Nghiên cứu điều khiển trễ trong hệ thống điều khiển phản hồi qua mạng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.61 MB, 115 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------
PHẠM NGỌC MINH
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TRỄ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN PHẢN HỒI QUA MẠNG
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 9.52.02.16
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ VÀ VIỄN THÔNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS. Thái Quang Vinh
Hà Nội - 2020
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được hoàn
thành dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Thái Quang Vinh. Các kết quả nêu trong
luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào
khác.
Tôi xin chịu trách nhiệm về những lời cam đoan của mình.
Hà nội, ngày
tháng
năm 2020
Tác giả
Phạm Ngọc Minh
LỜI CẢM ƠN
Luận án này được hoàn thành với sự nỗ lực không ngừng của tác giả và
sự giúp đỡ hết mình từ các thầy giáo hướng dẫn, bạn bè và người thân.
Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lời tri ân tới PGS.TS Thái Quang Vinh, thầy
giáo đã tận tình hướng dẫn tác giả hoàn thành luận án này.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo và cán bộ của Viện Công
nghệ thông tin, Học viện Khoa học và Công nghệ (Viện Hàn lâm Khoa học và
Công nghệ Việt Nam) đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo ra môi trường nghiên cứu tốt
để tác giả hoàn thành công trình của mình; cảm ơn các thầy, cô và các đồng
nghiệp ở các nơi mà tác giả tham gia viết bài đã có những góp ý chính xác để
tác giả có được những công bố như ngày hôm nay.
Tác giả xin cảm ơn tới Viện Công nghệ thông tin – Viện Hàn lâm Khoa
học và Công nghệ Việt Nam, các đồng nghiệp phòng Kỹ thuật điều khiển và Hệ
thống nhúng nơi tác giả công tác đã ủng hộ để luận án được hoàn thành đúng
thời hạn.
Cuối cùng, tác giả xin gửi tới bạn bè, người thân lời cảm ơn chân thành
nhất vì đã đồng hành cùng tác giả trong suốt thời gian qua.
Hà Nội,ngày tháng
năm 2020
Tác giả
Phạm Ngọc Minh
1
MỤC LỤC
MỤCLỤC
1
Danh mục các thuật ngữ......................................................................................................................................
4
Bảng các ký hiệu, từ viết tắt ................................................................................................................................
6
Danh sách bảng ................................................................................................................................................... 10
Danh sách hình vẽ............................................................................................................................................... 11
MỞ ĐẦU
13
CHƯƠNG1- TỔNG QUAN VỀ HỆTHỐNG ĐIỀU KHIỂN KẾTNỐI MẠNG.................... 19
1.1 Đặt vấn đề ...................................................................................................................... 19
1.2 Cấu hình hệ thống điều khiển kết nối mạng ............................................................... 21
1.2.1 Cấu hình tập trung ................................................................................. 22
1.2.2 Cấu hình phi tập trung ........................................................................... 23
1.2.3 Cấu hình phân tán .................................................................................. 24
1.3 Mô hình hệ thống điều khiển kết nối mạng truyền thông ......................................... 25
1.3.1 Mô hình của hệ thống ............................................................................ 25
1.4 Các vấn đề cần giải quyết của hệ thống điều khiển kết nối mạng thời gian thực ... 27
