Luận án: Nghiên cứu điều khiển trễ trong hệ thống điều khiển phản hồi qua mạng

13 MỞ ĐẦU Hệ thống điều khiển qua mạng (Networked control systems – viết tắt là NCS) được định nghĩa là hệ thống trong đó thông tin trao đổi giữa đối tượng được điều khiển và thiết bị điều khiển được thực hiện qua mạng điều khiển thời gian thực (Real time Control Networks -RCNS). Một mạng các hệ thống điều khiển điển hình được xây dựng dựa trên các phần tử cơ bản: Cảm biến – để lấy thông tin từ đối tượng, bộ điều khiển – để tính toán lệnh điều khiển, thiết bị chấp hành-đưa lệnh điều khiển vào đối tượng điều khiển và đối tượng điều khiển – thực thi các lệnh điều khiển, mạng thời gian thực là mạng đảm bảo việc trao đổi thông tin giữa bộ điều khiển với đối tượng điều khiển qua các thiết bị cảm biến, chấp hành của đối tượng đảm bảo tính đáp ứng kịp thời. Như vậy, lợi thế của mạng các hệ thống điều khiển không chỉ làm tăng khả năng điều khiển từ xa, nói cách khác là điều không phụ thuộc vào vị trí địa lý của các đối tượng của quá trình công nghệ mà còn mở rộng khả năng điều khiển của các bộ điều khiển số, ví dụ như một bộ điều khiển số như PLC có thể thực hiện điều khiển đa kênh đảm bảo tính thời gian thực. Hơn nữa, tính năng chia sẻ dữ liệu giữa các bộ điều khiển của mạng làm tăng hiệu suất điều khiển, mạng điều khiển có thể dễ dàng tổng hợp thông tin toàn diện để đưa ra các quyết định thông minh, tạo ra khả năng điều khiển giám sát, cảnh báo, chẩn đoán lỗi cũng như khả năng quản lý toàn bộ quá trình công nghệ tối ưu và hiệu quả cao.

Trong vài thập kỷ gần đây, RCNS được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp cũng như các lĩnh vực phục vụ đời sống xã hội như mạng cảm biến di động, thám hiểm không gian vũ trụ, điều khiển và thu thập dữ liệu trong môi trường nguy hiểm, tự động hóa nhà máy xí nghiệp, chẩn đoán và xử lý từ xa sự cố hệ thống tự động, điều khiển đồng bộ hóa các phương tiện giao thông vận 14 tải. Hiện nay, hướng nghiên cứu chính của hệ thống điều khiển kết nối mạng là sử dụng mạng truyền thông để kết nối các thành phần khác nhau như cảm biến, cơ cấu chấp hành và bộ điều khiển. Trong đó, việc sử dụng tài nguyên của RCNS là truyền thông tin giữa cảm biến, thiết bị chấp hành của đối tượng điều khiển và bộ điều khiển trên cùng một đường truyền của mạng, như vậy có thể điều khiển đối tượng không phụ thuộc vào khoảng cách địa lý giữa đối tượng và bộ điều khiển. Những bộ điều khiển được xây dựng dựa trên cấu trúc mạng đã được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển mạng Robot di động và các ứng dụng trong công nghiệp và là nền tảng phát triển công nghiệp 4.

