Chương 1: Giới thiệu Nghiên cứu về độ tin cậy của hệ thống (system reliability) đóng vai trò quan trọng đến sức khỏe và sự an toàn của hệ thống. Mảng nghiên cứu này chứng kiến một số các yếu tố đã được khai thác, tuy nhiên vẫn còn nhiều tiềm năng, chẳng hạn như mối quan hệ giữa điều khiển (control) và sự xuống cấp của cơ cấu chấp hành (actuator degradation). Trên 2 phương diện: điều khiển và độ tin cậy, tiêu chí để đánh giá một hệ thống bao gồm chất lượng điều khiển (khi xem xét về phương diện điều khiển), và thời gian sử dụng hữu ích còn lại (remaining useful time, RUL) (khi xem xét về phương diện độ tin cậy) [1]. So sánh trên 2 phương diện, các nhà thiết kế điều khiển tương đối ít chú ý đến độ tin cậy hệ thống, mà tập trung vào nâng cao chất lượng điều khiển hay duy trì chất lượng điều khiển ở mức chấp nhận được trong các tình huống làm việc xấu, và tận dụng tối đa khả năng dự phòng của cơ cấu chấp hành [1].
Tuy nhiên, tính đến yếu tố khả năng hoàn thành nhiệm vụ, và còn khả năng tái hoạt động lâu dài hay tuổi thọ của hệ thống, độ tin cậy là một chỉ số rất quan trọng. Xét trong các hệ thống điều khiển tương tác vật lý (cyber-physical system), cơ cấu chấp hành là thành phần thực hiện các hành động điều khiển và phản ánh chất lượng điều khiển và độ tin cậy hệ thống, từ đó kiểm soát và tối ưu hóa. Cơ cấu chấp hành là cầu nối giữa đối tượng điều khiển và bộ điều khiển trong quá trình vận hành, do đó trạng thái hoạt động và hiệu quả của nó ảnh hưởng nghiêm trọng đến đầu ra điều khiển và độ tin cậy của hệ thống điều khiển [2]. Với sự lão hóa tự nhiên, hay môi trường khắc nghiệt, hay tải trọng làm việc, … hiệu suất của cơ cấu chấp hành chắc chắn sẽ bị suy giảm [2].
Đặc biệt, đối với các hệ thống điều khiển vận hành dài hạn không giám sát, hỏng hóc của cơ cấu chấp hành do xuống cấp của bộ truyền động có thể dẫn đến nhiệm vụ thất bại và gây thiệt hại kinh tế nghiêm trọng. Ví dụ, kính thiên văn Kepler trị giá hàng trăm triệu USD đã 1 ngừng hoạt động vào năm 2013 do bánh đà phản ứng của nó gặp trục trặc và khó có thể sửa chữa trong không gian.1 STATE OF THE ART TRONG ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY HỆ THỐNG XEM XÉT SỰ XUỐNG CẤP CỦA CƠ CẤU CHẤP HÀNH Được thúc đẩy bởi nhu cầu ngày càng tăng cho độ tin cậy hệ thống và sự an toàn, các nhà nghiên cứu trong 2 lĩnh vực: điều khiển và độ tin cậy, đã nỗ lực trong việc thiết kế điều khiển và cải độ tin cậy hệ thống xem xét sự xuống cấp của cơ cấu chấp hành từ các góc độ khác nhau và tách biệt [1]. Đối với các nhà nghiên cứu thuật toán điều khiển, mối quan tâm chính là duy trì sự ổn định và chất lượng điều khiển của hệ thống. Trong những thập kỷ qua, điều khiển chịu lỗi (Fault Tolerant Control, FTC) đã được nghiên cứu rộng rãi để khắc phục khi cơ cấu chấp hành gặp lỗi [3], [4] và rất nhiều phương pháp tiếp cận đã được phát triển, chẳng hạn như đa mô hình [5] và gán cấu trúc riêng [6].
