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

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


TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

HÀ NỘI - 2015


Công trình này được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội




Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Văn Khang



Phản biện 1: GS.TS. Lê Hùng Lân
Phản biện 2: PGS.TS. Phan Hữu Huân
Phản biện 3: PGS.TS. Trương Vũ Bằng Giang


Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp
trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Vào hồi … giờ, ngày … tháng…. năm ……….




Có thể tìm hiểu Luận án tại:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam

1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của Luận án
Các hệ thống điều khiển phân tán (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 (Networked Control Systems, 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). Chính vì
vậy nghiên cứu về NCS là một lĩnh vực mới, cấp thiết, có tính thời sự và ứng dụng cao
trong thực tế 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).
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 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 dẫn đến sự tranh chấp giữa các thành
phần khác nhau trong hệ thống.
 Việc sử dụng mạng truyền thông chung làm nảy sinh những khó khăn mới đó là trễ
truyền thông. 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.
2. Mục đích nghiên cứu của Luận án
 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 giữa bù trễ truyền thông và lập lịch thông
điệp nhằm nâng cao đồng thời cả QoS và QoC với mong muốn có được một NCS hiệu
quả hơn.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của Luận án
Nội dung nghiên cứu của Luận án tập trung vào các hệ thống điều khiển qua mạng;
mạng CAN được xem xét nghiên cứu.
4. Nội dung nghiên cứu của Luận án
Chương 1 của Luận án trình bày tổng quan về NCS.
Chương 2 của Luận án trình bày về giao thức MAC sử dụng sách lược ưu tiên lai cho
các hệ thống điều khiển qua mạng CAN.
Chương 3 của Luận án nghiên cứu về bù trễ truyền thông.
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.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu của Luận án
 Phương pháp nghiên cứu tài liệu.
 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết.
 Thử nghiệm mô phỏng: 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.


2
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án
Về ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu về NCS là một lĩnh vực có ý nghĩa khoa học, mang
tính thời đại và có độ phức tạp cao nhằm kết nối giữa cộng đồng mạng và cộng đồng điều
khiển lại với nhau, mà trước đây hai lĩnh vực này thường được nghiên cứu độc lập 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.
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.

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN QUA MẠNG
1.1. Giới thiệu chung về NCS
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 (Hình 1.1c).

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

Hình 1.1c. Sơ đồ cấu trúc của NCS.
Mã căn cước
11(or 29)bits
r
1

r
0
DLC
4bits
Dữ liệu
(0, ,8) x 8bits
15bits
SOF RTR
Phân định
Phân định
Khe
Trường phân xử Trường điều khiển Trường dữ liệu Trường CRC ACK EOF
INT
Bus rỗiBus rỗi
Khung truy nhập mạng (khung thông điệp)

Hình 1.12. Cấu trúc định dạng khung truy nhập của mạng CAN.

1.2. Tổng quan về mạng CAN
1.2.1. Đặt vấn đề
Mạng CAN được phát triển lần đầu tiên tại hãng Robert Bosch (CHLB Đức) vào năm
1986. CAN là mạng truyền thông nối tiếp sử dụng phương tiện truyền thông là hai dây, chế
độ truyền song công; phù hợp với các ứng dụng tốc độ cao và với thông điệp ngắn; tốc độ
tối đa là 1 Mbps. CAN sử dụng phương pháp điều khiển truy nhập đường truyền CSMA/CA
(hoặc CSMA/AMP).


3
1.2.2. Giao thức điều khiển truy nhập đường truyền của mạng CAN
Định dạng khung truy nhập mạng của mạng CAN bao gồm 7 trường, thứ tự và kích

thước các trường được thể hiện trong Hình 1.12.
Trong cấu trúc định dạng khung truy nhập của mạng CAN, chúng ta thấy có một
trường gọi là mã căn cước (trường ID) dùng để phân xử truy nhập đường truyền. Các bit của
trường ID là 0 hoặc 1, bit 0 gọi là bit trội, bit 1 gọi là bit lặn; bit trội sẽ dành quyền ưu tiên
so với bit lặn. Một nút mạng muốn truyền dữ liệu thì sẽ phải đợi cho tới khi mạng rỗi và bắt
đầu truyền ID của mình theo quy luật từng bit một.
1.3. Kết luận Chƣơng 1
Xuất phát từ các ưu điểm của NCS, các đề xuất nghiên cứu của Luận án tập trung phát
triển các phương pháp này theo các hướng: cải thiện hiệu suất băng thông, nâng cao chất
lượng dịch vụ của mạng truyền thông (thuộc về cộng đồng mạng), nâng cao chất lượng điều
khiển của hệ thống điều khiển vòng kín (thuộc về cộng đồng điều khiển).

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
2.1. Đặt vấn đề
Giao thức MAC của mạng CAN sử dụng trong NCS hiện nay chủ yếu dựa vào sách
lược ưu tiên tĩnh, tức là mỗi nút mạng có một mức ưu tiên cố định (không thay đổi trong
suốt quá trình hệ thống làm việc). Việc sử dụng ưu tiên tĩnh có nhiều hạn chế do các luồng
dữ liệu trong NCS là đa dạng và có yêu cầu về ưu tiên truy nhập đường truyền thay đổi theo
thời gian. Chương này, sẽ phân tích và đề xuất một sách lược truy nhập đường truyền sử
dụng cơ chế 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 CAN.
2.2. Giao thức MAC với các sách lƣợc ƣu tiên khác nhau
2.2.1. Giao thức MAC với sách lược ưu tiên tĩnh
Mỗi nút mạng có một ưu tiên duy nhất để truy nhập đường truyền và không đổi trong
suốt quá trình hệ thống làm việc. Do đó, nếu nút mạng nào có ưu tiên thấp thì có thể không
đạt được QoS và QoC mong muốn.
Đáp ứng thời gian của các ứng dụng điều khiển quá trình gồm có hai giai đoạn: giai
đoạn quá độ (do thay đổi đầu vào hoặc ảnh hưởng của nhiễu) và giai đoạn xác lập (đạt được

sai lệch yêu cầu). Trong giai đoạn quá độ, các thông điệp cần được gửi đi nhanh nhất có thể
(tức là trễ thời gian nhỏ nhất) để có thể đạt được các yêu cầu về QoC (ví dụ như: sự ổn định,
sai lệch bám, độ quá điều chỉnh).

Ngược lại, trong giai đoạn xác lập thì thông điệp không có
yêu cầu lớn về tính khẩn cấp truyền tin mà chỉ cần đảm bảo được hạn chót (deadline) để
tránh xảy ra việc mất gói dữ liệu.
Có thể nhận thấy, sách lược ưu tiên tĩnh không thể đáp ứng được những yêu cầu về
tính khẩn cấp truyền tin của các ứng dụng điều khiển quá trình trong các hệ thống điều
khiển qua mạng. Do đó, việc sử dụng một sách lược ưu tiên “mềm dẻo” hơn là rất cần thiết.
2.2.2. Giao thức MAC với sách lược ưu tiên lai
a. Ý tưởng
Ý tưởng về sách lược ưu tiên lai là nhằm khắc phục những mặt hạn chế của sách lược
ưu tiên tĩnh, tức là mức ưu tiên của các nút mạng (hoặc luồng dữ liệu) có thể thay đổi được
tỉ lệ thuận với sự khẩn cấp truyền tin. Sự khẩn cấp truyền tin càng cao thì ưu tiên càng lớn
và ngược lại.
b. Cấu trúc trường ID
Chia trường ID (
n
bit) thành hai lớp nhỏ như trên Hình 2.4.


