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. Cùng 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 mạng thời gian thực(RCNS –Realtime Network Control System), trong đó các vòng điều khiển phản hồi được kết nối thông qua mạng. Mô hình hệ thống điều khiển kết nối mạng 20 Các thành phần hệ thống của RCNS như cảm biến, bộ điều khiển và thiết bị chấp hành, được kết nối qua một số mạng chuẩn phổ biến hiện nay như CAN, BACnet, Fieldbus, Ethernet và Internet.
Các thông tin vào/ra giữa các thành phần của RCNS được thực hiện qua mạng truyền thông. Hệ thống điều khiển là một thiết bị hay nhiều thiết bị quản lý, ra lệnh, chỉ đạo hoặc điều chỉnh hành vi (chức năng điều khiển) của một hay nhiều thiết bị khác trong hệ thống (chức năng bị điều khiển). Khái niệm hệ thống điều khiển chính thống có lẽ được xác định từ phân tích động lực học của hệ ly tâm được thực hiện bởi nhà vật lý nổi tiếng Maxwell vào năm 1868 có tên là “On Governorors”. Một ứng dụng điển hình của hệ thống điều khiển từ đầu thế kỷ 20 là trong lĩnh vực của máy bay có người lái.
Anh em nhà Wright đã thực hiện các chuyến bay thử nghiệm thành công đầu tiên vào ngày 17 tháng 12 năm 1903 và Wright nổi bật nhờ khả năng điều khiển các chuyến bay của họ trong thời gian đáng kể. Trong nhiều năm, các nhà nghiên cứu đã cho chúng ta các chiến lược điều khiển chính xác và tối ưu xuất phát từ lý thuyết điều khiển cổ điển, bắt đầu từ điều khiển vòng hở (open-loop) đến các chiến lược điều khiển cấp cao dựa trên các thuật toán thông minh như Fuzzy, Neural, Thích nghi, v., cho các hệ thống vòng hở hoặc vòng kín (closed loop). Trong thời đại công nghệ số, sự ra đời của mạng truyền thông đã đưa ra khái niệm điều khiển đối tượng qua mạng, từ đó tạo ra khái niệm hệ thống điều khiển qua mạng thời gian thực (RCNS - Real time Control Networks). Định nghĩa cổ điển về RCNS như sau: Khi hệ thống điều khiển phản hồi truyền thống được thực hiện qua kênh truyền thông và có thể được chia sẻ dư liệu với các nút khác bên ngoài hệ thống điều khiển đảm bảo tính đáp ứng kịp thời, thì hệ thống điều khiển này được gọi là hệ thống điều khiển kết nối mạng thời gian 21 thực.
Ngoài ra, RCNS cũng có thể được định nghĩa là một hệ thống điều khiển phản hồi trong đó các vòng lặp được khép kín thông qua một mạng truyền thông dữ liệu thời gian thực. Trong vài năm gần đây với sự phát triển nhanh chóng của các hệ thống mạng không dây là động lực thúc đẩy việc nghiên cứu và phát triển công nghệ về RCNS với mục tiêu thiết kế hệ thống điều khiển kết nối mạng thời gian thực ngày một hoàn thiện hơn, đảm bảo độ tin cậy và hiệu quả. Hiện nay, các chủ đề nghiên cứu tập trung vào các chiến lược điều khiển phù hợp với động học khác nhau của các cơ cấu chấp hành/phương tiện trong RCNS. Một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng khác liên quan đến RCNS là nghiên cứu về cấu trúc mạng phù hợp để cung cấp kênh liên lạc bảo mật, đáng tin cậy với đủ băng thông song song với việc phát triển các giao thức truyền dữ liệu cho các hệ thống điều khiển.
Vấn đề thu thập thông tin thời gian thực qua mạng bằng các nút cảm biến phân tán và xử lý dữ liệu cảm biến một cách hiệu quả cũng là một trong các lĩnh vực nghiên cứu quan trọng của RCNS.2 Cấu hình hệ thống điều khiển kết nối mạng Cấu hình RCNS được chia làm 03 loại: cấu hình tập trung, cấu hình phi tập trung và cấu hình phân tán. Các cấu hình phổ biến của RCNS 1.1 Cấu hình tập trung Cấu hình tập trung (hình 1.2a): với phép đo được thu thập số liệu (đầu vào tham chiếu, trạng thái hệ thống hoặc đầu ra hệ thống) trên mỗi nút cảm biến phải được gửi đến bộ điều khiển tập trung tích hợp trên một bộ xử lý trung tâm để hợp nhất dữ liệu. Bộ điều khiển tập trung sử dụng dữ liệu đầy đủ của hệ thống để thực hiện các lệnh điều khiển đến các thiết bị chấp hành của hệ thống. Mặc dù có thể có nhiều cảm biến và thiệt bị chấp hành nhưng với cấu hình này, trong một số trường hợp nhất định, có thể được coi là một RCNS với một vòng phản hồi duy nhất.
