Phương pháp nâng cao chất lượng truyền thông tin thời gian thực trong các hệ thống điều khiển phân tán

1. Tính cấp thiết của Luận án Tốc độ phát triển nhanh chóng của công nghệ vi điện tử, kỹ thuật truyền thông và công nghệ phần mềm trong những năm gần đây đã tạo sự chuyển biến cơ bản trong hướng đi cho các giải pháp điện tử và tự động hóa công nghiệp hiện đại. Xu hướng phân tán, mềm hóa và chuẩn hóa là ba trong nhiều điểm đặc trưng cho sự thay đổi này. Những xu hướng mới đó không nằm ngoài mục đích giảm giá thành giải pháp và nâng cao chất lượng hệ thống. Sự ứng dụng rộng rãi các hệ thống mạng truyền thông kỹ thuật số, đặc biệt là các hệ thống bus trường là một ví dụ tiêu biểu. Các hệ thống điều khiển phân tán (tên tiếng anh là Distributed Control System, viết tắt là DCS) cũng như công nghệ bus trường không phải là một lĩnh vực kỹ thuật hoàn toàn mới, mà đã được áp dụng trong công nghiệp từ những năm 90 của thế kỷ 20. Nhưng mãi đến năm 2005 IFAC mới chính thức thành lập một ủy ban kỹ thuật lấy tên là hệ thống điều khiển qua mạng (tên tiếng anh là Networked Control Systems, viết tắt là NCS). Mục tiêu chính của phân tích và thiết kế NCS là để sử dụng và khai thác có hiệu quả những lợi thế của mạng truyền thông số (thuộc về cộng đồng mạng), trong khi đó vẫn đảm bảo và duy trì tốt chất lượng của hệ thống điều khiển vòng kín (thuộc về cộng đồng điều khiển). Với một tình thế cạnh tranh và toàn cầu hóa như hiện nay, ngay cả các tập đoàn công nghệ điện tử và tự động hóa có tên tuổi cũng phải tự tiến hóa và thay đổi tư duy về giải pháp tích hợp hệ thống. Vì vậy, có thể nói NCS ra đời đã làm thay đổi hẳn tư duy về phân tích, thiết kế và tích hợp hệ thống đối với cộng đồng điều khiển và cộng đồng mạng truyền thông, mà trước đây hai lĩnh vực này thường được nghiên cứu độc lập với nhau vì lý do kỹ thuật. Ưu thế của NCS không chỉ nằm ở phương diện kỹ thuật mà còn ở khía cạnh hiệu quả kinh tế. Chính vì vậy nghiên cứu về NCS là một lĩnh vực mới, một xu hướng chính đang thu hút sự quan tâm đặc biệt lớn trong cộng đồng nghiên cứu ngày nay. Đây là một vấn đề cấp thiết, có tính thời sự và ứng dụng cao trong thực tế, có độ phức tạp lớn và đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu đa ngành gồm: tự động hóa, khoa học máy tính (chủ yếu là lập lịch tác vụ) và mạng truyền thông (chủ yếu là lập lịch thông điệp và các giao thức truyền thông) [33], [39], [51], [55]. Với sự xuất hiện của NCS sử dụng bus truyền thông chung đã khắc phục được những hạn chế của phương pháp truyền thông truyền thống là điểm – điểm nhờ một số ưu điểm nổi trội như sau:  Thực hiện cài đặt đơn giản, tiết kiệm được chi phí do số lượng dây dẫn ít, thậm chí không cần dây dẫn trong các mạng điều khiển không dây.  Nâng cao hiệu suất, độ tin cậy và tính linh hoạt (mềm dẻo) của hệ thống: có thể dễ dàng thêm hoặc bớt một hay nhiều nút mạng và các thành phần khác của hệ thống mà không cần phải cấu hình lại hệ thống.  Giảm chi phí, thời gian lắp đặt, nâng cấp cũng như bảo trì, dễ dàng trong chuẩn đoán.  Cho phép thực thi các hệ thống phân tán phức tạp theo cả chiều ngang (phối hợp ngang hàng giữa cảm biến, cơ cấu chấp hành, bộ điều khiển) và theo chiều dọc (cấp giám sát, cấu hình lại), đó là những nhân tố quan trọng trong giải pháp điện tử công nghiệp và tự động hóa các quá trình sản xuất.  Hiệu suất sử dụng băng thông và chất lượng dịch vụ tăng, chi phí t ính toán và truyền thông giảm.  Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới trong lĩnh vực điện tử công nghiệp. Với những ưu điểm nổi trội như trên, ngày nay NCS đã được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp Ôtô, điện tử công nghiệp, các hệ thống nhúng có nối mạng, quân sự, máy bay, rôbốt; các hệ thống nhiệt, thông gió, điều hòa không khí, tự động hóa quá trình sản xuất [39]. Tuy nhiên, việc thêm vào hệ thống điều khiển vòng kín một mạng truyền thông chung làm cho các phân tích, thiết kế và tổng hợp của NCS trở nên phức tạp và có nhiều thách thức hơn. Các lý thuyết điều khiển cổ điển với nhiều giả thiết lý tưởng cần được xem xét và phân tích lại trước khi áp dụng vào NCS [59]. Do các thành phần cơ bản của hệ thống gồm bộ cảm biến, bộ điều khiển, cơ cấu chấp hành trao đổi thông tin với nhau thông qua mạng truyền thông chung, nên ngoài các ưu điểm đã nêu ở trên thì NCS cũng còn một số tồn tại mà ngày nay cộng đồng nghiên cứu đang tìm cách giải quyết, cụ thể là:  Chia sẻ tài nguyên giữa các ứng dụng bị hạn chế gồm tài nguyên tính toán (CPU, bộ nhớ, v.v.) và tài nguyên đường truyền (truy nhập đường truyền, băng thông, v.v.) dẫn đến sự tranh chấp giữa các thành phần khác nhau trong hệ thống. Việc chia sẻ nguồn tài nguyên nảy sinh những vấn đề mới mà các nhà nghiên cứu đã và đang tập trung giải quyết, một số vấn đề chính đó là: thời gian trễ (trễ tính toán và trễ truyền thông), tần số lấy mẫu, lập lịch tác vụ (giải quyết vấn đề xung đột bộ nhớ và xung đột sử dụng CPU), lập lịch thông điệp (giải quyết vấn đề xung đột truy nhập đường truyền) [20], [23], [48], [62].  Việc sử dụng mạng truyền thông chung làm nảy sinh những khó khăn mới đó là trễ truyền thông. Trễ truyền thông (trễ từ bộ cảm biến tới bộ điều khiển và từ bộ điều khiển tới cơ cấu chấp hành) xảy ra khi các thành phần cơ bản của hệ thống gồm bộ cảm biến, bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành trao đổi thông tin với nhau thông qua mạng truyền thông chung. Trễ truyền thông sinh ra là chủ yếu từ các giao thức mạng sử dụng trong NCS. Trễ truyền thông này có thể là không đổi hoặc thay đổi, thậm chí là ngẫu nhiên và mang tính bất định cao, làm giảm chất lượng của hệ thống điều khiển, làm méo tín hiệu, thậm chí gây ra sự mất ổn định của hệ thống [15], [29], [32], [38], [39]. Đề tài “Phương pháp nâng cao chất lượng truyền thông tin thời gian thực trong các hệ thống điều khiển phân tán” được lựa chọn nhằm nâng cao đồng thời cả chất lượng dịch vụ (thuộc về cộng đồng mạng) và chất lượng điều khiển (thuộc về cộng đồng điều khiển) cho NCS với mong muốn khắc phục một số vấn đề còn tồn tại trong NCS mà ngày nay các nhà nghiên cứu đang tìm cách giải quyết, đồng thời mở ra một hướng nghiên cứu tích hợp mới và có độ phức tạp cao ở Việt Nam gồm các lĩnh vực: tự động hóa, khoa học máy tính và mạng truyền thông. Đây cũng là cơ sở để tác giả lựa chọn nội dung nghiên cứu của bản Luận án này. 2. Mục đích nghiên cứu của Luận án Từ những vấn đề cấp thiết đã trình bày ở trên, mục đích nghiên cứu của Luận án sẽ tập trung giải quyết một số nội dung khoa học chính như sau:  Đề xuất và giải quyết vấn đề truy nhập đường truyền của các nút mạng cho NCS nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ (Quality of Service, QoS), từ đó nâng cao chất lượng điều khiển (Quality of Control, QoC).  Đề xuất mô hình giải tích khảo sát trễ truyền thông cho NCS, sau đó sử dụng phương pháp thiết kế đặt điểm cực để bù với trễ truyền thông này nhằm nâng cao QoC.  Đề xuất và giải quyết vấn đề đồng thiết kế (co-design) giữa hệ thống điều khiển tự động (xem xét vấn đề bù trễ truyền thông) và mạng truyền thông (xem xét vấn đề lập lịch thông điệp truy nhập đường truyền của các nút mạng) nhằm nâng cao đồng thời cả QoS và QoC với mong muốn có được một NCS hiệu quả hơn. Các giải pháp đề xuất nêu trên đều có chung mục đích là khắc phục tối đa các vấn đề còn tồn tại trong NCS đó là: lập lịch thông điệp truy nhập đường truyền của các nút mạng, bù trễ truyền thông, cuối cùng là đồng thiết kế giữa hệ thống mạng truyền thông (liên quan đến lập lịch thông điệp) và hệ thống điều khiển (liên quan đến bù trễ truyền thông). ng và phm vi nghiên cu ca Lun án

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Văn Khang

HÀ NỘI - 2015

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Văn Khang Luận án là một công trình lao động nghiên túc, các

số liệu và kết quả trong Luận án hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào

Người cam đoan

Nguyễn Trọng Các

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Bộ môn Điện tử và Kỹ thuật máy tính - Viện Điện tử Viễn thông và các Thầy cô giáo trong LAB 618 – Thư viện Tạ Quang Bửu đã hướng dẫn và trao đổi rất giá trị về chuyên môn trong các buổi seminar

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới Ban giám hiệu Trường Đại học Sao Đỏ đã tạo mọi điều kiện cả về vật chất lẫn tinh thần để hỗ trợ tôi trong thời gian đi làm nghiên cứu sinh và đóng góp những ý kiến quí báu về mặt chuyên môn trong quá trình thực hiện đề tài Luận án

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo phản biện, các thầy cô giáo trong hội đồng chấm Luận án, các nhà khoa học đã giành thời gian đọc và đóng góp ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh Luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai Tôi xin chân thành cảm ơn Hội nghiên cứu sinh của Viện điện tử Viễn thông và các bạn bè thân thiết trong LAB 618, những người đã luôn ở bên cạnh, ủng hộ, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm nghiên cứu sinh Tôi xin chúc các anh, chị, em may mắn và thành đạt trên con đường nghiên cứu khoa học trong tương lai

Cuối cùng, tôi dành những lời yêu thương nhất đến gia đình tôi: bố mẹ, các anh chị và đặc biệt là vợ và con trai tôi Sự động viên, giúp đỡ và sự hy sinh, nhẫn nại của họ là động lực mạnh mẽ giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành Luận án này

Xin chân thành cảm ơn !

Tác giả

Nguyễn Trọng Các

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT i

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ iii

DANH MỤC CÁC BẢNG v

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của Luận án 1

2 Mục đích nghiên cứu của Luận án 3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của Luận án 3

4 Nội dung nghiên cứu của Luận án 4

5 Phương pháp nghiên cứu của Luận án 5

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án 5

7 Các kết quả mới sẽ đạt được của Luận án 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUA MẠNG (NCS) 8

1.1 Giới thiệu chung về hệ thống điều khiển qua mạng (NCS) 8

1.1.1 Khái niệm về NCS 8

1.1.2 Sự hình thành và phát triển của NCS 9

1.1.3 Ảnh hưởng của chu kỳ lấy mẫu đối với NCS 11

1.1.4 Ảnh hưởng của trễ truyền thông đối với NCS 13

1.1.5 Lập lịch trong NCS 14

1.2 Nhắc lại một số vấn đề cơ bản về hệ thống điều khiển truyền thống 15

1.2.1 Điểm cực vòng kín 15

1.2.2 Phân tích sự ổn định của hệ thống điều khiển vòng kín 17

1.2.3 Phân tích đáp ứng của hệ thống điều khiển vòng kín 17

1.2.4 Đánh giá chất lượng điều khiển của hệ thống điều khiển vòng kín 18

1.3 Phân tích những vấn đề cơ bản về hệ thống điều khiển bằng máy tính 19

1.4 Phân tích những vấn đề cơ bản về phương pháp truy nhập bus trong mạng truyền thông 21

1.4.1 Đặt vấn đề 21

1.4.2 Phương pháp truy nhập bus 22

1.5 Tổng quan về mạng CAN 28

1.5.1 Đặt vấn đề 28

1.5.2 Giao thức điều khiển truy nhập đường truyền của mạng CAN 28

1.5.3 Khảo sát một số công trình nghiên cứu về mạng CAN 30

1.6 Đề xuất hướng nghiên cứu của tác giả 31

1.7 Kết luận Chương 1 32

CHƯƠNG 2: GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP ĐƯỜNG TRUYỀN SỬ DỤNG SÁCH LƯỢC ƯU TIÊN LAI CHO CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUA MẠNG CAN 33

