dua” (kèo) đỡ cho toàn bộ mái nhà, làm kéo và vui ở hai mái đầu hồi, làm đòn
tay bên chán, quản, làm cầu thang lên xuống nhà, làm cột chán…
Tre nứa ngút ngàn miền Tây cũng được đồng bào sử dụng rộng rãi với
khối lượng lớn để làm đòn tay, rui, mè, lát sàn, thưng phên xung quanh nhà, làm
lan can ở chán, ở quản.
“Nhà gianh tốn lạt” câu tục ngữ này cũng được phản ánh ở nhà sàn Thái.
Các loại lạt, dây chằng, người Thái thường dùng là “toóc may hang” (lạt giang),
“vai” (dây mây), “bún” (soong) và một số vỏ cây như “năng hu”, “năng cháu”.
Tất cả những thứ này đều sẵn có trong thiên nhiên, họ chỉ việc đi lấy về. Bảo
quản khô trên gác bếp, khi dùng đem ngâm nước cho mềm, dẻo, dễ buộc.
Cỏ gianh là thứ nguyên liệu cổ truyền dùng lợp nhà của cư dân miền núi.
Trước đây, cỏ gianh mọc tự nhiên nhiều. Khi cần, đồng bào lên núi cắt gianh,
phơi khô mang về lợp. Dần dần sau này, cỏ gianh ít, mọc thưa và cằn đi nên
người ta đã tìm cách tạo ra cho được những bãi gianh xanh tốt, để lấy gianh lợp
nhà.
Theo kinh nghiệm dân gian, vào những ngày cuối đông, đầu xuân, người
ta phát những bãi cỏ gianh mọc thưa và phơi gianh khô, sau đó đốt cháy toàn bộ.
Sau khi đốt như vậy, cỏ gianh mọc lên sẽ đều và tốt hơn. Người nào phát và đốt
bãi gianh nào, sẽ là chủ bãi gianh đó. Để làm nhà mới, có khi phải chuẩn bị mấy
bãi gianh liền. Những người sửa chữa nhà cũng phải chuẩn bị gianh theo cách
nhân tạo này. Do đó, hàng năm vào mùa xuân ở rừng Tây Bắc thường có nhiều
đám cháy do đốt bãi gianh và đốt nương. Từ những đám cháy này, có thể lan ra
thành những đám cháy rừng rất tai hại.
Tiếp theo “xau hẹ” (cột cái) người ta dựng “xau chảu xửa” (cột chủ nhà) ở
mái trên của nhà. “xau chảu xửa” do chủ nhà cùng với những người đến giúp
làm nhà dựng hộ. “Xau chảu xửa” là nơi trú ngụ linh hồn của chủ nhà - người
đứng đầu gia đình phụ quyền, người bố trong gia đình. Theo tập quán, “xau chảu
xửa” nhất thiết phải dựng sau “xau hẹ”. Ngoài ra, không có nghi thức gì đặc
biệt. “Xau hẹ” (cột cái) đỡ lấy “pai hướn mẹ” (mái cái) - mái dưới. Đối diện với
5
Thứ Ba, 31 tháng 12, 2013
Thứ Hai, 30 tháng 12, 2013
Nâng cao chất lượng bộ điều khiển PID bền vững cho hệ thống điều khiển ổn định nhiệt độ
3
CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN THAM SỐ C TỪ CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ
THỐNG PHI TUYẾN QUÁN TÍNH BẬC NHẤT CÓ TRỄ
Tính toán tham số C từ các tham số của hệ thống.
Xây dựng mô phỏng hệ thống trên nền Matlab-Simulink.
Đánh giá chất lượng bộ ñiều khiển PID mới so với phương pháp chỉnh ñịnh
tham số PID cổ ñiển.
4
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG
TRONG CÔNG NGHIỆP
1.1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.2. CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG
1.2.1. Sơ ñồ cấu trúc
Các hệ thống quán tính bậc nhất trong công nghiệp thường có dạng hàm truyền
ñạt như sau:
1
.
)(
+
=
−
Ts
eK
sH
Ls
Trong ñó: L: thời gian trễ của hệ thống;
T: thời gian quán tính của hệ thống;
K: hệ số khuếch ñại.
Các thông số của hệ thống ñược tính toán từ mô hình thực tế, với một hệ thống
phi tuyến, các thông số này thay ñổi liên tục trong quá trình sản xuất, tùy thuộc vào
tình hình sản xuất, quá trình công nghệ, tác ñộng của nhiễu…. Với các thông số
{K,T} khi thay ñổi sẽ nhận giá trị mới nằm trong dãi hoạt ñộng ổn ñịnh của hệ thống,
với hệ số thời gian trễ của hệ thống L là cố ñịnh.
Để thực hiện quá trình ñiều khiển hệ thống, ñưa hệ thộng làm việc ở vùng ổn
ñịnh, phải tùy thuộc vào ñặc trưng của quá trình sản xuất và số lượng biến ñiều khiển.
Với các quá trình như chưng cất, sản xuất xi măng ta thực hiện quá trình ñiều khiển
liên tục, các quá trình sản xuất như ñóng bao, ñóng chai, lắp ráp thì ta thực hiện ñiều
khiển rời rạc, các quá trình như trộn bê tông, phản ứng hóa chất, nung sản phẩm thì ta
thực hiện quá trình ñiều khiển theo mẻ.
Mục ñích của việc ñiều khiển là ñảm bảo các mục tiêu sau:
+ Đảm bảo hệ thống vận hành ổn ñịnh, trơn tru: ñảm bảo các ñiều kiện vận
hành bình thường, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện.
+ Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: thay ñổi tốc ñộ sản xuất theo ý
muốn, giữ các thông số chất lượng sản phẩm biến ñộng trong giới hạn quy ñịnh.
+ Đảm bảo vận hành an toàn: nhằm mục ñích bảo vệ con người, máy móc, thiết
bị và môi trường.
+ Bảo vệ môi trường: giảm nồng ñộ các chất ñộc hại trong khí thải, nước thải,
giảm bụi, giảm sử dụng nguyên liệu và nhiên liệu.
+ Nâng cao hiệu quả kinh tế và tăng lợi nhuận: giảm chi phí nhân công, nguyên
liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay ñổi của thị trường.
