Nghiên cứu ảnh hưởng của trễ truyền thông trong hệ thống điều khiển phân tán DCS để nâng cao chất lượng điều khiển

....

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

PHẠM QUANG ĐĂNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG
TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS)
ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN

Chuyên ngành: Tự động hóa
Mã số: 62.52.60.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS. Bùi Quốc Khánh
TS. Nguyễn Văn Khang

Hà nội - 2007


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu này là của riêng tơi. Kết quả nghiên cứu
trình bày trong luận án này là hoàn toàn trung thực và chưa được người nào khác
công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào.
Tác giả

Phạm Quang Đăng


ii

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè và đồng nghiệp của tơi đã tận tình hỗ trợ và giúp
đỡ tơi trong q trình thực hiện các nghiên cứu của bản luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Bùi Quốc Khánh và TS. Nguyễn Văn
Khang đã tận tình hướng dẫn tơi trong suốt q trình nghiên cứu thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cơ giáo Bộ mơn Tự động hóa Xí nghiệp cơng
nghiệp, Trung tâm bồi dưỡng Sau đại học, Ban giám hiệu Trường Đại học Bách
khoa Hà nội đã giúp đỡ tạo điều kiện cho tơi trong q trình thực hiện nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn Cơ quan trao đổi hàn lâm CHLB Đức (DAAD), GS.
Peter Büchner, chủ nhiệm bộ môn và các đồng nghiệp tại Bộ môn Truyền động điện,
Trường Đại học tổng hợp Kỹ thuật Dresden, CHLB Đức đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi
trong việc tiếp cận và nghiên cứu về truyền thông và điều khiển thời gian thực cho
ứng dụng truyền động điện tại Bộ môn Truyền động điện, Trường Đại học tổng hợp
Kỹ thuật Dresden, CHLB Đức.
Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo và các đồng nghiệp tại Phịng thí nghiệm
trọng điểm Tự động hóa, Trung tâm nghiên cứu triển khai công nghệ cao, Trường
Đại học Bách khoa Hà nội, nơi tơi đã sống và làm việc trong q trình thực hiện
luận án, đã giúp đỡ tơi hồn thành cơng trình nghiên cứu này.
Cuối cùng tơi xin trân trọng tỏ lịng biết ơn sâu sắc đối với bố, mẹ, gia đình và
người bạn đời của tôi, những người đã cổ vũ, động viên và giúp đỡ tơi thực hiện
cơng trình nghiên cứu này.
Tác giả

Phạm Quang Đăng

iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN

i

LỜI CẢM ƠN

ii

MỤC LỤC

iii

DANH MỤC HÌNH VẼ

vi

DANH MC BNG BIU

viii

DANH MC CH VIT TT

ix

GII THIU CHUNG

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN DÙNG MẠNG TRUYỀN
5
THÔNG SỐ
1.1 Hệ thống tự động hóa q trình sản xuất
1.1.1 Mơ hình phân cấp của hệ thống tự động hóa q trình sản xuất
1.1.2 Mạng truyền thơng trong hệ thống tự động hóa q trình sản xuất
1.2 Điều khiển phân tán sử dụng mạng
1.2.1 Giới thiệu chung về điều khiển phân tán
1.2.2 Hệ điều khiển truyền động phân tán

5
5
7
9
9
11

1.3

Trễ trong hệ điều khiển phân tán và vấn đề nghiên cứu khắc phục ảnh hưởng
của nó trong các hệ thống điều khiển
13
1.3.1 Trễ trong hệ điều khiển phân tán
13
1.3.2 Vấn đề nghiên cứu khắc phục ảnh hưởng của trễ truyền thông
15

1.4

Kết lun

19

CHƯƠNG 2: MNG TRUYN THễNG TRONG H IU KHIN PHN TÁN 20
2.1

Kiến trúc của hệ thống mạng trong điều khiển phân tán

20

2.2 Giao thức mạng (Network protocol) trong điều khiển phân tán
2.2.1 Phương pháp CSMA/CD
2.2.2 Phương pháp chuyển thẻ bài (Token passing)
2.2.3 Phương pháp CSMA/AMP (CAN)

22
24
26
29

2.3 Đánh giá hiệu năng của mạng truyền thông
2.3.1 Hiệu suất của hệ thống mạng
2.3.2 Hệ số sử dụng đường truyền
2.3.3 Số lượng thông điệp không được truyền

31
32

32
32


iv
2.4

Kt lun

CHƯƠNG 3: NGHIấN CU C TNH CA TR TRUYN THƠNG

33
34

3.1 Trễ truyền thơng và các thành phần của trễ truyền thông
3.1.1 Thời gian tiền xử lý truyền thông trong nút truyền, Tpre
3.1.2 Trễ do thời gian đợi ở nút truyền, Twait
3.1.3 Trễ trên đường mạng, Ttx
3.1.4 Trễ xử lý tại nút nhận, Tpost
3.1.5 Lược đồ thời gian của quá trình truyền thơng

34
36
36
37
38
38

3.2 Trễ truyền thơng trong mạng Ethernet
3.2.1 Cấu hình mạng truyền thống

3.2.2 Cấu hình mạng Ethernet sử dụng Switch
3.2.3 LAN Switch
3.2.4 Trễ truyền thông trong mạng Ethernet sử dụng LAN Switch
3.2.5 Nhận xét

40
40
43
45
47
57

3.3 Trễ truyền thông trong mạng CAN
3.3.1 Phát hiện lỗi và xử lý lỗi trong mạng CAN
3.3.2 Đặc điểm của trễ truyền thông trong mạng CAN
3.3.3 Trễ truyền thông trong trường hợp truyền lại
3.3.4 Nhận xét

58
59
59
61
62

3.4 Trễ truyền thông trong mạng sử dụng giao thức chuyển thẻ bài
3.4.1 Giao thức truyền tin truyền tin trong mạng PROFIBUS
3.4.2 Thời gian đợi giành quyền truyền tin
3.4.3 Nhận xét

62

63
64
66

3.5 Vấn đề đo trễ truyền thơng
3.5.1 Đồng bộ hóa các ng h thi gian thc
3.5.2 o tr truyn thụng

66
66
69

3.6

70

Kt lun

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TRỄ TRUYỀN THƠNG
Q trình xử lý thông tin trong hệ thống điều khiển phân tán có trễ truyền
thơng
4.1.1 Giới thiệu chung
4.1.2 Hệ thống với lớp đồng bộ
4.1.3 Hệ thống với lớp đồng bộ một phần
4.1.4 Hệ thống với lớp không đồng bộ
4.1.5 Áp dụng cho hệ thống điều khiển phân tán

72

4.1

4.2 Các phương pháp mơ hình hóa trễ trong hệ thống điều khiển
4.2.1 Phương pháp xấp xỉ Padé

72
72
74
75
77
77
78
78


v
4.2.2 Mơ hình hóa trễ truyền thơng dùng xích Markov

79

4.3 Mơ tả tốn học hệ thống điều khiển với trễ
4.3.1 Quan hệ giữa vk và u(t)
4.3.2 Mơ hình đối tượng điều khiển trong miền rời rạc