Điều khiển FTC cho phép hệ thống điều khiển phản ứng với các lỗi cơ cấu chấp hành bằng cách bộ điều khiển có thể được cấu hình lại để điều khiển trong trường hợp cơ cấu chấp hành xảy ra lỗi, bằng cách điều chỉnh các tham số và/hoặc cấu trúc bộ điều khiển để đạt được hiệu quả mong muốn [7]. Thiết kế FTC có thể không nhằm mục đích mang lại đầu ra điều khiển tối ưu theo đúng nghĩa cho hoạt động bình thường nhưng nhìn chung có thể làm giảm bớt ảnh hưởng của việc cơ cấu chấp hành xảy lỗi. Điều khiển thích nghi cũng là một phương pháp được sử dụng rộng rãi để xử lý các lỗi của cơ cấu chấp hành [8], [9], [10]. Không giống như FTC, điều khiển thích nghi không yêu cầu cấu hình lại bộ điều khiển cũng như không cần chẩn đoán lỗi rõ ràng.
Điều khiển thích nghi truyền thống cố gắng che đậy các lỗi và duy trì sự ổn định cũng như đầu ra điều khiển của hệ thống điều khiển. Tuy nhiên, hướng tiếp cận theo điều khiển này không chú ý đến sự chuyển biến của sự xuống cấp của cơ cấu chấp hành, vốn là nguồn gốc của những lỗi này và ngoài ra sự xuống cấp của cơ cấu chấp hành sẽ trở nên nghiêm trọng hơn do hành động điều khiển lớn hơn mà FTC hoặc điều khiển thích nghi truyền thống gây ra [1]. 2 Khác với mối quan tâm trên, các nhà nghiên cứu độ tin cậy hệ thống tập trung vào cải thiện độ tin cậy của cơ cấu chấp hành, kéo dài tuổi thọ của hệ thống điều khiển. Để cải thiện độ tin cậy của cơ cấu chấp hành, phân tích đặc tính và thiết kế tối ưu hóa độ tin cậy [11] thường được sử dụng.
Việc thành lập mô hình độ tin cậy hoặc dự đoán thời gian sử dụng hữu ích còn lại (Remaining Useful Time, RUL) dựa trên dữ liệu suy giảm có sẵn nếu việc thu thập dữ liệu thời gian sử dụng khó khăn và tốn kém. Tuy nhiên, cách mà bộ điều khiển sử dụng cơ cấu chấp hành cũng là một yếu tố then chốt ảnh hưởng đến sự xuống cấp của cơ cấu chấp hành. Việc dung hòa hai mâu thuẫn trên – cân bằng giữa hiệu suất điều khiển và độ tin cậy hệ thống là rất khó, đó là lý do tại sao vấn đề này chưa được nghiên cứu rộng rãi [1]. Vào những năm 1990, trung tâm nghiên cứu Lewis của NASA đã đề xuất khái niệm kiểm soát kéo dài thời gian sống (LEC) [12], và các nghiên cứu liên quan hiện nay vẫn còn tương đối ít.
LEC nhằm mục đích kéo dài tuổi thọ hệ thống và tăng thời gian làm việc đáng tin cậy trong trường hợp cơ cấu chấp hành suy giảm hiệu suất hoặc hỏng hóc sớm. Quy trình bảo trì truyền thống cho bộ truyền động là thụ động, có nghĩa là các biện pháp bảo trì cần thiết chỉ được thực hiện khi hiệu suất hệ thống không thể được đáp ứng hoặc đã đạt đến thời gian bảo trì theo lịch trình [13]. Ngược lại, LEC là một cách tích cực để quản lý sự xuống cấp của bộ truyền động. Khi xảy ra sự xuống cấp của cơ cấu chấp hành hoặc lỗi nhỏ, LEC có thể tự động kéo dài thời gian làm việc và cải thiện tính khả dụng của thiết bị bằng cách thay đổi hành động điều khiển hoặc cấu trúc bộ điều khiển.