5
1.2.2. Mô hình hóa hệ thống
Mục ñích chính của việc mô hình hóa hệ thống là:
+ Hiểu rõ hơn về quá trình sản xuất công nghệ.
+ Thiết kế cấu trúc ñiều khiển và lựa chọn bộ ñiều khiển hợp lý.
+ Tính toán và chỉnh ñịnh các tham số của bộ ñiều khiển.
+ Xác ñịnh ñiểm làm việc tối ưu cho hệ thống
+ Mô phỏng và ñào tạo người vận hành hệ thống.
1.3 KẾT LUẬN
Với một hệ thống phi tuyến, quá trình hoạt ñộng hệ thống thường xuyên thay
ñổi do tác ñộng nhiều yếu tố, yêu cầu ñặt ra là cần thiết kế mộ hệ ñiều khiển hệ
thống, ñảm bảo quá trình ñiều khiển và theo dõi hệ thống, nâng cao chất lượng và ổn
ñịnh quá trình sản xuất.
6
CHƯƠNG 2
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH THAM SỐ PID VÀ BỘ PID MỚI
2.1 NHỮNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN TRONG CÔNG NGHIỆP
Trong hệ thống công nghiệp sử dụng nhiều bộ ñiều khiển khác nhau, trong ñó
bộ ñiều khiển PID là bộ ñiều khiển ñược sử dụng rộng rãi với cấu tạo gồm 3 khâu
ñiều khiển cơ bản: khâu tỉ lệ - P, khâu tích phân - I, khâu vi phân - D. Sự kết hợp của
3 luật ñiều khiển này tạo nên nhiều bộ ñiều khiển khác nhau và ñược sử dụng rộng rãi
trong các hệ thống thực nghiệm như: P, PI, PD và PID. Tuy nhiên, có thể thấy rằng,
bộ ñiều khiển PID thực hiện quá trình ñiều khiển một cách liên tục theo sai lệch, dạng
ñơn giản nhất của bộ ñiều khiển theo sai lệch là bộ ñiều khiển 2 vị trí On-Off.
2.1.1. Bộ ñiều khiển On - Off
2.1.2 Bộ ñiều khiển tỉ lệ - P
2.1.3. Bộ ñiều khiển PI
2.1.4. Bộ ñiều khiển PID
2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH THAM SỐ PID
Có nhiều phương pháp xác ñịnh tham số của bộ ñiều khiển PID khi ñã biết mô
hình toán học hoặc dựa vào ñặc tính thực nghiệm của hệ thống khi chưa biết mô hình
toán học. Một số phương pháp thường ñược sử dụng cho các hệ thống quán tính bậc 1
có trễ như sau:
+ Điều chỉnh tham số theo phương pháp Ziegler-Nichols.
+ Phương pháp Chien-Hrones-Reswick.
2.2.1. Điều chỉnh tham số theo phương pháp Ziegler-Nichols
Phương pháp Ziegler-Nichols ñược sự dụng cho các bộ ñiều khiển P, PI và
PID. Phương pháp này chỉ dùng ñể ñiều khiển nhưng không dùng ñược ñể theo dõi
quá trình. Vì vậy phương pháp này thường ñược dùng tốt ñể giảm các nhiễu loạn hệ
thống, nhưng lại khó khăn khi có sự thay ñổi tham số hệ thống.
Phương pháp này áp ụng cho các ñối tượng có ñáp ứng ñối với tín hiệu vào là
hàm nấc có dạng chữ S như: nhiệt ñộ lò nhiệt, tốc ñộ ñộng cơ…có dạng hàm truyền
ñạt như sau:
1
.
)(
+
=
−
Ts
eK
sH
Ls
2.2.1.1 Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất
Thông số của các bộ ñiều khiển ñược chọn theo bảng sau:
7
Bảng 2.1: Các tham số của bộ PID theo phương pháp
Ziegler-Nichols thứ nhất
Thống số
Bộ ñiều khiển
K
P
T
I
T
D
P
LK
T
.
- -
PI
LK
T
.
.9,0
3,0
L
-
PID song song
LK
T
.
.2,1
L.2
L.5,0
PID nối tiếp
LK
T
.
.6,0
L L
2.2.1.2 Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai
Phương pháp này sử dụng cho các hệ thống chưa biết trước mô hình toán học.
Tất cả quá trình ñều dựa vào việc ño lường ñể nhận biết.
Dựa trên K
th
và T
th
, Ziegler-Nichols ñã ñưa ra bảng xác ñịnh thông số bộ ñiều
khiển như sau:
Bảng 2.2: Các tham số bộ PID theo phương pháp Ziegler-Nichols 2.
Thông số
Bộ ñiều khiển
K
P
T
I
T
D
P
th
K.5,0
- -
PI
th
K.45,0
th
T.833,0
-
PID song song
th
K.6,0
th
T5,0
th
T125,0
PID nối tiếp
th
K.6,0
th
T
6
th
T
1
2.2.2. Phương pháp Chien-Hrones-Reswick (CHR)
Phương pháp CHR cũng là phương pháp ñược sử dụng ñể ñiều chỉnh tham số
bộ ñiều khiển phổ biến trong công nghiệp. Phương pháp này dựa trên tham số thời
gian của hệ thống với ñáp ứng hàm step. Chien, Hrones và Reswick ñưa ra nhiều sự
lựa chọn bộ ñiều khiển của hệ thống tùy thuộc vào tham số R, cho ở bảng sau:
8
Bảng 2.3. Lựa chọn bộ ñiều khiển theo phương pháp CHR
Loại bộ ñiều khiển
µ
1
==
L
T
R
P R>10
PI 7,5<R<10
PID song song 3<R<7,5
Các hệ thống sở hữu bậc cao hơn R<3
Phương pháp này thường ñược sử dụng khi:
+ Đường ñặc tính hàm truyền ñạt hệ kín không ñiều hòa.
+ Đường ñặc tính hàm truyền ñạt hệ kín dao ñộng với ñộ vọt lố khoảng 20%.
