CHƢƠNG 4: PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG NHIỀU TRỤC
4.6.2. Phân tích ảnh hƣởng của trễ truyền thông đến chất lƣợng điều khiển của hệ thống
hệ thống
Từ hình 4-2 và hình 4-10, chúng ta sẽ tiến hành phân tích, đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống truyền động nhiều trục điều khiển vị trí dựa trên các kết quả đã được khảo sát trên mô hình mô phỏng. Đánh giá chất lượng điều khiển của hệ thống bằng tiêu chuẩn ITEA với các tần số lấy mẫu khác nhau trong các trường hợp sau:
- Mạng không sử dụng để truyền các thông tin sự kiện;
- Xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện là 0.01, chiều dài thông điệp là ngẫu nhiên trong khoảng từ 0 – 80 bytes;
- Xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện là 0.03, chiều dài thông điệp là ngẫu nhiên trong khoảng từ 0 – 80 bytes;
- N ội suy q uỹ đạ o PD Cx Cy Servo Controller Servo Controller Servo Motor Servo Motor + + + Bộ ước lượng sai lệch quỹ đạo
chuyển động
+ -
- +
Hình 4-10. Cấu trúc điều khiển chuyển động hai trục điều khiển vị trí
CAN Bus
- Xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện là 0.05, chiều dài thông điệp là ngẫu nhiên trong khoảng từ 0 – 80 bytes.
Sử dụng quỹ đạo chuyển động đặt là đường tròn, đường kính 200mm. Kích thước của thông điệp đo lường và điều khiển là 8 bytes ta có thể tính được chiều dài của khung truy nhập theo là:
Tframe = Nstuff + Nc + 8 N data Tbit (4.14)
Nstuff là số bít nhồi, lấy giá trị từ 0 tới 14 bít, Nc là số bít điều khiển lấy giá trị
47 trong CAN 2.0A và 65 với CAN 2.0B. Với tốc độ truyền 500kbps ta có Tbit= 2µs và do vậy chiều dài khung truy nhập sẽ là từ 222s tới 250s. Trong hệ truyền động 2 trục ta cần thiết phải truyền 04 giá trị đo lường và điều khiển nên thời gian truyền thông trong một chu kỳ yêu cầu từ 888s tới 1000s. Nếu thời gian cần thiết cho việc tính toán điều khiển trong trường hợp xấu nhất là 150sthì chu kỳ điều khiển nhỏ nhất có thể lựa chọn để hệ thống còn đảm bảo được yêu cầu kết thúc quá trình tính toán và truyền tin trong chu kỳ là 1,15 ms.
Vì các thông tin sự kiện có tính ngẫu nhiên, nên phải qua nhiều lần thí nghiệm ứng với mỗi chu kỳ lấy mẫu, mỗi lần làm thí nghiệm sẽ thu được một giá trị ITAE sau đó tính ra giá trị ITAE trung bình theo công thức sau:
10 10 1 k k ITAE ITAE (4.15) Qua 10 lần thí nghiệm, với kết quả thu được trên các bảng 4-2, bảng 4-3, bảng 4-4 và bảng 4-5 như sau [4]:
Bảng 4-2. Kết quả khảo sát khi không có thông điệp sự kiện truyền trên mạng
T
(ms) ITAE1 ITAE2 ITAE3 ITAE4 ITAE5 ITAE6 ITAE7 ITAE8 ITAE9 ITAE10 ITAEtb
1 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 2 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 4 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 6 0,2383 0,2383 0,2383 0,2383 0,2383 0,2383 0,2383 0,2383 0,2383 0,2383 0,2383 8 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 quả khảo sát khi xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện trên mạng là 1%
T
(ms) ITAE1 ITAE2 ITAE3 ITAE4 ITAE5 ITAE6 ITAE7 ITAE8 ITAE9 ITAE10 ITAEtb