1.4.1 Sự chậm trễ do mạng gây ra .................................................................. 28
1.4.2 Bỏ gói dữ liệu ........................................................................................ 30
1.4.3 Rối loạn gói dữ liệu. .............................................................................. 30
1.4.4 Lỗi lượng tử hóa .................................................................................... 31
1.4.5 Cấu trúc liên kết mạng thời gian khác nhau .......................................... 31
1.4.6 Kênh mờ dần .......................................................................................... 32
1.4.7 Băng thông mạng thay đổi theo thời gian .............................................. 32
2
1.5
1.6
Mô hình hóa và phân tích độ trễ mạng ....................................................................... 33
Phương pháp lập lịch GSM cho hệ thống điều khiển kết nối mạng ........................ 36
1.7
Một số nghiên cứu trên thế giới về hệ thống điều khiển kết nối mạng .................... 39
1.8
Một số nghiên cứu trong nước về hệ thống điều khiển kết nối mạng...................... 40
1.9
Kết luận chương 1 ......................................................................................................... 43
CHƯƠNG2- MÔHÌNHTHU THẬPDỮLIỆUQUAMẠNG..................................................... 45
2.1
Mở đầu ........................................................................................................................... 45
2.2
Kiến trúc của hệ thống điều khiển kết nối mạng........................................................ 45
2.3
Ảnh hưởng thời gian trễ trong hệ thống điều khiển kết nối mạng ........................... 47
2.4
Phương pháp truyền dữ liệu đo và điều khiển qua mạng .......................................... 50
2.4.1 Hệ thống kết nối mạng từ nhiều nguồn khác nhau ................................ 50
2.4.2 Phương pháp kết nối thiết bị đo và điều khiển qua mạng ..................... 54
2.5
Kết luận chương 2 ......................................................................................................... 63
CHƯƠNG3- MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN BÙ TRỄ QUA MẠNG TRÊN CƠ SỞ HỆ LOGIC
MỜ
64
3.1
Ý tưởng .......................................................................................................................... 64
3.2
Bù trễ điều khiển qua mạng trên cơ sở hệ logic mờ .................................................. 64
3.3
Mô hình mạng với các nút lưu lượng .......................................................................... 67
3.3.1 Cấu trúc mạng với các nút lưu lượng .................................................... 67
3.3.2 Thời gian trễ và ước tính gói bị mất ...................................................... 71
3.4
Phương pháp điều khiển bù trễ trên cơ sở logic mờ .................................................. 74
3.4.1 Cấu trúc truyền dữ liệu qua mạng.......................................................... 74
3.4.2 Mô hình điều khiển robot omni qua mạng ............................................ 77
3
3.4.3 Mô hình toán học của robot Omni ......................................................... 79
3.4.4 Xây dựng luật điều khiển ....................................................................... 81
3.4.5 Cấu trúc điều khiển bù trễ qua mạng ..................................................... 83
3.4.6 Logic mờ để điều chỉnh các tham số điều khiển của robot Omni ......... 85
3.1. Kết luận chương 3 ......................................................................................................... 93
KẾTLUẬN 94