Với sự ra đời của các mạng truyền thông chuẩn, các hệ thống điều khiển điểm-điểm truyền thống đang được cấu trúc lại và tạo ra các hệ thống điều khiển kết nối RCNS, trong đó các vòng điều khiển phản hồi được thực hiện thông qua mạng truyền thông. Khi hệ thống điều khiển phản hồi truyền thống được thực hiện qua kênh truyền thông và có thể được chia sẻ với các nút khác bên ngoài hệ thống điều khiển, thì hệ thống điều khiển được gọi là hệ thống điều khiển bằng RCNS. Đặc trưng xác định của một RCNS là thông tin (đầu vào tham chiếu, đầu ra của đối tượng điều khiển, đầu vào điều khiển, v.) được trao đổi bằng cách dùng mạng kết nối các thành phần của hệ thống điều khiển (cảm biến, bộ điều khiển, cơ cấu chấp hành, v.v) đảm bảo tính thời gian thực. Các chức năng cơ bản của bất kỳ RCNS nào là trao đổi thông tin giữa đối tượng điều khiển (cảm biến / cơ cấu chấp hành) và bộ điều khiển mạng đảm bảo điều khiển thời gian thực, giảm tắc nghẽn, giao tiếp dữ liệu hiệu quả cao,… Xây dựng các chiến lược điều khiển và thiết kế hệ thống điều khiển qua mạng phải đảm bảo được các yêu cầu sau: lựa chọn giao thức phù hợp để giảm thiểu ảnh hưởng của các tham số mạng bất lợi đến hiệu suất RCNS.

Một trong những tham số cần quan tâm nhất để đảm bảo tính thời gian thực cho hệ thống điều khiển qua mạng đó là trễ truyền thông của mạng. 15 Hệ thống điều khiển kết nối mạng (RCNS) có thể chứa một số lượng lớn thiết bị điều khiển được kết nối với nhau trao đổi dữ liệu qua mạng truyền thông như: sản xuất công nghiệp và tự động hóa tòa nhà, tự động hóa văn phòng và gia đình, hệ thống giao thông thông minh và hệ thống điều khiển trong ô tô, máy bay,…v. Trong đó, RCNS có một số ưu điểm như cung cấp khả năng thiết kế hệ thống các mô đun và linh hoạt xử lý phân tán, tương tác đơn giản và nhanh chóng triển khai trong thực tế; các tiện ích chẩn đoán và bảo trì hệ thống mạnh mẽ. Tuy nhiên, sự kết hợp của các cảm biến, bộ điều khiển và bộ truyền động với các mạng truyền thông cũng làm cho việc phân tích và thiết kế RCNS là một nhiệm vụ phức tạp bởi vì đòi hỏi sự tích hợp nhiều thành phần khác nhau như hệ thống điều khiển, hệ thống truyền thông và hệ thống thời gian thực.

Do đó, hệ thống điều khiển kết nối mạng RCNS đang là một trong những vấn đề được quan tâm nghiên cứu hiện nay và đã trở thành một lĩnh vực đa ngành. Nhiều vấn đề nghiên cứu khác nhau như công nghệ mạng, trễ truyền thông, cấu trúc mạng, chuẩn truyền thông, bảo mật trong RCNS, tích hợp các thành phần trên mạng, chẩn đoán và xử lý lỗi, v. đã và đang được quan tâm đang được nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứu nhằm đề xuất các chiến lược điều khiển tối ưu nâng cao hiệu quả của RCNS. Cũng chính vì những lý do nêu trên nên NCS chọn đề tài cho luận án tiến sỹ của mình là: “Nghiên cứu điều khiển trễ trong hệ thông điều khiển phản hồi qua mạng” Mục tiêu của luận án tập trung nghiên cứu giải quyết hai vấn đề chính sau đây: 1) Nghiên cứu, phân tích và đánh giá ảnh hưởng của một số vấn đề ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống khi điều khiển phản hồi qua mạng như: sự chậm trễ do mạng gây ra, lỗi truyền thông, tắc nghẽn mạng.

16 2) Nghiên cứu phương pháp giảm thiểu ảnh hưởng của các tham số bất lợi như độ trễ truyền thông đến nâng cao hiệu suất RCNS trong tổng hợp hệ thống phản hồi quan mạng. Với mục tiêu đặt ra, luận án mong muốn đạt được hai kết quả chính như sau: 1) Đề xuất phương pháp truyền dữ liệu đo và điều khiển qua mạng truyền thông để giảm thiểu ảnh hưởng của các tham số mạng bất lợi đến hiệu suất RCNS như độ trễ của mạng. Các đóng góp này được trình bày ở chương 2 của luận án và được công bố ở công trình [1],[2]. 2) Đề xuất phương pháp điều khiển bù trễ qua mạng trên cơ sở logic mờ.