81
83
84

4.4

85

Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng điều khiển

4.5 Khảo sát ảnh hưởng của trễ truyền thơng
4.5.1 Khảo sát trên mơ hình mơ phỏng
4.5.2 Khảo sát trờn mụ hỡnh thớ nghim

86
86
92

4.6

95

Kt lun

CHƯƠNG 5: KHC PHC NH HƯỞNG CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG
96
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN
5.1

Các giải pháp thực nghiệm khắc phục ảnh hưởng của trễ truyền thông đang
được sử dụng
96
5.1.1 Cải tiến kiến trúc truyền thông và hạn chế băng thông sử dụng
96
5.1.2 Lựa chọn giao thức truyền thông hợp lý
97
5.1.3 Đưa trễ truyền thơng thành hằng số

97

5.2 Xây dựng mơ hình hệ thống có xét tới trễ truyền thơng
5.2.1 Đồng bộ thời điểm lấy mẫu
5.2.2 Không đồng bộ thời điểm lấy mẫu

99
99
101

5.3

Khắc phục ảnh hưởng của nghẽn mạng tạm thời bằng bộ điều khiển nhiều
chế độ
105
5.3.1 Bộ điều khiển nhiều chế độ
105
5.3.2 Lựa chọn chế độ trong bộ điều khiển nhiều chế độ
107
5.3.3 Bộ điều khiển với khâu ước lượng trạng thái sử dụng bộ lọc Kalman
109
5.3.4 Ước lượng trạng thái dùng lọc Kalman với hằng số lọc thay đổi
111
5.3.5 Áp dụng cho điều khiển chuyển động nhiều trục sử dụng mạng CAN
113

5.4

Kết luận

119

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

120

CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ

122

TÀI LIỆU THAM KHẢO

123

PHỤ LỤC
HỆ TRUYỀN ĐỘNG NHIỀU TRỤC ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ

130
130


vi

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1-2. Cấu trúc truyền động CNC ba trục
13
Hình 1-3. Sơ đồ điều khiển với các thành phần trễ
14
Hình 1-4. Trễ truyền thơng trong mạng CAN
15

Hình 2-2. Định dạng của khung truy nhập mạng của Ethernet
25
Hình 2-3. Định dạng khung truy nhập mạng của ControlNet
27
Hình 2-4. Sơ đồ thời gian của chu kỳ quay vòng thẻ bài TRT
29
Hình 2-5. Định dạng khung truy nhập mạng CAN
30
Hình 3-1. Phân bố của các thành phần trễ truyền thông trong mơ hình mạng OSI
35
Hình 3-2. Lược đồ thời gian của quá trình truyền tin trên mạng
39
Hình 3-3. Cấu hình mạng Ethernet truyền thống
41
Hình 3-4. Cấu hình mạng chuyển mạch hồn tồn sử dụng Switch
44
Hình 3-5. Ngưỡng trong bộ đệm đầu vào
46
Hình 3-6. Mơ hình hoạt động của LAN Switch
48
Hình 3-7. Lưu đồ xử lý của nút mạng master khi giữ thẻ bài trong mạng PROFIBUS
65
ca
Hình 3-9. Truyền tín hiệu ngược mang thơng tin τk-1
70
Hình 4-1. Mơ hình xử lý thơng tin trong hệ thống điều khiển
72
Hình 4-2. Biểu đồ thời gian của q trình xử lý tín hiệu
73
Hình 4-3. Mơ hình nhiều lớp q trình xử lý tín hiệu

74
Hình 4-4. Trễ trong hệ thống có hai lớp
74
Hình 4-5. Trễ trong quan hệ của lớp thứ i và lớp thứ i+1
75
Hình 4-6. Quan hệ trễ giữa hai lớp trong lớp đồng bộ một phần
76
Hình 4-8. Cấu trúc điều khiển trong hệ điều khiển phân tán
82
Hình 4-9. Quan hệ giữa u(t) và vk
84
Hình 4-10. Kết quả mơ phỏng khảo sát ITAE với các tần số lấy mẫu khác nhau
90
Hình 4-11. Quỹ đạo chuyển động (xác suất thông điệp sự kiện 3%, chu kỳ lấy mẫu 2.5ms)90
Hình 4-12. Sai lệch quỹ đạo chuyển động
91
Hình 4-13. Sai lệch quỹ đạo chuyển động trong thí nghiệm truyền động hai trục XY
93
Hình 4-14. Quỹ đạo chuyển động X-Y
93
Hình 4-15. Khảo sát chất lượng điều khiển trên mơ hình thí nghiệm với các tần số lấy mẫu
khác nhau
94
Hình 4-16. Ảnh hưởng của hiện tượng bão hịa tạm thời tới quỹ đạo chuyển động
94
Hình 5-1. Sử dụng bộ đệm để đưa trễ truyền thông thành hằng số
98


vii

Hình 5-2. Biểu đồ thời gian của hệ thống đồng bộ thời điểm lấy mẫu
101
Hình 5-3. Biểu đồ thời gian của hệ thống khơng đồng bộ thời điểm lấy mẫu
103
Hình 5-4. Bộ điều khiển hai chế độ sử dụng mẫu cũ
107
Hình 5-5. Sơ đồ cấu trúc bộ lọc Kalman
110
Hình 5-6. Bộ điều khiển hai chế độ với khâu ước lượng trạng thái bằng lọc Kalman
111
Hình 5-7. Cấu trúc một kênh bộ lọc Kalman cho ứng dụng truyền động phân tán 2 trục 115
Hình 5-8. Sai lệch quỹ đạo trong các trường hợp sử dụng bộ điều khiển thông thường và bộ
điều khiển đa chế độ với khâu ước lượng Kalman trên mơ hình mơ phỏng
116
Hình 5-9. Sai lệch quỹ đạo trong các trường hợp sử dụng bộ điều khiển thông thường và bộ
điều khiển đa chế độ với khâu ước lượng Kalman trên trên mơ hình thí nghiệm 116
Hình 5-10. Quỹ đạo chuyển động trên mơ hình thí nghiệm, T=4ms
117
Hình A- 1. Sai lệch của quỹ đạo chuyển động
133
Hình A- 2. Cấu trúc điều khiển liên kết chéo
135
Hình A- 3. Thư viện mơ phỏng TrueTime
Hình A- 4. Hộp thoại thơng số của nút mạng
Hình A- 5. Mơ hình mơ phỏng hệ truyền động 2 trục X-Y sử dụng mạng CAN
Hình A- 6. Cấu trúc điều khiển chuyển động hai trục điều khiển vị trí
Hình A- 7. Card điều khiển thơng minh DS1103

