Nghiên cứu truyền thông dùng mạng CAN trong hệ điều khiển chuyển động

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------o0o-------------------

NGUYỄN ANH TÙNG

Nghiên cứu truyền thông dùng mạng CAN trong hệ điều khiển
chuyển động

Chun ngành: Tự động hố xí nghiệp công nghiệp

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS BÙI QUỐC KHÁNH

Hà Nội - 2005


-1-

MỤC LỤC
Trang phụ b́ a -----------------------------------------------------------------------------------Mục lục ---------------------------------------------------------------------------------------- 1
Danh mục h́ nh vẽ ------------------------------------------------------------------------------------------- 5
Lời nói đầu --------------------------------------------------------------------------------------------------- 9

Chương 1 Truyền thông trong hệ điều khiển chuyển động ---------------------------- 11
1.1. Khái quát chung về hệ điều khiển chuyển động -------------------------------- 11

1.2. Các giải pháp truyền thông cho hệ điều khiển chuyển động ------------------ 13
1.2.1. Phương pháp truyền thông truyền thống dùng cho hệ điều khiển
chuyển động. ------------------------------------------------------------------- 13
1.2.2.

Phương pháp truyền thông dùng mạng( bus) dùng cho hệ điều khiển
chuyển động. ------------------------------------------------------------------- 15

1.2.3.

Một số mạng được sử dụng để truyền thông trong hệ điều khiển
chuyển động. ------------------------------------------------------------------- 17

1.2.3.1.

Cấu h́ nh truyền thông cho hệ điều khiển chuyển động dùng loại
bus tốc độ cao( SynqNet, Ethernet, FireWire, Sercos,..) -------------- 17

1.2.3.2.

Cấu h́ nh truyền thông cho hệ điều khiển chuyển động dùng loại
bus tốc độ thấp( CAN, RS 485,..)---------------------------------------- 19

1.3. Mô h́ nh điều khiển chuyển động dùng truyền thông CAN-bus. -------------- 20
1.4. Kết luận. ---------------------------------------------------------------------------- 22
Chương 2 Nghiên cứu ảnh hưởng của trễ truyền thông và nhiễu tới hệ điều khiển,
biện pháp khắc phục ------------------------------------------------------------ 23
2.1 Thời gian trễ trong truyền thông. ------------------------------------------------- 23
2.1.1 Giới thiệu. ---------------------------------------------------------------------- 23
2.1.2 Các thành phần của thời gian trễ. -------------------------------------------- 23

2.1.3 Ảnh hưởng của trễ truyền thông tới chất lượng của hệ thống. ----------- 25
2.1.4 Nguyên nhân gây ra trễ truyền thông và biện pháp khắc phục. ---------- 26
2.2. Nhiễu. -------------------------------------------------------------------------------- 27
2.2.1 Giới thiệu ------------------------------------------------------------------------ 27
2.2.2. Cơ sở lư thuyết của bộ lọc Kalman ------------------------------------------ 27


-2-

2.2.3. Thiết kế bộ lọc Kalman trên lư thuyết. -------------------------------------- 30
2.3. Kết luận. ----------------------------------------------------------------------------- 36
Chương 3 Nghiên cứu mạng truyền thông thời gian thực dựa trên CAN ------------ 37
3.1. Những vấn đề về CAN-bus.------------------------------------------------------- 37
3.1.1. Giới thiệu về CAN bus ------------------------------------------------------- 37
3.1.2. Lư thuyết cơ sở về giao thức CAN ------------------------------------------ 39
3.1.2.1. Một số khái niệm cơ bản của CAN-bus. -------------------------------- 39
3.1.2.2. Các dạng frame truyền trong CAN -------------------------------------- 41
3.1.2.2.1. Dạng frame dữ liệu( Data frame) ------------------------------------ 42
3.1.2.2.2. Dạng frame yêu cầu dữ liệu ( Remote frame) ---------------------- 43
3.1.2.2.3. Dạng frame lỗi( Error frame)----------------------------------------- 44
3.1.2.2.4. Dạng frame quá tải( Overload frame) ------------------------------- 45
3.1.2.2.5. Khoảng liên kết frame( Interframe space) -------------------------- 46
3.1.3. Các cơ chế phát hiện lỗi được sử dụng trong giao thức CAN. ----------- 46
3.1.3.1. Cơ chế phát hiện lỗi Cyclic Redundancy Check (CRC). -------------- 46
3.1.3.2. Cơ chế phát hiện lỗi Acknowledge -------------------------------------- 47
3.1.3.3. Cơ chế kiểm tra frame (Frame Check) ---------------------------------- 47
3.1.3.4. Cơ chế giám sát bit (bit monitoring)------------------------------------- 48
3.1.3.5. Cơ chế kểm tra bit nhồi (bit stuffing check) ---------------------------- 48
3.1.4. Kiểm soát lỗi trong giao thức CAN ------------------------------------------ 48
3.1.5. Các phiên bản của giao thức CAN ------------------------------------------- 49

3.1.6. Cơ chế đồng bộ đường bus --------------------------------------------------- 50
3.1.6.1. Khái niệm về mă Non Return to Zero ----------------------------------- 50
3.1.6.2. Khái niệm về bit nhồi (stuffing bit) -------------------------------------- 51
3.1.6.3. Đồng bộ đường bus -------------------------------------------------------- 51
3.1.7. Kiến trúc bit truyền trong giao thức CAN ---------------------------------- 52
3.1.8. Chuẩn kết nối vật lư trong CAN --------------------------------------------- 57
3.2. Kết luận------------------------------------------------------------------------------ 59


-3-

Chương 4 Xây dựng mô h́ nh dùng truyền thông dùng CAN-bus cho hệ điều khiển
chuyển dộng.
4.1 Cấu h́ nh của mô h́ nh. --------------------------------------------------------------- 60
4.2 Giới thiệu về các thiết bị dùng để xây dựng mô h́ nh --------------------------- 62
4.2.1. Giới thiệu về bộ Servo Drive IDM640 -------------------------------------- 62
4.2.1.1. Tổng quan về các chức năng. --------------------------------------------- 63
4.2.1.1.1. Sơ đồ khối. ------------------------------------------------------------- 63
4.2.1.1.2. Các cấu h́ nh cho các ứng dụng điều khiển chuyển động. --------- 63
4.2.1.1.3. Sensors ------------------------------------------------------------------ 64
4.2.1.1.4. Tần số PWM và tốc độ lấy mẫu ------------------------------------- 65
4.2.1.1.5. Các chế độ chuyển động. --------------------------------------------- 66
4.2.1.1.6. Các mode hoạt động. -------------------------------------------------- 67
4.2.1.2. Cấu h́ nh phần cứng -------------------------------------------------------- 67
4.2.2. Giới thiệu về IPM Motion Studio và ngôn ngữ bậc cao TML ------------ 68
4.2.2.1 Tổng quan về IPM Motion Studio ---------------------------------------- 68
4.2.2.1.1 Các bước tạo một ứng dụng điều khiển trong IMP Motion
Studio. ---------------------------------------------------------------------- 69
4.2.2.1.1.1.Đấu nối -------------------------------------------------------------- 69
4.2.2.1.1.2. Tạo một project mới. ---------------------------------------------- 72

