Ứng dụng fuzzy logic để điều khiển lưu lượng trong hệ thống atm

Trình tự ATM của các tế bào ATM của kênh ảo nhất định được tạo nên bởi chức năng của lớp ATM và thông tin báo hiệu cho việc thiết lập kết nối và được truyền đi theo các tế bào ATM khác n

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐÁ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN VIỄN THÔNG

APPLICATION OF FUZZY LOGIC

IN TRAFFIC CONTROL IN ATM NETWORKS

GVHD : PGS.TS VŨ ĐÌNH THÀNH HVTH : TRƯƠNG QUANG TRUNG

LỚP : CAO HỌC KT ĐTVT- K11

TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2003

Chương I : Tổng quan về ATM

I.Hệ thống số đa dịch vụ (ISDN : Integrated Services Digital Network): 1

II Mode truyền dẫn : 1

1.Chuyển mạch mạch (circuit – switched networks) 1

2.Chuyển mạch message (message – switched networks ) 2

3.Chuyển mạch gói (packet- switched networks) : 2

3.1.Datagram packet switching 2

3.2.Virtual – circuit packet switching 2

III Tổng quan ATM : 3

1 Mode truyền dẫn bất đồng bộ ATM(Asynchronous Transfer Mode) : 3

2 Tế bào ATM : 3

2.1.Cấu trúc cell mào đầu : 4

2.2.Phân loại tế bào ATM 5

3 Những đặc tính của hệ thống ATM : 6

4 Mô hình tham chiếu giao thức ATM: 7

4.1.Lớp vật lý 9

4.2.Lớp ATM 10

4.3.Lớp thích ứng ATM (AAL) 11

5.Phân loại lưu thoại trong ATM : 17

5.1.Tốc độ bit không đổi (Constant Bit Rate) 17

5.2.Tốc độ bit thay đổi (Variable Bit Rate ) 17

5.3.Tốc độ bit có sẵn ABR(Available Bit Rate) và UBR(Unspecified Bit Rate) 18

6.Chất lượng dịch vụ (QoS :Quality of Service ) 19

Chương II : Logic Mờ & Điều Khiển Mờ

I.Giới thiệu logic mờ (fuzzy logic) : 22

II Điều khiển mờ : 25

1.Hệ thống điều khiển tự động : 25

1.1.Hệ thống điều khiển kín (closed loop control system) 26

1.2.Hệ thống điều khiển hở(open control system 26

1.3.Phân loại hệ thống điều khiển 26

1.3.1.Hệ tuyến tính và phi tuyến 26

1.3.2.Hệ bất biến và biến thiên theo thời gian 27

1.3.3.Hệ liên tục và gián đoạn theo thời gian 27

1.3.4.Hệ đơn biến và đa biến 27

1.3.5.Hệ thống thích nghi và hệ thống không thích nghi 28

1.3.6.Hệ xác định (deterministic) và hệ ngẫu nhiên 28

2 Cơ sở lý thuyết bộ điều khiển mờ 28

2.1.Mô Hình Toán 28

2.2.Nhận dạng hệ thống 30

2.3.Thiết kế hệ điều khiển 30

2.4.Bề mặt điều khiển (hay bề mặt quyết định) 31

3.Cấu trúc bộ điều khiển mờ (Fuzzy Logic Controller) 33

3.1.Bộ điều khiển mờ cơ bản : 33

3.2.Nguyên lý điều khiển mờ: 34

3.2.1.Dao diện đầu vào 35

3.2.2.Thiết bị hợp thành 36

3.2.3.Khâu giao diện đầu ra (khâu chấp hành) 37

3.3.Các giả thiết trong trong thiết kế điều khiển mờ 37

3.4.Những nguyên tắc tổng hợp bộ điều điều khiển mờ : 38

3.5.Các bước tổng hợp một bộ điều khiển mờ : 39

Chương III : Điều Khiển Lưu Lượng Chống Tắc Nghẽn Trong Hệ Thống ATM I.Giới thiệu : 41

II Những phương pháp quản lý lưu lượng và điều khiển kết nối trong hệ thống ATM 41

II.1 Điều khiển mức mạng: 42

1.Quản lý lỗi: 42

2 Sự định tuyến và xác định dung lượng đường truyền: 42

2.1.Deterministic multiplexing 43

2.2 Statistical multiplexing 43

II.2 Điều khiển mức cuộc gọi và mức cell : 44

1.Điều khiển chấp nhận kết nối(Connection Admission Control ) 44

2.Điều khiển thông số đang dùng (Usage Parameter Control): 44

2.1.Policing Algorithms : 45

2.2 Policing and Standardisation : 47

II.3.Traffic Shaping : 47

II.4 Cơ chế ưu tiên (Priority Mechnisms) : 48

1.Cơ chế ưu tiên thời gian (time priority mechanisms) 48

2.Cơ chế ưu tiên không gian (Space Priority mechanisms ) : 48

2.1.Cơ chế đẩy ra (Pushout schems ) 48

2.2.Cơ chế chia sẻ bộ đệm (Partial buffer sharing schems ) 49

III.Câùu trúc điều khiển phân cấp mờ dành cho hệ thống ATM: 50

III.1.Cấu trúc điều khiển phân cấp và điều khiển mờ: 50

III.2.Điều khiển phân cấp trong mạng viễn thông: 50

III.3.Cấu trúc điều khiển phân cấp mờ trong mạng ATM: 53

Chương IV: Ưùng Dụng Logic Mờ (Fuzzy Logic ) Để Điều Khiển Lưu Lượng Trong ATM I.Mô hình hệ thống : 57

II Tổng quan : 59

III.Bộ dự đoán băng thông (Fuzzy Bandwidth Predictor : FBP) : 62

1.Giới thiệu : 62

2.Mô hình hệ thống : 62

3.Xác định băng thông (BW) cần thiết cho kết nối : 64

3.1 Gán tốc độ đỉnh (Peak Assignment ) 64

3.2 Gán băng thông tương đương (Statistical Bandwidth Assignment) 64

3.2.1 Fluid –Flow Approximation 64

3.2.2 Stationary Approximation 66

3.2.3 Kết luận 67

4 Thiết kế bộ dự đoán BW (Fuzzy Bandwidth Predictor: FBP) : 67

IV Xây dựng bộ Fuzzy Congestion Controller (FCC) : 75

1.Mục đích 75

2.Giới thiệu : 75

3.Lớp dịch vụ ABR (Available Bit Rate) : 76

3.1 Các thông số ABR : 78

3.2 Cấu trúc cell RM (Resource Management) : 80

3.3 Điều khiển tốc độ nguồn ABR : 81

3.4 Thuật giải độ chia sẻ cân bằng max-min 82

4 Bộ điều khiển lưu lượng chống tắc nghẽn 83

V Bộ điều khiển chấp nhận cuộc gọi (Fuzzy Admission Controller : FAC) : 90

VI Chương trình mô phỏng : 94

VI Một vài kết quả mô phỏng : 96

Tài liệu tham khảo 101

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ATM

I.Hệ thống số đa dịch vụ (ISDN : Integrated Services Digital Network):

Đặc tính chính của ISDN là cung cấp dịch vụ thoại(voice) và các dịch vụ khác không phải là thoại (non-voice) trong cùng một hệ thống Hệ thống ISDN có

2 giao tiếp (interface) :

- Truy xuất tốc độ cơ bản (basic rate access) : bao gồm 2 kênh 64bits/s và 1 kênh 16kbit/s dành cho báo hiệu (signaling)

- Truy xuất tốc độ cơ sở (primary rate access): 1 kênh 1.544Mbits/s(hay 1 kênh 2.048Mbits/s) cùng với 1 kênh báo hiệu 64kbits/s Loại này thích hợp cho thoại Nhưng các dịch vụ khác như video , truyền thông tin trong mạng LAN yêu cầu băng thông lớn hơn Do đó nó dẫn đến sự ra đời của hệ thống thông tin đa dịch vụ băng rộng (B-ISDN)