Danh mục các công trình của tác giả .............................................................................................................. 95
Tài liệu tham khảo .............................................................................................................................................. 97
4
Danh mục các thuật ngữ
Thuật ngữ tiếng Việt
Thuật ngữ tiếng Anh
Bộ điều khiển khả trình
Programmable Logic Controller
Hệ thống giám sát điều khiển và
thu thập dữ liệu.
Supervisory Control And
Data Acquisition
Giao thức giao diện đa điểm
Multi Point Interface
Môi trường ứng dụng Google
Google App Engine
Hệ thống điều khiển kết nối mạng
Network Control System
Thử một lần loại bỏ
Try Once Discard
Chất lượng dịch vụ
Quality of service
Chất lượng điều khiển
Quality of control
Bất đẳng thức ma trận tuyến tính
Linear Matrix Inequality
Quan sát nhiễu truyền thông
Communication Disturbance Observer
Hệ thống điều khiển kết nối
mạng phân tán
Distributed networked control system
Phần mềm trung gian lập lịch
Gain scheduler middleware
Nhiều đầu vào và nhiều đầu ra
Multiple-input and Multiple-output
Mạng điều khiển khu vực
Control Area Network
Mạng điều khiển và tự động tòa
nhà
Building Automation and
Control Network
5
Giao thức mạng điều khiển phân
tán theo tiêu chuẩn IEC 61158
Fieldbus
Chiến lược điều khiển tập trung
Centralized control scheme
Phương pháp điều khiển phi
tập trung
Decentralized control strategy
Mạng nơ ron hồi quy
Recurrent Neural Network
Khâu lưu giữ bậc 0
Zero-order Hold
Mô hình mờ Takagi-Sugeno-Kang
Takagi-Sugeno-Kang fuzzy model
Bộ điều chỉnh bậc hai tuyến tính
Linear Quadratic Regulator
Bộ điều khiển tỷ lệ-tích phân-vi
phân
Proportional Integral Derivative
Multi-Target Tracking
Bám đa mục tiêu
HyperText Transfer Protocol
Giao thức truyền dữ liệu siêu
văn bản
6
Bảng các ký hiệu, từ viết tắt
Ký hiệu, từ viết tắt
Diễn giải
PLC
Programmable Logic Controller
SCADA
Supervisory Control And Data Acquisition
MPI
Multi Point Interface
GAE
Google App Engine
NCS
Networked control systems
RCNS
Realtime Control Networks
TOD
Try Once Discard
QoS
Quality of service
QoC
Quality of control
LMI
Linear Matrix Inequality
CDOB
Communication Disturbance Observer
DNCS
Distributed networked control system
GSM
Gain scheduler middleware
MIMO
Multiple-input and Multiple-output
CAN
Control Area Network
BACnet
Building Automation and Control Network
RNN
Recurrent Neural Network
7
ZOH
Zero-order Hold
TSK
Takagi-Sugeno-Kang fuzzy model
LQR
Linear Quadratic Regulator
PID
Proportional Integral Derivative
MTT
Multi-Target Tracking
HTTP
HyperText Transfer Protocol
Ký hiệu
Ý nghĩa
Đơn vị
( x, y, )
Hệ tọa độ toàn cục (q)
Góc lệch của robot so hệ tọa độ gốc
Rad/s
vi
Vận tốc mỗi bánh
m/sec
ωi
Vận tốc góc mỗi bánh
fi
Lực kéo mỗi bánh
N
M
Khối lượng của robot
Kg
d
Khoảng cách tâm robot tới mỗi bánh
M
H
Ma trận chuyển đổi hệ trục tọa độ
vx
Vận tốc dài
m/s
v
Vận tốc pháp tuyến
m/s
Bán kính của bánh xe
M
R
rad/sec
y
8
M (q)
Ma trận khối lượng và momen quán tính
G(q)
Vector trọng lực, G ( q ) 0
d
e1
e2
Vector thành phần nhiễu bất định
Sai lệch bám quỹ đạo của robot
Sai lệch bám của vận tốc robot
Mô men quán tính của xe
J
Q
Biến khớp
Lực ma sát
F
N.m
N
Ma trận hệ số lực ma sát nhớt
C
G
Ma trận hệ số lực ma sát culomb
Đầu vào của bộ lọc thông thấp
Quỹ đạo đặt
x
1d
Thời gian trích mẫu
T
Hệ số của mặt trượt
eq
Tín hiệu điều khiển của hệ thống
Tín hiệu điều khiển giữ trạng thái của hệ thống hệ
thống trên mặt trượt
S
9
s
w
Tín hiệu điều khiển, lái trạng thái của hệ thống về
mặt trượt
c1 , c 2 , c 3
Hệ số của bộ điều khiển DSC
Véc tơ chứa thành phần bất định của mô hình robot
S
Mặt trượt
10
Danh sách bảng
Bảng 3.1.
87
Liên hệ giữa giá trị đầu ra 3 với hai đầu vào và ..............................
