Luận văn Nghiên cứu đặc tính của trễ truyền thông trong hệ điều khiển phân tán (DCS)

iển vị trí Hệ truyền động nhiều trục điều khiển vị trí thường được sử dụng trong các hệ thống truyền động cho robots, truyền động máy công cụ điều khiển số CNC, truyền động trong các máy in,…. Liên quan trực tiếp tới hệ truyền động nhiều trục điều khiển vị trí có các khối chính sau: - Hệ điều khiển servo - Bộ nội suy quỹ đạo - Điều khiển quá trình - Điều khiển liên kết chéo 84 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4..1.1. Hệ điều khiển servo Trong truyền động nhiều trục điều khiển vị trí, mỗi trục được truyền động bởi một động cơ riêng biệt và có hệ điều khiển truyền động riêng. Nghiên cứu dưới góc độ hệ thống truyền động nhiều trục ta có thể gần đúng của các động cơ servo (bao gồm cả động cơ và hệ điều khiển thực hiện các thuật toán điều khiển dòng điện, tốc độ) của mỗi trục có hàm truyền như sau: ( ) ( ) ( ) ( ) X s K P s V s s s a    (4.1) Thông thường mỗi trục có một bộ điều khiển servo riêng biệt cho phép đầu ra bám theo giá trị đặt đầu vào. Các bộ điều khiển servo thường là điều khiển số với chu kỳ trích mẫu TS. Sử dụng thuật toán điều khiển PD cho các bộ điều khiển servo có hàm truyền như sau: ( ) 1 1 D P D T s C s K T s N            (4.2) với N là tham số lọc 4.1.2. Bộ nội suy quỹ đạo Trong điều khiển CNC thì cơ cấu chuyển dịch theo các điểm tựa trên quỹ đạo chuyển động của dao cắt, chi tiết, tọa độ các điểm tựa và gia số của nó được xác định trên bản vẽ chi tiết. Chuyển động giữa các điểm tựa được thực hiện nhờ thiết bị gọi là bộ nội suy. Bộ nội suy nhận thông tin về quỹ đạo chuyển động và các điểm tựa, thực hiện tính toán và biến đổi thành các thông tin ở dạng mã số của từng tọa độ chuyển động, từ đó đi điều khiển các truyền động của các trục tọa độ. Trong thực tế quỹ đạo chuyển động từ điểm tựa này sang điểm tựa khác tiếp sau có thể là đường thẳng, đường cong hay mặt cong. Các hệ thống truyền động nhiều trục điều khiển vị trí trước đây tốc độ chuyển động được lưu giữ trong một chương trình riêng. Các hệ thống điều khiển thông minh ngày nay thường giải quyết việc điều 85 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên khiển tốc độ chuyển động theo thời gian thực để tăng năng suất và chất lượng làm việc của hệ thống bằng cách sử dụng bộ điều khiển quá trình thích nghi. 4.1.3. Điều khiển quá trình Hệ thống điều khiển quá trình trong hệ truyền động nhiều trục điều khiển vị trí nhận tín hiệu từ các sensor đầu vào (như vị trí, lực, nhiệt độ,…) để điều khiển các quá trình khác nhau như điều khiển quá trình trước và sau công đoạn gia công, bù nhiệt độ, điều khiển lực theo yêu cầu công nghệ, bù biên dạng dao cắt, điều khiển giảm tiếng ồn trong máy công cụ,…. Điều khiển quá trình hoạt động tốt có thể làm tăng năng suất và độ chính xác. Thuật toán điều khiển thích nghi có thể hoạt động với chu kỳ trích mẫu khác với chu kỳ trích mẫu của hệ điều khiển servo. Vì chúng hoạt động bằng cách thay đổi lượng đặt đầu vào của bộ điều khiển servo (hoặc là trực tiếp hoặc là gián tiếp thông qua bộ nội suy quỹ đạo) nên chu kỳ trích mẫu của các mạch vòng điều khiển quá trình thích nghi thường bằng hoặc lớn hơn chu kỳ trích mẫu của bộ điều khiển servo nhưng không bao giờ nhỏ hơn. Thời gian cần thiết cho tính toán của thuật toán điều khiển thích nghi cũng lớn hơn thời gian tính toán của thuật toán điều khiển servo. Các dữ liệu đầu vào điều khiển quá trình thích nghi từ các sensor được truyền qua mạng tới các bộ điều khiển, gây ra trễ truyền thông và điều này có thể ảnh hưởng xấu tới chất lượng điều khiển của các mạch vòng điều khiển quá trình thích nghi. 4.1.4. Điều khiển liên kết chéo (cross-coupled control) Bộ điều khiển liên kết chéo được sử dụng để cải thiện độ chính xác của chuyển động tổng hợp (độc lập với độ chính xác bám của mỗi trục) trong hệ thống truyền động nhiều trục. Bộ điều khiển liên kết chéo phối hợp chuyển động của các trục để tối thiểu sai lệch quỹ đạo chuyển động. Nó nhận các tín hiệu đặt và vị trí đo về của các trục, tính toán khoảng cách giữa vị trí thực và quỹ đạo chuyển động mong muốn. Từ khoảng cách sai lệch này bộ điều khiển liên kết chéo sẽ hoặc là tính 86 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên toán ra các giá trị bù tương ứng để bù vào đầu ra của bộ điều khiển servo hoặc gửi tín hiệu tới bộ nội suy để thay đổi giá trị đặt cho bộ điều khiển servo. Do vậy bộ điều khiển liên kết chéo có thể được xem xét hoặc là như một phần của mạch vòng điều khiển servo (nếu nó hoạt động để thay đổi đầu ra của bộ điều khiển servo) hoặc là như một phần của điều khiển quá trình thích nghi (nếu nó hoạt động để thay đổi giá trị đặt cho bộ điều khiển servo). Bộ điều khiển liên kết chéo bao gồm hai thành phần chính như sau:  Bộ ước lượng sai lệch quỹ đạo  Bộ điều khiển bù liên kết chéo Để ước lượng sai lệch chuyển động bộ ước lượng sai lệch cần đo vị trí thực của các trục cũng như các lượng đặt đầu vào. Đối với hệ hai trục ta có thể ước lượng sai lệch như sau: Giả sử hệ thống có quỹ đạo mong muốn và trạng thái của hệ thống như trên hình 4-1. Hình 4-1. Sai lệch quỹ đạo chuyển động 87 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trên hình vẽ ta có vị trí thực của đối tượng điều khiển là tại điểm P, điểm R là vị trí đặt tiếp theo. Ta có sai lệch điều khiển của mỗi trục tương ứng là Ex và Ey. Sai lệch quỹ đạo chuyển động là khoảng cách từ P tới quỹ đạo mong muốn (trong trường hợp này là một điểm nằm trong đoạn QS). Tuy nhiên việc tìm một cách chính xác sai lệch này là rất khó khăn và ở đây chúng ta sẽ gần đúng sai lệch quỹ đạo chuyển động bằng độ dài của đoạn thẳng PS, là khoảng cách giữa vị trí thực tế của đối tượng điều khiển tới đường tròn tạo bởi bán kính cong tại