Khái niện Broadband ISDN được ITU định nghĩa như sau : là hệ thống mà nó có khả năng cung cấp các dịch vụ mà tốc độ của nó lơn hơn tốc độ của Primary rate access (1.544Mbits/s or 2.048 Mbits/s) Hiện tại B-ISDN có khả năng cung cấp các dịch vụ mà tốc độ của nó đạt 622Mbit/s Về mặt truyền dẫn sự ra đời của hệ thống B-ISDN dẫn đến sự xuất hiện của mode truyền dẫn ATM (Asynchronous Transfer Mode)

II Mode truyền dẫn :

Mode truyền là kỹ thuật truyền dẫn , hợp kênh , chuyển mạch trong hệ thống thông tin Hiện tại có các kỹ thuật sau đang sử dụng :

1.Chuyển mạch mạch (circuit – switched networks) : trong trường hợp

này một mạch được thiết lập trong suốt quá trình kết nối giữa 2 nút cần trao đổi thông tin Mỗi kênh có băng thông cố định và có khả năng hợp các kênh này lại thành một liên kết (link) Khi mạch đã được kết nối lưu thoại sẽ thông suốt trong khoảng thời gian kết nối

2.Chuyển mạch message (message – switched networks ) : mode này

xem một đơn vị thông tin như là một message được phát trong hệ thống , không phụ thuột vào các message khác Như vậy cần phải thêm vào mỗi message một trường mào đầu (header) để chỉ đích đến Sau khi thu được một message , nút (node )trung gian sẽ lưu nó lại và xử lý xem node đến là node nào và truyền message đó đến node đó bằng cách xử lý trường mào đầu (header)

3.Chuyển mạch gói (packet- switched networks) : mode chuyển mạch gói

là sự kết hợp của 2 mode trên Nhưng kích thước của packet nhỏ hơn nhiều so với message Như vậy message phải được chia thành nhiều packet trước khi phát đi Giống như circuit – switched networks , mỗi gói (packet) được xử lý độc lập và các gói (packet) được hợp lại ở nơi thu (destination) và chuyển đến người dùng(user) Luồng các gói(packet streams) được quản lý theo 1 trong 2 cách sau đây :

thể đi bằng các đường khác nhau để đến nơi đến Như vậy những gói từ cùng một message có khả năng đến nơi đến không theo thứ tự

được thiết lập giống như trong chuyển mạch mạch Tất cả các gói thừ 1 message có cùng kích thước và có cùng đường đi , như vậy thứ tự các gói được đảm bảo

Tất các mode kể trên có thể được chọn cho hệ thống B-ISDN Tuy nhiên , mode truyền B-ISDN cần có những đặc điểm sau :

- Cung cấp tất cả những dịch vụ hiện tại và tương lai mà những đặc điểm của nó vẫn chưa được biết

- Sử dụng nguồn tài nguyên hệ thống hiệu quả

- Tối ưu hóa sự phức tạp của hệ thống chuyển mạch

- Tối ưu thời gian xử lý và số bộ đệm trung gian của các node

Như vậy sau khi xem xét , ta có thể thấy mode ATM là thích hợp cho hệ thống B-ISDN vì nó tích hợp những ưu việt của những hệ thống kể trên

III Tổng quan ATM :

1 Mode truyền dẫn bất đồng bộ ATM(Asynchronous Transfer Mode) :

là một Mode truyền dẫn thông tin dạng gói đặc biệt sử dụng kiểu ghép kênh không đồng bộ B-ISDN truyền các thông tin dịch vụ trên cơ sở một dòng liên tục các gói có kích thước giống nhau được gọi là tế bào ATM Như vậy , các thông tin dịch vụ trước hết được chia thành các kích cỡ đặc biệt rồi ghép thành tế bào ATM Khi sử dụng kỹ thuật ATM , dung lượng kênh dịch vụ được tính trên cơ sở số tế bào ATM Tương ứng với nó , dung lượng thông tin được truyền đi được thể hiện bởi số tế bào và độ tập trung thông tin được tính trên cơ sở mức độ phân bố các tế bào ATM Trong khi đó dung lượng truyền dẫn được chỉ định bởi việc thiết lập cuộc gọi theo yêu cầu của khách hàng , và dung lượng truyền dẫn có khả năng thay đổi mềm dẻo được tạo nên cho tất cả các loại dịch vụ

ATM cũng chấp nhận loại dịch vụ kết nối trong đó kênh ảo được tạo nên để truyền các thông tin dịch vụ Trình tự ATM của các tế bào ATM của kênh ảo nhất định được tạo nên bởi chức năng của lớp ATM và thông tin báo hiệu cho việc thiết lập kết nối và được truyền đi theo các tế bào ATM khác nhau

Như vậy , nhờ có công nghệ ATM ta có thể kết hợp các dịch vụ B-ISDN khác nhau Đó là dịch vụ băng rộng và băng hẹp cùng tồn tại trong mạng viễn thông trong cùng kích cỡ tế bào ATM Các dịch vụ có tốc độ bit không đổi tạo nên các tế bào ATM được phân bố đồng nhất và các dịch vụ có tốc độ bit thay đổi được phân bố rộng hơn nhưng vẫn tạo nên cùng một loại tế bào ATM Ngòai ra dịch vụ thời gian thực được tạo nên nhờ loại bỏ hiện tượng trễ nhờ kênh ảo

ATM qui định mô hình ham chiếu giao thức phân bậc cho việc truyền dẫn các thông tin đối xứng và các thông tin truyền dẫn linh hoạt Các lớp thông tin qui định là lớp vật lý , lớp ATM , lớp thích ứng (AAL)và lớp bậc cao Lớp ALL thực hiện việc ghép các tín hệu vào phần tải tin Lớp ATM thực hiện chức năng liên quan đến tín hiệu ghép đầu của tế bào ATM để truyền tải một cách thông suốt con lớp vật lý chuyển các tế bào ATM thành các dòng bit tín hiệu

2 Tế bào ATM : Trong ATM thông tin được phát trong những gói có chiều

dài cố định , được gọi là những Cell ATM Những cell này có chiều dài 53 octet Trong đó trường chứa thông tin người dùng có chiều dài 48 octet và trường mào đầu header (chứa những thông tin hệ thống như việc định tuyến …, ) có chiều dài 5

octet Không giống như những hệ thống đồng bộ (STM) mà sự chuyển mạch dữ

liệu phụ thuộc vào vị trí trong cấu trúc hiện hành , việc chuyển mạch của những

cell ATM dựa vào nhãn của trường mào đầu (header) mà nó chứa thông tin định

tuyến

Octet 53

Header (5 octet) Trường thông tin (48) octet

Octet 1 Hình 1.1 : Tế bào ATM (an ATM cell)

CLP

Header cell(cell mào đầu) được dùng để định tuyến nhữnh cell giữa những

điểm chuyển mạch bao gồm những trường có chức năng khác nhau :

hợp các kết nối kênh ảo VC (virtual channel)

- VCI : chỉ mức thấp của việc định tuyến ATM cell , đại diện cho một kết

nối kênh ảo

bảo trì , cell thông tin …)

- HEC (Header Error Check ) : thực hiệc việc check sum để phát hiện lỗi

- CLP (Cell Loss Priority) : đây là bit đánh dấu được dùng trong trường hợp tắc nghẽn xảy ra Các ATM cell được đánh dấu sẽ bị lọai bỏ để tránh tắc nghẽn xảy ra

Phần GFC trong tế bào ATM dùng để chỉ dùng để chỉ giao diện của môi trường dịch vụ Nhoài ra nó còn dùng làm giảm độ rung pha của các dịch vụ có tốc độ bit không đổi , việc chỉ dịnh dung lượng đồng nhất đối với dịch vụ có tốc độ bit thay đổi (VBR) và điều khiển mức độ quá tải của dòng VBR

PhầnVPI/VCI ghi nhận sự nhận dạng luồng ảo và kênh ảo để phân chia các tế bào ATM trong cùng một đường truyền Các phần VPI/VCI cố định được chỉ định riêng biệt để chỉ các tế bào không được chỉ định Các tế bào dành cho điều khiển và bảo dưỡng trong lớp vật lý

