Thạc Sĩ Nghiên cứu đặc tính của trễ truyền thông trong hệ điều khiển phân tán

LỜI NÓI ĐẦU



Cơ sở lựa chọn đề tài và mục đích nghiên cứu

Ngày nay cùng với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật vi điều khiển là sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ phần mềm, kỹ thuật truyền số, chính sự phát triển mạnh mẽ đó đã tạo ra bước ngoặt tích cực cho các giải pháp đo lường và điều khiển.
Trong những năm 90 của thế kỷ 20, quá trình module hoá, phân tán điều khiển với mạng truyền thông kỹ thuật số phát triển mạnh mẽ và cho ra đời một thế hệ mới các hệ thống điều khiển – hệ thống điều khiển phân tán DCS. Cho tới ngày nay, điều khiển phân tán đã được sử dụng trong các hệ thống điều khiển truyền động và điều khiển chuyển động.
Các hệ thống truyền thông sử dụng bus truyền thông chung đã dần thay thế các hệ thống điều khiển truyền thông điểm – điểm trước đây, đã đem lại khả năng nâng cao hiệu suất, nâng cao tính linh hoạt, độ tin cậy của các hệ thống tích hợp đồng thời giảm được chi phí, thời gian lắp đặt, nâng cấp cũng như bảo trì. Tuy nhiên việc sử dụng hệ thống truyền thông bus chung đã nảy sinh khó khăn là các trễ truyền thông giữa các sensor, các cơ cấu chấp hành và bộ điều khiển. Trễ truyền thông này là do việc chia xẻ chung một phương tiện truyền thông, do thời gian tính toán cần thiết cho việc mã hoá/giải mã các đại lượng đo và thời gian xử lý truyền thông. Trễ truyền thông có tính ngẫu nhiên phụ thuộc vào giao thức truyền thông, phần cứng sử dụng và trạng thái của hệ thống mạng truyền thông. Trễ truyền thông sẽ lớn và mang tính bất định cao khi lưu lượng truyền thông lớn, đặc biệt là khi hệ thống mạng rơi vào trạng thái nghẽn mạng. Để đảm bảo sự ổn định cũng như đảm bảo chất lượng điều khiển của hệ thống điều khiển, việc nghiên cứu về trễ truyền thông trong hệ thống điều khiển là cần thiết.
Đề tài “Nghiên cứu đặc tính của trễ truyền thông trong hệ điều khiển phân tán” được lựa chọn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu về đặc tính trễ truyền thông trong các mạng truyền thông công nghiệp tiêu biểu và phân tích ảnh hưởng của trễ truyền thông tới chất lượng điều khiển của hệ thống điều khiển phân tán nói chung, điều khiển truyền động nói riêng.
Nội dung và phương pháp nghiên cứu

Nội dung luận văn với các đề mục và nội dung như sau :

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục hình vẽ Danh mục bảng biểu Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về mạng truyền thông trong hệ điều khiển phân tán

Chương 2: Giao thức mạng và các hệ thống mạng trong hệ điều khiển phân tán

Chương 3: Nghiên cứu trễ truyền thông trong các mạng truyền thông công

nghiệp tiêu biểu

Chương 4: Phân tích ảnh hưởng của trễ truyền thông trong hệ điều khiển truyền động nhiều trục
Kết luận và Kiến nghị.

Tài liệu tham khảo.

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Bùi Quốc Khánh, các thầy cô trong Khoa Điện và Khoa Sau Đại Học trường Đại học Công Nghiệp Thái Nguyên đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận văn.
Do kiến thức bản thân còn hạn chế nên luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong được sự góp ý của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp để
bản luận văn này được hoàn thiện hơn.



MỤC LỤC




TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU LỜI NÓI ĐẦU
CHưƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ
ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN


1.1. Tổng quan hệ về tự động hoá quá trình sản xuất và các hệ điều khiển 1

1.1.1. Mô hình phân cấp của hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất 1

1.1.2. Mạng truyền thông trong hệ thống điều khiển tự động 3

1.2. Truyền thông trong hệ điều khiển phân tán (DCS) 5

1.2.1 Khái quát chung về hệ DCS 5

1.2.1.1. Cấp chấp hành - cảm biến 5

1.2.1.2. Cấp điều khiển 7

1.2.1.3. Cấp vận hành, giám sát chỉ huy 7

1.2.1.4. Hệ thống quản lý thông tin 7

1.2.1.5. Chức năng của hệ DCS 8

1.2.2. Truyền thông trong hệ DCS 10

1.2.2.1. Ứng dụng mô hình chuẩn OSI trong mô hình bus trường của 10

hệ DCS

1.2.2.2. Phương pháp truyền thông trong hệ điều khiển chuyển động 11

1.2.2.3. Phương pháp truyền thông trong hệ điều khiển truyền động 17

phân tán

1.3. Trễ trong hệ điều khiển phân tán 18

1.4. Kết luận 19

TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN
2.1. Hệ thời gian thực và điều khiển thời gian thực 21