2.2.2.1. Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín không có ñộ quá ñiều chỉnh
Bảng 2.4: Các tham số bộ PID theo Phương pháp Chien-Hrones-Reswick 1
Thông số
Bộ ñiều khiển
K
P
T
I
T
D
P
K
R3,0
- -
PI
K
R35,0
L2,1
-
PID song song
K
R6,0
L
T
5,0
2.2.2.2. Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín có ñộ quá ñiều chỉnh không quá 20% :
Bảng 2.5: Các tham số bộ PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 2
Thống số
Bộ ñiều khiển
K
P
T
I
T
D
P
K
R7,0
- -
PI
K
R
6,0
L
-
PID song song
K
R95,0
L
35,1
L
47,0
9
2.3 NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG PHI TUYẾN VỚI BỘ PID BỀN
VỮNG XÂY DỰNG THEO PHƯƠNG PHÁP MỚI
2.3.1 Phân tích hệ thống phi tuyến quán tính bậc nhất có trễ
2.3.2 Chứng minh hệ thống ổn ñịnh theo tiêu chuẩn Lyapunov
Các thông số bộ PID theo phương pháp mới có dạng sau:
ϕϕϕ
n
dI
n
p
K
K
IC
K
ICK
K ==
+
= ;
.
;
.
2.4. KẾT LUẬN
Với các công thức của bộ PID mới, tuy phụ thuộc nhiều thành phần khác nhau,
nhưng với việc lựa chọn thông số hợp lý, sẽ ñảm bảo ñược tính ưu việt so với các
tham số PID theo phương pháp cổ ñiển.
Ưu ñiểm của bộ PID mới là hoạt ñộng ổn ñịnh và bền vững với hệ thống phi
tuyến, ñáp ứng nhanh chóng quá trình thay ñổi các thông số hệ thống.
Bằng việc lựa chọn tham số hợp lý, các tham số của bộ PID mới sẽ ñược ñưa
về phụ thuộc một hằng số duy nhất là C. Tham số C này sẽ là một hàm số theo các
thông số hệ thống f(K,L,T). Khi các thông số (K,L,T) thay ñổi ở các vùng làm việc
khác nhau, tham số C ñược chọn vẫn sẽ ñảm bảo chất lượng ñầu ra của hệ thống.
10
CHƯƠNG 3
ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÀNH PHẦN THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN
PID MỚI ĐẾN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG LÒ NHIỆT
3.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC
LÒ ĐIỆN TRỞ
3.1.1 Giới thiệu chung về lò ñiện trở:
3.1.2. Nguyên lý làm việc lò ñiện trở
3.1.3. Yêu cầu cơ bản ñối với cấu tạo lò ñiện trở
3.1.3.1. Hợp lý về công nghệ
3.1.3.2. Hiệu quả về kỹ thuật
3.1.3.3. Chắc chắn khi làm việc
3.1.3.4. Tiện lợi khi sử dụng
3.1.3.5. Rẻ và ñơn giản khi chế tạo
3.1.4. Cấu tạo lò ñiện trở
Với ñối tượng ñiều khiển là một lò ñiện trở tham khảo có công suất khoảng
8kW, ñược nuôi bởi nguồn ñiện một pha xoay chiều 220V, sử dụng Triac
KS200A/800A ñể ñiều khiển quá trình biến ñổi ñiện áp, hàm truyền ñạt của lò nhiệt
ñược ño lường từ dải ñường cong ñặc tính có dạng sau [7]:
1178
8.2
1.
.
)(
40
+
=
+
=
−−
s
e
sT
eK
sG
sLs
p
Với nhiệt ñộ làm việc cực ñại của lò là 1600
o
C, sai lệch tĩnh khoảng ±1
o
C. Sử
dụng bộ ñiều khiển PID ñể ñiều khiển nhiệt ñộ.
Trong ñó, bộ ñiều khiển PID ñược tính chọn theo công thức sau:
ϕϕϕ
n
dI
n
p
K
K
IC
K
ICK
K ==
+
= ;
.
;
.
3.2. ẢNH HƯỞNG CÁC THAM SỐ {C, I,
ϕ
, K} ĐẾN CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ
THỐNG.
Mô hình mô phỏng hệ thống trên nền Matlab-Simulink:
Giá trị ñặt là hàm step u(t)=1(t).
Bộ PID tạo ra ñiện áp ñiều khiển, ñược giới hạn bởi khối Saturation, giới hạn
giá trị trong vùng ±U
ñkmax
. Hàm Transport Delay tạo trễ với thời gian ñặt là 40s.
11
Hình 3.1. Mô phỏng hệ thống với các thông số khác nhau của bộ PID
3.2.1. Mô phỏng hệ thống khi I thay ñổi, Kn,C và
ϕ
không ñổi.
Với I lần lượt bằng {0,05; 0,1; 0,2},
ϕ
= 0,5 và K = K
max
=10; C=0,0399
Các chỉ số quá trình mô phỏng hệ thống ñược thống kê như sau:
Bảng 3.1. kết quả mô phỏng hệ thống khi I thay ñổi
Chỉ số I=0,05 I=0,1 I=0,2
Độ vọt lố 1% 14,6% 37,6%
Sai lệch tĩnh 0 0 0
Số lần dao ñộng 1 1 2
Thời gian quá ñộ 280 130 89
Thời gian xác lập 280 520 550
Nhận xét:
Với giá trị I nhỏ, quỹ ñạo hệ thống bám theo quỹ ñạo chuẩn chậm hơn, nhưng
giảm ñược sự vọt lố so với giá trị I lớn. Như vậy, thay ñổi giá trị của I sẽ ảnh hưởng
tới tính tác ñộng nhanh và sai lệch tĩnh của hệ thống.
3.2.2. Mô phỏng hệ thống khi
ϕ
thay ñổi, Kn và I không ñổi
Với
ϕ
lần lượt bằng {0,5; 0,8; 1}; I=0,05; K
n
=K
max
= 10; C=0,0399
Các chỉ số quá trình mô phỏng hệ thống ñược thống kê như sau:
12
Bảng 3.2. Kết quả mô phỏng hệ thống khi
ϕ
thay ñổi:
Chỉ số
ϕ
=0,5
ϕ
=0,8
ϕ
=1
Độ vọt lố 1% 0% 0%
Sai lệch tĩnh 0 0 0
Số lần dao ñộng 1 0 0
Thời gian quá ñộ 280 646 946
Thời gian xác lập 280 646 946
Nhận xét:
Khi tăng
ϕ
, sai lệch tĩnh của hệ thống tăng lên và chậm bám theo tín hiệu ñặt
nhưng lại giảm ñược sự dao ñộng của hệ. Như vậy,
ϕ
ảnh hưởng ñến sai lệch tĩnh
của hệ.