2.1 Đặt vấn đề 33

2.2 Giao thức MAC với các sách lược ưu tiên khác nhau 33

2.2.1 Giao thức MAC với sách lược ưu tiên tĩnh 33

2.2.2 Giao thức MAC với sách lược ưu tiên lai 36

2.3 Các vấn đề thực thi ứng dụng điều khiển quá trình trên mạng truyền thông 40

2.3.1 Sơ đồ cấu trúc 40

2.3.2 Trễ truyền thông 41

2.3.3 Chọn chu kỳ lấy mẫu 41

2.3.4 Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng điều khiển 42

2.3.5 Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng dịch vụ 42

2.3.6 Điều kiện thực thi trên mạng CAN 42

2.4 Thực thi ứng dụng điều khiển quá trình sử dụng mô hình hàm truyền đạt và mô hình không gian trạng thái 43

2.4.1 Thực thi ứng dụng điều khiển sử dụng mô hình hàm truyền đạt 44

2.4.2 Thực thi ứng dụng điều khiển sử dụng mô hình không gian trạng thái 46

2.5 Đánh giá kết quả 48

2.5.1 Đánh giá kết quả với mô hình hàm truyền đạt 48

2.5.2 Đánh giá kết quả với mô hình không gian trạng thái 52

2.6 Kết luận Chương 2 54

CHƯƠNG 3: BÙ TRỄ TRUYỀN THÔNG 55

3.1 Đặt vấn đề 55

3.2 Bù trễ sử dụng phương pháp thiết kế đặt điểm cực 55

3.2.1 Ý tưởng chung 56

3.2.2 Trễ truyền thông 57

3.2.3 Tính toán trễ truyền thông 57

3.2.4 Các bước tiến hành bù trễ 57

3.2.5 Sơ đồ thực thi bù trễ truyền thông trên mạng CAN 58

3.3 Thực thi ứng dụng điều khiển quá trình sử dụng mô hình hàm truyền đạt 59

3.3.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển vòng kín 59

3.3.2 Phân tích thiết kế đặt cực 60

3.3.3 Phân tích và đánh giá sự hợp lý khi thực hiện bù trễ theo phương pháp thiết kế đặt điểm cực 64

3.3.4 Thực thi ứng dụng điều khiển quá trình qua mạng CAN 66

3.4 Thực thi ứng dụng điều khiển quá trình sử dụng mô hình không gian trạng thái 68

3.4.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển 68

3.4.2 Phân tích thiết kế đặt điểm cực 71

3.4.3 Phân tích và đánh giá sự hợp lý khi thực hiện bù trễ theo phương pháp thiết kế đặt điểm cực 72

3.4.4 Thực thi ứng dụng điều khiển quá trình qua mạng CAN 74

3.5 Kết luận Chương 3 75

CHƯƠNG 4: ĐỒNG THIẾT KẾ GIỮA LẬP LỊCH THÔNG ĐIỆP VÀ BÙ TRỄ TRUYỀN THÔNG 77

4.1 Đặt vấn đề 77

4.2 Phân tích các nghiên cứu liên quan đến đồng thiết kế giữa lập lịch thông điệp và bù trễ truyền thông 77

4.3 Đề xuất thực thi đồng thiết kế giữa lập lịch thông điệp và bù trễ truyền thông 80

4.4 Thực thi ứng dụng điều khiển quá trình sử dụng mô hình hàm truyền đạt 81

4.4.1 Thiết lập sơ đồ mô phỏng 81

4.4.2 Đánh giá kết quả với mô hình hàm truyền đạt 82

4.5 Thực thi ứng dụng điều khiển quá trình sử dụng mô hình không gian trạng thái 85

4.5.1 Thiết lập sơ đồ mô phỏng 85

4.5.2 Đánh giá kết quả với mô hình không gian trạng thái 87

4.6 Kết luận Chương 4 88

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 90

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 92

TÀI LIỆU THAM KHẢO 93

PHỤ LỤC 98

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt Từ tiếng Anh đầy đủ Nghĩa tiếng Việt

ADS Asynchronous Dynamical System Hệ thống động không đồng bộ

ASIC Application-Specific Integrated

CAN Controller Area Network Mạng khu vực điều khiển

CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm biến sóng mang CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access

with Collision Detection

Đa truy nhập cảm biến sóng mang/ phát hiện xung đột

CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access

with Collision Avoidance

Đa truy nhập cảm biến sóng mang/ tránh xung đột

CSMA/AMP Carrier Sense Multiple Access

with Arbitration Message Priority

Đa truy nhập cảm biến sóng mang/ phân xử ưu tiên thông điệp

CRC Cyclic Redundancy Check Trường kiểm tra lỗi

DCS Distributed Control System Hệ thống điều khiển phân tán DDC Direct Digital Control Điều khiển số trực tiếp

EDF Earliest Deadline First Hạn chót sớm nhất đầu tiên

ISO International Standard

IAE Integral of the Absolute

Magnitude of the Error

Tiêu chuẩn tích phân giá trị tuyệt đối của sai lệch

ISE Integral of the Square of the Error Tiêu chuẩn tích phân bình phương

của sai lệch

ITAE Integral of Time multiplied by the

Absolute Value of the Error

Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị tuyệt đối của sai lệch

ITSE Integral of Time multiplied by the

Square of the Error

Tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và bình phương của sai lệch

LSB Least Significant Bit Bit có chỉ số thấp nhất

LMI Linear Matrix Inequalities Bất đẳng thức ma trận tuyến tính

Chữ viết tắt Từ tiếng Anh đầy đủ Nghĩa tiếng Việt

LQG Linear Quadratic Gaussian Chuẩn toàn phương tuyến tính

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập đường truyền MIMO Multiple Input – Multiple Output Nhiều đầu vào – nhiều đầu ra

MTS Mixed Traffic Scheduler Lập lịch lưu thông hỗn hợp

MJLS Markovian Jump Linear Systems Hệ thống tuyến tính bước nhảy

Markov MEF-TOD Maximum Error First with Try On

OSI Open System Interconnect Kết nối hệ thống mở

SISO Single Input – Single Output Một đầu vào – một đầu ra

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia thời gian

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc của các hệ thống điều khiển [49] .9

Hình 1.2 Trình tự thời gian của các hệ thống điều khiển [33] 10

Hình 1.3 Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của chu kỳ lấy mẫu đến chất lượng của các hệ thống điều khiển [16] 12

Hình 1.4 Mô hình hệ thống điều khiển vòng kín có tích hợp mạng truyền thông 13

Hình 1.5 Đồ thị đáp ứng thời gian với các giá trị trễ khác nhau 14

Hình 1.6 Đồ thị đáp ứng đầu ra tương ứng với vị trí điểm cực trong mặt phẳng phức [18] 16

Hình 1.7 Đáp ứng thời gian của hệ thống tuyến tính bậc hai (đầu vào là hàm đơn vị) [6] 17 Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống điều khiển vòng kín [52] 18

Hình 1.9 Sơ đồ thể hiện sai lệch của hệ thống điều khiển vòng kín 19

Hình 1.10 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển bằng máy tính [35] 20

Hình 1.11 Phân loại các phương pháp truy nhập bus [1] 22

Hình 1.12 Cấu trúc định dạng khung truy nhập của mạng CAN [53] 29

Hình 1.13 Cơ chế phân xử truy nhập đường truyền của mạng CAN 29

Hình 2.1 Thứ tự truy nhập trường truyền của các nút mạng sử dụng sách lược ưu tiên tĩnh 34

Hình 2.2 Thứ tự truy nhập đường truyền khác nhau của các luồng dữ liệu 35

Hình 2.3 Thứ tự truy nhập trường truyền của các nút mạng sử dụng sách lược ưu tiên lai 36

Hình 2.4 Cấu trúc của trường ID sử dụng sách lược ưu tiên lai 37

Hình 2.5 Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa e, u và Prio_dyn 38

Hình 2.6 Sơ đồ thực thi sách lược ưu tiên lai 39

Hình 2.7 Sơ đồ thực thi ứng dụng điều khiển quá trình qua mạng truyền thông 41

Hình 2.8 Sơ đồ thiết lập mô phỏng với 8 ứng dụng điều khiển quá trình 43

Hình 2.9 Sơ đồ hệ thống điều khiển liên tục không nối mạng truyền thông 44

Hình 2.10 Đồ thị đáp ứng thời gian của hệ rời rạc không nối mạng 46

Hình 2.11 Sơ đồ cấu trúc con lắc ngược gắn trên một xe đẩy 47

Hình 2.12 Đồ thị đáp ứng thời gian của hệ rời rạc không nối mạng 48

Hình 2.13 Đồ thị so sánh QoS của 8 ứng dụng điều khiển quá trình (bài toán sử dụng mô hình hàm truyền đạt) 49

Hình 2.14 Lập lịch thông điệp của các nút mạng trong 10 chu kỳ lấy mẫu đầu tiên 50

Hình 2.15 Đồ thị so sánh QoC của 8 ứng dụng điều khiển quá trình (bài toán sử dụng mô hình hàm truyền đạt) 51

Hình 2.16 Đồ thị đáp ứng thời gian thực thi với các sách lược ưu tiên khác nhau trên mạng CAN (bài toán sử dụng mô hình hàm truyền đạt) 51

Hình 2.17 Đồ thị so sánh QoS của 8 ứng dụng điều khiển quá trình (bài toán sử dụng mô

hình không gian trạng thái) 53

Hình 2.18 Đồ thị đáp ứng thời gian thực thi với các sách lược ưu tiên khác nhau trên mạng CAN (bài toán sử dụng mô hình không gian trạng thái) 53

Hình 3.1 Đồ thị thể hiện vùng của các điểm cực trong mặt phẳng s [6] 56

Hình 3.2 Sơ đồ thực thi bù trễ truyền thông 58

Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển vòng kín khi không nối mạng truyền thông.59 Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển vòng kín với các thành phần trễ truyền thông 60

Hình 3.5 Đồ thị so sánh QoC khi thực hiện bù trễ theo phương pháp thiết kế đặt điểm cực (bài toán sử dụng mô hình hàm truyền đạt) 65

Hình 3.6 Code thực thi bù trễ đối với bài toán sử dụng mô hình hàm truyền đạt 66

Hình 3.7 Đồ thị so sánh QoC của 8 ứng dụng điều khiển quá trình 67

Hình 3.8 Đồ thị đáp ứng thời gian thực thi với 8 ứng dụng điều khiển quá trình (bài toán sử dụng mô hình hàm truyền đạt) 67

Hình 3.9 Đồ thị so sánh QoC khi thực hiện bù trễ theo phương pháp thiết kế đặt điểm cực (bài toán sử dụng mô hình không gian trạng thái) 73

Hình 3.10 Code thực thi bù trễ đối với bài toán sử dụng mô hình không gian trạng thái 74

Hình 3.11 Đồ thị đáp ứng thời gian thực thi với 8 ứng dụng điều khiển quá trình (bài toán sử dụng mô hình không gian trạng thái) 75

Hình 4.1 Đồ thị biểu diễn hàm lợi ích trong các ứng dụng thời gian thực 78

Hình 4.2 Sơ đồ thực thi đồng thiết kế giữa lập lịch thông điệp và bù trễ truyền thông 80

Hình 4.3 Mô hình mô phỏng hệ thống sử dụng TrueTime Toolbox 81

Hình 4.4 Đồ thị so sánh QoC của 8 ứng dụng điều khiển quá trình 83

Hình 4.5 Đồ thị đáp ứng thời gian (zoom) của 8 ứng dụng điều khiển quá trình khi không thực hiện đồng thiết kế (bài toán sử dụng mô hình hàm truyền đạt) 84

Hình 4.6 Đồ thị đáp ứng thời gian (zoom) của 8 ứng dụng điều khiển quá trình khi thực hiện đồng thiết kế (bài toán sử dụng mô hình hàm truyền đạt) 84

Hình 4.7 Mô hình mô phỏng hệ thống sử dụng TrueTime Toolbox 86

Hình 4.8 Đồ thị đáp ứng thời gian của 8 ứng dụng điều khiển quá trình khi không thực hiện đồng thiết kế (bài toán sử dụng mô hình không gian trạng thái) 88

Hình 4.9 Đồ thị đáp ứng thời gian của 8 ứng dụng điều khiển quá trình khi thực hiện đồng thiết kế (bài toán sử dụng mô hình không gian trạng thái) 88

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 QoS thực thi với 8 ứng dụng điều khiển quá trình (bài toán sử dụng mô hình hàm

truyền đạt) 49

Bảng 2.2 QoC thực thi với 8 ứng dụng điều khiển quá trình (bài toán sử dụng mô hình hàm truyền đạt) 51

Bảng 2.3 QoS thực thi với 8 ứng dụng điều khiển quá trình (bài toán sử dụng mô hình không gian trạng thái) 52