136

138
138
139
141


viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3-1. Xấp xỉ Padé cho thành phần trễ exp(-τs)
79
Bảng 3-2. Kết quả khảo sát khi không có thơng điệp sự kiện truyền trên mạng
87
Bảng 3-3. Kết quả khảo sát hệ thống khi xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện là 1%
88
Bảng 3-4. Kết quả khảo sát hệ thống khi xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện là 3%
88
Bảng 3-5. Kết quả khảo sát hệ thống khi xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện là 5%
88
Bảng 3-6. Kết quả khảo sát trên mơ hình thí nghiệm với các chu kỳ lấy mẫu khác nhau 92
Bảng 4-1. Kết quả khảo sát chất lượng hệ thống với bộ điều khiển đa chế độ trên mơ hình
mơ phỏng với xác suất thông tin sự kiện là 3%
117
Bảng 4-2. Kết quả khảo sát chất lượng hệ thống với bộ điều khiển đa chế độ trên mơ hình
thí nghiệm
118


ix

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
ADC

Analog to Digital Converter

BEB

Binary Exponential Backoff

CAN

Controller Area Network

CCCH

Cơ cấu chấp hành

CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collission Detect
CSMA/AMPCarrier Sense Multiple Access with Arbitration Message Priority
CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collission Arbitration
CNC

Computer Numerical Control

DAC

Digital to Analog Converter

DCS

Distributed Control System

FIFO

First In First Out

GPS

Global Positioning System

LAN

Local Area Network

MAC

Media Access Control

MIMO

Multi Input Multi Output

OSI

Open Systems for Interconnection

PC

Personal Computer

PLC

Programmable Logic Controller

QoS

Quality of Service

QTCN

Q trình cơng nghệ

TRT

Token Rotation Time

WAN

Wide Area Network


1

GIỚI THIỆU CHUNG
Cơ sở lựa chọn đề tài và mục đích nghiên cứu
Hướng phát triển của các hệ thống sản xuất cơng nghiệp hiện đại là tích hợp các kỹ
thuật tính tốn, truyền thơng và điều khiển thành các mức khác nhau trong hệ thống
quản lý, điều hành và điều khiển nhà máy. Trong các hệ thống điều khiển truyền
thống phương pháp truyền thông được sử dụng phổ biến là truyền thơng điểm điểm, có nghĩa là mỗi cơ cấu đo và cơ cấu chấp hành có một đường truyền thơng

riêng biệt nối tới máy tính điều khiển trung tâm. Sức ép của cạnh tranh trên thị
trường 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 module hóa, phân tán về điều
khiển, có khả năng tích hợp cao, dễ dàng cho bảo trì. Các giới hạn của truyền thơng
điểm - điểm làm cho các hệ thống sử dụng giải pháp truyền thơng này trở nên khơng
cịn phù hợp nữa. Các hệ thống truyền thông sử dụng bus truyền thông chung có thể
đáp ứng được yêu cầu đó nhờ khả năng nâng cao hiệu suất, nâng cao tính linh hoạt,
độ tin cậy của các hệ thống tích hợp đồng thời giảm được chi phí, thời gian lắp đặt,
nâng cấp cũng như bảo trì.
Trong những năm 90 của thế kỷ 20, quá trình module hóa, phân tán điều khiển
với mạng truyền thơng kỹ thuật số phát triển mạnh mẽ và cho ra đời một thế hệ mới
các hệ thống điều khiển - hệ thống điều khiển phân tán (DCS(*)). Với các ưu điểm
nêu trên, các hệ thống điều khiển phân tán ngay khi ra đời đã có các bước phát triển
mạnh mẽ và xâm nhập vào hầu hết các hệ thống điều khiển sản xuất, từ điều khiển
quá trình tới các hệ thống điều khiển máy sản xuất. Cho tới ngày nay, điều khiển
phân tán đã bắt đầu xâm nhập vào các hệ thống điều khiển truyền động và điều
khiển chuyển động và cho ra đời các hệ thống truyền động mới - truyền động phân
tán với nhiều hứa hẹn và triển vọng. Hệ thống truyền động phân tán ra đời sẽ dần
thay thế các hệ thống truyền động cán thép, xeo giấy, các hệ thống truyền động CNC
và robots truyền thống.

(*)

Distributed Control System


2

Tuy nhiên việc sử dụng hệ thống truyền thông bus chung thay thế cho phương
pháp truyền thông điểm - điểm làm nảy sinh những khó khăn mới đó là các trễ
truyền thông giữa các sensor, cơ cấu chấp hành và bộ điều khiển. Trễ truyền thông
này là do việc chia sẻ chung một phương tiện truyền thông, do thời gian tính tốn
cần thiết cho việc mã hóa/giải mã các đại lượng đo và thời gian xử lý truyền thông.
Trễ truyền thơng có tính ngẫu nhiên phụ thuộc vào giao thức truyền thông, phần
cứng sử dụng và trạng thái của hệ thống mạng truyền thông. Trễ truyền thống sẽ lớn
và mang tính bất định cao khi lưu lượng truyền thơng lớn, đặc biệt khi hệ thống
mạng rơi vào trạng thái nghẽn mạng. Do tính ngẫu nhiên, rời rạc và phân tán của các
thành phần trễ này các phương pháp phân tích, thiết kế hệ thống điều khiển hiện tại
không thể trực tiếp áp dụng trong các hệ thống điều khiển phân tán sử dụng truyền
thông bus chung. Các thành phần trễ này làm giảm chất lượng điều khiển, thậm chí
gây ra sự mất ổn định của hệ thống, gây ra hiện tượng dừng làm việc đột ngột của
các hệ thống điều khiển dẫn tới làm gián đoạn quá trình sản xuất. Hơn nữa nó làm
hạn chế khả năng ứng dụng của các mạng truyền thông kỹ thuật số trong nhiều ứng
dụng cơng nghiệp có u cầu cao về vấn đề đáp ứng thời gian thực. Đây cũng chính
là trở ngại chính cho sự phát triển của các hệ thống truyền động phân tán, thông
minh. Để đảm bảo sự ổn định cũng như đảm bảo chất lượng điều khiển của hệ thống
điều khiển phân tán, mở rộng khả năng ứng dụng của hệ thống mạng truyền thông
trong hệ thống điều khiển, trễ truyền thông trong hệ thống điều khiển cần phải được
phân tích, ảnh hưởng của trễ truyền thơng tới chất lượng điều khiển cần phải được
nghiên cứu để từ đó đưa ra và phát triển các phương pháp cải thiện chất lượng điều
khiển đối với hệ thống điều khiển có trễ truyền thông.
Đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của trễ truyền thông trong hệ thống điều
khiển phân tán để nâng cao chất lượng điều khiển” được lựa chọn nhằm nghiên
cứu phát triển phương pháp cải thiện chất lượng điều khiển, hạn chế các sai lệch
điều khiển do ảnh hưởng của trễ truyền thông, mở rộng khả năng ứng dụng của các
hệ thống điều khiển phân tán sử dụng mạng truyền thông số và các hệ điều khiển
truyền động phân tán.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Các nghiên cứu về ảnh hưởng của trễ truyền thông trong hệ thống điều khiển đều tập
trung vào hai hướng chính là: hệ thống mạng (giao thức truyền thông và thiết bị
mạng) và hệ thống điều khiển. Trong khi hướng nghiên cứu nhằm cải tiến giao thức
truyền thông và thiết bị truyền thông hướng tới mục tiêu đảm bảo chất lượng dịch vụ
(QoS – Quality of Service) của hệ thống mạng thì hướng phát triển các thuật toán


