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 NGÀNH: TỰ ĐỘNG HỐ NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA TRỄ TRUYỀN THƠNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS) ĐÀO TUẤN ANH THÁI NGUYÊN 2008 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA TRỄ TRUYỀN THƠNG 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 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 - THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: NGHI ÊN CỨU ĐẶC TÍNH CỦA TRỄ TRUYỀN THƠNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS) 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình tơi tổng hợp nghiên cứu Trong luận văn có sử dụng số tài liệu tham khảo nêu phần tài liệu tham khảo Tác giả luận văn Đào Tuấn Anh Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Trang TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG : TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN 1.1 Tổng quan hệ tự động hố q trình sản xuất hệ điều khiển 1 1.1.1 Mơ hình phân cấp hệ thống tự động hố q trình sản xuất 1.1.2 Mạng truyền thông hệ thống điều khiển tự động 1.2 Truyền thông hệ điều khiển phân tán (DCS) 1.2.1 Khái quát chung hệ DCS 1.2.1.1 Cấp chấp hành - cảm biến 1.2.1.2 Cấp điều khiển 1.2.1.3 Cấp vận hành, giám sát huy 1.2.1.4 Hệ thống quản lý thông tin 1.2.1.5 Chức hệ DCS 1.2.2 Truyền thông hệ DCS 10 1.2.2.1 Ứng dụng mơ hình chuẩn OSI mơ hình bus trường 10 hệ DCS 1.2.2.2 Phương pháp truyền thông hệ điều khiển chuyển động 11 1.2.2.3 Phương pháp truyền thông hệ điều khiển truyền động 17 phân tán 1.3 Trễ hệ điều khiển phân tán 18 1.4 Kết luận 19 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 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 2.2.1 Phương pháp CSMA/CD 28 2.2.2 Phương pháp chuyển thẻ (Token passing) 31 2.2.3 Phương pháp CSMA/AMP (CAN) 34 36 2.3 Một số hệ thống bus tiêu biểu sử dụng hệ DCS 2.3.1 PROFIBUS 36 2.3.1.1 PROFIBUS DP 37 2.3.1.2 PROFIBUS PA 38 2.3.1.3 PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification) 39 2.3.2 CAN 39 2.3.3 Ethernet 40 2.3.4 Fourdation Fieldbus 41 44 2.4 Đánh giá hiệu mạng truyền thông 2.4.1 Hiệu suất hệ thống mạng 45 2.4.2 Hệ số sử dụng đường truyền 45 2.4.3 Số lượng thông điệp không truyền 46 2.5 Kết luận 46 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG MỘT SỐ 47 MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP TIÊU BIỂU 47 3.1 Thời gian trễ truyền thông 3.1.1 Giới thiệu 47 3.1.2 Các thành phần thời gian trễ 48 3.1.2.1 Thời gian tiền xử lý truyền thông nút truyền, Tpre 49 3.1.2.2 Trễ đo thời gian nút truyền, Twait 49 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.1.2.3 Trễ đường mạng, Ttx 51 3.1.2.4 Trễ xử lý nút nhận, Tpost 52 3.1.2.5 Lược đồ thời gian q trình truyền thơng 52 54 3.2 Trễ truyền thông mạng Ethernet 3.2.1 Cấu hình mạng truyền thơng 54 3.2.2 Cấu hình mạng Ethernet sử dụng Switch 58 3.2.3 LAN Switch 60 3.2.4 Trễ truyền thông mạng Ethernet sử dụng LAN Switch 62 3.2.5 Nhận xét 74 75 3.3 Trễ truyền thông mạng CAN 3.3.1 Phát lỗi xử lý lỗi mạng CAN 75 3.3.2 Đặc điểm trễ truyền thông mạng CAN 76 3.3.3 Trễ truyền thông trường hợp truyền lại 77 3.3.4 Nhật xét 78 3.4 Đánh giá ảnh hƣởng thành phần trễ truyền thông 79 3.5 Kết luận 82 CHƢƠNG 4: PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA TRỄ TRUYỀN THƠNG 83 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 thơng tƣơng tự (analog) 4.2.1 Cấu hình mơ hình 4.2.2 Giới thiệu mơ 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn 4.2.2.3 Resolver Synchro 92 4.2.3 Đánh giá phương pháp truyền thông tương tự hệ điều khiển 93 4.3 Hệ điều khiển truyền động nhiều trục điều khiển vị