Bảng 3.1 Thực thi ứng dụng với mô hình hàm truyền đạt khi không bù trễ 64

Bảng 3.2 Thực thi ứng dụng với mô hình hàm truyền đạt khi bù trễ 64

Bảng 3.3 QoC thực thi với 8 ứng dụng điều khiển quá trình 66

Bảng 3.4 Đánh giá sự ổn định của mô hình không gian trạng thái với trễ 72

Bảng 3.5 Thực thi ứng dụng với mô hình không gian trạng thái khi không bù trễ 73

Bảng 3.6 Thực thi ứng dụng với mô hình không gian trạng thái khi bù trễ 73

Bảng 4.1 QoC thực thi với 8 ứng dụng điều khiển quá trình 83

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của Luận án

Tốc độ phát triển nhanh chóng của công nghệ vi điện tử, kỹ thuật truyền thông và công nghệ phần mềm trong những năm gần đây đã tạo sự chuyển biến cơ bản trong hướng

đi cho các giải pháp điện tử và tự động hóa công nghiệp hiện đại Xu hướng phân tán, mềm hóa và chuẩn hóa là ba trong nhiều điểm đặc trưng cho sự thay đổi này Những xu hướng mới đó không nằm ngoài mục đích giảm giá thành giải pháp và nâng cao chất lượng hệ thống Sự ứng dụng rộng rãi các hệ thống mạng truyền thông kỹ thuật số, đặc biệt là các hệ thống bus trường là một ví dụ tiêu biểu

Các hệ thống điều khiển phân tán (tên tiếng anh là Distributed Control System, viết tắt là DCS) cũng như công nghệ bus trường không phải là một lĩnh vực kỹ thuật hoàn toàn mới, mà đã được áp dụng trong công nghiệp từ những năm 90 của thế kỷ 20 Nhưng mãi

đến năm 2005 IFAC mới chính thức thành lập một ủy ban kỹ thuật lấy tên là hệ thống điều khiển qua mạng (tên tiếng anh là Networked Control Systems, viết tắt là NCS) Mục tiêu

chính của phân tích và thiết kế NCS là để sử dụng và khai thác có hiệu quả những lợi thế của mạng truyền thông số (thuộc về cộng đồng mạng), trong khi đó vẫn đảm bảo và duy trì tốt chất lượng của hệ thống điều khiển vòng kín (thuộc về cộng đồng điều khiển)

Với một tình thế cạnh tranh và toàn cầu hóa như hiện nay, ngay cả các tập đoàn công nghệ điện tử và tự động hóa có tên tuổi cũng phải tự tiến hóa và thay đổi tư duy về giải pháp tích hợp hệ thống Vì vậy, có thể nói NCS ra đời đã làm thay đổi hẳn tư duy về phân tích, thiết kế và tích hợp hệ thống đối với cộng đồng điều khiển và cộng đồng mạng truyền thông, mà trước đây hai lĩnh vực này thường được nghiên cứu độc lập với nhau vì lý do kỹ thuật Ưu thế của NCS không chỉ nằm ở phương diện kỹ thuật mà còn ở khía cạnh hiệu quả kinh tế Chính vì vậy nghiên cứu về NCS là một lĩnh vực mới, một xu hướng chính đang thu hút sự quan tâm đặc biệt lớn trong cộng đồng nghiên cứu ngày nay Đây là một vấn đề cấp thiết, có tính thời sự và ứng dụng cao trong thực tế, có độ phức tạp lớn và đã trở thành một lĩnh vực nghiên cứu đa ngành gồm: tự động hóa, khoa học máy tính (chủ yếu là lập lịch tác vụ) và mạng truyền thông (chủ yếu là lập lịch thông điệp và các giao thức truyền thông) [33], [39], [51], [55]

Với sự xuất hiện của NCS sử dụng bus truyền thông chung đã khắc phục được những hạn chế của phương pháp truyền thông truyền thống là điểm – điểm nhờ một số ưu điểm nổi trội như sau:

 Thực hiện cài đặt đơn giản, tiết kiệm được chi phí do số lượng dây dẫn ít, thậm chí không cần dây dẫn trong các mạng điều khiển không dây

 Nâng cao hiệu suất, độ tin cậy và tính linh hoạt (mềm dẻo) của hệ thống: có thể

dễ dàng thêm hoặc bớt một hay nhiều nút mạng và các thành phần khác của hệ thống mà không cần phải cấu hình lại hệ thống

 Giảm chi phí, thời gian lắp đặt, nâng cấp cũng như bảo trì, dễ dàng trong chuẩn đoán

 Cho phép thực thi các hệ thống phân tán phức tạp theo cả chiều ngang (phối hợp ngang hàng giữa cảm biến, cơ cấu chấp hành, bộ điều khiển) và theo chiều dọc (cấp giám sát, cấu hình lại), đó là những nhân tố quan trọng trong giải pháp điện

tử công nghiệp và tự động hóa các quá trình sản xuất

 Hiệu suất sử dụng băng thông và chất lượng dịch vụ tăng, chi phí tính toán và truyền thông giảm

 Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới trong lĩnh vực điện tử công nghiệp

Với những ưu điểm nổi trội như trên, ngày nay NCS đã được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp Ôtô, điện tử công nghiệp, các hệ thống nhúng có nối mạng, quân sự, máy bay, rôbốt; các hệ thống nhiệt, thông gió, điều hòa không khí, tự động hóa quá trình sản xuất [39] Tuy nhiên, việc thêm vào hệ thống điều khiển vòng kín một mạng truyền thông chung làm cho các phân tích, thiết kế và tổng hợp của NCS trở nên phức tạp

và có nhiều thách thức hơn Các lý thuyết điều khiển cổ điển với nhiều giả thiết lý tưởng cần được xem xét và phân tích lại trước khi áp dụng vào NCS [59]

Do các thành phần cơ bản của hệ thống gồm bộ cảm biến, bộ điều khiển, cơ cấu chấp hành trao đổi thông tin với nhau thông qua mạng truyền thông chung, nên ngoài các ưu điểm đã nêu ở trên thì NCS cũng còn một số tồn tại mà ngày nay cộng đồng nghiên cứu đang tìm cách giải quyết, cụ thể là:

 Chia sẻ tài nguyên giữa các ứng dụng bị hạn chế gồm tài nguyên tính toán (CPU,

bộ nhớ, v.v.) và tài nguyên đường truyền (truy nhập đường truyền, băng thông, v.v.) dẫn đến sự tranh chấp giữa các thành phần khác nhau trong hệ thống Việc chia sẻ nguồn tài nguyên nảy sinh những vấn đề mới mà các nhà nghiên cứu đã

và đang tập trung giải quyết, một số vấn đề chính đó là: thời gian trễ (trễ tính toán và trễ truyền thông), tần số lấy mẫu, lập lịch tác vụ (giải quyết vấn đề xung đột bộ nhớ và xung đột sử dụng CPU), lập lịch thông điệp (giải quyết vấn đề xung đột truy nhập đường truyền) [20], [23], [48], [62]

 Việc sử dụng mạng truyền thông chung làm nảy sinh những khó khăn mới đó là trễ truyền thông Trễ truyền thông (trễ từ bộ cảm biến tới bộ điều khiển và từ bộ điều khiển tới cơ cấu chấp hành) xảy ra khi các thành phần cơ bản của hệ thống gồm bộ cảm biến, bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành trao đổi thông tin với nhau thông qua mạng truyền thông chung Trễ truyền thông sinh ra là chủ yếu từ các giao thức mạng sử dụng trong NCS Trễ truyền thông này có thể là không đổi hoặc thay đổi, thậm chí là ngẫu nhiên và mang tính bất định cao, làm giảm chất lượng của hệ thống điều khiển, làm méo tín hiệu, thậm chí gây ra sự mất ổn định của hệ thống [15], [29], [32], [38], [39]

Đề tài “Phương pháp nâng cao chất lượng truyền thông tin thời gian thực trong

các hệ thống điều khiển phân tán” được lựa chọn nhằm nâng cao đồng thời cả chất

lượng dịch vụ (thuộc về cộng đồng mạng) và chất lượng điều khiển (thuộc về cộng đồng điều khiển) cho NCS với mong muốn khắc phục một số vấn đề còn tồn tại trong NCS mà ngày nay các nhà nghiên cứu đang tìm cách giải quyết, đồng thời mở ra một hướng nghiên cứu tích hợp mới và có độ phức tạp cao ở Việt Nam gồm các lĩnh vực: tự động hóa, khoa học máy tính và mạng truyền thông Đây cũng là cơ sở để tác giả lựa chọn nội dung nghiên cứu của bản Luận án này

2 Mục đích nghiên cứu của Luận án

Từ những vấn đề cấp thiết đã trình bày ở trên, mục đích nghiên cứu của Luận án sẽ tập trung giải quyết một số nội dung khoa học chính như sau:

 Đề xuất và giải quyết vấn đề truy nhập đường truyền của các nút mạng cho NCS nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ (Quality of Service, QoS), từ đó nâng cao chất lượng điều khiển (Quality of Control, QoC)

 Đề xuất mô hình giải tích khảo sát trễ truyền thông cho NCS, sau đó sử dụng phương pháp thiết kế đặt điểm cực để bù với trễ truyền thông này nhằm nâng cao QoC

 Đề xuất và giải quyết vấn đề đồng thiết kế (co-design) giữa hệ thống điều khiển

tự động (xem xét vấn đề bù trễ truyền thông) và mạng truyền thông (xem xét vấn

đề lập lịch thông điệp truy nhập đường truyền của các nút mạng) nhằm nâng cao đồng thời cả QoS và QoC với mong muốn có được một NCS hiệu quả hơn Các giải pháp đề xuất nêu trên đều có chung mục đích là khắc phục tối đa các vấn đề còn tồn tại trong NCS đó là: lập lịch thông điệp truy nhập đường truyền của các nút mạng,

bù trễ truyền thông, cuối cùng là đồng thiết kế giữa hệ thống mạng truyền thông (liên quan đến lập lịch thông điệp) và hệ thống điều khiển (liên quan đến bù trễ truyền thông)

3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của Luận án

Lĩnh vực nghiên cứu về NCS được chia thành hai phạm vi nhỏ gồm: điều khiển mạng và điều khiển qua mạng [51], [57] Về điều khiển mạng: mục đích chính là nghiên cứu về phương pháp truyền thông tin ở trong mạng và các mạng lưới để làm cho chúng phù hợp với NCS thời gian thực, ví dụ như điều khiển định tuyến, điều khiển luồng, chống tắc nghẽn, giao thức mạng, các cơ chế quản lý hàng đợi và hiệu quả truyền dữ liệu ở trong mạng Về điều khiển qua mạng: mục đích chính là nghiên cứu các chiến lược điều khiển [66], phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển thông qua mạng truyền thông; giải quyết bài toán lập lịch (tác vụ và thông điệp), bài toán bù trễ truyền thông và xử lý mất gói dữ liệu trên đường truyền nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của các tham số bất lợi của mạng đến chất lượng của NCS (ví dụ như: ảnh hưởng của trễ mạng, mất gói dữ liệu, v.v.) với mục đích là

để đạt được QoS và QoC mong muốn Nội dung nghiên cứu của Luận án tập trung vào chủ

đề thứ hai đó là điều khiển qua mạng (NCS) Trong mỗi cấu trúc của NCS có nhiều thách thức để duy trì và nâng cao hoặc là QoS hoặc là QoC hoặc là cả hai Trong khi hướng nghiên cứu cải tiến giao thức truyền thông nhằm mục đích là để nâng cao QoS của hệ thống mạng thì hướng phát triển các thuật toán điều khiển nhằm mục đích là để nâng cao QoC của hệ thống điều khiển vòng kín Thường các đề tài nghiên cứu chỉ lựa chọn một trong hai nội dung trên để nghiên cứu (hoặc là nâng cao QoS hoặc là nâng cao QoC), tuy nhiên trong Luận án này sẽ đề cập đến cả hai nội dung nhằm mục đích là để có được một NCS hiệu quả hơn

Đối tượng nghiên cứu của Luận án là các hệ thống điện tử công nghiệp nói chung và

hệ thống nhúng có nối mạng nói riêng; các hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất nói chung và hệ thống điều khiển qua mạng nói riêng Trong Luận án này, mạng CAN (Controller Area Network) được xem xét nghiên cứu [9], [53]

4 Nội dung nghiên cứu của Luận án

Nội dung nghiên cứu của Luận án sẽ tập trung giải quyết một số nội dung khoa học chính nhằm nâng cao QoS và QoC cho NCS Nội dung của Luận án bao gồm 4 Chương Chương 1 của Luận án trình bày tổng quan về NCS, tổng hợp và phân tích những kiến thức cơ bản thuộc hai lĩnh vực đó là tự động hóa và mạng truyền thông; khảo sát và đánh giá các công trình nghiên cứu liên quan mật thiết đến đề tài Luận án; từ đó nêu ra những vấn đề còn tồn tại, chỉ ra những vấn đề mà Luận án cần tập trung nghiên cứu và giải quyết

Chương 2 của Luận án trình bày về giao thức MAC (Medium Access Control) sử dụng sách lược ưu tiên lai cho các hệ thống điều khiển qua mạng CAN Chương này phân tích về những hạn chế của giao thức MAC sử dụng sách lược ưu tiên tĩnh, từ đó đề xuất sử dụng sách lược ưu tiên lai nhằm nâng cao QoS, từ đó nâng cao QoC cho các hệ thống điều khiển qua mạng CAN

