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

Equation Section (Next)Equation Chapter 2 Section 157
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI






NGUYỄN TRỌNG CÁC




PHƢƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG TRUYỀN THÔNG TIN
THỜI GIAN THỰC TRONG CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN





LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

HÀ NỘI - 2015

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI





NGUYỄN TRỌNG CÁC


PHƢƠNG PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG TRUYỀN THÔNG TIN
THỜI GIAN THỰC TRONG CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 62520203

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ


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

















HÀ NỘI - 2015

LỜI CAM ĐOAN
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







LỜI CẢM ƠN
Để có được thành quả này, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS. TS.
Nguyễn Văn Khang - người thầy không chỉ hướng dẫn trực tiếp về mặt khoa học mà còn
hỗ trợ về mọi mặt để tôi có thể hoàn thành bản Luận án này trong suốt quá trình làm
nghiên cứu sinh. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến TS. Nguyễn Xuân
Hùng - người thầy tuy không trực tiếp hướng dẫn nhưng luôn hết sức tận tình chỉ bảo, định
hướng và hỗ trợ kịp thời về mặt chuyên môn trong suốt quá trình thực hiện đề tài Luận án.
Tôi cũng xin cảm ơn Viện Điện tử Viễn thông và Viện Đào tạo Sau Đại học, Trường
Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, động viên và giúp đỡ tôi về mọi
mặt trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
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 tƣợng và phạm vi nghiên cứu của Luận án 3
4. Nội dung nghiên cứu của Luận án 4
5. Phƣơng 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 đƣợc của Luận án 6
CHƢƠNG 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 phƣơng 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 hƣớng nghiên cứu của tác giả 31
1.7. Kết luận Chƣơng 1 32
CHƢƠNG 2: GIAO THỨC ĐIỀU KHIỂN TRUY NHẬP ĐƢỜNG TRUYỀN SỬ
DỤNG SÁCH LƢỢC ƢU 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 lƣợc ƣu 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 Chƣơng 2 54
CHƢƠNG 3: BÙ TRỄ TRUYỀN THÔNG 55
3.1. Đặt vấn đề 55
3.2. Bù trễ sử dụng phƣơng 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 Chƣơng 3 75
CHƢƠNG 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 Chƣơng 4 88

KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 90
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO 93
PHỤ LỤC 98


i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt
Từ tiếng Anh đầy đủ
Nghĩa tiếng Việt
ACK
Acknowledge
Trường xác nhận
ADS
Asynchronous Dynamical System
Hệ thống động không đồng bộ
A/D
Analog/Digital
Tương tự/Số
ASIC
Application-Specific Integrated
Circuit
Vi mạch tích hợp chuyên dụng
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
EOF

End Of Frame
Trường kết thúc khung thông điệp
FP
Fixed Priority
Ưu tiên cố định
FIFO
First In First Out
Vào trước ra trước
ID
IDentifier
Định danh
IFAC
International Federation of
Automatic Control
Liên đoàn Quốc tế về điều khiển tự
động
ISO
International Standard
Organization
Tổ chức tiêu chuẩn hóa Quốc tế
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
INT
Interframe
Khoảng ngừng giữa hai thông điệp
LSB
Least Significant Bit
Bit có chỉ số thấp nhất
LMI
Linear Matrix Inequalities
Bất đẳng thức ma trận tuyến tính


ii

Chữ viết tắt
Từ tiếng Anh đầy đủ
Nghĩa tiếng Việt
LQG
Linear Quadratic Gaussian
Chuẩn toàn phương tuyến tính

LEF
Large Error First
Sai lệch lớn nhất đầu tiên
MAC
Medium Access Control
Điều khiển truy nhập đường truyền
MIMO
Multiple Input – Multiple Output
Nhiều đầu vào – nhiều đầu ra
MSB
Most Significant Bit
Bit có chỉ số cao nhất
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
Discard
Sai lệch lớn nhất đầu tiên loại bỏ khi
thử
NCS
Networked Control Systems
Hệ thống điều khiển qua mạng
NPC
Networked Predictive Control
Điều khiển dự báo qua mạng

OSI
Open System Interconnect
Kết nối hệ thống mở
PD
Proportional Derivative
Tỷ lệ đạo hàm
PI
Proportional Integral
Tỷ lệ tích phân
QoS
Quality of Service
Chất lượng dịch vụ
QoC
Quality of Control
Chất lượng điều khiển
O
Overshoot
Độ quá điều chỉnh
RM
Rate Monotonic
Lập lịch đơn điệu có tỷ lệ
SISO
Single Input – Single Output
Một đầu vào – một đầu ra
SOF
Start Of Frame
Khởi động khung thông điệp
t
r
Rise time

Thời gian lên
t
s
Settling time
Thời gian xác lập
TDMA
Time Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia thời gian
ZOH
Zero Order Hold
Khâu giữ bậc không








iii

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

iv

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


v

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



1

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.