3.2.3. Mô phỏng hệ thống khi Kn thay ñổi,
ϕ
và I không ñổi
Với Kn lần lượt là {0,1K
max
;0,5 K
max
; K
max
}; I=0,05;
ϕ
=0,5 ; C=0,0399.
Trong ñó, Kn không thể lựa chọn vượt quá giá trị K
max
của hệ thống, chính là
giá trị ñiện áp ñiều khiển lớn nhất của hệ thống U
ñkmax
.
Các chỉ số quá trình mô phỏng hệ thống ñược thống kê như sau:
Bảng 3.3. Kết quả mô phỏng hệ thống khi K
n
thay ñổi:
Chỉ số K
n
=K
max
=10 K
n
=0,5K
max
=5 K
n
=0,1K
max
=1
Độ vọt lố 1% 9,7% 29,7%
Sai lệch tĩnh 0 0 0
Số lần dao ñộng 1 1 3
Thời gian quá ñộ 280 233 263
Thời gian xác lập 280 772 1500
Nhận xét:
Khi K
n
nhỏ, hệ thống có sự dao ñộng so với khi K
n
lớn, nhưng thời gian xác
lập lâu hơn. Như vậy, K
n
ảnh hưởng ñến sự ổn ñịnh của hệ thống.
CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN THAM SỐ C TỪ CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ
THỐNG PHI TUYẾN QUÁN TÍNH BẬC NHẤT CÓ TRỄ
Tính toán tham số C từ các tham số của hệ thống.
Xây dựng mô phỏng hệ thống trên nền Matlab-Simulink.
Đánh giá chất lượng bộ ñiều khiển PID mới so với phương pháp chỉnh ñịnh
tham số PID cổ ñiển.
4
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG
TRONG CÔNG NGHIỆP
1.1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.2. CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG
1.2.1. Sơ ñồ cấu trúc
Các hệ thống quán tính bậc nhất trong công nghiệp thường có dạng hàm truyền
ñạt như sau:
1
.
)(
+
=
−
Ts
eK
sH
Ls
Trong ñó: L: thời gian trễ của hệ thống;
T: thời gian quán tính của hệ thống;
K: hệ số khuếch ñại.
Các thông số của hệ thống ñược tính toán từ mô hình thực tế, với một hệ thống
phi tuyến, các thông số này thay ñổi liên tục trong quá trình sản xuất, tùy thuộc vào
tình hình sản xuất, quá trình công nghệ, tác ñộng của nhiễu…. Với các thông số
{K,T} khi thay ñổi sẽ nhận giá trị mới nằm trong dãi hoạt ñộng ổn ñịnh của hệ thống,
với hệ số thời gian trễ của hệ thống L là cố ñịnh.
Để thực hiện quá trình ñiều khiển hệ thống, ñưa hệ thộng làm việc ở vùng ổn
ñịnh, phải tùy thuộc vào ñặc trưng của quá trình sản xuất và số lượng biến ñiều khiển.
Với các quá trình như chưng cất, sản xuất xi măng ta thực hiện quá trình ñiều khiển
liên tục, các quá trình sản xuất như ñóng bao, ñóng chai, lắp ráp thì ta thực hiện ñiều
khiển rời rạc, các quá trình như trộn bê tông, phản ứng hóa chất, nung sản phẩm thì ta
thực hiện quá trình ñiều khiển theo mẻ.
Mục ñích của việc ñiều khiển là ñảm bảo các mục tiêu sau:
+ Đảm bảo hệ thống vận hành ổn ñịnh, trơn tru: ñảm bảo các ñiều kiện vận
hành bình thường, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện.
+ Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: thay ñổi tốc ñộ sản xuất theo ý
muốn, giữ các thông số chất lượng sản phẩm biến ñộng trong giới hạn quy ñịnh.
+ Đảm bảo vận hành an toàn: nhằm mục ñích bảo vệ con người, máy móc, thiết
bị và môi trường.
+ Bảo vệ môi trường: giảm nồng ñộ các chất ñộc hại trong khí thải, nước thải,
giảm bụi, giảm sử dụng nguyên liệu và nhiên liệu.
+ Nâng cao hiệu quả kinh tế và tăng lợi nhuận: giảm chi phí nhân công, nguyên
liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu thay ñổi của thị trường.
5
1.2.2. Mô hình hóa hệ thống
Mục ñích chính của việc mô hình hóa hệ thống là:
+ Hiểu rõ hơn về quá trình sản xuất công nghệ.
+ Thiết kế cấu trúc ñiều khiển và lựa chọn bộ ñiều khiển hợp lý.
+ Tính toán và chỉnh ñịnh các tham số của bộ ñiều khiển.
+ Xác ñịnh ñiểm làm việc tối ưu cho hệ thống
+ Mô phỏng và ñào tạo người vận hành hệ thống.
1.3 KẾT LUẬN
Với một hệ thống phi tuyến, quá trình hoạt ñộng hệ thống thường xuyên thay
ñổi do tác ñộng nhiều yếu tố, yêu cầu ñặt ra là cần thiết kế mộ hệ ñiều khiển hệ
thống, ñảm bảo quá trình ñiều khiển và theo dõi hệ thống, nâng cao chất lượng và ổn
ñịnh quá trình sản xuất.
6
CHƯƠNG 2
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH THAM SỐ PID VÀ BỘ PID MỚI
2.1 NHỮNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN TRONG CÔNG NGHIỆP
Trong hệ thống công nghiệp sử dụng nhiều bộ ñiều khiển khác nhau, trong ñó
bộ ñiều khiển PID là bộ ñiều khiển ñược sử dụng rộng rãi với cấu tạo gồm 3 khâu
ñiều khiển cơ bản: khâu tỉ lệ - P, khâu tích phân - I, khâu vi phân - D. Sự kết hợp của
3 luật ñiều khiển này tạo nên nhiều bộ ñiều khiển khác nhau và ñược sử dụng rộng rãi
trong các hệ thống thực nghiệm như: P, PI, PD và PID. Tuy nhiên, có thể thấy rằng,
bộ ñiều khiển PID thực hiện quá trình ñiều khiển một cách liên tục theo sai lệch, dạng
ñơn giản nhất của bộ ñiều khiển theo sai lệch là bộ ñiều khiển 2 vị trí On-Off.