1 Mất ổn định 1,2 Mất ổn định 1,4 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 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 2 0,0785 0,0785 0,0789 0,0787 0,0808 0,0783 0,0783 0,0765 0,0782 0,0761 0,0782 4 0,1535 0,1518 0,1518 0,1516 0,1517 0,1518 0,1518 0,1515 0,1518 0,1518 0,1519 6 0,2507 0,2500 0,2507 0,2507 0,2507 0,2507 0,2516 0,2507 0,2507 0,2507 0,2507 8 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
Bảng 4-4. Kết quả khảo sát khi xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện trên mạng là 3%
T
(ms) ITAE1 ITAE2 ITAE3 ITAE4 ITAE5 ITAE6 ITAE7 ITAE8 ITAE9 ITAE10 ITAEtb
1 Mất ổn định 1,2 Mất ổn định 1,4 Mất ổn định 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 2 39,79 39,79 39,79 39,79 39,79 39,79 39,79 39,79 39,79 39,79 39,79 4 0,1746 0,1737 0,1734 0,1734 0,1734 0,1742 0,1734 0,1734 0,1734 0,1734 0,1736 6 0,2605 0,2635 0,2605 0,2605 0,2622 0,2605 0,2605 0,2605 0,2605 0,2605 0,2610 8 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 quả khảo sát khi xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện trên mạng là 5%
T
(ms) ITAE1 ITAE2 ITAE3 ITAE4 ITAE5 ITAE6 ITAE7 ITAE8 ITAE9 ITAE10 ITAEtb
1 Mất ổn định 1,2 Mất ổn định 1,4 Mất ổn định 1,6 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 62,71 2 48,94 48,94 48,94 48,94 48,94 48,94 48,94 48,94 48,94 48,94 48,94 4 0,1832 0,1881 0,1832 0,1845 0,1832 0,1832 0,1869 0,1832 0,1874 0,1832 0,1846 6 0,2732 0,2780 0,2732 0,2732 0,2792 0,2780 0,2732 0,2794 0,2732 0,2732 0,2754 8 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
Qua kết quả khảo sát ta thấy, trong cả hai trường hợp mạng không có thông điệp sự kiện hay có thông điệp sự kiện với các xác suất xuất hiện thông điệp khác nhau, khi ta thay đổi chu kỳ trích mẫu – Ts thì kết quả của độ sai lệch vị trí (được đánh giá theo tiêu chuẩn ITAE) cũng khác nhau. Từ bảng kết quả ta vẽ ước lượng được đồ thị thể hiện liên hệ giữa giá trị sai lệch vị trí theo tiêu chuẩn ITAE với thời gian lấy mẫu Ts để so sánh và đánh giá quy luật về ảnh hưởng của trễ truyền thông với các chu kỳ lấy mẫu khác nhau ta có Hình 4-11.
Kết quả thu được trên hình 4-11 cho thấy ở những tần số lấy mẫu thấp chất lượng điều khiển ít có sự khác biệt giữa các trường hợp mạng không có thông điệp sự kiện và mạng có thông điệp sự kiện.
Nhìn trên đồ thị ta thấy, khi tần số lấy mẫu tăng lên, giá trị sai lệch điều khiển giảm, điều đó cho thấy khi tần số lấy mẫu tăng lên chất lượng điều khiển cũng tăng lên như trường hợp hệ thống điều khiển số không có trễ thông thường.
Hệ thống điều khiển sử dụng mạng truyền thông số có trễ truyền thông thêm vào làm tăng trễ của hệ thống điều khiển và do vậy nó làm thu hẹp vùng có thể lựa chọn của 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 khi chu kỳ lấy mẫu giảm tới giới hạn trễ tính toán của thiết bị điều khiển thì diễn ra hiện tượng suy giảm chất lượng điều khiển đột ngột tới mức mất ổn định. Ở đây hiện tượng cũng diễn ra tương tự nhưng chất lượng điều khiển suy giảm ở ngay cả chu kỳ lấy mẫu lớn hơn giới hạn tạo bởi tổng trễ truyền thông và trễ tính toán.
