tilbury, H S Wong, N R Soparkar, Trading computation for Bandwidth: state estimators for reduced communication in distributed control systems, Proceedings of 2000 Japan-USA on Flexible Automation, 2000 [82] Zhang Wei, Michael S Branicky, Stephen M Phillips, Stability of Networked Control Systems, IEEE Control Systems Magazine, February 2001 [83] Zou Jian, On Systems with Limited Communication, PhD Thesis, Harvard University, 2004 130 PHỤ LỤC HỆ TRUYỀN ĐỘNG NHIỀU TRỤC ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ Hệ truyền động nhiều trục điều khiển vị trí thường sử dụng hệ thống truyền động cho robots, truyền động máy công cụ điều khiển số, truyền động máy in, Liên quan trực tiếp tới hệ truyền động nhiều trục điều khiển vị trí có khối sau: • Hệ điều khiển servo • Bộ nội suy quỹ đạo • Điều khiển q trình • Hệ điều khiển servo Hệ điều khiển servo Trong truyền động nhiều trục điều khiển vị trí, trục truyền động động riêng biệt có hệ điều khiển truyền động riêng Nghiên cứu góc độ hệ thống truyền động nhiều trục ta gần động servo (bao gồm động hệ điều khiển thực thuật tốn điều khiển dịng điện, tốc độ) trục có hàm truyền sau: P( s) = X ( s) K = V ( s) s( s + a) (A.1) Thông thường trục có điều khiển servo riêng biệt cho phép đầu bám theo giá trị đặt đầu vào Các điều khiển servo thường điều khiển số với chu kỳ trich mẫu Ts Sử dụng thuật toán điều khiển PD cho các điều khiển servo có hàm truyền sau: ⎛ T s ⎞ C ( s ) = K p ⎜1 + TD D ⎟ N s +1⎠ ⎝ (A.2) với N tham số lọc Chúng ta tiến hành thí nghiệm hệ truyền động hai trục điều khiển vị trí với hàm truyền sau 131 Trục x: Gx ( s ) = s (0.075s + 1) (A.3) Gy ( s) = s (0.08s + 1) (A.4) Trục y: Bộ nội suy quỹ đạo Bộ nội suy quỹ đạo tạo tín hiệu đặt cho trục riêng biệt từ quỹ đạo chuyển động mong muốn Đầu vào nội suy quỹ đạo dạng chuyển động đường thẳng, cung tròn hay parabol Tuy nhiên hầu hết đầu vào nội suy quỹ đạo vị trí điểm đầu vị trí điểm cuối tốc độ mong muốn Từ thông tin nội suy quỹ đạo tạo vị trí đặt cho trục Các hệ thống truyền động nhiều trục điều khiển vị trí trước tốc độ chuyển động lưu giữ chương trình riêng Các hệ thống điều khiển thông minh ngày thường giải việc điều khiển tốc độ chuyển động theo thời gian thực để tăng suất chất lượng làm việc hệ thống cách sử dụng điều khiển q trình thích nghi Điều khiển trình Hệ thống điều khiển trình hệ truyền động nhiều trục điều khiển vị trí nhận tín hiệu từ sensor đầu vào (như vị trí, lực, nhiệt độ, ) để điều khiển trình khác điều khiển q trình trước sau cơng đoạn gia công, bù nhiệt độ, điều khiển lực theo yêu cầu công nghệ, bù biên dạng dao cắt, điều khiển giảm tiếng ồn máy công cụ, Điều khiển q trình hoạt động tốt làm tăng suất độ xác Như kể trên, có nhiều dạng điều khiển q trình hàu hết chúng thực cách thích nghi tốc độ mong muốn vị trí đáp ứng với đầu nhiễu Ví dụ mạch vịng điều khiển lực