Chương 3 của Luận án nghiên cứu về bù trễ truyền thông Chương này đề xuất phương pháp tính toán trễ truyền thông trong hệ thống điều khiển vòng kín dựa vào ưu tiên truy nhập đường truyền của các nút mạng (sử dụng sách lược ưu tiên tĩnh), sau đó sử dụng phương pháp thiết kế đặt điểm cực để bù với trễ truyền thông này nhằm nâng cao QoC cho các hệ thống điều khiển qua mạng CAN

Chương 4 của Luận án trình bày về vấn đề đồng thiết kế giữa lập lịch thông điệp và

bù trễ truyền thông nhằm có được một NCS hiệu quả hơn Chương này đề xuất một hướng nghiên cứu tích hợp giữa cộng đồng mạng truyền thông (liên quan đến lập lịch thông điệp truy nhập đường truyền của các nút mạng) và cộng đồng điều khiển (liên quan đến bù trễ truyền thông) nhằm cải tiến đồng thời cả QoS và QoC cho các hệ thống điều khiển qua mạng CAN

Các giải pháp đề xuất trong Chương 2, 3 và 4 đều được tính toán thử nghiệm trên máy tính nhúng (Embedded PC) thông qua phần mềm mô phỏng chuyên dụng TrueTime với hai dạng bài toán điều khiển quá trình khác nhau (bài toán dựa trên mô hình hàm truyền đạt và bài toán dựa trên mô hình không gian trạng thái), sử dụng cả hai tham số điều

khiển khác nhau (sai lệch e và tín hiệu điều khiển u), mà thông thường các công trình

nghiên cứu chỉ lựa chọn một dạng bài toán điều khiển quá trình với một tham số điều khiển

cơ bản để thử nghiệm thuật toán Phần mềm mô phỏng chuyên dụng TrueTime là một công

cụ chạy trên nền Matlab/Simulink cho phép mô phỏng đồng thời cả hệ thống điều khiển vòng kín (đóng vai trò như là một Control System Toolbox) và hệ thống mạng truyền thông (đóng vai trò như là một Digital Signal Processing) [42]

Tiếp theo là phần kết gồm các kết luận và khuyến nghị của Luận án với những vấn

đề cần nghiên cứu tiếp trong tương lai Cuối cùng của Luận án là các tài liệu tham khảo, các công trình đã công bố liên quan trực tiếp đến Luận án và các Phụ lục kèm theo

5 Phương pháp nghiên cứu của Luận án

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

 Phương pháp nghiên cứu tài liệu: thu thập, tổng hợp và phân tích các tài liệu trong và ngoài nước liên quan mật thiết đến đề tài nghiên cứu

 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: sử dụng các phương pháp phân tích như phương pháp thống kê, phương pháp đối chiếu so sánh, phương pháp giải tích, phương pháp mô hình hóa toán học; trên cơ sở các công trình nghiên cứu liên quan mật thiết đến đề tài Luận án đã được công bố, tiến hành phân tích những mặt hạn chế từ đó làm cơ sở để đề xuất những cải tiến nhằm có được một nghiên cứu hiệu quả hơn

 Thử nghiệm mô phỏng: những phân tích lý thuyết nhằm xác định cơ sở để quyết định tính khả thi và hiệu quả của mô hình; mô phỏng sẽ giúp nhìn nhận và chỉ ra

rõ ràng tính khả thi của hệ thống Kỹ thuật mô phỏng được sử dụng với hai mục đích chính là tối ưu hóa và thống nhất hóa thay vì phải thực nghiệm nhiều lần trên đối tượng thật nhằm rút ngắn thời gian và tiết kiệm chi phí Trong Luận án này, thực hiện kỹ thuật mô phỏng trên máy tính nhúng (Embedded PC) thông qua phần mềm mô phỏng chuyên dụng TrueTime để đánh giá và kiểm nghiệm các kết quả nghiên cứu lý thuyết Các kết luận quan trọng về phương pháp đề xuất được đưa ra dựa trên sự so sánh giữa các kết quả mô phỏng và lý thuyết đạt được

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án

Về ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu về NCS là một lĩnh vực có ý nghĩa khoa học, mang tính thời đại và có độ phức tạp cao nhằm kết nối giữa cộng đồng mạng và cộng đồng điều

khiển lại với nhau, mà trước đây hai lĩnh vực này thường được nghiên cứu độc lập với nhau vì lý do kỹ thuật; đồng thời cũng giải quyết các mục tiêu mà Luận án đặt ra, được thể hiện ở các kết quả nghiên cứu lý thuyết của Luận án Luận án đã đề xuất được một sách lược ưu tiên lai để lập lịch truy nhập đường truyền của các nút mạng nhằm nâng cao QoS,

từ đó nâng cao QoC cho các hệ thống điều khiển qua mạng Xây dựng thuật toán giải tích khảo sát trễ truyền thông trong hệ thống điều khiển vòng kín, sau đó sử dụng phương pháp thiết kế đặt điểm cực để bù với trễ truyền thông này nhằm nâng cao QoC cho các hệ thống điều khiển qua mạng Vấn đề đồng thiết kế giữa hệ thống điều khiển (xem xét vấn đề bù trễ truyền thông) và mạng truyền thông (xem xét vấn đề lập lịch thông điệp) là một lĩnh vực còn nhiều mới mẻ, nhiều hướng giải quyết, được nhiều tác giả quan tâm và đầu tư nghiên cứu trong giai đoạn hiện nay Do đó, trong Luận án này cũng đã đề cập đến vấn đề nêu trên nhằm nâng cao đồng thời cả QoS và QoC với mong muốn có được một NCS hiệu quả hơn

Về ý nghĩa thực tiễn: Đây là công trình nghiên cứu tích hợp hệ thống (tự động hóa, khoa học máy tính và mạng truyền thông) mở đầu ở Việt Nam, từ đây có thể mở ra triển vọng áp dụng mạng truyền thông kỹ thuật số cho các ứng dụng điều khiển quá trình, các hệ thống nhúng có nối mạng cũng như các ứng dụng có yêu cầu cao về đáp ứng thời gian thực nhằm nâng cao đồng thời cả QoS và QoC; đồng thời cũng mở rộng khả năng lựa chọn cấu hình và tính linh hoạt (mềm dẻo) trong phân tích và thiết kế các hệ thống điều khiển có nối mạng Phương pháp mới của Luận án đề xuất với mong muốn sẽ góp phần bổ sung số lượng các giải pháp, đóng góp mới vào tri thức khoa học cho ngành chuyên môn nhằm thúc đẩy chuyên ngành phát triển lên một tầm cao mới; đồng thời cũng là để tạo điều kiện cho việc lựa chọn ứng dụng thực tế được dễ dàng hơn, góp phần củng cố luận cứ khoa học cho quá trình thiết kế và sử dụng hiệu quả vào khai thác các hệ thống điện tử công nghiệp

và tự động hóa công nghiệp hiện đại Các kết quả nghiên cứu lý thuyết và tính toán thử nghiệm trên máy tính nhúng (Embedded PC) thông qua phần mềm mô phỏng chuyên dụng TrueTime với hai dạng bài toán điều khiển quá trình khác nhau, sử dụng cả hai tham số điều khiển khác nhau đều cho kết quả tốt, tiết kiệm thời gian thiết kế, giảm kinh phí đầu tư

và chứng minh khả năng ứng dụng trong công nghiệp

7 Các kết quả mới sẽ đạt đƣợc của Luận án

Dựa vào những phân tích về tính cấp thiết cũng như mục đích và phạm vi nghiên cứu được trình bày ở trên Luận án này có ba kết quả nghiên cứu mới đạt được, cụ thể như sau:

 Phân tích và đề xuất sách lược truy nhập đường truyền sử dụng ưu tiên lai (kết hợp giữa ưu tiên động và ưu tiên tĩnh) nhằm nâng cao QoS, từ đó nâng cao QoC cho các hệ thống điều khiển qua mạng

 Phân tích và đề xuất phương pháp tính trễ truyền thông trong vòng kín dựa vào

ưu tiên truy nhập đường truyền của các nút mạng có kết hợp bù trễ sử dụng

phương pháp thiết kế đặt cực nhằm nâng cao QoC cho các hệ thống điều khiển qua mạng

 Phân tích và đề xuất phương pháp đồng thiết kế giữa mạng truyền thông (liên quan đến lập lịch thông điệp truy nhập đường truyền của các nút mạng) và hệ thống điều khiển (liên quan đến bù trễ truyền thông) nhằm cải tiến đồng thời cả QoS và QoC với mong muốn có được một NCS hiệu quả hơn

Các kết quả nghiên cứu mới nêu trên sẽ lần lượt được trình bày cụ thể trong các Chương 2, 3 và 4 của Luận án Đồng thời với những kết quả nghiên cứu đã đạt được, tác giả và tập thể hướng dẫn lần lượt xem xét để công bố trên các tạp chí và hội nghị chuyên ngành trong nước và Quốc tế

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

QUA MẠNG (NCS)

Chương này trình bày và tổng hợp một cách có hệ thống về NCS, nhằm cung cấp những kiến thức nền tảng cho những đề xuất nghiên cứu sau này của Luận án Trong đó tập trung vào phân tích những vấn đề liên quan trực tiếp đến nội dung nghiên cứu của Luận

án Hai khía cạnh sẽ được phân tích đó là khía cạnh đối với cộng đồng điều khiển (tự động hóa) và khía cạnh đối với cộng đồng mạng (truyền thông) Mục 1.1 sẽ giới thiệu một cái nhìn tổng quan về NCS bao gồm: khái niệm, quá trình hình thành và phát triển NCS, các thông tin ảnh hưởng trực tiếp đến NCS Mục 1.2 và Mục 1.3 sẽ nhắc lại một số vấn đề cơ bản trong lý thuyết điều khiển tự động truyền thống và hệ thống điều khiển bằng máy tính Vấn đề truyền thông trong NCS và truyền thông trên mạng CAN được mô tả và phân tích trong Mục 1.4 và Mục 1.5 Những đề xuất hướng nghiên cứu mới của tác giả được trình bày trong Mục 1.6 Các kết luận đáng chú ý được đưa ra trong Mục 1.7

1.1 Giới thiệu chung về hệ thống điều khiển qua mạng (NCS)

1.1.1 Khái niệm về NCS

Trong các hệ thống điều khiển truyền thống phương pháp truyền thông được sử dụng phổ biến là truyền thông điểm – điểm, có nghĩa là mỗi bộ cảm biến và cơ cấu chấp hành có một đường truyền thông riêng biệt nối tới bộ điều khiển trung tâm (Hình 1.1 (a)) Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ vi điện tử và kỹ thuật truyền thông 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 chi phí, nâng cao chất lượng sản phẩm Các hệ thống sản xuất do vậy phải được phân tán về điều khiển, có khả năng tích hợp cao, dễ dàng cho bảo trì Các giới hạn của truyền thông điểm – điểm trở nên không còn phù hợp nữa Các hệ thống truyền thông sử dụng bus truyền thông chung có thể đáp ứng được các yêu cầu nêu trên

Trong những năm 90 của thế kỷ 20, quá trình module hóa, phân tán điều khiển với mạng truyền thông kỹ thuật số phát triển mạnh mẽ đã cho ra đời một thế hệ mới hệ thống điều khiển đó là hệ thống điều khiển phân tán (DCS), có nghĩa là các bộ điều khiển được trao đổi thông tin với nhau thông qua mạng truyền thông chung với mục đích là để cùng nhau chia sẻ các công việc (Hình 1.1 (b))

Cũng trong những năm 90 của thế kỷ 20, với sự phát triển mạnh mẽ của các bộ vi xử

lý trong điện tử học đã làm ảnh hưởng sâu rộng đến khả năng xử lý của các hệ thống máy tính trong công nghiệp Hơn nữa, với sự giúp đỡ từ thiết kế chip ASIC, các bộ cảm biến và

cơ cấu chấp hành đã có thể được trang bị với giao diện mạng và do đó đã trở thành những nút độc lập trên một mạng điều khiển thời gian thực Điều này đã hình thành lên một cấu

trúc điều khiển mới đó là NCS như được thể hiện trong Hình 1.1 (c) Từ đây chúng ta rút

ra một khái niệm về NCS như sau: Hệ thống điều khiển qua mạng (được gọi tắt là NCS) là một hệ thống, trong đó các thành phần cơ bản của hệ thống như bộ cảm biến, bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành, v.v trao đổi thông tin với nhau thông qua mạng truyền thông chung [19], [29], [39], [51]

Bộ cảm biến 1 Bộ cảm biến 2 Bộ cảm biến n

Bộ điều khiển Đối tượng vật lý

Cơ cấu chấp hành n

Cơ cấu

chấp hành 1

Cơ cấu chấp hành 2

Cơ cấu chấp hành n

Bộ cảm biến 1 Bộ cảm biến 2 Bộ cảm biến n

a) Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển điểm - điểm.

b) Sơ đồ cấu trúc của DCS.

Bộ cảm biến 1 Bộ cảm biến 2 Bộ cảm biến n

Bộ điều khiển 1 Bộ điều khiển 2 Bộ điều khiển n

Cơ cấu chấp hành n Mạng truyền thông

c) Sơ đồ cấu trúc của NCS.