4.2.2.2. Giới thiệu về ngôn ngữ bậc cao TML( Technosoft Motion
Language) -------------------------------------------------------------------- 74
4.2.2.2.1. Tổng quan.-------------------------------------------------------------- 74
4.2.2.2.2. Môi trường TML. ------------------------------------------------------ 75
4.2.2.2.3.Thực hiện chương tŕnh. ------------------------------------------------ 76
4.2.2.2.4.Cấu trúc chương tŕnh TML-------------------------------------------- 76
4.2.2.2.5.Mă lệnh TML ----------------------------------------------------------- 77
4.2.2.2.6.Dữ liệu TML ------------------------------------------------------------ 78
4.2.2.2.7. Công cụ phát triển TML ---------------------------------------------- 78


-4-

4.2.2.2.8.TechnoCAN ( CAN Communication Protocol for Technosoft
Intelligent Drives) ------------------------------------------------------- 78
4.2.2.2.8.1. Khái niệm Relay Axis. -------------------------------------------- 79
4.2.2.2.8.2. ID của trục trong mạng nhiều trục. ------------------------------ 80
4.2.2.2.8.3. Các kiểu CAN Message ------------------------------------------ 82
4.2.2.2.8.4. Giao thức truyền thông CAN –bus và cấu trúc diễn tả. ------- 82
4.2.3.Giới thiệu về DS1103 PPC Controller Board ------------------------------- 83
4.2.4. Giới thiệu về phần mềm dSpace Software ---------------------------------- 85
4.2.4.1. Giới thiệu về Controldesk ------------------------------------------------ 85
4.2.4.2. Giới thiệu về RTI Block set ---------------------------------------------- 90
4.3. Các bước tiến hành thực nghiệm và kết quả. --------------------------------- 100
4.3.1. Mục đích của thực nghiệm -------------------------------------------------- 100
4.3.2. Đặt cấu h́ nh cho các thiết bị dùng trong thực nghiệm ------------------- 101
4.3.3. Xây dựng sơ đồ trong Simulink cho truyền thông giữa DS1103 và các
Servo Drive. -------------------------------------------------------------------- 105
4.3.3.1. Soạn tin nhắn gửi tốc độ đặt xuống drive. ---------------------------- 105
4.3.3.2. Soạn tin nhắn hỏi giá trị thực vị trí của động cơ. -------------------- 107

4.3.4. Kết quả thực nghiệm--------------------------------------------------------- 111
4.3.4.1 Đồ thị mô tả trễ trong truyền thông ------------------------------------ 111
4.3.4.2 Giá trị đánh giá sai lệch của vị trí theo tiêu chuẩn tích phân. ------- 112
4.3.4.2. Tính toàn vẹn của tin nhắn. -------------------------------------------- 113
4.4. Kết luận---------------------------------------------------------------------------- 114
Kết luận. ------------------------------------------------------------------------------------ 115
Tài liệu tham khảo ------------------------------------------------------------------------ 116
Phụ lục -------------------------------------------------------------------------------------- 117


-5-

Danh mục h́ nh vẽ.
H́nh 1.1.1

Các phần tử tiêu biển của một hệ điều khiển chuyển động

H́nh 1.1.2

Cấu h́ nh của hệ điều khiển chuyển động

H́nh 1.1.3

Các kiểu khác nhau của hệ điều khiển chuyển động

H́nh 1.2.1.1

Cấu trúc truyền thông của hệ điều khiển chuyển động truyền thống

H́nh 1.2.2.1

Cấu h́ nh mạng (bus) cho hệ điều khiển chuyển động

H́nh 1.2.3.1.1

Cấu h́ nh mạng của hệ điều khiển chuyển động (tốc độ cao)

H́nh 1.2.3.1.2

Thông số kỹ thuật của một số loại bus

H́nh 1.2.3.2.1

Cấu h́ nh mạng của hệ điều khiển chuyển động (tốc độ thấp)

H́nh 1.3.1

Cấu h́ nh truyền thông dùng CAN-bus cho hệ điều khiển chuyển động.

H́nh 2.1.2.1

Hệ thống điều khiển số qua mạng có trễ.

H́nh 2.1.2.2

Lược đồ thời gian mơ tả trễ trong hệ thống điều khiển.

H́nh 2.2.2.1

Thuật tốn của bộ lọc Kalman

H́nh 2.2.3.1

Mô h́ nh dùng bộ lọc Kalman để lọc nhiễu cho hệ điều khiển chuyển
động gồm có 2 trục, sử dụng truyền thơng CAN-bus.

H́nh 2.2.3.2

Cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí tuyến tính.

H́nh 2.2.3.3

Mơ h́ nh Simulink mơ phỏng bộ lọc Kalman cho tín hiệu vị trí.

H́nh 2.2.3.4.a

Đồ thị của giá trị đo có nhiễu và giá trị đầu ra của bộ lọc Kalman

H́nh 2.2.3.4.b

Đồ thị của giá trị đo có nhiễu và giá trị đầu ra của bộ lọc Kalman

H́nh 2.2.3.5.a

Đồ thị của giá trị phản hồi vị trí bị nhiễu tác động khi khơng và có qua
bộ lọcKalman.

H́nh 2.2.3.5.b

Đồ thị của giá trị phản hồi vị trí bị nhiễu tác động khi khơng và có qua

bộ lọc Kalman.

H́nh 3.1.1.1

Phương thức kết nối điểm-điểm

H́nh 3.1.1.2

Phương thức kết nối bus

H́nh 3.1.2.1.1

Kết nối node CAN lên Bus

H́nh 3.1.2.1.2

Bảng logic Wired_End

H́nh 3.1.2.1.3

Thể hiện hai trạng thái đường truyền CAN

H́nh 3.1.2.1.4

Ví dụ cơ chế chiếm đường truyền

H́nh 3.1.2.2.1.1

Dạng frame dữ liệu.