PT : dùng để chỉ các thông tin khách hàng và sự quá tải của tế bào thông tin khách hàng

CLP : dùng để chỉ khả năng cho phép hoặc không cho phép mất cuộc gọi trong trường hợp mạng quá tải

HEC : là byte kiểm tra dư theo cho kỳ (CRC) đối với vùng tín hiệu màu đầu (ghép đầu) Nó dùng để phát hiện và sửa lỗi của tế bào cũng như phát hiện tín hiệu ghép đầu Tế bào ATM có thể được phân loại theo lớp cấu thành và chức năng Trước hết tế bào ATM được chia thành tế bào lớp ATM và tế bào lớp vật lý

2.2 Phân loại tế bào ATM : Tế bào lớp ATM được tạo ra trong lớp ATM và

tế bào lớp vật lý được tạo ra trong lớp vật lý Tế bào lớp ATM được phân chia thành tế bào được chỉ định và tế bào không được chỉ định Còn tế bào lớp vật lý được chia thành tế bào rỗi và tế bào điều hành khai thác bảo dưỡng (OAM) lớp vật lý, tế bào chỉ định dùng để chỉ những tế bào dành cho lớp dịch vụ trong lớp ATM Còn tế bào không chỉ định là các tế bào không được chỉ dịnh Tế bào rỗi dùng để lấp chổ trống trong trường hợp không có tế bào cần truyền còn tế bào OAM lớp vật lý dùng cho việc quản lý , khai thác và bảo dưỡng

Mặt khác tế bào ATM có thể tiếp tục phân loại theo tế bào phù hợp và tế bào không phù hợp trên quan điểm của lớp vật lý Tế bào phù hợp là tế bào không có lỗi trong tín hiệu ghép đầu , tế bào có lỗi được hiệu chỉnh còn tế bào không phù hợp để chỉ các loại tế bào khác mà sẽ bị loại bỏ trong lớp vật lý

Lớp Tế bào Các chứ năng

ATM

Vật lý

Bảng 1.1 : Phân loại tế bào ATM

3 Những đặc tính của hệ thống ATM :

thông tin

channel Path Identifier) nó chứa thông tin về định tuyến cho phép hệ thống phân biệt được các luồng lưu thoại khác nhau Những nhãn này được dùng trong việc hợp kênh và nó biểu diễn một giá trị nhận dạng duy nhất cho một kênh ảo (Virtual Channel) , nhiều kênh ảo hợp thành 1 đường ảo (Virtual Path)

có lỗi được thực hiện dự trên cơ sở end-to-end

- Các cells được phát cách nhau theo 1 khoảng thời gian nhất định

- Thứ tự các cells được đảm bảo

Link

VC

VPHình 1.3 : Kênh truyền (Link) , đường ảo (VP) , kênh ảo (VC)

4 Mô hình tham chiếu giao thức ATM:

Lớp ATM

Lớp vật lý

Lớp vật lý Lớp vật lý Lớp thích ứng ATM

Mặt phẳng điều khiển người sử dụngMặt phẳng lớp Mặt phẳng

Mô hình giao thức ATM

Lớp tuyến dữ liệu Lớp mạng Lớp chuyển tải Lớp tập hợp Lớp trình diễn Lớp ứng dụng

Lớp vật lý

Mô hình OSI

Hình 1.3 Mô hình giao thức ATM và mô hình OSI

Mô hình giao thức ATM

Mặt phẳng quản lý

Hình 1.4 : Mô hình giao thức ATM và OSI

Mẫu tham chiếu của giao thức ATM bao gồm mặt phẳng quản lý , mặt phẳng kiểm tra , và mặt phẳng người sử dụng và mặt phẳng quản lý được phân chia thành mặt phẳng mạng và mặt phẳng lớp

Chức năng của từng mặt bằng(mặt phẳng) : Mặt bằng khách hàng cung cấp chức năng điều khiển như vận chuyển các luồng thông tin khách hàng điều khiển dòng tin , sửa lỗi Trong trường hợp này thông tin khách hàng các thông tin dịch vụ trong BISDN khác nhau như thoại , hình ảnh , dữ kiệu , đồ hoạ

Mặt bằng điều khiển cung cấp chức năng kết nối và điều khiển cuộc gọi Nói cách khác , mặt bằng điều khiển cung cấp các chức năng liên quan đến thiết lập cuộc gọi , giám sát cuộc gọi , giải phóng cuộc gọi

Mặt bằng điều hành chung cung cấp chức năng giám sát mạng viễn thông liên quan đến thông tin khách hàng và truyền thông tin điều khiển Nó được phân loại thành chức năng điều khiển và chức năng điều khiển lớp

Điều hành mặt bằng trong mẫu tham chiếu giao thức ATM thực hiện việc điều hành chung hệ thống có điều hành lớp thực hiện việc điều hành các tham số khách hàng và điều hành các thông tin quản lý khai thác bảo dưỡng ngòai ra lớp điều khiển thực hiện việc kiểm tra thông tin điều khiển và kết nối cuộc gọi , mặt bằng khách hàng kiểm soát các thông tin khách hàng Giao thức của mặt bằng điều khiển và mặt bằng khách hàng được phân loại tiếp thành lớp mức cao Lớp thích ứng ATM (AAL) , lớp ATM , lớp vật lý , các chức năng của các lớp được mô tả trong bảng sau :

ALL

Phân định và kết hợp Chức năng phân chia và kết hợp lại

Tạo và tách thông tin ghép đầu Dịch các tế bào VPI/VCI Ghép và tách tế bào

Tạo và xác định tín hiệu HEC Nhận dạng biên của tế bào Tạo và xác định khung của truyền dẫn

Chức năng tương ứng môi trường vật lý

Bảng 2 : Chức năng của lớp mẫu tham chiếu giao thức ATM

Lớp ALL bao gồm phân lớp kết hợp CS tạo ra thông tin dịch vụ khách hàng lớp bậc cao trong khối dữ liệu giao thức PDU và phân lớp phân định và kết hợp lại với nhiệm vụ phân chia PDU để tạo nên phần thông tin khách hàng trong tế bào ATM

Lớp A TM có đoạn GFC để điều khiển giao thức và dòng thông tin trong UNI Ngoài ra nó còn dịch VPI/VCI thành các điểm truy cập dịch vụ SAP và các tế bào ghép và tách kênh Thêm vào đó , nó thực hiện việc tạo ra và xác nhận tín hiệu ghép đầu tế bào Lớp vật lý được hợp bởi phân lớp truyền dẫn TC và phân lớp môi trường vật lý PM Phân lớp TC phân định tốc độ tế bào , tạo/ xác định byte kiểm tra lỗi và xác định điểm giới hạn của tế bào

Trong mục này sẽ trình bày một mô hình giao thức của các lớp ATM Hệ thống phân lớp ATM so với các tiêu chuẩn liên kết hệ thống mở (OSI) như sau:

1 Lớp vật lý ít nhiều tương tự lớp 1 của mô hình OSI và chủ yếu thực hiện các chức năng trên mức bit

2 Lớp kết nối số liệu ATM có thể được bố trí chủ yếu tại biên dưới của lớp kết nối số liệu thuộc mô hình OSI

3 Lớp thích ứng ATM thực hiện việc thích ứng các giao thức lớp trên cho tế bào ATM cố định

4.1 Lớp vật lý

Lớp vật lý (PL-Physical layer) chịu trách nhiệm chuyển tải thực tế các gói ATM từ một điểm tới điểm khác Nó bao gồm việc biến đổi các tín hiệu sang khuôn dạng điện hoặc quang thích hợp và nạp các tế bào này thành các khung truyền dẫn thích hợp Trong PL có hai giao diện cơ bản để thực hiện các kết nối: giao diện người dùng-mạng (UNI-User Network Interface) để kết nối một người dùng đến một mạng và giao diện mạng – mạng (NNI-Network Network Interface) để kết nối hai nút mạng trong một mạng Giao diện UNI được phân thành hai loại : công cộng và riêng Trong năm 1993, diễn đàn ATM đã quy định bốn giao diện của lớp vật lý , hai giao diện có tốc độ số liệu là 44,736Mbit/s, hai giao diện có tốc độ số liệu là 155,52Mbit/s Trong số các giao diện đó thì SONET (Synchronous Optical network) hoặc SDH (Synchronous Digital Hierachy) có vẻ như đem lại nhiều hứa hẹn cho ATM