3

điều khiển mới là nhằm mục tiêu nâng cao chất lượng điều khiển. Đề tài nghiên cứu
được thực hiện theo hướng nghiên cứu thứ hai. Đề tài tập trung nghiên cứu về trễ
truyền thông trong các mạng truyền thông công nghiệp tiêu biểu, ảnh hưởng của trễ
do mạng truyền thông tới chất lượng điều khiển và phát triển các giải pháp, thuật
toán điều khiển hạn chế các ảnh hưởng này.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các hệ thống điều khiển phân tán nói chung,
truyền động phân tán nói riêng sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số trong các
mạch vòng điều khiển.
Nội dung và phương pháp nghiên cứu
Luận án này trình bày các nghiên cứu về ảnh hưởng của trễ truyền thông trong hệ
điều khiển phân tán. Ảnh hưởng của các trạng thái bão hòa (hay còn gọi là nghẽn
mạng) và bão hòa tạm thời của hệ thống mạng được phân tích và từ đó đề xuất các
phương pháp thiết kế bộ điều khiển nhằm nâng cao chất lượng hệ điều khiển với trễ
truyền thông. Nội dung của luận án bao gồm 5 chương.
Chương 1 của luận án trình bày tổng quan về hệ thống tự động hóa quá trình sản
xuất và điều khiển phân tán sử dụng mạng, trễ trong các mạch vòng điều khiển phân
tán và vấn đề nghiên cứu khắc phục ảnh hưởng của trễ truyền thơng.
Chương 2 trình bày cơ sở về mạng điều khiển, một số giao thức mạng điển hình
sử dụng trong cơng nghiệp làm cơ sở cho phân tích về trễ truyền thơng.
Chương 3 trình bày các nghiên cứu về trễ truyền thông, đặc điểm của trễ truyền
thông và phương pháp mơ hình hóa trễ truyền thơng. Trong chương này cũng tiến

hành nghiên cứu và phát triển phương pháp tính tốn trễ truyền thông trong hệ thống
mạng Ethernet công nghiệp sử dụng Switch, một phát triển mới của truyền thông
công nghiệp.
Chương 4 trình bày về ảnh hưởng của trễ truyền thơng trong hệ thống điều
khiển phân tán. Trong chương này ảnh hưởng của trễ truyền thơng tới trễ của tồn
hệ điều khiển được phân tích, đánh giá. Ảnh hưởng của trễ truyền thông trong hệ
điều khiển truyền động hai trục XY điều khiển vị trí được khảo sát và phân tích trên
cả mơ hình mơ phỏng cũng như mơ hình thí nghiệm.
Chương 5 trình bày về vấn đề khắc phục ảnh hưởng trễ truyền thông để nâng
cao chất lượng của hệ thống điều khiển phân tán có ảnh hưởng của trễ truyền thông.
Chương này phát triển bộ điều khiển đa chế độ với khâu ước lượng trạng thái sử
dụng lọc Kalman để khắc phục ảnh hưởng của hiện tượng bão hòa tạm thời. Kết quả
nghiên cứu được kiểm nghiệm trên mô hình mơ phỏng và mơ hình thí nghiệm.


4

Cuối cùng là tóm lược kết quả nghiên cứu, kết luận và kiến nghị các hướng
nghiên cứu tiếp theo trong tương lai.
Phương pháp nghiên cứu có sự kết hợp của các phương pháp cơ bản sau:
• Nghiên cứu lý thuyết: Xây dựng các phương trình lý thuyết mơ tả trễ
truyền thơng và q trình biến đổi của trễ truyền thơng. Phát triển các
phương trình lý thuyết mơ tả hệ thống điều khiển phân tán có xét tới trễ
truyền thơng để từ đó xây dựng bộ điều khiển khắc phục ảnh hưởng của
trễ truyền thơng.
• Nghiên cứu thống kê: Sử dụng các phương pháp phân tích thống kê xử lý
kết quả khảo sát trên mơ hình mơ phỏng và mơ hình thí nghiệm nhằm
đánh giá ảnh hưởng của các trạng thái hoạt động của mạng truyền thơng
tới chất lượng điều khiển.
• Mô phỏng: Sử dụng kỹ thuật mô phỏng để nghiên cứu ảnh hưởng của trễ

truyền thông và đánh giá, kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu lý thuyết.
• Thực nghiệm: Sử dụng mơ hình thí nghiệm để nghiên cứu ảnh hưởng của
trễ truyền thông và đánh giá, kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu lý thuyết.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học của đề tài là đã phân tích được ảnh hưởng của trễ truyền thơng tới
chất lượng điều khiển trong các chế độ bão hòa và bão hịa tạm thời. Phát triển mơ
hình tốn học của hệ thống điều khiển có trễ truyền thơng với phương pháp lấy mẫu
không đồng bộ. Bộ điều khiển đa chế độ với khâu ước lượng trạng thái sử dụng lọc
Kalman có hệ số lọc thay đổi cũng được xây dựng và phát triển nhằm khắc phục ảnh
hưởng của hiện tượng bão hòa tạm thời.
Về ý nghĩa thực tiễn, kết quả nghiên cứu có thể sử dụng để phát triển các luật
điều khiển nhằm nâng cao chất lượng hệ thống, giảm tần suất xảy ra sự cố do tác
động của trễ truyền thông đồng thời mở rộng khả năng ứng dụng mạng truyền thông
kỹ thuật số và điều khiển phân tán cho các ứng dụng điều khiển truyền động và điều
khiển chuyển động, các ứng dụng có yêu cầu cao về đáp ứng thời gian thực. Mặc dù
quá trình nghiên cứu được thực hiện trên đối tượng là hệ truyền động hai trục XY
điều khiển vị trí nhưng các lập luận hồn tồn khơng mất tính khách quan và kết quả
nghiên cứu có thể được áp dụng cho các đối tượng điều khiển khác như các hệ điều
khiển quá trình nhằm nâng cao chất lượng điều khiển cũng như mở rộng khả năng
lựa chọn cấu hình và linh hoạt trong thiết kế hệ thống điều khiển.


5

CHƯƠNG 1: TNG QUAN V IU KHIN PHN
TN DNG MNG TRUYỀN THƠNG SỐ
1.1 Hệ thống tự động hóa q trình sản xuất
1.1.1 Mơ hình phân cấp của hệ thống tự động hóa q trình sản xuất
Hệ thống điều khiển, điều hành và quản lý sản xuất một cách tự nhiên được phân
chia thành nhiều cấp. Phù hợp với thực tế này, hệ thống tự động hóa q trình sản

xuất cũng được phân chia thành nhiều cấp và điển hình của một hệ thống tự động
hóa q trình sản xuất thường bao gồm 5 cấp như trên Hình 1-1.