H́nh 3.1.2.2.2.1

Dạng frame yêu cầu từ xa.


-6H́nh 3.1.2.2.3.1

Dạng frame lỗi.

H́nh 3.1.2.2.4.1

Dạng frame quá tải.

H́nh 3.1.2.2.5.1

Khoảng liên kết frame

H́nh 3.1.3.1.1

Cơ chế phát hiện lỗi CRC

H́nh 3.1.3.2.1

Cơ chế phát hiện lỗi Acknowledge

H́nh 3.1.3.3.1

Cơ chế phát hiện lỗi kiểm tra frame, giám sát bit hoặc kiểm tra bit nhồi

H́nh 3.1.4.1

Các trạng thái lỗi bên trong của một node CAN

H́nh 3.1.5.1

Các phiên bản giao thức CAN

H́nh 3.1.6.1.1

Cơ chế mă hóa NRZ

H́nh 3.1.6.2.1

Cơ chế sử dụng bít nhồi

H́nh 3.1.6.3.1

Các cơ chế đồng bộ bus

H́nh 3.1.7.1

Phân chia thời gian bit truyền CAN

H́nh 3.1.7.2

Phân đoạn đồng bộ nhận.

H́nh 3.1.7.3

Phân đoạn thời gian truyền CAN

H́nh 3.1.7.4

Phân đoạn Phase buffer segment 1

H́nh 3.1.7.5

Phân đoạn Phase buffer segment 2

H́nh 3.1.7.6

Cơ chế kéo dài phân đoạn phase buffer segment 1

H́nh 3.1.7.7

Cơ chế rút ngắn phân đoạn phase buffer segment 2

H́nh 3.1.7.8

Một cách phân chia thời gian bit khác hay được sử dụng

H́nh 3.1.7.9

Điểm lấy mẫu bit truyền sớm.

H́nh 3.1.7.10

Điểm lấy mẫu bit truyền muộn.

H́nh 3.1.7.11

Biểu đồ quan hệ giữa tốc động truyền và độ dài đường truyền

H́nh 3.1.7.12

Biểu đồ phân lớp giao thức CAN

H́nh 3.1.8.1

Chuẩn kết nối vật lư trong CAN

H́nh 3.1.8.2

Cơ chế truyền hai dây có khả năng chống nhiễu tốt.

H́nh 3.1.8.3

Cấu trúc kết nối một đường truyền CAN theo chuẩn ISO-IS11898

H́nh 3.1.8.4

Chuẩn mức tín hiệu trên đuờng truyền CAN

H́nh 3.1.8.5

Chuẩn kết nối connector của CAN

H́nh 4.1.1.

Cấu h́ nh của hệ điều khiển chuyển động dùng truyền thông CAN-bus

H́nh 4.1.2.

Cấu h́ nh của hệ điều khiển chuyển động dùng truyền thông mạng
CAN-bus.


-7H́nh 4.2.1.1.1.1.

Sơ đồ khối của IDM640.

H́nh 4.2.1.1.2.

Các cấu h́ nh chuyển động với động cơ đồng bộ( PMSM)

H́nh 4.2.1.1.3

Các loại sensor được dùng cho IDM640

H́nh 4.2.1.1.4.

Giá trị tiêu biểu cho tần số PWM và tần số lấy mẫu.

H́nh 4.2.1.1.5.

Các Mode chuyển động.

H́nh 4.2.1.2.1

Cấu h́ nh phần cứng của IDM640-8EI.

H́nh 4.2.2.1.1

Cửa sổ giao diện của IPM Motion Studio

H́nh .4.2.2.1.1.1.1

Sơ đồ đấu nối

H́nh 4.2.2.1.1.1.2

Sơ đồ cấp nguồn cho động cơ.

H́nh 4.2.2.1.1.1.3

Sơ đồ đấu nối cho Hall Sensor.

H́nh 4.2.2.1.1.1.4

Sơ đồ đấu nối cho Encoder.

H́nh 4.2.2.1.1.1.5

Sơ đồ đấu nối từ Drive đến cổng RS232 của máy tính.

H́nh 4.2.2.1.1.1.6

Sơ đồ cấp nguồn cho Drive

H́nh 4.2.2.1.1.2.1

Chọn loại Drive và loại động cơ.

H́nh 4.2.2.1.1.2.2

Project vừa được tạo ra.

H́nh 4.2.2.2.4.1

Cấu trúc tiêu biểu của chương tŕnh TML

H́nh 4.2.2..2.5.1

Mă lệnh TML.

H́nh 4.2.2.2.8.1.1

Khái niệm Relay Axis.

H́nh 4.2.2.2.8.2.1.

Định nghĩa của các nhóm.

H́nh 4.2.2.2.8.2.1

Cấu trúc tin nhắn.

H́nh 4.2.2.2.8.2.2

Mạng nhiều trục sử dụng CAN bus với host được nối qua cổng RS232

H́nh 4.2.2.2.8.2.3.

Mạng nhiều trục sử dụng CAN bus có host nối trực tiếp tới mạng CAN.

H́nh 4.2.2.2.8.3.1.

Nội dung tin nhắn “ Give Me Data”

H́nh 4.2.2.2.8.3.2.

Nội dung tin nhắn “ Take Data”

H́nh 4.2.2.2.8.4.1

Cấu trúc tin nhắn CAN.

H́nh 4.2.3.1.

Cấu h́ nh của Board DS1103-07 sử dụng PowerPC 640e.

H́nh 4.2.3.2.

Các thông số CAN-bus của DS1103 Board.

H́nh 4.2.4.1.1.

Cửa sổ giao diện của Controldesk.

H́nh 4.2.4.1.2.

Bốn thanh công cụ của Navigator.

H́nh 4.2.4.1.3.

Các công cụ của Tool window.

H́nh 4.2.4.1.4.

Xây dựng một kết nối đến một plotter.

H́nh 4.2.4.2.1

Các khối thư viện RTI Blockset của DS1103.


-8H́nh 4.2.4.2.2

Các khối thư viện RTICAN Blockset của DS1103.

H́nh 4.2.4.2.3

Khối RTICAN CONTROLLER SETUP.

H́nh 4.2.4.2.4

Cấu trúc dữ liệu trong tin nhắn của một tín hiệu.

H́nh 4.2.4.2.5

Khối RTICAN Transmit (TX).

H́nh 4.2.4.2.6

Khối RTICAN Receive(RX).