trí dùng mạng 95 truyền thơng Bus-CAN 4.3.1 Cấu hình mơ hình 95 4.3.2 Đánh giá phương pháp truyền thơng sử dụng CAN-Bus 96 4.4 Các phƣơng pháp mơ hình hố trễ hệ thống điều khiển 98 4.4.1 Phương pháp xấp xỉ Padé 98 4.4.2 Mơ hình hố trễ truyền thơng dùng xích Markov 99 4.5 Tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng điều khiển 100 4.6 Phân tích ảnh hƣởng trễ truyền thông đến chất lƣợng điều 101 khiển hệ thống truyền động nhiều trục 4.6.1 Cấu hình mơ hình 102 4.6.2 Phân tích ảnh hưởng trễ truyền thông đến chất lượng điều khiển 103 hệ thống 4.7 Kết luận 113 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO 115 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI NÓI ĐẦU Cơ sở lựa chọn đề tài mục đích nghiên cứu 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 khiển Trong năm 90 kỷ 20, q trình module hố, phân tán điều khiển với mạng truyền thông kỹ thuật số phát triển mạnh mẽ cho đời hệ hệ thống điều khiển – hệ thống điều khiển phân tán DCS Cho tới ngày nay, điều khiển phân tán sử dụng hệ thống điều khiển truyền động điều khiển chuyển động 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 thơng sensor, cấu chấp hành điều khiển Trễ truyền thông việc chia xẻ chung phương tiện truyền thơng, thời gian tính tốn cần thiết cho việc mã hoá/giải mã đại lượng đo thời gian xử lý truyền thông Trễ truyền thơng có tính ngẫu nhiên phụ thuộc vào giao thức truyền thông, phần cứng sử dụng trạng thái hệ thống mạng truyền thông Trễ truyền thông lớn mang tính bất định cao lưu lượng truyền thông lớn, đặc biệt hệ thống mạng rơi vào trạng thái nghẽn mạng Để đảm bảo ổn định đảm bảo chất lượng điều khiển hệ thống điều khiển, việc nghiên cứu trễ truyền thông hệ thống điều khiển cần thiết Đề tài “Nghiên cứu đặc tính trễ truyền thơng hệ điều khiển phân tán” lựa chọn Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu đặc tính trễ truyền thơng mạng truyền thông công nghiệp tiêu biểu phân tích ảnh hưởng trễ truyền thơng tới chất lượng điều khiển hệ thống điều khiển phân tán nói chung, điều khiển truyền động nói riêng Nội dung phương pháp nghiên cứu Nội dung luận văn với đề mục nội dung sau : Lời cam đoan Mục lục Danh mục hình vẽ Danh mục bảng biểu Mở đầu Chương 1: Tổng quan mạng truyền thông hệ điều khiển phân tán 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 thơng hệ điều khiển truyền động nhiều trục Kết luận Kiến nghị Tài liệu tham khảo Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Bùi Quốc Khánh, thầy cô Khoa Điện Khoa Sau Đại Học trường Đại học Công Nghiệp Thái Nguyên tạo điều kiện giúp đỡ tơi suốt q trình làm luận văn Do kiến thức thân hạn chế nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót Tơi mong góp ý thầy cô bạn đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện Thái Nguyên, 04.2008 Tác giả, Đào Tuấn Anh Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 102 4.6.1 Cấu hình mơ hình Hình 4-9 Cấu hình hệ điều khiển truyền động dùng truyền thông Bus-CAN Board DS1103 (có giao diện CAN) cắm vào khe ISA máy tính gửi tín hiệu điều khiển qua mạng CAN xuống Drive IDM640 (có giao diện CAN) để điều khiển động đồng hình vẽ Mạch vịng vị trí đưa lên Board DS1103 nên tín hiệu gửi qua mạng CAN xuống Drive IDM640 giá trị vận tốc tham chiếu Thông số tốc độ cập nhật mạch vịng tốc độ/ mơmen tương ứng 1KHz/10KHz Tốc độ cập nhật mạch vịng vị trí thay đổi việc thay đổi chu kỳ lấy mẫu (bước tính mơ hình Simulink) Ví dụ: Nếu ta chọn chu kỳ lấy mẫu Ts = 10ms sau 10ms tín hiệu tham chiếu vận tốc lại gửi 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 thơng mạng CAN sử dụng luật điều khiển PD cho điều khiển vị trí trục Hình 4-10 