Hình 1.1 Sơ đồ cấu trúc của các hệ thống điều khiển [49]

1.1.2 Sự hình thành và phát triển của NCS

Trình tự thời gian về sự phát triển của các hệ thống điều khiển, từ hệ thống điều khiển tương tự đến hệ thống điều khiển rời rạc (điều khiển số), cuối cùng là hệ thống điều khiển qua mạng truyền thông (NCS) được mô tả như trên Hình 1.2

Cảm biến 1 Cảm biến 2

Cảm biến n Quá trình 1 Quá trình 2 Quá trình m

a)

b)

c)

d) Điều khiển tương tự Điều khiển số

Điều khiển qua mạng

2000 Mạng

Hình 1.2 Trình tự thời gian của các hệ thống điều khiển [33]

Trình tự thời gian trong Hình 1.2 được mô tả cụ thể như sau:

- Năm 1932, đánh dấu sự ra đời của hệ thống điều khiển tương tự, các phương pháp mang tính tổng quát của Nyquist để thiết kế và phân tích các hệ thống điều khiển đã trở thành một cuộc cách mạng và nguyên tắc để áp dụng cho tất cả các hệ thống điều khiển vòng kín Những công trình này được bắt đầu dựa trên các phân tích động học của bộ điều tốc ly tâm trong xe ô tô, được thực hiện trong suốt thế kỷ 19 bởi các nhà vật lý nổi tiếng như: J C Maxwell, C Huygens, v.v Đến năm 1940, Nyquist, Bode, Nichols và Evans đã đưa ra một nền tảng lý thuyết vững chắc cho giải pháp miền tần số

- Năm 1950, cộng đồng điều khiển bắt đầu tập trung vào hệ thống điều khiển rời rạc (chủ yếu là lấy mẫu), lúc này các mô hình sử dụng trong thiết kế điều khiển tương tự được chuyển thành các mô hình sử dụng trong thiết kế điều khiển rời rạc

- Năm 1970, các hệ thống điều khiển rời rạc với sự hỗ trợ của các máy tính kỹ thuật

số đã mở ra một cơ sở vững chắc về lý thuyết điều khiển số và có thể tìm thấy trong các tài liệu kinh điển [18], [35] Song song với các công việc này, trước đó vào năm 1960 Kalman cũng đã mở ra một mô hình điều khiển hiện đại có tên là Lọc Kalman

- Năm 1983, Bosch GmbH bắt đầu nghiên cứu tính khả thi của việc sử dụng các thiết

bị có nối mạng để điều khiển các chức năng khác nhau trong xe ô tô, đây có thể nói là một trong những lỗ lực đầu tiên và xuyên suốt đối với NCS hiện đại, đến năm 1986 bắt đầu có giao thức CAN và đến năm 1987 xuất hiện nhiều thành phần tích hợp mạng CAN Kể từ khi các ứng dụng được thực thi thông qua mạng thì hiệu suất sử dụng băng thông và chất lượng dịch vụ tăng, chi phí tính toán và truyền thông giảm Do đó, NCS đã xâm nhập vào tất cả các ngành công nghiệp như: ngành công nghiệp ô tô, điện tử công nghiệp, các hệ thống nhúng có nối mạng, quân sự, máy bay, rô bốt; các hệ thống nhiệt, thông gió, điều

- Sơ đồ Hình 1.2 (a) thể hiện khái niệm về phản hồi trong lý thuyết điều khiển tự động và sự cần thiết của QoC đối với các hệ thống điều khiển liên tục dựa trên khái niệm

hệ thống điều khiển vòng kín

- Sơ đồ Hình 1.2 (b) thể hiện hệ thống điều khiển phản hồi thông qua một máy tính điều khiển số chuyên dụng (tức là không chia sẻ tác vụ) và những vấn đề liên quan đến QoC cũng như lựa chọn tần số lấy mẫu

- Sơ đồ Hình 1.2 (c) thể hiện nhiều hệ thống điều khiển được thực hiện thông qua một máy tính chuyên dụng (điều khiển tập trung, tức là máy tính thực hiện nhiều tác vụ của các đối tượng điều khiển khác nhau) và những vấn đề liên quan đến QoC

- Sơ đồ Hình 1.2 (d) thể hiện cấu trúc điển hình của hệ thống điều khiển qua mạng (NCS), trong đó các thành phần cơ bản của hệ thống được trao đổi thông tin với nhau thông qua một mạng truyền thông chung (mạng có dây hoặc không dây) Những vấn đề cần quan tâm lúc này là cả QoC và QoS

Chúng ta nhận thấy rằng, các hệ thống điều khiển với các thành phần điều khiển phân tán đã tồn tại từ nhiều thập kỷ qua như: các hệ thống điều khiển quá trình hóa học, lọc dầu, v.v Các thành phần điều khiển này được liên kết trực tiếp với nhau bằng dây dẫn và được gọi là truyền thông điểm - điểm, tín hiệu thu được từ các bộ cảm biến được đưa trực tiếp đến bộ xử lý trung tâm và sau đó bộ xử lý trung tâm xử lý tín hiệu này thông qua các luật điều khiển và gửi lệnh điều khiển đến cơ cấu chấp hành

1.1.3 Ảnh hưởng của chu kỳ lấy mẫu đối với NCS

Chu kỳ lấy mẫu (ký hiệu là h dùng để biến đổi tín hiệu liên tục theo thời gian thành )tín hiệu rời rạc theo thời gian Việc lựa chọn chính xác chu kỳ lấy mẫu là một vấn đề quan trọng trong các hệ thống điều khiển qua mạng vì có ảnh lớn đến chất lượng của hệ thống điều khiển vòng kín Nếu chọn chu kỳ lấy mẫu quá lớn thì trễ mạng sẽ lớn, do đó sẽ không đạt được QoC mong muốn, ngược lại nếu chọn chu kỳ lấy mẫu quá nhỏ thì không đủ thời gian để truyền các gói tin, do đó sẽ làm tăng tải trọng cho hệ thống máy tính và mạng Vì vậy, việc lựa chọn chính xác h là tùy thuộc vào mục đích của mỗi NCS

Sự ổn định của mỗi hệ thống điều khiển vòng kín có thể được xác định dựa vào vị trí

của các điểm cực trội (dominant pole) Các điểm cực trội trong mặt phẳng z (miền thời

gian rời rạc) được xác định như sau [35]:

1,2

1,2 sh ,

s

trong đó, s1,2 là hai điểm cực trội trong miền thời gian liên tục, h là chu kỳ lấy mẫu

và thường được chọn như sau [35]:

0,1n h0, 6, (1.3) trong đó, t là thời gian lên (rise time), r n là tần số riêng (rad/s)

Vị trí điểm cực vòng kín trong các hệ rời rạc phụ thuộc nhiều vào h Do đó, hiệu suất của các hệ thống điều khiển vòng kín cũng phụ thuộc khá nhiều vào chu kỳ lấy mẫu h

[16], [27]

Hình 1.3 thể hiện mối quan hệ giữa hiệu suất (được hiểu là chất lượng của hệ thống điều khiển vòng kín) và chu kỳ lấy mẫu h đối với ba loại hệ thống điều khiển gồm: điều khiển liên tục, điều khiển rời rạc (điều khiển số) và điều khiển qua mạng (NCS)

Ra ngoài hệ thống điều khiển

Điều khiển liên tục

Điều khiển rời rạc

NCS Hiệu suất

Chấp nhận

sẽ không đáp ứng được các ràng buộc trong công thức (1.3) (ví dụ: n h0, 6) Do đó đòi hỏi cần thiết kế một bộ điều khiển riêng (phần cứng hoặc phần mềm), do phải có bộ điều khiển riêng nên các thành phần trong hệ thống như bộ cảm biến, bộ điều khiển và cơ cấu

chấp hành sẽ bị giới hạn về chia sẻ nguồn tài nguyên làm giảm QoS và QoC, hạn chế này

1.1.4 Ảnh hưởng của trễ truyền thông đối với NCS

Đối với NCS, khi tích hợp mạng truyền thông vào trong hệ thống điều khiển vòng kín thì sẽ phát sinh ra hai thành phần trễ truyền thông, đó là: trễ truyền thông từ bộ cảm biến đến bộ điều khiển (ký hiệu là sc) và trễ truyền thông từ bộ điều khiển đến cơ cấu chấp hành (ký hiệu là ca) Để làm rõ hai thành phần trễ truyền thông này, chúng ta xem xét một hệ thống điều khiển vòng kín gồm ba máy tính Ci, Cj, Ck đóng vai trò lần lượt là bộ cảm biến, bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành được trao đổi thông tin với nhau thông qua một mạng truyền thông chung như trên Hình 1.4

Hình 1.4 Mô hình hệ thống điều khiển vòng kín có tích hợp mạng truyền thông

Quá trình truyền và xử lý thông tin trong hệ thống điều khiển vòng kín được bắt đầu

từ Ci và kết thúc tại Ck Thông tin về quá trình công nghệ được thu thập bởi các bộ cảm biến, được lấy mẫu và chuyển thành tín hiệu số thông qua bộ chuyển đổi A/D Máy tính Ci

sẽ gửi tín hiệu vừa được lấy mẫu đến máy tính Cj thông qua mạng truyền thông Tín hiệu

đo sẽ được xử lý và tính toán bởi bộ điều khiển mà đã được thiết kế sẵn trong máy tính để tạo ra các lệnh điều khiển Lệnh điều khiển được gửi tới máy tính Ck thông qua mạng truyền thông Máy tính Ck khi nhận được lệnh điều khiển sẽ áp dụng vào đối tượng điều khiển Việc truyền tin từ máy tính Ci tới máy tính Ck sẽ phải mất một khoảng thời gian nhất định gọi là trễ thời gian, đồng thời xác suất mất gói dữ liệu trên đường truyền tin cũng có thể xảy ra

Trong quá trình phân tích và thiết kế NCS, trễ truyền thông ảnh hưởng trực tiếp đến đáp ứng của hệ thống điều khiển vòng kín, trễ càng cao thì độ quá điều chỉnh càng lớn, do

đó chất lượng điều khiển càng kém Hình 1.5 minh chứng cho lập luận này

0 0.5 1 1.5 2

2.5 y(t)

Thêi gian (ms)

 =4 (ms)

 =8 (ms)

 =12 (ms)  =16 (ms)

 =20 (ms)

Hình 1.5 Đồ thị đáp ứng thời gian với các giá trị trễ khác nhau

Nghiên cứu vấn đề bù trễ đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trong nhiều thập kỷ qua Một số phương pháp kinh điển có thể áp dụng để bù trễ như: bộ bù Smith, phương pháp hàng đợi, phương pháp thiết kế đặt điểm cực, phương pháp điều khiển bền vững, điều khiển tối ưu, điều khiển thích nghi [51] Tuy nhiên, việc thêm vào hệ thống điều khiển vòng kín một mạng truyền thông chung làm cho các phân tích, thiết kế và tổng hợp của NCS trở nên phức tạp và có nhiều thách thức hơn; các phương pháp bù trễ kinh điển với nhiều giả thiết lý tưởng cần được xem xét và phân tích lại trước khi áp dụng cho NCS

gán một mức ưu tiên cho mỗi tác vụ điều khiển Do chỉ sử dụng một máy tính duy nhất nên khi xảy ra xung đột bộ nhớ và xung đột CPU thì trễ thời gian sẽ rất lớn, làm giảm chất lượng của hệ thống điều khiển Để khắc phục nhược điểm trên, các sách lược lập lịch thông điệp đã được nghiên cứu và phát triển nhằm chia sẻ các tính toán của máy tính Do

đó, thay vì chỉ sử dụng một máy tính duy nhất thì ở đây có thể sử dụng nhiều máy tính để tính toán thông tin phản hồi Vì vậy, xu hướng chính gia tăng trong cộng đồng nghiên cứu ngày nay là chuyển từ lập lịch tác vụ sang lập lịch thông điệp [20], [23], [48], [62] Việc lập lịch thông điệp chủ yếu được thực hiện trong lớp MAC kết hợp với bộ điều khiển thích nghi để tối ưu toàn bộ QoS và QoC

Một cách tiếp cận khác cho vấn đề lập lịch đó là thực hiện lập lịch on-line hoặc line [47], [59] Trong lập lịch off-line, các tác vụ cần phải được cài đặt trước và không thay đổi trong suốt quá trình hoạt động, chẳng hạn như: hạn chót, mức ưu tiên, v.v Việc lập lịch là dựa trên các tham số cố định mà đã được gán trước đó Ưu điểm chính của lập lịch off-line là đơn giản, dễ thực hiện vì tất cả thời gian để thực thi tác vụ đều được xác định và biết trước Tuy nhiên, vì tất cả các hoạt động đều phải được lên kế hoạch trước khi khởi động nên thiếu tính linh hoạt Ngược lại, các thuật toán lập lịch on-line không cần phải cài đặt trước các ưu tiên mà tự động thay đổi trong từng chu kỳ hoạt động Lập lịch on-line là khá linh hoạt và dễ thích nghi, nhưng có thể phải chịu chi phí lớn do phải xử lý đồng thời nhiều thông tin cùng một lúc trong quá trình hệ thống hoạt động và bị giới hạn về khả năng

off-dự đoán do thời gian bắt đầu và kết thúc của một hành động phụ thuộc vào việc kích hoạt các sự kiện (tức là phụ thuộc vào thuật toán)

