Luận án tiến sĩ kỹ thuật điện điện tử và viễn thông: Điều khiển trễ trong hệ thống điều khiển phản hồi qua mạng

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: 9.16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ VÀ VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS. Thái Quang Vinh Hà Nội - 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được hoàn 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 công trình nào khác. Tôi 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 hoàn 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 Công nghệ Việt Nam) đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo ra môi trường nghiên cứu tốt để tác giả hoàn thành công 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 công 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.2 Cấu hình hệ thống điều khiển kết nối mạng .1 Cấu hình tập trung .2 Cấu hình phi tập trung .3 Cấu hình phân tán .3 Mô hình hệ thống điều khiển kết nối mạng truyền thông .1 Mô hình của hệ thống .4 Các vấn đề cần giải quyết của hệ thống điều khiển kết nối mạng thời gian thực .1 Sự chậm trễ do mạng gây ra .2 Bỏ gói dữ liệu .3 Rối loạn gói dữ liệu.4 Lỗi lượng tử hóa .5 Cấu trúc liên kết mạng thời gian khác nhau .6 Kênh mờ dần .7 Băng thông mạng thay đổi theo thời gian .5 Mô hình hóa và phân tích độ trễ mạng .6 Phương pháp lập lịch GSM cho hệ thống điều khiển kết nối mạng .7 Một số nghiên cứu trên thế giới về hệ thống điều khiển kết nối mạng.8 Một số nghiên cứu trong nước về hệ thống điều khiển kết nối mạng.9 Kết luận chương 1.

43 CHƯƠNG 2 - MÔ HÌNH THU THẬP DỮ LIỆU QUA MẠNG.2 Kiến trúc của hệ thống điều khiển kết nối mạng.3 Ảnh hưởng thời gian trễ trong hệ thống điều khiển kết nối mạng .4 Phương pháp truyền dữ liệu đo và điều khiển qua mạng .1 Hệ thống kết nối mạng từ nhiều nguồn khác nhau .2 Phương pháp kết nối thiết bị đo và điều khiển qua mạng .5 Kết luận chương 2. 63 CHƯƠNG 3 - MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN BÙ TRỄ QUA MẠNG TRÊN CƠ SỞ HỆ LOGIC MỜ 64 3.2 Bù trễ điều khiển qua mạng trên cơ sở hệ logic mờ .3 Mô hình mạng với các nút lưu lượng.1 Cấu trúc mạng với các nút lưu lượng .2 Thời gian trễ và ước tính gói bị mất .4 Phương pháp điều khiển bù trễ trên cơ sở logic mờ .1 Cấu trúc truyền dữ liệu qua mạng.2 Mô hình điều khiển robot omni qua mạng .3 Mô hình toán học của robot Omni .4 Xây dựng luật điều khiển.5 Cấu trúc điều khiển bù trễ qua mạng .6 Logic mờ để điều chỉnh các tham số điều khiển của robot Omni. Kết luận chương 3. 93 KẾT LUẬN 94 Danh mục các công 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 Supervisory Control And Data thập dữ liệu.

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 thông Communication Disturbance Observer Hệ thống điều khiển kết nối mạng Distributed networked control system phân tán 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 Fieldbus theo tiêu chuẩn IEC 61158 Chiến lược điều khiển tập trung Centralized control scheme Phương pháp điều khiển phi tập Decentralized control strategy trung Mạng nơ ron hồi quy Recurrent Neural Network Khâu lưu giữ bậc 0 Zero-order Hold Mô 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 HyperText Transfer Protocol bản 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 rad/sec 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 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 Mô men quán tính của xe N.m Q Biến khớp F Lực ma sát N C Ma trận hệ số lực ma sát nhớt G Ma trận hệ số lực ma sát culomb  Đầu vào của bộ lọc thông thấp x1d Quỹ đạo đặt T Thời gian trích mẫu S  Hệ số của mặt trượt  Tín hiệu điều khiển của hệ thống Tín hiệu điều khiển giữ trạng thái của hệ thống hệ  eq thống trên mặt trượt 9 Tín hiệu điều khiển, lái trạng thái của hệ thống về  sw mặt trượt c1 , c2 , c3 Hệ số của bộ điều khiển DSC  Véc tơ chứa thành phần bất định của mô hình robot S Mặt trượt 10 Danh sách bảng Bảng 3. Liên hệ giữa giá trị đầu ra 3 với hai đầu vào và .88 11 Danh sách hình vẽ Hình 1. Mô hình hệ thống điều khiển kết nối mạng. Các cấu hình phổ biến của RCNS.

Tương tác của truyền thông, tính toán và điều khiển trong RCNS. Sơ đồ của một RCNS thông qua kênh truyền thông. Cấu trúc RCNS hiển thị độ trễ mạng truyền thông. Phương pháp lập lịch GSM.

Mô hình kiến trúc mạng hệ thống điều khiển. Mô hình hệ thống điều khiển kết nối mạng có trễ truyền thống. Thời gian trong hệ thống điều khiển kết nối mạng. Mô hình hệ thống thiết bị đo và điều khiển các thông số hoạt động.

Cấu trúc của một hệ thống điều khiển qua mạng đa thành phần. Cấu trúc trực tiếp của hệ thống điều khiển kết nối mạng. Kết nối dữ liệu vào ra với bộ điều khiển. Mô hình cập nhật dữ liệu lên App Engine.

Lưu đồ cập nhật dữ liệu lên App Engine. Mô hình trình diễn dữ liệu đến người sử dụng. Lưu đồ người sử dụng truy cập vào ứng dụng trên App Engine. Cấu trúc mạng với các nút lưu lượng.

Mô hình kích thích tuần hoàn. Thời gian trễ và thời gian trôi qua giữa các gói bị mất. Cấu trúc của mạng nơ ron hồi quy để ước tính thời gian trễ. Cấu trúc truyền dữ liệu phân tán qua mạng.

Cấu trúc truyền dữ liệu trực tiếp qua mạng. Mô hình phản hồi của hệ thống điều khiển kết nối mạng. Mô hình hệ thống điều khiển Omni Robot thông qua mạng. Mô hình động học của robot Omni.

Cấu trúc điều khiển trực tiếp qua mạng. Hàm liên thuộc đầu vào độ trễ. Hàm liên thuộc đầu vào đạo hàm độ trễ. Mờ hóa thành phần đầu vào.

Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển robot Omni. Mô phỏng bộ điều khiển bù trễ trên cơ sở logic mờ. Quỹ đạo của robot. Mô phỏng luật điều khiển mờ bù trễ.

Tối ưu thông số 3. 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 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).