điểm R. Với góc  đủ nhỏ ta có: os siny xPQ E c E   Trong đó  là góc giữa vector tiếp tuyến của quỹ đạo chuyển động và trục x. os r QC c    1 1 os os r QS r r c c            2 2 1 os sin sin os sin x y c QS r c RQ r E E                Như vậy ta có: 2 2 1 (1 os )cos x yE E QS r c      (4.3)  nhỏ, cos xấp xỉ bằng 1 và do vậy: 2 2 2 x yE E QS r   PS PQ QS  2 2 x ˆ os -E sin 2 x y y E E PS E c r       ˆ x x y yE C E C    (4.4) 88 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên với: y sin 2 E os + 2r x x y E C r C c      Dễ dàng nhận thấy rằng Cx và Cy không chỉ phụ thuộc vào các tham số của quỹ đạo đặt  và r mà còn phụ thuộc vào các sai lệch của các trục (Ex và Ey) và sai lệch quỹ đạo chuyển động là hàm phi tuyến của các sai lệch của các trục. Mục tiêu của bộ điều khiển liên kết chéo là di chuyển đối tượng chuyển động vè vị trí S (vị trí gần quỹ đạo mong muốn) còn các bộ điều khiển vị trí của các hệ servo dẽ điều khiển đối tượng chuyển động về phía điểm đặt mới (điểm R). Sai lệch trên các trục có thể đo theo thời gian thực, còn các đại lượng tham số của quỹ đạo đặt có thể nhận được từ bộ nội suy quỹ đạo. Sai lệch quỹ đạo chuyển động được đưa vào bộ điều khiển bù liên kết chéo để tính toán ra các tín hiệu điều khiển. Các tín hiệu điều khiển này sẽ thêm vào tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển servo của mỗi trục rồi được đưa tới các hệ truyền động động cơ servo. - N ộ i su y q u ỹ đ ạo PI Cx Cy Servo Controller Servo Controller Servo Motor Servo Motor + + + Bộ ước lượng sai lệch quỹ đạo chuyển động + - - + Hình 4-2. Cấu trúc điều khiển liên kết chéo 89 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4.2. Hệ điều khiển truyền động nhiều trục điều khiển vị trí dùng mạng truyền thông tƣơng tự (analog) 4.2.1. Cấu hình của mô hình Chúng ta xem xét cấu hình của hệ điều khiển truyền động nhiều trục sử dụng máy công cụ điều khiển số CNC: Hình 4-3. Cấu hình truyền thông của hệ điều khiển truyền động nhiều trục Giới thiệu sơ đồ: - Cụm điều khiển máy (Machine Control Unit - MCU) - Cụm điều khiển động cơ servo(Servo driver) - Cụm động cơ servo (servo motor) - Bộ chuyển đổi Số - Tương tự, Tương tự - Số: D/A, A/D A/D D/A A/D D/A A/D D/A    M C U SX SY SZ SX SY SZ Quỹ đạo đặt Công nghệ 4  20 mA 4  20 mA 4  20 mA CNC Servo driver Servo motor Velocity feedback (Encoder, resolver) Velocity feedback (Encoder, resolver) Velocity feedback (Encoder, resolver) 90 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - SX, SY, SZ: Giá trị vị trí của các trục - Cụm phản hồi tốc độ (Velocity feedback) Khối điều khiển máy (MCU) là đầu não trung tâm của máy CNC nó bao gồm: một máy tính có nhiệm vụ điều khiển chung các hoạt động của máy, giao tiếp với người sử dụng, nhận tín hiệu từ cảm biến vị trí và thực hiện các thuật toán nội suy, so sánh và đưa ra các lệnh điều khiển, hiệu chỉnh vị trí gia công; các bộ điều khiển khả trình PLC làm nhiệm vụ điều khiển các chức năng tuần tự của máy. Khối điều khiển servo làm nhiệm vụ nhận lệnh điều khiển từ máy tính trung tâm, nhận tín hiệu phản hồi tốc độ từ cảm biến tốc độ, thực hiện các thuật toán điều chỉnh hợp lý (PID, trượt, mờ, nơron) để điều khiển năng lượng cấp cho động cơ servo. Cảm biến dùng để đo tốc độ trong máy CNC hiện nay thường dùng là các loại Encoder, Resolve, Synchro. Cảm biến dùng để đo vị trí trong máy CNC thường là biến áp vi sai hoặc Encoder hoặc Inductosyn. Truyền động trong các máy CNC hiện nay thường là các hệ truyền động động cơ servo một chiều không chổi than hoặc động cơ servo xoay chiều. 4.2.2. Giới thiệu mô hình 4.2.2.1. Cụm điều khiển Cụm điều khiển máy được coi là trái tim của máy công cụ điều khiển số. Nó có nhiệm vụ liên kết tất cả các chức năng để điều khiển máy. Các chức năng bao gồm: vào/ ra số liệu, xử lý các số liệu và ghép nối máy với các thiết bị ngoại vi. a. Số liệu vào (data input) Chức năng này bao gồm: chức năng vào và lưu trữ số liệu. Đó là số liệu mô tả đường chuyển động của dụng cụ và điều kiện gia công sản phẩm. Bao gồm: - Giá trị quỹ đạo đặt - Các số liệu vào công nghệ: số liệu xác định vị trí, lượng chạy dao, hiệu chỉnh chiều dài, đường kính dụng cụ, các yêu cầu điều khiển đóng ngắt hệ thống bôi trơn, làm mát chi tiết,… - Các giá trị vị trí SX, SY, SZ 91 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên b. Xử lý số liệu (data processing) Cấu trúc chương trình điều khiển được được đưa vào cụm MCU và được nó mã hoá thành số nhị phân sau đó được lưu truyền độngữ vào cụm nhớ đệm. c. Số liệu ra (data output) Số liệu đưa ra của MCU là tín hiệu vị trí, lượng chạy dao và các tốc độ truyền động thành phần cho các trục X, Y, Z. Các tín hiệu này được gửi tới mạch điều khiển servo để sinh ra tín hiệu điều khiển động cơ. Trong cụm dẫn động, động cơ luôn có mạch khuyếch đại bởi vì tín hiệu trước khi đưa vào cụm dẫn động rất nhỏ không đủ công suất để động cơ làm việc. d. Ghép nối vào/ra (machine I/O interface) Các tín hiệu rời rạc yêu cầu từ số liệu vào như chiều quay trục chính, đóng mở động cơ làm mát, bôi trơn, dừng khẩn cấp, dừng chu trình và các tín hiệu khác từ máy công cụ gửi tới hệ điều khiển CNC e. Phần mềm ứng dụng Chương trình ứng dụng còn gọi là chương trình NC (Numberical Compute). Chương trình cho phép mô tả đường chuyển động của dụng cụ trong quá trình gia công, kiểu chuyển động: chạy nhanh, nội suy thẳng, nội suy vòng, điều kiện cắt, tốc độ trục chính, lượng ăn dao, chiều sâu cắt. Chương trình ứng dụng có thể viết bằng hai cách: Chương trình mã G và chương trình tham số. 4.2.2.2. Encoder Trong số những loại cảm biến đo vị trí, Encoder là loại được sử dụng cho những ứng dụng đòi hỏi độ phân giải và độ tin cậy trung bình. Encoder chia làm hai loại: Encoder quay và Encoder thẳng. Các trục của máy