H́nh 4.3.2.1.

Cấu h́ nh của thí nghiệm.

H́nh 4.3.2.2.

Thơng số của động cơ và các Sensor

H́nh 4.3.2.3.

Các mạch ṿng điều chỉnh trên bộ Drive và thông số các bộ điều khiển
của các mạch ṿng tương ứng.

H́nh 4.3.2.4.

Chọn mode tham chiếu cho chuyển động.

H́nh 4.3.2.5

Đoạn lệnh TML cho mode đă chọn.

H́nh 4.3.2.6

SW1-DIP Switch

H́nh 4.3.2.7.

Đoạn lệnh TML cho mode đă chọn.

H́nh 4.3.2.1

Mô h́ nh Simulink cho mô phỏng truyền thông giữa DS1103 và trục 1.

H́nh 4.3.4.1

Thời gian trễ của truyền tin nhắn khi Ts = 10ms

H́nh 4.3.4.2

Thời gian trễ của truyền tin nhắn khi Ts = 3ms

H́nh 4.3.4.2.1

Kết quả thí nghiệm đánh giá sai lệch vị trí.

H́nh 4.3.4.2.2.

Đồ thị vẽ ước lượng thể hiện mối liên hệ giữa tích phân b́ nh phương sai
lệch vị trí với chu kỳ trích mẫu Ts


-9-

LỜI NĨI DẦU

Trong sự nghiệp cơng nghiệp hố, hiện đại hố đất nước vấn đề tự động hố
sản xuất có vai tṛ đặc biệt quan trọng. Nếu như trước kia để tạo ra sản phẩm công
nghiệp th́ sự tác động của con người hầu như trong suốt quá tŕnh từ lúc bắt đầu đến
lúc kết thúc quá tŕnh sản xuất, giờ đây nhờ có sự phát triển mạnh mẽ của khoa học
công nghệ đă tạo ra các dây chuyền tự động, máy công cụ (CNC), Rôbốt, … làm
nâng cao năng suất của dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khả năng
cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động.
Trong các dây chuyền tự động, máy công cụ (CNC – Computer Numeric
Control) hay Rôbốt th́ chuyển động của các cơ cấu đóng vai tṛ rất quan trọng. Để
các cơ cấu chuyển động chính xác; phối hợp với nhau nhịp nhàng, đồng bộ; tăng
tính thời gian thực của hệ thống; giảm nhiễu tác động lên hệ thống … th́ người ta
phải nghiên cứu để t́m ra các cấu h́ nh, các phương pháp điều khiển tối ưu cho hệ
điều khiển chuyển động. Một trong những yếu tố rất quan trong quyết định đến chất
lượng của hệ điều khiển chuyển động là truyền thông trong hệ điều khiển chuyển
động. Việc chuyển từ h́ nh thức truyền thông bằng tín hiệu analog (dùng dây dẫn)
sang truyền thơng bằng tín hiệu số (dùng bus) để truyền thơng cho hệ điều khiển
chuyển động đă tạo ra nhiều hệ chuyển động phức tạp với những tính năng vượt trội
như: độ chính xác cao, cấu h́ nh đơn giản, dễ thiết kế, dễ vận hành, giảm giá
thành…Nhưng muốn khai thác được tối đa những lợi ích khi sử dụng mạng truyền
thơng th́ việc hiểu rơ đặc tính của từng loại mạng là điều rất cần thiết. CAN-bus là
một loại bus trường được sử dụng rộng răi trong xe hơi, xe gắn máy, tự động hố
tồ nhà, các hệ điều khiển chuyển động,.. nhờ những ưu điểm nổi trội của nó so với
các loại bus khác.
Dựa vào những phân tích ở trên, trong bản đồ án này tôi đă chọn đề tài:
“Nghiên cứu truyền thông dùng mạng CAN trong hệ điều khiển chuyển động”


- 10 -

Nhờ có sự hướng dẫn tận t́nh của thầy giáo PGS.TS Bùi Quốc Khánh, tơi đă

hồn thành bản đồ án với các đề mục và nội dung như sau :
Lời nói đầu
Chương 1: Truyền thơng trong hệ điều khiển chuyển động.
Chương 2: Nghiên cứu ảnh hưởng của trễ truyền thông và nhiễu tới hệ điều
khiển, biện pháp khắc phục.
Chương 3: Nghiên cứu mạng truyền thông thời gian thực dựa trên CAN-bus.
Chương 4: Xây dựng mô h́ nh dùng truyền thông CAN-bus cho hệ điều khiển
chuyển động.
Kết luận.
Tài liệu tham khảo.
Phụ lục.

Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn tới thầy giáo PGS.TS Bùi Quốc Khánh, các thầy
cô trong bộ môn TĐHXNCN, ThS. Phạm Quang Đăng và các kỹ sư pḥng thí
nghiệm trọng điểm Tự Động Hố đă tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá tŕnh
làm đồ án.
Do kiến thức bản thân c ̣n hạn chế nên bản đồ án này khơng tránh khỏi những
thiếu sót. Tơi rất mong được sự góp ư của các thầy cơ và các bạn đồng nghiệp để
bản đồ án này được hoàn thiện hơn.

Hà Nội, 10.2005
Tác giả, Nguyễn Anh Tùng.


- 11 -

CHƯƠNG 1
TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG

1.1. Khái quát chung về hệ điều khiển chuyển động.

Ở giai đoạn đầu phát triển của máy móc, việc điều khiển vị trí và vận tốc
được thực hiện bằng những giải pháp tốn kém, phức tạp và tốn thời gian, như một
chuỗi các Cam, các bánh răng (Gear), …và những thiết bị tương tự. Các thiết bị
khác như các xy lanh thuỷ lực và khí, pít tơng, quận dây điện từ, phanh,…luôn
được thêm vào những hệ thống này.
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của cơng nghệ máy tính và vi xử lư, các hệ
điều khiển chuyển động đă trở nên linh hoạt và tiện lợi hơn. Với hệ điều khiển
chuyển động có thể lập tŕnh, ta có thể thay đổi vận tốc hay vị trí của cơ cấu chỉ bằng
một vài ḍng lệnh hoặc bằng cách chọn các thuật tốn đă có sẵn trong bộ nhớ của hệ
thống.
Các thành phần của một hệ điều khiển chuyển động về cơ bản gồm những
phần tử như H́nh 1.1.1 ở dưới (chuyển động có thể là chuyển động quay hoặc
chuyển động thẳng).