Trong đó, tất cả các phép đo được yêu cầu phải được đo bằng các cảm biến chuyên dụng và sau đó được gửi cùng nhau trong một gói đến một bộ điều khiển từ xa. Bộ điều khiển xử lý và phái đi lệnh điều khiển được đưa đến các thiết bị chấp hành chuyên dụng. Do thông tin của phép đo được lưu giữ ở bộ điều khiển, nên ưu điểm chính của cấu hình tập trung này là hiệu suất điều khiển có thể nói chung là tối ưu. Tuy nhiên, cấu hình tập trung có một số nhược điểm: 23 - Bộ điều khiển dễ bị ảnh hưởng lỗi của bộ xử lý trung tâm; - Có chi phí cao cho bộ xử lý trung tâm thu thập dữ liệu từ các nút cảm biến riêng lẻ; - Khối lượng tính toán lớn cho bộ xử lý trung tâm; - Hạn chế khả năng mở rộng khi áp dụng trong các hệ thống điều khiển phức tạp có số lượng lớn các nút cảm biến và nhiều cơ cấu chấp hành phân tán đòi hỏi phải triển khai nhiều bộ xử lý phân tán các hệ thống điều khiển máy bay, tàu thủy và quá trình công nghệ trong các nhà máy chế biến.2 Cấu hình phi tập trung Cấu hình phi tập trung (hình 1.2b) hay còn gọi là điều khiển phân tán song song: với mỗi nút điều khiển có thể chỉ phụ thuộc vào thông tin cục bộ mà bộ điều khiển sở hữu để đưa ra quyết định cục bộ của nó.
Do đó, mặc dù toàn bộ hệ thống có thể có một mục tiêu chung của nhóm, các nút điều khiển phân tán không chia sẻ thông tin với các nút lân cận. Cụ thể, mỗi bộ điều khiển thực hiện tính toán cục bộ của một lệnh điều khiển bằng cách sử dụng phép đo thông qua liên kết truyền thông cục bộ và sau đó mỗi lệnh điều khiển được gửi trở lại một nút truyền động chấp hành để kích hoạt hệ thống. So với cấu hình tập trung, cấu hình phi tập trung này giảm bớt gánh nặng tính toán và độ phức tạp thiết kế vì các lệnh điều khiển cục bộ được tính toán trong các bộ điều khiển cục bộ. Vấn đề đặt ra là hiệu xuất tính toán điều khiển tối ưu như thế nào khi nút điều khiển riêng lẻ không có nhiều thông tin liên quan đến trạng thái hoặc đầu ra của hệ thống như trong cấu hình tập trung.
Theo nghĩa này, một cấu hình phi tập trung có thể mở rộng hơn nếu các quyết định kiểm soát cục bộ gần với quyết định kiểm soát toàn cục tối ưu. 24 Tuy nhiên, việc không có giao tiếp và hợp tác giữa các bộ điều khiển phi tập trung có thể dẫn đến hiệu xuất tính toán của hệ thống bị suy giảm và giới hạn phạm vi ứng dụng của cấu hình phi tập trung trong mạng cảm biến và bộ truyền động không dây, trong đó một số lượng lớn các nút phối hợp hoạt động của chúng thông qua mạng truyền thông.3 Cấu hình phân tán Cấu hình phân tán (hình 1.2c): được gọi là hệ thống điều khiển mạng phân tán (DNCS - Distributed networked control system), có hai đặc điểm đáng chú ý: - Thông tin của mỗi hệ thống con được trao đổi giữa các thành phần hệ thống (ví dụ: cảm biến, bộ điều khiển và bộ truyền động chấp hành) sử dụng mạng truyền thông chia sẻ; - Nhà máy sản xuất thường bao gồm một số lượng lớn các đơn vị tương tác đơn giản (ví dụ: các hệ thống con và tác nhân) có thể được phân phối và kết nối vật lý với nhau để phối hợp các nhiệm vụ của chúng nhằm đạt được mục tiêu chung mong muốn. Hai đặc điểm này chủ yếu dẫn đến vấn đề kiểm soát hợp tác. Trong cấu hình như trong hình 1.c, mỗi bộ điều khiển có thể được phép chia sẻ thông tin cục bộ của nó với tất cả các bộ điều khiển lân cận bên dưới để có thêm thông tin về động học, động lực học của nhà máy.
Do đó, các bộ điều khiển phân tán có khả năng điều phối hoạt động của chúng bằng cách truyền/nhận thông tin đến/từ các bộ điều khiển khác trong một khu vực lân cận nhất định. Các lợi thế được áp đặt bởi cấu hình này bao gồm tính mô đun hóa, khả năng mở rộng và độ mạnh mẽ.3 Mô hình hệ thống điều khiển kết nối mạng truyền thông 1.1 Mô hình của hệ thống Các chức năng cơ bản của bất kỳ RCNS nào là thu thập thông tin (cảm biến / người dùng), ra lệnh (bộ điều khiển / người dùng), giao tiếp, và mạng và điều khiển (bộ chấp hành) và điều khiển qua mạng như: - Điều khiển định tuyến, giảm tắc nghẽn, giao tiếp dữ liệu hiệu quả, giao thức mạng, v. - Xây dựng các chiến lược điều khiển và thiết kế hệ thống điều khiển qua mạng để giảm thiểu ảnh hưởng của các tham số mạng bất lợi đến hiệu suất RCNS như độ trễ truyền thông của mạng. Điều khiển Hình 1.
Tương tác của truyền thông, tính toán và điều khiển trong RCNS Có hai loại hệ thống điều khiển chính sử dụng mạng truyền thông là: hệ thống điều khiển mạng chia sẻ và hệ thống điều khiển từ xa. 26 Mỗi mô hình RCNS đều có nhiều thách thức về việc đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS- Quality of Service) và chất lượng điều khiển (QoC- Quality of Control). Trong đó, QoS đặc trưng bởi các vấn đề như tốc độ truyền, tỷ lệ lỗi và các đặc trưng khác có thể đo lường, cải thiện được và ở một mức độ nào đó có thể được đảm bảo trước. QoS có thể bị suy giảm do tắc nghẽn và nhiễu truyền thông gây ra.