2.1.1. Bộ ñiều khiển On - Off
2.1.2 Bộ ñiều khiển tỉ lệ - P
2.1.3. Bộ ñiều khiển PI
2.1.4. Bộ ñiều khiển PID
2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH THAM SỐ PID
Có nhiều phương pháp xác ñịnh tham số của bộ ñiều khiển PID khi ñã biết mô
hình toán học hoặc dựa vào ñặc tính thực nghiệm của hệ thống khi chưa biết mô hình
toán học. Một số phương pháp thường ñược sử dụng cho các hệ thống quán tính bậc 1
có trễ như sau:
+ Điều chỉnh tham số theo phương pháp Ziegler-Nichols.
+ Phương pháp Chien-Hrones-Reswick.
2.2.1. Điều chỉnh tham số theo phương pháp Ziegler-Nichols
Phương pháp Ziegler-Nichols ñược sự dụng cho các bộ ñiều khiển P, PI và
PID. Phương pháp này chỉ dùng ñể ñiều khiển nhưng không dùng ñược ñể theo dõi
quá trình. Vì vậy phương pháp này thường ñược dùng tốt ñể giảm các nhiễu loạn hệ
thống, nhưng lại khó khăn khi có sự thay ñổi tham số hệ thống.
Phương pháp này áp ụng cho các ñối tượng có ñáp ứng ñối với tín hiệu vào là
hàm nấc có dạng chữ S như: nhiệt ñộ lò nhiệt, tốc ñộ ñộng cơ…có dạng hàm truyền
ñạt như sau:
1
.
)(
+
=
−
Ts
eK
sH
Ls
2.2.1.1 Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất
Thông số của các bộ ñiều khiển ñược chọn theo bảng sau:
7
Bảng 2.1: Các tham số của bộ PID theo phương pháp
Ziegler-Nichols thứ nhất
Thống số
Bộ ñiều khiển
K
P
T
I
T
D
P
LK
T
.
- -
PI
LK
T
.
.9,0
3,0
L
-
PID song song
LK
T
.
.2,1
L.2
L.5,0
PID nối tiếp
LK
T
.
.6,0
L L
2.2.1.2 Phương pháp Ziegler-Nichols thứ hai
Phương pháp này sử dụng cho các hệ thống chưa biết trước mô hình toán học.
Tất cả quá trình ñều dựa vào việc ño lường ñể nhận biết.
Dựa trên K
th
và T
th
, Ziegler-Nichols ñã ñưa ra bảng xác ñịnh thông số bộ ñiều
khiển như sau:
Bảng 2.2: Các tham số bộ PID theo phương pháp Ziegler-Nichols 2.
Thông số
Bộ ñiều khiển
K
P
T
I
T
D
P
th
K.5,0
- -
PI
th
K.45,0
th
T.833,0
-
PID song song
th
K.6,0
th
T5,0
th
T125,0
PID nối tiếp
th
K.6,0
th
T
6
th
T
1
2.2.2. Phương pháp Chien-Hrones-Reswick (CHR)
Phương pháp CHR cũng là phương pháp ñược sử dụng ñể ñiều chỉnh tham số
bộ ñiều khiển phổ biến trong công nghiệp. Phương pháp này dựa trên tham số thời
gian của hệ thống với ñáp ứng hàm step. Chien, Hrones và Reswick ñưa ra nhiều sự
lựa chọn bộ ñiều khiển của hệ thống tùy thuộc vào tham số R, cho ở bảng sau:
8
Bảng 2.3. Lựa chọn bộ ñiều khiển theo phương pháp CHR
Loại bộ ñiều khiển
µ
1
==
L
T
R
P R>10
PI 7,5<R<10
PID song song 3<R<7,5
Các hệ thống sở hữu bậc cao hơn R<3
Phương pháp này thường ñược sử dụng khi:
+ Đường ñặc tính hàm truyền ñạt hệ kín không ñiều hòa.
+ Đường ñặc tính hàm truyền ñạt hệ kín dao ñộng với ñộ vọt lố khoảng 20%.
2.2.2.1. Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín không có ñộ quá ñiều chỉnh
Bảng 2.4: Các tham số bộ PID theo Phương pháp Chien-Hrones-Reswick 1
Thông số
Bộ ñiều khiển
K
P
T
I
T
D
P
K
R3,0
- -
PI
K
R35,0
L2,1
-
PID song song
K
R6,0
L
T
5,0
2.2.2.2. Yêu cầu tối ưu theo nhiễu và hệ kín có ñộ quá ñiều chỉnh không quá 20% :
Bảng 2.5: Các tham số bộ PID theo phương pháp Chien-Hrones-Reswick 2
Thống số
Bộ ñiều khiển
K
P
T
I
T
D
P
K
R7,0
- -
PI
K
R
6,0
L
-
PID song song
K
R95,0
L
35,1
L
47,0
9
2.3 NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG PHI TUYẾN VỚI BỘ PID BỀN
VỮNG XÂY DỰNG THEO PHƯƠNG PHÁP MỚI
2.3.1 Phân tích hệ thống phi tuyến quán tính bậc nhất có trễ
2.3.2 Chứng minh hệ thống ổn ñịnh theo tiêu chuẩn Lyapunov
Các thông số bộ PID theo phương pháp mới có dạng sau:
ϕϕϕ
n
dI
n
p
K
K
IC
K
ICK
K ==
+
= ;
.
;
.
2.4. KẾT LUẬN
Với các công thức của bộ PID mới, tuy phụ thuộc nhiều thành phần khác nhau,
nhưng với việc lựa chọn thông số hợp lý, sẽ ñảm bảo ñược tính ưu việt so với các
tham số PID theo phương pháp cổ ñiển.
Ưu ñiểm của bộ PID mới là hoạt ñộng ổn ñịnh và bền vững với hệ thống phi
tuyến, ñáp ứng nhanh chóng quá trình thay ñổi các thông số hệ thống.