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 103 + + Servo Controller Servo Motor + Bộ ước lượng sai lệch quỹ đạo chuyển động CAN Bus Nội suy quỹ đạo Cx PD Cy + - Servo Controller + - Servo Motor Controller Hình 4-10 Cấu trúc điều khiển chuyển động hai trục điều khiển vị trí 4.6.2 Phân tích ảnh hƣởng trễ truyền thơng đến chất lƣợng điều khiển hệ thống 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 mơ hình mơ 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 104 - Xác suất xuất thông điệp kiện 0.05, chiều dài thông điệp ngẫu nhiên khoảng từ – 80 bytes Sử dụng quỹ đạo chuyển động đặt đường trịn, đường kính 200mm Kích thước thông điệp đo lường điều khiển bytes ta tính chiều dài khung truy nhập theo là: 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 47 CAN 2.0A 65 với CAN 2.0B Với tốc độ truyền 500kbps ta có Tbit= 2µs chiều dài khung truy nhập từ 222  s tới 250 s Trong hệ truyền động trục ta cần thiết phải truyền 04 giá trị đo lường điều khiển nên thời gian truyền thông chu kỳ yêu cầu từ 888 s tới 1000 s Nếu thời gian cần thiết cho việc tính tốn điều khiển trường hợp xấu 150 s chu kỳ điều khiển nhỏ lựa chọn để hệ thống đảm bảo yêu cầu kết thúc q trình tính tốn truyền tin chu kỳ 1,15 ms Vì thơng 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 ITAE sau tính giá trị ITAE trung bình theo công thức sau: 10 ITAE   ITAE k 1 10 k (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 http://www.lrc-tnu.edu.vn 105 Bảng 4-2 Kết khảo sát thơng điệp kiện truyền mạng T (ms) ITAE1 ITAE2 ITAE3 ITAE4 ITAE5 ITAE6 ITAE7 ITAE8 ITAE9 ITAE10 ITAEtb Mất ổn định 1,2 0,2923 0,2923 0,2923 0,2923 0,2923 0,2923 0,2923 0,2923 0,2923 0,2923 0,2923 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 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 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 10 0.4386 0.4386 0.4386 0.4386 0.4386 0.4386 0.4386 0.4386 0.4386 0.4386 0.4386 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 18 0.8537 0.8537 0.8537 0.8537 0.8537 0.8537 0.8537 0.8537 0.8537 0.8537 0.8537 20 1.055 1.055 1.055 1.055 1.055 1.055 1.055 1.055 1.055 1.055 1.055 Bảng 4-3 Kết khảo sát xác suất xuất thông điệp kiện mạng 1% 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 1,6 49,1 49,1 49,1 24,6 19,8 49,1 55,4 49,1 49,1 49,1 44,36 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 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 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 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 Mất ổn định ITAE7 ITAE8 ITAE9 ITAE10 ITAEtb 1,8 59,70 65,42 59,70 64,85 59,70 59,70 78,96 59,70 59,70 59,70 62,71 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 16 0,7454 0,7454 0,7454 0,7454 0,7454 0,7454 0,7454 0,7454 0,7454 0,7454 0,7454 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 107 Qua kết khảo sát ta thấy, hai trường hợp mạng khơng có thơng điệp kiện hay có thơng 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 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 Hình 4-11 Kết mơ 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 khơng có thơng điệp kiện mạng có thơng điệp kiện Nhìn đồ thị ta thấy, tần số lấy mẫu tăng lên, giá trị sai lệch điều khiển giảm, điều cho thấy tần số lấy mẫu tăng lên chất lượng điều khiển tăng lên trường hợp hệ thống điều khiển số khơng có trễ thơng thường Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 108 Hệ thống điều khiển sử dụng mạng truyền thơng số có trễ truyền thơng thêm vào làm tăng trễ hệ thống điều khiển làm thu hẹp vùng lựa chọn chu kỳ lấy mẫu so với hệ điều khiển số thông thường (không sử dụng mạng truyền thông) Trong