2.1.1. Hệ thời gian thực 21

2.1.2. Điều khiển thời gian thực 23

2.2. Giao thức mạng 26

2.2.1. Phương pháp CSMA/CD 28

2.2.2. Phương pháp chuyển thẻ bài (Token passing) 31

2.2.3. Phương pháp CSMA/AMP (CAN) 34

2.3. Một số hệ thống bus tiêu biểu sử dụng trong hệ DCS 36

2.3.1. PROFIBUS 36

2.3.1.1. PROFIBUS DP 37

2.3.1.2. PROFIBUS PA 38

2.3.1.3. PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification) 39

2.3.2. CAN 39

2.3.3. Ethernet 40

2.3.4. Fourdation Fieldbus 41

2.4. Đánh giá hiệu năng của mạng truyền thông 44

2.4.1. Hiệu suất của hệ thống mạng 45

2.4.2. Hệ số sử dụng đường truyền 45

2.4.3. Số lượng thông điệp không được truyền 46

2.5. Kết luận 46

CHưƠNG 3: NGHIÊN CỨU TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG MỘT SỐ 47

MẠNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP TIÊU BIỂU

3.1. Thời gian trễ trong truyền thông 47

3.1.1. Giới thiệu 47

3.1.2. Các thành phần của thời gian trễ 48

3.1.2.1. Thời gian tiền xử lý truyền thông trong nút truyền, Tpre 49

3.1.2.2. Trễ đo thời gian ở nút truyền, Twait 49


3.1.2.4. Trễ xử lý tại nút nhận, Tpost 52

3.1.2.5. Lược đồ thời gian của quá trình truyền thông 52

3.2. Trễ truyền thông trong mạng Ethernet 54

3.2.1. Cấu hình mạng truyền thông 54

3.2.2. Cấu hình mạng Ethernet sử dụng Switch 58

3.2.3. LAN Switch 60

3.2.4. Trễ truyền thông trong mạng Ethernet sử dụng LAN Switch 62

3.2.5. Nhận xét 74

3.3. Trễ truyền thông trong mạng CAN 75

3.3.1. Phát hiện lỗi và xử lý lỗi trong mạng CAN 75

3.3.2. Đặc điểm của trễ truyền thông trong mạng CAN 76

3.3.3. Trễ truyền thông trong trường hợp truyền lại 77

3.3.4. Nhật xét 78

3.4. Đánh giá ảnh hưởng của các thành phần trễ truyền thông 79

3.5. Kết luận 82

CHưƠNG 4: PHÂN TÍCH ẢNH HưỞNG CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG 83

TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG NHIỀU TRỤC

4.1. Hệ truyền động nhiều trục điều khiển vị trí 83

4.1.1. Hệ điều khiển servo 84

4.1.2. Bộ nội suy quỹ đạo 84

4.1.3. Điều khiển quá trình 85
4.1.4. Điều khiển liên kết chéo (cross-coupled control) 85

4.2. Hệ điều khiển truyền động nhiều trục điều khiển vị trí dùng mạng 89
truyền thông tương tự (analog)
4.2.1. Cấu hình của mô hình 89

4.2.2. Giới thiệu mô hình 90

4.2.2.1. Cụm điều khiển 90

4.2.2.2. Encoder 91


truyền thông Bus-CAN

4.3.1. Cấu hình mô hình 95

4.3.2. Đánh giá phương pháp truyền thông sử dụng CAN-Bus 96

4.4. Các phương pháp mô hình hoá trễ trong hệ thống điều khiển 98

4.4.1. Phương pháp xấp xỉ Padé 98

4.4.2. Mô hình hoá trễ truyền thông dùng xích Markov 99

4.5. Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng điều khiển 100

4.6. Phân tích sự ảnh hưởng của trễ truyền thông đến chất lượng điều khiển của hệ thống truyền động nhiều trục

4.6.1. Cấu hình của mô hình 102

4.6.2. Phân tích ảnh hưởng của trễ truyền thông đến chất lượng điều khiển của hệ thống

4.7. Kết luận 113

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 114

TÀI LIỆU THAM KHẢO