thay đổi tốc độ để trì lực số Điều để tránh hư hỏng khí (gãy dao cắt máy công cụ, hỏng tay máy truyền động robots) Bộ điều khiển triệt tiếng ồn, rung máy công cụ CNC thực cách giảm tốc độ quay dao cắt giảm độ sâu cắt Các nghiên cứu gần cho thấy tốc độ quay dao cắt thay đổi theo quy luật hình sin làm giảm đáng kể tiếng ồn Các bù biên dạng bù nhiệt độ thực việc thay đổi giá trị đầu giá trị cuối nội suy theo giãn nở nhiệt khơng xác biên dạng 132 Thuật tốn điều khiển thích nghi hoạt động với chu kỳ trích mẫu khác với chu kỳ trích mẫu hệ điều khiển servo Vì chúng hoạt động cách thay đổi lượng đặt đầu vào điều khiển servo (hoặc trực tiếp gián tiếp thông qua nội suy quỹ đạo) nên chu kỳ trích mẫu mạch vịng điều khiển q trình thích nghi thường lớn chu kỳ trích mẫu điều khiển servo khơng nhỏ Thời gian cần thiết cho tính tốn thuật tốn điều khiển thích nghi lớn thời gian tính tốn thuật tốn điều khiển servo Các liệu đầu vào điều khiển trình thích nghi từ sensor truyền qua mạng tới điều khiển, gây trễ truyền thông điều ảnh hưởng xấu tới chất lượng điều khiển mạch vòng điều khiển trình thích nghi Điều khiển liên kết chéo (cross-coupled control) Bộ điều khiển liên kết chéo sử dụng để cải thiện độ xác chuyển động tổng hợp (độc lập với độ xác bám trục) hệ thống truyền động nhiều trục Bộ điều khiển liên kết chéo phối hợp chuyển động trục để tối thiểu sai lệch quỹ đạo chuyển động Nó nhận tín hiêu đặt vị trí đo trục, tính tốn khoảng cách vị trí thực quỹ đạo chuyển động mong muốn Từ khoảng cách sai lệch điều khiển liên kết chéo tính tốn giá trị bù tương ứng để bù vào đầu điều khiển servo gửi tín hiệu tới nội suy để thay đổi giá trị đặt cho điều khiển servo Do điều khiển liên kết chéo xem xét phần mạch vịng điều khiển servo (nếu hoạt động để thay đổi đầu điều khiển servo) phần điều khiển trình thích nghi (nếu hoạt động để thay đổi giá trị đặt cho điều khiển servo Bộ điều khiển liên kết chéo bao gồm hai phần sau: • Bộ ước lượng sai lệch quỹ đạo • Bộ điều khiển bù liên kết chéo Để ước lượng sai lệch chuyển động ước lượng sai lệch cần đo vị trí thực trục lượng đặt đầu vào Đối với hệ hai trục ta ước lượng sai lệch sau: Giả sử hệ thống có quỹ đạo mong muốn trạng thái hệ thống hình A-1 133 Trên hình vẽ ta có vị trí thực đối tượng điều khiển điểm P, điểm R vị trí đặt Ta có sai lệch điều khiển trục tương ứng Ex Ey Sai lệch quỹ đạo chuyển động khoảng cách từ P tới quỹ đạo mong muốn (trong trường hợp điểm nằm đoạn QS) Tuy nhiên việc tìm cách xác sai lệch khó khăn gần sai lệch quỹ đạo chuyển động độ dài đoạn thẳng PS, khoảng cách vị trí thực tế đối tượng điều khiển tới đường tròn tạo bán kính cong điểm R C γ r Y R S Ey Q P Ex o quỹ đạo mong muèn θ X Hình A- Sai lệch quỹ đạo chuyển động Với góc γ đủ nhỏ ta có: PQ = E y cosθ − Ex sin θ (A.5) θ góc vector tiếp tuyến quỹ đạo chuyển động trục x r cos γ (A.6) ⎛ ⎞ r −r = r⎜ − 1⎟ cos γ ⎝ cos γ ⎠ (A.7) QC = ⇒ QS = 134 ⇒ ⎛ − cos γ ⎞ QS = r sin γ ⎜ ⎟ ⎝ sin γ cos γ ⎠ (A.8) RQ = r sin γ ≈ Ex2 + E y2 (A.9) biến đổi A.8 thay A.9 vào ta được: QS ≈ Ex2 + E y2 (1 + cos γ ) cos γ r (A.10) γ nhỏ, cosγ xấp xỉ vậy: QS ≈ Ex2 + E y2 (A.11) 2r PS=PQ+QS ∧ ε = PS = E y cosθ − Ex sin θ + ∧ ε = − ExCx + E y C y Ex2 + E y2 2r (A.12) (A.13) với: Cx = sin θ − C y = cos θ + Ex 2r Ey 2r (A.14) (A.15) Dễ dàng nhận thấy Cx Cy không phụ thuộc vào tham số quỹ đạo đặt θ r mà phụ thuộc vào sai lệch trục (Ex Ey) sai lệch quỹ đạo chuyển động hàm phi tuyến sai lệch trục Mục tiêu điều khiển liên kết chéo di chuyển đối tượng chuyển động vị trí S (vị trí gần quỹ đạo mong muốn) cịn điều khiển vị trí hệ servo điều khiển đối tượng chuyển động phía điểm đặt (điểm R) Sai lệch trục đo theo thời gian thực đại lượng tham số quỹ đạo đặt nhận từ nội suy quỹ đạo 135 Hình A- Cấu trúc điều khiển liên kết chéo Sai lệch quỹ đạo chuyển động đưa vào điều khiển bù liên kết chéo để tính tốn tín hiệu điều khiển Các tín hiệu điều khiển thêm vào tín hiệu đầu điều khiển servo trục đưa tới hệ truyền động động servo Bộ điều khiển liên kết chéo thường sử dụng luật PID điều khiển mờ lai PID Mô hệ thống điều khiển truyền động nhiều trục phân tán sử dụng TrueTime Toolbox Thư viện mô TrueTime bao gồm khối tương ứng với phần tử sử dụng hệ thống điều khiển phân tán thời gian thực Nó bao gồm khối hạt nhân tính tốn (TrueTime kernel) dùng để mơ máy tính điều khiển, khối mạng dùng để mô hệ thống mạng sử dụng hệ thống điều khiển hình A3 Ngồi cịn có khối mạng khơng dây (Wireless Network) khối Battery dùng để mô hệ thống mạng không dây sử dụng hệ thống điều khiển 136 Hình A- Thư viện mơ TrueTime Khối hạt nhân tính tốn Khối hạt nhân tính tốn Truetime mơ máy tính với hệ điều hành thời gian thực điều khiển theo kiện, chuyển đổi A/D D/A, giao diện mạng kênh ngắt ngồi Bên khối hạt nhân tính toán định nghĩa sẵn vài cấu trúc liệu thường thấy hạt nhân thời gian thực: hàng đợi sẵn sàng, hàng đợi thời gian, ghi tác vụ, xử lý ngắt, gián sát định thời tạo cho mô Hạt nhân thời gian thực thực tác vụ người sử dụng định nghĩa quản lý ngắt, hiển thị kết quả, ví dụ tác vụ vào/ra, thuật toán điều khiển tác vụ truyền thông Việc thực tác vụ, xử lý ngắt định nghĩa hàm mã người sử dụng viết Những hàm viết C++ (cho tốc độ nhanh) m-file (cho dễ sử dụng) Các thuật tốn điều khiển thiết kế đồ họa cách sử dụng khối Simulink rời rạc thông thường Thời gian thực mơ hình hóa số, ngẫu nhiên chí phụ thuộc liệu Hơn nữa, sách lập lịch hạt nhân thời gian thực tùy ý định người sử dụng Chúng ta định nghĩa nhiều tác vụ hạt nhân máy tính mơ cho phép ta mơ hoạt động hệ thống điều khiển sử dụng máy tính gần với thực tế hoạt động 137 Khối network Mơ hình mạng tương tự mơ hình hạt nhân phần mềm thời gian thực dù đơn giản Khối network loại điều khiển theo kiện thực thông điệp