4
Lớp 1Lớp 2
MSB LSB
(n-m) bit
m bit

Hình 2.4. Cấu trúc của trường ID sử dụng sách lược ưu tiên lai.
trong đó, lớp 2 thể hiện tính khẩn cấp truyền tin của thông điệp và được gọi là lớp ưu

tiên động (ký hiệu là
_ );Prio dyn

lớp 1 (gồm
()nm
bit) là một ưu tiên cố định và duy
nhất, được xác định trước khi hệ thống làm viêc, lớp ưu tiên này được gọi là lớp ưu tiên tĩnh
(ký hiệu là
_ ),Prio sta

tính duy nhất của lớp 1 đảm bảo không có hai hay nhiều nút mạng
có cùng giá trị trường ID.
c. Đặc trưng của sự khẩn cấp truyền tin
Đặc trưng của sự khẩn cấp truyền tin được thể hiện thông qua các tham số điều khiển
cơ bản gồm sai lệch e và tín hiệu điều khiển u.
d. Tính toán lớp ưu tiên động
Tính toán lớp ưu tiên động được thực hiện bởi bộ điều khiển thông qua hàm số như
trên Hình 2.5 và trong công thức (2.1) và (2.2).
Prio_dyn
0
e
max
e
f(e)
Prio_dyn
max
0
u
max
u

f(u)
Prio_dyn
max
Prio_dyn

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

max
max
max
max
max
_ , 0 ,
()
_ , ,
e
Prio dyn e e
e
fe
Prio dyn e e








(2.1)

max
max
max
max
max
_ , 0 ,
()
_ , ,
u
Prio dyn u u
u
fu
Prio dyn u u








(2.2)
trong đó, e
max
và u
max
là giá trị lớn nhất của e và u khi phân tích ứng dụng điều khiển
trong miền thời gian rời rạc tại thời điểm đầu tiên.
e. Mã hóa mức ưu tiên vào trường ID
Gọi giá trị của lớp 1 là

_ID sta
và giá trị của lớp 2 là
_.ID dyn
Lớp ưu tiên động
gồm 11 bit cho phép biểu diễn 2
11
= 2048 mức ưu tiên từ 0 đến 2047. Mức ưu tiên động nhỏ
nhất là
min
_0Prio dyn 
ứng với trường
_ID dyn
gồm 11 bit lặn (bit 1), mức ưu tiên động
lớn nhất là
max
_ 2047Prio dyn 
ứng với trường
_ID dyn
gồm 11 bit trội (bit 0). Phương
trình mối quan hệ giữa giá trị (hệ thập phân) của
_ID dyn
và mức ưu tiên động như sau:

_ 2047 _ .ID dyn Prio dyn
(2.3)
f. Thực thi sách lược ưu tiên lai
Sơ đồ thực thi sách lược ưu tiên lai trên CAN được thể hiện như trên Hình 2.6.


5

hoặc Prio_dyn
k
hoặc Prio_dyn
max
Trường ID
u
k
Prio_dyn
k
Prio_sta
fca
Trường
dữ liệu
Đối tượng
điều khiển
Phân xử ưu
tiên thông điệp
x
k
u
k
r
Tính toán tín
hiệu điều khiển
x
k
Tín hiệu
đầu ra
Tính toán ưu tiên
động thông qua hàm

f(u), f(e)
ZOH
Bộ cảm biến
Bộ điều khiển
Tín hiệu điều khiển
Mạng CAN
D/A
A/D
Lấy mẫu biến trạng
thái x
Biến trạng thái
Ưu tiên động
u
k
u
k
x
k
Prio_dyn
k
Prio_dyn
k
Prio_dyn
k-1
Trường ID
x
k
Prio_sta
fsc
Trường

dữ liệu
f
ca
f
sc
Cơ cấu
chấp hành

Hình 2.6. Sơ đồ thực thi sách lược ưu tiên lai.
Quá trình thực thi sách lược ưu tiên lai như sau:
 Tại thời điểm
,
k
t
bộ cảm biến lấy mẫu biến trạng thái
k
x
và nhận giá trị ưu tiên động
gửi từ bộ điều khiển ở chu kỳ trước đó, sau đó bộ cảm biến sử dụng mức ưu tiên động
này để gửi thông điệp chứa
k
x

đến bộ điều khiển thông qua mạng CAN.
 Bộ điều khiển sau khi nhận tín hiệu
k
x
từ bộ cảm biến sẽ thực hiện tính toán tín hiệu
điều khiển
k

u

và tính toán
_
k
Prio dyn
và gửi thông điệp chứa những tín hiệu này lên
mạng CAN. Sau đó, cơ cấu chấp hành sẽ nhận giá trị
k
u
và áp dụng vào đối tượng điều
khiển, còn bộ cảm biến sẽ nhận
_
k
Prio dyn
để sử dụng trong chu kỳ tiếp theo.
2.3. Các vấn đề thực thi ứng dụng điều khiển quá trình trên mạng truyền
thông
2.3.1. Sơ đồ cấu trúc
Sơ đồ cấu trúc được thể hiện như trên Hình 2.7.
Bộ điều khiển
u
k
D/A ZOH
Đối tượng
điều khiển
u(t)
Bộ cảm biến
A/D
r

C
2
C
3
C
1
h
y(t)
Cơ cấu chấp hành
Mạng
CAN
f
ca
f
sc
u
k
y
k
y
k

Hình 2.7. Sơ đồ thực thi ứng dụng điều khiển quá trình qua mạng truyền thông.
Luồng dữ liệu từ C
1
đến C
2
là
sc
f

(tức là, luồng dữ liệu từ bộ cảm biến đến bộ điều
khiển), luồng dữ liệu từ C
2
đến C
3
CAN là
ca
f
(tức là, luồng dữ liệu từ bộ điều khiển đến cơ
cấu chấp hành). Tác vụ của luồng dữ liệu
sc
f
được kích hoạt theo thời gian (time-triggered),
còn tác vụ của luồng dữ liệu
ca
f
được kích hoạt theo sự kiện (event-triggered).
2.3.2. Trễ truyền thông
Trễ truyền thông trong NCS gồm hai thành phần: trễ thời gian để truyền thông điệp
của luồng
sc
f
(ký hiệu là
)
sc

và trễ thời gian để truyền thông điệp của luồng
ca
f
(ký hiệu là

).
ca

Do vậy, trễ truyền thông được tính theo công thức sau:


6

.
sc ca
  

(2.4)
2.3.3. Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng điều khiển
Trong nội dung nghiên cứu này sử dụng tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian
và bình phương của sai lệch (ITSE) để đánh giá chất lượng điều khiển thông qua một hàm
chi phí được ký hiệu là
.J

J
được xác định như sau:

2
0
( ) .
T
J te t dt

(2.5)
Khi thực thi ứng dụng điều khiển quá trình thông qua mạng truyền thông thì tiêu chuẩn

đánh giá chất lượng điều khiển được xác định bởi công thức sau:

0
00
% %,
JJ
J
JJ



(2.6)
trong đó,
0
J
là hàm chi phí của hệ thống điều khiển rời rạc không nối mạng truyền
thông. Giá trị của
0
JJ

% càng lớn thì QoC càng kém và ngược lại.
Ngoài ra, độ quá điều chỉnh và đáp ứng thời gian cũng được xem xét để đánh giá QoC.
2.3.4. Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng dịch vụ
QoS được xem xét và đánh giá thông qua giá trị trung bình của trễ truyền thông trong
các chu kỳ. Gọi
i


là trễ truyền thông trong chu kỳ lấy mẫu
i

h
và
n
là số chu kỳ trong thời
gian xác lập. Chúng ta có trễ thời gian trung bình trong toàn bộ chu kỳ lấy mẫu là:

1
1
.
n
i
i
n




(2.7)
2.3.5. Điều kiện thực thi trên mạng CAN
 Xem xét thực thi với 8 ứng dụng điều khiển quá trình thông qua mạng CAN, được ký
hiệu lần lượt là P
1
, P
2
,…, P
8
; các luồng dữ liệu
sc
f
là đồng bộ và có cùng chu kỳ lấy

mẫu
.h

 Tốc độ bit trong lớp vật lý của CAN: đối với bài toán dựa trên mô hình hàm truyền đạt
là 250 kbit/s, đối với bài toán dựa trên mô hình không gian trạng thái là 125 kbit/s.
 Chiều dài của khung truy nhập mạng CAN
150L 
bit.
 Xem xét với sách lược ưu tiên tĩnh: để đảm bảo trễ truyền thông là nhỏ nhất chúng ta
cần có:

1 2 8
1 2 8
_ _ _
_ _ _ .
fca fca fca
fsc fsc fsc
Prio sta Prio sta Prio sta
Prio sta Prio sta Prio sta
   
   


(2.8)
2.4. Thực thi ứng dụng điều khiển quá trình sử dụng mô hình hàm truyền đạt
và mô hình không gian trạng thái
2.4.1. Thực thi ứng dụng điều khiển sử dụng mô hình hàm truyền đạt
a. Sơ đồ cấu trúc
Sơ đồ cấu trúc của một hệ liên tục không nối mạng được thể hiện như trên Hình 2.9.
R(s)

+
_
K(1+sT
d
)
Bộ điều khiển
G(s)
Đối tượng
điều khiển
E(s)
U(s)
Y(s)

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


7
Đối tượng điều khiển là động cơ điện một chiều có hàm truyền đạt như sau: G(s) =
1000/s(2s + 1). Bộ điều khiển được sử dụng là bộ điều khiển
PD
có hàm truyền đạt là:

(1 ),
d
PD K sT
(2.10)
với góc pha ban đầu là 50
0
, chúng ta tìm được tham số T
d

= 0,0509 s và K = 0,6598.
b. Xác định hàm truyền của hệ thống điều khiển vòng kín
Hàm truyền đạt của hệ thống điều khiển vòng kín là:

2
500 (1 )
( ) ,
(0,5 500 ) 500
d
d
K T s
Fs
s KT s K


  
(2.13)

2
22
(1 )
( ) ,
2
nd
nn
Ts
Fs
ss

 




(2.14)
đồng nhất đa thức mẫu số trong công thức (2.13) và (2.14), chúng ta tìm được các
tham số
18,16
n


rad/s,
0,48


và sai lệch
0.e 

c. Chọn chu kỳ lấy mẫu
Trong nghiên cứu này xem xét với
10h 

ms.
d. Tính toán luật điều khiển
Luật điều khiển được tính toán theo công thức như sau:

11
,
( ),
.
kk

dd
k k k k
dd
k k k
P Ke
T NKT
D D e e
Nh T Nh T
u P D





  






(2.16)
e. Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng điều
khiển
Chất lượng của hệ thống điều khiển
vòng kín được xác định thông qua các tham
số gồm: thời gian xác lập tại 2% là
382
s
t 

ms, độ quá điều chỉnh là
38,17 %.O 
Đồ thị đáp ứng thời gian được
thể hiện ở trên Hình 2.10.
Dựa trên các số liệu đã được xác định
ở trên, chúng ta tìm được giá trị của
0
J
là
0
0,001962.J 
J
0
sẽ được xem xét như là
một giá trị tham chiếu cho toàn bộ nội dung
nghiên cứu.
2.4.2. Thực thi ứng dụng điều khiển
sử dụng mô hình không gian trạng
thái
a. Sơ đồ cấu trúc
Sơ đồ cấu trúc của ứng dụng điều khiển quá trình
là một con lắc ngược gắn trên một xe đẩy được thể
hiện ở trên Hình 2.11. Các thông số được chọn như
sau: khối lượng của xe là
0,94M 
kg, khối lượng
của con lắc là
0,23m 
kg, chiều dài của con lắc là
0,3l 

m, gia tốc rơi tự do là
9,81g 
m/s
2
.
0 200 400 600 800 1000
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
y(t)


y(t)
r
Thêi gian (ms)
Hình 2.10. Đồ thị đáp ứng thời gian của
hệ rời rạc không nối mạng.

M

m
g
l
x

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



8
Mô hình không gian trạng thái của con lắc có dạng như sau:

0 1 0 0 0
1
0 0 0
,
0 0 0 1 0
( ) 1
0 0 0
1 0 0 0
.
0 0 1 0
T
x
mg
x
MM
xu
M m g
Ml Ml
y x x





   

   


   



   



   


   



   



   

   
















(2.17)
b. Xác định các tham số của hệ thống
điều khiển
- Chu kỳ lấy mẫu:
50h 
ms.
- Chất lượng của hệ thống điều
khiển vòng kín được xác định thông qua
các tham số gồm: hệ số tắt dần
0,707,



thời gian lên
=600
r

t

ms, tần
số riêng
1,8/ 3
nr
t


rad/s.
- Đồ thị đáp ứng thời gian được thể
hiện trên Hình 2.12. Từ Hình 2.12,
chúng ta xác định được thời gian xác lập
tại 2 % là
400
s
t 
ms, độ quá điều
chỉnh
5,04 %O 
.
c. Tính toán luật điều khiển
Luật điều khiển là một bộ điều
khiển phản hồi trạng thái trong miền
thời gian rời rạc, được xác định theo
biểu thức sau:

( ) ( ), 0,1,2, .
d
u k K x k k vv  

(2.18)
d. Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng điều khiển
Chất lượng của hệ thống điều khiển vòng kín với bài toán sử dụng mô hình không gian
trạng thái được đánh giá thông qua đáp ứng thời gian ở đầu ra y(t).
2.5. Đánh giá kết quả
2.5.1. Đánh giá kết quả với mô hình hàm truyền đạt
a. Đánh giá về chất lượng dịch vụ (QoS)
Các kết quả đánh giá QoS đối với sách lược ưu tiên tĩnh và sách lược ưu tiên lai được
trình bày trong Bảng 2.1 và Hình 2.13.
Nhận xét
 Đối với sách lược ưu tiên tĩnh (Bảng 2.1 và Hình 2.13), chúng ta thấy ứng dụng có ưu
tiên tĩnh càng cao thì trễ truyền thông càng nhỏ (P
1
có ưu tiên cao nhất nên có trễ
truyền thông nhỏ nhất và P
8
có ưu tiên thấp nhất nên có trễ truyền thông lớn nhất).
Điều này là hợp lý bởi ưu tiên càng cao tương ứng với cơ hội truy nhập đường truyền
càng nhanh.
 Đối với sách lược ưu tiên lai (Bảng 2.1 và Hình 2.13), chúng ta thấy trễ truyền thông
trung bình giữa các ứng dụng là cân bằng hơn so với sách lược ưu tiên tĩnh. Từ Bảng
0 1 2 3 4
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1

0.12
Thêi gian (s)
x

x (m),  (rad)
Hình 2.12. Đồ thị đáp ứng thời gian của hệ rời
rạc không nối mạng.



9
2.1, nu chỳng ta xột giỏ tr sai lch gia tr truyn thụng trung bỡnh ln nht
ax
()
m

v
nh nht
min
( ),

chỳng ta thy giỏ tr sai lch ca u tiờn lai l 3,04 ms vi
e
v 1,34
ms vi
u
thp hn rt nhiu so vi giỏ tr ny ca u tiờn tnh l 8,4 ms.
Bng 2.1. QoS thc thi vi 8 ng dng iu khin quỏ trỡnh (bi toỏn s dng mụ hỡnh hm
truyn t).

P
1
P
2

P
3

P
4

P
5

P
6

P
7

P
8

ax minm



Sỏch lc u tiờn tnh
1,2

2,4
3,6
4,8
6,0
7,2
8,4
9,6
8,4
Sỏch lc u tiờn lai
(tham s e)
3,67
4,24
4,73
5,29
5,86
6,21
6,49
6,71
3,04
Sỏch lc u tiờn lai
(tham s u)
4,73
4,87
5,01
5,58
5,65
5,51
5,79
6,07
1,34

0
2
4
6
8
10
12


Số l-ợng ứng dụng điều khiển quá trình

TB
(ms)
P
1
, , P
8
P
1
, , P
8
P
1
, , P
8
Ưu tiên tĩnh
Ưu tiên lai (tham số e)
Ưu tiên lai (tham số u)

Hỡnh 2.13. th so sỏnh QoS ca 8 ng dng iu khin quỏ trỡnh (bi toỏn s dng mụ

hỡnh hm truyn t).
b. ỏnh giỏ v cht lng iu khin (QoC)
QoC c xem xột v ỏnh giỏ i vi sỏch lc u tiờn tnh v sỏch lc u tiờn lai
c trỡnh by trong Hỡnh 2.15 v Hỡnh 2.16.
0
20
40
60
80
100
120


Số l-ợng ứng dụng điều khiển quá trình
P
1
, , P
8
P
1
, , P
8
P
1
, , P
8
J/J
0
(%)
Ưu tiên tĩnh

Ưu tiên lai (tham số e)
Ưu tiên lai (tham số u)

Hỡnh 2.15. th so sỏnh QoC ca 8 ng dng iu khin quỏ trỡnh (bi toỏn s dng mụ
hỡnh hm truyn t).


10
0 200 400 600 800 1000
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
y(t)
0 200 400 600 800 1000
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
y(t)

0 200 400 600 800 1000
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
y(t)
P
8
P
1
P
2
P
1
P
7
P
8
P
1
, P
2
, , P
8
Thêi gian (ms) Thêi gian (ms)

Thêi gian (ms)
a) S¸ch l-îc -u tiªn tÜnh
c) S¸ch l-îc -u tiªn lai
(tham sè u)
b) S¸ch l-îc -u tiªn lai
(tham sè e)