H́nh 1.1.1 Các phần tử tiêu biểu của môt hệ điều khiển chuyển động.

Bộ điều khiển (Controller) sẽ chứa một chuỗi các lệnh được mă hoá (các lệnh
để điều khiển chuyển động), khi được thực hiện nó sẽ tạo ra một loạt các xung điện
hoặc tín hiệu tương tự ở đầu ra của bộ điều khiển. Các tín hiệu này sẽ được cấp cho
bộ khuếch đại (Amplifier) và được nó khuyếch đại lên cho phù hợp với cơ cấu chấp
hành (Actuator). Cơ cấu chấp hành thực hiển các chuyển động yêu cầu. Phần tử


- 12 -

cuối cùng là thiết bị phản hồi (Feedback) – cung cấp tín hiệu phản hồi cho bộ điều
khiển (Controller).
Nhiều hệ điều khiển chuyển động được tích hợp thành một hệ lớn. Các loại
thiết bị dựa trên máy tính, như các bộ điều khiển có thể lập tŕnh, các máy tính cơng
nghiệp, các máy tính lớn ở xa để liên kết và điều phối các chức năng chuyển động

cùng các chức năng khác. Thêm vào, giao diện hoạt động (Operator interface) để
thay đổi chương tŕnh; cung cấp các sửa đổi thời gian thực như tắt hệ thống, các thay
đổi kế hoạch, …Do đó, một hệ thống điều khiển chuyển động tích hợp thêm một số
phần có cấu h́ nh như H́nh 1.1.2

Operator
Interface

Host

Controller

Amplifier

Actuator

Feedback

H́nh 1.1.2. Cấu h́nh của hệ điều khiển chuyển động.

Tổng quan về các kiều khác nhau của hệ điều khiển chuyển động được mô tả
như ở H́nh 1.1.3..
Khái niệm bộ điều khiển và bộ khuếch đại (Controller và Amplier) được sử
dụng ở đây được hiểu rất rộng. Ví dụ: Một bộ điều khiển có thể chỉ gồm thiết bị đơn
giản để thực hiện việc đóng cắt một động cơ quạt nhỏ khi phát hiện ra có khói. Nếu
động cơ này cần 1 transistor để cấp nguồn th́ ta có thể nói hệ thống có 1 bộ khuếch
đại. Vậy những khối của hệ điều khiển chuyển động này là: động cơ (Cơ cấu chấp
hành), transistor (Bộ khuếch đại), cảm biến phát hiện khói (sensor - Phản hồi). Có
khi bộ điều khiển được thiết kế cho những mục đích rơ ràng như: Điều khiển số dựa
trên máy tính, rơ bốt công nghiệp, cắt và hàn bằng laser,…Host thực hiện các chức

- 13 -

năng điều khiển cấp cao
hơn như: tính tốn tốc độ
cao, phối hợp chuyển động.
Một bộ điều khiển có chức
năng của host gọi là host
controller.
Bộ khuyếch đại có
thể được phân loại dựa trên
đặc tính đầu ra

của nó.

Một vài kiều tiêu biểu là:
DC Amplifier , Brushless
DC, Brushless AC, ..
Cơ cấu chấp hành có
thể là: Động cơ 1 chiều có
chổi than, động cơ bước,
Servovalve, ….
Thiết bị phản hồi có

H́nh 1.1.3. Các kiều khác nhau của hệ điều khiển chuyển

thể là: Encoder,

động.

Resolver…
Tuỳ theo nhà sản xuất mà các bộ phận trên có thể đứng rời hay được gộp vào
trong một khối. Ví dụ như: Khối Host, Controller, Amplier có thể nằm chung thành
một khối.

1.2. Các giải pháp truyền thông cho hệ điều khiển chuyển động.
1.2.1 Phương pháp truyền thông truyền thống dùng cho hệ điều khiển chuyển
động.
Điều khiển chuyển động nhiều trục truyền thống sử dụng các bộ điều khiển
chuyển động, dựa trên PC hay một ḿnh, cho từng trục. Giữa các trục có mối liện
hệ với nhau theo một quy luật nhất định.


- 14 -

H́nh 1.2.1.1 Cấu trúc truyền thông của hệ điều khiển chuyển động truyền thống.

Việc tạo ra quỹ đạo và thuật tốn điều khiển vị trí được thực hiện trên một
bục phần cứng đơn lẻ. H́nh 1.2.1.1 ở trên thể hiện cấu trúc của hệ điều khiển chuyển
động gồm hai hoặc nhiều trục.
Các drive được sử dụng ở trên có thể là số hoặc tương tự, và có thể hoạt động
ở mode vận tốc hoặc mode mơ men.
Tín hiệu điều khiển ở trên được gửi từ Controller đến các Driver là các tín
hiệu ḍng (4-20mA) hay áp (0-10V). Tín hiệu phản hồi là các tín hiệu vị trí được lấy
từ encoder, resolver,… Với hệ điều khiển chuyển động như trên th́ có một số nhược
điểm như sau:
• Về mặt dây dẫn: Tất cả các dây dẫn phản hồi cần quay về bộ điều khiển
(Controller). V́ động cơ phải gắn trên máy, Controller và Driver gắn gần nhau ở
bảng điều khiển nên tín hiệu phản hồi nhỏ phải truyền tượng đối xa. Điều này dẫn

đến sự suy giảm tín hiệu. Hơn nữa các tín hiệu sử dụng ở đây là ḍng hoặc áp th́ rất
bị nhiễu và làm ảnh hưởng đến độ chính xác.
• Về mặt phức tạp: Việc thêm trục chuyển động là rất khó và đơi khi là khơng
thể với bục phần cứng cố định
• Về mặt giám sát: Giao diện từ Controller đến Drive không cung cấp khả năng
giám sát các thông số, các lỗi của drive nên việc điều khiển, phát hiện sự cố gặp
nhiều khó khăn.
• Về mặt trễ: Do sử dụng tín hiệu analog để điều khiển nên tín hiệu từ
Controller đến các drive phải qua một bộ biến đổi D/A, và tín hiệu vị trí phản hồi về


- 15 -

từ Encoder (A/D). Sự biến đổi 2 lần này đă tạo ra trễ làm ảnh hưởng đến tính thời
gian thực của hệ thống điều khiển.
Từ những phân tích ở trên ta nhận thấy phương pháp truyền thông truyền
thống (dùng tín hiệu analog) này chỉ đáp ứng được những ứng dụng điều khiển
chuyển động đơn giản (số trục tham gia chuyển động ít) và u cầu chính xác
khơng cao. Một hệ điều khiển chuyển động phức tạp khi có nhiều trục tham gia
chuyển động, và giữa các trục này có mối liên hệ, phối hợp chuyển động với nhau
để thực hiện một nhiệm vụ chung nào đó. Đối với những hệ như thế này th́ tính
đồng bộ giữa các trục và sự trao đổi thông tin giữa các trục với nhau là rất cần thiết.
Do đó, người ta phải t́m ra phương pháp truyền thông khác để đáp ứng được những
bài toán điều khiển chuyển động phức tạp và dễ dàng cho việc thiết kế, điều khiển.