Hình 1-1. Sơ đồ phân cấp hệ thống điều khiển tự động hóa quá trình sản xuất

Trong sơ đồ phân cấp này, cấp một là cấp cảm biến – chấp hành hay cấp trường
và nó thực hiện kết nối các bộ điều khiển, cảm biến và các cơ cấu chấp hành. Cấp
hai là cấp điều khiển (hay còn gọi là cấp phân xưởng) thực hiện việc điều khiển các


6

q trình cơng nghệ thơng qua việc kết nối các bộ điều khiển, thiết bị điều khiển
logic khả trình PLC, thiết bị điều khiển q trình cơng nghệ trong máy điều khiển số
CNC hoặc các máy tính PC cơng nghiệp. Cấp thứ ba là cấp giám sát chỉ huy thực
hiện chức năng giám sát và điều khiển chi huy cho q trình cơng nghệ. Tại cấp thứ
ba này thực hiện các chức năng giao diện người – máy, lưu trữ các số liệu liên quan
tới sản xuất, ra các lệnh điều khiển, thiết lập cấu hình và thay đổi chế độ làm việc
cho q trình cơng nghệ, máy sản xuất,... Thiết bị trong cấp thứ ba này là các máy
trạm làm việc, các máy tính PC. Các cấp 1, 2 và 3 là các cấp trực tiếp thực hiện quá
trình công nghệ. Cấp thứ tư là cấp quản lý nhà máy và thực hiện phối hợp nhiều
nhiệm vụ quản lý khác nhau như quản lý kỹ thuật, quản lý thông tin, quản lý sản
xuất, quản lý nguồn lực,... Cấp thứ năm là cấp quản lý cơng ty và nó thực hiện kết
nối và phối hợp các hoạt động quản lý khác nhau trên mọi nhà máy, chi nhánh và
văn phòng công ty tại nhiều thành phố và quốc gia khác nhau.
Mỗi một cấp của hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất có các u cầu về
thơng tin cần xử lý và truyền thông riêng. Trong sơ đồ phân cấp này thì cấp càng cao
lượng thơng tin u cầu xử lý và truyền trên mạng càng lớn nhưng tần suất truyền và
yêu cầu về tính thời gian thực giảm dần. Ở mỗi cấp thường có nhu cầu truyền tin
theo hai hướng: truyền tin lên cấp trên và truyền tin xuống cấp dưới. Do vậy mạng

truyền thông sử dụng cho mỗi cấp phải đáp ứng những đặc điểm riêng này. Cấp
quản lý cơng ty thường địi hỏi kết nối truyền tin với những gói dữ liệu kích thước
lớn, trên khoảng cách lớn và thường sử dụng công nghệ mạng diện rộng (WAN).
Cấp quản lý nhà máy và cấp giám sát - chỉ huy thường sử dụng mạng Ethernet với
giao thức TCP/IP (công nghệ của mạng cục bộ (LAN)). Cấp điều khiển và cấp cảm
biến - chấp hành địi hỏi tính thời gian thực và tần suất truyền thông lớn. Các yêu
cầu khác nhau này không chỉ ở các cấp điều khiển khác nhau mà ngay trong một cấp
của hệ thống điều khiển các q trình cơng nghệ phức tạp thì mỗi ứng dụng, mỗi
cơng đoạn sản xuất cũng có những yêu cầu về truyền thông khác nhau, đặc biệt là ở
cấp cảm biến - chấp hành. Trong những năm gần đây rất nhiều chuẩn truyền thông
đã được phát triển để đáp ứng các yêu cầu của các ứng dụng, của các cấp điều khiển
khác nhau này. Việc sử dụng nhiều mạng truyền thông khác nhau tại các cấp này
làm cho hệ thống trở nên phức tạp và giảm những ưu thế của các hệ thống điều
khiển phân tán sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số. Liên quan tới các yêu cầu
bảo trì, bảo dưỡng, yêu cầu về đào tạo nguồn nhân lực,... các nhà thiết kế thường
chuẩn hóa hệ thống mạng truyền thông sử dụng trong nhà máy và xu thế chuẩn hóa
hệ thống mạng vẫn đang diễn ra theo hướng sử dụng càng ít chuẩn truyền thơng
trong một nhà máy càng tốt và lý tưởng nhất là chỉ sử dụng một chuẩn truyền thông


7

trong toàn bộ nhà máy. Tuy nhiên một chuẩn truyền thông đáp ứng được yêu cầu
của cấp điều khiển này, ứng dụng này thì lại khơng đáp ứng được u cầu của cấp
điều khiển khác, ứng dụng khác và trở ngại lớn nhất vẫn là ảnh hưởng của trễ truyền
thông. Chính ảnh hưởng của trễ truyền thơng là ngun nhân hạn chế khả năng ứng
dụng của mạng truyền thông kỹ thuật số trong nhiều ứng dụng, đặc biệt là các ứng
dụng điều khiển truyền động.
1.1.2 Mạng truyền thông trong hệ thống tự động hóa q trình sản xuất
Như đã trình bày, mỗi cấp điều khiển trong hệ thống tự động hóa q trình sản xuất

có u cầu truyền thơng riêng và địi hỏi phải áp dụng các cơng nghệ truyền tin khác
nhau cho mỗi cấp điều khiển này. Tuy vậy người ta vẫn phân chia mạng máy tính
(hay mạng truyền thơng kỹ thuật số) trong hệ thống tự động hóa q trình sản xuất
thành hai loại: mạng thơng tin điều khiển/điều chỉnh và mạng dữ liệu. Trong mơ
hình phân cấp của hệ thống tự động hóa q trình sản xuất hiện đại, hệ thống mạng
dữ liệu sử dụng để kết nối cấp quản lý công ty (cấp 5) với cấp quản lý và điều hành
nhà máy (cấp 4) và kết nối cấp quản lý và điều hành nhà máy với cấp giám sát - chỉ
huy. Mạng máy tính sử dụng kết nối các thiết bị thuộc cấp cảm biến - chấp hành
(cấp trường), cấp điều khiển q trình cơng nghệ (cấp điều khiển) và cấp điều khiển
giám sát với nhau là mạng điều khiển.
Mạng dữ liệu có đặc điểm là các gói dữ liệu có kích thước lớn, tần suất truyền
tin nhỏ. Yêu cầu đối với các hệ thống mạng sử dụng cho mạng dữ liệu là khoảng
cách truyền tin lớn, tốc độ dữ liệu phải cao để có thể truyền các gói tin có kích thước
lớn. Các vấn đề nghiên cứu về hệ thống mạng dữ liệu bao gồm phân tích khả năng
thơng qua, quản lý thơng tin, tối ưu hóa truy vấn phân tán, tổng hợp dữ liệu, điều
khiển luồng thông tin và vấn đề an ninh bảo mật [65]. Thông tin trên mạng dữ liệu
thường là các thông tin phục vụ điều hành và quản lý sản xuất và nó ít u cầu về
tính thời gian thực.
Mạng thơng tin điều khiển/điều chỉnh thì ngược lại, có đặc điểm là các gói dữ
liệu kích thước nhỏ, tần suất truyền tin lớn. Yêu cầu đối với các hệ thống mạng sử
dụng cho mạng thông tin điều khiển/điều chỉnh là mạng phải có tốc độ dữ liệu cao
khi các gói tin có kích thước nhỏ. So với mạng dữ liệu thì mạng thơng tin điều
khiển/điều chỉnh có sự khác biệt cơ bản là mạng thơng tin điều khiển/điều chỉnh có
khả năng đáp ứng yêu cầu của các ứng dụng đòi hỏi khắt khe về tính thời gian thực.
Các nghiên cứu của luận án được thực hiện trên mạng thông tin điều khiển/điều
chỉnh.


