Luan Van Tot Nghiep - Thanh Nhan (Sua Lan 1) - Copy

1

MỞ ĐẦU1. Tính cấp thiết của đề tài

Đầu thế kỷ 20 các đèn điện tử và khuếch đại điện tử bắt đầu xâm

nhập vào công nghiệp đã làm cho dây chuyền sản xuất tự động bớt cồng

kềnh hơn. Thiết bị tự động điển hình trong thời gian này là các bộ điều

khiển dùng đèn điện tử, các thiết bị đo và điều khiển được tổ hợp là điện

thế kế tự động ghi, các rơle thời gian điện tử.

Cuối những năm 1960 đầu những năm 1970, điện tử công suất, vi

mạch điện tử đặc biệt là bộ vi xử lý 4 bit, 8 bit ra đời thay đổi rất nhiều về

các thiết bị điều khiển. Các bộ điều khiển tương tự, bộ điều khiển số, thiết

bị điều khiển lập trình 4 bit. Đến cuối thập kỷ 80 của thế kỷ 20 do tính

năng xử lý và vi điều khiển được năng cao nên đã xuất hiện các thiết bị

điều khiển mạch là PLC (thiết bị điều khiển logic lập trình) cho điều khiển

logic, các hệ điều khiển DCS (Distributed Control System – Hệ thống điều

khiển phân tán) thiết bị điều khiển có các mạch vòng tín hiệu liên tục. Đến

giữa thập kỷ 90 của thế kỷ 20 hệ điều khiển DCS và thiết bị điều khiển

PLC được kết nối với quá trình sản xuất và trung tâm giám sát vận hành

qua các đường truyền thông. Ta có hệ điều khiển tự động hóa hoàn chỉnh

như ngày nay.

DSC ra đời với thế mạnh là khả năng xử lý các tín hiệu tương tự và

thực hiện các chuỗi quá trình phức tạp, khả năng tích hợp dễ dàng. Cá hệ

thống DCS có thể quản lý được vài nghìn đến vài chục nghìn điểm vào/ra.

Tuy nhiên do sử dụng hệ thống truyền thông sử dụng bus truyền thông

chung đã nảy sinh khó khăn là các trễ truyền thông giữa các sensor, các 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 toán cần thiết cho

việc mã hoá/giải mã các đại lượng đo và thời gian xử lý truyền thông. Trễ

truyền thông có tính ngẫu nhiên phụ thuộc vào giao thức truyền thông,

2

phần cứng sử dụng và trạng thái của hệ thống mạng truyền thông. Trễ

truyền thông sẽ lớn và mang tính bất định cao khi lưu lượng truyền thông

lớn, đặc biệt là khi hệ thống mạng rơi vào trạng thái nghẽn mạng. Nhằm

đảm bảo sự ổn định cũng như đảm bảo chất lượng điều khiển của hệ thống

điều khiển, việc nghiên cứu về trễ truyền thông và phương pháp bù trễ

truyền thông trong hệ thống điều khiển là cần thiết.

2. Mục tiêu nghiên cứu- Nghiên cứu đặc tính và ảnh hưởng của trễ truyền thông trong các

hệ thống điều khiển phân tán.

- Thực hiện nâng cao chất lượng điều khiển bằng phương pháp bù

trễ truyền thông dùng bộ điều khiển dự báo SMITH.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứua. Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển phân tán.

b. Phạm vi nghiên cứu

Với mục tiêu và nhiệm vụ đã đặt ra, tác giả chỉ giới hạn nghiên cứu

trong phạm vi những vấn đề sau:

+ Đặc điểm của trễ truyền thông trong mạng.

+ Phương pháp bù trễ sử dụng bộ dự báo Smith.

4. Phương pháp nghiên cứuPhương pháp nghiên cứu xuyên suốt của luận văn là kết hợp lý

thuyết, tính toán với mô phỏng bằng phần mềm để so sánh và đánh giá các

kết quả đạt được. Cụ thể phương pháp nghiên cứu bao gồm các giai đoạn

sau:

Thu thập phân tích chọn lọc các thông tin, tài liệu liên quan đến

đề tài nghiên cứu.

Kết hợp nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng hệ thống điều khiển

phân tán.

3

Tính toán trễ truyền thông và bù trễ truyền thông trong hệ thống

điều khiển phân tán.

Đề xuất, kiến nghị các giải pháp nâng cấp cho đề tài.

5. Bố cục đề tàiLuận văn được chia làm 4 chương như sau:

Chương 1. Tổng quan về mạng truyền thông trong hệ thống điều

khiển phân tán

Chương 2. Các hệ thống mạng trong hệ điều khiển phân tán

Chương 3. Đặc tính của trễ truyền thông trong hệ thống điều khiển

phân tán sử dụng mạng CAN

Chương 4. Bù trễ truyền thông bằng phương pháp sử dụng bộ điều

khiển dự báo Smith

6. Tổng quan tài liệu nghiên cứuTài liệu nghiên cứu được sử dụng trong quá trình làm luận văn là

các sách chuyên ngành, bài báo trên các tạp chí chuyên ngành, báo cáo của

các hội thảo chuyên ngành.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ

THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN

1.1. ĐẶT VẤN ĐỀMột trong số hệ thống mạng truyền thông công nghiệp được sử

dụng phổ biến hiện nay là hệ thống điều khiển phân tán – DCS. DCS là

giải pháp tổng thể kể cả về phần cứng và phần mềm cho toàn hệ thống.