Bảng 3.2. Luật mờ .................................................................................................... 88
11
Danh sách hình vẽ
Hình 1.1. Mô hình hệ thống điều khiển kết nối mạng.......................................................... 19
Hình 1.2. Các cấu hình phổ biến của RCNS............................................................................ 22
Hình 1.3. Tương tác của truyền thông, tính toán và điều khiển trong RCNS.............25
Hình 1.4. Sơ đồ của một RCNS thông qua kênh truyền thông......................................... 28
Hình 1.5. Cấu trúc RCNS hiển thị độ trễ mạng truyền thông........................................... 35
Hình 1.6. Phương pháp lập lịch GSM........................................................................................ 37
Hình 2.1. Mô hình kiến trúc mạng hệ thống điều khiển...................................................... 46
Hình 2.2. Mô hình hệ thống điều khiển kết nối mạng có trễ truyền thống...................48
Hình 2.3. Thời gian trong hệ thống điều khiển kết nối mạng............................................ 49
Hình 2.4. Mô hình hệ thống thiết bị đo và điều khiển các thông số hoạt động..........51
Hình 2.5. Cấu trúc của một hệ thống điều khiển qua mạng đa thành phần.................52
Hình 2.6. Cấu trúc trực tiếp của hệ thống điều khiển kết nối mạng................................ 54
Hình 2.7. Kết nối dữ liệu vào ra với bộ điều khiển............................................................... 56
Hình 2.8. Mô hình cập nhật dữ liệu lên App Engine............................................................ 60
Hình 2.9. Lưu đồ cập nhật dữ liệu lên App Engine............................................................... 61
Hình 2.10. Mô hình trình diễn dữ liệu đến người sử dụng................................................. 62
Hình 2.11. Lưu đồ người sử dụng truy cập vào ứng dụng trên App Engine................63
Hình 3.1. Cấu trúc mạng với các nút lưu lượng..................................................................... 68
Hình 3.2. Mô hình kích thích tuần hoàn.................................................................................... 71
Hình 3.3. Thời gian trễ và thời gian trôi qua giữa các gói bị mất.................................... 72
Hình 3.4. Cấu trúc của mạng nơ ron hồi quy để ước tính thời gian trễ......................... 73
Hình 3.5. Cấu trúc truyền dữ liệu phân tán qua mạng.......................................................... 75
Hình 3.6. Cấu trúc truyền dữ liệu trực tiếp qua mạng.......................................................... 75
Hình 3.7. Mô hình phản hồi của hệ thống điều khiển kết nối mạng............................... 76
Hình 3.8. Mô hình hệ thống điều khiển Omni Robot thông qua mạng.........................78
Hình 3.9. Mô hình động học của robot Omni.......................................................................... 79
12
Hình 3.10. Cấu trúc điều khiển trực tiếp qua mạng.............................................................. 83
Hình 3.11. Hàm liên thuộc đầu vào độ trễ................................................................................ 86
Hình 3.12. Hàm liên thuộc đầu vào đạo hàm độ trễ.............................................................. 86
Hình 3.13. Mờ hóa thành phần đầu vào..................................................................................... 88
Hình 3.14. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển robot Omni.............................................. 89
Hình 3.15. Mô phỏng bộ điều khiển bù trễ trên cơ sở logic mờ....................................... 90
Hình 3.16. Quỹ đạo của robot....................................................................................................... 90
Hình 3.17. Mô phỏng luật điều khiển mờ bù trễ.................................................................... 91
Hình 3.18. Tối ưu thông số 3.......................................................................................................................................... 92
Hình 3.19. Sai lệch quỹ đạo........................................................................................................... 92
13
MỞ ĐẦU
Hệ thống điều khiển qua mạng (Networked control systems – viết tắt là
NCS) được định nghĩa là hệ thống trong đó thông tin trao đổi giữa đối tượng
được điều khiển và thiết bị điều khiển được thực hiện qua mạng điều khiển thời
gian thực (Real time Control Networks -RCNS). Một mạng các hệ thống điều
khiển điển hình được xây dựng dựa trên các phần tử cơ bản: Cảm biến – để lấy
thông tin từ đối tượng, bộ điều khiển – để tính toán lệnh điều khiển, thiết bị chấp
hành-đưa lệnh điều khiển vào đối tượng điều khiển và đối tượng điều khiển –
thực thi các lệnh điều khiển, mạng thời gian thực là mạng đảm bảo việc trao đổi
thông tin giữa bộ điều khiển với đối tượng điều khiển qua các thiết bị cảm biến,
chấp hành của đối tượng đảm bảo tính đáp ứng kịp thời. Như vậy, lợi thế của
mạng các hệ thống điều khiển không chỉ làm tăng khả năng điều khiển từ xa, nói
cách khác là điều không phụ thuộc vào vị trí địa lý của các đối tượng của quá
trình công nghệ mà còn mở rộng khả năng điều khiển của các bộ điều khiển số,
ví dụ như một bộ điều khiển số như PLC có thể thực hiện điều khiển đa kênh
đảm bảo tính thời gian thực. Hơn nữa, tính năng chia sẻ dữ liệu giữa các bộ điều
khiển của mạng làm tăng hiệu suất điều khiển, mạng điều khiển có thể dễ dàng
tổng hợp thông tin toàn diện để đưa ra các quyết định thông minh, tạo ra khả
năng điều khiển giám sát, cảnh báo, chẩn đoán lỗi cũng như khả năng quản lý
toàn bộ quá trình công nghệ tối ưu và hiệu quả cao.