Các chức năng của lớp vật lý : Lớp vật lý được phân chia thành hai lớp con:

1 Lớp con 1: Môi trường vật lý (PM-Physical Medium)

2 Lớp con 2: Hội tụ truyền dẫn (TC- Transmission Convergence)

1 Môi trường vật lý 1 Cung cấp khả năng truyền dẫn bit, kể cả đồng

(PM-Physical Medium) chỉnh bit

2 Thực hiện việc mã hóa đường dây và cả sự biến đổi điện – quang

3 Các chức năng định thời bit ( tạo ra và thu nhận các dạng sóng thích hợp cho môi trường) cũng xen vào tách ra các thông tin định thời bit

2 Hội tụ truyền dẫn

(TC-Transmission

Convergence)

1 Tạo ra và phục hồi các khung truyền dẫn

2 Thích ứng khung truyền theo cấu trúc trường tải truyền dẫn

3 Chức năng mô tả tế bào ( cho phép thiết bị thu phục hồi biên giới các tế bào nhờ sử dụng trộn và khôi phục trộn (descrambling)

4 Tạo trình tự HEC

5 Khử ghép tốc độ tế bào ( xen các tế bào trống theo hướng truyền dẫn nhằm làm thích ứng tốc độ của ATM)

Bảng 1.3 : Chức năng của các lớp con thuộc lớp vật lý

Giao diện lớp vật lý: ATM trợ giúp nhiều giao diện lớp vật lý mà chung có thể

phân chia thành hai nhóm: các giao diện công cộng và các giao diện riêng tư

4.2 Lớp ATM

Một phần của lớp ATM này tương ứng với lớp 2 của OSI (Lớp liên kết số liệu DLL) Lớp ATM chuyển tải tất cả các thông tin trong các tế bào ATM có độ dài 53 byte

Các chức năng của lớp ATM:

- Tạo ra/loại bỏ các mào đầu của tế bào: Chức năng này có thể là bổ sung tế bào mào đầu ATM thích hợp (trừ giá trị HEC) cho trường thông tin tế bào thu được từ AAL trong hướng phát Các giá trị của VPI/VCI có được là nhờ thông dịch từ phần tử nhận dạng Điểm truy cập dịch vụ SAP (Service Access Point) Nó thực hiện các chức năng ngược lại, có nghĩa là huỷ bỏ các mào đầu tế bào trong hướng thu Chỉ có trường thông tin tế bào là được chuyển tiếp sang AAL

- Ghép kênh và tách kênh tế bào: Chức năng này để ghép kênh cho các tế bào từ các VP và VC riêng rẽ thành một luồng tế bào trọn vẹn theo hướng

phát Nó phân chia luồng tế bào đi tới thành các dòng tế bào riêng rẽ ứng với

VC hoặc VP theo hướng thu

- Thông dịch VPI và VCI: Chức năng này được thực hiện tại các nút chuyển mạch ATM và hoặc các nút kết nối chéo Tại các chuyển mạch VP, giá trị của trường VPI của mỗi tế bào đi tới được thông dịch thành một giá trị VPI mới của tế bào ra đi Các giá trị của VPI và VCI được dịch thành các giá trị mới tại một chuyển mạch VC

- Điều khiển luồng chung (GFC- Generic Flow Control) : Chức năng này trợ giúp việc dung lượng luồng lưu lượng ATM trong một mạng khách hàng Nó được xác định tại giao diện giữa khách hàng B-ISDN vơí mạng (UNI)

4.3 Lớp thích ứng ATM (AAL)

Để ATM trợ giúp được nhiều thể loại dịch vụ, với những đặc trưng lưu lượng khác nhau và những yêu cầu hệ thống khác nhau, việc làm thích ứng các lớp ứng dụng khác nhau với lớp ATM là rất cần thiết Chức năng cơ bản của lớp thích ứng ATM (AAL) là đóng gói các phần số liệu (tới 64kbyte) của các giao thức lớp cao hơn thành các tế bào (48byte) của lớp ATM Các phần số liệu này có thể là các gói dữ liệu, các mẫu âm thanh hoặc các khung video Như vậy, AAL phải phụ thuộc dịch vụ trong việc phân chia ghép đoạn các dữ liệu liệu thành các tế bào và từ các tế bào

Các chức năng của lớp thích ứng ATM: Lớp thích ứng ATM được phân chia thành hai lớp con theo chức năng của nó Đó là lớp con hội tụ và lớp con phân đoạn và tái đóng gói

Lớp con hội tụ (CS-Convergence Sublayer): cung cấp dịch vụ AAL tại điểm truy nhập dịch vụ AAL-SAP cho các lớp cao hơn và nó phụ thuộc vao dịch vụ Lớp con phân đoạn (SAR-Segmentation and Reassembly): có nhiệm vụ phân đoạn và tái sắp xếp các thông tin của lớp cao hơn thành kích thước phù hợp cho trường thông tin của tế bào ATM

Các loại AAL: Các thông tin được lớp thích ứng ATM (AAL) chuyển tải được

phân chia thành 4 cấp tuỳ thuộc vào các đặc tính và dịch vụ như sau:

1 Nếu thông tin cần chuyển tải là độc lập hoăc phụ thuộc thời gian thì nhất thiết phải tái tạo sự phụ thuộc thời gian của tín hiệu tại đích, có nghĩa là loại PCM 64kbit/s

2 Tốc độ bit biến đổi hoặc cố định

3 Chuyển tải thông tin kiểu phi kết nối hoặc định hướng kết nối

Lớp con thích ứng

trong một mào đầu và phần đuôi (các dịch vụ được yêu cầu)

2 Xử lý lỗi và ưu tiên dữ liệu

3 Nhận dạng tin báo (message) và phục hồi thời gian/xung nhịp

2 Lớp con phân đoạn

và tái đóng gói 1 Thu nhận khối số liệu của giao thức hội tụ và sắp đặt nó trong tế bào ATM

2 Thêm mào đầu cho mỗi đoạn, chứa đựng thông tin được sử dụng để đóng gói các khúc dữ liệu tại đích

Bảng 1.4 Các chức năng của lớp con thích ứng ATM

Cấp

dịch vụ

Mối quan hệ định thời

giữa nguồn và đích

Tốc độ bit

Kiểu kết nối

Thí dụ

đổi

Định hướng kết nối

Video tốc độ bit không đổi

đổi Định hướng kết nối Video tốc độ bit biến đổi

đổi

Định hướng kết nối

Tốc độ số liệu định hướng kết nối

đổi

Phi kết nối Chuyển tải số liệu

phi kết nối

Bảng 1.5 Các cấp dịch vụ B-ISDN

Các lớp dịch vụ A B C D

o tốc độ bit không đổi

Aâm thanh /video tốc độ bit biến đổi

Giao thức chuyển

tệp(FTP)

Giao thức datagram

người dùng (UDP)

Bảng 1.6 : Các lớp dịch vụ ALL

Bảng 1.6 ánh xạ mỗi loại của các cấp dịch vụ này sang loại AAL để trợ giúp nó Chúng ta có thể thấy rằng AAL1 trợ giúp dịch vụ cấp A, AAL2 trợ giúp dịch vụ cấp B, AAL3 trợ giúp dịch vụ cấp C, AAL 4 trợ giúp dịch vụ cấp D và AAL5 rất linh hoạt trong việc trợ giúp cả hai cấp dịch vụ C và D

Bảng 1.7 liệt kê các loại khác nhau của các lớp AAL và chức năng của lớp con tương ứng của chúng Từ bảng 1.7 hãy lưu ý rằng cả hai lớp AAL3 và AAL4 đều có thể kết hợp thành một lớp con AAL3/4 với hai phương thức hoạt động