Qua kết quả khảo sát trên đồ thị ta nhận thấy khi mạng có xác suất xuất hiện thông điệp bằng 0,03 và 0,05 thì chất lượng điều khiển tăng dần theo tần số lấy mẫu, tuy nhiên lại nhanh chóng đạt tới ngưỡng bão hoà khi tần số lấy mẫu tăng. Còn đối với mạng có xác suất xuất hiện thông điệp bằng 0,01 thì ngưỡng bão hoà của hệ thống lớn hơn. Như vậy điểm suy giảm của chu kỳ lấy mẫu sẽ càng lớn khi xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện càng lớn. Nguyên nhân chính là do khi tăng tần số lấy mẫu sẽ làm tăng lưu lượng truyền thông, tăng băng thông sử dụng và khi tới ngưỡng bão hoà của hệ thống mạng nó làm tăng trễ truyền thông dẫn tới sự suy giảm chất lượng điều khiển. Với xác suất xuất hiện các thông điệp sự kiện càng lớn thì băng thông yêu cầu càng lớn và mạng càng nhanh đi vào trạng thái bão hoà.
Chúng ta xem xét sai lệch quỹ đạo chuyển động trên hình 4-12 với hệ thống có chu kỳ lấy mẫu 2,5 ms và mạng có xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện là 0,03:
Ta nhận thấy hệ thống mạng có 3 điểm sai lệch quỹ đạo đó là các trạng thái quá tải tạm thời do tại các thời điểm đó lưu lượng truyền thông tăng làm trễ truyền thông và trễ tính toán của các thiết bị điều khiển. Như vậy ngay cả khi hệ thống mạng được thiết kế đảm bảo yêu cầu thì trong chế độ hoạt động bình thường của các hệ thống sử dụng mạng truyền thông thì hiện tượng bão hoà mạng vẫn có thể xuất hiện tạm thời (thoáng qua) và gây ra sự suy giảm chất lượng điều khiển một cách đột ngột và tạm thời. Nguyên nhân của hiện tượng này là do tính ngẫu nhiên của các thông tin sự kiện khác truyền trên mạng hoặc do ảnh hưởng của nhiễu dẫn tới lỗi truyền thông. Khi việc truyền thông bị lỗi, cơ chế phát hiện và xử lý lỗi trong các hệ thống mạng sẽ loại bỏ các thông điệp bị lỗi. Giải pháp phổ biến sử dụng trong kỹ thuật truyền tin là thực hiện truyền lại các thông điệp bị phát hiện là lỗi và điều này làm tăng trễ truyền thông và lưu lượng truyền thông dẫn tới hệ thống mạng có thể bị bão hoà tạm thời. Điều này cũng cho ta thấy trễ trong truyền thông thay đổi theo thời gian (do tính ngẫu nhiên của các nguyên nhân gây ra trễ trong truyền thông như đã phân tích ở chương 3).
Để đánh giá sự sai lệch quỹ đạo chuyển động trong trường hợp hệ thống làm việc với các tần số lấy mẫu khác nhau trên Hình 4-13 ta thấy rằng khi mạng sử dụng để truyền thông điệp sự kiện thì ngay cả ở những chu kỳ lấy mẫu nhỏ tới mức mà hệ thống có chất lượng điều khiển tốt nhất thì vẫn xuất hiện các điểm mà sai lệch quỹ đạo lớn. Đó là tại các điểm mà trễ truyền thông tăng cao đột ngột trong một khoảng thời gian ngắn hay nói cách khác khi đó hệ thống mạng rơi vào trạng thái nghẽn mạng tạm thời. Những điểm peak của sai lệch này sẽ dẫn tới phế phẩm hoặc thậm chí gây ra tác động của hệ thống bảo vệ làm dừng sản xuất.
Có thể nhận thấy rằng ở những kỳ lấy mẫu lớn tồn tại sai lệch quỹ đạo lớn và ít có sự khác nhau giữa trường hợp mạng không sử dụng để truyền thông điệp sự kiện (trễ gần là hằng số) và trường hợp mạng sử dụng để truyền thông điệp sự kiện (trễ mang tính bất định).