Giải pháp thiết kế của DCS là hướng vào các ứng dụng điều khiển phân

tán nên nó thường được thiết kế theo hệ thống mở, khả năng tích hợp cao

kể cả tích hợp với các PLC khác nhau và công đoạn sản xuất độc lập. Các

hệ DCS hoàn toàn đáp ứng yêu cầu về một giải pháp tự động hóa tích hợp

tổng thể.

4

1.2. KHÁI QUÁT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG1.2.1. Các thành phần cơ bản của các hệ thống điều khiển tự

độngCác thành phần cơ bản của một hệ thống điều khiển tự động gồm:

Cảm biến, cơ cấu chấp hành, thiết bị điều khiển và hệ thống điều khiển

giám sát. Cảm biến và cơ cấu chấp hành đóng vai trò là giao diện giữa các

thiết bị điều khiển với quá trình kỹ thuật. Trong khi đó, hệ thống điều

khiển giám sát đóng vai trò giao diện giữa người vận hành và máy. Các

thiết bị có thể được ghép nối trực tiếp điểm - điểm hoặc thông qua mạng

truyền thông.

1.2.2. Mô hình phân cấp của hệ thống điều khiển tự độngHệ thống tự động được phân chia thành nhiều cấp khác nhau gồm:

Cấp chấp hành, cấp điều khiển, cấp điều khiển giám sát, cấp điều hành sản

xuất, cấp quản lý công ty.

1.2.3. Mạng truyền thông trong hệ thống điều khiển tự độngCó hai loại mạng truyền thông trong hệ thống điều khiển tự động là:

Mạng dữ liệu.

Mạng thông tin điều khiển/điều chỉnh.

1.3. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN (DCS)1.3.1. Các thành phần của hệ thống điều khiển phân tánMột hệ thống điều khiển phân tán được minh họa trên Hình 1.3 bao

gồm các thành phần sau: Các trạm điều khiển cục bộ (local control station,

LCS), các trạm vận hành (operator station, OS), trạm kỹ thuật

(engineering station, ES), các công cụ phát triển, hệ thống truyền thông

(field bus, system bus).

1.3.2. Chức năng của hệ DCSHệ thống điều khiển phân tán có các chức năng chính là: Chức năng

điều khiển, chức năng vận hành và giám sát hệ thống

5

1.3.3. Truyền thông trong hệ thống điều khiển phân tánCó ba giải pháp để thực hiện việc trao đổi thông tin trong hệ thống

điều khiển phân tán là:

Phương thức trao đổi thông tin bằng tín hiệu tương tự

(analog).

Điều khiển phân tán với truyền thông kỹ thuật số điểm -

điểm.

Điều khiển phân tán sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật

số.

1.4. ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN1.4.1. Tính ổn định của hệ thống điều khiểnMột hệ thống tuyến tính được gọi là ổn định nếu quá trình quá độ tắt

dần theo thời gian. Hệ thống không ổn định nếu quá trình quá độ tăng dần.

Hệ thống ở giới hạn ổn định, nếu quá trình ổn định không đổi hoặc dao

động với biên độ không đổi.

1.4.2. Đáp ứng quá độ của hệ thống điều khiểnThông thường, chất lượng động và tĩnh học của các hệ thống điều

khiển được đánh giá thông qua đáp ứng quá độ đối với tín hiệu vào bậc

thang đơn vị vì dễ thực hiện và đủ chính xác.

1.4.3. Các tiêu chuẩn tối ưu hóa đáp ứng quá độ1.5. KẾT LUẬN

Nội dung của Chương 1 giúp ta có cái nhìn tổng quan về hệ thống

điều khiển tự động, mô hình phân cấp của hệ thống điều khiển tự động

cũng như chức năng nhiệm vụ của từng cấp. Đi sâu tìm hiểu cấu tạo, chức

năng của hệ thống điều khiển phân tán. Hệ thống mà các nhà thiết kế hệ

thống điều khiển tự động trong công nghiệp đang hướng tới. Bởi những lợi

thế của hệ thống DCS đó là chi phí thấp, giảm dung lượng, cài đặt đơn giản

và độ tin cậy cao.

6

Ngoài ra, nội dung chương còn đề cập đến các tiêu chuẩn đánh giá

chất lượng của hệ thống điều khiển. Là căn cứ giúp nhà thiết kế xây dựng

nên hệ thống đảm bảo được chất lượng của hệ thống từ các yêu cầu đặt ra.