8

Thông tin trong hệ thống mạng thông tin điều khiển/điều chỉnh có thể phân chia
làm hai loại chính là: các thông tin sự kiện và các thông tin đo lường, điều khiển.
Các thông tin sự kiện bao gồm các lệnh điều khiển, thơng tin cập nhật cấu hình,
thơng tin liên động cho các máy sản xuất, các phân xưởng và các hệ thống con.
Thông điệp mang thông tin sự kiện có thể có tính chất chu kỳ, khơng chu kỳ hoặc là
loại khẩn cấp. Trễ lớn hoặc mất dữ liệu với các thơng tin sự kiện có thể tạo ra phế
phẩm hoặc sự cố do mất sự phối hợp chính xác giữa các phần của hệ thống. Vấn đề
nghiên cứu về trình tự logic đúng và tối ưu để hệ thống có thể hoạt động chính xác,
an tồn thường sử dụng các kỹ thuật về hệ thống sự kiện rời rạc và mạng Petri (Petri
nets) [57][58][59].
Các thông tin đo lường, điều khiển sử dụng cho các mạch vòng điều khiển
thường là các thơng tin q trình mang giá trị của các đại lượng vật lý như vị trí, tốc
độ, lưu lượng, nhiệt độ,... Thơng điệp mang thơng tin này có tính chất chu kỳ và tính
thời gian thực. Việc mất mát dữ liệu và chậm trễ với các thông tin này có thể gây
giảm hiệu năng và chất lượng của hệ điều khiển, thậm chí có thể gây mất ổn định
[52] [53] [75].
Đặc điểm của các loại thông tin trong hệ thống tự động hóa q trình sản xuất là
khác nhau nên để ngăn ảnh hưởng của việc truyền các gói tin lớn của mạng dữ liệu
với các gói tin nhỏ, tần suất truyền lớn trên mạng thông tin điều khiển/điều chỉnh và
ngược lại ta phải thiết lập hệ thống mạng quản lý và mạng thông tin điều khiển/điều
chỉnh riêng biệt cho dù chúng có thể sử dụng phương tiện truyền thông giống nhau.
Ngay cả đối với mạng thông tin điều khiển/điều chỉnh người ta cũng thường phân
chia thành một số mạng riêng biệt để phân tách giữa các thông tin sự kiện và thông
tin đo lường, điều khiển. Thực tế để đáp ứng yêu cầu này của hệ thống điều khiển
phân tán ở các cấp 1, cấp 2 và cấp 3 người ta sử dụng hai hệ thống mạng riêng biệt
để kết nối và truyền thông tin điều khiển cho các thiết bị ở ba cấp này được gọi là
mạng điều khiển và mạng thiết bị (hay là bus trường). Mạng điều khiển chủ yếu để
truyền các thông tin sự kiện còn mạng thiết bị chủ yếu truyền các thơng tin đo lường
điều khiển trong các mạch vịng điều khiển. Tuy nhiên không thể phân tách chúng
được một cách triệt để và q trình truyền các thơng tin đo lường, điều khiển vẫn bị

ảnh hưởng bởi các thông tin sự kiện làm cho trễ truyền thông càng tăng thêm tính
bất định. Chi tiết hơn về mạng thơng tin điều khiển/điều chỉnh được trình bày trong
chương 2.


9

1.2 Điều khiển phân tán sử dụng mạng
1.2.1 Giới thiệu chung về điều khiển phân tán
Trong sơ đồ phân cấp của hệ thống tự động hóa q trình sản xuất, q trình cơng
nghệ bao trùm lên các cấp: cấp giám sát chỉ huy, cấp điều khiển và cấp trường. Một
hệ thống điều khiển tự động hóa q trình cơng nghệ phải thực hiện các nhiệm vụ
của ba cấp này.
Khái niệm “điều khiển phân tán (DCS)” được sử dụng để phân biệt với điều
khiển tập trung truyền thống. Về mặt nguyên tắc, chiến lược điều khiển đối với một
đối tượng, một nhóm đối tượng có liên quan đến nhau hay một quá trình cần phải là
tập trung, cơ sở dữ liệu q trình cần phải thống nhất, có thể sử dụng để tính tốn
điều khiển cho bất kỳ tín hiệu điều khiển nào để đảm bảo khả năng đáp ứng tốt đối
với u cầu cơng nghệ. Nói cách khác hệ thống phải được xem xét dưới góc độ hệ
nhiều đầu vào, nhiều đầu ra (hệ MIMO). Tuy nhiên cách thức thực hiện chiến lược
điều khiển được tập trung hóa này có nhiều cách khác nhau và mỗi cách thực hiện có
những ưu điểm và nhược điểm riêng.
Giải pháp điều khiển tập trung là giải pháp điều khiển truyền thống được sử
dụng từ những năm 80 của thế kỷ 20 trở về trước. Giải pháp điều khiển này thường
sử dụng một thiết bị xử lý trung tâm điều khiển toàn bộ hệ thống. Các thiết bị đo và
thiết bị chấp hành được nối tới thiết bị xử lý trung tâm thông qua các đường truyền
thông điểm - điểm. Trong giải pháp điều khiển tập trung mọi q trình tính tốn thực
hiện chiến lược điều khiển được thực hiện trên một hệ xử lý trung tâm. Các giải
pháp điều khiển tập trung này có ưu điểm là hệ cơ sở dữ liệu quá trình thống nhất,
tập trung và do vậy ta có thể thực hiện các thuật toán điều khiển để điều khiển q

trình cơng nghệ một cách tập trung và thống nhất. Nhược điểm của giải pháp điều
khiển tập trung là khi đối tượng điều khiển nhiều, phức tạp có thể dẫn tới khối lượng
tính tốn lớn và các hệ xử lý không đáp ứng được. Một nhược điểm nữa là trong giải
pháp điều khiển tập trung các giá trị đo lường phải tập trung về máy tính điều khiển
dẫn tới khối lượng dây dẫn lớn làm tăng chi phí, khó khăn cho cơng tác bảo trì và
sửa chữa.
Giải pháp điều khiển phân tán sử dụng nhiều thiết bị xử lý được kết nối trao đổi
thông tin với nhau để cùng phối hợp điều khiển hệ thống, quá trình. Khác với điều
khiển tập trung, các giải pháp điều khiển phân tán có q trình tính tốn điều khiển
là q trình tính tốn phân tán. Có nghĩa là q trình tính tốn điều khiển được thực
hiện trên nhiều hệ xử lý và hệ cơ sở dữ liệu q trình có thể là tập trung hoặc phân