1.2.2. Phương pháp truyền thông dùng mạng (bus) cho hệ điều khiển chuyển
động.
Người ta đă nghĩ ra giải pháp
dùng bus để truyền thông thay cho
phương pháp truyền thống trên như ở

H́nh 1.2.2.1.
Ở cấu h́ nh này người ta dùng 1
hoặc nhiều máy tính trung tâm để điều
khiển các trục: Tín hiệu điều khiển có
thể được gửi từ máy tính trung tâm đến
từng trục một như phần trên của H́nh
1.2.2.1, hoặc gửi tới các bộ điều khiển

H́nh 1.2.2.1. Cấu h́nh mạng (bus) cho hệ
điều khiển chuyển động.

địa phương (local controllers) như ở phần dưới của H́nh 1.2.2.1 (các lệnh điều
khiển nhóm), sau đó bộ điều khiển này điều khiển này mới gửi các lệnh tới các trục
riêng lẻ. Máy tính trung tâm có thể là 1 chương tŕnh phần mềm, 1 chíp vi điều
khiển, hoặc PLC.
➢ Khi dùng bus th́ tín hiệu được truyền là tín hiệu số. Ta có thể dễ nhận thấy rằng


- 16 -

những ưu điểm khi chuyển từ truyền tín hiệu tương tự (phương pháp truyền thống)
sang truyền tín hiệu số( dùng bus) là:
• Thơng tin truyền trên bus có thể theo 2 chiều, lượng thông tin truyền lớn nên
dễ điều khiển.
• Khả năng chống nhiễu cao.
• Cấu trúc nối dây đơn giản.
• Và có thể giảm giá thành.
➢ Khi dùng mạng (bus) để truyền thông trong hệ điều khiển chuyển động th́ một số
vấn đề ta phải quan tâm là:
• Tính thời gian thực của hệ thống.

• Thời gian trễ trong truyền thơng.
• Tính tồn vẹn của tín hiệu khi truyền.
• Độ chính xác của hệ thống chuyển động (đánh giá theo một chỉ tiêu nào đó)
Khái niệm xử lý thời gian thực không đồng nghĩa với xử lý rất nhanh mà là
khả năng đáp ứng kịp thời và chính xác với tác động của sự kiện. Một trong những
yếu tố ảnh hưởng tới tính kịp thời của hệ thống là :
• Ảnh hưởng do trễ trong xử xử lư tính tốn và truyền thơng (tiền định – có thể
ước lượng trước được).
• Ảnh hưởng do lỗi, nhiễu gây ra làm mất hay thay đổi tín hiệu.
Việc loại bỏ thời gian trễ trong truyền thông là điều không thể. Nhưng ta có
thể ước lượng được thời gian trễ cho phép đối với một hệ điều khiển. Từ đó, ta có
thể chọn cấu h́ nh truyền thơng và bộ điều khiển tương ứng mà vẫn đảm bảo được
tính thời gian thực cũng như tính ổn định của hệ thống.


- 17 -

1.2.3. Một số mạng(bus) hay được sử dụng để truyền thông trong hệ điều khiển
chuyển động.
1.2.3.1. Cấu h́ nh truyền thông cho hệ điều khiển chuyển động dùng loại bus tốc
độ cao ( SynqNet, Ethernet, FireWire, Sercos…)
Ở cấu h́ nh này, việc tạo quỹ đạo và thuật toán điều khiển vị trí được đặt ở bộ
điều khiển chủ (a central host controller), tín hiện điều khiển của mơ men hay tốc
độ dạng số được gửi qua giao diện nối tiếp tốc độ cao tới các drive.

H́nh 1.2.3.1.1 Cấu h́nh mạng của hệ điều khiển chuyển động (tốc độ cao)

Hạn chế của cấu h́ nh này là sự kết nối nối tiếp giữa controller và drive cần
phải tương đối nhanh. Điều này làm tăng giá thành và độ phức tạp cho cả controller
lẫn drive. Một số giải pháp đang tồn tại là:

• SERCOS: Giải pháp cáp quang, chạy ở tốc độ 2,4 hoặc 16Mbit/s.
• IEEE 1394 (a.k.a FireWire): Cáp đồng hoặc cáp quang chạy ở tốc độ 200 đến
400Mbit/s.
• 100BaseT, 10BaseT (a.k.a Ethernet): Giải pháp cáp đồng, chạy ở tốc độ
10Mbit/s tới 100Mbit/s .
Giao thức giao tiếp được sử dụng cho các giải pháp trên th́ khác nhau (có thể
mở hoặc được giữ bản quyền của nhà sản xuất). Nếu tốc độ cập nhật của mạch ṿng
vị trí nằm trong khoảng: 5 – 10kHz, nghĩa là tín hiệu điều khiển của vận tốc hoặc
mô men được gửi sau những khoảng thời gian là 200 đến 100 s. Điều quan trọng
là ta phải duy tŕ sự đồng bộ giữa các trục, nghĩa là phải giảm thiểu trễ trong truyền


- 18 -

thông tới mức nhỏ nhất. H́nh 1.2.3.1.2 chứa các thông số kỹ thuật của một số loại
bus hay sử dụng trong các hệ điều khiển chuyển động.