2

 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].


3

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

4

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.


5

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. Phƣơng 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


6

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

7

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.


8

CHƢƠNG 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


9

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
Bộ điều khiển 1
Đối tượng vật lý
Bộ điều khiển 2 Bộ điều khiển n
Cơ cấu
chấp hành 1
Cơ cấu
chấp hành 2
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
Đối tượng vật lý

Mạng truyền thông
Cơ cấu
chấp hành 1
Cơ cấu
chấp hành 2
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.


10

G(s)
H(s)
G(s)
G
1
(s)
G
2
(s)
G
n

(s)
Máy tính
giám sát
Cảm biến 1
Cảm biến 2
Cảm biến n
Quá trình 1 Quá trình 2 Quá trình m
Bộ điều khiển 1
Bộ điều khiển 2
Bộ điều khiển i
1930
1950
1970
1980 1990
QoC
Lập lịch tác vụ
(QoC và QoS)
Lập lịch tác vụ và thông điệp
(QoC và QoS)
a)
b)
c)
d)
Điều khiển tương tự
Điều khiển số
1940 1960
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
hòa không khí, tự động hóa quá trình sản xuất.


11

- 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
ze
(1.1)
trong đó,
1,2
s
là hai điểm cực trội trong miền thời gian liên tục,
h
là chu kỳ lấy mẫu
và thường được chọn như sau [35]:

,
10 4
rr
tt
h
(1.2)
hoặc

12


0,1 0,6,
n
h


(1.3)
trong đó,
r
t
là thời gian lên (rise time),
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).
A
B C

h
A
h
B
h
C
Ra ngoài hệ thống điều khiển
Điều khiển liên tục
Điều khiển rời rạc
NCS
Hiệu suất
xấu hơn
Chu kỳ lấy mẫu nhỏ
Hiệu suất
tốt hơn
Xấu nhất
Tốt nhất
Chu kỳ lấy mẫu lớn
Không
chấp
nhận
Chấp
nhận
Tối ưu

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].
- Đối với trường hợp điều khiển liên tục: hiệu suất thu được là không đổi, độc lập với
chu kỳ lấy mẫu, giống như là một hàm bước nhảy đơn vị (giá trị tham chiếu đầu vào) trong
hệ thống tuyến tính bậc hai.

- Đối với hệ thống điều khiển rời rạc (điều khiển số): chu kỳ lấy mẫu có ảnh hưởng
đáng kể đến hiệu suất của hệ thống điều khiển. Hiệu suất của hệ thống điều khiển chỉ được
chấp nhận với chu kỳ lấy mẫu nhỏ
( ).
A
hh
Còn khi chu kỳ lấy mẫu lớn
()
A
hh
thì hiệu
suất sẽ bị suy giảm phụ thuộc vào băng thông của quá trình, nếu chu kỳ lấy mẫu quá lớn thì
sẽ không đáp ứng được các ràng buộc trong công thức (1.3) (ví dụ:
0,6).
n
h


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


13

chấp hành sẽ bị giới hạn về chia sẻ nguồn tài nguyên làm giảm QoS và QoC, hạn chế này
sẽ được khắc phục trong NCS.
- Đối với NCS: hiệu suất chỉ được chấp nhận trong khoảng B, C, sau đó xấu đi khi
chu kỳ lấy mẫu nằm ngoài khoảng B, C, điều này là do ảnh hưởng của trễ mạng và vấn
đề lập lịch tác vụ. Nếu chu kỳ lấy mẫu lớn

 
B
hh
thì trễ truyền thông sẽ lớn, khi trễ
truyền thông lớn hơn chu kỳ lấy mẫu thì gói dữ liệu có thể bị mất ở trên đường truyền;
ngược lại nếu chu kỳ lấy mẫu quá nhỏ
 
C
hh
thì không đủ thời gian để truyền các gói
tin, do đó gói dữ liệu có thể cũng sẽ bị mất ở trên đường truyền.
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 C
i
, C
j,
C
k

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.
Bộ điều khiển
u
k
D/A ZOH
Đối tượng
điều khiển
u(t)
Bộ cảm biến
A/D
r
C
j
C
k
C
i
h
y(t)
Cơ cấu chấp hành
Mạng truyền thông

ca

sc
y
k
y

k

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 C
i
và kết thúc tại C
k
. 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 C
i

sẽ gửi tín hiệu vừa được lấy mẫu đến máy tính C
j
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 C
k
thông qua mạng
truyền thông. Máy tính C
k
khi nhận được lệnh điều khiển sẽ áp dụng vào đối tượng điều
khiển. Việc truyền tin từ máy tính C
i
tới máy tính C
k
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.