Loại

AAL Các chức năng lớp con hội tụ Các chức năng phân đoạn và phục hồi

Các phương thức hoạt động

Chuyển thông tin định

thời (Tốc độ số liệu bit

không đổi với truyền

dẫn phụ thuộc thời

(Tốc độ bit biến thiên

với truyền dẫn phụ

thuộc thời gian) Mào đầu SAR có thể: 1.Chứa 2 trường (số

chuỗi SN và loại thông tin) của:

-Đầu tin báo(BOM) -Tiếp tục tin báo (COM)

-Cuối tin báo (EOM) 2.Chỉ thị thông tin định thời

Phần đuôi SAR chứa 2 trường:

-Phần tử chỉ thị độ dài(LI)

-Mã kiểm tra độ dư theo chu kì (CRC) Thêm đầu và đuôi SAR

1.Hoạt động an toàn: CS bị hủy hoặc bị mất Các khối số liệu giao thức được phát và điều khiển luồng được trợ giúp

AAL3/4 1.Thêm mào đầu CS

(chứa 3 trường 32 bit)

Bộ chỉ thị phần

Loại phân đoạn (ST) (2 bit)

Thẻ bắt đầu (stag) (8

bit)

Số chuỗi (SN) (4 bit)

Kích cỡ phân bố bộ

đệm (BASize) (16bit)

2.Thêm đuôi CS (chứa

3 trường (32 bit)

Nhận dạng bội (MID)

Luồng chỉnh (AL)(8 bit))

2.Đuôi SAR (16 bit) chứa phần tử chỉ thị độ dài (LI) 6 bit

không an toàn : Sửa sai được dành cho các lớp cao hơn

Thẻ kết thúc (ETag)

Thêm mào đầu SAR (40 bit)

Mã loại trường tải (PT) (3 bit)

Phần tử chỉ thị phần chung (CPI) (8 bit) Độ dài (16 bit) CRC (32 bit)

Bảng 1.7 : Các loại AAL và các chức năng của các lớp con của chúng

Phần đầu tế

bào (40 bit) CSI (1 bit) Đếm thứ tự (3 bit) Trường CRC (3 bit Bit ưu tiên (1 bit) TảiSARPDU (47 byte)

Hình 1.5 Lớp con SAR (phân đoạn và đóng gói lại) của AAL1

Phần đầu tế

Hình 1.6 Lớp con SAR của AAL3/4

Tên trường Chức năng của trường

Bộ chỉ thị phần

chung (CPI)

Chỉ thị số lượng các đơn vị đếm (các bit hoặc các byte) cho kích thước phân bố đệm (BASize)

Thẻ bắt đầu (Btag) Đánh dấu điểm bắt đầu trường tải đơn vị số liệu thuộc

giao thức lớp con hội tụ phần chung

Được người gửi gán vào và được kiểm tra tại phía thu, sử dụng CRC

thuộc giao thức lớp con hội tụ phần chung được phía gửi gán và được kiểm tra tại phía thu, sử dụng CRC

thức hội tụ phần chung Nhận dạng UU

(người dùng- người

nhận kiểm tra để bảo đảm rằng không có các tế bào bị mất hay không theo thứ tự Nó phát hiện việc xen tế bào vào và việc mất tế bào

Bảo vệ số

chuỗi(SNP)

Được sử dụng để sửa các sai lỗi xảy ra trong số chuỗi

Loại phân đoạn

Loại trường tải (PT) Chỉ rõ chỉ thị AAL (AAL indicate) AAL indicate là số

không cho tất cả tế bào trừ tế bào cuối cùng trong PDU

Bảng 1.8 Các trường của tế bào và các chức năng của chúng trong 1

tế bào ATM

Phần đầu tế bào PT

(3 bit)

Tải SAR-PDU (48 byte)SAR-PDU

Hình 1.6 Lớp con của SAR của AAL5

Tải CPCS-PDU DAO CPCS-UU

8 bit CPI 8 bit Length 16 bit CRC 32 bit

CPCS-PDU

Đuôi CPCS-PDU

Hình 1.7 Lớp con hội tụ phần chung (CPCS) của AAL5

5.Phân loại lưu thoại trong ATM :

Cho đến nay , nguồn lưu thoại trong ATM cơ bản được chia làm 2 loại dựa trên tốc độ bit của chúng : Constant Bit Rate (CBR) và Variable Bit Rate (VBR)

5.1 Constant Bit Rate :nguồn tạo ra luồng bit với tốc độ không đổi mà nó

đặc trưng bởi tốc độ bit tối đa PCR(peak cell rate) Ứng dụng điển hình của chúng là thoại(voice) , video Dịch vụ CBR rất nhạy với thời gian delay(trễ) và nó yêu cầu băng thông(BW) tối đa

5.2 Variable Bit Rate (VBR) : nguồn VBR tạo ra luồng bit có tốc độ thay

đổi Trong thể lọai VBR người ta chia ra làm 2 loại : Variable Bit Rate real-time , và Variable Bit Rate nonreal-time

Variable Bit Rate real-time(VBRrt) : đòi hỏi rất nghiêm ngặt về độ trễ

và sự sai khác về độ trễ

Variable Bit Rate nonreal-time(VBRnrt) : không đòi hỏi nghiêm ngặt

về thời gian trễ , nhưng yêu cầu xác suất mất cell thấp trong quá trình truyền

Những thông số dưới đây là thông số cơ bản của nguồn VBR

- Peak cell rate (PCR): tốc độ cell tối đa

- Số cell trung bình trong khoảng thời gian tồn tại

- Thời gian trung bình : thời gian trung bình tính từ 2 chu kỳ liên tiếp

Bảng 1.9 chỉ ra 2 loại nguồn CBR và VBR

Video 20Mbit/s 34Mbit/s HDTV 100Mbit/s 136Mbit/s Hội nghị

Bảng 1.9 : Một vài loại dịch vụ

5.3 ABR(Available Bit Rate) and UBR(Unspecified Bit Rate) : được thêm vào và được gọi chung là guaranteed traffic Khi một nguồn được xem là ABR (truyền

file và mạng nội bộ ) thì nó không cần phải mô tả những đặc tính của nguồn , nguồn này rất nhạy cảm với mất thông tin

Đối với guaranteed traffic , hệ thống phải đảm bảo yêu cầu QOS một cách nghiêm ngặt ABR và UBR không nhạy với độ trễ (delay) , nó có đặc tính là yêu cầu hệ thống cho phép sử dụng băng thông còn lại của hệ thống để tăng tính năng động

6.Chất lượng dịch vụ (Q o S :Quality of Service ) : Một vài thông số được

dùng để đánh giá chất lượng kết nối là : end-to-end delay(độ trễ) , xác suất mất cell (cell loss probability), tỉ lệ lỗi bit (bit error rate) QOS trong hệ thống ATM được chia thành 2 lớp sau đây :

+ Độ trễ khi set up 1 kết nối + Độ trễ khi giải toả một kết nối + Xác suất chấp nhận một kết nối

+ Tỉ lệ Bit lỗi (BER) + Thời gian trễ do đường truyền (tranfer delay) + Cell Delay Variation (CDV)

Bảng sau giới thiệu vài ứng dụng và yêu cầu QOS

mất cell thấp (< 10

Độ trễ tối đa khoảng vài phút

Thư điện tử Kích thước mỗi message dao

động từ nhỏ hơn 1000bytes

đến Vài Mbytes , khoảng cách thời gian giữi 2 message dài Kích thước file lên đến vài

Độ trễ khi set up 1 kết nối : giá trị yêu cầu phải nhỏ hơn 4.5ms

Độ trễ khi giải tỏa một kết nối : giá trị yêu cầu phải nhỏ hơn 4.5ms

Xác suất chấp nhận kết nối được định nghĩa như sau :

Những cuộc gọi được chấp nhận / tổng số các cuộc gọi

Tỉ lệ Bit lỗi được tính như sau :

số Bit lỗi / tổng số Bit đã phát

Thời gian trễ do đường truyền (tranfer delay) : được hiểu là thời gian để tất cả các Bit của 1 cell (53 byte ) truyền từ điểm này điến điểm kia Một vài thông số sau quyết định transfer delay :

các Bit

- Propagation delay : thời gian lan truyền trên dây dẫn

được điểm đến

Cell Delay Variation (CDV): Độ sai lệch về thời gian trễ của các Cell Delay CDV đặc biệt cần chú trọng đối với dịch vụ thoại (speech)

