Nghiên cứu ảnh hưởng của trễ truyền thông trong hệ thống điều khiển phân tán (DCS) để nâng cao chất lượng điều khiển

Nghiên cứu ảnh hưởng của trễ truyền thông trong hệ thống điều khiển phân tán (DCS) để nâng cao chất lượng điều khiển

PHAM QUANG DANG

NGHIEN CUU ANH HUONG CUA TRE TRUYEN THONG TRONG HE THONG DIEU KHIEN PHAN TAN (DCS)

ĐỀ NÂNG CAO CHAT LUQNG DIEU KHIEN

Chuyên ngành: Tự động hóa

Mã số: 62.52.60.01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIÊN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Bùi Quốc Khánh

TS Nguyễn Văn Khang

Phản biện 1: PGS TS Lê Mỹ Tú

Phản biện 2: PGS TS Thái Quang Vinh

Phản biện 3: PGS TS Tô Văn Dực

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đông châm luận án câp nhà nước họp

tại Trường Đại học Bách khoa Hà nội,

vào hỏi 9 giờ 00 ngảy 10 tháng 08 năm 2007

Có thể tìm hiểu luận án tại:

1 Thư Viện Quốc gia

2 Thư viện Trường Đại học Bách khoa Hà nội

CAC CÔNG TRINH CUA TAC GIA

(Liên quan tới đề tài nghiên cứu của luận an)

1 Bùi Quốc Khánh, Phạm Quang Đăng, Hệ thống điều khiển thời

gian thực có xét tới trễ truyền thông, 7„yển tập báo cáo khoa học, Hội thảo toàn quốc lần thứ nhất về cơ điện tử, 2002

2 Phạm Quang Đăng, Bùi Quốc Khánh, Điều khiển hệ truyền

động nhiều trục tích hợp truyền thông kỹ thuật số, 7zyên tập các báo

cáo khoa học, Hội nghị toàn quốc lân thứ 6 về Tự động hóa (VICA6),

2005

3 Phạm Quang Đăng, Bùi Quốc Khánh, Điều khiển phân tán trong hệ truyền động nhiều trục, 7ï uyên tập các bài báo khoa học, Hội nghị khoa học lần thứ 20 T rường Đại học Bách khoa Hà nội, 2006

4 Phạm Quang Đăng, Bùi Quốc Khánh, Điều khiển hệ truyền

động phân tán có xét tới trễ truyền thông, 7øyên tập báo cáo khoa học

hội nghị toàn quốc lan thie ba vé co dién tu - VCM2006, 2006

Một số kiến nghị

Từ kết quả nghiên cứu của luận án ta có thể thấy một số hướng nghiên

cứu có thê cần thực hiện trong tương lai để cải thiện chất lượng của hệ

thống điều khiến

Về mặt truyền thông, việc tìm kiếm một giao thức truyền thông với

trễ truyền thông tiền định hơn, có sự đảm bảo truyền thông cao hơn là

cần thiết Với giao thức truyền thông có trễ tiền định mô hình hệ thống

sẽ đơn giản hơn và giám nhẹ gánh nặng tính toán cho các thuật toán

điều khiển

Về mặt điều khiển, vấn để áp dụng lý thuyết xác suất thống kê cho

nghiên cứu phát triển các bộ điều khiển cần phái được đầu tư nghiên

cứu thêm Một số hướng nghiên cứu về vấn để điều khiển có thé can

thực hiện trong tương lai để cải thiện chất lượng của hệ thống điều

khiến Cụ thể như sau:

dựng trên nên tảng đánh giá xác suất của trễ truyền thông ở đầu

mỗi chu kỳ và được thực hiện thông qua phương pháp mô hình

hóa trễ bằng xích Markov Trường hợp không xác định được các

trạng thái Markov chưa được đề cập và cần phải nghiên cứu thêm

vùng tính toán điều khiển với mẫu đo về và vùng tính toán điều

khiển với giá trị ước lượng) tối ưu chưa được đề cập và cần phải

đầu tư nghiên cứu thêm

= Chiến lược lập lịch động với chu kỳ lẫy mẫu có thể thay đổi on-

line nhằm mở rộng “hạn chót” cho việc truyền thông điệp trong

trường hợp mạng quá tải ngăn hạn có thể cần được nghiên cứu

nhằm nâng cao chất lượng điều khiển Điều này đưa tới hướng

nghiên cứu mới nhằm phát triển các luật điều khiển thông minh

có sự kết hợp cả tham số điều khiển và truyền thông

GIỚI THIỆU CHUNG

Cơ sở lựa chọn đề tài

Sức ép của cạnh tranh trên thị trường đòi hỏi các hệ thống sản xuất phải

linh hoạt hơn, phải có khả năng mở rộng cả về vật lý cũng như các chức năng, phải có khả năng ứng dụng nhanh chóng những thành tựu mới của khoa học công nghệ để giảm chỉ phí, nâng cao chất lượng sản phẩm Các hệ thống truyền thông sử dụng bus truyền thông chung có thé dap

ứng được yêu cầu đó Tuy nhiên việc sử dụng hệ thống truyền thông bus chung thay thế cho phương pháp truyền thông điểm - điểm làm nảy

sinh những khó khăn mới đó là các trễ truyền thông giữa các sensor, cơ cấu chấp hành và bộ điều khiển Các thành phân trễ này làm giảm chất

lượng điều khiển, thậm chí gây ra sự mất ôn định của hệ thống, làm

hạn chế khả năng ứng dụng của các mạng truyền thông kỹ thuật số trong nhiều ứng dụng công nghiệp có yêu cầu cao về vấn đề đáp ứng

thoi gian thực

Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của trễ truyền thông trong hệ thống

điều khiển phân tán để nâng cao chất lượng điều khiển” được lựa chọn nhằm nghiên cứu phát triển phương pháp cải thiện chất lượng điều khiển, hạn chế các sai lệch điều khiển do ảnh hưởng của trễ truyền

thông, mở rộng khả năng ứng dụng của các hệ thống điều khiển phân tán sử dụng mạng truyền thông số và các hệ truyền động phân tán Phương pháp và nội dung nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu có sự kết hợp của các phương pháp sau:

e Nghiên cứu lý thuyết

e Nghiên cứu thống kê

e Mô phỏng và thực nghiệm

Nội dung của luận án bao gồm:

e Nghiên cứu tổng quan về điều khiển phân tán DCS (Distributed Control System) str dung mang truyền thông số và các vấn để tổn

tại của nó từ đó xác định nhiệm vụ, mục tiêu nghiên cứu của đề tài

e Nghiên cứu vẻ truyền thông và trễ truyền thông, đặc điểm của trễ

truyền thông và phương pháp mô hình hóa trễ truyền thông

e Nghiên cứu vẻ ảnh hưởng của trễ truyền thông trong hệ thống điều

khiển phân tán

e Nghiên cứu khắc phục ảnh hưởng trễ truyền thông để nâng cao chất

lượng của hệ thống điều khiển phân tán có ảnh hưởng của trễ truyền

thông

Luận án có đóng góp những điểm mới sau:

e Phát triển các phương trình giải tích khảo sát trễ truyền thông trong

mạng Ethernet công nghiệp sử dụng Switch làm cơ sở cho việc thiết

kế hệ thống mạng Ethernet công nghiệp sử dụng cho các ứng dụng

điều khiển

e Phát triển thêm mô hình hệ thống điều khiển với phương pháp lấy

mẫu tuân tự, phương pháp lấy mẫu phổ biến trong các hệ thống điều

khiển thực tế

e Phát triển bộ điều khiển đa chế độ với khâu ước lượng trạng thái sử

dụng lọc Kalman có hệ số lọc thay đổi làm cơ sở cho việc thiết kế

các bộ điều khiển sao cho hệ thống có khả năng vượt qua trạng thái

bão hòa tạm thời

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học của dé tai là phân tích ảnh hưởng của trễ truyền thông