CHƯƠNG 2CÁC HỆ THỐNG MẠNG TRONG

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN2.1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong hệ thống bus các thành viên phải chia nhau sử dụng đường

truyền. Để tránh sự xung đột về tín hiệu gây ra sai lệch về thông tin thì

mạch điều khiển sao cho một thời điểm nhất định chỉ có một thành viên

trong mạng được gởi tín hiệu, còn các thành viên khác nhận thông tin

không hạn chế. Một trong những vấn đề quan trọng hàng đầu ảnh hưởng

tới chất lượng cấu mỗi hệ thống bus là phương pháp phân chia thời gian

gửi thông tin trên đường dẫn hay phương pháp truy nhập bus.

2.2. PHƯƠNG PHÁP TRUY NHẬP BUSCó thể phân phương pháp truy nhập bus thành hai nhóm chính đó là

nhóm các phương pháp tiền định và nhóm các phương pháp ngẫu nhiên.

2.2.1. Phương pháp Master/Slaver (chủ/tớ)Phương pháp Master/slaver là phương pháp trong đó một trạm chủ

sẽ chia quyền truy nhập mạng cho các trạm tớ. Các trạm tớ đóng vai trò bị

động, chỉ có quyền truy nhập bus và gửi tín hiệu đi khi có yêu cầu. Trạm

chủ có thể dùng phương pháp hỏi tuần tự (polling) theo chu kỳ để kiểm

soát toàn bộ hoạt động giao tiếp của cả hệ thống. Nhờ vậy, các trạm tớ có

thể gởi các dữ liệu thu thập từ quá trình kỹ thuật tới trạm chủ (có thể là một

PLC, một PC,...) cũng như nhận các thông tin điều khiển từ trạm chủ. Vì

vậy, phương pháp chủ/tớ chỉ được dùng phổ biến trong các hệ thống bus

cấp thấp, tức là bus trường hay bus thiết bị, khi việc trao đổi thông tin hầu

7

như chỉ diễn ra giữa trạm chủ là thiết bị điều khiển và các trạm tớ là thiết bị

trường hoặc các module vào/ra phân tán.

2.2.2. Phương pháp TDMATDMA (Time Division Mutiple Access) – Đa truy nhập phân chia

thời gian, mỗi trạm được phân chia một thời gian truy nhập bus nhất

định. Các trạm có thể thay nhau lần lượt gửi thông tin trong một khoảng

thời gian cho phép theo một tuần tự quy định sẵn. Việc phân chia này

được thực hiện trước khi hệ thống đi vào hoạt động.

Ngoài các lát thời gian phân chia cố định cho các trạm dùng để

trao đổi dữ liệu định kỳ (đánh số từ 1 đến N), thường còn có một

khoảng thời gian dự trữ giành cho việc trao đổi dữ liệu bất thường theo

yêu cầu, ví dụ gửi thông tin cảnh báo, mệnh lệnh đặt cấu hình, dữ liệu

tham số, setpoint...

2.3.3. Phương pháp Token Passing (chuyển thẻ bài)Phương pháp Token Passing là phương pháp truy nhập bus mà trong

đó một trạm được quyền truy nhập bus và gửi thông tin đi chỉ trong thời

gian nó được giữ token. Sau khi không có nhu cầu gửi thông tin, trạm đang

có token sẽ phải gửi tiếp tới một trạm khác theo trình tự nhất định.

2.3.4. Phương pháp CSMA/CDCSMA/CD (Carrier Sense Mutiple Access with Cossion Detection)

là một phương pháp truy nhập bus thường được sử dụng trong mạng

Ethernet. Theo phương pháp CSMA/CD, mỗi trạm đều có quyền truy nhập

bus mà không cần có sự kiểm soát nào. Trong trường hợp xảy ra xung đột,

mỗi trạm đều phải hủy bỏ bức điện của mình chờ một thời gian ngẫu nhiên

và thử lại.

2.2.5. Phương pháp CSMA/CACSMA/CA (Carrier Sense Mutiple Acce With Conllision

Avoidance) tương tự như CSMA/CD, mỗi trạm đều phải nghe đường đẫn

8

trước khi gửi cũng như sau khi gửi thông tin. Tuy nhiên, một phương pháp

mã hóa bit thích hợp được sử dụng ở đây để trong trường hợp xảy ra xung

đột, một tín hiệu sẽ lẫn át tín hiệu kia. Ví dụ tương ứng với bit 0 là mức

điện áp cao sẽ lấn át mức điện áp thấp của bit 1.

2.3. CÁC HỆ THỐNG BUS SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN

2.3.1. ProfibusPROFIBUS (Process Field Bus) là một hệ thống bus trường được

phát triển ở Đức từ năm 1987, do 21 công ty và cơ quan nghiên cứu hợp

tác. Ngày nay, PROFIBUS là hệ bus trường hàng đầu thế giới với hơn

20% thị phần và với hơn 5 triệu thiết bị lắp đặt trong khoảng 500.000

ứng dụng. PROFIBUS có nhiều phiên bản như PROFIBUS – PA,

PROFIBUs - FMS, PROFIBUS – DP. Hai phương pháp truy nhập bus có

thể được áp dụng độc lập hoặc kết hợp là Token.Passing và

Master/slave.