CNC thường được trang bị các dụng cụ đo vị trí để xác định tọa độ của bàn máy và của dao cụ thiết bị đo này thường là các bộ Encoder thẳng (hình 4-4). Các Encoder thẳng đo khoảng cách dịch chuyển tức là xác định tọa độ thực tế tức thời của các trục tọa độ. Các đại lượng để đo ở đây là những đoạn đường trong các chuyển động thẳng và các góc trong các chuyển động quay của các trục 92 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên tọa độ. Tín hiệu đầu ra của Encoder thẳng được đưa về so sánh với giá trị đặt của vị trí, kết quả được đưa vào đầu vào của bộ điều chỉnh vị trí. Mặt khác trên Encoder thẳng còn trang bị một vài điểm chuẩn (Reference Mark) được chỉ ra trên hình 4-5. Mục đích để thiết lập lại (xác định lại) toạ độ của các trục sau mỗi lần khởi động máy. Nếu khởi động lại máy sau khi có điện trở lại thì các trục toạ độ phải di chuyển và khi qua các điểm chuẩn (Reference Mark) nó sẽ phát ra một tín hiệu, tín hiệu này được truyền đến hệ CNC lúc đó hệ điều khiển mới xác định được tọa độ của nó đồng thời hiển thị giá trị tọa độ thực tế lên màn hình. Vì vậy, chỉ sau khi chạy hết các trục về các điểm quy chuẩn (Reference Mark) thì mới thực hiện được gia công trên máy. 4.2.2.3. Resolver và Synchro Resolver và Synchron là thiết bị đo kiểu tương tự, dùng để xác định vị trí hoặc tốc độ. Thiết bị này có độ chính xác và độ tin cậy cao nên thường được sử dụng trong máy CNC. Thiết bị đo làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ. Điện áp tín hiệu vào tỷ lệ với vị trí góc hoặc tốc độ trục của resolver. Resolver có cấu trúc giống như một động cơ điện xoay chiều cỡ nhỏ. Hình 4-6 là một kiểu resolver thường gặp trong máy CNC. Encoder Reference Mark Hình 4-4. Encoder thẳng Hình 4-5. Vạch vị trí 93 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nó bao gồm rotor, stator, trên rotor người ta bố trí một cuộn dây còn trên stator người ta bố trí hai cuộn dây đặt lệch nhau 900. Đối với Synchro stator có ba cuộn dây đặt lệch nhau 1200. Người ta đặt một điện áp xoay chiều vào cuộn dây rotor của resolver và synchro khi rotor quay trên các cuộn dây của stator sẽ xuất hiện các điện áp như trên hình 4-6. Tín hiệu ra của resolver và synchro thường rất nhỏ do đó trong thực tế người ta phải khuyếch đại bằng mạch điện tử sau đó đưa qua bộ ADC biến đổi thành tín hiệu số. 4.2.3. Đánh giá phƣơng pháp truyền thông tƣơng tự trong hệ điều khiển Với sơ đồ điều khiển chuyển động nhiều trục sử dụng các bộ điều khiển chuyển động cho từng trục như trên hình 4-3. Giữa các trục có mối liên hệ với nhau theo một quy luật nhất định. Việc tạo ra quỹ đạo và thuật toán điều khiển vị trí được thực hiện trên một bục phần cứng đơn lẻ. 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 mô men. Hình 4-6. Cấu tạo Synchro, resolver 94 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Tín hiệu điều khiển ở trên được gửi từ MCU đến các Servo Driver là các tín hiệu dòng (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 thì có một số nhược điểm như sau:  Về mặt giám sát: Do truyền thông một chiều nên giao diện từ MCU đến Servo Drive không cung cấp khả năng giám sát các thông số, các lỗi của Servo 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 MCU đến các Servo drive phải qua một bộ biến đổi D/A, và tín hiệu vị trí phản hồi về từ Encoder (A/D). Sự biến đổi hai lần này đã 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 yêu cầu chính xác không 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 thì 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 tìm 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. Việc ứng dụng phương pháp truyền thông số dùng mạng (Bus) cho hệ điều khiển truyền động nhiều trục điều khiển vị trí là cần thiết. 95 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4.3. Hệ điều khiển truyền động nhiều trục điều khiển vị trí dùng mạng truyền thông Bus-CAN 4.3.1. Cấu hình mô hình Hình 4-7. Cấu hình truyền thông dùng CAN-bus cho hệ điều khiển chuyển động Hình 4-8. Cấu hình của hệ điều khiển truyền động nhiều trục dùng truyền thông CAN-Bus CAN-BUS MCU Servo Driver Servo Driver Servo Driver Servo Motor Servo Motor Servo Motor    V el o ci ty f ee d b a ck (E n co d er , re so lv er ) V el o ci ty f ee d b a ck (E n co d er , re so lv er ) V el o ci ty f ee d b a ck (E n co d er , re so lv er ) Giá trị quỹ đạo đặt Các thông số quá trình công nghệ 96 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4.3.2. Đánh giá phƣơng pháp truyền thông sử dụng CAN-Bus Ở sơ đồ hình 4-8, chúng ta đã xây dựng mạng truyền thông dùng Bus-CAN cho hệ điều khiển truyền động nhiều trục từ bộ MCU xuống các Servo driver. Với khả năng truyền thông tin hai chiều trên CAN-Bus cho phép: - Truyền các tín hiệu điều khiển từ CNC đến các Driver để đưa ra các lệnh điều khiển, hiệu chỉnh vị trí gia công… của các trục thành phần. - Truyền thông từ các trục thành phần lên CNC bao gồm: các tín hiệu phản hồi là các tín hiệu vị trí được lấy từ encoder, resolver,…, các giá trị phản hồi tốc độ, các thông số mômen, gia tốc, quá tải, quá dòng… được truyền từ các servo driver đưa lên CNC. - Khả năng truyền thông nội bộ giữa các Servo driver thông qua đường bus. Do yêu cầu về tính thời gian thực của các hệ thống truyền động nhiều trục, đặc biệt là các hệ truyền động robots và CNC, giao diện giữa bộ điều khiển nhiều trục và các bộ điều khiển truyền động thành phần hiện nay dùng tín hiệu tương tự. Nếu dùng truyền thông kỹ thuật số trong các hệ truyền động nhiều trục như hình 4-8 sẽ khắc phục được nhược điểm của kỹ thuật tương tự, nâng cao độ chính xác và tốc độ làm việc của hệ thống. Tuy nhiên, sẽ xuất hiện một số vấn đề cần phải được nghiên cứu như độ trễ truyền thông, lỗi truyền thông, vấn đề đồng bộ hóa hoạt động hệ thống,…. Khi dùng bus thì tín hiệu được truyền là tín hiệu số. Ta có thể dễ nhận thấy rằng những ưu điểm khi chuyển từ truyền tín hiệu tương tự (phương pháp truyền thống) sang truyền tín hiệu số (dùng bus) là:  Thông 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. 