1.2 Nhắc lại một số vấn đề cơ bản về hệ thống điều khiển truyền thống

1.2.1 Điểm cực vòng kín

Điểm cực vòng kín đặc trưng cho sự ổn định và đáp ứng của hệ thống điều khiển (Hình 1.6) Điểm cực vòng kín có thể thu được từ hàm truyền đạt hoặc từ mô hình không gian trạng thái của hệ thống điều khiển Đối với hàm truyền đạt, cực vòng kín là nghiệm của đa thức mẫu số; còn đối với mô hình không gian trạng thái cực vòng kín là những giá trị riêng của ma trận hệ thống Phương pháp thiết kế đặt điểm cực được sử dụng để phân tích hàm truyền đạt hoặc mô hình không gian trạng thái có trễ [18]

Từ Hình 1.6, chúng ta có một số nhận xét như sau [2]:

- Hệ thống được gọi là ổn định nếu tất cả các điểm cực nằm ở nửa bên trái của mặt phẳng phức (các điểm cực có phần thực âm) Các điểm cực nằm càng xa trục ảo về phía trái thì quá trình quá độ của hệ càng ngắn, tức là quán tính của hệ càng nhỏ

- Hệ thống sẽ không ổn định nếu chỉ cần có một điểm cực có phần thực dương (tức là

có một điểm cực ở nửa bên phải của mặt phẳng phức)

Trục thực Trục ảo

0

p 3

p 1 Vùng ổn định Vùng không ổn định

Hình 1.6 Đồ thị đáp ứng đầu ra tương ứng với vị trí điểm cực trong mặt phẳng phức [18]

- Hệ thống ở biên giới ổn định nếu chỉ cần có một nghiệm có phần thực bằng 0, còn các nghiệm khác có phần thực âm (tức là có một điểm cực ở trên trục ảo và các nghiệm còn lại ở nửa bên trái mặt phẳng phức)

- Nếu hàm truyền đạt có một điểm cực không nằm trên trục thực (tức là có phần ảo khác 0) thì quá trình quá độ có dạng dao động với vô số các điểm cực trị Các điểm cực nằm càng xa trục thực  p6 thì tần số dao động càng lớn

- Nếu hàm truyền đạt có ít nhất một điểm cực là gốc tọa độ thì hệ sẽ chứa thành phần tích phân và do đó tín hiệu ra luôn thay đổi khi tín hiệu vào còn khác 0

- Những hệ thống có điểm không là gốc tọa độ đều mang đặc tính vi phân, các hệ này

sẽ phản ứng rất nhanh với sự thay đổi của tín hiệu đầu vào

Trong NCS, chúng ta thường gặp những bài toán mà ở đó mô hình mô tả đối tượng

có chứa những thành phần bất định Nguồn gốc của những thành phần bất định này có thể

là do trễ truyền thông hoặc mất gói dữ liệu trên đường truyền và cũng có thể là do sự tác động của các tín hiệu từ bên ngoài mà không biết trước Nhiệm vụ đặt ra ở đây là phải thiết

kế bộ điều khiển để thích nghi với những thành phần bất định đó, sao cho hệ thống có được chất lượng mong muốn và chất lượng này không được phụ thuộc vào những thành phần ở môi trường bên ngoài Vì vậy chất lượng của hệ thống điều khiển phụ thuộc nhiều vào vị trí của các điểm cực trong mặt phẳng phức Khi các điểm cực càng tiến gần về phía trục ảo thì đáp ứng đầu ra ổn định càng chậm, trong khi đó các cực càng ở phía xa trục ảo thì đáp ứng đầu ra ổn định rất nhanh chóng Do đó, để hệ thống có được chất lượng mong muốn

thì người ta có thể can thiệp vào hệ thống một bộ điều khiển, sao cho với sự can thiệp đó thì hệ có được các điểm cực là những giá trị cho trước ứng với chất lượng mong muốn Cũng vì nguyên lý can thiệp để hệ nhận được các điểm cực cho trước như vậy, nên phương pháp thiết kế bộ điều khiển can thiệp này có tên gọi là phương pháp cho trước điểm cực, hay phương pháp thiết kế đặt điểm cực [2], [35]

1.2.2 Phân tích sự ổn định của hệ thống điều khiển vòng kín

Về vấn đề nghiên cứu sự ổn định của hệ thống điều khiển vòng kín có hai cách tiếp cận cơ bản được sử dụng là: sử dụng miền tần số và sử dụng miền thời gian Cách tiếp cận miền tần số sử dụng các phương pháp giải tích và đồ họa để tìm các điểm cực từ phương trình đặc tính của hệ thống động học Vì sự xuất hiện của thành phần trễ dưới dạng s

e

nên phương trình đặc trưng có dạng đa thức của s

e [66] Để khắc phục khó khăn này phương pháp xấp xỉ Pade được sử dụng để biến đổi đa thức của s

e thành đa thức thông thường Các phương pháp đồ họa chuẩn như quỹ tích điểm cực, đồ thị Bode và lược đồ Nyquist cũng được sửa đổi khi có sự tham gia của thành phần trễ Sự ổn định hệ thống rời

rạc có trễ có thể được phân tích dựa trên phương pháp thiết kế đặt điểm cực trong miền z

Cách tiếp cận miền thời gian sử dụng phương trình vi phân có trễ để mô tả hệ thống điều khiển vòng kín Sự ổn định của mô hình không gian trạng thái có trễ có thể được phân tích bằng phương pháp Lyapunov [11], [34]

1.2.3 Phân tích đáp ứng của hệ thống điều khiển vòng kín

Khi phân tích hệ thống điều khiển vòng kín, người ta thường sử dụng hai khái niệm

đó là quá trình quá độ (ổn định tương đối) và chế độ xác lập như thể hiện ở Hình 1.7

Quá trình quá độ là giai đoạn hệ thống điều khiển đang chuyển đổi từ trạng thái cũ sang một trạng thái mong muốn khác do thay đổi tín hiệu đầu vào hoặc trễ thời gian; còn giai đoạn xác lập là giai đoạn hệ thống đã đạt được đến trạng thái mới mong muốn (hoặc gần đến) Thông thường, ở bài toán tuyến tính người ta hay cho rằng thời điểm bắt đầu chế

độ xác lập là khi hệ thống vào được tới vùng có sai lệch ± 5% (hoặc ± 2%) so với giá trị mong muốn và không ra khỏi vùng đó nữa; như vậy, chỉ khi nào hệ thống điều khiển là ổn định thì mới có chế độ xác lập Khi phân tích chất lượng động học của một hệ thống điều khiển, người ta thường quan tâm và phân tích quá trình quá độ

Từ Hình 1.7 các tham số được định nghĩa như sau:

- Thời gian lên  t r : là thời gian cần thiết để đáp ứng đầu ra của hệ thống tăng từ 10% đến 90% giá trị cuối cùng

- Độ quá điều chỉnh  O : là giá trị đỉnh lớn nhất của đường cong đáp ứng được đo từ giá trị mong muốn (hàm bước nhảy đơn vị)

- Thời gian lớn nhất  tmax : là thời gian cần thiết để đáp ứng đầu ra của hệ thống đạt

1.2.4 Đánh giá chất lượng điều khiển của hệ thống điều khiển vòng kín

Như đã phân tích trong Mục 1.2.2 và 1.2.3, việc đánh giá chính chất lượng của một

hệ thống điều khiển vòng kín thường được xác định thông qua hai chỉ tiêu đó là tính ổn định và đặc điểm của đáp ứng (sai lệch bám, độ quá điều chỉnh, thời gian xác lập)

Ngoài ra trong tính toán thực tế, các hệ thống điều khiển vòng kín thường định ra các

tiêu chuẩn sai lệch e để đánh giá một hệ thống là tốt hoặc xấu Sai lệch hệ thống là sai lệch

giữa tín hiệu ở đầu ra và giá trị tham chiếu ở đầu vào Hình 1.8 và Hình 1.9 minh họa cho các khái niệm này

Quá trình

u

e r

Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống điều khiển vòng kín [52]

0 100 200 300 400 500 600 700 800 -0.02

0

0.02

0.04

Nhiễu loạn đến từ bên ngoài

Không có sai lệch Có sai lệch Không có sai lệch

Thời gian xác lập

Thời gian

Đáp ứng hệ thống mong muốn Đáp ứng hệ thống thực tế

Hình 1.9 Sơ đồ thể hiện sai lệch của hệ thống điều khiển vòng kín

Các tiêu chuẩn sai lệch được sử dụng để đánh giá chất lượng của hệ thống điều khiển vòng kín là [16], [52]:

- tiêu chuẩn tích phân giá trị tuyệt đối của sai lệch (IAE):

1.3 Phân tích những vấn đề cơ bản về hệ thống điều khiển bằng máy tính

Khi một hệ thống điều khiển vòng kín được thực thi bằng một máy tính kỹ thuật số, khi đó các mô hình và/hoặc các thiết kế phải được chuyển sang dạng số (tức là chuyển sang miền thời gian rời rạc)

Hình 1.10 mô tả cấu trúc của hệ thống điều khiển bằng máy tính

D/A Thuật toán

Đồng hồ Máy tính

u(t) y(t)

y t( )k  u t( )k 

Hình 1.10 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển bằng máy tính [35]

Đầu ra của quá trình là một tín hiệu thời gian liên tục y t ,đầu ra được chuyển đổi sang dạng số bằng bộ chuyển đổi A/D Việc chuyển đổi được thực hiện tại các thời điểm lấy mẫu t k  Thời gian giữa các thời điểm lấy mẫu kế tiếp được gọi là chu kỳ lấy mẫu h Máy tính sẽ diễn giải các tín hiệu chuyển đổi y t k dưới dạng một chuỗi các con số, sau

đó được xử lý bằng thuật toán, cuối cùng là tạo ra một chuỗi các con số mới u t k Chuỗi các tín hiệu rời rạc được chuyển đổi thành tín hiệu liên tục u t thông qua bộ chuyển đổi  D/A Đồng hồ thời gian thực được sử dụng để đồng bộ hóa các sự kiện Vì vậy, trong một

hệ thống điều khiển bằng máy tính có chứa cả tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc

Khi chuyển đổi các mô hình và/hoặc thiết kế thành dạng số, có thể sử dụng hai

phương pháp thiết kế khác nhau: thiết kế trực tiếp trên miền thời gian rời rạc hoặc thực hiện rời rạc hóa miền thời gian liên tục Trong cả hai trường hợp, để giao tiếp được với

các quá trình thì cần phải sử dụng các bộ chuyển đổi A/D và D/A Bộ chuyển đổi A/D hoạt động như một bộ lấy mẫu trả về một giá trị tương đương như tín hiệu thời gian liên tục; còn bộ chuyển đổi D/A hoạt động như là một mạch giữ (thường sử dụng khâu giữ bậc không ZOH) Lý thuyết điều khiển rời rạc chỉ xem xét hệ thống thông qua các giá trị của đầu vào và đầu ra tại các thời điểm lấy mẫu Các phương pháp thường được sử dụng để mô

tả về hệ rời rạc đó là: thiết kế phân bố điểm cực, thiết kế hàm bậc hai tuyến tính, hoặc điều khiển dự báo mô hình [35]

Rời rạc hóa của miền thời gian liên tục có nghĩa là thiết kế bộ điều khiển trong miền thời gian liên tục, sau đó xấp xỉ thiết kế này bằng một hệ thống xử lý thông qua lấy mẫu nhanh Nếu sử dụng cách tiếp cận này thì không cần thiết phải sử dụng bất kỳ lý thuyết lấy mẫu đặc biệt nào khác để thiết kế bộ điều khiển Nếu lấy mẫu càng nhanh thì sự kết hợp giữa rời rạc hóa và hệ liên tục càng tốt Chu kỳ lấy mẫu đối với các thiết kế điều khiển rời rạc không chỉ phù hợp với định lý Shanon f 2f c, mà còn có thể được lựa chọn theo một trong các quy tắc được gọi là quy tắc thực nghiệm (công thức (1.3)) Điều này cho phép chọn thời gian lấy mẫu lâu hơn cho các thiết kế dựa vào rời rạc hóa

Trong Luận án này, sẽ thử nghiệm xuyên suốt hai dạng bài toán điều khiển quá trình

để minh họa cho tất cả các vấn đề được đề xuất: dạng bài toán thứ nhất là điều khiển động

cơ điện một chiều dựa trên mô hình hàm truyền đạt (mô hình vào/ra), vấn đề điều khiển được thực hiện bằng cách rời rạc hóa hệ liên tục, bộ điều khiển được sử dụng là bộ điều khiển PID Dạng bài toán thứ hai là điều khiển con lắc ngược dựa trên mô hình không gian trạng thái, vấn đề điều khiển được thiết kế trực tiếp trên miền thời gian rời rạc bằng bộ điều khiển phản hồi trạng thái

Những lý do lựu chọn hai dạng bài toán trên như sau:

 Về phương pháp điều khiển số: bài toán điều khiển động cơ điện một chiều dựa trên mô hình hàm truyền đạt, trong khi đó bài toán điều khiển con lắc ngược dựa trên mô hình không gian trạng thái Bài toán điều khiển dựa trên mô hình không gian trạng thái được thiết kế trực tiếp trên miền thời gian rời rạc, trong khi đó bài toán điều khiển dựa trên mô hình hàm truyền đạt được thiết kế thông qua việc rời rạc hóa miền thời gian liên tục