2.3.2. ModbusModbus là một giao thức do hãng Modicon (sau này thuộc AEG

và Schneider Automation) phát triển. Theo mô hình ISO/OSI thì

Modbus thực chất là một chuẩn giao thức và dịch vụ thuộc lớp ứng

dụng, vì vậy có thể được thực hiện trên các cơ chế vận chuyển cấp thấp

như TCP/IP, MAP (Manufacturing Message Protocol), Modbus Plus và

ngay cả qua đường truyền nối tiếp RS232.

2.3.3. InterbusInterbus là một phát triển riêng của hãng Phoenix Contact,

nhưng đã nhanh chóng thành công trên cả phương diện ứng dụng và

chuẩn hoá. Ư u thế đặc biệt của Interbus là khả năng kết mạng nhiều

chủng loại thiết bị khác nhau và giá thành vừa phải, trong khi các đặc

tính thời gian không thua kém các hệ thống khác. Cơ chế giao tiếp của

9

Interbus dựa trên phương pháp truy nhập bus phân chia thời gian TDMA

(Time Divesion Multiple Access), kết hợp với sự kiểm soát chủ/tớ. Khác

với kiểu truyền thông báo áp dụng trong đại đa số các hệ thống bus trường,

Interbus sử dụng một phương pháp truyền đặc biệt là khung tổng hợp

(summation frame) hoặc thanh ghi dịch chuyển (shift register).

2.3.4. Foundation FieldbusNăm 1994, các thành phần đại diện phía Bắc Mỹ trong hai tổ chức

ISP và World FIP thành lập hiệp hội mang tên Fieldbus Foundation (FF).

Hiện nay Fieldbus Foundation có hơn 130 công ty thành viên trên khắp

thế giới, chiếm đại đa số các nhà cung cấp thiết bị đo lường và điều khiển.

Hệ thống bus trường được phát triển trong khuôn khổ của FF được gọi

là Foundation Fiedbus. Trong dự định phát triển, hệ bus này sẽ hỗ trợ 3

loại mạng với các tốc độ truyền 31,25Kbit/s, 1Mbit/s và 2,5Mbit/s.

Phương pháp truy nhập bus ở Foundation Fieldbus là một kết hợp giữa

Master/slave, Token Passing và TDMA.

2.3.5. EthernetEthernet có xuất xứ là tên gọi một sản phẩm của công ty Xerox,

được sử dụng đầu tiên vào năm 1975 để nối mạng 100 trạm máy tính với

cáp đồng trục dài 1km, tốc độ truyền 2,94mbit/s và áp dụng phương pháp

truy nhập bus CSMA/CD.

2.4. KẾT LUẬNNội dung chương giới thiệu kiến trúc hệ thống mạng truyền thông

sử dụng trong các hệ thống điều khiển phân tán và các phương pháp truy

nhập mạng được sử dụng phổ biến trong công nghiệp là Master/Slaver,

CSMA/CD, Token passing và CSMA/CA làm cơ sở cho việc phân tích trễ

truyền thông của các hệ thống mạng này trong các chương tiếp theo. Ưu,

nhược điểm của các hệ thống mạng này được phân tích làm cơ sở cho

10

việc lựa chọn hệ thống mạng khi thiết kế hệ truyền thông cho các ứng

dụng khác nhau.

CHƯƠNG 3ĐẶC TÍNH CỦA TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ THỐNG

ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN SỬ DỤNG MẠNG CAN3.1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Các hệ thống điều khiển trong công nghiệp đều có yêu 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 quá trình công nghệ. 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 của đại lượng

điều khiển và độ trễ điều khiển.

3.2. TỔNG QUAN VỀ MẠNG CAN3.2.1. Giới thiệu mạng CANCAN (Control Area Network) xuất phát là một phát triển chung của

hai hãng Bosch và Intel phục vụ việc nối mạng trong các phương tiện giao

thông cơ giới để thay thế cách nối điểm - điểm cổ điển, sau được chuẩn

hóa quốc tế trong ISO 11898. Nhờ tốc độ truyền dẫn tương đối cao ở

khoảng cách ngắn cũng như ưu thế ở một số đặc tính kỹ thuật khác mà

công nghệ này đã thâm nhập được vào một số lĩnh vực tự động hóa quá

trình công nghiệp.

3.2.2. Kiến trúc giao thức Đối chiếu với mô hình ISO/OSI, CAN định nghĩa lớp liên kết dữ

liệu gồm hai lớp con (LLC và MAC) cũng như phần chính của lớp vật lý.

11

Hình 3.1. Phạm vi định nghĩa của CAN trong mô hình OSI

3.3.3. Phương thức truy nhập bus

CAN sử dụng phương pháp truy nhập môi trường CSMA/CA, tức

điều khiển phân kênh theo từng bit. Phương pháp phân mức ưu tiên truy

nhập bus dựa theo tính cấp thiết của nội dung thông báo.