SynqNet

Ethernet

SERCOS

(TCP/IP)

FireWire

CAN

IEEE 1394

Max. Inter-Node 100m
Distance

100m

40m

4.4m

40m

Min. Cycle Time < 25µs
/ Latency

1.2ms

250µs

125 .. 250µs

1ms

BandWidth

200Mbit/s

100Mbit/s

16Mbit/s

400Mbit/s

1Mbit/s

Transfer Mode

Full-Duplex

Half-Duplex

Half-Duplex

Half-Duplex

Half-Duplex

Max. Jitter

< 1µs

20µs

1µs

<1µs

1..120µs

Need of Switches/ No

Hubs

Yes

No

No

No

Max.Number of 254
Nodes

No Limit

254

63

2032

H́nh 1.2.3.1.2 Thơng số kỹ thuật của một số loại bus

Ở bảng trên, thời gian trễ (chu kỳ thời gian) được tính bằng: thời gian cần
thiết để nhận tín hiệu phản hồi + thời gian thực hiện tính tốn + thời gian truyền dữ
liệu mới đi (được tính cho mạng gồm có 4 trục). Jitter được định nghĩa là khoảng
thời gian từ khi bắt đầu kích thích cho đến khi bắt đầu có đáp ứng (phụ thuộc vào
độ chính xác của đồng hồ hệ thống, thiết kế phần cứng ).
• SynqNet, Ethernet, FireWire, Sercos: Tốc độ truyền dữ liệu của mạng Sercos
là nhỏ nhất (16Mbit/s), tốc độ truyền của FireWire (IEEE1394) có thể lên tới

400Mbit/s, tốc độ truyền của SynqNet tối đa là 200Mbit/s, c ̣n tốc độ truyền của
Ethernet trong khoảng từ 10Mbit/s tới 100Mbit/s. Những loại bus này thường
được ứng dụng trong những hệ điều khiển chuyển động yêu cầu tính đồng bộ
chặt chẽ, tốc độ truyền dữ liệu cao.
• CAN: CAN bus được ứng dụng vào hệ điều khiển chuyển động do dễ sử
dụng, ổn định cao. CAN-bus chậm hơn Ethernet, SynqNet, FireWire, Sercos và


- 19 -

nhanh hơn RS 485.
• RS 485 – bus gần giống với RS422 và RS232, nó thường được sử dụng để
truyền thông giữa các module chuyển động khi hệ điều khiển chuyển động yêu
cầu sự đồng bộ không chặt chẽ và tính ổn định khơng cao.
Khi khoảng thời gian giữa các lần gửi tín hiệu tốc độ khoảng >1ms (nghĩa là
tốc độ cập nhật của mạch ṿng vị trí nằm khoảng <1KHz, th́ ta có thể sử dụng mạng
CAN
1.2.3.2 Cấu h́ nh truyền thông cho hệ điều khiển chuyển động dùng loại bus tốc
độ thấp (CAN, RS485…).
Một giải pháp khác phù hợp với nhiều ứng dụng là chuyển mạch ṿng vị trí
xuống drive số như H́nh 1.2.3.2.1. Ở giải pháp này bộ điều khiển (controller) gửi tín
hiệu điều khiển là vị trí xuống các drive, việc này sẽ được thực hiện ở tốc độ thấp
(tối thiểu là thấp hơn tốc độ cập nhật của mạch ṿng vị trí). Do đó giao diện nối tiếp
tốc độ thấp giữa controller và drive có thể sử dụng.

H́nh 1.2.3.2.1 Cấu h́nh mạng của hệ điều khiển chuyển động (tốc độ thấp).

Để giảm hơn tốc độ cập nhật của lệnh điều khiển vị trí, drive có thể thực hiện
nội suy bậc cao hơn. Điều này có nghĩa là drive bây giờ thực hiện cả việc tính tốn
quỹ đạo và chứa cả mạch ṿng vị trí. Khi đó bộ điều khiển chủ chia quỹ đạo cần

chuyển động thành các đoạn, và gửi các đoạn nhỏ này xuống các drive. Các drive sẽ
thực hiện nội suy bậc cao hơn theo điểm cuối của các đoạn nhỏ. Về thực chất, điều
này có nghĩa là chức năng tạo ra quỹ đạo đă được chia sẻ giữa host controller và các
drive.


- 20 -

1.3. Mô h́ nh điều khiển chuyển động dùng truyền thông CAN-bus
Cấu h́ nh của phương pháp truyền thông dùng mạng CAN cho hệ điều khiển
chuyển động về cơ bản như H́nh 1.3.1.

H́nh 1.3.1 Cấu h́nh truyền thông dùng CAN-bus cho hệ điều khiển chuyển động.

Tốc độ truyền tối đa của CAN-bus là 1Mbit/s. Các tin nhắn CAN có thể chứa
tới 8 byte dữ liệu và 127 node CAN có thể được nối tới 1 CAN-bus. 8 byte dữ liệu
của 1 CAN message, được sử dụng để chứa thơng tin về đoạn, có thể được phân
như sau:
• 3 byte cho vị trí điểm cuối của đoạn (theo đơn vị vị trí)
• 3 byte cho vận tốc tại điểm cuối của đoạn (theo đơn vị vị trí/ s)
• 1 byte cho thời gian đoạn (1 – 255ms)
• 1 byte cho bộ đếm nguyên (0- 255, lặp lại)
CAN message ở trên được tạo ra trong Host controller. CAN servo node thực
hiện nội suy bậc 3, do ta đă biết được điểm đầu, điểm cuối, vận tốc điểm đầu, vận
tốc điểm cuối và thời gian các đoạn. Thời gian các đoạn có thể thay đổi được. Bộ
đếm nguyên đảm bảo mỗi node sẽ nhận các đoạn liên tục theo một thứ tự đúng.
Chuyển động thực được bắt đầu trên tất cả các CAN-servo node tại cùng một
thời gian qua broadcast message, từ host controller. Mỗi CAN-servo node sẽ lấy các
tin nhắn về đoạn từ bộ đệm khi cần thiết. Sự tạo ra quỹ đạo của mỗi đoạn được tính
tốn một cách tự động. Sự đồng bộ của các CAN-Servo node được duy tŕ nhờ tin