Trong vài thập kỷ gần đây, RCNS được ứng dụng rất rộng rãi trong công
nghiệp cũng như các lĩnh vực phục vụ đời sống xã hội như mạng cảm biến di
động, thám hiểm không gian vũ trụ, điều khiển và thu thập dữ liệu trong môi
trường nguy hiểm, tự động hóa nhà máy xí nghiệp, chẩn đoán và xử lý từ xa sự
cố hệ thống tự động, điều khiển đồng bộ hóa các phương tiện giao thông vận
14
tải. Hiện nay, hướng nghiên cứu chính của hệ thống điều khiển kết nối mạng
là sử dụng mạng truyền thông để kết nối các thành phần khác nhau như cảm
biến, cơ cấu chấp hành và bộ điều khiển. Trong đó, việc sử dụng tài nguyên
của RCNS là truyền thông tin giữa cảm biến, thiết bị chấp hành của đối tượng
điều khiển và bộ điều khiển trên cùng một đường truyền của mạng, như vậy
có thể điều khiển đối tượng không phụ thuộc vào khoảng cách địa lý giữa đối
tượng và bộ điều khiển. Những bộ điều khiển được xây dựng dựa trên cấu
trúc mạng đã được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển mạng Robot di động và
các ứng dụng trong công nghiệp và là nền tảng phát triển công nghiệp 4.0.
Với sự ra đời của các mạng truyền thông chuẩn, các hệ thống điều khiển
điểm-điểm truyền thống đang được cấu trúc lại và tạo ra các hệ thống điều khiển
kết nối RCNS, trong đó các vòng điều khiển phản hồi được thực hiện thông qua
mạng truyền thông. Khi hệ thống điều khiển phản hồi truyền thống được thực
hiện qua kênh truyền thông và có thể được chia sẻ với các nút khác bên ngoài hệ
thống điều khiển, thì hệ thống điều khiển được gọi là hệ thống điều khiển bằng
RCNS. Đặc trưng xác định của một RCNS là thông tin (đầu vào tham chiếu, đầu
ra của đối tượng điều khiển, đầu vào điều khiển, v.v.) được trao đổi bằng cách
dùng mạng kết nối các thành phần của hệ thống điều khiển (cảm biến, bộ điều
khiển, cơ cấu chấp hành, v.v) đảm bảo tính thời gian thực.
Các chức năng cơ bản của bất kỳ RCNS nào là trao đổi thông tin giữa
đối tượng điều khiển (cảm biến / cơ cấu chấp hành) và bộ điều khiển mạng
đảm bảo điều khiển thời gian thực, giảm tắc nghẽn, giao tiếp dữ liệu hiệu quả
cao,… Xây dựng các chiến lược điều khiển và thiết kế hệ thống điều khiển
qua mạng phải đảm bảo được các yêu cầu sau: lựa chọn giao thức phù hợp để
giảm thiểu ảnh hưởng của các tham số mạng bất lợi đến hiệu suất RCNS. Một
trong những tham số cần quan tâm nhất để đảm bảo tính thời gian thực cho hệ
thống điều khiển qua mạng đó là trễ truyền thông của mạng.
15
Hệ thống điều khiển kết nối mạng (RCNS) có thể chứa một số lượng lớn
thiết bị điều khiển được kết nối với nhau trao đổi dữ liệu qua mạng truyền thông
như: sản xuất công nghiệp và tự động hóa tòa nhà, tự động hóa văn phòng và gia
đình, hệ thống giao thông thông minh và hệ thống điều khiển trong ô tô, máy
bay,…v.v. Trong đó, RCNS có một số ưu điểm như cung cấp khả năng thiết kế
hệ thống các mô đun và linh hoạt xử lý phân tán, tương tác đơn giản và nhanh
chóng triển khai trong thực tế; các tiện ích chẩn đoán và bảo trì hệ thống mạnh
mẽ. Tuy nhiên, sự kết hợp của các cảm biến, bộ điều khiển và bộ truyền động với
các mạng truyền thông cũng làm cho việc phân tích và thiết kế RCNS là một
nhiệm vụ phức tạp bởi vì đòi hỏi sự tích hợp nhiều thành phần khác nhau như hệ
thống điều khiển, hệ thống truyền thông và hệ thống thời gian thực.