 Bài toán điều khiển dựa trên mô hình hàm truyền đạt sử dụng bộ điều khiển PID, đây là bộ điều khiển được sử dụng rộng rãi trong nhiều bài toán điều khiển kinh điển Trong khi đó bài toán điều khiển dựa trên mô hình không gian trạng thái sử dụng bộ điều khiển phản hồi trạng thái, đây là bộ điều khiển hiện đại dùng để thiết kế và tổng hợp các hệ rời rạc

 Bài toán điều khiển dựa trên mô hình hàm truyền đạt thuộc kiểu bài toán theo dõi tín hiệu điều khiển, trong khi đó bài toán điều khiển dựa trên mô hình không gian trạng thái thuộc kiểu bài toán điều chỉnh

 Mô hình không gian trạng thái có khả năng khảo sát trực tiếp các trạng thái của

hệ thống điều khiển, từ đó giúp chúng ta hiểu kỹ và sâu hơn bản chất động học của hệ thống Ngược lại với mô hình hàm truyền đạt chúng ta chỉ có thể thực hiện gián tiếp thông qua việc quan sát các tín hiệu vào/ra

 Mô hình hàm truyền đạt sử dụng mô hình toán học đơn giản với các phép tính toán đại số, trong khi đó mô hình không gian trạng thái sử dụng mô hình toán học phức tạp hơn với các phép tính toán vi phân và tích phân

1.4 Phân tích những vấn đề cơ bản về phương pháp truy nhập bus trong mạng truyền thông

1.4.1 Đặt vấn đề

Sự phổ biến của các giải pháp điện tử công nghiệp sử dụng hệ thống truyền thông số

là kết quả tổng hợp của các tiến bộ trong kỹ thuật vi điện tử, kỹ thuật máy tính, kỹ thuật thông tin và đương nhiên là của cả kỹ thuật tự động hóa Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp là một khái niệm chung chỉ các hệ thống mạng truyền thông số,

truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị điện tử công nghiệp Các hệ thống truyền thông công nghiệp phổ biến hiện nay cho phép liên kết mạng ở nhiều mức khác nhau, từ các cảm biến, cơ cấu chấp hành dưới cấp trường cho đến các máy tính cấp điều hành sản xuất, quản lý công ty Mỗi một cấp trong sơ đồ phân cấp của hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất có các yêu cầu về thông tin cần xử lý và trao đổi khác nhau Trong một mạng có cấu trúc bus, các nút phải chia nhau thời gian sử dụng đường truyền Để tránh sự xung đột, ở mỗi thời điểm trên một đường truyền chỉ duy nhất một thông điệp được phép truyền đi Chính vì vậy mạng phải được điều khiển sao cho tại một thời điểm nhất định thì chỉ một nút trong mạng được gửi thông điệp đi, còn các nút khác trong mạng muốn nhận thông điệp thì không hạn chế Một trong những vấn đề quan trọng hàng đầu ảnh hưởng tới chất lượng của mỗi hệ thống bus là phương pháp phân chia thời gian gửi thông điệp trên đường truyền hay phương pháp truy nhập bus

1.4.2 Phương pháp truy nhập bus

Có thể phân loại phương pháp truy nhập bus thành hai nhóm đó là nhóm các phương pháp tiền định và nhóm các phương pháp ngẫu nhiên như mô tả trên Hình 1.11

Phương pháp truy nhập bus

Kiểm soát tập trung

Hình 1.11 Phân loại các phương pháp truy nhập bus [1]

Với các phương pháp truy nhập tiền định thì trình tự truy nhập bus được xác định rõ ràng Việc truy nhập bus được kiểm soát chặt chẽ theo cách tập trung ở một trạm chủ (phương pháp Master/Slave hay chủ/tớ), hoặc theo sự quy định trước về thời gian (phương pháp TDMA) hoặc phân tán bởi các thành viên (phương pháp Token Passing) Nếu mỗi hoạt động truyền thông được hạn chế bởi một khoảng thời gian hoặc một độ dài dữ liệu nhất định thì thời gian đáp ứng tối đa cũng như chu kỳ bus có thể tính toán được Các hệ thống này vì thế được gọi là có tính năng thời gian thực

Ngược lại, với các phương pháp truy nhập ngẫu nhiên trình tự truy nhập bus không được quy định chặt chẽ trước mà để xảy ra hoàn toàn theo nhu cầu của các nút mạng Mỗi thành viên trong mạng có thể thử truy nhập bus để gửi thông điệp đi bất cứ lúc nào Để loại

trừ tác hại của việc xung đột gây lên, có những phương pháp phổ biến như nhận biết xung đột (CSMA/CD) hoặc tránh xung đột (CSMA/CA) Nguyên tắc hoạt động của các phương pháp này là khi có xung đột xảy ra trên đường truyền thì ít nhất một nút phải ngừng gửi và chờ một khoảng thời gian nào đó trước khi thử lại, mặc dù khả năng thành công kể cả lúc này cũng không được đảm bảo Người ta thường coi các hệ thống sử dụng các phương pháp này không có khả năng thời gian thực Tuy nhiên, tùy theo lĩnh vực ứng dụng cụ thể

mà yêu cầu về tính năng thời gian thực cũng khác nhau

Trong những năm vừa qua nhiều giao thức mạng đã được đề xuất và dẫn tới sự ra đời của nhiều chuẩn mạng truyền thông công nghiệp khác nhau Hầu hết trong số đó đều được xây dựng dựa trên chuẩn mô hình 7 lớp ISO/OSI và sử dụng cùng dạng lược đồ địa chỉ đầu/cuối Ngoài việc điền chính xác địa chỉ cho mỗi thông điệp, giao thức truyền còn phải định rõ quy tắc truyền để đảm bảo việc truyền chính xác và tránh xung đột Phần chính của giao thức truyền thông là điều khiển truy nhập bus Nhiều phương pháp truy nhập bus đã được phát triển, điển hình là: phương pháp chủ/tớ (master/slave), phương pháp đa truy nhập phân chia thời gian (TDMA), phương pháp chuyển thẻ bài (Token Passing), phương pháp đa truy nhập nhận biết sóng mang dò tìm xung đột (CSMA/CD), phương pháp đa truy nhập nhận biết sóng mang tránh xung đột (CSMA/CA hoặc CSMA/AMP) Những tính năng và ưu, nhược điểm của các phương pháp truy nhập bus nói trên được trình bày cụ thể trong phần tiếp theo ngay sau đây

1.4.2.1 Phương pháp truy nhập tiền định

a Phương pháp Master/Slave (chủ/tớ) [1]

Trong mô hình truyền thông chủ/tớ có thể thực hiện truyền thông theo phương pháp hỏi đáp tuần tự (poll) theo chu kỳ hoặc hỏi đáp đồng thời (strobe) Hai phương pháp truyền thông trên thường được sử dụng cho mạng hiện trường và mạng điều khiển Trong phương pháp hỏi đáp tuần tự, nút mạng chủ sẽ gửi yêu cầu tới lần lượt từng nút mạng tớ cần lấy thông tin và các nút mạng tớ sẽ thực hiện việc lấy mẫu hoặc lấy dữ liệu lưu trữ trong bộ đệm để gửi cho nút mạng chủ theo yêu cầu Khác với phương pháp hỏi đáp tuần tự, đối với phương pháp hỏi đáp đồng thời, nút mạng chủ gửi yêu cầu tới tất cả các nút mạng tớ, các nút mạng tớ khi nhận được yêu cầu sẽ ngay lập tức trả lời Trong trường hợp này, các nút mạng tớ sẽ gửi về nút mạng chủ các giá trị đo (hoặc dữ liệu quá trình) tại cùng một thời điểm, nhưng việc truyền dữ liệu lên mạng sẽ được dàn xếp bởi giao thức truyền thông

 Ưu điểm: việc kết nối các nút mạng tớ đơn giản, ít tốn kém bởi vì hầu hết “trí tuệ” tập trung tại nút mạng chủ Mặt khác, một nút mạng chủ thường lại là một thiết bị điều khiển, vì vậy việc tích hợp thêm chức năng xử lý truyền thông là điều không khó khăn

 Nhược điểm: hiệu suất trao đổi thông tin giữa các nút mạng tớ bị giảm do dữ liệu phải đi qua khâu trung gian là nút mạng chủ, dẫn đến giảm hiệu suất sử

dụng đường truyền Một hạn chế nữa của phương pháp này là độ tin cậy của hệ thống truyền thông phụ thuộc hoàn toàn vào nút mạng chủ duy nhất Trong trường hợp có xảy ra sự cố trên nút mạng chủ thì toàn bộ hệ thống truyền thông ngừng làm việc

Chính vì những hạn chế nêu trên, phương pháp chủ/tớ chỉ được dùng phổ biến trong các hệ thống bus cấp thấp (bus trường hoặc bus thiết bị) mà ở đó việc trao đổi thông tin hầu như chỉ diễn ra giữa nút mạng chủ (thiết bị điều khiển) và các nút mạng tớ (thiết bị trường hoặc các module vào/ra phân tán)

b Phương pháp TDMA [1]

Mỗi nút mạng được phân chia một thời gian truy nhập mạng nhất định Các nút có thể lần lượt thay nhau gửi thông tin trong khoảng thời gian cho phép gọi là khe thời gian (time slot) hay lát thời gian (time slice) theo một tuần tự quy định sẵn Việc phân chia này được thực hiện trước khi hệ thống đi vào hoạt động (tiền định), thời gian chờ tối đa là thời gian của chu kỳ Các nút sẽ xoay vòng (round) để truy nhập đường truyền Vòng ở đây có thể hiểu là vòng thời gian, một vòng thời gian là khoảng thời gian đủ để cho tất cả các nút đều được quyền truyền tin Qui tắc xoay vòng như sau: một vòng thời gian sẽ được chia đều thành các khe thời gian bằng nhau, mỗi nút sẽ được cấp một khe thời gian đủ để có thể truyền hết một gói tin Những nút nào tới lượt được cấp cho khe thời gian của mình mà không có dữ liệu để truyền thì vẫn chiếm lấy khe thời gian đó và khoảng thời gian bị chiếm này được gọi là thời gian rỗi (idle) Tập hợp tất cả các khe thời gian trong một vòng được gọi lại là khung (frame) Khác với giao thức chuyển thẻ bài, ở đây có thể có hoặc không có một nút mạng chủ Trong trường hợp có một nút mạng chủ thì vai trò của nút mạng chủ chỉ hạn chế ở mức độ kiểm soát việc tuân thủ đảm bảo giữ đúng lát thời gian của các nút mạng khác Mỗi nút mạng đều có khả năng đảm nhiệm vai trò chủ động trong giao tiếp trực tiếp với các nút mạng khác Về nguyên tắc, TDMA có thể thực hiện theo nhiều cách khác nhau như: có thể phân chia thứ tự truy nhập bus theo vị trí sắp xếp của các nút trong mạng, theo thứ tự địa chỉ hoặc theo tính chất của các hoạt động truyền thông Cũng có thể kết hợp TDMA với phương pháp chủ/tớ nhưng cho phép các nút mạng tớ giao tiếp trực tiếp

 Ưu điểm: Do mỗi nút mạng được cấp một khe thời gian riêng, nên không có sự xung đột xảy ra trên đường truyền Khi số lượng nút mạng ít, ổn định và mỗi nút mạng cần giao tiếp nhiều thì TDMA chính là cơ chế điều khiển truy nhập đường truyền hiệu quả

 Nhược điểm: TDMA chỉ thích hợp với các mạng tĩnh, số lượng nút mạng ít và

ổn định (tức là ít có sự thay đổi các nút mạng cũng như yêu cầu truy nhập đường truyền) Khi hệ thống có nhiều nút mạng thì sẽ nảy sinh nhiều bất cập vì mỗi nút mạng được cấp phát một khe thời gian cố định ngay từ ban đầu, nếu nút mạng nào không sử dụng khe thời gian này để truyền dữ liệu thì thời gian sẽ bị lãng phí, làm ảnh hưởng đến các nút mạng khác (tức là các nút mạng khác phải đợi

đến lượt thì mới truyền dữ liệu được) dẫn đến trễ truyền thông lớn, giảm băng thông mạng và không tối ưu sử dụng đường truyền Một hạn chế nữa của TDMA

là nếu thêm hay bớt một nút mạng thì sẽ phải cấu hình lại toàn bộ hệ thống, tức

là phải phân bổ lại các khe thời gian cho các nút mạng, đây là một việc không hề đơn giản

c Phương pháp Token Passing [3], [15]