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).
Nhận xét
Đối với sách lược ưu tiên tĩnh QoC là hệ quả của QoS, QoS càng tốt thì QoC càng tốt
và ngược lại; còn đối với sách lược ưu tiên lai (với e và u) cũng cho các kết luận tương tự,
tức là từ sự cân bằng về QoS dẫn đến sự cân bằng về QoC. Cụ thể là: từ Hình 2.15 và Hình
2.16, chúng ta thấy đối với sách lược ưu tiên tĩnh, ưu tiên càng cao thì QoC càng tốt, ngược
lại đối với sách lược ưu tiên lai thì QoC giữa các ứng dụng điều khiển quá trình là cân bằng
hơn so với sách lược ưu tiên tĩnh. Do đó, nếu chúng ta có một giới hạn QoC yêu cầu thì sách
lược ưu tiên lai cho phép cài đặt được nhiều ứng dụng trên mạng hơn so với sách lược ưu
tiên tĩnh. Ví dụ: với yêu cầu ngưỡng không vượt quá 80 %, từ Hình 2.15 chúng ta thấy sách
lược ưu tiên tĩnh chỉ cho phép cài đặt được 6 ứng dụng điều khiển quá trình, ngược lại sách
lược ưu tiên lai cho phép cài đặt đến 8 ứng dụng điều khiển quá trình.
2.5.2. Đánh giá kết quả với mô hình không gian trạng thái
a. Đánh giá về chất lượng dịch vụ (QoS)
Các kết quả đánh giá về QoS đối với sách lược ưu tiên tĩnh và sách lược ưu tiên lai
được trình bày trong Bảng 2.3 và Hình 2.17.
Nhận xét
Ứng dụng có ưu tiên tĩnh càng cao thì trễ truyền thông càng nhỏ (P
1
có ưu tiên cao
nhất nên có trễ nhỏ nhất và P
8

có ưu tiên thấp nhất nên có trễ lớn nhất). Đối với sách lược
ưu tiên lai (với tham số
e
và
),u
trễ truyền thông trung bình giữa các ứng dụng là cân bằng
hơn so với ưu tiên tĩnh (Hình 2.17). Nếu chúng ta xét giá trị sai lệch giữa trễ truyền thông
trung bình lớn nhất
ax
()
m

và nhỏ nhất
min
( ),

chúng ta thấy giá trị sai lệch của ưu tiên lai là
8,5 ms với
e
và 3,4 ms với
u
thấp hơn nhiều so với giá trị này của ưu tiên tĩnh là 16,8 ms.
Bảng 2.3. QoS thực thi với 8 ứng dụng điều khiển quá trình (bài toán sử dụng mô hình
không gian trạng thái).


P
1
P
2

P
3

P
4

P
5

P
6

P
7

P
8

ax minm



Ưu tiên tĩnh
2,4
4,8
7,2
9,6
12
14,4

16,8
19,2
16,8
Ưu tiên lai
(tham số e)
5,9
7,7
9,2
10,4
13,7
12,3
14,4
10,3
8,5
Ưu tiên lai
(tham số u)
9,5
9,9
11,0
10,4
12
10,2
12,6
12,9
3,4


11
0
5

10
15
20
25


Số l-ợng ứng dụng điều khiển quá trình
P
1
, , P
8
P
1
, , P
8
P
1
, , P
8
Ưu tiên tĩnh
Ưu tiên lai (tham số e)
Ưu tiên lai (tham số u)

TB
(ms)

Hỡnh 2.17. th so sỏnh QoS ca 8 ng dng iu khin quỏ trỡnh (bi toỏn s dng mụ
hỡnh khụng gian trng thỏi).
b. ỏnh giỏ v cht lng iu khin (QoC)
QoC c xem xột v ỏnh giỏ i vi sỏch lc u tiờn tnh v sỏch lc u tiờn lai

ca 8 ng dng iu khin quỏ trỡnh thụng qua ỏp ng thi gian ca tớn hiu u ra c
trỡnh by trờn Hỡnh 2.18.
0 1 2 3 4
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0 1 2 3 4
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0 1 2 3 4
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08

0.1
0.12

P
1
P
1
P
8
P
8
P
1
Thời gian (s)
Thời gian (s)
b) Sách l-ợc -u tiên lai
(tham số e)
c) Sách l-ợc -u tiên lai
(tham số u)
P
8
x
x
x



x (m), (rad)
x (m), (rad) x (m), (rad)
Thời gian (s)

a) Sách l-ợc -u tiên tĩnh

Hỡnh 2.18. th ỏp ng thi gian thc thi vi cỏc sỏch lc u tiờn khỏc nhau trờn mng
CAN (bi toỏn s dng mụ hỡnh khụng gian trng thỏi).
Nhn xột
QoC khi thc thi sỏch lc u tiờn lai vi 8 ng dng iu khin quỏ trỡnh cng cho
kt qu l cõn bng hn (Hỡnh 2.18 (c)) so vi sỏch lc u tiờn tnh (Hỡnh 2.18 (a)). th
ỏp ng thi gian i vi sỏch lc u tiờn lai (Hỡnh 2.18 (b) v (c)) ớt dao ng hn so vi
sỏch lc u tiờn tnh (Hỡnh 2.18 (a)).


12
2.6. Kết luận Chƣơng 2
Chương này đã phân tích và đề xuất một sách lược truy nhập đường truyền của các nút
mạng sử dụng ưu tiên lai nhằm nâng cao QoS, từ đó nâng cao QoC cho các hệ thống điều
khiển sử dụng mạng CAN. Các kết quả tính toán thử nghiệm trên máy tính nhúng thông qua
phần mềm mô phỏng chuyên dụng TrueTime với 8 ứng dụng điều khiển quá trình qua mạng
CAN đều cho các kết luận tương tự như nhau, cụ thể là: trễ truyền thông trung bình giữa các
ứng dụng là cân bằng hơn so với sách lược ưu tiên tĩnh; sử dụng sách lược ưu tiên lai cho
phép cài đặt nhiều ứng dụng trên mạng hơn so với sử dụng sách lược ưu tiên tĩnh. Từ các
kết quả thu được cho thấy giao thức MAC của mạng CAN sử dụng với sách lược ưu tiên
tĩnh trong NCS hiện nay không thể đáp ứng được những yêu cầu về tính khẩn cấp truyền tin
cũng như những yêu cầu về QoS và QoC. Do đó, việc sử dụng một sách lược ưu tiên “mềm
dẻo” và linh hoạt hơn là rất cần thiết mà đã được trình bày ở trên.

CHƢƠNG 3: BÙ TRỄ TRUYỀN THÔNG
3.1. Đặt vấn đề
Mục đích của Chương này là phân tích và 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 cho trễ truyền thông này nhằm nâng cao QoC cho các hệ thống điều khiển qua
mạng. Quá trình bù trễ được thực hiện trực tuyến (online) tại bộ điều khiển trong mỗi chu
kỳ lấy mẫu.
3.2. Bù trễ sử dụng phƣơng pháp thiết kế đặt điểm cực
3.2.1. Ý tưởng chung
Khi thiết kế các hệ thống điều khiển vòng kín theo phương pháp đặt điểm cực, vị trí
của các điểm cực trong mặt phẳng phức được chia thành hai vùng: vùng của điểm cực trội
và vùng của điểm cực không quan trọng. Vùng của điểm cực trội dùng để đánh giá quá trình
quá độ của hệ thống điều khiển vòng kín; trong khi đó vùng của điểm cực không quan trọng
là để đảm bảo bộ điều khiển có thể được thực hiện với các thành phần vật lý. Nhiệm vụ của
thiết kế bộ điều khiển là giữ các điểm cực nằm trong vùng của điểm cực trội.
3.2.2. Trễ truyền thông
Trễ truyền thông gồm có 2 thành phần:
 Trễ thời gian do truyền thông điệp từ bộ cảm biến đến bộ điều khiển (ký hiệu là
)
sc


được tính toán trong mỗi chu kỳ, tính từ thời điểm lấy mẫu cho tới khi bộ điều khiển
nhận được thông điệp.
 Trễ thời gian do truyền thông điệp từ bộ điều khiển đến cơ cấu chấp hành (ký hiệu là
)
ca

được tính từ thời điểm bộ điều khiển gửi thông điệp cho tới khi cơ cấu chấp hành
nhận được thông điệp. Do đó, trễ
ca

gồm thời gian tính toán của bộ điều khiển, thời
gian chờ để truy cập đường truyền của các nút mạng (trong trường hợp đường truyền

đang bận) và thời gian truyền thông điệp ở trên mạng (ký hiệu là D
ca
).
Do đó, trễ truyền thông của một hệ thống điều khiển vòng kín là:
.
sc ca
  


3.2.3. Tính toán trễ truyền thông
Trễ truyền thông từ bộ cảm biến đến bộ điều khiển
sc

hoàn toàn có thể xác định được
bằng cách so sánh thời gian từ lúc bộ cảm biến lấy mẫu cho tới khi bộ điều khiển nhận được
thông điệp. Tuy nhiên, trễ truyền thông từ bộ điều khiển tới cơ cấu chấp hành
ca

thì chưa
thể xác định được do lúc này thông điệp từ bộ điều khiển chưa được truyền đi. Tuy nhiên,
bộ điều khiển có thể truyền thông điệp đi ngay lập tức khi có thông điệp cần truyền đi do
các giả thiết sau:


13
 Trễ tính toán trong bộ điều khiển có thể bỏ qua.
 Không xảy ra hiện tượng mất dữ liệu trên đường truyền.
Do đó, trễ
ca