Bảng sau cho biết vài giá trị CDV của vài dịch vụ

Variation) ms Hội nghi video ,

0.8 1

Bảng1.11 : Giá trị CDV của một vài dịch vụ

Trong tất cả các tham số đã được mô tả ở trên Propagation delay và cell loss do lỗi trong trường mào đầu trong suốt quá trình truyền góp phần làm giảm QOS ; Tuy

nhiên , nó không phụ thuộc vào loại lưu thoại

CHƯƠNG II LOGIC MỜ & ĐIỀU KHIỂN MỜ

I.Giới thiệu logic mờ (fuzzy logic) :

Nền móng của toán học và logic kinh điển được xây dựng nhờ Aristotle và

các nhà triết học kế thừa Họ đã đặt nền móng cho thuyết logic và sau này làø toán

học qua tác phẩm “Các luật của suy nghĩ” (“Laws of thought”) Một trong những

luật này là mọi mệnh đề chỉ có thể là đúng (true) hoặc sai (false) Tuy vậy ngay

khi luật này được đưa ra (khoảng 300 năm trước công nguyên) đã có ý kiến phản

đối ví dụ như Heraclitus cho rằng có những điều có thể vừa đúng và vừa không

đúng

Plato là người đầu tiên xây dựng nền tảng cho logic mờ (fuzzy logic) sau

này Ông cho rằng còn có một vùng thứ ba tồn tại giữa vùng đúng và vùng sai

Trong vùng đó các giá trị đúng và sai trộn lẫn lộn nhau không phân biệt được Tuy

nhiên Lukasiewicz là người đầu tiên vào đầu những năm 1900 đưa ra khái niệm

logic 3 giá trị Giá trị thứ 3 được gọi là “có thể” (possible) Về sau ông phát triển

lý thuyết của mình thành logic có vô hạn giá trị (infinite-valued logic), rồi kế đến

là logic có bốn giá trị

Vào 1965 Lotfi A Zadeh công bố các nghiên cứu của mình về lý thuyết tập

mờ, trong đó ông đưa ra khái niệm hàm thành viên (membership function) lấy giá

trị từ 0 đến 1 Ông quan niệm rằng có rất nhiều tập hợp được định nghĩa với đường

biên phân biệt Ông mở rộng logic kinh điển hai giá trị {0, 1} thành miền liên tục

[0, 1] Zadeh được xem như cha đẻ của logic mờ

Trong phần sau của chương này ta sẽ không đi sâu trình bày về logic mờ mà

chỉ tập trung giới thiệu ứng dụng của logic mờ vào điều khiển Chi tiết về lý

thuyết fuzzy logic được trình bày khá đầy đủ trong tài liệu tham khảo về fuzzy

logic ở phần tài liệu tham khảo Sau đây là một số khái niệm cơ bản :

- Tập mờ (Fuzzy Set) : Zaded đề nghị khái niệm mức độ thành viên (grade

of membership) , trong đó định nghĩa việc chuyển từ thành viên sang không là

thành viên diễn ra từ từ chứ không phải đột ngột Mức độ thành viên có giá trị từ

0 đến 1

- Không gian(Universe) : các phần tử của tập Fuzzy được lấy ra từ không

gian ngôn từ hay còn được gọi tắt là không gian Trước khi thiết kế một hàm

thành viên ta phải khảo sát không gian giá trị của các biến ngôn ngữ đầu vào , ra

- Hàm thành viên (membership function) : hay còn gọi là hàm phụ thuộc

Mỗi phần tử trong không gian ngôn từ là một thành viên của tập mờ (fuzzy set)

Hàm số biểu diễn giá trị tương ứng với mỗi phần tử không gian được gọi là hàm

thành viên μ(x) Hàm thành viên có thể được thể hiện ở dạng liện tục chay rời rạc

Ở dạng liên tục hàm thành viên được thể hiện là hàm số tóan học như hàm có

dạng hình tam giác , hình thang …Ở dạng rời rạc hàm thành viên và không gian

ngôn từ có dạng một dãy các điểm rời rạc

- Sự chuẩn hóa(standardiazation) : Một tập mờ được chuẩn hóa nếu giá trị

lớn nhất của hàm thành viên bằng 1 Ta có thể thực hiện chuẩn hóa bằng cách

chia mỗi giá trị thành viên cho giá trị thành viên lớn nhất trong tập mờ

- Singleton : Một tập fuzzy A được xem như là tập hợp các cặp giá trị sau:

A = {(x, μ(x))} Trong đó x thuộc không gian nền X và μ(x) là mức độ thành viên

của x trong A Một cặp giá trị (x, μ(x)) được gọi là một fuzzy singletone Như vậy

tập mờ được xem như là kết hợp của nhiều singletone cấu thành

- Biến ngôn ngữ : (liguistic variable) : là các thành phần ngôn ngữ mô tả

cùng một ngữ cảnh được kết hợp lại tạo thành Theo Zadeh các biến ngôn ngữ có

giá trị là các từ hay câu trong ngôn ngữ tự nhiên Tập các giá trị mà các biến ngôn

ngữ có thể lấy gọi là tập giới hạn (term set) Mỗi giá trị trong tập giới hạn là một

biến mờ (fuzzy variable) được định nghĩa trên các biến cơ sở (basic variable) Các

biến cơ sở định nghĩa không gian ngôn từ cho các biến mờ trong tập giới hạn Ví

dụ : x là biến ngôn ngữ có tên là ‘tốc độ’thì các giá trị của biến này có thể lấy từ

tập giới hạn T = {rất chậm , chậm , trung bình , nhanh , rất nhanh}; là các biến mờ

được định nghĩa bằng các biến cơ sở , với các biến cơ sở lấy giá trị từ 0 -> 100

- Từ bổ nghĩa(Modifier) : trong ngôn từ từ bổ nghĩa tác động lên câu và làm

thay đổi hoặc bổ sung thêm ý nghĩa của một câu hoặc từ nào đó Ví dụ từ rất gần

0 , từ rất bổ sung thêm ý nghĩa gần 0 và nhấn mạnh lên mức độ tiến đến 0 của sự

kiện

- Từ nối(connectons) : Trong ngôn ngữ tự nhiên hàng ngày cũng như trong

toán học người ta sử dụng từ nối để nối các câu , các từ như : nếu …thì , và , hoặc ,

không …

- Aån ý (Implication) :

Trong ví dụ sau : nếu nhiệt độ phòmg cao thì tăng độ lạnh của máy lạnh

Ta thấy giá trị nhiệt độ phòng ngụ ý giá trị của độ lạnh của máy lạnh Trong các

bộ điều khiển logic (fuzzy) thường sử dụng ấn ý Mamdani Aån ý Mamdani được

mô tả định nghĩa như sau :

+Giả sử a và b là 2 tập mờ , không nhất thiết phải có cùng không gian thì ẩn

ý Mamdani được định nghĩa như sau : a ⇒ b ≡ a o.min b

Trong đó o.min được định nghĩa là tích ngòai (outer product) ,áp dụng toán tử min

cho mỗi phần tử caresian của a và b

+Giả sử a vector cột , b là vector hàng ta có outer min product tạo thành bảng tích (multiplication) như sau

… …

- Mờ hóa : Việc ấn định các giá trị dựa vào trực giác hay các thuật toán toán

tử logic Có các phương pháp mờ hóa cơ bản sau :

Trực giác Suy luận Sắp xếp thứ tự Tập mờ gốc Mang nueron Các thuật tóan di truyền Lập luận qui nạp

Chia mềm Luật meta Thống kê mờ

- Giải mờ(rõ hóa) : có các phương pháp giải mờ chính như sau :

+ Phương pháp cực đại : theo phương pháp này giá trị rõ y’ đại diện cho tập mờ phải có giá trị ‘xác suất’ thuộc tập mờ lớn nhất