nhắn TIME STAMP, được gửi thường xuyên từ host controller, và được nhận bởi


- 21 -

các CAN servo node tại cùng một thời gian chính xác. Mỗi CAN servo node sẽ so
sánh thời gian của các tin nhắn TIME STAMP với thời gian đo của bản thân nó để
tự động điều chỉnh. Do đó sự đồng bộ giữa các trục được đảm bảo.
Việc lựa chọn thời gian các đoạn dựa trên:
• Số các trục
• Tốc độ đang dùng của mạng CAN.
• Tải của CAN-bus.
• Khả năng của CAN-host.
• Yêu cầu của hệ chuyển động.
Ví dụ:
Khi truyền ở tốc độ 1Mbit/s, để truyền 8 byte dữ liệu th́ mất nhiều nhất
khoảng 130µs (chiều dài của tin nhắn là 130bít, gồm 64 bít dữ liệu, ID của CANnode, CRC,…). Trong một hệ thống có 4 trục, thời gian cần thiết để gửi 1 tin nhắn 8
byte dữ liệu xuống cả 4 trục vào khoảng 4* 130 = 520 µs. Ngồi ta c ̣n có các
khoảng thời gian dành cho các loại tin nhắn khác như: tin nhắn trạng thái, tin nhắn
khẩn cấp để thông báo lỗi,…CAN servo node thực hiện nội suy bậc 3 quỹ đạo, và
độ cập nhật của mạch ṿng vị trí vào khoảng 10- 200ms (phụ thuộc vào ứng dụng).
Nếu thời gian mỗi đoạn là 10ms, tải của bus (bus load) khi phải truyền tinh nhắn
trên được tính bằng 520µs/ 10ms = 5%. Ta có thể dễ nhận thấy rằng CAN-bus với
tốc độ tương đối chậm có thể dùng cho trường hợp này.
Ta thấy khi dùng CAN-bus để truyền thông trong hệ điều khiển chuyển
động th́ có những ưu điểm sau:
• Chuyển động mềm dẻo : Quỹ đạo chuyển động được tạo ra trong máy tính
(PC) hoặc CPU của bộ điều khiển. Khơng u cầu thêm phần cứng, ngoại trừ
giao diện mạng.
• Linh hoạt: Số lượng các trục có thể thay đổi dễ dàng mà không phải thêm các

thiết bị vào phần cứng trên bộ điều khiển chủ. Các thiết bị khác như các module
vào ra, các sensor,….có thể được nối trực tiếp đến CAN-bus.


- 22 -

• Phân ly: Ṿng điều khiển vị trí trong servo drive được phân ly từ bộ điều
khiển chủ. Trong hệ thống với bộ điều khiển tập trung, việc tạo quỹ đạo và thuật
tốn mạch ṿng vị trí chia sẻ cùng một phần cứng. Sự tăng số trục tiêu biểu tốc độ
cập nhật của mạch ṿng vị trí cho mỗi trục cần điều khiển.
• Dây dẫn: Các thiết bị có thể được gắn trên máy nên giảm độ phức tạp cũng
như giá thành của dây nối.
• Giám sát: CAN-bus, với giao thức CANopen, cho phép ta có thể truy cập đến
các biến trong các node servo drive và trạng thái máy.

1.4 Kết luận.
Từ những phân tích ta thấy việc ứng dụng truyền thông số cho hệ điều khiển
chuyển động đạt được rất nhiều lợi ích. Nhưng để khai thác được tối đa những lợi
ích của truyền thơng số th́ người ta phải nghiên cứu để tạo ra các loại mạng (bus)
khác nhau, các cấu h́ nh mạng tối ưu phù hợp với yêu cầu cụ thể của từng hệ điều
khiển chuyển động.
Trong phạm vi luận văn này, tôi đă nghiên cứu việc dùng truyền thông CANbus cho hệ điều khiển chuyển động. Trên cơ sở đó, một số vấn đề cần quan tâm khi
sử dụng mạng CAN-bus sẽ được khảo sát như:
• Thời gian trễ trong truyền thơng.
• Độ chính xác của hệ điều khiển chuyển động.
• Sự ảnh hưởng của chu kỳ trích mẫu Ts.
• Loại trừ nhiễu tác động lên hệ thống.
Với mục tiêu đáng giá việc ứng dụng mạng CAN trong hệ điều khiển chuyển
động.

- 23 -

CHƯƠNG 2
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG VÀ
NHIỄU TỚI HỆ ĐIỀU KHIỂN, BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC

Đặt vấn đề:
Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới tính thời gian thực, độ chính xác của hệ
thống khi sử dụng mạng truyền thơng số. Trong đó trễ trong truyền thông và nhiễu
là hai nhân tố quan trọng quyết định đến chất lượng của hệ thống. Chương này sẽ
nghiên cứu ảnh hưởng của trễ trong truyền thông, nhiễu tác động lên hệ thống điều
khiển và đưa ra biện pháp khắc phục.

2.1. Thời gian trễ trong truyền thông
2.1.1. Giới thiệu.
Khi dùng mạng để truyền thơng th́ có rất nhiều ưu điểm song ta phải chú ý
đến một số vấn đề đó là bao giờ cũng có trễ khi trao đổi, tính toán dữ liệu giữa các
nút mạng. Khi muốn trao đổi thông tin từ cảm biến đến cơ cấu chấp hành hay từ bộ
điều khiển đến cơ cấu chấp hành … đều phải mất một khoảng thời gian nhất định.
Thời gian truyền thông tin trong mạng này được gọi là trễ truyền thông.
Tuỳ thuộc vào các yếu tố như: kiểu mạng, cơ chế định tuyến trong mạng mà
thời gian trễ có các đặc tính khác nhau. Trong một số hệ thống, thời gian trễ này
gần như không đổi nhưng trong nhiều hệ thống, trễ truyền thông thay đổi theo cơ
chế ngẫu nhiên.
2.1.2. Các thành phần của thời gian trễ.
Ta xét hệ thống kín được mơ tả như H́nh 2.1.2.1
Các cơ cấu chấp hành và cảm biến được nối tới mạng thông tin, chúng nhận
và gửi tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển trung tâm. Bộ điều khiển trung tâm cũng
được nối vào mạng, xử lư và trao đổi các thông tin qua mạng. Việc gửi các thông

tin qua mạng sẽ mất một khoảng thời gian nào đó.


- 24 -

u(t )
Quá tŕnh

y (t )
Quá tŕnh

Cảm biến

T ca k

T sck
T ck
Bộ điều
khiển

H́nh 2.1.2.1. Hệ thống điều khiển số qua mạng có trễ.

Về bản chất, trong hệ thống có 3 loại trễ như sau:
• Trễ truyền thơng giữa sensor và bộ điều khiển: T sck
• Trễ do tính tốn trong bộ điều khiển: T c k
• Trễ do truyền thông giữa bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành: T ca k
Tín hiệu ra
của quá trình

yk

sck

Tớn hiu vo
b iu
khin

yk

cak

Tớn hiệu vào cơ
cấu chấp hành

uk

Tín hiệu vào
quá tŕnh

uk
(k-1)h

kh

(k+1)h

H́nh 2.1.2.2 Lược đồ thời gian mô tả trễ trong hệ thống điều khiển.

Với hệ thống điều khiển, trễ điều khiển Tk là thời gian từ khi tín hiệu đo
lường được lấy mẫu tới khi nó được sử dụng ở cơ cấu chấp hành, bằng tổng của các