3.3.4. Cấu trúc khung dữ liệu trong mạng CAN

Cấu trúc khung dữ liệu ở CAN gồm: Phần khởi đầu khung, ô phân

xử, ô điều khiển, ô dữ liệu, ô xác nhận ACK (Acknowlegment) và kết thúc

khung được đánh dấu bằng 7 bit lặn.

3.3. TRỄ TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN SỬ DỤNG MẠNG CAN

3.3.1. Giới thiệu

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.

CAL, DeviceNet, SDN

Lớp 3 – 6(Không thể hiện)LLC – Điều khiển

liên kết logicMAC – Điều khiển

truy nhập môi trườngMã hóa bit

tạo nhịp/đồng bộ nhịpBộ thu phát

CAN

Lớp ứng dụng

Lớp liên kết dữ liệu

Lớp vật lý

Môi trường truyền dẫn

12

3.3.2. Các thành phần của thời gian trễ trong mạng truyền thông

Theo mô hình mạng OSI có thể phân chia trễ truyền thông thành

bốn phần chính:

Trễ tiền xử lý trong nút truyền: Đây là thời gian xử lý

truyền thông trên nút truyền tin bao gồm thời gian tính toán và mã hoá dữ

liệu tương ứng trong các lớp từ lớp ứng dụng (applocation layer) tới lớp

mạng (network layer).

Trễ do đợi truyền tin: Thành phần trễ này bao gồm thời

gian xếp hàng và thời gian đợi mạng sẵn sàng, tương ứng trong lớp liên kết

dữ liệu (data link layer) trên nút truyền.

Trễ trên đường mạng: Thành phần trễ này là thời gian

thực hiện truyền tin tương ứng trong các lớp vật lý (physical layer) trên nút

truyền và lớp vật lý trong nút nhận.

Trễ xử lý trên nút nhận: thành phần trễ này là thời gian

cần thiết để xử lý trên nút nhận bao gồm việc giải mã dữ liệu và các tính

toán cần thiết khác. Thành phần trễ này tương ứng với thời gian trễ trong

các lớp mạng từ lớp liên kết dữ liệu tới lớp ứng dụng.

Trễ truyền thông được biểu diễn theo phương trình sau:

(3.3)

Trong đó là trễ truyền thông, là trễ tiền xử lý, là

thời gian đợi truyền tin, là thời gian truyền tin và là trễ xử lý trên

nút nhận.

a. Thời gian tiền xử lý truyền thông trong nút truyền, là thời gian cần thiết để thực hiện các tính toán, mã hoá dữ liệu

cần thiết trước khi truyền dữ liệu như thời gian tính toán kích thước dữ

liệu, phân chia dữ liệu, tính toàn mã kiểm tra, mã hoá dữ liệu.

13

b. Trễ đo thời gian ở nút truyền,

Thời gian đợi ở nút truyền của thông tin bao gồm thời gian đợi trong

hàng đợi và thời gian đợi giành quyền truyền tin.

(3.4)

c. Trễ trên đường mạng,

Trễ trên đường mạng bao gồm độ dài của thông tin (theo thời gian)

và thời gian truyền của tín hiệu trên phương tiện truyền thông. Trễ trên

đường mạng được tính như sau:

(3.5)

trong đó là chiều dài khung truy nhập mạng theo thời gian và

là thời gian truyền tín hiệu.

d. Trễ xử lý tại nút nhận, Tpost

e. Lược đồ thời gian của quá trình truyền thông Từ các phương trình (3.3), (3.4) và các giả thiết ở trên ta có:

(3.8)

3.3.3. Trễ truyền thông trong mạng CANa) Đặc điểm của trễ truyền thông trong mạng CAN

Trễ truyền thông trong mạng CAN cũng bao gồm các thành phần

trễ như đã nêu trong phần 3.3.2. Những điểm riêng của nó được thể hiện

thông qua thời gian đợi giành quyền truyền tin và trễ trên đường mạng. Trễ

truyền thông trong mạng CAN được tính như (3.3):

(3.13)

3.4.3. Trễ truyền thông trong trường hợp truyền lại Khi làm việc trong môi trường có nhiễu lớn, nhiều khả năng xảy

ra lỗi do hiện tượng tín hiệu truyền bị tác động bởi nhiễu. Một trong những

giải pháp khi xảy ra lỗi là thực hiện việc truyền lại.

14

(3.14)

3.5. KẾT LUẬN Kết quả nghiên cứu cho thấy nguyên nhân của trễ truyền thông và

tính bất định của nó là do hạn chế của tốc độ truyền tín hiệu, do việc chia

sẻ cùng một phương tiện truyền thông và thời gian tính toán mã hoá, xử lý

truyền thông. Trễ truyền thông và tính bất định của trễ truyền thông là đặc

điểm tự nhiên của các hệ thống mạng truyền thông nói chung, truyền thông

công nghiệp nói riêng.