được tính bằng thời gian truyền thông điệp ở trên mạng (D
ca
), thời gian
này dễ dàng tính được do đã biết trước chiều dài thông điệp và tốc độ truyền tin.
3.2.4. Các bước tiến hành bù trễ
 Bước 1: xác định các điểm cực mong muốn.
 Bước 2: tính toán trễ truyền thông.
 Bước 3: tính toán các tham số của bộ điều khiển theo giá trị trễ truyền thông sao cho
giữ nguyên được vị trí hoặc giá trị của các điểm cực như xác định ban đầu.
 Bước 4: tính toán tín hiệu điều khiển dựa trên các tham số điều khiển vừa tính được ở
bước trên và gửi tín hiệu điều khiển đến cơ cấu chấp hành qua mạng truyền thông.
3.2.5. Sơ đồ thực thi bù trễ truyền thông trên mạng CAN
Sơ đồ thực thi bù trễ truyền thông trên mạng CAN được thể hiện ở trên Hình 3.2.
Đối tượng
điều khiển
x
k
u
k
r
Tính toán tín
hiệu điều khiển
x
k
Tín hiệu
đầu ra
- Tính trễ truyền thông 
- Tính các tham số điều khiển
Bộ cảm biến
Bộ điều khiển

Tín hiệu điều khiển
Mạng CAN
D/A
A/D
Lấy mẫu
biến trạng thái x
Biến trạng thái được lấy mẫu
u
k
u
k
x
k
f
ca
f
sc
Cơ cấu
chấp hành
u
k
x
k
ZOH
Bù trễ theo phương pháp
thiết kế đặt điểm cực

Hình 3.2. Sơ đồ thực thi bù trễ truyền thông.
Quá trình thực thi bù trễ truyền thông như sau:
 Bộ cảm biến lấy mẫu biến trạng thái

x
và gửi thông điệp chứa biến trạng thái đã lấy
mẫu
k
x
lên mạng.
 Bộ điều khiển sau khi nhận x
k
sẽ thực hiện các bước như sau: tính toán trễ truyền thông

; tính toán các tham số của bộ điều khiển theo

; tính toán tín hiệu điều khiển u
k
; gửi
thông điệp chứa u
k
lên mạng.
 Cơ cấu chấp hành nhận
,
k
u
chuyển đổi
k
u
sang tín hiệu tương tự thông qua bộ chuyển
đổi số - tương tự (D/A), sau đó áp dụng vào đối tượng điều khiển.
3.3. Thực thi ứng dụng điều khiển quá trình sử dụng mô hình hàm truyền đạt
3.3.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển vòng kín
a. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển vòng kín khi tích hợp mạng truyền thông

Mô hình thực thi ứng dụng điều khiển quá trình thông qua mạng truyền thông với các
thành phần của trễ truyền thông được thể hiện ở trên Hình 3.4.
Hàm truyền đạt của hệ thống điều khiển vòng kín là:

2
2 2 2
500 (1 ) (1 )
( ) .
(0,5 500 ) 500 2
d n d
d n n
K T s T s
Fs
s KT s K s s

 


    
(3.2)
Công thức (3.2) là hàm truyền đạt dưới dạng bậc 2 chuẩn tắc. Hàm truyền đạt này có
hai điểm cực trội là đa thức của mẫu số, đó là:

2
1,2
1.
nn
pj
  
   

(3.3)


14
R(s)
+
_
K(1+sT
d
)
Bộ điều khiển
Đối tượng điều khiển
Y(s)
ca
s
e


sc
s
e


Thành phần
truyền thông
1000
()
(2 1)
Gs
ss




Hình 3.4. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển vòng kín với các thành phần trễ truyền thông.
Dùng phương pháp xấp xỉ Padé bậc nhất với các thành phần trễ, chúng ta có hàm
truyền đạt cuối cùng của hệ thống điều khiển vòng kín là:
 
32
3
500 (1 )(1 )(1 )
()
(0,5 500 ) (500 0,5 500 ) 500 (1 )
500 (1 )(1 )(1 )
.
( ) (1 )
d
dd
d
Ka sT s a s b
Fs
s a KT s KT a a K s Ka s b
Ka sT s a s b
f s s b
  


       

  



(3.5)
Từ công thức (3.5) chúng ta có 4 điểm cực (là đa thức của mẫu số) và 3 điểm không
(là đa thức của tử số). Các điểm cực là: 3 điểm cực
1 2 3
,,p p p
của đa thức
3
()fs

và điểm cực
4
2;
ca
p


các điểm không là:
1 2 3
1 , 2 , 2 .
d ca
z T z z

    

3.3.2. Phân tích thiết kế đặt cực
a. Ý tưởng
QoS được xem xét ở đây là trễ truyền thông

trong hệ thống điều khiển vòng kín.

Với trễ đo được tại mỗi chu kỳ lấy mẫu, chúng ta tính toán lại các tham số của bộ điều khiển
K
và
d
T
theo giá trị của trễ truyền thông

(tức là thực hiện công việc bù trễ).
K
và
d
T

được đặc trưng bởi hai điểm cực trội của hàm truyền đạt trong công thức (3.3), có nghĩa là
hai điểm cực
12
,pp
phải giữ vai trò chính; còn các điểm cực
34
,pp
cần phải được kiểm tra
bằng các điều kiện ràng buộc để xem có thể bỏ qua được không.
Thực tế, tử số của công thức (3.5) có 3 điểm không
1 2 3
,,z z z

do đó chúng ta phải đánh
giá ảnh hưởng của 3 điểm không này tới độ quá điều chỉnh.
b. Tính toán các tham số của bộ điều khiển
Từ công thức (3.5) chúng ta có:

32
3
( ) (0,5 500 ) (500 0,5 500 ) 500 .
dd
f s s a KT s KT a a K s Ka       
(3.6)
Mặt khác, hệ bậc 3 có phương trình đặc trưng với ba điểm cực được viết như sau:
3 2 2 2 2 2
3 1 2 3 3 3 3
( ) ( )( )( ) (2 ) (2 ) ( ) .f s s p s p s p s R p s Rp R I s R I p           
(3.7)
Đồng nhất hai công thức (3.6) và (3.7) chúng ta được:

3 2 2 2
3
2 2 2
22
3
3
(1 2 ) ( )
,
2
()
,
500
0,5 2
.
500
d

a R a R I a
p
a Ra R I
R I p
K
a
a p R
T
K

   


  






  




(3.8)
c. Điều kiện đối với các điểm cực không quan trọng
 Điều kiện
3
5,pR

khi và chỉ khi
26,08
sc ca
  
  
ms.
 Điều kiện
4
5,pR
khi và chỉ khi
45,87
ca


ms.


15
Những điều kiện trên luôn thỏa mãn bởi vì
()
sc ca


luôn nhỏ hơn
h
(với
10h 
ms).
Do đó, ảnh hưởng của các điểm cực
3

p
và
4
p
đến chất lượng của hệ thống điều khiển vòng
kín có thể được bỏ qua.
d. Ảnh hưởng của các điểm không
 Đối với những điểm không có giá trị âm:
0
z
có ảnh hưởng không đáng kể và có thể
được bỏ qua nếu thỏa mãn điều kiện:
00
5 5 43,58.
nn
zz
 
   

 Đối với những điểm không có giá trị dương: độ quá điều chỉnh được tính toán như sau:

2
()
2
1
00
2
1,
nn
Oe

zz


 




  


(3.9)
chúng ta thấy rằng nếu
0
21
n
z


và
 
2
0
1,
n
z


độ quá điều chỉnh có thể
được viết lại như sau:

2
1
,Oe






tức là chúng ta có độ quá điều chỉnh của hệ thống bậc
hai không có điểm không. Do đó chúng ta có thể xem xét rằng nếu
0
25
n
z


và
 
2
0
5
n
z


(những điều kiện này tạo ra
0
87,17)z 
thì những điểm không có giá trị dương

ảnh hưởng không đáng kể và có thể được bỏ qua.
Xem xét ba điểm không trong tử số của công thức (3.5):
 Điểm không có giá trị âm
2
2:z


vì
sc ca
  

nhỏ hơn h, do đó
2
2 0,01 200.z    
Chúng ta nhận thấy rằng
2
43,58,z 
do đó
2
z
có thể được bỏ qua.
 Điểm không có giá trị dương
3
2:
ca
z


vì
ca


nhỏ hơn h, do đó
3
2 0,01 200.z 

Chúng ta nhận thấy rằng rằng
3
87,17,z 
do đó
3
z
có thể được bỏ qua.
 Điểm không có giá trị âm
1
1
d
zT
: điểm không này được dựa trên tham số của bộ
điều khiển
.
d
T
Ảnh hưởng của
1
z
phụ thuộc vào giá trị của
d
T
, khi giá trị của
d

T
càng
cao thì càng có nhiều điểm không tiến về gốc tọa độ, dẫn đến độ quá điều chỉnh càng
tăng. Do đó, điểm không này có ảnh hưởng nhất định đến QoC.
e. Xem xét sự ổn định của hệ thống điều khiển vòng kín
Từ những phân tích ở trên, chúng ta thấy các điểm cực
1 2 3 4
, , ,p p p p
có phần thực luôn
âm. Tức là các điểm cực này luôn nằm ở phía bên trái của mặt phẳng phức, do đó hệ thống
điều khiển vòng kín luôn ổn định khi thực hiện bù trễ.
f. Một số chú ý đối với hàm truyền đạt của hệ thống điều khiển vòng kín
Từ công thức (3.5), hàm truyền đạt của hệ thống điều khiển vòng kín
()Fs
được viết
lại như sau:
1 2 3
3 1 2
3
500 (1 )(1 )(1 ) 500 (1 )(1 )(1 )
( ) .
( )( )( )(1 )
( )( )(1 )(1 )
dd
Ka sT s a s b Ka sT s b s b
Fs
s
s p s p s p s b
p s p s p s b
p

     

   
    
(3.10)
Từ công thức (3.8) chúng ta có
2 2 2
2
33
3
()
500
.
500 500
n
n
R I p p
Ka
K
a a p



     


Mặt khác, phương trình đặc trưng của hệ kín bậc 2 được viết như sau:
22
12
( )( ) 2 .

nn
s p s p s s
 
    
Do đó, biểu thức (3.10) được viết lại như sau:

2
22
3
(1 )(1 )(1 )
( ) .
( 2 )(1 )(1 )
nd
nn
sT s a s b
Fs
s s s p s b

 
  

   
(3.11)


16
Khi cỏc im cc
34
,pp
v cỏc im khụng

23
,zz
c b qua thỡ hm truyn t ca
h thng iu khin vũng kớn trong cụng thc (3.11) s l:

2
22
(1 )
( ) .
2
nd
nn
sT
Fs
ss





(3.12)
T cụng thc (3.12) chỳng ta nhn thy rng hm truyn t cú cựng dng vi hm
truyn t trong trng hp khụng ni mng truyn thụng (cụng thc (3.2)), nhng giỏ tr
ca
d
T
bõy gi thay i theo tr thi gian ti mi chu k.
3.3.3. Thc thi ng dng iu khin quỏ trỡnh qua mng CAN
a. Xem xột vi 8 ng dng iu khin quỏ trỡnh
Xem xột thc thi vi 8 ng dng iu khin quỏ trỡnh thụng qua mng CAN; tc bit

trong lp vt lý ca CAN c chn l 250 kbit/s, chiu di ca khung truy nhp mng
CAN l 150 bit. Cỏc kt qu i vi trng hp khụng bự tr v trng hp bự tr theo
phng phỏp thit k t im cc c trỡnh by trờn Hỡnh 3.7, Hỡnh 3.8.
Nhn xột
i vi trng hp khụng bự tr, ng dng cú u tiờn tnh cng cao thỡ QoC cng tt
(P
1
cú u tiờn cao nht nờn cú QoC tt nht v P
8
cú u tiờn thp nht nờn cú QoC kộm
nht). iu ny l hp lý bi u tiờn cng cao tng ng vi c hi truy nhp ng
truyn cng nhanh, tc l tr truyn thụng cng nh.
T Hỡnh 3.7, chỳng ta thy: vi trng hp bự tr trong c hai kờnh, kt qu ó c
ci thin QoC (J/J
0
%) l nh hn 38,62 % so vi trng hp khụng bự tr; khi thc
hin bự tr trong kờnh phn hi v bự tr trong c hai kờnh cho kt qu gn ging
nhau, iu ny l hp lý bi vỡ bi toỏn ang xột cú
ca

rt nh
( D )
ca ca


. Tng t,
nhỡn vo ỏp ng thi gian trờn Hỡnh 3.8 (a) v (d), chỳng ta cng nhn thy khi thc
hin bự tr trong c hai kờnh thỡ O
max
nh hn 7,53 % so vi trng hp khụng bự tr.

Tuy nhiờn, QoC gia cỏc ng dng khụng th ging ht nhau (Hỡnh 3.8 (d)) l do nh
hng ca im khụng
1
d
T
(tc l khi ng dng iu khin cú u tiờn cng thp thỡ
tr truyn thụng cng cao, tc l im khụng
1
d
T
s tin gn v gc ta ).
Chỳng ta cng lu ý rng, do nh hng ca im khụng
1,
d
T
do ú quỏ iu
chnh tt nht trong Hỡnh 3.8 (d)
max
( 49,28 %)O
vn ln hn quỏ iu chnh trong Hỡnh
2.10
( 38,17 %)O
ca h thng iu khin khụng cú ni mng.
0
20
40
60
80
100
120

J/J
0
(%)


P
1
P
2
P
3
P
4
P
5
P
6
P
7
P
8
Số l-ợng ứng dụng điều khiển quá trình
Không bù
Bù trong kênh truyền thẳng
Bù trong kênh phản hồi
Bù trong cả hai kênh

Hỡnh 3.7. th so sỏnh QoC ca 8 ng dng iu khin quỏ trỡnh.

17
0 200 400 600 800 1000
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
y(t)
0 200 400 600 800 1000
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
y(t)P
8
P
2
P
1
P
8

P
1
P
2
Thêi gian (ms)
Thêi gian (ms)
b) Bï trÔ trong kªnh truyÒn th¼ng
a) Kh«ng bï trÔ

0 200 400 600 800 1000
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
y(t)
0 200 400 600 800 1000
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6

y(t)
P
8
P
2
P
1
P
8
P
2
P
1
Thêi gian (ms) Thêi gian (ms)
c) Bï trÔ trong kªnh ph¶n håi
d) Bï trÔ trong c¶ hai kªnh

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).
3.4. Thực thi ứng dụng điều khiển quá trình sử dụng mô hình không gian
trạng thái
3.4.1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển
a. Đối tượng điều khiển
Đối tượng điều khiển là một con lắc ngược gắn trên một xe đẩy, xe đẩy có thể di
chuyển trên một đường phẳng nằm ngang có chiều dài giới hạn.
b. Hệ thống điều khiển phản hồi trong miền thời gian liên tục
Mô hình không gian trạng thái của con lắc trong miền thời gian liên tục có dạng:

( ) ( ) ( ),
( ) ( ) ( ).

x t Ax t Bu t
y t Cx t Du t






(3.13)
Luật điều khiển được tính toán như sau:

( ) ( ),u t Kx t
(3.14)
trong đó,
K
là ma trận phản hồi trạng thái ở miền thời gian liên tục, được thiết kế theo
phương pháp đặt điểm cực hoặc thiết kế theo phương pháp điều khiển tối ưu.
c. Hệ thống điều khiển phản hồi ở miền thời gian rời rạc không có trễ
Mô hình không gian trạng thái ở miền thời gian rời rạc không có trễ được mô tả như
sau:

( 1) ( ) ( ),
( ) ( ) ( ),
x k x k u k
y k Cx k Du k
    





(3.15)


18
trong đó,

và

là các ma trận trạng thái được xác định như sau:

,
Ah
e
(3.16)

0
.
h
As
e dsB

(3.17)
Luật điều khiển được tính toán như sau:

( ) ( ), 0,1,2, . .,
d
u k K x k k vv  
(3.18)
trong đó,
d

K
là ma trận phản hồi trạng thái ở miền thời gian rời rạc, được thiết kế theo
phương pháp đặt điểm cực hoặc thiết kế theo phương pháp điều khiển tối ưu.
d. Hệ thống điều khiển phản hồi ở miền thời gian rời rạc khi có trễ
Mô hình không gian trạng thái ở miền thời gian rời rạc với trễ

được mô tả như sau:

01
( 1) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 1),
( ) ( ) ( ),
x k x k u k u k
y k Cx k Du k

       




(3.19)
trong đó,
0
()


và
1
()



là các ma trận trạng thái được xác định như sau:

0
0
( ) ,
h
As
e dsB





(3.20)

()
1
0
( ) .
A h As
e e dsB






(3.21)
Mô hình không gian trạng thái trong công thức (3.19) được viết lại là:

10
( 1) ( ) ( ) ( )
( ).
( ) 0 0 ( 1)
x k x k
uk
u k u k I

   
      

      

      
(3.22)
Cũng tương tự như trên, để ổn định hệ thống điều khiển vòng kín thì bộ điều khiển
được sử dụng là bộ điều khiển phản hồi trạng thái, có phương trình như sau:

()
( ) ( ) ,
( 1)
d
xk
u k K
uk







(3.23)
trong đó,
()
d
K

là ma trận phản hồi trạng thái cũng được thiết kế theo phương pháp
đặt điểm cực hoặc thiết kế theo phương pháp điều khiển tối ưu.
3.4.2. Phân tích thiết kế đặt điểm cực
a. Ý tưởng
QoS được xem xét ở đây là trễ truyền thông

trong hệ thống điều khiển vòng kín.
Với trễ đo được tại mỗi chu kỳ lấy mẫu, chúng ta tính toán lại các ma trận trạng thái theo
giá trị của trễ truyền thông

(tức là thực hiện công việc bù trễ); tiếp theo là chọn hai điểm
cực trội
1,2
;p
sử dụng hàm Ackerman tìm được ma trận phản hồi trạng thái
.
d
K

b. Phân tích sự ổn định của hệ thống điều khiển vòng kín có trễ
Sự ổn định của hệ thống điều khiển vòng kín phụ thuộc vào ma trận vòng kín 
cl
. Với

mỗi ứng dụng điều khiển quá trình chúng ta sẽ có trễ thời gian

và
cl

tương ứng. Điều
kiện để hệ thống ổn định trong trường hợp này là:

ax
1
1,
k
m cl
k








(3.27)
trong đó,
max
()


là giá trị riêng lớn nhất của tích ma trận vòng kín của một ứng dụng
điều khiển quá trình tại mỗi chu kỳ k.

19
3.4.3. Thực thi ứng dụng điều khiển quá trình qua mạng CAN
Xem xét thực thi với 8 ứng dụng điều khiển quá trình thông qua mạng CAN, được ký
hiệu lần lượt là P
1
, P
2
,…, P
8
, tốc độ bit trong lớp vật lý của CAN được chọn là 125 kbit/s,
chiều dài của khung truy nhập mạng CAN là 150 bit.
Xem xét với sách lược ưu tiên tĩnh để làm tham chiếu so sánh với sách lược ưu tiên lai
đề xuất), tức là
__
fca fsc
Prio sta Prio sta
.
Các kết quả đối với trường hợp không bù trễ và trường hợp bù trễ theo phương pháp
thiết kế đặt điểm cực được trình bày trên Hình 3.11.
0 1 2 3 4
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1

0.12
0 1 2 3 4
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
x

Thêi gian (s)
P
8
P
1
x

a) Kh«ng bï trÔ
Thêi gian (s)
b) Cã bï trÔ
P
8
P
1
x (m),  (rad)
x (m),  (rad)

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).
Nhận xét
 Đối với trường hợp không bù trễ (Hình 3.11 (a)), ứng dụng có ưu tiên tĩnh càng cao thì
QoC càng tốt (P
1
có ưu tiên cao nhất nên có QoC tốt nhất và P
8
có ưu tiên thấp nhất
nên có QoC kém nhất). Điều này là hợp lý bởi ưu tiên càng cao tương ứng với cơ hội
truy nhập đường truyền càng nhanh, tức là trễ thời gian càng nhỏ.
 Đối với trường hợp bù trễ (Hình 3.11 (b)), chúng ta thấy kết quả đã được cải thiện hơn,
QoC (đáp ứng đầu ra) giữa các ứng dụng điều khiển dao động ít hơn so với trường hợp
không bù trễ. Tuy nhiên, QoC giữa các ứng dụng điều khiển không thể giống hệt nhau
là do thời gian phản ứng của các bộ điều khiển là khác nhau. Ví dụ: đối với P
1
, khi góc
của con lắc bị nghiêng 10
0
thì bộ điều khiển đã điều chỉnh; trong khi đó do P
2
bị trễ
nhiều hơn nên khi góc của con lắc bị nghiêng (ví dụ 20
0
) thì bộ điều khiển mới điều
chỉnh.
Chúng ta cũng lưu ý rằng, do thời gian phản ứng của các bộ điều khiển là khác nhau,
do đó độ quá điều chỉnh tốt nhất trong Hình 3.11 (b)
max
( 7,2 %)O 

vẫn lớn hơn độ quá điều
chỉnh trong Hình 2.12
( 5,04 %)O 
của hệ thống điều khiển không có nối mạng.
3.5. Kết luận Chƣơng 3
Nội dung của Chương này đã phân tích và đề xuất phương pháp tính trễ truyền thông
trong vòng kín dựa vào ưu tiên (sử dụng sách lược ưu tiên tĩnh) truy nhập đường truyền của
các nút mạng có kết hợp bù trễ sử dụng phương pháp thiết kế đặt cực nhằm nâng cao chất
lượng điều khiển cho các hệ thống điều khiển qua mạng CAN. Hai dạng bài toán điều khiển


20
quá trình khác nhau (bài toán điều khiển động cơ điện một chiều dựa trên mô hình hàm
truyền đạt và bài toán điều khiển con lắc ngược dựa trên mô hình không gian trạng thái) đã
được đề xuất và thực hiện. Các kết quả tính toán thử nghiệm trên máy tính nhúng
(Embedded PC) thông qua phần mềm mô phỏng chuyên dụng TrueTime với 8 ứng dụng
điều khiển quá trình qua mạng CAN đều cho các kết quả hợp lý và khả thi.

CHƢƠNG 4: ĐỒNG THIẾT KẾ GIỮA LẬP LỊCH THÔNG ĐIỆP VÀ BÙ TRỄ
TRUYỀN THÔNG
4.1. Đặt vấn đề
Chương này, đề xuất phương pháp đồng thiết kế giữa lập lịch thông điệp và bù trễ
truyền thông, tức là kết hợp đồng thời giữa lập lịch thông điệp (sử dụng sách lược ưu tiên
lai) và bù trễ truyền thông (sử dụng phương pháp thiết kế đặt điểm cực) nhằm cải tiến đồng
thời cả QoC của hệ thống điều khiển vòng kín và QoS của mạng truyền thông, với mục đích
là để có được một NCS hiệu quả hơn.
4.2. Đề xuất thực thi đồng thiết kế giữa lập lịch thông điệp và bù trễ truyền
thông
Sơ đồ thực thi đồng thiết kế trên mạng CAN được thể hiện như trên Hình 4.2.
Prio_dyn

max
Trường ID
u
k
Prio_dyn
k
Prio_sta
fca
Trường
dữ liệu
Đối tượng
điều khiển
Phân xử ưu
tiên thông điệp
x
k
r
Tính toán:
- Ưu tiên động: f(u), f(e)
- Trễ truyền thông 
- Các tham số điều khiển
- Tín hiệu điều khiển u
k
x
k
Tín hiệu
đầu ra
Bộ cảm biến
Bộ điều khiển
Tín hiệu điều khiển

Mạng CAN
D/A
A/D
Lấy mẫu
biến trạng thái x
Biến trạng thái được lấy mẫu
Ưu tiên động
u
k
u
k
x
k
Prio_dyn
k
Prio_dyn
k
Prio_dyn
k-1
Trường ID
x
k
Prio_sta
fsc
Trường
dữ liệu
f
ca
f
sc

C
2
C
1
Cơ cấu
chấp hành
C
3
ZOH

Hình 4.2. Sơ đồ thực thi đồng thiết kế giữa lập lịch thông điệp và bù trễ truyền thông.
Quá trình thực thi đồng thiết kế trong mỗi chu kỳ bắt đầu từ thời điểm
k
t

như sau:
- Bộ cảm biến lấy mẫu biến trạng thái
x
và nhận giá trị ưu tiên động gửi từ bộ điều
khiển ở chu kỳ trước đó (chu kỳ bắt đầu tại thời điểm
1k
t

), sau đó bộ cảm biến sử dụng mức
ưu tiên động này
1
( _ )
k
Prio dyn


để gửi thông điệp chứa
k
x
đến bộ điều khiển.
- Bộ điều khiển sau khi nhận tín hiệu
k
x
từ bộ cảm biến, sẽ thực hiện: tính mức ưu tiên
động
_
k
Prio dyn
dựa vào hàm; tính toán trễ truyền thông

và tính toán lại các tham số của
bộ điều khiển theo trễ truyền thông
,

tức là thực hiện bù trễ truyền thông; tính toán tín hiệu
điều khiển
k
u
; gửi thông điệp gồm tín hiệu điều khiển
k
u
và ưu tiên động
_
k
Prio dyn
lên

mạng.
- Cơ cấu chấp hành sẽ nhận giá trị
k
u
và áp dụng vào đối tượng điều khiển, còn bộ
cảm biến sẽ nhận
_
k
Prio dyn
để sử dụng cho chu kỳ tiếp theo (chu kỳ bắt đầu tại thời điểm
1
).
k
t


4.3. Thực thi ứng dụng điều khiển quá trình sử dụng mô hình hàm truyền đạt
Các kết quả đánh giá QoC của 8 ứng dụng điều khiển quá trình đối với trường hợp
không thực hiện đồng thiết kế và có thực hiện đồng thiết kế được trình bày trên Hình 4.4,
Hình 4.5 và Hình 4.6.