Token Passing là một bức điện ngắn không mang dữ liệu, có cấu trúc đặc biệt để phân biệt với các bức điện mang thông tin nguồn, được dùng tương tự như một chìa khóa Phương pháp token passing (hay phương pháp truy nhập bằng thẻ bài) được quy định trong tiêu chuẩn IEEE 802.4 cho phép các cấu trúc mạng hình bus, hình cây, đa điểm hoặc phân đoạn Mạng hình vòng sử dụng phương pháp chuyển thẻ bài (token ring) được quy định trong tiêu chuẩn IEEE 802.5 Mạng sử dụng phương pháp truy nhập dùng thẻ bài có tính tiền định cao hơn Ethernet Thời gian đợi để truyền thông điệp tối đa là bằng thời gian quay vòng của thẻ bài Một số mạng điển hình sử dụng phương pháp truy nhập bằng thẻ bài là MAP, Profibus, ControlNet, v.v Trong giao thức sử dụng phương pháp truy nhập dùng thẻ bài các nút mạng được quy định một cách logic thành vòng tròn Chỉ nút mạng đang giữ thẻ bài mới được quyền thực hiện việc truyền tin và được phép truyền tin cho tới khi hết dữ liệu cần truyền hoặc hết thời gian nắm giữ thẻ bài Khi hết thời hạn truyền tin (hết dữ liệu hoặc hết thời gian giữ thẻ bài) nút mạng sẽ tạo ra một thẻ bài và chuyển cho nút mạng tiếp theo Hiện tượng xung đột của các khung dữ liệu không xảy ra vì tại một thời điểm chỉ có một nút mạng thực hiện việc truyền tin Trong phương pháp truy nhập mạng này cũng đã tính tới trường hợp lỗi khi nút mạng giữ thẻ bài vì lý do nào đó dừng truyền tin và không chuyển thẻ bài cho nút tiếp theo

 Ưu điểm của phương pháp token passing là mạng hoạt động tốt và hiệu quả ngay

cả khi tải mạng lớn Với token bus ta có thể thêm hoặc bớt nút mạng ngay cả khi mạng đang hoạt động bằng việc phân chia chu kỳ truyền thành các phân đoạn lập lịch và không lập lịch và đây là ưu điểm nổi trội của token bus so với mạng token ring ControlNet (một giao thức mạng sử dụng phương pháp chuyển thẻ bài) thích hợp cho việc truyền cả các thông điệp khẩn cấp và không khẩn cấp Một ưu điểm nữa đối với token passing là khả năng điều hòa lưu thông trong mạng linh hoạt, tức là cho phép các nút mạng truyền số lượng đơn vị dữ liệu khác nhau khi nhận được thẻ bài, hoặc lập trước chế độ ưu tiên cấp phát thẻ bài cho các nút mạng

 Nhược điểm của phương pháp token passing là khi số lượng nút mạng lớn, tải mạng nhỏ thì phần lớn thời gian chỉ dùng để chuyển thẻ bài giữa các nút mạng, đồng thời một nút mạng phải đợt khá lâu mới đến lượt (có thẻ bài) gây ra trễ truyền thông lớn, không tối ưu được đường truyền

1.4.2.2 Phương pháp truy nhập ngẫu nhiên

a Phương pháp CSMA/CD [3], [15]

Phương pháp truy nhập mạng này được sử dụng rộng rãi trong hệ thống mạng Ethernet được quy định trong tiêu chuẩn IEEE 802.3 Theo phương pháp CSMA/CD, mỗi nút đều có quyền truy nhập bus mà không cần một sự kiểm soát nào Phương pháp CSMA/CD quy định mỗi nút mạng phải theo dõi đường truyền trước khi thực hiện việc truyền tin Khi phát hiện thấy đường truyền rỗi (không có tín hiệu) thì mới được truyền tin

Do việc lan truyền tín hiệu cần một thời gian nào đó, nên vẫn có khả năng hai hay nhiều nút mạng cùng thực hiện truyền tin và sẽ xảy ra xung đột Chính vì vậy, trong khi thực hiện việc truyền tin mỗi nút vẫn phải nghe đường truyền để so sánh tín hiệu phát đi với tín hiệu nhận được xem có xảy ra xung đột hay không Trong trường hợp xảy ra xung đột, các nút mạng đều phải hủy bỏ việc truyền tin và chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi thực hiện việc truyền lại Thời gian ngẫu nhiên ở đây phải được tính theo một thuật toán nào đó để sao cho thời gian chờ ngắn một cách hợp lý và không giống nhau giữa các nút mạng

 Ưu điểm nổi bật của CSMA/CD là thuật toán hoạt động của mạng đơn giản và trễ truyền thông nhỏ khi lưu lượng truyền trên mạng thấp So sánh với phương pháp chuyển thẻ bài thì CSMA/CD sử dụng ít băng thông cho việc truy nhập mạng Một ưu điểm nổi bật của CSMA/CD so với TDMA, Token Passing, v.v

là nếu nút mạng nào có nhu cầu cần gửi thông tin lên mạng thì sẽ nghe trên đường mạng, nếu mạng rỗi thì lập tức gửi thông tin ngay Các mạng điều khiển thường sử dụng Ethernet với tốc độ 10 Mbps như Modbus/TCP Ở các tốc độ cao hơn (100 Mbps, 1 Gbps và 10 Gbps) Ethernet thường được sử dụng trong mạng dữ liệu nhưng vẫn có thể được sử dụng cho mạng điều khiển Để khắc phục ảnh hưởng của khoảng cách thì người ta tiến hành phân chia hệ thống mạng bằng các switch để tránh khả năng xảy ra xung đột

 Nhược điểm của CSMA/CD là tính bất định của trễ truyền thông và không hỗ trợ việc phân quyền ưu tiên cho các thông điệp Khi lưu lượng truyền thông lớn hiện tượng xung đột xảy ra thường xuyên hơn và dẫn tới làm tăng trễ truyền thông, giảm khả năng thông qua của mạng Bởi vì CSMA/CD cho phép một nút thực hiện việc truyền các gói tin một cách riêng biệt trong khoảng thời gian dài bất chấp các nút mạng khác đang đợi truy nhập mạng nên thường gây ra sự giảm hiệu năng của toàn hệ thống Việc sử dụng thuật toán BEB chuẩn không có sự đảm bảo truyền thông do thông điệp có thể bị bỏ qua sau một số lần xung đột Nhược điểm nữa của CSMA/CD là yêu cầu đảm bảo kích thước dữ liệu tối thiểu nên khi dữ liệu cần truyền có kích thước nhỏ thì vẫn phải sử dụng các thông điệp

có kích thước lớn, điều này làm giảm hiệu quả truyền thông

b Phương pháp CSMA/CA hoặc CSMA/AMP [3], [15]

Phương pháp truy nhập mạng CSMA/CA (hoặc CSMA/AMP) được sử dụng cho mạng CAN Trong phương pháp truy nhập mạng CSMA/CA mỗi thông điệp sẽ được ấn định một mức độ ưu tiên dùng để phân xử truy nhập đường truyền khi có hai hay nhiều nút mạng cùng tiến hành việc truy nhập và truyền dữ liệu tại cùng một thời điểm Chuỗi bit truyền được đồng bộ hoá bằng bit khởi động và mã căn cước (dùng để phân xử tranh chấp) Việc phân xử tranh chấp được thực hiện theo nguyên tắc bit trội (bit 0) “lấn át” bit lặn (bit 1) Nếu hai hoặc nhiều nút mạng cùng truyền thông điệp tại cùng một thời điểm thì một mặt chúng sẽ vẫn tiếp tục gửi thông điệp lên mạng, mặt khác phải nghe trên đường truyền, cho tới khi một nút mạng khác nghe được bit ở trên đường truyền khác với bit mà

đã gửi đi thì khi đó nút mạng này sẽ mất quyền truyền tin và lập tức ngừng việc truyền tin lại còn nút mạng kia vẫn tiếp tục truyền dữ liệu Như vậy theo nguyên tắc phân xử tranh chấp nêu trên thì thông điệp có ID càng thấp sẽ có mức ưu tiên càng cao

 Ưu điểm: tính năng đơn giản, chi phí thấp, hiệu quả truyền tin cao với các thông điệp ngắn (8 bytes trở xuống), khá linh hoạt và nhất quán dữ liệu của hệ thống CSMA/CA cho phép thiết lập mức ưu tiên thông qua trường phân xử (trường ID); tức là, các thông điệp có mức ưu tiên cao hơn thì sẽ có quyền để truy nhập đường truyền trước, đồng thời trễ truyền thông cũng ít tính bất định hơn Một ưu điểm nổi bật của CSMA/CA so với TDMA, Token Passing, v.v là nếu nút mạng nào có nhu cầu cần gửi thông tin lên mạng thì sẽ nghe trên đường mạng, nếu mạng rỗi thì lập tức gửi thông tin ngay; việc bổ sung hay bỏ đi một nút trong mạng không đòi hỏi bất cứ một sự thay đổi nào về phần cứng hay phần mềm ở các nút mạng khác (tức là không cần cấu hình lại hệ thống) Trong một mạng, có thể chắc chắn rằng một thông điệp hoặc được tất cả các nút quan tâm tiếp nhận đồng thời, hoặc không được nút nào tiếp nhận Tính nhất quán dữ liệu được đảm bảo qua các phương pháp gửi đồng loạt và xử lý lỗi

 Nhược điểm: băng thông thấp, truy nhập đường truyền sử dụng sách lược ưu tiên tĩnh, so với các mạng khác thì CSMA/CA (CAN bus) có tốc độ thấp hơn (hiện tại tối đa là 1 Mbps) nên khả năng thông qua của mạng thấp so với các mạng khác Yêu cầu đồng bộ hoá bit truyền của giao thức mạng cũng giới hạn chiều dài tối đa của mạng Hiệu quả truyền tin thấp hơn so với các mạng khác khi các thông điệp có kích thước lớn

Như vậy, mỗi một giao thức mạng được tạo ra đều có những thế mạnh riêng nhằm mục đích là để tối ưu cho một dạng ứng dụng nhất định Nếu xét một cách tổng thể thì bao giờ cũng có những ưu và nhược điểm nhất định như đã trình bày ở trên Trong một tương lai gần, khó có một loại nào có thể chiếm được ưu thế tuyệt đối Luận án này xem xét với phương pháp truy nhập đường truyền sử dụng CSMA/CA cho các hệ thống điều khiển qua mạng CAN

1.5 Tổng quan về mạng CAN

1.5.1 Đặt vấn đề

Mạng CAN được phát triển lần đầu tiên tại hãng Robert Bosch (CHLB Đức) vào năm 1986 [9], [53] Mục tiêu ban đầu được đặt ra là phát triển một hệ truyền thông kết nối các bộ điều khiển điện tử trong xe ôtô để thay thế cách nối điểm-điểm truyền thống, sau đó được chuẩn hóa Quốc tế trong ISO 11898 và ISO 11519 CAN là mạng truyền thông nối tiếp sử dụng phương tiện truyền thông là hai dây, chế độ truyền song công; phù hợp với các ứng dụng tốc độ cao và với thông điệp ngắn; tốc độ tối đa là 1 Mbps CAN sử dụng phương pháp điều khiển truy nhập đường truyền CSMA/CA (hoặc CSMA/AMP) Trong mạng CAN, dữ liệu được truyền và nhận sử dụng khung truyền mang dữ liệu từ nút truyền tới một hoặc nhiều nút nhận Dữ liệu truyền không nhất thiết bao gồm địa chỉ của đích hoặc nguồn mà thay vào đó mỗi thông điệp sẽ được dán nhãn bởi trường ID, trường ID của các nút mạng có thể cố địch hoặc thay đổi phụ thuộc vào tính khẩn cấp truyền tin Tất cả các nút mạng khác trong mạng nhận thông điệp và có thể lấy dữ liệu hoặc bỏ qua phụ thuộc vào cấu hình của các bộ lọc sử dụng trong trường ID

Do tính ưu việt của CAN, nên CAN cũng đang được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điện tử nhúng có nối mạng, hệ thống điều khiển quá trình và các hệ thống có yêu cầu cao về thời gian thực nhằm mục đích là để kết nối các thiết bị thông minh như bộ cảm biến, bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành bằng cách sử dụng một cặp dây dẫn cho phép trao đổi dữ liệu tại cùng một thời gian Ngoài ra, CAN còn được ứng dụng trong các lĩnh vực điều khiển thời gian thực khác như: máy bay, máy móc nông nghiệp, thiết bị y tế, điều khiển thang máy và hệ thống giao thông công cộng

1.5.2 Giao thức điều khiển truy nhập đường truyền của mạng CAN

Để truy nhập đường truyền, CAN sử dụng phương pháp CSMA/CA (hoặc CSMA/AMP) Đây chính là điểm khác biệt lớn của mạng CAN so với các loại bus trường khác, với phương pháp này mỗi thông điệp sẽ được ấn định một mức độ ưu tiên dùng để phân xử truy nhập mạng khi có nhiều nút mạng cùng tiến hành việc truy nhập và truyền dữ liệu trong cùng một thời gian

Định dạng khung truy nhập mạng của mạng CAN bao gồm 7 trường: khởi động khung truy nhập (SOF), trường phân xử, trường điều khiển, trường dữ liệu, trường kiểm tra (CRC), trường xác nhận (ACK), trường kết thúc khung truy nhập (EOF) và khoảng ngừng (INT) CAN hỗ trợ hai định dạng cho trường phân xử là trường phân xử với mã căn cước

11 bit (tương ứng với định dạng chuẩn) và trường phân xử với mã căn cước 29 bit (tương ứng với định dạng mở rộng) Thứ tự và kích thước các trường trong khung truy nhập của mạng CAN được thể hiện trong Hình 1.12