CHƯƠNG 4

BÙ TRỄ TRUYỀN THÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG BỘ

ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO SMITH

4.1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Nghiên cứu này sẽ tập trung thiết kế thuật toán xử lý số nhằm hạn

chế trễ. Thuật toán dựa trên thuật toán dự báo Smith. Ở đây ta sẽ so sánh

bộ biến đổi dựa trên thuật toán Smith với bộ điều khiển PID và bộ biến đổi

dựa trên đa thức. Chúng ta sẽ dựa trên Matlab và Simulink để kiểm tra các

bộ điều khiển này.

4.2. KHÁI QUÁT VỀ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

Hình 4.2. Điều khiển hồi tiếp với bộ điều khiển PID

e(t) y(t)u(t) PID Đối tượng điều

khiển-r(t)

+

15

Từ mô hình vào – ra trên, ta có được hàm truyền đạt của bộ điều

khiển PID:

(4.2)

4.3. BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO SMITH

4.3.1. Tổng quan về mô hình dự báo SmithMô hình hệ thống điều khiển dựa trên mô hình dự báo Smith để bù

trễ như minh họa trên Hình 4.3.

Hình 4.3. Cấu trúc bộ điều khiển dự báo Smith số

Gồm các thành phần sau: Bộ đại diện cho khối xử lý

không trễ và dùng để tính toán các vòng lặp dự đoán hở, là lỗi dự đoán thể hiện sự sai khác giữa đầu ra y và đầu ra dự đoán , u là các tín hiệu điều khiển, w là tín hiệu tham chiếu, e là sai số - hiệu số của tín hiệu tham chiếu và tín hiệu ngõ ra, là bộ điều khiển chính. có vài trò là vòng phản hồi bên ngoài được dùng để bù đắp cho nhiễu từ tải và lỗi của hệ thống.

Hầu hết các quá trình công nghiệp đều được tinh giảm hóa các loại trễ để dễ dàng tính toán, ở đây ta sẽ xem xét hàm tuyến tính bậc 2 như sau:

Gp(z-1)

Gm(z-1) Gd(z-1)

Gc(z-1)w

+w

-+w

e u PROCESS

ŷTd ŷ

ŷp êp

y

+w

-+w+

w

16

(4.3)

Với là thời gian trễ lý tưởng trong miền rời rạc. Thời gian trễ sẽ bằng dT0 với T0 là tần số lấy mẫu.

Và dựa vào hàm này để xem xét các phương pháp tiếp cận để thiết kế bộ điều khiển dự báo Smith.

4.3.2. Xác định thời gian trễ Thời gian trễ được tính từ phương pháp bình phương nhỏ nhất:

(4.4)

Với F là ma trận có chiều (N-n-d, 2n), vectơ y có (N-n-d) chiều và

vectơ tham số ước tính của mô hình là , n là số mẫu được lấy ở đầu

vào và đầu ra. Công thức (4.4) dùng để tính toán vectơ tham số ước tính

với số lượng N mẫu của dữ liệu, khi đó các vectơ, ma trận ở biểu thức (4.4)

sẽ có dạng:

(4.5)

(4.6)

(4.7)

17

Giả sử biểu thức (4.3) được xác định bởi quá trình hồi quy ARX

[12] thì y(k) sẽ có dạng:

(4.8)

Trong đó es(k) là thành phần ngẫu nhiên không tính được.

Giải (3) ta được vectơ tham số ước tính của mô hình:

(4.9)

Dựa vào vectơ tham số ước tính của mô hình ta tính được đầu ra

ước lượng là:

(4.10)

Khi đó lỗi của mô hình ARX được tính:

(4.11)

Sử dụng phương pháp bình phương bé nhất (4.4) – (4.7) để tính

thời gian trễ và ta dùng lỗi dựa báo này để dự đoán thời gian trễ cho phù

hợp nhất (ít lỗi nhất).

4.3.3. Các thuật toán sử dụng trong bộ điều khiển dự báo Smith số

a) Bộ điều khiển dự báo Smith số dùng PID - PIDSP

Với thuật toán Dahlin thì hàm truyền đối với hệ thống vòng kín sẽ

có dạng:

(4.15)

18

Với và Tm là hằng số thời gian cần thiết để thực hiện ở

vòng xử lý đầu tiên. Thường thì Tm không quá nhỏ vì với các thiết bị truyền

động cần thời gian để xử lý, nếu quá nhỏ thì sẽ đưa thiết bị truyền động

vào trạng thái bão hòa. Vì vậy các bộ điều khiển sẽ có các hàm truyền

dạng:

(4.16)

(4.17)

(4.18)

Với

Vì là hàm truyền bậc hai nên bộ điều khiển chính

sẽ là bộ điều khiển PID số có dạng:

(4.19)

Với , , , .

Khi đó đầu ra PID sẽ có dạng:

(4.20)

b) Bộ điều khiển dự báo Smith số phân cực - PASP

Ở phương pháp này, ta sẽ sử dụng tiếp cận đa thức dựa trên

phương pháp đại số tuyến tính [13]. Đa thức là phương pháp cơ bản để mô

tả hàm truyền và đa thức chỉ được mô tả bằng các hệ số và hữu hạn các số

19

hạng. Vì vậy, tín hiệu được mô tả như dãy số liệu vô hạn. Các bộ điều

khiển sẽ được tính bằng cách giải các biểu thức này. Khi bộ điều khiển

được thiết kế dựa trên sơ đồ khối chung của vòng lặp kín với hai bậc tự do

(2DOF) như Hình 4.5.