Sai lệch này ổn định và giảm khi chu kỳ lấy mẫu giảm nhưng chu kỳ lấy mẫu càng nhỏ thì càng có sự khác biệt giữa trường hợp có thông điệp sự kiện và không có thông điệp sự kiện. Cụ thể là khi mạng có thông điệp sự kiện thì chu kỳ lấy mẫu càng nhỏ tần suất xuất hiện các điểm có sai lệch quỹ đạo lớn sẽ càng lớn làm cho chất lượng điều khiển của nó kém hơn so với khi không có thông điệp sự kiện. Chất lượng điều khiển thấp khi chu kỳ lấy mẫu lớn là do sai lệch tạo bởi chu kỳ lấy mẫu còn khi chu kỳ lấy mẫu tiến tới giới hạn bão hoà chất lượng điều khiển giảm là do tần suất nghẽn mạng tạm thời tăng lên.
Với mô hình điều khiển truyền động dùng truyền thông CAN-Bus như hình 4-9 và sơ đồ cấu trúc điều khiển truyền động hai trục XY điều khiển vị trí như hình 4-10. Thông tin sự kiện được giả lập bằng việc truyền thông tin điều khiển của trục thứ ba. Theo [4] kết quả khảo sát thu được để đánh giá sai lệch quỹ đạo chuyển động trong trường hợp chu kỳ lấy mẫu bằng 4ms như hình 4-14.
Quỹ đạo chuyển động X-Y là đường tròn với chu kỳ lấy mẫu 4ms ở trạng thái chưa bão hoà thu được như hình 4-15.
Tại chu kỳ lấy mẫu 4ms chất lượng điều khiển tương đối tốt, sự sai lệch quỹ đạo nhỏ. Tuy nhiên khi trục thứ ba thực hiện việc truyền thông cùng thời điểm với việc truyền thông của một trong hai trục XY nói cách khác là có sự nghẽn mạng do thông điệp truyền bởi trục thứ 3 gây nên có thể làm cho hệ thống trở nên mất ổn
Hình 4-14. Sai lệch quỹ đạo chuyển động trong hệ truyền động hai trục XY
với chu kỳ lấy mẫu 4ms
Chúng ta tiếp tục xem xét tại chu kỳ lấy mẫu bằng 2,5ms, khi đó thu được đồ thị mô tả sai lệch quỹ đạo chuyển động, như hình 4-16, và hình ảnh quỹ đạo chuyển động hình 4-17.
Như vậy tại các chu kỳ lấy mẫu nhỏ hơn (2,5 ms) sai lệch điều khiển mạng lớn do rơi vào trạng thái bão hoà, quỹ đạo chuyển động của hai trục X-Y không còn bám theo đúng quỹ đạo đặt. Nguyên nhân của hiện tượng này là ngoài việc truyền các thông tin có tính chất chu kỳ hệ thống mạng còn sử dụng để truyền các thông tin sự kiện, không có tính chất chu kỳ. Sự xuất hiện mang tính ngẫu nhiên của các thông tin sự kiện làm tăng tức thời lưu lượng truyền tin dẫn tới sự gia tăng của thời
Hình 4-16. Sai lệch quỹ đạo chuyển động trong hệ truyền động hai trục XY với chu kỳ lấy mẫu 2.5 ms
gian đợi giành quyền truyền tin Tblock và trễ truyền thông sẽ tăng lên. Đặc biệt khi lưu lượng truyền tin tăng lên nó sẽ làm tăng hệ số sử dụng mạng tới mức 100% đồng thời tăng chiều dài hàng đợi dẫn tới làm tăng thời gian đợi trong hàng đợi
Tqueue. Khi đó hệ thống mạng sẽ rơi vào trạng thái bão hoà. Trong trạng thái bão
hoà, trễ truyền thông sẽ tăng lên và có thể vượt qua khoảng trễ cho phép của ứng dụng và ta gọi trạng thái của hệ thống mạng trong trường hợp này là trạng thái “nghẽn mạng”. Chất lượng điều khiển của hệ thống đã bị suy giảm mạnh dẫn tới mất ổn định khi mạng truyền thông đi vào trạng thái bão hoà.
4.7. Kết luận
Trong chương này đã tiến hành nghiên cứu và phân tích hưởng của trễ tuyền thông tới chất lượng điều khiển trong hệ thống truyền động nhiều trục điều khiển vị trí sử dụng mạng CAN dựa theo kết quả nghiên cứu [4] đã được khảo sát mô hình mô phỏng và mô hình thực nghiệm. Kết quả cho thấy trễ truyền thông làm suy giảm