tới khỏi mạng Một thông điệp bao gồm thông tin nút máy tính gửi nhận, liệu tùy ý (thơng thường tín hiệu đo lường điều khiển), kích thước thơng điệp có thuộc tính thời gian thực quyền ưu tiên thời hạn Trong khối network, đặt tốc độ truyền, giao thức truy nhập mạng (CSMA/CD, CSMA/CA, quay vòng, FDMA, TDMA) số tham số khác, xem hình A-4 Ta đặt tham số cho mạng trễ xử lý trước sau, khung truyền thông xác xuất liệu Một thơng điệp dài phân chia thành khung truyền cách Khi việc truyền mô thông điệp hồn tất, đặt vào đệm nút máy tính nhận mà thơng báo ngắt phần cứng Hình A- Hộp thoại thơng số nút mạng Mô hệ truyền động nhiều trục điều khiển vị trí sử dụng TrueTime Mơ hình mơ hệ thống điều khiển truyền động hai trục X-Y hình A-2 với cấu trúc phân tán sử dụng mạng CAN bao gồm nút mạng sau: • Nút mạng 2: thực chức điều khiển Nút mạng điều khiển theo kiện, nghĩa có thơng điệp gửi đến từ nút sensor, nhận tính tốn để gửi tín hiệu điều khiển xuống nút Actuator Thuật tốn điều khiển thiết kế sử dụng luật điều khiển PD cho mạch vịng điều khiển vị trí • Nút mạng 3, nút mạng đo lường, thực việc đo vị trí Nút mạng điều khiển theo thời gian, nghĩa chứa nhiệm vụ có tính chất chu kỳ: lấy giá trị vị trí thực động (thực biển đổi A/D) truyền tới điều khiển qua mạng 138 • Nút mạng 5, nút mạng chấp hành (các drive) Nút mạng xử lý tín hiệu nhận từ Controller, thực biến đổi D/A đưa xuống điều khiển động Ngồi cịn có nút Disturbance để tạo tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên cách định kỳ để gửi lên mạng Hệ thống mạng truyền thơng sử dụng mạng CAN Mơ hình mô hệ thống sử dụng TrueTime Toolbox hình A-5 To Workspace2 [y1] 20 Clock [r1] [r2] r1 Display y1 [time] r1 AI1 To Workspace1 rcv4 Rcv D/A u Node (Actuator) 0.075s+1 s Transfer Fcn Integrator A/D Sine Wave [snd3] Snd rcv3 Node (Sensor) [y2] Rcv Snd snd1 y2 Node (Interference) rcv6 Rcv D/A Node (Actuator)1 AI2 [snd2] Snd Rcv Node (Controller) rcv2 Rcv u rcv1 r2 Sine Wave1 y1 r2 To Workspace3 snd1 snd1 rcv [rcv1] snd2 snd2 rcv [rcv2] [snd3] snd3 rcv snd4 rcv [rcv4] snd5 rcv [rcv5] snd6 rcv [rcv6] [rcv3] To Workspace u y2 0.08s+1 s Transfer Fcn1 Integrator1 Ground2 A/D rcv5 Snd [snd5] [snd5] Rcv Node (Sensor)1 Ground1 u1 Network error [y1] Distributed Drive System Copyright (c) 2006 Pham Quang Dang HiTech Centre, Hanoi University of Technology, Vietnam Please direct questions and bug reports to: dangphq@hi-tech.com.vn [r1] [r2] [time] zeros(z) z u2 zeros(z) z error_estimator |u| Abs [y2] To Workspace4 K Ts z-1 Product Discrete-Time 58.31 Display1 Integrator 100 Constant S-Function u3 Hình A- Mơ hình mô hệ truyền động trục X-Y sử dụng mạng CAN Xây dựng mơ hình thí nghiệm điều khiển phân tán truyền động nhiều trục Để khảo sát ảnh hưởng trễ truyền thông ta sử dụng hệ thống truyền động phân tán nhiều trục bao gồm điều khiển sử dụng vi xử lý tín hiệu hãng DSpace, DS1103, điều khiển truyền động sử dụng loại hệ truyền động động đồng IDM640 hãng TechnoSoft Sử dụng cấu đo vị trí gián tiếp thơng qua tín hiệu encoder động Độ phân giải Encoder 2000 xung/vòng Các thiết bị kết nối truyền thông với thơng qua mạng CAN hình A-6 139 Hình A- Cấu trúc điều khiển chuyển động hai trục điều khiển vị trí Hệ thống bao gồm nút mạng, có nút điều khiển ba nút tương ứng với chuyển động ba trục Trong thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng trễ truyền thông sử dụng hệ truyền động với hai trục với địa 255 Nút lại với địa sử dụng tác nhân gây nhiễu cho tải truyền thơng Cấu hình card điều khiển DS1103: • Bộ xử lý: PowerPC 604e/400MHz • Timer: on-chip timers, timers sử dụng chung • Bộ nhớ: 2MB local SRAM, 128MB global DRAM • Bộ điều khiển ngắt: Ngắt PC, CAN, slave DSP, serial interface, encoder, đầu vào ngắt đồng PWM • Analog I/O: ADC 16-bit, 4us sampling time; ADC 12-bit, 800ns sampling time; DAC 14-bit, 5us settling time • Encoder Interface: 06 kênh, max: 1.65MHz; 140 • Digital I/O: kênh 8-bit digital I/O • Serial Interface: RS232/RS422, tốc độ tối đa 1Mbaud; • CAN Interface: Infineon 80C164 microcontroller/ISO 11898 transceiver, tốc độ tối đa 1Mbaud, 4kWord dual-port memory • Slave DSP: TMS320F240, 20MHz Cấu hình điều khiển động servo Technosoft IDM640: • Bộ nghịch lưu cấp nguồn cho động servo với điều khiển chuyển động hồn tồn điều khiển số • Trục đơn hoạt động độc lập chế độ slave (trong hệ truyền động thơng minh, phân tán) • Các chế độ điều khiển: Vị trí, tốc độ, momen • Lượng đặt ngoài: analog digital • Đồng trục tất drive • Output dịng: 5A (5x models) / 8A (8x models) continuous; 16A peak • Điện áp nguồn: 12 to 48 V cho logic; 12 to 80 V (IDM640) cho motor • DSP controller based on the Technosoft MotionChipTM technology • 10-bit PWM at 20 KHz • Truyền thơng nối tiếp RS-232 RS-485, tốc độ tối đa 115 kbaud • CAN 2.0B field bus with Technosoft CAN protocol, up to MHz baud rate • Có thể hoạt động cấu trúc truyền động nhiều trục thông qua kênh truyền thông CAN RS-485 141 Hình A- Card điều khiển thơng minh DS1103 Hình A- Bộ điều khiển truyền động servo TechnoSoft IDM640 Hình A- Mơ hình thí nghiệm khảo sát trễ truyền thông ... thiện chất lượng điều khiển hệ thống điều khiển có trễ truyền thơng Đề tài ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng trễ truyền thông hệ thống điều khiển phân tán để nâng cao chất lượng điều khiển? ?? lựa chọn nhằm nghiên. .. bày ảnh hưởng trễ truyền thông hệ thống điều khiển phân tán Trong chương ảnh hưởng trễ truyền thông tới trễ tồn hệ điều khiển phân tích, đánh giá Ảnh hưởng trễ truyền thông hệ điều khiển truyền. .. ứng dụng hệ thống mạng truyền thông hệ thống điều khiển, trễ truyền thông hệ thống điều khiển cần phải phân tích, ảnh hưởng trễ truyền thơng tới chất lượng điều khiển cần phải nghiên cứu để từ đưa