Do đó, hệ thống điều khiển kết nối mạng RCNS đang là một trong những
vấn đề được quan tâm nghiên cứu hiện nay và đã trở thành một lĩnh vực đa
ngành. Nhiều vấn đề nghiên cứu khác nhau như công nghệ mạng, trễ truyền
thông, cấu trúc mạng, chuẩn truyền thông, bảo mật trong RCNS, tích hợp các
thành phần trên mạng, chẩn đoán và xử lý lỗi, v.v. đã và đang được quan tâm
đang được nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứu nhằm đề xuất các chiến
lược điều khiển tối ưu nâng cao hiệu quả của RCNS.
Cũng chính vì những lý do nêu trên nên NCS chọn đề tài cho luận án tiến
sỹ của mình là: “Nghiên cứu điều khiển trễ trong hệ thông điều khiển phản
hồi qua mạng”
Mục tiêu của luận án tập trung nghiên cứu giải quyết hai vấn đề chính sau
đây:
1) Nghiên cứu, phân tích và đánh giá ảnh hưởng của một số vấn đề ảnh
hưởng đến chất lượng hệ thống khi điều khiển phản hồi qua mạng như: sự
chậm trễ do mạng gây ra, lỗi truyền thông, tắc nghẽn mạng.
16
2) Nghiên cứu phương pháp giảm thiểu ảnh hưởng của các tham số bất
lợi như độ trễ truyền thông đến nâng cao hiệu suất RCNS trong tổng hợp hệ
thống phản hồi quan mạng.
Với mục tiêu đặt ra, luận án mong muốn đạt được hai kết quả chính như sau:
1) Đề xuất phương pháp truyền dữ liệu đo và điều khiển qua mạng
truyền thông để giảm thiểu ảnh hưởng của các tham số mạng bất lợi đến hiệu
suất RCNS như độ trễ của mạng. Các đóng góp này được trình bày ở chương
2 của luận án và được công bố ở công trình [1],[2].
2) Đề xuất phương pháp điều khiển bù trễ qua mạng trên cơ sở logic mờ.
Các đóng góp này được trình bày ở chương 3 của luận án và được công bố ở
công trình [3].
Đối tượng nghiên cứu của luận án là các phương pháp truyền dữ liệu
đo và điều khiển qua mạng truyền thông và các phương pháp điều khiển bù trễ
qua mạng trên cơ sở logic mờ.
Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp nghiên cứu lý thuyết
với thực nghiệm.
1)
Phương pháp nghiên cứu từ 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.
2)
Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các mô hình, cấu trúc các hệ thống
điều khiển kết nối mạng đã công bố, phân tích ưu điểm, nhược điểm và các
vấn đề còn tồn tại của các nghiên cứu liên quan. Trên cơ sở đó, đề xuất các
phương pháp thu thập dữ liệu và điều khiển bù trễ qua mạng để giảm thiểu
ảnh hưởng của các tham số mạng bất lợi đến hiệu suất hệ thống điều khiển kết
nối mạng (RCNS ).
17
3)
Thực nghiệm kiểm chứng: Các thuật toán đề xuất được cài đặt, chạy
thử nghiệm, so sánh, đánh giá với các thuật toán khác đã được công bố nhằm
minh chứng tính hiệu quả của các nghiên cứu được đề xuất mới.
Bố cục của luận án gồm phần mở đầu và ba chương nội dung, phần kết
luận và danh mục các tài liệu tham khảo.