Zhang & cộng sự (2022).2 NGHIÊN CỨU VỀ ĐỘ TIN CẬY HỆ THỐNG CÂN BẰNG VÀ ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN VĂN Hệ thống cân bằng, so với các hệ thống khác, được đặc trưng bởi điều kiện cân bằng (balance restriction) – là yếu tố quyết định đến sự hoạt động bình thường của hệ [15]. Việc đánh giá và sử dụng độ tin cậy của các hệ thống nói chung, và hệ cân bằng nói riêng rất quan trọng để khắc phục hoặc phòng tránh các sự cố, vì chúng rất có thể dẫn đến tổn thất lớn về tài sản và con người, chẳng hạn những tổn thất thường thấy ở các hệ cân bằng như máy bay không người lái (UAV), hệ thống động cơ cân bằng trong tên lửa, hệ thống sản xuất tự động hóa, … Nghiên cứu về đánh giá độ tin cậy đối của hệ thống cân bằng được giới thiệu lần đầu tiên bởi Hua & Elsayed (2015) [16], được nêu trong bài báo bởi Cui & cộng sự (2019) [15], và từ 2016 đã thu hút nhiều sự chú ý từ các học giả và kỹ sư. Các yếu tố đã được nghiên cứu có thể chia thành 2 nhóm: Phân tích độ tin cậy theo đặc trưng hệ thống: một hệ thống cân bằng được giới thiệu bởi Fang & cộng sự (2021) [17] bao gồm hai hệ thống tự động cân bằng đa trạng thái; một hệ thống cân bằng nối tiếp các hệ thống con được gọi là “consecutive-k-out-of-r-from-n subsystems” đã được nghiên cứu bởi Wu & cộng sự (2022) [18] quan tâm đến chia sẻ bố trí tải; Wang & cộng sự (2023) đề xuất và phân tích độ tin cậy cho hai loại hệ thống cân bằng mới có trang bị các thiết bị bảo vệ đa trạng thái và các trạng thái ngẫu nhiên này quyết định độ tin cậy hệ thống; … Phân tích độ tin cậy theo tác động bên ngoài (vận hành, môi trường,…): Wang & cộng sự (2020) [19] đã tập trung vào phân tích độ tin cậy của một hệ thống cân bằng được thiết kế để hoạt động trong môi trường có nguồn gây shock hệ thống đơn; và đã tiếp tục mở rộng nghiên cứu này trong hình thành mô hình độ tin cậy cho hệ thống cân bằng trong môi trường đa nguồn shock [20]; Wang & cộng sự (2022) đã thực hiện phân tích độ tin cậy xem 4 xét chế độ lỗi hệ thống: gồm lỗi cứng (hard failure, loại lỗi gây cho hệ thống hỏng hẳn) và lỗi mềm (soft failure, loại lỗi gây cho hệ thống hỏng tạm thời) trên hệ thống “1-out-of-n pairs: G balanced systems”… Đóng góp vào tình hình nghiên cứu độ tin cậy của hệ thống cân bằng, học viên thực hiện: Trình bày phân tích độ tin cậy hệ thống xem xét mối quan hệ giữa điều khiển và sự xuống cấp của cơ cấu chấp hành. Đánh giá độ tin cậy hệ thống cân bằng xem xét mối quan hệ giữa điều khiển và sự xuống cấp của cơ cấu chấp hành và sử dụng điều khiển thích nghi với hệ thống cân bằng “K-out-of-n pairs: G balanced systems”, minh họa với hệ điều khiển cho đối tượng quadrotor, dưới góc nhìn là một hệ thống cân bằng “1-out-of-2 pairs: G balanced systems”.
5 Chương 2: Độ tin cậy hệ thống xem xét mối quan hệ điều khiển và sự xuống cấp của cơ cấu chấp hành 2.1 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KHIỂN ĐẾN SỰ XUỐNG CẤP CƠ CẤU CHẤP HÀNH Trong thực tế, mức độ xuống cấp giữa các cơ cấu chấp hành trong một hệ thống có xu hướng khác nhau do nhiều lý do như điều kiện làm việc, cấu hình hoạt động, hành vi xuống cấp, mức độ xuống cấp ban đầu khác nhau, v., điều này hiển nhiên dẫn đến một số cơ cấu chấp hành có khả năng hỏng hóc cao hơn các cơ cấu chấp hành còn lại. Quá trình xuống cấp có thể được diễn tả như sau, Li & cộng sự (2020) [22]: 𝐷𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑡𝑜𝑟 𝑡 = ∫ ∆𝐷𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑡𝑜𝑟 𝑡 𝑑𝑡 (2.