97 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Khi dùng mạng (bus) để truyền thông trong hệ điều khiển chuyển động thì một số vấn đề ta phải quan tâm là:  Tính thời gian thực của hệ thống.  Thời gian trễ trong truyền thông.  Tính toàn 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 lý tính toán và truyền thông (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 hình truyền thông và bộ điều khiển tương ứng mà vẫn đảm bảo được tính thời gian thực cũng như tính ổn định của hệ thống. Trong phạm vi luận văn này sẽ nghiên cứu việc dùng truyền thông CAN-bus cho hệ điều khiển chuyển động. Trên cơ sở đó, phân tích ảnh hưởng của trễ truyền thông đến chất lượng điều khiển của hệ thống truyền động nhiều trục điều khiển vị trí. Vấn đề cần quan tâm khi sử dụng mạng CAN-bus cho hệ truyền động này là ảnh hưởng của trạng thái bão hoà của mạng truyền thông đến chất lượng hệ thống và qua đó thấy được sự ảnh hưởng của chu kỳ lấy mẫu Ts đến thời gian trễ. 98 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4.4. Các phƣơng pháp mô hình hoá trễ trong hệ thống điều khiển 4.4.1. Phƣơng pháp xấp xỉ Padé Trong trường hợp đơn giản nhất ta có thể giả thiết rằng trễ trong hệ thống điều khiển phân tán là hằng số và khi đó ta có thể sử dụng các công cụ phân tích thiết kế với hệ thống điều khiển có trễ như phương pháp đồ thị Bode, phương pháp sơ đồ Nyquist. Khi chúng ta coi trễ truyền thông là hằng số ta có thể gần đúng hệ thống như hệ có trễ thông thường và có thể áp dụng bộ điều khiển dự báo Smith (Smith-predictor) để điều khiển hệ thống [5]. Khi không cần độ chính xác cao trong việc phân tích hệ thống ta có thể sử dụng phương pháp xấp xỉ Padé. Phương pháp xấp xỉ Padé gần đúng thành phần trễ e-s trong hàm truyền đối tượng có trễ bằng đa thức )( )( )( sQ sP sG  . Về bản chất thì đây là một dạng của khai triển chuỗi Taylo. Bậc của P(s) và Q(s) là như nhau và P(s) = Q(-s) để đảm bảo đặc tính truyền đạt của hệ thống, có nghĩa là G(w)=1. Trên Bảng 4-1 là ba bậc đầu tiên của xấp xỉ Padé. Bảng 4-1. Xấp xỉ Padé cho thành phần trễ exp (-s) Bậc Xấp xỉ Padé n = 1 2 1 2 1   s s   n = 2 12 )( 2 1 12 )( 2 1 2 2   s s s s   n = 3 120 )( 12 )( 2 1 120 )( 12 )( 2 1 32 32   ss s ss s   99 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4.4.2. Mô hình hoá trễ truyền thông dùng xích Markov Trong chương 3 ta đã phân tích đặc điểm của trễ truyền thông và cho thấy trễ truyền thông phụ thuộc vào lưu lượng truyền thông hay tải của đường mạng, cụ thể hơn là phụ thuộc vào chiều dài hàng đợi các thông điệp cần truyền. Xem xét trong khoảng thời gian giữa các lần truyền tin ta có thể thấy sự thay đổi tải mạng hay chiều dài của hàng đợi là quá trình chậm và do vậy trễ truyền thông giữa các lần truyền không hoàn toàn là ngẫu nhiên và độc lập với nhau dẫn tới trễ trong các mạch vòng điều khiển cũng có tính chất như vậy. Kết quả phân tích cho thấy trễ trong hệ thống điều khiển sử dụng mạng truyền thông kỹ thuật số có thể có một số hữu hạn các trạng thái và ta có thể mô hình hoá quá trình chuyển trạng thái của trễ như là quá trình Markov [19]. Gọi trạng thái của trễ truyền thông tại thời điểm k là sk và nhận ngẫu nhiên các giá trị trong tập S = {1, 2, 3…s}. Theo [3], [7] và [17] xác xuất để trạng thái của trễ truyền thông chuyển từ trạng thái i sang trại thái j là:  isjsPq kkij  1 (4.5) Trong đó: 0  i, j  s; 0  qij  1 và   j ijq 1 Ma trận chuyển trạng thái của xích Markov như sau:              ssss s s s qqq qqq qqq P 10 11110 00100 .... ... ... (4.6) Tuỳ thuộc vào đặc điểm và tính chất của mạng truyền thông ta sẽ có đặc điểm của quá trình chuyển trạng thái khác nhau. Trong mạng có thiết lập chế độ ưu tiên thì trễ của các thông điệp truyền bởi nút mạng có mức ưu tiên cao sẽ tăng theo từng bậc (chỉ chuyển tới trạng thái liền kề) còn ở những nút mạng ưu tiên thấp có thể tăng nhiều bậc (có thể chuyển tới các trạng thái không liền kề). Quá trình giảm cũng như vậy, nếu không thiết lập chế độ bỏ qua các thông điệp cũ và các gói tin lỗi thì quá trình giảm của trễ sẽ theo từng bậc còn khi thiết lập chế độ bỏ qua các thông 100 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên điệp cũ và các gói tin lỗi thì quá trình giảm có thể giảm nhiều bậc. Ví dụ trễ đang ở trạng thái 2, nếu tăng giảm từng bậc thì nó có thể chuyển sang trạng thái 1 hoặc 3 và không thể chuyển sang trạng thái 4 hay nói cách khác q23, q21  0 còn q24 = 0. Gọi xác suất của trạng thái Markov là i ta có: i(k) = P(sk = i) (4.7) Và như vậy ta có vector phân bố trạng thái như sau: (k) = [1(k) 2(k) … s(k)] (4.8) Phân bố xác suất của trạng thái sk có thể tính bằng phương pháp đệ quy như sau:  (k + 1) = (k)P (0) = 0 4.5. Tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng điều khiển Hai tiêu chuẩn thường được sử dụng để đánh giá thiết kế hệ thống điều khiển là tiêu chuẩn tích phân bình thương sai lệch (ISE) và tiêu chuẩn tích phân của tích số giữa thời gian và giá trị tuyệt đối của sai lệch (ITAE). Công thức tính toán các tiêu chuẩn này như sau [1]: 0 2 ft t ISE e dt  (4.9) 0 ft t ITAE t e dt  (4.10) Ở đây t0 và tf là các thời điểm đầu và cuối của quá trình khảo sát và e là sai lệch giữa quỹ đạo thực và quỹ đạo đặt. Tiêu chuẩn ISE đánh giá sai lệch ở mọi thời điểm là như nhau trong khi ITAE đánh giá các sai lệch sau nặng hơn các sai lệch ban đầu. Các hệ thống điều khiển ngày nay thường dùng điều khiển số. Trong hệ thống điều khiển số để xác định được tần số lấy mẫu tốt nhất đảm bảo được sự ổn định của hệ thống và chất lượng điều khiển ta cần phải xác định được độ dự trữ pha và băng thông hệ điều khiển. 