Bằng việc lựa chọn tham số hợp lý, các tham số của bộ PID mới sẽ ñược ñưa
về phụ thuộc một hằng số duy nhất là C. Tham số C này sẽ là một hàm số theo các
thông số hệ thống f(K,L,T). Khi các thông số (K,L,T) thay ñổi ở các vùng làm việc
khác nhau, tham số C ñược chọn vẫn sẽ ñảm bảo chất lượng ñầu ra của hệ thống.
10
CHƯƠNG 3
ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÀNH PHẦN THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN
PID MỚI ĐẾN CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG LÒ NHIỆT
3.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC
LÒ ĐIỆN TRỞ
3.1.1 Giới thiệu chung về lò ñiện trở:
3.1.2. Nguyên lý làm việc lò ñiện trở
3.1.3. Yêu cầu cơ bản ñối với cấu tạo lò ñiện trở
3.1.3.1. Hợp lý về công nghệ
3.1.3.2. Hiệu quả về kỹ thuật
3.1.3.3. Chắc chắn khi làm việc
3.1.3.4. Tiện lợi khi sử dụng
3.1.3.5. Rẻ và ñơn giản khi chế tạo
3.1.4. Cấu tạo lò ñiện trở
Với ñối tượng ñiều khiển là một lò ñiện trở tham khảo có công suất khoảng
8kW, ñược nuôi bởi nguồn ñiện một pha xoay chiều 220V, sử dụng Triac
KS200A/800A ñể ñiều khiển quá trình biến ñổi ñiện áp, hàm truyền ñạt của lò nhiệt
ñược ño lường từ dải ñường cong ñặc tính có dạng sau [7]:
1178
8.2
1.
.
)(
40
+
=
+
=
−−
s
e
sT
eK
sG
sLs
p
Với nhiệt ñộ làm việc cực ñại của lò là 1600
o
C, sai lệch tĩnh khoảng ±1
o
C. Sử
dụng bộ ñiều khiển PID ñể ñiều khiển nhiệt ñộ.
Trong ñó, bộ ñiều khiển PID ñược tính chọn theo công thức sau:
ϕϕϕ
n
dI
n
p
K
K
IC
K
ICK
K ==
+
= ;
.
;
.
3.2. ẢNH HƯỞNG CÁC THAM SỐ {C, I,
ϕ
, K} ĐẾN CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ
THỐNG.
Mô hình mô phỏng hệ thống trên nền Matlab-Simulink:
Giá trị ñặt là hàm step u(t)=1(t).
Bộ PID tạo ra ñiện áp ñiều khiển, ñược giới hạn bởi khối Saturation, giới hạn
giá trị trong vùng ±U
ñkmax
. Hàm Transport Delay tạo trễ với thời gian ñặt là 40s.
11
Hình 3.1. Mô phỏng hệ thống với các thông số khác nhau của bộ PID
3.2.1. Mô phỏng hệ thống khi I thay ñổi, Kn,C và
ϕ
không ñổi.
Với I lần lượt bằng {0,05; 0,1; 0,2},
ϕ
= 0,5 và K = K
max
=10; C=0,0399
Các chỉ số quá trình mô phỏng hệ thống ñược thống kê như sau:
Bảng 3.1. kết quả mô phỏng hệ thống khi I thay ñổi
Chỉ số I=0,05 I=0,1 I=0,2
Độ vọt lố 1% 14,6% 37,6%
Sai lệch tĩnh 0 0 0
Số lần dao ñộng 1 1 2
Thời gian quá ñộ 280 130 89
Thời gian xác lập 280 520 550
Nhận xét:
Với giá trị I nhỏ, quỹ ñạo hệ thống bám theo quỹ ñạo chuẩn chậm hơn, nhưng
giảm ñược sự vọt lố so với giá trị I lớn. Như vậy, thay ñổi giá trị của I sẽ ảnh hưởng
tới tính tác ñộng nhanh và sai lệch tĩnh của hệ thống.
3.2.2. Mô phỏng hệ thống khi
ϕ
thay ñổi, Kn và I không ñổi
Với
ϕ
lần lượt bằng {0,5; 0,8; 1}; I=0,05; K
n
=K
max
= 10; C=0,0399
Các chỉ số quá trình mô phỏng hệ thống ñược thống kê như sau:
12
Bảng 3.2. Kết quả mô phỏng hệ thống khi
ϕ
thay ñổi:
Chỉ số
ϕ
=0,5
ϕ
=0,8
ϕ
=1
Độ vọt lố 1% 0% 0%
Sai lệch tĩnh 0 0 0
Số lần dao ñộng 1 0 0
Thời gian quá ñộ 280 646 946
Thời gian xác lập 280 646 946
Nhận xét:
Khi tăng
ϕ
, sai lệch tĩnh của hệ thống tăng lên và chậm bám theo tín hiệu ñặt
nhưng lại giảm ñược sự dao ñộng của hệ. Như vậy,
ϕ
ảnh hưởng ñến sai lệch tĩnh
của hệ.
3.2.3. Mô phỏng hệ thống khi Kn thay ñổi,
ϕ
và I không ñổi
Với Kn lần lượt là {0,1K
max
;0,5 K
max
; K
max
}; I=0,05;
ϕ
=0,5 ; C=0,0399.
Trong ñó, Kn không thể lựa chọn vượt quá giá trị K
max
của hệ thống, chính là
giá trị ñiện áp ñiều khiển lớn nhất của hệ thống U
ñkmax
.
Các chỉ số quá trình mô phỏng hệ thống ñược thống kê như sau:
Bảng 3.3. Kết quả mô phỏng hệ thống khi K
n
thay ñổi:
Chỉ số K
n
=K
max
=10 K
n
=0,5K
max
=5 K
n
=0,1K
max
=1
Độ vọt lố 1% 9,7% 29,7%
Sai lệch tĩnh 0 0 0
Số lần dao ñộng 1 1 3
Thời gian quá ñộ 280 233 263
Thời gian xác lập 280 772 1500
Nhận xét:
Khi K
n
nhỏ, hệ thống có sự dao ñộng so với khi K
n
lớn, nhưng thời gian xác
lập lâu hơn. Như vậy, K
n
ảnh hưởng ñến sự ổn ñịnh của hệ thống.