Chương 1 trình bày nghiên cứu tổng quan về các hệ thống điều khiển kết
nối mạng; một số mô hình kiến trúc điển hình; các vấn đề thách thức và ảnh
hưởng thời gian trễ trong hệ thống điều khiển kết nối mạng; một số nghiên
cứu trong nước về hệ thống điều khiển kết nối mạng. Trên cơ sở đó, luận án
phân tích các vấn đề còn tồn tại và nêu rõ các mục tiêu nghiên cứu cùng với
tóm tắt các kết quả đạt được.
Các đóng góp chính của luận án được trình bày trong chương 2, chương
3.
Chương 2 trình bày kết quả nghiên cứu: đề xuất phương pháp truyền dữ
liệu đo và điều khiển qua mạng truyền thông từ các nguồn dữ liệu đo khác
nhau. Trong đó, hệ thống điều khiển kết nối mạng gồm nhiều thành phần cảm
biến, bộ điều khiển, thiết bị chấp hành được kết nối thông qua mạng với mục
tiêu sử dụng tối ưu các nguồn tài nguyên, cơ cấu vận hành cũng như việc lưu
trữ, phân phối và xử lý các thông số dữ liệu.
Chương 3 đề xuất phương pháp điều khiển bù trễ qua mạng trên cơ sở
logic mờ và áp dụng thử nghiệm cho đối tượng điều khiển robot Omni. Trong
đó, luận án đề xuất một bộ điều khiển thích ứng cho robot Omni bằng cách sử
dụng kỹ thuật Backstepping kết hợp với điều khiển chế độ trượt dựa trên logic
mờ. Robot được điều khiển thông qua mạng và GSM được thiết kế để bù thời
gian trễ của mạng.
18
Cuối cùng, phần kết luận nêu những đóng góp của luận án, hướng phát
triển và những vấn đề quan tâm của tác giả.
19
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI
MẠNG
1.1 Đặt vấn đề
Ngày nay, hệ thống điều khiển kết nối RCNS đang là một trong những
hướng nghiên cứu được các nhà khoa học kỹ thuật quan tâm nhiều nhất và đã
trở thành một lĩnh vực đa ngành. Trong chương này, tác giả tập trung tìm hiểu
phạm vi và các vấn đề nghiên cứu khác nhau như công nghệ mạng, trễ mạng,
phân bổ tài nguyên mạng, lập lịch, bảo mật mạng trong RCNS, các thành
phần tích hợp mạng, khả năng thích ứng với lỗi, v.v . Cùng với sự ra đời của
các mạng truyền thông chuẩn, các hệ thống điều khiển điểm-điểm truyền
thống đang được cấu trúc lại và tạo ra các hệ thống điều khiển kết nối mạng
thời gian thực(RCNS –Realtime Network Control System), trong đó các vòng
điều khiển phản hồi được kết nối thông qua mạng.
Hình 1.1. Mô hình hệ thống điều khiển kết nối mạng
20
Các thành phần hệ thống của RCNS như cảm biến, bộ điều khiển và
thiết bị chấp hành, được kết nối qua một số mạng chuẩn phổ biến hiện nay
như CAN, BACnet, Fieldbus, Ethernet và Internet. Các thông tin vào/ra giữa
các thành phần của RCNS được thực hiện qua mạng truyền thông.
Hệ thống điều khiển là một thiết bị hay nhiều thiết bị quản lý, ra lệnh,
chỉ đạo hoặc điều chỉnh hành vi (chức năng điều khiển) của một hay nhiều
thiết bị khác trong hệ thống (chức năng bị điều khiển).
Khái niệm hệ thống điều khiển chính thống có lẽ được xác định từ phân
tích động lực học của hệ ly tâm được thực hiện bởi nhà vật lý nổi tiếng
Maxwell vào năm 1868 có tên là “On Governorors”. Một ứng dụng điển hình
của hệ thống điều khiển từ đầu thế kỷ 20 là trong lĩnh vực của máy bay có
người lái. Anh em nhà Wright đã thực hiện các chuyến bay thử nghiệm thành
công đầu tiên vào ngày 17 tháng 12 năm 1903 và Wright nổi bật nhờ khả năng
điều khiển các chuyến bay của họ trong thời gian đáng kể. Trong nhiều năm,
các nhà nghiên cứu đã cho chúng ta các chiến lược điều khiển chính xác và tối
ưu xuất phát từ lý thuyết điều khiển cổ điển, bắt đầu từ điều khiển vòng hở
(open-loop) đến các chiến lược điều khiển cấp cao dựa trên các thuật toán
thông minh như Fuzzy, Neural, Thích nghi, v.v., cho các hệ thống vòng hở
hoặc vòng kín (closed loop).