21
0
20
40
60
80
100
120

J/J
0
(%)


P
1
, , P
8
P
1
, , P
8
P
1
, , P
8
P
1
, , P
8
P
1
, , P
8
P
1
, , P
8
¦u tiªn tÜnh + Kh«ng bï trÔ

¦u tiªn lai (tham sè e) + Kh«ng bï trÔ
¦u tiªn lai (tham sè u) + Kh«ng bï trÔ
¦u tiªn tÜnh + Cã bï trÔ
¦u tiªn lai (tham sè e) + Cã bï trÔ
¦u tiªn lai (tham sè u) + Cã bï trÔ
Không thực hiện đồng thiết kế
Thực hiện đồng thiết kế

Hình 4.4. Đồ thị so sánh QoC của 8 ứng dụng điều khiển quá trình.
0 200 400 600 800 1000
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
time (ms)
y(t)
0 200 400 600 800 1000
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
time (ms)

y(t)
0 200 400 600 800 1000
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
time (ms)
y(t)
P
8
P
1
P
8
a) Static priority scheme
b) Hybrid priority scheme with e
c) Hybrid priority scheme with u
P
1
P
7
P
8
P
2
P

1
a) Sách lược ưu tiên tĩnh
b) Sách lược ưu lai (tham số e) c) Sách lược ưu lai (tham số u)
Thời gian (ms)
Thời gian (ms)
Thời gian (ms)

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).
0 200 400 600 800 1000
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
time (ms)
y(t)
0 200 400 600 800 1000
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
time (ms)

y(t)
0 200 400 600 800 1000
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
time (ms)
y(t)
P
1
P
8
P
1
P
8
P
2
P
8
P
7
P
1
c) Hybrid priority scheme with u
a) Static priority scheme b) Hybrid priority scheme with e

a) Sách lược ưu tiên tĩnh
b) Sách lược ưu lai (tham số e) c) Sách lược ưu lai (tham số u)
Thời gian (ms)
Thời gian (ms)
Thời gian (ms)

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).


22
Nhận xét
Nhìn vào Hình 4.4 chúng ta thấy khi thực thi các sách lược ưu tiên khác nhau có kết
hợp cả công việc bù trễ thì các kết quả đã được cải thiện hơn nhiều, QoC giữa các ứng dụng
điều khiển quá trình là thấp hơn (tức là tốt hơn) so với trường hợp không thực hiện đồng
thiết kế; cụ thể như sau:
 Với ưu tiên tĩnh: từ Hình 4.4, trường hợp thực hiện đồng thiết kế có (

J/J
0
)
max
nhỏ hơn
38,62 % so với trường hợp không thực hiện đồng thiết kế.
 Với ưu tiên lai (tham số e): từ Hình 4.4, trường hợp thực hiện đồng thiết kế có
(

J/J
0
)

max
nhỏ hơn 20,65 % so với trường hợp không thực hiện đồng thiết kế.
 Với ưu tiên lai (tham số u): từ Hình 4.4, trường hợp thực hiện đồng thiết kế có
(

J/J
0
)
max
nhỏ hơn 18,93 % so với trường hợp không thực hiện đồng thiết kế.
Từ Hình 4.6 chúng ta cũng nhận thấy khi thực hiện đồng thiết kế thì QoC (độ quá điều
chỉnh) giữa các ứng dụng điều khiển quá trình là thấp hơn (tức là tốt hơn) so với trường hợp
không thực hiện đồng thiết kế (Hình 4.5); cụ thể như sau:
 Với sách lược ưu tiên tĩnh: từ Hình 4.6 (a) có O
max
nhỏ hơn 7,53 % so với Hình 4.5 (a).
 Với sách lược ưu tiên lai (tham số e): từ Hình 4.6 (b) có O
max
nhỏ hơn 5,41 % so với
Hình 4.5 (b).
 Với sách lược ưu tiên lai (tham số u): từ Hình 4.6 (c) có O
max
nhỏ hơn 2,36 % so với
Hình 4.5 (c).
Tuy nhiên, QoC giữa các ứng dụng điều khiển không thể giống hệt nhau (Hình 4.6) là
do ảnh hưởng của điểm không
1
d
T
.

4.4. Thực thi ứng dụng điều khiển quá trình sử dụng mô hình không gian
trạng thái
Các kết quả đánh giá QoC của 8 ứng dụng điều khiển quá trình thông qua mạng CAN
khi không thực hiện đồng thiết kế và có thực hiện đồng thiết kế được thể hiện ở trên Hình
4.8 và Hình 4.9.
Nhận xét
Từ Hình 4.9 chúng ta thấy khi thực thi sách lược ưu tiên khác nhau có kết hợp cả công
việc bù trễ thì đáp ứng đầu ra dao động ít hơn và độ quá điều chỉnh nhỏ hơn so với trường
hợp không thực hiện đồng thiết kế (Hình 4.8); cụ thể là: từ Hình 4.9 (a) có O
max
= 7,2 % nhỏ
hơn so với Hình 4.8 (a) có O
max
= 7,6 %; từ Hình 4.9 (b) có O
max
= 7,2 % nhỏ hơn so với
Hình 4.8 (b) có O
max
= 7,6 %; từ Hình 4.9 (c) có O
max
= 7,02 % nhỏ hơn so với Hình 4.8 (c)
có O
max
= 7,2 %.
QoC đối với sách lược ưu tiên lai là cân bằng hơn so với sách lược ưu tiên tĩnh; tuy
nhiên, QoC giữa các ứng dụng điều khiển quá trình không thể giống hệt nhau là do thời gian
phản ứng của các bộ điều khiển là khác nhau.

4.5. Kết luận Chƣơng 4
Chương này đã phân tích và đề xuất đồng thiết kế giữa lập lịch thông điệp (sử dụng

sách lược ưu tiên lai) và bù trễ truyền thông (sử dụng phương pháp thiết kế đặt điểm cực)
nhằm nâng cao đồng thời cả QoS và QoC cho các hệ thống điều khiển qua mạng.
Hai dạng bài toán điều khiển quá trình khác nhau (bài toán dựa trên mô hình hàm
truyền đạt và dựa trên mô hình không gian trạng thái), sử dụng cả hai tham số điều khiển
khác nhau là sai lệch e và tín hiệu điều khiển u đã được đề xuất và thực hiện. Các kết quả
tính toán thử nghiệm trên máy tính nhúng (Embedded PC) thông qua phần mềm mô phỏng
chuyên dụng TrueTime với 8 ứng dụng điều khiển quá trình qua mạng CAN đều cho các kết
luận tương tự nhau đó là: cả QoS và QoC đồng thời được cải thiện và cho kết quả tốt.


23
0 1 2 3 4
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0 1 2 3 4
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1

0.12
0 1 2 3 4
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12

P
1
P
1
P
8
P
8
P
1
Thêi gian (s)
Thêi gian (s)
b) S¸ch l-îc -u tiªn lai
(tham sè e)
c) S¸ch l-îc -u tiªn lai
(tham sè u)
P
8

x
x
x



x (m),  (rad)
x (m),  (rad) x (m),  (rad)
Thêi gian (s)
a) S¸ch l-îc -u tiªn tÜnh

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).
0 1 2 3 4
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0 1 2 3 4
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
0.06

0.08
0.1
0.12
0 1 2 3 4
-0.04
-0.02
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
b) S¸ch l-îc -u tiªn lai
(tham sè e)
c) S¸ch l-îc -u tiªn lai
(tham sè u)
a) S¸ch l-îc -u tiªn tÜnh
P
8
P
1
P
8
P
1
P
8
P
1

Thêi gian (s)
Thêi gian (s)
Thêi gian (s)
x
x
x(m),  (rad) x(m),  (rad)
x(m),  (rad)
x




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).

KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN

Những điểm đáng chú ý về toàn bộ nội dung của Luận án
Toàn bộ các công việc trình bày trong Luận án này tập trung vào NCS nhằm nâng cao
QoS và QoC. 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. Trên thế giới, NCS đã trở thành một trong
những chủ đề nghiên cứu chính có tính thời sự và gia tăng mạnh mẽ trong cộng đồng nghiên
cứu ngày nay. Nghiên cứu thành công về NCS đã mở ra triển vọng mới 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
trong phân tích và thiết kế các hệ thống thông tin công nghiệp nói chung và truyền thông
công nghiệp nói riêng. Kết quả nghiên cứu góp phần bổ sung số lượng các giải pháp, đóng