Vấn đề nhiều bản sao trong điều kiện số lượng cập nhật lớn
Tiểu luận Hệ Phân Tán Vấn đề nhiều bản sao trong điều kiện số lượng cập nhật lớn
GVHD: PGS.TS. Lê V
ăn Sơn
Trang 5
HVTH: Lê Quốc Dũng -KHMT K16
Định nghĩa dữ liệu tại mỗi vị trí : tại mỗi phút phải xây dựng lược đồ dữ liệu cục bộ
LIS (local Internal Schema)
Mô tả cấu trúc logic toàn cục: Lược đồ khái niệm toàn cục GCS(Global Conceptual
Schema)
Mô tả cấu trúc logic tại mỗi vị trí , điều nảy xảy ra do nhân bản và phân mảnh , gọi là
lược đồ khái niệm cục bộ LCS (Local Conceptual Schema)
Mô tả cấu trúc dữ liệu của các ứng dụng gọi là lược đồ ngoại giới ES (External
Schema)
Cấu trúc hệ thống bao gồm hai thành phần chính : Bộ tiếp nhận người dùng (User Processor) và bộ
phận xử lý dữ liệu (Data Processor).Hai modul này được đặt chung trên mỗi máy chứ không tách biệt
như hệ thống khách đại lý .
Các chức năng cơ bản của từng modul như sau :
User Interface Handler – Giao tiếp người sử dụng : Diễn dịch yêu cầu , định dạng kết
quả .
Semantic Data Controler – Kiểm soát dữ liệu ngữ nghĩa. Dựa vào lược đồ khái niệm
toàn cục để kiểm tra câu truy vấn tin có thực hiện được hay không
Global Query Optimizer – Tối ưu hóa câu hỏi toàn cục : Định ra chiến lược thực thi tốt
nhất trên các nút .
Global Execution Monitor – Điều khiển thực thi câu truy vấn toàn cục .
Local Query Processor – Xử lý câu truy vấn cục bộ .
Local Recovery Manager – Quản lý khôi phục cục bộ : Quản lý sự nhất quán khi có sự
cố
Run-time Support Processor – Bộ hận hỗ trợ thực thi : Quản lý truy xuất cơ sở dữ liệu.
Tiểu luận Hệ Phân Tán Vấn đề nhiều bản sao trong điều kiện số lượng cập nhật lớn
GVHD: PGS.TS. Lê V
ăn Sơn
Trang 6
HVTH: Lê Quốc Dũng -KHMT K16
2.3.Mô hình tương tác trong hệ phân tán:
Thực hiện truyền thông:
Sự tiềm ẩn (Latency):
•
Sự trì hoãn lan truyền: thời gian cần thiết để một bit đầu tiên của một thông điệp truyền
đến được đích.
•
Sự trì hoãn truyền: là khoảng thời gian giữa sự truyền bit đầu tiên và bit sau cùng của
một thông điệp.
•
Sự trì hoãn xử lý: là thời gian cần để hệ điều hành xử lý/gữi/nhận thông điệp.
Tiểu luận Hệ Phân Tán Vấn đề nhiều bản sao trong điều kiện số lượng cập nhật lớn
GVHD: PGS.TS. Lê V
ăn Sơn
Trang 7
HVTH: Lê Quốc Dũng -KHMT K16
•
Sự trì hoãn xếp hàng: thời gian cần để một thông điệp xếp hàng ở cuối máy chủ hoặc ở
các node trung gian đợi để truyền đi.
Băng thông (bandwidth): Tổng số thông tin có thể được truyền đi trong một thời gian đã
cho.
Sự biến đống tạp (Jitter): thời gian khác nhau giữa các sự trì hoãn ảnh hưởng bởi các
thông điệp khác nhau.
Đồng hồ và thứ tự các sự kiện:
Không có khái niệm toàn cục của thời gian.
Nhịp độ đồng hồ trôi: nhịp độ tương đối ở một đồng hồ máy tính trôi dạt ra khỏi từ một
đồng hồ tham chiếu hoàn hảo.
Đồng bộ hóa đồng hồ:
Hệ thống định vị toàn cầu (GPS): một ít máy tính có thể sử dụng máy thu radio để nhận
thời gian đọc từ GPS với độ chính xác là 1 micro-giây. Chúng có thể gữi các thông điệp thời
gian đến các máy tính khác trong mạng tương ứng của chúng.
Các đồng hồ logic: mỗi thông điệp là thời gian đóng dấu lên với một số nối tiếp mà phản
chiếu thứ tự lôgic của chúng.
Tiểu luận Hệ Phân Tán Vấn đề nhiều bản sao trong điều kiện số lượng cập nhật lớn
GVHD: PGS.TS. Lê V
ăn Sơn
Trang 8
HVTH: Lê Quốc Dũng -KHMT K16
CHƯƠNG II: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ NHIỀU BẢN SAO
I.Đặt vấn đề
Tại sao sử dụng bản sao? Có hai lý do sau đây:
- Tăng độ tin cậy và tính sẵn sàng của hệ thống: khi dữ liệu bị lỗi hay vì một nguyên nhân
nào đó mà không thể dùng được, ta có thể dùng ngay bản sao dữ liệu đó để hệ thống không
phải dừng lại và tránh được tình trạng sử dụng các dữ liệu không chính xác.
- Tăng hiệu năng của hệ thống: có thể tăng quy mô hệ thống cả về số lượng lẫn phạm vi địa
lý.
Tuy nhiên việc sử dụng nhân bản cũng phải trả giá, đó là tính nhất quán dữ liệu của hệ thống bị
suy giảm. Do sử dụng bản sao nên có thể xảy ra trường hợp có sự thay đổi trên một dữ liệu mà
không cập nhật trên các bản sao của nó. Điều này sẽ gây ra các sai sót trong hệ thống. Do đó phải
tốn nhiều công sức để xây dựng các mô hình đảm bảo tính nhất quán của dữ liệu.
II.Các mô hình nhất quán lấy dữ liệu làm trung tâm
1. Mô hình nhất quán chặt
Thao tác đọc bất kỳ trên mục dữ liệu x đều trả về một giá trị tương ứng với kết quả của thao
tác ghi gần nhất trên x đó. Mô hình này khó áp dụng cho hệ phân tán.