101 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Các thành phần trễ trong hệ thống sẽ làm tăng thêm độ trễ pha của hệ thống. Trễ trong hệ thống trích mẫu bao gồm trễ do sự hữu hạn của tần số lấy mẫu và các chậm trễ khác. Sự trễ pha do sự hữu hạn của tần số lấy mẫu gọi là sự trễ pha do lượng tử hoá (s) còn d là trễ pha do sự chậm trễ. Theo [15] các trễ pha này có thể được tính toán như sau: 2 s s fT  (4.11) dd fT (4.12) Ts là chu kỳ lấy mẫu, Td là trễ. Băng thông của hệ thống điều khiển, bwf là tần số tối đa mà đầu ra của hệ thống còn bám được theo tín hiệu đầu vào hình sin với sai số cho phép. Một cách diễn đạt khác, băng thông của hệ thống điều khiển là tần số của tín hiệu vào mà tại đó đầu ra của hệ thống suy giảm 3dB (hay là đầu ra bằng 0.707 lần đầu vào) [15]. Để đảm bảo chất lượng điều khiển tần số lấy mẫu, sf của hệ thống phải đảm bảo yêu cầu sau: 4020  bwf f (4.13) 4.6. Phân tích sự ảnh hƣởng của trễ truyền thông đến chất lƣợng điều khiển của hệ thống truyền động nhiều trục Do yêu cầu về tính thời gian thực của các hệ thống truyền động nhiều trục, đặc biệt là các hệ truyền động robots và CNC, giao diện giữa bộ điều khiển nhiều trục và các bộ điều khiển truyền động thành phần hiện nay dùng tín hiệu tương tự. Nếu dùng truyền thông kỹ thuật số trong các hệ truyền động nhiều trục sẽ khắc phục được nhược điểm của kỹ thuật tương tự, nâng cao độ chính xác và tốc độ làm việc của hệ thống. Tuy nhiên, sẽ xuất hiện một số vấn đề cần phải được nghiên cứu như độ trễ truyền thông, lỗi truyền thông, vấn đề đồng bộ hóa hoạt động hệ thống, vv... 102 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4.6.1. Cấu hình của mô hình Board DS1103 (có giao diện CAN) cắm vào khe ISA của máy tính sẽ gửi tín hiệu điều khiển qua mạng CAN xuống các Drive IDM640 (có giao diện CAN) để điều khiển 3 động cơ đồng bộ như hình vẽ. Mạch vòng vị trí được đưa lên Board DS1103 nên tín hiệu được gửi qua mạng CAN xuống các Drive IDM640 là các giá trị vận tốc tham chiếu. Thông số tốc độ cập nhật của mạch vòng tốc độ/ mômen tương ứng sẽ là 1KHz/10KHz. Tốc độ cập nhật của mạch vòng vị trí sẽ được thay đổi bằng việc thay đổi chu kỳ lấy mẫu (bước tính trên mô hình Simulink). Ví dụ: Nếu ta chọn chu kỳ lấy mẫu Ts = 10ms thì cứ sau mỗi 10ms tín hiệu tham chiếu vận tốc lại được gửi từ DS1103 qua mạng CAN xuống các Drive. Chúng ta xem xét sơ đồ cấu trúc điều khiển chuyển động hai trục điều khiển vị trí sử dụng truyền thông mạng CAN sử dụng luật điều khiển PD cho bộ điều khiển vị trí của các trục. Hình 4-10 Hình 4-9. Cấu hình của hệ điều khiển truyền động dùng truyền thông Bus-CAN 103 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 4.6.2. Phân tích ảnh hƣởng của trễ truyền thông đến chất lƣợng điều khiển của hệ thống Từ hình 4-2 và hình 4-10, chúng ta sẽ tiến hành phân tích, đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống truyền động nhiều trục điều khiển vị trí dựa trên các kết quả đã được khảo sát trên mô hình mô phỏng. Đánh giá chất lượng điều khiển của hệ thống bằng tiêu chuẩn ITEA với các tần số lấy mẫu khác nhau trong các trường hợp sau: - Mạng không sử dụng để truyền các thông tin sự kiện; - Xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện là 0.01, chiều dài thông điệp là ngẫu nhiên trong khoảng từ 0 – 80 bytes; - Xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện là 0.03, chiều dài thông điệp là ngẫu nhiên trong khoảng từ 0 – 80 bytes; - N ộ i su y q u ỹ đ ạo PD Cx Cy Servo Controller Servo Controller Servo Motor Servo Motor + + + Bộ ước lượng sai lệch quỹ đạo chuyển động + - - + Hình 4-10. Cấu trúc điều khiển chuyển động hai trục điều khiển vị trí C A N B u s Controller 104 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên - Xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện là 0.05, chiều dài thông điệp là ngẫu nhiên trong khoảng từ 0 – 80 bytes. Sử dụng quỹ đạo chuyển động đặt là đường tròn, đường kính 200mm. Kích thước của thông điệp đo lường và điều khiển là 8 bytes ta có thể tính được chiều dài của khung truy nhập theo là: Tframe = Nstuff + Nc + 8 N data Tbit (4.14) Nstuff là số bít nhồi, lấy giá trị từ 0 tới 14 bít, Nc là số bít điều khiển lấy giá trị 47 trong CAN 2.0A và 65 với CAN 2.0B. Với tốc độ truyền 500kbps ta có Tbit= 2µs và do vậy chiều dài khung truy nhập sẽ là từ 222  s tới 250 s . Trong hệ truyền động 2 trục ta cần thiết phải truyền 04 giá trị đo lường và điều khiển nên thời gian truyền thông trong một chu kỳ yêu cầu từ 888 s tới 1000 s . Nếu thời gian cần thiết cho việc tính toán điều khiển trong trường hợp xấu nhất là 150 s thì chu kỳ điều khiển nhỏ nhất có thể lựa chọn để hệ thống còn đảm bảo được yêu cầu kết thúc quá trình tính toán và truyền tin trong chu kỳ là 1,15 ms. Vì các thông tin sự kiện có tính ngẫu nhiên, nên phải qua nhiều lần thí nghiệm ứng với mỗi chu kỳ lấy mẫu, mỗi lần làm thí nghiệm sẽ thu được một giá trị ITAE sau đó tính ra giá trị ITAE trung bình theo công thức sau: 10 10 1   k kITAE ITAE (4.15) Qua 10 lần thí nghiệm, với kết quả thu được trên các bảng 4-2, bảng 4-3, bảng 4-4 và bảng 4-5 như sau [4]: 105 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Bảng 4-2. Kết quả khảo sát khi không có thông điệp sự kiện truyền trên mạng T (ms) ITAE1 ITAE2 ITAE3 ITAE4 ITAE5 ITAE6 ITAE7 ITAE8 ITAE9 ITAE10 ITAEtb 1 Mất ổn định 1,2 0,2923 0,2923 0,2923 0,2923 0,2923 0,2923 0,2923 0,2923 0,2923 0,2923 0,2923 1,4 0,0550 0,0550 0,0550 0,0550 0,0550 0,0550 0,0550 0,0550 0,0550 0,0550 0,0550 1,6 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 1,8 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 0,0557 2 