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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NĂM 2015
MỤC LỤC
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
1. Tính cấp thiết của Luận án
MỞ ĐẦU
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.