tới chất lượng điều khiến trong các chế độ bão hòa và bão hòa tạm thời,

phát triển mô hình toán học của hệ thống điều khiển có trễ truyền thông

với các phương pháp lấy mẫu khác nhau và bộ điều khiển đa chế độ

nhăm khắc phục ảnh hưởng của hiện tượng bão hòa tạm thời Kết quả

nghiên cứu có thể sử dụng để phát triển các luật điều khiển nhằm nâng

cao chất lượng hệ thống, giảm tân suất xảy ra sự cố do tác động của trễ

truyền thông đồng thời mở rộng khả năng ứng dụng mạng truyền thông

kỹ thuật số và điều khiển phân tán cho các ứng dụng điều khiển truyền

động và điều khiển chuyển động

mạng không có nhiễu và không dùng để truyền thông tin sự kiện) Trên

mô hình thí nghiệm hệ thống có thể mở rộng giới hạn làm việc ôn định

từ tần số lấy mẫu 250Hz tới 400Hz và do vậy mở rộng khả năng ứng

dụng của hệ thống điều khiến

KÊT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ

Kết luận

Các kết quả nghiên cứu đưa tới các kết luận sau:

I Trễ truyền thông và tính bất định của trễ truyền thông là tổn tại

khách quan của các mạng truyền thông số và nó làm suy giảm chất lượng điều khiển trong hệ thống điều khiển sử dụng mạng truyền thông

kỹ thuật số Ảnh hưởng của trạng thái nghẽn mạng tạm thời là nguyên nhân chính làm hạn chế khả năng ứng dụng của hệ thống điều khiển sử dụng mạng trong nhiều ứng dụng công nghiệp nói chung, trong các hệ điều khiển truyền động nói riêng

2 Bộ điều khiển đa chế độ với khâu ước lượng dùng lọc Kalman cho

phép khắc phục ảnh hưởng của hiện tượng nghẽn mạng tạm thời và nâng cao chất lượng điều khiển Các khảo sát trên mô hình mô phỏng và thí nghiệm của hệ truyền động phân tán 2 trục cho kết quả tốt Trên mô

hình thực nghiệm đã đạt được các cái thiện như sau:

số ITAE với trường hợp sử dụng bộ điều khiển đa chế độ mới

tương ứng là 146 so với sử dụng bộ điều khiển thường là 244

= Giới hạn trên của tần số lấy mẫu được mở rộng từ 250Hz tới 400Hz với bộ điều khiến đa chế độ

= Biên độ của sai lệch quỹ đạo được cải thiện Tại chu kỳ lay mau 4ms biên độ sai lệch là trên 0,2rad khi sử dụng bộ điều khiển thông thường và là 0,05rad khi sử dụng bộ điều khiển đa chế độ ở

mô hình thực nghiệm

tT—®— +——`'——t——†—*—

¬ b) Chu ky lay mau 3ms, P(event)=3%, bộ

điều khiên thông thường

mai

điều khiễn thông thường điều khiến với khâu ước lượng Kaltman Hình 5-8 Sai lệch quỹ đạo trong các trường hợp sử dụng bộ điều khiển thông thường và

bộ điều khiển đa chế độ trên mô hình mô phỏng

Hình 5-12 Khảo sát tiêu chuẩn ITAE trong các trường hợp sử dụng bộ điều khiển đa chế

độ và bộ điều khiển thông thường trên mô hình thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng chất lượng điều khiển chung được

cải thiện, giới hạn trên của tần số lay mẫu được mở rộng, hệ thống có

thể làm việc ở những tần số lấy mẫu gần với trường hợp lý tưởng (khi

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ DIEU KHIEN PHAN TAN DUNG MANG