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 0,0563 4 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 0,1401 6 0,2383 0,2383 0,2383 0,2383 0,2383 0,2383 0,2383 0,2383 0,2383 0,2383 0,2383 8 0,3383 0,3383 0,3383 0,3383 0,3383 0,3383 0,3383 0,3383 0,3383 0,3383 0,3383 10 0.4386 0.4386 0.4386 0.4386 0.4386 0.4386 0.4386 0.4386 0.4386 0.4386 0.4386 12 0.5393 0.5393 0.5393 0.5393 0.5393 0.5393 0.5393 0.5393 0.5393 0.5393 0.5393 14 0.6384 0.6384 0.6384 0.6384 0.6384 0.6384 0.6384 0.6384 0.6384 0.6384 0.6384 16 0.7408 0.7408 0.7408 0.7408 0.7408 0.7408 0.7408 0.7408 0.7408 0.7408 0.7408 18 0.8537 0.8537 0.8537 0.8537 0.8537 0.8537 0.8537 0.8537 0.8537 0.8537 0.8537 20 1.055 1.055 1.055 1.055 1.055 1.055 1.055 1.055 1.055 1.055 1.055 Bảng 4-3. Kết quả khảo sát khi xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện trên mạng là 1% T (ms) ITAE1 ITAE2 ITAE3 ITAE4 ITAE5 ITAE6 ITAE7 ITAE8 ITAE9 ITAE10 ITAEtb 1 Mất ổn định 1,2 Mất ổn định 1,4 Mất ổn định 1,6 49,1 49,1 49,1 24,6 19,8 49,1 55,4 49,1 49,1 49,1 44,36 1,8 17,72 17,72 27,85 17,72 29,82 17,72 17,72 17,72 17,20 17,72 19,89 2 0,0785 0,0785 0,0789 0,0787 0,0808 0,0783 0,0783 0,0765 0,0782 0,0761 0,0782 4 0,1535 0,1518 0,1518 0,1516 0,1517 0,1518 0,1518 0,1515 0,1518 0,1518 0,1519 6 0,2507 0,2500 0,2507 0,2507 0,2507 0,2507 0,2516 0,2507 0,2507 0,2507 0,2507 8 0,3423 0,3423 0,3423 0,3423 0,3423 0,3423 0,3423 0,3423 0,3423 0,3423 0,3423 10 0,4408 0,4408 0,4408 0,4408 0,4408 0,4408 0,4408 0,4408 0,4408 0,4408 0,4408 12 0,5415 0,5415 0,5415 0,5415 0,5415 0,5415 0,5415 0,5415 0,5415 0,5415 0,5415 14 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 16 0,7402 0,7402 0,7402 0,7402 0,7402 0,7402 0,7402 0,7402 0,7402 0,7402 0,7402 18 0,8534 0,8534 0,8534 0,8534 0,8534 0,8534 0,8534 0,8534 0,8534 0,8534 0,8534 20 1,0570 1,0570 1,0570 1,0570 1,0570 1,0570 1,0570 1,0570 1,0570 1,0570 1,0570 106 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Bảng 4-4. Kết quả khảo sát khi xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện trên mạng là 3% T (ms) ITAE1 ITAE2 ITAE3 ITAE4 ITAE5 ITAE6 ITAE7 ITAE8 ITAE9 ITAE10 ITAEtb 1 Mất ổn định 1,2 Mất ổn định 1,4 Mất ổn định 1,6 168,60 168,60 168,60 168,60 145,74 98,86 168,60 196,80 168,60 157,45 161,05 1,8 59,59 59,59 59,59 82,72 59,59 59,59 59,59 51,45 59,59 59,59 61,10 2 39,79 39,79 39,79 39,79 39,79 39,79 39,79 39,79 39,79 39,79 39,79 4 0,1746 0,1737 0,1734 0,1734 0,1734 0,1742 0,1734 0,1734 0,1734 0,1734 0,1736 6 0,2605 0,2635 0,2605 0,2605 0,2622 0,2605 0,2605 0,2605 0,2605 0,2605 0,2610 8 0,3510 0,3510 0,3752 0,3510 0,3510 0,3510 0,3621 0,3510 0,3510 0,3510 0,3545 10 0,4407 0,4407 0,4407 0,4407 0,4407 0,4407 0,4407 0,4407 0,4407 0,4407 0,4407 12 0,5414 0,5414 0,5414 0,5414 0,5414 0,5414 0,5414 0,5414 0,5414 0,5414 0,5414 14 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 16 0,7453 0,7453 0,7453 0,7453 0,7453 0,7453 0,7453 0,7453 0,7453 0,7453 0,7453 18 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 20 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 Bảng 4-5. Kết quả khảo sát khi xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện trên mạng là 5% T (ms) ITAE1 ITAE2 ITAE3 ITAE4 ITAE5 ITAE6 ITAE7 ITAE8 ITAE9 ITAE10 ITAEtb 1 Mất ổn định 1,2 Mất ổn định 1,4 Mất ổn định 1,6 Mất ổn định 1,8 59,70 65,42 59,70 64,85 59,70 59,70 78,96 59,70 59,70 59,70 62,71 2 48,94 48,94 48,94 48,94 48,94 48,94 48,94 48,94 48,94 48,94 48,94 4 0,1832 0,1881 0,1832 0,1845 0,1832 0,1832 0,1869 0,1832 0,1874 0,1832 0,1846 6 0,2732 0,2780 0,2732 0,2732 0,2792 0,2780 0,2732 0,2794 0,2732 0,2732 0,2754 8 0,3692 0,3692 0,3752 0,3692 0,3692 0,3692 0,3692 0,3692 0,3692 0,3692 0,3704 10 0,4432 0,4432 0,4432 0,4432 0,4432 0,4432 0,4432 0,4432 0,4432 0,4432 0,4432 12 0,5475 0,5475 0,5475 0,5475 0,5475 0,5475 0,5475 0,5475 0,5475 0,5475 0,5475 14 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 0,6404 16 0,7454 0,7454 0,7454 0,7454 0,7454 0,7454 0,7454 0,7454 0,7454 0,7454 0,7454 18 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 0,8561 20 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 1,06 107 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Qua kết quả khảo sát ta thấy, trong cả hai trường hợp mạng không có thông điệp sự kiện hay có thông điệp sự kiện với các xác suất xuất hiện thông điệp khác nhau, khi ta thay đổi chu kỳ trích mẫu – Ts thì kết quả của độ sai lệch vị trí (được đánh giá theo tiêu chuẩn ITAE) cũng khác nhau. Từ bảng kết quả ta vẽ ước lượng được đồ thị thể hiện liên hệ giữa giá trị sai lệch vị trí theo tiêu chuẩn ITAE với thời gian lấy mẫu Ts để so sánh và đánh giá quy luật về ảnh hưởng của trễ truyền thông với các chu kỳ lấy mẫu khác nhau ta có Hình 4-11. Kết quả thu được trên hình 4-11 cho thấy ở những tần số lấy mẫu thấp chất lượng điều khiển ít có sự khác biệt giữa các trường hợp mạng không có thông điệp sự kiện và mạng có thông điệp sự kiện. Nhìn trên đồ thị ta thấy, khi tần số lấy mẫu tăng lên, giá trị sai lệch điều khiển giảm, điều đó cho thấy khi tần số lấy mẫu tăng lên chất lượng điều khiển cũng tăng lên như trường hợp hệ thống điều khiển số không có trễ thông thường. Hình 4-11. Kết quả mô phỏng khảo sát ITAE với các tần số lấy mẫu khác nhau 108 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Hệ thống điều khiển sử dụng mạng truyền thông số có trễ truyền thông thêm vào làm tăng trễ của hệ thống điều khiển và do vậy nó làm thu hẹp vùng có thể lựa chọn của chu kỳ lấy mẫu so với hệ điều khiển số thông thường (không sử dụng mạng truyền thông). Trong hệ điều khiển số thông thường khi chu kỳ lấy mẫu giảm tới giới hạn trễ tính toán của thiết bị điều khiển thì diễn ra hiện tượng suy giảm chất lượng điều khiển đột ngột tới mức mất ổn định. Ở đây hiện tượng cũng diễn ra