10

tán trên các hệ xử lý nhưng được chia sẻ trong tồn hệ thống và vẫn đảm bảo tính
thống nhất. Các thông tin cần thiết được trao đổi một cách có chu kỳ giữa các hệ xử
lý. Tùy thuộc vào cách thức thực hiện việc trao đổi thông tin giữa các hệ xử lý trong
hệ thống điều khiển phân tán ta sẽ có các dạng của hệ điều khiển phân tán như sau:
• Điều khiển phân tán với phương thức trao đổi thơng tin bằng tín hiệu
tương tự (analog): Trong giải pháp này phương thức trao đổi thông tin
được thực hiện bằng tín hiệu analog thơng qua các bộ chuyển đổi tương tự
- số (ADC) và chuyển đổi số - tương tự (DAC). Phương án này khắc phục
được nhược điểm về khối lượng tính tốn trên một hệ xử lý nhưng khi
khối lượng thông tin cần trao đổi lớn sẽ dẫn tới tăng khối lượng đây dẫn
cũng như làm giảm chất lượng điều khiển do sai số của quá trình chuyển
đổi tín hiệu trong các bộ chuyển đổi ADC và DAC.
• Điều khiển phân tán với truyền thơng kỹ thuật số điểm - điểm: Giải pháp
này sử dụng một máy chủ để chứa dữ liệu quá trình và các bộ xử lý điều
khiển sẽ cập nhật các dữ liệu quá trình và điều khiển trên máy chủ này

bằng cách thiết lập các đường truyền thông kỹ thuật số theo kiểu điểm điểm nhằm khắc phục ảnh hưởng của nhiễu và có thể truyền được nhiều
thơng tin trên cùng một đường truyền.
• Điều khiển phân tán sử dụng mạng truyền thơng kỹ thuật số: Sự ra đời và
phát triển của các mạng máy tính cho phép thực hiện việc trao đổi thơng
tin giữa các hệ xử lý, các máy tính một cách linh hoạt và tin cậy. Điều này
mở ra một hướng phát triển cho các hệ thống điều khiển là tích hợp mạng
truyền thơng. Theo đó, việc trao đổi dữ liệu quá trình giữa các bộ điều
khiển được thực hiện thông qua mạng truyền thông số.
So với giải pháp điều khiển phân tán sử dụng mạng truyền thơng, ngồi nhược
điểm về số lượng dây dẫn truyền tin lớn, giải pháp sử dụng truyền thơng điểm điểm có nhiều hạn chế về khả năng tích hợp, chi phí bảo trì, sửa chữa cao. Trong
những thập kỷ gần đây, sự phát triển của công nghệ thông tin và truyền thông đã
thúc đẩy việc chuyển hướng phát triển của các hệ thống điều khiển tự động hóa q
trình cơng nghệ sang điều khiển phân tán sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số
nhằm tận dụng những ưu điểm của nó. Một ưu điểm nổi bật phải kể tới của việc ứng
dụng mạng truyền thơng số là nó cho phép xây dựng các hệ thống có dự phịng một
cách dễ dàng nhằm nâng cao độ tin cậy, tính sẵn sàng của hệ thống điều khiển.Chính
vì vậy các hệ thống điều khiển có độ phức tạp cao như các hệ tự động hóa trong
cơng nghiệp, tự động hóa tịa nhà, các hệ thống vận tải thông minh (ô tô, tàu hỏa, tàu


11

điện,...), hệ thống điều khiển trên máy bay,... đều dần chuyển sang áp dụng giải pháp
điều khiển phân tán sử dụng mạng. Tuy nhiên, giải pháp điều khiển phân tán sử
dụng mạng truyền thơng kỹ thuật số có nhược điểm là tồn tại trễ truyền thơng lớn và
trễ mang tính bất định trong các mạch vòng điều khiển khép mạch qua mạng. Trễ
truyền thông ảnh hưởng tới hiệu năng, chất lượng của hệ thống điều khiển, thậm chí
gây mất ổn định hệ thống [31][60][76]. Ảnh hưởng của trễ truyền thông làm hạn chế
khả năng ứng dụng của các hệ thống điều khiển phân tán sử dụng truyền thông kỹ
thuật số trong nhiều ứng dụng của hệ thống điều khiển tự động hóa q trình cơng

nghệ. Điều này địi hỏi phải có những nghiên cứu thêm nhằm mở rộng khả năng ứng
dụng của các hệ thống điều khiển phân tán sử dụng mạng truyền thơng kỹ thuật số
cho các q trình cơng nghệ có u cầu khắt khe về thời gian thực và chất lượng
điều khiển.
Trong khuôn khổ của bản luận án này, các hệ thống điều khiển phân tán được
phân tích là các hệ thống điều khiển phân tán sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số
và cụm từ “điều khiển phân tán” được hiểu là các hệ thống điều khiển với năng lực
xử lý phân tán và sử dụng mạng truyền thông để trao đổi thông tin.
1.2.2 Hệ điều khiển truyền động phân tán
Trong các dây truyền sản xuất chúng ta thường gặp các thiết bị chấp hành được
truyền động bằng các động cơ điện. Nhiều q trình cơng nghệ địi hỏi các động cơ
truyền động khơng những phải được điều khiển cục bộ mà còn phải phối hợp với
nhau một cách chính xác tạo thành các hệ truyền động nhiều trục. Tiêu biểu cho các
hệ thống này phải kể tới các hệ truyền động robots, truyền động ăn dao trong máy
gia công điều khiển số (CNC), truyền động cán thép, truyền động xeo giấy và các hệ
truyền động trong nhiều máy sản xuất khác nhau như truyền động máy cuộn, truyền
động máy gói,...
Có thể phân chia các hệ truyền động nhiều trục thành các nhóm chính sau:
• Truyền động nhiều trục điều khiển vị trí: thuộc về nhóm này có truyền
động robots, truyền động máy CNC,...
• Hệ truyền động nhiều trục đồng tốc độ: thuộc về nhóm này có truyền động
cán thép, truyền động xeo giấy, truyền động máy cuộn,...
• Hệ truyền động nhiều trục phối hợp cả điều khiển vị trí và đồng tốc: Hệ
truyền động dạng này sử dụng trong các công nghệ phức tạp.


12

Ngồi các u cầu điều khiển chính xác về vị trí hoặc tốc độ các hệ truyền động
nhiều trục cịn phải đáp ứng các yêu cầu điều khiển khác của công nghệ như momen,