Hình 4.5. Sơ đồ của bộ điều khiển hai bậc tự do vòng kín

Hàm truyền bộ điều khiển sẽ có dạng:

(4.21)

Với A và B là đa thức bậc 2. Bộ điều khiển có bộ hồi tiếp Gq và bộ

truyền tiếp Gr được mô tả bởi hàm truyền rời rạc:

(4.22)

(4.23)

Dựa trên Hình 4.5 với es = 0 thì đầu ra được mô tả:

(4.24)

Thay (4.21), (4.22) và (4.23) vào (4.24) ta được:

Gr

Gq Gp

ur+uq

-

uy

w

20

(4.25)

Với là đa thức đặc

trưng. Phương pháp tính Q, R và P được tính bởi [8]. Phần hồi tiếp của bộ

điều khiển được đưa ra bởi phương trình tuyến tính Diophantine (

) ta được công thức (24). Nếu dùng bộ theo dõi tiệm cận của bộ

hồi tiếp có dạng: (4.26)

Với tín hiệu là dạng bước thay đổi , S là đa

thức phụ trợ không đưa vào bộ điều khiển, khâu phản hồi của hệ thống

điều khiển là bậc hai không trễ sẽ cho bởi công thức (4.24), khi đó đa thức

đặc trưng được chọn là: (4.27)

Với tín hiệu dạng bước ta thay z=1 vào (25) ta được:

(4.28)

Như vậy đầu ra của bộ điều khiển 2DOF:

(4.29)

4.4. MÔ PHỎNG CÁC THUẬT TOÁN CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO SMITH

21

4.4.1. Các giả thiết mô phỏng

Để kiểm tra các thuật toán của bộ điều khiển dự báo Smith, ở đây

đưa ra 3 phần tử điều khiển tương ứng với 3 hàm truyền để kiểm tra sự khả

thi của của các thuật toán. Đó là các hàm truyền sau:1. Dao động không ổn định:

2. Dao động ổn định:

3. Pha không tối thiểu:

Ta sẽ chuyển sang miền rời rạc với thời gian lấy mẫu T0 = 2s thì các hàm trên sẽ trở thành (xem them công thức 2):

Quá trình mô phỏng sử dụng Matlab/Simulink để kiểm chứng, với

sơ đồ hệ thống sử dụng hai phương pháp PIDSP và PASP được mô tả ở

Hình 4.6 và Hình 4.7.

22

Hình 4.6. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển bù trễ

bằng phương pháp PIDSP

Hình 4.7. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển bù trễ

bằng phương pháp PASP

4.4.2. Kết quả mô phỏnga. Kết quả mô phỏng với thuật toán PIDSP

0 50 100 150 200 250 300 350 400-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

time(s)

w,y

wy

Hình 4.8. Đáp ứng ngõ ra y đối với

hàm truyền G1(z-1) với bộ điều khiển

PIDSP (Với Tm = 6s)

23

0 50 100 150 200 250 300 350 4000.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

time(s)

u

u

Hình 4.9. Tín hiệu điều khiển u

đối với hàm truyền G1(z-1) với bộ điều

khiển PIDSP (Với Tm = 6s)

0 50 100 150 200 250 300 350 400-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

time(s)

w,y

wy

Hình 4.10. Đáp ứng ngõ ra y đối

với hàm truyền G2(z-1) với bộ điều


0 50 100 150 200 250 300 350 4000.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

time(s)

u

u


đối với hàm truyền G2(z-1) với bộ

điều khiển PIDSP (Với Tm = 6s)

0 50 100 150 200 250 300 350 400-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

time(s)

w,y

wy




0 50 100 150 200 250 300 350 4000.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

time(s)

u

u




24

0 50 100 150 200 250 300 350 400-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

time(s)

w,y

wy




0 50 100 150 200 250 300 350 4000.5

1

1.5

2

time(s)

u

u


đối với hàm truyền G3(z-1)với bộ


Từ kết quả mô phỏng trên ta có bảng sau:

Bảng 4.1. Độ vọt lố với bộ điều khiển PIDSP

G1(z-1) G2(z-1)G3(z-1)

với Tm = 6s

G3(z-1)

với Tm = 20s

POT(%) 0.935 0.955 26.7 7.44

Nhận xét: Với các đồ thị trên cho thấy hiệu năng điều khiển khi sử

dụng bộ điều khiển dự báo Smith kết hợp trong hệ điều khiển PID. Một

hằng số thời gian Tm thích hợp được chọn để ngõ ra y đạt kết quả tốt nhất.