+ Phương pháp điểm trọng tâm : phương pháp này cho kết quả y’ là hoành độ của điểm trọng tâm miền được bao bởi trục hoành và đường μ

Đây là phương pháp được sử dụng nhiều nhất Công thức xác định điểm

trọng tâm như sau :

μ

yy’ =Σ μ(yi) yi / Σ μ(yi)

Ngoài ra còn có các phương pháp sau :

+Phương pháp trung bình có trọng só : chỉ áp dụng cho hàm thành viên ngõ ra đối xứng

+ Phương pháp độ phụ thuộc trung bình tối đa

+Phương pháp trung bình tổng +Phương pháp trung tâm vùng lớn nhất +Phương pháp cận trái lớn nhất , cận phải lớn nhất ,

Suy luận mờ : Compositional rule of inference (CROI) cung cấp cơ chế suy

ra kết luận từ các luật nếu – thì

II Điều khiển mờ :

1.Hệ thống điều khiển tự động :

Một hệ thống điều khiển tự động bao gồm 3 phần chủ yếu: Thiết bị điều

khiển (TBĐK), đối tượng điều khiển (ĐTĐK), thiết bị đo lường Hình vẽ 2.1 trình

bày sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển tự động

Trong đó:

C: tín hiệu cần điều khiển, thường gọi là tín hiệu ra (output)

U: tín hiệu điều khiển

R: tín hiệu chuẩn tham chiếu (reference) thường gọi là tín hiệu vào (input)

N: tín hiệu nhiễu tác động từ bên ngoài vào hệ thống

F: tín hiệu hồi tiếp, phản hồi (feedback)

C

TBĐK ĐTĐK

TBĐLF

Hình 2.1: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển tự động

1.1Hệ thống điều khiển kín (closed loop control system)

Là hệ thống điều khiển có phản hồi (feedback) nghĩa là tín hiệu ra được đo

lường và đưa về thiết bị điều khiển Tín hiệu hồi tiếp phối hợp với tín hiệu vào để

tạo ra tín hiệu điều khiển Hình 2.1 chính là sơ đồ của hệ thống điều khiển kín

1.2 Hệ thống điều khiển hở(open control system)

Đối với hệ thống hở, khâu đo lường(thiết bị đo lường) không được dùng đến Mọi

sự thay đổi của tín hiệu ra không được phản hồi về thiết bị điều khiển Sơ đồ hình

2.2 là sơ đồ khối một hệ thống điều khiển hở

R

Hình 2.2: Hệ thống điều khiển hở

1.3 Phân loại hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển có thể phân loại bằng nhiều cách khác nhau Sau đây

là một số phương pháp phân loại:

1.3.1 Hệ tuyến tính và phi tuyến

Hầu hết các hệ thống vật lý đều là hệ phi tuyến, có nghĩa là trong hệ thống

có ít nhất một phần tử là phần tử phi tuyến (quan hệ vào ra là quan hệ phi tuyến)

Tuy nhiên, nếu phạm vi thay đổi của các biến hệ thống không lớn, để đơn giản

hóa quá trình tính toán, hệ thống có thể được tuyến tính hóa trong phạm vi biến

thiên của các biến tương đối nhỏ Đối với hệ tuyến tính, phương pháp xếp chồng

có thể được áp dụng

1.3.2Hệ bất biến và biến thiên theo thời gian

Hệ bất biến theo thời gian (hệ dừng) là hệ thống có các tham số không đổi

theo thời gian Đáp ứng của các hệ này không phụ thuộc vào thời điểm mà tín hiệu

vào được đặt vào hệ thống

1.3.3Hệ liên tục và gián đoạn theo thời gian

Trong hệ liên tục theo thời gian, tất cả các biến là hàm liên tục theo thời

gian Công cụ phân tích hệ thống liên tục là phép biến đổi Laplace hay Fourier

Trong khi đó, hệ gián đoạn là hệ thống có ít nhất một tín hiệu là hàm gián đoạn

theo thời gian Người ta phân biệt hệ thống gián đoạn gồm:

- Hệ thống xung: Hinh 2.3 mô tả hệ thống mà trong đó có một phần tử

xung (khóa đóng ngắt) hay là tín hiệu được lấy mẫu (sample) và giữ (hold)

c(t)

F(p)

e(t) r(t)

(-)

Đối tượng điều khiển

Hình 2.3: Hệ thống điều khiển xung

- Hệ thống số: là hệ thống rời rạc trong đó tín hiệu được mã

hóa thanh logic 1, 0 Đó là các hệ thống có các khâu biến đổi tương tự / số (A/D), số / tương tự (D/A) và để kết nối kết nối tín hiệu với máy tính số

Hình 2.4: Hệ thống điều khiển số

Công cụ để phân tích hệ thống gián đoạn là các phép biến đổi Laplace,

Fourier gián đoạn hay biến đổi Z

1.3.4 Hệ đơn biến và đa biến

Hệ đơn biến là hệ chỉ có một ngõ vào và một ngõ ra Công cụ để phân tích

và tổng hợp hệ đơn biến là lý thuyết điều khiển cổ điển Ví dụ: hệ điều khiển định

vị (vị trí)

Hệ đa biến là hệ có nhiều ngõ vào và nhiều ngõ ra Công cụ để phân tích

và tổng hợp hệ đa biến là lý thuyềt điều khiển hiện đại dựa trên cơ sở biểu diễn

hệ trong không gian trạng thái Ví dụ: hệ điều khiển quá trình (Process Control

System) gồm có điều khiển nhiệt độ và áp suất

1.3.5Hệ thống thích nghi và hệ thống không thích nghi

Hệ thống thích nghi là hệ thống hoạt động theo nguyên tắc tự chỉnh định,

trong đó hệ thống tự phát hiện những thay đổi của các tham số do ảnh hưởng của

môi trường bên ngoài và thực hiện việc tự điều chỉnh tham số của hệ để đạt được

chỉ tiêu tối ưu đề ra

1.3.6Hệ xác định (deterministic) và hệ ngẫu nhiên

Một hệ thống điều khiển là xác định khi đáp ứng đối với một ngõ vào nhất

định có thể được biết trước và lặp lại được Nếu không thỏa mãn 2 điều kiện trên,

hệ thống điều khiển là ngẫu nhiên

2 Cơ sở lý thuyết bộ điều khiển mờ

t u dt

y d t y t y t w dt

y d

n

t n

n

t n

trong đó t là thông số thời gian, u() là hàm ngõ vào, w[] là hàm tổng quát không

tuyến tính và y() là hàm đáp ứng hay ngõ ra của hệ thống Nếu ta định nghĩa các

hàm phụ như sau:

sau đó một phương trình bậc n có thể chuyển thành n phương trình bật nhất

trong đó x(t) là trạng thái hệ thống tại thời gian t (T là vector chuyển vị chuẩn), thì

n phương trình bậc nhất (t) (2.3) có thể kết hợp thành một phương trình vi phân

vector bậc nhất:

và ngõ ra y(t) cho bởi phương trình (t) (2.3) bằng:

Một cách tương tự, một hệ thống với p ngõ vào, m ngõ ra, và n trạng thái, theo

tổng quát, dùng các hàm giá trị vector f[] và g[] bằng:

trong đó u(t) và y(t) được định nghĩa như sau:

u(t) = [u1(t), u2(t), … , up(t)]T (2.10) y(t) = [y1(t), y2(t), … , ym(t)]T (2.11)

và là vector ngõ ra và ngõ vào tương ứng Vector các biến trạng thái x(t) được định

nghĩa bằng phương trình (2.4)