tương tự nhưng chất lượng điều khiển suy giảm ở ngay cả chu kỳ lấy mẫu lớn hơn giới hạn tạo bởi tổng trễ truyền thông và trễ tính toán. Qua kết quả khảo sát trên đồ thị ta nhận thấy khi mạng có xác suất xuất hiện thông điệp bằng 0,03 và 0,05 thì chất lượng điều khiển tăng dần theo tần số lấy mẫu, tuy nhiên lại nhanh chóng đạt tới ngưỡng bão hoà khi tần số lấy mẫu tăng. Còn đối với mạng có xác suất xuất hiện thông điệp bằng 0,01 thì ngưỡng bão hoà của hệ thống lớn hơn. Như vậy điểm suy giảm của chu kỳ lấy mẫu sẽ càng lớn khi xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện càng lớn. Nguyên nhân chính là do khi tăng tần số lấy mẫu sẽ làm tăng lưu lượng truyền thông, tăng băng thông sử dụng và khi tới ngưỡng bão hoà của hệ thống mạng nó làm tăng trễ truyền thông dẫn tới sự suy giảm chất lượng điều khiển. Với xác suất xuất hiện các thông điệp sự kiện càng lớn thì băng thông yêu cầu càng lớn và mạng càng nhanh đi vào trạng thái bão hoà. Chúng ta xem xét sai lệch quỹ đạo chuyển động trên hình 4-12 với hệ thống có chu kỳ lấy mẫu 2,5 ms và mạng có xác suất xuất hiện thông điệp sự kiện là 0,03: Hình 4-12. Quỹ đạo chuyển động (xác suất thông điệp sự kiện 3%, chu kỳ lấy mẫu 2.5ms) 109 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Ta nhận thấy hệ thống mạng có 3 điểm sai lệch quỹ đạo đó là các trạng thái quá tải tạm thời do tại các thời điểm đó lưu lượng truyền thông tăng làm trễ truyền thông và trễ tính toán của các thiết bị điều khiển. Như vậy ngay cả khi hệ thống mạng được thiết kế đảm bảo yêu cầu thì trong chế độ hoạt động bình thường của các hệ thống sử dụng mạng truyền thông thì hiện tượng bão hoà mạng vẫn có thể xuất hiện tạm thời (thoáng qua) và gây ra sự suy giảm chất lượng điều khiển một cách đột ngột và tạm thời. Nguyên nhân của hiện tượng này là do tính ngẫu nhiên của các thông tin sự kiện khác truyền trên mạng hoặc do ảnh hưởng của nhiễu dẫn tới lỗi truyền thông. Khi việc truyền thông bị lỗi, cơ chế phát hiện và xử lý lỗi trong các hệ thống mạng sẽ loại bỏ các thông điệp bị lỗi. Giải pháp phổ biến sử dụng trong kỹ thuật truyền tin là thực hiện truyền lại các thông điệp bị phát hiện là lỗi và điều này làm tăng trễ truyền thông và lưu lượng truyền thông dẫn tới hệ thống mạng có thể bị bão hoà tạm thời. Điều này cũng cho ta thấy trễ trong truyền thông thay đổi theo thời gian (do tính ngẫu nhiên của các nguyên nhân gây ra trễ trong truyền thông như đã phân tích ở chương 3). Để đánh giá sự sai lệch quỹ đạo chuyển động trong trường hợp hệ thống làm việc với các tần số lấy mẫu khác nhau trên Hình 4-13 ta thấy rằng khi mạng sử dụng để truyền thông điệp sự kiện thì ngay cả ở những chu kỳ lấy mẫu nhỏ tới mức mà hệ thống có chất lượng điều khiển tốt nhất thì vẫn xuất hiện các điểm mà sai lệch quỹ đạo lớn. Đó là tại các điểm mà trễ truyền thông tăng cao đột ngột trong một khoảng thời gian ngắn hay nói cách khác khi đó hệ thống mạng rơi vào trạng thái nghẽn mạng tạm thời. Những điểm peak của sai lệch này sẽ dẫn tới phế phẩm hoặc thậm chí gây ra tác động của hệ thống bảo vệ làm dừng sản xuất. Có thể nhận thấy rằng ở những kỳ lấy mẫu lớn tồn tại sai lệch quỹ đạo lớn và ít có sự khác nhau giữa trường hợp mạng không sử dụng để truyền thông điệp sự kiện (trễ gần là hằng số) và trường hợp mạng sử dụng để truyền thông điệp sự kiện (trễ mang tính bất định). 110 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Sai lệch này ổn định và giảm khi chu kỳ lấy mẫu giảm nhưng chu kỳ lấy mẫu càng nhỏ thì càng có sự khác biệt giữa trường hợp có thông điệp sự kiện và không có thông điệp sự kiện. Cụ thể là khi mạng có thông điệp sự kiện thì chu kỳ lấy mẫu càng nhỏ tần suất xuất hiện các điểm có sai lệch quỹ đạo lớn sẽ càng lớn làm cho chất lượng điều khiển của nó kém hơn so với khi không có thông điệp sự kiện. Chất lượng điều khiển thấp khi chu kỳ lấy mẫu lớn là do sai lệch tạo bởi chu kỳ lấy mẫu còn khi chu kỳ lấy mẫu tiến tới giới hạn bão hoà chất lượng điều khiển giảm là do tần suất nghẽn mạng tạm thời tăng lên. Với mô hình điều khiển truyền động dùng truyền thông CAN-Bus như hình 4-9 và sơ đồ cấu trúc điều khiển truyền động hai trục XY điều khiển vị trí như hình 4-10. Thông tin sự kiện được giả lập bằng việc truyền thông tin điều khiển của trục thứ ba. Theo [4] kết quả khảo sát thu được để đánh giá sai lệch quỹ đạo chuyển động trong trường hợp chu kỳ lấy mẫu bằng 4ms như hình 4-14. Hình 4-13. Sai lệch quỹ đạo chuyển động 111 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Quỹ đạo chuyển động X-Y là đường tròn với chu kỳ lấy mẫu 4ms ở trạng thái chưa bão hoà thu được như hình 4-15. Tại chu kỳ lấy mẫu 4ms chất lượng điều khiển tương đối tốt, sự sai lệch quỹ đạo nhỏ. Tuy nhiên khi trục thứ ba thực hiện việc truyền thông cùng thời điểm với việc truyền thông của một trong hai trục XY nói cách khác là có sự nghẽn mạng do thông điệp truyền bởi trục thứ 3 gây nên có thể làm cho hệ thống trở nên mất ổn định hoặc có sai lệch quỹ đạo lớn mặc dù trước đó nó vẫn làm việc tốt. Hình 4-14. Sai lệch quỹ đạo chuyển động trong hệ truyền động hai trục XY với chu kỳ lấy mẫu 4ms Hình 4-15. Quỹ đạo chuyển động X-Y ở trạng thái chưa bão hoà 112 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Chúng ta tiếp tục xem xét tại chu kỳ lấy mẫu bằng 2,5ms, khi đó thu được đồ thị mô tả sai lệch quỹ đạo chuyển động, như hình 4-16, và hình ảnh quỹ đạo chuyển động hình 4-17. Như vậy tại các chu kỳ lấy mẫu nhỏ hơn (2,5 ms) sai lệch điều khiển mạng lớn do rơi vào trạng thái bão hoà, quỹ đạo chuyển động của hai trục X-Y không còn bám theo đúng quỹ đạo đặt. Nguyên nhân của hiện tượng này là ngoài việc truyền các thông tin có tính chất chu kỳ hệ thống mạng còn sử dụng để truyền các thông tin sự kiện, không có tính chất chu