Từ Bảng 4.1, với 2 đối tượng G1 và G2 với Tm được chọn là 6s thì độ vọt lố

là rất nhỏ. Tuy nhiên với G3 độ vọt lố là rất lớn. Khi điều chỉnh Tm lên 20s

thì độ vọt lố giảm rất nhiều. Do vậy phương pháp sử dụng bộ điều khiển

dự báo Smith kết hợp với bộ điều khiển PID hằng số Tm phải được chọn

phù hợp thì hệ thống mới ổn định được.

b. Kết quả mô phỏng với thuật toán PASP

25

0 50 100 150 200 250 300 350 400-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

time

wy

wy



khiển PASP (Với δ = γ = 0.7)

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

time

u

u



điều khiển PASP (Với δ = γ =0.7)

0 50 100 150 200 250 300 350 400-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

time

wy

wy




0 50 100 150 200 250 300 350 4000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

time

u

u




0 50 100 150 200 250 300 350 400-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

time

wy

wy




26

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

0.5

1

1.5

2

2.5

time

u

u




Từ kết quả mô phỏng trên ta có bảng sau:

Bảng 4.2. Độ vọt lố với bộ điều khiển PASP

G1(z-1) G2(z-1) G3(z-1)

POT(%) 0.725 1.2 3.77

Nhận xét: Việc lựa chọn tham số δ = γ = 0.7 để tín hiệu ngõ ra y

đạt kết quả tốt nhất dựa vào kinh nghiệm. Từ Bảng 4.1 và Bảng 4.2 ta thấy

độ vọt lố khi dùng phương pháp PASP cho kết quả tốt hơn so với phương

pháp PIDSP. Kết quả tín hiệu điều khiển u(t) ở phương pháp PASP ít giao

động hơn so với phương pháp PIDSP.

4.5. KẾT LUẬN

Hai phương pháp PIDSP và PASP khi áp dụng vào các đối tượng

điều khiển khác nhau thì có những ưu và nhược điểm nhất định. Trước khi

bù trễ ta cần phải xác định chính xác thời gian trễ tác động lên cơ cấu.

Ngoài ra, đối với phương pháp PIDSP, phải ước lượng thời gian cần thiết

để thực hiện vòng xử lý đầu tiên Tm chính xác thì kết quả bù trễ mới chính

xác được. Còn đối với phương pháp PASP phải dựa vào kinh nghiệm để

chọn lựa các cực sao cho phù hợp để bù trễ. Cả hai phương pháp đều có

khả năng bù trễ truyền thông, tăng hiệu suất của hệ thống. Có thể áp dụng

bù trễ đối với nhiều cơ cấu chấp hành mà không cần thiết phải tính toán lại

toàn bộ hệ thống.

27

Trong chương này, đã phân tích và đề xuất hai phương pháp bù trễ

dựa trên bộ điều khiển dự báo Smith. Nó giúp tăng cường sự vững mạnh

của hệ thống, hoàn toàn có thể loại bỏ trễ truyền thông trong mạng. Các kết

quả mô phỏng cho thấy tính hợp lý của hai phương pháp.

28

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊKết luận

Việc nghiên cứu đặc tính, phân tích và đánh giá mức độ ảnh

hưởng của trễ truyền thông trong hệ điều khiển phân tán có sử dụng mạng

truyền thông kỹ thuật số nhằm mục đích nâng cao chất lượng của hệ thống

điều khiển.

Ứng dụng truyền thông số (dùng bus) để thay cho truyền thông

analog (dùng dây dẫn) đã chứng tỏ rõ những tính năng vượt trội như: lượng

thông tin trao đổi lớn (có thể truyền theo hai chiều), khả năng chống nhiễu

cao, cấu trúc nối dây đơn giản, dễ dàng thay đổi cấu trúc của hệ chuyển

động và đặc biệt là tăng tính thời gian thực cũng như độ chính xác của hệ

thống điều khiển. Để khai thác được tối đa những ưu điểm của phương

pháp truyền thông dùng mạng (bus) thì việc nghiên cứu và khảo sát đặc

tính của trễ truyền thông đối với từng loại mạng là rất cần thiết.

Trễ truyền thông và tính bất định của nó là tồn tại khách quan của

các mạng truyền thông số và nó làm suy giảm chất lượng điều khiển trong

hệ thống điều khiển sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số.

Dựa vào những thông số đo được trong phần mô phỏng và thực

nghiệm đã được nghiên cứu ta có thể áp dụng hệ thống điều khiển dự báo

Smith giúp hệ thống hoạt động ổn định. Chống được các trễ truyền thông

xuất hiện trên mạng.

Kiến nghịToàn bộ các công việc trong luận văn này tập trung vào DCS

nhằm nâng cao chất lượng điều khiển. Kết quả nghiên cứu góp phần bổ

sung số lượng các giải pháp để nâng cao chất lượng điều khiển hệ thống.

Do thời gian thực hiện đề tài còn hạn chế, luận văn tập trung nghiên cứu

trễ truyền thông với trễ là hằng số. Hướng phát triển trong thời gian tới là

nghiên cứu trễ với thời gian trễ thay đổi.

Luan Van Tot Nghiep - Thanh Nhan (Sua Lan 1) - Copy

Documents

Transcript of Luan Van Tot Nghiep - Thanh Nhan (Sua Lan 1) - Copy