TRUYEN THONG SO

Chương 1 trình bày tổng quan vẻ hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất và điều khiển phân tán sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số,

phân tích các ưu điểm của việc ứng dụng các hệ điều khiển phân tán và

mạng truyền thông số trong sản xuất Qua đó thấy rõ được xu hướng

phát triển nổi bật của các hệ tự động hóa quá trình sản xuất là phân cấp

và phân tán quá trình tính toán điều khiển đồng thời có sự tích hợp mạng truyền thông số Trong chương này cũng đã phân tích đặc điểm

và tính chất của các đạng thông tin trong hệ tự động hóa quá trình sản

xuất và hệ thông điều khiển phân tán sử dụng mạng truyền thông số Một hướng ứng dụng mới của điều khiển phân tán là ứng dụng điều

khiển các hệ truyền động và chuyển động, làm ra đời các hệ điều khiển

truyền động phân tán (DDCS) Trễ truyền thông là cản trở chính cho việc ứng dụng điều khiển phân tán cho các ứng dụng đòi hỏi khắt khe

về tính thời gian thực như các hệ truyền động và chuyển động

Mục 1.3 của luận án trình bày về trễ trong hệ điều khiển phân tán và van đề nghiên cứu khắc phục ảnh hưởng của nó trong các hệ thông điều

khiển Trễ điều khiển trong các mạch vòng điều khiển thực hiện bằng hệ thống điều khiến phân tán bao gồm cả trễ tính toán và trễ truyền thông trong đó trễ truyền thông là thành phần chủ yếu trong việc tạo ra trễ điều khiển và nó còn mang tính bất định Sự chậm trễ nói chung, hoặc it

hoặc nhiều đều gây ra sự suy giảm chất lượng điều khiển Van dé nghiên cứu khắc phục ảnh hưởng của trễ truyền thông đã duoc dé cap nghiên cứu theo hai hướng chính là: 1) cải tiến thiết bị và giao thức truyền thông nhằm giảm trễ truyền thông và tính bất định của nó và 2) coi trễ truyền thông như tổn tại khách quan và phát triển các thuật toán

điều khiển khắc phục ảnh hưởng của nó Theo hướng thứ hai, vấn đề về phân tích thiết kế hệ thông điều khiển có trễ truyền thông đã được đề

cập nghiên cứu Tuy nhiên hệ thống chưa được xem xét đồng thời cả

dưới góc độ điều khiển và truyền thông, ảnh hưởng của trễ truyền thông

trong các trạng thái khác nhau, đặc biệt là trạng thái nghẽn mạng tạm

thời chưa được để cập nghiên cứu một cách hệ thông Để nâng cao chất

lượng điều khiến của các hệ thống điều khiển có trễ truyền thông, mở

rộng khả năng ứng dụng của các hệ truyền động phân tán đòi hỏi ta phải

đồng thời xem xét hệ thống dưới cả góc độ điều khiển và truyền thông

và nhiệm vụ nghiên cứu đặt ra với đề tài là:

thông trong các hệ thống mạng truyền thông phổ biến trong công

nghiệp Xác định nguyên nhân của trễ truyền thông là do đâu?

Đặc điểm của nó như thế nào và với trình độ khoa học công nghệ

hiện tại có thể loại bỏ được nó hay khéng?;

khiển Xác định các dạng ảnh hưởng khác nhau của trễ truyền

thông tới chất lượng điều khiển và nguyên nhân hạn chế phạm vi

ứng dụng của các hệ điều khiển phân tán sử dụng mạng

mẫu khác nhau Từ đó nghiên cứu phát triển các phương pháp

khắc phục ảnh hưởng của trễ truyền thông nhằm mục tiêu nâng

cao chất lượng điều khiển để mở rộng khả năng ứng dụng của

điều khiển phân tán và truyền động phân tán

Chương 2 MẠNG TRUYEN THONG TRONG HE DIEU KHIEN PHAN TAN

Chương 2 trình bày kiến trúc mạng trong hệ thống điều khiển phân tán

và một số giao thức mạng sử dụng phổ biến trong công nghiệp làm cơ

sở cho việc phân tích trễ truyền thông trong các chương tiếp theo

2.1 Kiến trúc của hệ thống mạng trong điều khiến phân tán

Về mặt kiến trúc mạng, hệ thống mạng truyền thông cho điều khiển dùng

để kết nối truyền tin giữa các thiết bị như sensor, cơ cấu chấp hành và các

bộ điều khiển nhăm đạt được mục tiêu là sử dụng ít dây dẫn và dễ đàng bảo

Với cách mô tả trạng thái của trễ như (5.23), ở phía bộ điều khiển ta CÓ:

We = Sa Va = SeXy + See Or (5.26)

và các hệ số lọc Kalman sẽ trở thành:

—l

F2 Ki = Py C"|CPy 7 Ch +R): T7 1, (5.28)

-1

1 klk * kee —- Saul ee cp ee + R,| CF &-H|k ? (5.30)

i R—| » X01 = E(x): Py 1 = Bayt):

5.3.5 Áp dụng cho điều khiến chuyển động nhiều trục sử dụng mạng CAN

Sử dụng hệ thống truyền động nhiêu trục điều khiến vị trí Mô hình hóa

hệ thống trên MATLAB/Simulink”*' và khảo sát hoạt động của mô hình

hệ thông điều khiển, so sánh đáp ứng điều khiến trong các trường hợp

sử dụng bộ điều khiển thông thường, bộ điều khiển hai chế độ sử dụng

mẫu cũ và bộ điều khiển hai chế độ với bộ lọc Kalman Hình 5-8 cho ta

kết quả mô phỏng so sánh sai lệch quỹ đạo chuyển động trong các trường hợp sử dụng và không sử dụng bộ ước lượng trạng thái Kết quả

cho thấy sai lệch điều khiển do hiện tượng bão hòa tạm thời đã được giảm thiểu một cách đáng kẻ Áp dụng bộ điều khiển hai chế độ với khâu ước lượng trạng thái sử dụng lọc Kalman cho mô hình thí nghiệm

hệ điều khiển truyền động hai trục XY điều khiến vị trí Kết qua khao

sát so sánh hai trường hợp sử dụng bộ điều khiển với khâu ước lượng

trạng thái bằng lọc Kalman và sử dụng bộ điều khiển thông thường cho

ta hình ảnh về chất lượng điều khiển với các tần sô lấy mẫu trên hình 5-

12

5.3.3 Bộ điều khiến với

Đối tượng |Y() tre diéu khién

sử dụng bộ lọc Kalman

với hăng số lọc thay đổi

Có thể nhận thấy với bộ

điều khiển nhiều chế độ thì

giá tri ƯỚC lượng chỉ có giá a) không sử dụng chức năng lọc nhiễu

Hình 5-6 Bộ điều khiển hai chế độ với khâu

ước lượng trạng thái bằng lọc Kalman

Bộ chọn

chế độ

trị trong chu kỳ điều khiển

tiếp sau Ta có thê lập lịch

để quá trình tính toán lọc Kalman được khởi động tại một thời điểm cô

định trong chu kỳ điều khiển dé dam bảo quá trình tính toán sẽ kết thúc

trong chu kỳ đó Như vậy có thể xảy ra các trường hợp sau:

e Mau toi trước thời điểm khởi động tính toán;

e - Mẫu tới sau thời điểm khởi động tính toán

Ở đây chúng ta phải giải quyết vấn đề tính toán lọc Kalman trong

trường hợp mẫu tới sau thời điểm khởi động tính toán Khi đó ta hoàn

toàn không có thông tin về đầu ra của quá trình và do vậy không thể

tính được thành phần hiệu chỉnh của bộ lọc Kalman Dé mé tả sự kiện

tới của mẫu so với thời điểm bắt đầu của quá trình tính toán bộ lọc

Kalman, Txatman (tinh tir dau chu ky diéu khién), ta định nghĩa một biến

ngẫu nhiên nhị phân s, dé biéu dién trang thai tré cla mau so voi thoi

điểm bắt đầu tính toán bộ lọc Kalman tương tự như s„ như sau:

Vv Ga = Taman

0; V(r > Taman

Ta có viết phuơng trình bộ lọc Kalman mới như sau:

trì hơn so với kiến trúc truyền thông điểm - điểm trong các hệ thống điều

khiển truyền thống Các thiết bị trong hệ thống điều khiển được nối vào

mạng có thê gồm các sensor thông minh, các cơ cầu chấp hành thông minh,

các bộ điều khiển mạng, các máy tính thực hiện chức năng vận hành và kỹ thuật

2.2 Giao thire mang (Network protocol) trong diéu khién phan tan

Hau hét cac giao thức mạng được xây dựng dựa trên chuẩn mô hình 7

lớp ISO/OSI (International Standards Organization/Open Systems

Interconnection) va su dung cung dang luogc đồ địa chỉ đầu/cuối Trong

luận án ba loại mang được sử dụng phổ biến trong công nghiệp với ba phương pháp truy nhập mạng điển hình là CSMA/CD, token passing và CSMA/AMP được phân tích

2.3 Đánh giá hiệu năng của mạng truyền thông Dưới góc độ điều khiển ta cần quan tâm tới hai điểm chính được tổng hợp từ các yếu tố trên là: trễ truyền thông và sự đảm bảo truyền tin

Chương 3 NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH CUA TRE TRUYEN THONG Chương này trình bày các phân tích, nghiên cứu về trễ truyền thông, các thành phần và nguyên nhân của nó Trên cơ sở đó tiến hành khảo sát cụ thể trễ truyền thông trong một số mạng truyền thông tiêu biểu trong công nghiệp Các trạng thái nghẽn mạng (bão hòa) và nghẽn mạng tạm thời cũng được đề cập

3.1 Trễ truyền thông và các thành phan của trễ truyền thông Trễ truyền thông được biểu diễn theo phương trình sau:

Trong d6 Teoma la tré truyén thong, 7;,, la trễ tiền xử lý, 7„„„ là thời gian đợi truyền tin, 7¡„ là thời gian truyén tin và 7»„„ là trễ xử lý trên nút nhận

Tyre 1a thoi gian cần thiết để thực hiện các tính toán, mã hóa dữ liệu

cần thiết trước khi truyền dữ liệu như thời gian tính toán kích thước dữ

liệu, phân chia dữ liệu, tính toán mã kiểm tra, mã hóa đữ liệu

—=——————————-——<———¬ poo

Chương trình ứng

dụng

Lớp ứng dụng

|

' Lớp liên kết dữ liệu

Lớp liên kết dữ liệu

Lớp vật lý Lớp vật lý

mMx=¬

nut mang A

Hình 3-1 Phân bố của các thành phần trễ truyền thông trong mô hình mạng OSI

Thời gian đợi ở nút truyền của thông điệp bao gồm thời gian đợi

trong hàng đợi và thời gian đợi giành quyên truyén tin Goi thoi gian

xếp hàng là 7„„„„„ và thời gian đợi giành quyên truyên tin là 7;„„ ta có:

Than — Í, queue + T piock (3.2)

Trễ trên đường mạng bao gồm độ dài của thông điệp (theo thời gian)

và thời gian truyền của tín hiệu trên phương tiện truyền thông Trễ trên

đường mạng được tính như sau:

Tré xw ly tai nut nhan, 7; post A thoi gian can thiét dé tién hanh giai ma

dữ liệu nhận được thành

Khởi tạo Nhận bít Nhận bít kết thúc truyền thứ nhất cuối cùng truyền

điều khiển altel ale hr

Ethernet la mạng kiểu băng hang muôn |

⁄ ' Hình 3-2 Lược đồ thời gian của quá trình

Khi s, = 0 b6 diéu khién sé lay gid tri w;., dé tinh toan gia tri diéu khiển thay cho w Trong bộ điều khiến sử dụng giá trị “0” với chế độ