kỳ. Sự xuất hiện mang tính ngẫu nhiên của các thông tin sự kiện làm tăng tức thời lưu lượng truyền tin dẫn tới sự gia tăng của thời Hình 4-16. Sai lệch quỹ đạo chuyển động trong hệ truyền động hai trục XY với chu kỳ lấy mẫu 2.5 ms Hình 4-17. Quỹ đạo chuyển động X-Y khi mạng bão hoà 113 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên gian đợi giành quyền truyền tin Tblock và trễ truyền thông sẽ tăng lên. Đặc biệt khi lưu lượng truyền tin tăng lên nó sẽ làm tăng hệ số sử dụng mạng tới mức 100% đồng thời tăng chiều dài hàng đợi dẫn tới làm tăng thời gian đợi trong hàng đợi Tqueue. Khi đó hệ thống mạng sẽ rơi vào trạng thái bão hoà. Trong trạng thái bão hoà, trễ truyền thông sẽ tăng lên và có thể vượt qua khoảng trễ cho phép của ứng dụng và ta gọi trạng thái của hệ thống mạng trong trường hợp này là trạng thái “nghẽn mạng”. Chất lượng điều khiển của hệ thống đã bị suy giảm mạnh dẫn tới mất ổn định khi mạng truyền thông đi vào trạng thái bão hoà. 4.7. Kết luận Trong chương này đã tiến hành nghiên cứu và phân tích hưởng của trễ tuyền thông tới chất lượng điều khiển trong hệ thống truyền động nhiều trục điều khiển vị trí sử dụng mạng CAN dựa theo kết quả nghiên cứu [4] đã được khảo sát mô hình mô phỏng và mô hình thực nghiệm. Kết quả cho thấy trễ truyền thông làm suy giảm chất lượng điều khiển trong hệ thống điều khiển sử dụng mạng truyền thông, đặc biệt trong các trạng thái nghẽn mạng và nghẽn mạng tạm thời. Chất lượng điều khiển suy giảm mạnh khi hệ thống mạng truyền thông đi vào trạng thái bão hoà (hay nghẽn mạng). Qua phân tích cũng cho thấy ảnh hưởng của hiện tượng nghẽn mạng tạm thời (bão hoà ngắn hạn) của mạng truyền thông làm suy giảm đột ngột chất lượng điều khiển, có thể gây phế phẩm hoặc hiện tượng ngừng hoạt động của thống. Chính điều này làm hạn chế khả năng ứng dụng của hệ thống điều khiển sử dụng mạng trong nhiều ứng dụng công nghiệp nói chung, trong các hệ điều khiển truyền thông nói riêng. 114 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết 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 để đánh giá hệ truyền động nhiều trục điều khiển vị trí khi dùng truyền thông bằng mạng CAN-bus, ta có thể thấy khi mạng rơi vào trạng thái nghẽn mạng và nghẽn mạng tạm thời đã làm tăng trễ truyền thông gây ra suy giảm chất lượng điều khiển. Kiến nghị Từ các kết quả nghiên cứu của luận văn cho thấy để có thể nâng cao chất lượng điều khiển, ngoài việc nghiên cứu tạo ra các cấu hình, các phương thức truyền thông mới, các luật điều khiển ... thì việc giảm tần suất xảy ra sự cố do tác động của trễ truyền thông sẽ mở rộng khả năng ứng dụng mạng truyền thông kỹ thuật số và điều khiển phân tán cho các ứng dụng điều khiển truyền động và điều khiển chuyển động. Thời gian trễ truyền thông cũng có ảnh hưởng đến việc lựa chọn chu kỳ lấy mẫu vì nó có ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng hệ thống. Do vậy việc tối ưu thời gian lấy mẫu là cần thiết. 115 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt [1] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi (2006), Điều chỉnh tự động truyền động điện. NXB Khoa học kỹ thuật. [2] Hoàng Minh Sơn (2007), Mạng truyền thông công nghiệp, In lần thứ tư, NXB Khoa học kỹ thuật. [3] Pugatrep-Bản dịch Tiếng Việt (1997), Lý thuyết hàm ngẫu nhiên, , NXB thống kê. [4] Phạm Quang Đăng (2007), Nghiên cứu ảnh hưởng của trễ truyền thông trong hệ thống điều khiển phân tán để nâng cao chất lượng điều khiển, Luận án Tiến sỹ kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa HN, Hà nội. [5] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Duy Bình, Phạm Quang Đăng, Phạm Hồng Sơn (2006), Hệ điều khiển DCS cho nhà máy sản xuất điện năng - Tập 1. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. Tiếng Anh [6] Astrom Karl J.,Bjorn Wittenmark (1990), Computer Controlled Systems (1990), Theory and Design, Second Edition. Prentice-Hall. [7] Barnes J. Wesley (1994), Statistical Analysis for Engineers and Scientists: A Computer-Based Approach, McGraw-Hill International Editions. [8] Boukas El-Kebir, Zi-Kuan Liu (2002), Deterministic and Stochastic Time Delay Systems, Birkhauser Boston. [9] Bosteel Jan, Coordinated Multi-Axis Motion Control via CAN bus, [10] Bushnell Linda G.(2001), Networds and Control. IEEE Control System Magazine. [11] CiA, CAN Specification 2.0 Part A, [12] CiA, CAN Specification 2.0 Part B, 116 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên [13] Cruz Rene L. (1991), A calculus for Network Delay, Part I: Network Elements in Isolation, IEEE Transaction on Information Theory. [14] Cruz Rene L.(1991), A calculus for Network Delay, Part II: Network Analysis, IEEE Transaction on Information Theory. [15] Franklin Gene F., J. David Powell, Michael Workman (1990), Digital Control of Dynamic Systems, Second Edition, Addsion – Wesley. [16] IEEE Standards (2002), IEEE Std 802.3-2002 part 3: Carrier Sense Multiple Access with Collission Detection (CAMA/CD) Access Method and Physical Layer Specification, The Institute of Electrical and Electronics Engineer. [17] Leon-Garcia Alberto (1994), Probability and Random Processes for Electrical Engineering, Second Edition. PEARSON Addision Wesley. [18] Li Lian Feng, James Moyne, Dawn Tilbury (2001), Performance Evaluation of Control Networks: Ethernet, ControlNet and DeviceNet, IEEE Control Systems Magazine. [19] Nilsson Johan (1998), Real-Time Control System with Delays, PhD thesis, Departerment of Automatic Control , Lund Institute of Technology. [20] Tanenbaun Andrew S.(2003), Computer Networks, Fourth Edition, Pearson Education – Prentice Hall PTR. [21] Tindell K. (1994), Analysis of Hard Real-Time Communication, YCS222, Dept. of Computer Science, University of York.