lực, gia tốc,... và để đảm bảo các yêu cầu này tín hiệu điều khiển cho mỗi trục truyền
động phải được tính tốn từ thơng tin trạng thái của các trục khác trong toàn bộ hệ
thống. Giải pháp phổ biến hiện nay cho các hệ thống này là sử dụng một bộ điều
khiển tập trung thực hiện điều khiển phối hợp truyền động của toàn hệ thống. Các
tín hiệu đo lường (vị trí, tốc độ, lực,...) được tập trung về bộ điều khiển trung tâm để
tính tốn đưa ra các tín hiệu điều khiển cho các trục. Giao diện giữa bộ điều khiển
trung tâm và các bộ điều khiển truyền động từng trục là các đường tín hiệu tương tự
(analog) và các đường tín hiệu logic mặc dù bộ điều khiển trung tâm và các bộ điều
khiển truyền động từng trục là các bộ điều khiển số. Các hệ thống như vậy có đặc
thù của hệ điều khiển tập trung và do vậy nó cũng mang đầy đủ các hạn chế của điều
khiển tập trung.
Sử dụng giải pháp điều khiển phân tán và mạng truyền thông số cho ứng dụng
truyền động nhiều trục sẽ cho ta một cấu trúc mới của các hệ điều khiển truyền động
nhiều trục được gọi là hệ điều khiển truyền động phân tán (DDCS(*)) hay còn được
gọi tắt là hệ truyền động phân tán (DDS(†)). Tài ngun tính tốn của hệ điều khiển
truyền động phân tán là các hệ xử lý của bộ điều khiển trung tâm và các hệ xử lý của
các bộ điều khiển truyền động mỗi trục. Giao diện giữa bộ điều khiển trung tâm và
bộ điều khiển truyền động mỗi trục sử dụng mạng truyền thông số. Mạng truyền
thơng số được sử dụng để truyền cả các tín hiệu logic, các tín hiệu đo lường và tín
hiệu điều khiển giữa các hệ xử lý trong toàn hệ thống. Hệ điều khiển truyền động
phân tán mang đặc thù của hệ thống điều khiển phân tán. Do vậy nó thừa hưởng
những ưu điểm của điều khiển phân tán và ta có thể thay đổi chiến lược điều khiển
của từng trục truyền động thích nghi theo trạng thái của bản thân trục truyền động
đó và các trục khác nhằm đạt được chất lượng điều khiển tối ưu. Hình 1-2 là cấu
trúc hệ truyền động nhiều trục CNC truyền thống và hiện đại.
Tuy nhiên các hệ điều khiển truyền động nhiều trục là các hệ thống điều khiển
đòi hỏi khắt khe về thời gian thực. Sự chậm trễ của các tín hiệu do sử dụng mạng
truyền thông số làm suy giảm chất lượng điều khiển của các hệ điều khiển truyền
động phân tán và trong nhiều ứng dụng nó khơng đáp ứng được yêu cầu công nghệ.
Cho tới nay, trễ truyền thông chính là nguyên nhân chủ yếu hạn chế sự phát triển của

các hệ điều khiển truyền động phân tán.
(*)
(†)

Distributed Drive Control System
Distributed Drive System


13

Trong luận án này, đối tượng sử dụng để phân tích ảnh hưởng của trễ truyền
thơng và thử nghiệm các giải pháp khắc phục ảnh hưởng này là hệ truyền động hai
trục điều khiển vị trí, hệ truyền động sử dụng trong các máy gia cơng điều khiển số
CNC.

Hình 1-2. Cấu trúc truyền động CNC ba trục

1.3 Trễ trong hệ điều khiển phân tán và vấn đề nghiên cứu khắc phục
ảnh hưởng của nó trong các hệ thống điều khiển
1.3.1 Trễ trong hệ điều khiển phân tán
Các hệ thống điều khiển trong cơng nghiệp đều có u cầu thời gian thực. Hệ thống
điều khiển phân tán do vậy cũng phải đáp ứng yêu cầu này khi sử dụng để điều
khiển các q trình cơng nghệ nói chung và hệ điều khiển truyền động phân tán nói
riêng. Điều này có nghĩa yêu cầu đối với các đại lượng điều khiển của hệ điều khiển
phải bao gồm cả giá trị điều khiển và thời gian đưa ra giá trị đó hay nói cách khác hệ
thống điều khiển phải đáp ứng được cả yêu cầu về độ chính xác của đại lượng điều
khiển và độ trễ điều khiển. Trễ điều khiển là khoảng thời gian giữa thời điểm lấy
mẫu và thời điểm tác động của cơ cấu chấp hành tương ứng. Trễ điều khiển trong

14

các mạch vòng điều khiển thực hiện bằng hệ thống điều khiến phân tán bao gồm các
thành phần sau:
• Trễ trong các cơ cấu đo lường giữa thời điểm thu thập các đại lượng phản
hồi và thời điểm truyền các giá trị này, τsp ;
• Trễ truyền thơng từ các cơ cấu đo lường tới bộ điều khiển τscc;
• Trễ tính tốn điều khiển trong controller, τcp;
• Trễ truyền thơng từ controller tới các cơ cấu chấp hành, τcac;
• Trễ trong các cơ cấu chấp hành giữa thời điểm nhận được lệnh và thời điểm
bắt đầu tác động thực tế, τap.
Ta có thể nhận thấy ngồi các chậm trễ do q trình tính tốn thực hiện các luật
điều khiển và đo lường của các bộ điều khiển số thông thường cịn có các chậm trễ
của q trình truyền thơng gây ra. Sơ đồ mạch vịng điều khiển điển hình của hệ
điều khiển phân tán nói chung, truyền động phân tán nói riêng như Hình 1-3. Trễ
truyền thơng thường là thành phần chủ yếu trong việc tạo ra trễ điều khiển và nó cịn
mang tính bất định. Hình 1-4 là hình ảnh của trễ truyền thơng trong mạng CAN.

Hình 1-3. Sơ đồ điều khiển với các thành phần trễ


15

Hình 1-4. Trễ truyền thơng trong mạng CAN

1.3.2 Vấn đề nghiên cứu khắc phục ảnh hưởng của trễ truyền thông
Chất lượng điều khiển sẽ càng tốt nếu thời điểm tác động của cơ cấu chấp hành càng
gần thời điểm lấy mẫu tương ứng. Sự chậm trễ nói chung, hoặc ít hoặc nhiều đều
gây ra sự suy giảm chất lượng điều khiển và hạn chế khả năng ứng dụng của các hệ
điều khiển sử dụng mạng truyền thông số. Vấn đề điều khiển các hệ thống có trễ nói

chung, hệ thống có trễ truyền thơng nói riêng đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà
nghiên cứu trong hơn 20 năm qua. Nó cũng đã “tiêu tốn nhiều cơng sức và giấy
mực”, đã có những tiến bộ đáng kể nhưng “chưa thể nói là vấn đề đã được giải quyết
hồn tồn”[7]. Một số phương pháp điều khiển đã được phát triển để điều khiển các
hệ thống có trễ và điển hình trong số đó là phương pháp điều khiển sử dụng bộ dự
báo Smith (Smith predictor). Đặc điểm của phương pháp này là dựa trên giả thiết trễ
là hằng số và tiền định. Khi trễ điều khiển có sự góp mặt của trễ truyền thơng thì vấn
đề trở nên phức tạp bởi trễ truyền thông không phải là hằng số mà thay đổi theo thời
gian và mang tính bất định. Do vậy các phương pháp điều khiển truyền thống đều
không thể trực tiếp áp dụng trong trường hợp hệ thống điều khiển có trễ truyền
thơng.
Trễ truyền thơng càng nhỏ và càng tiền định thì càng tốt nên hướng nghiên cứu
trước tiên mà người ta nghĩ tới là tìm cách giảm thiểu trễ truyền thơng và tăng tính
tiền định của nó. Theo hướng này, nhiều cơng trình nghiên cứu đã được thực hiện
với mục tiêu cải tiến giao thức và thiết bị truyền thông, hướng tới mục tiêu đảm bảo
và nâng cao chất lượng dịch vụ (QoS – Quality of Service). [70] nghiên cứu việc cải