hệ điều khiển số thông thường chu kỳ lấy mẫu giảm tới giới hạn trễ tính tốn thiết bị điều khiển diễn tượng suy giảm chất lượng điều khiển đột ngột tới mức ổn định Ở tượng diễn tương tự chất lượng điều khiển suy giảm chu kỳ lấy mẫu lớn giới hạn tạo tổng trễ truyền thơng trễ tính tốn Qua kết khảo sát đồ thị ta nhận thấy mạng có xác suất xuất thơng điệp 0,03 0,05 chất lượng điều khiển tăng dần theo tần số lấy mẫu, nhiên lại nhanh chóng đạt tới ngưỡng bão hoà tần số lấy mẫu tăng Cịn mạng có xác suất xuất thơng điệp 0,01 ngưỡng bão hồ hệ thống lớn Như điểm suy giảm chu kỳ lấy mẫu lớn xác suất xuất thơng điệp kiện lớn Ngun nhân tăng tần số lấy mẫu làm tăng lưu lượng truyền thông, tăng băng thông sử dụng tới ngưỡng bão hoà hệ thống mạng làm tăng trễ truyền thơng dẫn tới suy giảm chất lượng điều khiển Với xác suất xuất thơng điệp kiện lớn băng thơng yêu cầu lớn mạng nhanh vào trạng thái bão hoà 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: Hình 4-12 Quỹ đạo chuyển động (xác suất thơng 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 109 Ta nhận thấy hệ thống mạng có điểm sai lệch quỹ đạo trạng thái tải tạm thời thời điểm lưu lượng truyền thông tăng làm trễ truyền thông trễ tính tốn thiết bị điều khiển Như hệ thống mạng thiết kế đảm bảo yêu cầu chế độ hoạt động bình thường hệ thống sử dụng mạng truyền thơng tượng bão hồ mạng xuất tạm thời (thoáng qua) gây suy giảm chất lượng điều khiển cách đột ngột tạm thời Nguyên nhân tượng tính ngẫu nhiên thơng tin kiện khác truyền mạng ảnh hưởng nhiễu dẫn tới lỗi truyền thông Khi việc truyền thông bị lỗi, chế phát xử lý lỗi hệ thống mạng loại bỏ thông điệp bị lỗi Giải pháp phổ biến sử dụng kỹ thuật truyền tin thực truyền lại thông điệp bị phát lỗi điều làm tăng trễ truyền thông lưu lượng truyền thông dẫn tới hệ thống mạng bị bão hồ tạm thời Điều cho ta thấy trễ truyền thơng thay đổi theo thời gian (do tính ngẫu nhiên nguyên nhân gây trễ truyền thông phân tích chương 3) Để đánh giá sai lệch quỹ đạo chuyển động trường hợp hệ thống làm việc với tần số lấy mẫu khác Hình 4-13 ta thấy mạng sử dụng để truyền thơng điệp kiện chu kỳ lấy mẫu nhỏ tới mức mà hệ 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) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 110 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 thơng điệp kiện khơng có thơng điệp kiện Cụ thể mạng có thơng 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 khơng có thơng 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 Với mơ hình điều khiển truyền động dùng truyền thơng 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 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 hồ thu hình 4-15 Hình 4-15 Quỹ đạo chuyển động X-Y trạng thái chưa bão hoà 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 Chúng ta tiếp tục xem xét chu kỳ lấy mẫu 2,5ms, thu đồ thị mô tả sai lệch quỹ đạo chuyển động, hình 4-16, hình ảnh quỹ đạo chuyển động hình 4-17 Hình 4-16 Sai lệch quỹ đạo chuyển động hệ truyền động hai trục XY với chu kỳ lấy mẫu 2.5 ms Hình 4-17 Quỹ đạo chuyển động X-Y mạng bão hoà 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 khơng cịn bám theo quỹ đạo đặt Nguyên nhân tượng ngồi việc truyền thơng tin có tính chất chu kỳ hệ thống mạng sử dụng để truyền thơng tin kiện, khơng có 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 113 gian đợi giành quyền truyền tin Tblock trễ truyền thông tăng lên Đặc biệt lưu lượng truyền tin tăng lên làm tăng hệ số sử dụng mạng tới mức 100% 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 hồ, trễ truyền thơng 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 thơng vào trạng thái