Việc mô tả các hệ vật lý dựa vào phương trình (2.8) và (2.9) là

các sự biểu diễn không gian trạng thái (state-space) và x1, x2, …, xn là các biến

trạng thái của hệ thống Trong trường hợp các hệ thời gian liên tục trong các

khoảng thời gian khác nhau không tuyến tính, phương trình (2.8) và (2.9)

x(t) = A x(t) + B u(t) (2.12)

trong đó các hằng số A, B, C và D là các ma trận hệ thống

Một hệ thống không tuyến tính bậc nhất một ngõ vào một ngõ ra được mô tả dùng

phương trình thời gian rời rạc:

trong đó xk+1, xk là các giá trị trạng thái tại khoản thời gian thứ k và k+1 và uk là

ngõ vào tại thời gian k

Một hệ thống bậc n một ngõ vào một ngõ ra có thể được viết theo dạng:

yk+n = f (yk, yk+1, … , yk+n-1, uk) (2.15)

và đối với hệ thống rời rạc bậc n nhiều ngõ vào và một ngõ ra:

y(k+n) = f(y(k), y(k+1), … , y(k+n-1), u1(k), u2(k), … , up(k)) (2.16)

2.2 Nhận dạng hệ thống

Vấn đề tổng quát của việc nhận dạng hệ thống vật lý dựa vào việc đo đạc

các ngõ vào, ngõ ra và các biến trạng thái để thu được các hàm f và g trong hệ phi

tuyến, và các ma trận hệ thống A, B, C và D trong các hệ tuyến tính Các giải

thuật tồn tại kết quả hội tụ thích ứng với các thông số hệ thống dựa vào các dữ

liệu theo các biến ngõ vào và ngõ ra Các hệ mờ và các mô hìnnh mạng neuron

nhân tạo giúp nhận dạng các hệ phi tuyến tính Trong chương 3 ta sẽ trình bày về

vấn đề nhận dạng dùng kỹ thuật mạng neuron và chương 3 sẽ trình bày kết hợp

mạng neuron với hệ điều khiển mờ

2.3 Thiết kế hệ điều khiển

Vấn đề tổng quát của việc thiết kế hệ điều khiển hồi tiếp nhằm đạt được

một cách tổng quát hàm giá trị vector phi tuyến h():

trong đó u(t) là ngõ vào thiết bị hay quá trình, r(t) là ngõ vào cho trước, và x(t) là

vector trạng thái Luật điều khiển hồi tiếp h giả sử làm hệ điều khiển hồi tiếp và

kết quả ổn định trong đặc tính vừa ý

Trong trường hợp hệ thời gian thay đổi với loại bộ điều khiển điều chỉnh, trong đó

ngõ vào cho trước là bất biến, điểm cốt lõi nhất của bộ điều khiển là dựa vào một

trong các mô hình tổng quát như sau:

• Đối với bộ điều khiển tích phân tỉ lệ PI:

u(t) = KP e(t) + KD e&(t) (2.22)

• Đối với bộ điều khiển đạo hàm tỉ lệ PD:

u(t) = KP e(t) + K1 ∫e )(t dt+K D e&(t) (2.23)

là lỗi ngõ ra, đạo hàm lỗi và tích phân lỗi tương ứng

Thiết kế hệ điều khiển nhằm đạt được

• Hàm phi tuyến tổng quát h() nếu hệ phi tuyến

• Các hệ số K1, KD, và KP, nếu hệ hồi tiếp ngõ ra

• Các hệ số k1, k2, …., kn nếu giám sát điều khiển hồi tiếp trạng thái hoàn toàn

trong hệ tuyến tính

2.4 Bề mặt điều khiển (hay bề mặt quyết định)

Ta có thể biểu diễn đồ họa quan hệ giữa các input và output bằng các

đường hay bề mặt đồ họa gọi là bề mặt điều khiển Khái niệm bề mặt điều khiển,

hay bề mặt quyết định, là trọng tâm trong phương pháp nghiên cứu các hệ điều

khiển mờ Hàm h là bề mặt phi tuyến P trong không gian n chiều Các hệ thống

tuyến tính với hồi tiếp trạng thái ngõ vào hay hồi tiếp trạng thái thì nó là một mặt

phẳng trong không gian n chiều Bề mặt này để điều khiển hay quyết định Mặt

điều khiển thể hiện tính động của bộ điều khiển và là bề mặt phi tuyến thay đổi

theo thời gian.Các hệ thống chuyên dụng dựa trên luật logic mờ sử dụng tập hợp

các câu điều khiển kiện mờ dựa vào cơ sở kiến thức chuyên môn để xấp xỉ và ước

lượng bề mặt điều khiển Mô hình thiết kế hệ điều khiển này dựa vào suy luận nội

suy (interpotative) và xấp sỉ (approximation) Các bộ dựa vào qui luật logic mờ

hay các bộ nhận dạng hệ thống, là các mô hình có dạng tự do Các hệ thống

chuyên dụng dựa vào logic mờ là các phép xấp xỉ hàm phi tuyến, và bất cứ hàm

phi tuyến có n biến độc lập và một biến thành viên nào có thể được xấp xỉ đến độ

chính xác mong muốn

Với trường hợp hai ngõ vào và một ngõ ra ta có dạng đồ thị vào - ra là mặt

phẳng, gọi là bề mặt điều khiển Sau đây là một ví dụ cho quan hệ giữa error E và

change in error CE là hai input và output là u tại ngõ ra Hình mặt là kết quả của

các luật mờ được đề cập ở phần trên

Hình 2.5 : Ví dụ về bề mặt điều khiển (control surface)

Có 3 nguyên nhân gây không tuyến tính trong trong bộ điều khiển mờ:

• Tập các luật mờ: rule base

• Máy suy luận inference engine

• Giải mờ

Về nguyên tắc ta vẫn có thể thiết kế được luật cơ sở sao cho là tuyến tính

Hình 2.6 : Bề mặt điều khiển (control surface) tuyến tính

3.Cấu trúc bộ điều khiển mờ (Fuzzy Logic Controller)

3.1 Bộ điều khiển mờ cơ bản :

Những thành phần cơ bản của một bộ điều khiển mờ bao gồm khâu Fuzzy

hoá, thiết bị thực hiện luật hợp thành và khâu giải mờ (hình 2.7) Một bộ điều

khiển mờ chỉ gồm ba thành phần như vậy có tên gọi là bộ điều khiển mờ cơ bản

Hình 2.7 : thành phần cơ bản bộ điều khiển mờ

Do bộ điều khiển mờ cơ bản chỉ có khả năng xử lý các giá trị tín hiệu hiện

thời nên nó thuộc nhóm các bộ điều khiển tĩnh Tuy vậy để mở rộng miền ứng

dụng của chúng vào các bài toán điều khiển động, các khâu động học cần thiết sẽ

được nối thêm vào bộ điều khiển mờ cơ bản (hình 2.8) Các khâu động đó chỉ có

nhiệm vụ cung cấp thêm cho bộ điều khiển mờ cơ bản các giá trị đạo hàm hay tích

phân của tín hiệu Cùng với những khâu động này, bộ điều khiển cơ bản sẽ được

gọi là bộ điều khiển mờ

Bộ điều khiển mờ cơ bản

∫ dt

d/dt

x(t)

Hình 2.8 : Bộ điều khiển mờ động

3.2 Nguyên lý điều khiển mờ:

Trước khi đi vào những ứng dụng cụ thể của bộ điều khiển mờ, hãy nghiên

cứu cấu trúc và nguyên lý làm việc của một hệ thống điều khiển mờ Trong hình

2.9 là một thống điều khiển tự động với bộ điều khiển mờ

Về nguyên tắc, hệ thống điều khiển mờ cũng không có gì khác với các hệ

thống điều khiển tự động thông thường khác Sự khác ở đây là bộ điều khiển mờ

làm việc có tư duy như “bộ não” dưới dạng trí tuệ nhân tạo Nếu khẳng định làm

việc với bộ điều khiển mờ có thể giải quyết được mọi vấn đề từ trước đến nay

chưa giải quyết được theo phương pháp kinh điển thì không hoàn toàn chính xác,

vì hoạt động của bộ điều khiển phụ thuộc vào kinh nghiệm và phương pháp rút ra

kết luận theo tư duy của con người, sau đó được cài đặt vào máy tính trên cơ sở

của logic mờ Hệ thống điều khiển mờ do đó cũng có thể coi như là một hệ thống

neuron (hệ thần kinh), hay đúng hơn là một hệ thống điều khiển được thiết kế mà

không cần biết trước mô hình của đối tượng