Trong thời đại công nghệ số, sự ra đời của mạng truyền thông đã đưa ra
khái niệm điều khiển đối tượng qua mạng, từ đó tạo ra khái niệm hệ thống điều
khiển qua mạng thời gian thực (RCNS - Real time Control Networks). Định
nghĩa cổ điển về RCNS như sau: Khi hệ thống điều khiển phản hồi truyền thống
được thực hiện qua kênh truyền thông và có thể được chia sẻ dư liệu với các nút
khác bên ngoài hệ thống điều khiển đảm bảo tính đáp ứng kịp thời, thì hệ thống
điều khiển này được gọi là hệ thống điều khiển kết nối mạng thời gian
21
thực. Ngoài ra, RCNS cũng có thể được định nghĩa là một hệ thống điều khiển
phản hồi trong đó các vòng lặp được khép kín thông qua một mạng truyền
thông dữ liệu thời gian thực.
Trong vài năm gần đây với sự phát triển nhanh chóng của các hệ thống
mạng không dây là động lực thúc đẩy việc nghiên cứu và phát triển công nghệ
về RCNS với mục tiêu thiết kế hệ thống điều khiển kết nối mạng thời gian
thực ngày một hoàn thiện hơn, đảm bảo độ tin cậy và hiệu quả. Hiện nay, các
chủ đề nghiên cứu tập trung vào các chiến lược điều khiển phù hợp với động
học khác nhau của các cơ cấu chấp hành/phương tiện trong RCNS.
Một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng khác liên quan đến RCNS là
nghiên cứu về cấu trúc mạng phù hợp để cung cấp kênh liên lạc bảo mật, đáng
tin cậy với đủ băng thông song song với việc phát triển các giao thức truyền
dữ liệu cho các hệ thống điều khiển. Vấn đề thu thập thông tin thời gian thực
qua mạng bằng các nút cảm biến phân tán và xử lý dữ liệu cảm biến một cách
hiệu quả cũng là một trong các lĩnh vực nghiên cứu quan trọng của RCNS.
1.2 Cấu hình hệ thống điều khiển kết nối mạng
Cấu hình RCNS được chia làm 03 loại: cấu hình tập trung, cấu hình phi
tập trung và cấu hình phân tán.
22
Hình 1.2. Các cấu hình phổ biến của RCNS
1.2.1 Cấu hình tập trung
Cấu hình tập trung (hình 1.2a): với phép đo được thu thập số liệu (đầu vào
tham chiếu, trạng thái hệ thống hoặc đầu ra hệ thống) trên mỗi nút cảm biến phải
được gửi đến bộ điều khiển tập trung tích hợp trên một bộ xử lý trung tâm để
hợp nhất dữ liệu. Bộ điều khiển tập trung sử dụng dữ liệu đầy đủ của hệ thống để
thực hiện các lệnh điều khiển đến các thiết bị chấp hành của hệ thống.
Mặc dù có thể có nhiều cảm biến và thiệt bị chấp hành nhưng với cấu
hình này, trong một số trường hợp nhất định, có thể được coi là một RCNS
với một vòng phản hồi duy nhất. Trong đó, tất cả các phép đo được yêu cầu
phải được đo bằng các cảm biến chuyên dụng và sau đó được gửi cùng nhau
trong một gói đến một bộ điều khiển từ xa. Bộ điều khiển xử lý và phái đi
lệnh điều khiển được đưa đến các thiết bị chấp hành chuyên dụng. Do thông
tin của phép đo được lưu giữ ở bộ điều khiển, nên ưu điểm chính của cấu hình
tập trung này là hiệu suất điều khiển có thể nói chung là tối ưu. Tuy nhiên, cấu
hình tập trung có một số nhược điểm:
