Luận án tiến sĩ 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 (2.3 MB, 114 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
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ VÀ VIỄN THÔNG
Hà Nội - 2020
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
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi, được hồn
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 cơng trình nào
khác.
Tơi 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 hồn 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
Cơng nghệ Việt Nam) đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo ra môi trường nghiên cứu tốt
để tác giả hồn thành cơng 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 cơng 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
MỤC LỤC
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
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI 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
Mơ 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
Mơ hình hóa và phân tích độ trễ mạng ....................................................................... 33
1.6
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
CHƯƠNG 2 - MƠ HÌNH THU THẬP DỮ LIỆU QUA MẠNG.....................................................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
CHƯƠNG 3 - MƠ 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 Mơ hình tốn 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
KẾT LUẬN 94
Danh mục các cơng 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 thơng
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
Mơ 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
Bám đa mục tiêu
Multi-Target Tracking
Giao thức truyền dữ liệu siêu văn
bản
HyperText Transfer Protocol
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
vy
Vận tốc pháp tuyến
m/s
R
Bán kính của bánh xe
M
rad/sec
8
M (q)
Ma trận khối lượng và momen quán tính
G (q)
Vector trọng lực, G ( q ) 0
d
Vector thành phần nhiễu bất định
e1
Sai lệch bám quỹ đạo của robot
e2
Sai lệch bám của vận tốc robot
J
Mơ men qn tính của xe
Q
Biến khớp
F
Lực ma sát
C
Ma trận hệ số lực ma sát nhớt
G
Ma trận hệ số lực ma sát culomb
Đầu vào của bộ lọc thơng thấp
x1d
Quỹ đạo đặt
T
Thời gian trích mẫu
Hệ số của mặt trượt
Tín hiệu điều khiển của hệ thống
eq
Tín hiệu điều khiển giữ trạng thái của hệ thống hệ
thống trên mặt trượt
N.m
N
S
9
sw
Tín hiệu điều khiển, lái trạng thái của hệ thống về
mặt trượt
c1 , c2 , c3
Hệ số của bộ điều khiển DSC
Véc tơ chứa thành phần bất định của mơ hình robot
S
Mặt trượt
10
Danh sách bảng
Bảng 3.1. Liên hệ giữa giá trị đầu ra 3 với hai đầu vào
và ..............................87
Bảng 3.2. Luật mờ ....................................................................................................88
11
Danh sách hình vẽ
Hình 1.1. Mơ 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 thơng, tính tốn và điều khiển trong RCNS ..........25
Hình 1.4. Sơ đồ của một RCNS thơng qua kênh truyền thơng ...............................28
Hình 1.5. Cấu trúc RCNS hiển thị độ trễ mạng truyền thơng .................................35
Hình 1.6. Phương pháp lập lịch GSM ......................................................................37
Hình 2.1. Mơ hình kiến trúc mạng hệ thống điều khiển ..........................................46
Hình 2.2. Mơ 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. Mơ 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. Mơ 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. Mơ 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. Mơ hình kích thích tuần hồn ..................................................................71
Hình 3.3. Thời gian trễ và thời gian trơi 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. Mơ hình phản hồi của hệ thống điều khiển kết nối mạng ........................76
Hình 3.8. Mơ hình hệ thống điều khiển Omni Robot thơng qua mạng....................78
Hình 3.9. Mơ 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. Mơ phỏng luật điều khiển mờ bù trễ ......................................................91
Hình 3.18. Tối ưu thơng 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 thơng 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 tốn 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 khơng phụ thuộc vào vị trí địa lý của các đối tượng
của q trình cơng nghệ mà cịn 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 thơng tin tồn 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 tồn bộ q trình cơng 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 đốn và xử lý từ xa sự
cố hệ thống tự động, điều khiển đồng bộ hóa các phương tiện giao thơng 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 khơng 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 vịng 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 thơng và có thể được chia sẻ với các nút khác
bên ngồi 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 thơng
như: sản xuất cơng nghiệp và tự động hóa tịa nhà, tự động hóa văn phịng 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 đốn 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 thơng cũng làm cho việc phân tích và thiết kế RCNS
là một nhiệm vụ phức tạp bởi vì địi 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 thơng, 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 cơng 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 cơng bố ở
cơng 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 mơ hình, cấu trúc các hệ thống
điều khiển kết nối mạng đã cơng 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 tốn khác đã được cơng 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 mơ 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 cịn 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 thơng 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 vịng điều khiển
phản hồi được kết nối thơng qua mạng.
Hình 1.1. Mơ 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 tốn thơng minh như
Fuzzy, Neural, Thích nghi, v.v., cho các hệ thống vịng hở hoặc vịng kín
(closed loop).
Trong thời đại cơng 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 ngồi 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. Ngồi ra, RCNS cũng có thể được định nghĩa là một hệ thống điều khiển
phản hồi trong đó các vịng lặp được khép kín thơng 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 khơng 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.