bão hồ 4.7 Kết luận Trong chương tiến hành nghiên cứu phân tích hưởng trễ tuyền thơng 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 mơ hình mơ mơ 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 hồ (hay nghẽn mạng) Qua phân tích cho thấy ảnh hưởng tượng nghẽn mạng tạm thời (bão hồ ngắn hạn) mạng truyền thơng 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 cơng nghiệp nói chung, hệ điều khiển truyền thơng nói riêng Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 114 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 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 thơng 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 dây dẫn) chứng tỏ rõ tính vượt trội như: lượng thơng tin trao đổi lớn (có thể truyền theo hai chiều), khả chống nhiễu cao, cấu trúc nối dây đơn giản, dễ dàng thay đổi cấu trúc hệ chuyển động, đặc biệt tăng tính thời gian thực độ xác hệ thống điều khiển Để khai thác tối đa ưu điểm phương pháp truyền thơng dùng mạng (bus) việc nghiên cứu khảo sát đặc tính trễ truyền thơng loại mạng cần thiết Trễ truyền thơng tính bất định tồn khách quan mạng truyền thơng số làm suy giảm chất lượng điều khiển hệ thống điều khiển sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số 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 thơng 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 Kiến nghị Từ kết nghiên cứu luận văn cho thấy để nâng cao chất lượng điều khiển, ngồi việc nghiên cứu tạo cấu hình, phương thức truyền thông mới, luật điều khiển việc giảm tần suất xảy cố tác động trễ truyền thông mở rộng khả ứng dụng mạng truyền thông kỹ thuật số điều khiển phân tán cho ứng dụng điều khiển truyền động điều khiển chuyển động Thời gian trễ truyền thơng có ảnh hưởng đến việc lựa chọn chu kỳ lấy mẫu có ảnh hưởng nhiều đến chất lượng hệ thống Do 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 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO 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 Khoa học kỹ thuật [3] Pugatrep-Bản dịch Tiếng Việt (1997), Lý thuyết hàm ngẫu nhiên, , NXB thống kê [4] Phạm Quang Đăng (2007), Nghiên cứu ảnh hưởng trễ truyền thông hệ thống điều khiển phân tán để nâng cao chất lượng điều khiển, Luận án Tiến sỹ kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa HN, Hà nội [5] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Duy Bình, Phạm Quang Đăng, Phạm Hồng Sơn (2006), Hệ điều khiển DCS cho nhà máy sản xuất điện - Tập Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật 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 [8] Boukas El-Kebir, Zi-Kuan Liu (2002), Deterministic and Stochastic Time Delay Systems, Birkhauser Boston [9] Bosteel Jan, Coordinated Multi-Axis Motion Control via CAN bus, http://www.a-m-c.com, [10] Bushnell Linda G.(2001), Networds and Control IEEE Control System Magazine [11] CiA, CAN Specification 2.0 Part A, http://www.can.cia.org/ [12] CiA, CAN Specification 2.0 Part B, http://www.can-cia.org/ 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 ... đảm bảo chất lượng điều khiển hệ thống điều khiển, việc nghiên cứu trễ truyền thông hệ thống điều khiển cần thiết Đề tài ? ?Nghiên cứu đặc tính trễ truyền thông hệ điều khiển phân tán? ?? lựa chọn Số... mạng truyền thông hệ điều khiển phân tán Chương 2: Giao thức mạng hệ thống mạng hệ điều khiển phân tán Chương 3: Nghiên cứu trễ truyền thông mạng truyền thông cơng nghiệp tiêu biểu Chương 4: Phân. .. truyền động phân tán Tài ngun tính tốn hệ điều khiển truyền động phân tán hệ xử lý điều khiển trung tâm hệ xử lý điều khiển truyền động trục Giao diện điều khiển trung tâm điều khiển truyền động