lỗi thì giá trị “0” sẽ được sử dụng để thay thế cho w¿ khi s„ = 0

5.3.2 Lựa chọn chế độ trong

bộ điều khiến nhiều chế độ

Bộ lựa chọn chế độ làm

Đôi tượng

điều khiển

việc của bộ điều khiển sẽ lựa

chọn chế độ điều khiển luồng thông tin và chế độ lập lịch

Hình 5-4 Bộ điều khiển hai chế độ sử dụng

mẫu cũ

cho bộ điều khiển trong các

chế độ làm việc khác nhau

Việc điều khiển luéng thông

tin được thực hiện theo (5.17) Phương pháp lập lịch cải tiến nhằm thu được hiệu năng cao hơn là thực hiện việc tính toán điều khiển ngay khi mẫu tới bộ điều khiển trong chế độ bình thường hoặc là tại thời điểm 7„„a„ trong chế độ lỗi Có thể tính được xác suất của trễ truyền thông

lớn hơn giá trỊ 7„„„„ dựa vào mô hình Markov đã trình bày trong mục 4.2.2 như sau:

%, = /)) (6.22)

trong do q, la xac suất chuyển trạng thái của trễ từ trạng thái hiện tại

¡ sang trạng thái 7, P(77 > 7, leadline S, =f) là xác suất 77" > 7j„„„ của

trạng thái 7 và có thể tính được từ hàm phân bố xác suất cho trước

Dựa vào giá trị của P(7/7 >7„„„„) ta có thể đánh giá được 7¡” và đưa ra ước lượng chế độ của bộ điều khiển cho chu kỳ điều khiển hiện

tại Quá trình tính toán bộ lọc Kalman được thực hiện ngay sau khi kết

thúc tính toán điều khiến và khi mẫu tới bộ điều khiển

QTCN

Daulvao CCCH

Hình 5-3 Biểu đồ thời gian của hệ thống không đồng bộ thời điểm lấy mẫu

w, =C®,_¡x( —DT +6,_¡)+ CT2, ¡+CTjy,¿ — 9)

5.3 Khắc phục ảnh hưởng của nghẽn mạng tạm thời bằng bộ điều

khiến nhiều chế độ

5.3.1 Bộ điều khiến nhiều chế độ

Dưới góc độ của điều khiển thì trễ truyền thông nếu vượt qua thời hạn

cho phép để tính toán điều khiển (không đảm bảo yêu cầu về hạn chót)

có thê được coi như là đữ liệu bị mất Để khắc phục tình trạng này là ta

sẽ phát triển bộ điều khiển với hai chế độ làm việc: 1)chế độ bình

thường và 2)chế độ lỗi Trong chế độ lỗi ta sẽ thực hiện việc bỏ qua dữ

liệu của mẫu đến chậm hoặc bị mắt và thay vào đó giá trị “0”, mẫu cũ

hoặc giá trị mong đợi Hình 5-4 là bộ điều khiển hai chế độ sử dụng

mẫu cũ Để chuyển chế độ ta sử dụng một khối lựa chọn chế độ Khối

này thực hiện việc so sánh thời điểm w¿ tới bộ điều khiển và hạn chót

cho phép, 7 eadtine, theo luat sau:

vào kênh truyền dẫn mà không qua diéu bién Ethernet str dung thuat toan doi thir lai BEB (Binary Exponential Backoff) nén ta cé thé tinh ky

vong toan cua thoi gian doi truyén cos) Vaca - 7"

lại của lần xung đột thứ & tương ứng

°

EAT, }=)9,P'P k=1,2, 15

(3.16)

và do đó kỳ vọng toán của thời gian đợi giành quyên truyền tin là:

l6

ET stock f — DELL, } + Tresia

k=0 với 7„„¿ là thời gian đợi nút mạng đang truyền kết thúc truyền tin và

mạng trở về trạng thái sẵn sàng

Mang Ethernet str dung Switch là

` Hinh 3-4 Cau hinh mang chuyén mach

mạch gói có trạm truyên tin trung hoàn toàn sử dụng Switch

tâm sử dụng phương thức chuyển mạch gói nên việc truyền tín hiệu giữa hai nút mạng không phải là trực tiếp mà thông qua trạm chủ truyền tin trung tâm — LAN Switch Từ hoạt động của các LAN Swiích ta có các trường hợp sau của hệ thống mang:

I._ Bộ đệm đầu ra và bộ đệm đầu vào không bao giờ đây:

3 Bộ đệm đầu ra không bao giờ day và bộ đệm đầu vào day;

4 Bộ đệm đầu vào và bộ đệm đầu ra cùng đây

Thuật toán BEB và tính ngẫu nhiên của việc xuất hiện các thông

điệp khác nhau trên mạng làm cho 7;„„„ mang tính ngẫu nhiên va nó góp phân chính vào việc tạo nên tính ngẫu nhiên của trễ truyền thông

trên mạng Ethernet với cấu hình truyền thống, đặc biệt khi số lượng nút

mạng lớn và khi lưu lượng truyền thông lớn

3.3 Trễ truyền thông trong mạng CAN

Theo hoạt động của phương pháp truy nhập mạng CSMA/AMP thì thời

gian đợi giành quyền truyên tin của một nút mạng bất kỳ bao gồm việc

đợi nút mạng đang truyền tin kết thúc việc truyén tin va thoi gian doi tat

cả các nút mạng có mức ưu tiên cao hơn hoàn tat việc truyén tin

Tstock = Lpesia + » Đua — 1 im

JEN ip 1,

Tỷ ix (3.52)

trong đó 7;„„„ là thời gian cần thiết còn lại phải đợi nút đang truyền

tin kết thúc truyền tin, N¿„ là tập các nút mạng có mức ưu tiên cao hơn

nút mạng đang đợi truyền tin, |x] là phép làm tròn lên, có nghĩa |x] la

số nguyên nhỏ nhất lớn hơn hoặc băng x,„./, là Jitter của tác vụ /,7;„ là độ

đài của một bit và 7; là chu kỳ của nút 7

Khi làm việc trong môi trường có nhiễu lớn, nhiều khả năng xảy ra lỗi

do hiện tượng tín hiệu truyền bị tác động bởi nhiễu và ta phải thực hiện

việc truyên lại Khi thực hiện truyền lại thì trễ trên đường mạng đối với

thông điệp m bát kỳ sẽ là:

i=l

trong đó z„„ là số lần truyền lại của thông điệp m và Hạ ; là thời gian

giữa lần truyền thứ ¡ và thứ 7-7 của thông điệp mm Thời gian giữa hai lần

truyền liên tiếp trong khi thực hiện việc truyền lại sẽ năm trong khoảng

[Jbm Tpn T Tzme]| VớI T„„ là khoảng thời gian kế từ khi phát hiện ra lỗi

tới khi bắt đầu thực hiện việc truyền lại được gọi là thời g1an phục hồi

Ta có thể tính được thời gian chiếm đường truyền tối đa là:

= | N sup FAT + 8X N gata |Loit ‘ata

(3.58) trong đó: 7'

rame

QTCN

A

ft

"i

âu vào bộ điều khiế

A

A Daura bổ điều khiển

Hình 5-2 Biểu đồ thời gian của hệ thống đồng bộ thời điểm lấy mau

5.2.2 Không đồng bộ thời điểm lẫy mẫu Trong hệ thống điều khiển với thời điểm lấy mẫu không đồng bộ mỗi cơ cau đo sẽ thực việc lay mẫu tại một thời điểm riêng biệt, thường là thời điểm trước khi nó thực hiện việc truyền thông Chính xác là hệ thống có thời điểm lay mẫu tuần tự Khác với hệ thống đồng bộ thời điểm lay mẫu, thời điểm lấy mẫu trong trường hợp này nằm giữa khoảng chu kỳ

lây mẫu của bộ điều khiển Do vậy ta cần tính các biến trạng thái ở

khoảng giữa của chu kỳ lấy mẫu

x((+ D7 +,.¡)=®,x(KT +6,)+ Ty ¡ TY, (5.7)

a 0 A(T+6,,,—0,—s 1 A(T—6,+0,.,—s

voi, TW = J oT iF ldsB TO = ƒ cAf—9% tua S9) Tin

0.47755 +7" 0,

— „4Œ—8,+6,_ 1)

©, =e