Các đóng góp này được trình bày ở chương 3 của luận án và được công bố ở công trình [3]. Đối tượng nghiên cứu của luận án là các phương pháp truyền dữ liệu đo và điều khiển qua mạng truyền thông và các phương pháp điều khiển bù trễ qua mạng trên cơ sở logic mờ. Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm. 1) Phương pháp nghiên cứu từ tài liệu: Thu thập, tổng hợp và phân tích các tài liệu trong và ngoài nước liên quan mật thiết đến đề tài nghiên cứu.

2) Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các mô hình, cấu trúc các hệ thống điều khiển kết nối mạng đã công bố, phân tích ưu điểm, nhược điểm và các vấn đề còn tồn tại của các nghiên cứu liên quan. Trên cơ sở đó, đề xuất các phương pháp thu thập dữ liệu và điều khiển bù trễ qua mạng để giảm thiểu ảnh hưởng của các tham số mạng bất lợi đến hiệu suất hệ thống điều khiển kết nối mạng (RCNS ). 17 3) Thực nghiệm kiểm chứng: Các thuật toán đề xuất được cài đặt, chạy thử nghiệm, so sánh, đánh giá với các thuật toán khác đã được công bố nhằm minh chứng tính hiệu quả của các nghiên cứu được đề xuất mới. Bố cục của luận án gồm phần mở đầu và ba chương nội dung, phần kết luận và danh mục các tài liệu tham khảo.

Chương 1 trình bày nghiên cứu tổng quan về các hệ thống điều khiển kết nối mạng; một số mô hình kiến trúc điển hình; các vấn đề thách thức và ảnh hưởng thời gian trễ trong hệ thống điều khiển kết nối mạng; một số nghiên cứu trong nước về hệ thống điều khiển kết nối mạng. Trên cơ sở đó, luận án phân tích các vấn đề còn tồn tại và nêu rõ các mục tiêu nghiên cứu cùng với tóm tắt các kết quả đạt được. Các đóng góp chính của luận án được trình bày trong chương 2, chương 3. Chương 2 trình bày kết quả nghiên cứu: đề xuất phương pháp truyền dữ liệu đo và điều khiển qua mạng truyền thông từ các nguồn dữ liệu đo khác nhau.

Trong đó, hệ thống điều khiển kết nối mạng gồm nhiều thành phần cảm biến, bộ điều khiển, thiết bị chấp hành được kết nối thông qua mạng với mục tiêu sử dụng tối ưu các nguồn tài nguyên, cơ cấu vận hành cũng như việc lưu trữ, phân phối và xử lý các thông số dữ liệu. Chương 3 đề xuất phương pháp điều khiển bù trễ qua mạng trên cơ sở logic mờ và áp dụng thử nghiệm cho đối tượng điều khiển robot Omni. Trong đó, luận án đề xuất một bộ điều khiển thích ứng cho robot Omni bằng cách sử dụng kỹ thuật Backstepping kết hợp với điều khiển chế độ trượt dựa trên logic mờ. Robot được điều khiển thông qua mạng và GSM được thiết kế để bù thời gian trễ của mạng.

18 Cuối cùng, phần kết luận nêu những đóng góp của luận án, hướng phát triển và những vấn đề quan tâm của tác giả. 19 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI MẠNG 1.1 Đặt vấn đề Ngày nay, hệ thống điều khiển kết nối RCNS đang là một trong những hướng nghiên cứu được các nhà khoa học kỹ thuật quan tâm nhiều nhất và đã trở thành một lĩnh vực đa ngành. Trong chương này, tác giả tập trung tìm hiểu phạm vi và các vấn đề nghiên cứu khác nhau như công nghệ mạng, trễ mạng, phân bổ tài nguyên mạng, lập lịch, bảo mật mạng trong RCNS, các thành phần tích hợp mạng, khả năng thích ứng với lỗi, v.