2. Mô hình nhất quán tuần tự và mô hình nhất quán tuyến tính
Mô hình nhất quán tuần tự
Là mô hình lỏng lẻo hơn, yếu hơn mô hình nhất quán chặt. Kết quả của sự thực hiện
bất kỳ là như nhau nếu thao tác đọc và ghi do các tiến trình thực hiện trên mục dữ liệu một
cách tuần tự và các thao tác của mỗi tiến trình xuất hiện trong chuỗi thao tác này chỉ ra bởi
chương trình của nó
Mô hình nhất quán tuyến tính
Là mô hình yếu hơn mô hình nhất quán chặt nhưng mạnh hơn mô hình nhất quán tuần
tự. Kết quả của bất kì sự thực hiện nào là như nhau nếu các thao tác (đọc và ghi) của tất cả
các tiến trình lên dữ liệu được thực hiện môt cách tuần tự và các thao tác của mỗi tiến trình
xuất hiện trong chuỗi thao tác này phải theo thứ tự đã được chỉ ra trong chương trình của nó.
Thêm vào đó, nếu ts
op1
(x) < ts
op2
(y) thì thao tác op1(x) phải được thực hiện trước op2(y)
trong chuỗi thao tác.
3. Mô hình nhất quán nhân quả
Nếu sự kiện b được gây ra hoặc bị tác động bởi một sự kiện a xảy ra sớm hơn thì tính nhân
quả đòi hỏi mọi thực thể khác phải “nhìn” thấy a trước rồi mới thấy b sau. Các thao tác ghi có quan
hệ nhân quả tiềm năng phải được nhận biết bởi tất cả các tiến trình khác trong cùng một thứ tự. Các
thao tác ghi đồng thời có thể nhận biết được theo thứ tự khác nhau trên các máy khác nhau.
4. Mô hình nhất quán FIFO
Nhất quán FIFO còn được gọi là nhất quán PRAM. Đây là mô hình yếu nhất vì mô hình này
bỏ qua giới hạn về trật tự của bất kì thao tác đồng thời nào. Các thao tác ghi bởi một tiến trình đơn
phải được tất cả các tiến trình khác nhìn thấy theo cùng một trật tự mà chúng đề ra. Nhưng thao tác
Tiểu luận Hệ Phân Tán Vấn đề nhiều bản sao trong điều kiện số lượng cập nhật lớn
GVHD: PGS.TS. Lê V
ăn Sơn
Trang 9
HVTH: Lê Quốc Dũng -KHMT K16
ghi bởi nhiều tiến trình khác nhau có thể được thấy theo những trật tự khác nhau bởi các tiến trình
khác nhau.
5. Mô hình nhất quán yếu
Mô hình nhất quán yếu không tập trung vào các thao tác trên dữ liệu như các mô hình trên mà
chúng quan tâm đến trật tự các nhóm lệnh bằng việc sử dụng các biến được đồng bộ.
- Việc truy cập đến một biến đồng bộ hóa được kết hợp với kho dữ liệu là một nhất quán tuần
tự.
- Không có thao tác nào lên các biến đồng bộ hóa được phép thực hiện cho đến khi tất cả các
thao tác ghi trước đó được hoàn thành ở mọi nơi.
- Không có thao tác đọc hay ghi dữ liệu lên các mục dữ liệu nào được phép thực hiện cho đến
khi tất cả các thao tác trước đó lên các biến đồng bộ hóa được thực hiện.
6. Mô hình nhất quán đi ra
- Trước khi thực hiện một thao tác đọc hay ghi lên dữ liệu chia sẻ thì tất cả các thao tác
acquire do tiến trình này thực hiện trước đó phải hoàn tất.
- Trước khi một thao tác release được phép thực hiện thì tất cả các thao tác đọc và ghi do tiến
trình này thực hiện trước đó phải được hoàn tất.
- Truy cập vào các biến đồng bộ hóa là nhất quán FIFO (Không yêu cầu nhất quán tuần tự).
7. Mô hình nhất quán đi vào
Cũng giống mô hình nhất quán đi ra, mô hình nhất quán đi vào cũng sử dụng hai lệnh acquired
và release khi muốn sử dụng vào vùng tới hạn. Nhưng các lệnh này thao tác trên từng mục dữ liệu
của vùng dữ liệu chia sẻ. Tiến trình nào muốn sử dụng mục dữ liệu thì phải đợi cho tất cả các tiến
trình khác giải phóng mục dữ liệu đó.
- Một thao tác acquire để truy cập vào một biến đồng bộ hóa không được phép thực hiện
trong một tiến trình cho đến khi tất cả các cập nhật lên mục dữ liệu trong tiến trình đó được
thực hiện.
- Trước khi một truy cập trong chế độ dành riêng của một tiến trình tới một biến đồng bộ hóa
được phép thực hiện thì không tiến trình nào khác còn được giữ các biến đồng bộ hóa, trong
chế độ không dành riêng thì không cần yêu cầu như vậy.
- Sau khi một truy cập trong chế độ dành riêng lên một biến đồng bộ hóa được thực hiện thì
bất kì sự truy cập của tiến trình nào khác trong chế độ không dành riêng lên biến đó cũng
không được thực hiện cho đến khi chủ nhân của biến đồng bộ thực hiện xong việc truy cập
của mình.
III. Các mô hình nhất quán lấy client làm trung tâm
1. Nhất quán cuối cùng
Khi một dữ liệu có nhiều bản sao thì yêu cầu đưa ra là sau các thao tác cập nhật thì tất cả các
bản sao cuối cùng là phải bằng nhau Phải luôn đảm bảo rằng ngay cả khi client thay đổi về vị trí
vật lý thì việc sử dụng các bản sao cũng phải chính xác. Tức là các bản sao luôn luôn là nhất quán.
2. Nhất quán đọc đều
Một tiến trình thực hiện thao tác đọc trên một mục dữ liệu thì phải đảm bảo bất kì thao tác
đọc nào cũng đều cho cùng một kết quả hay kết quả gần đây nhất. Client sẽ luôn nhìn thấy những dữ
Tiểu luận Hệ Phân Tán Vấn đề nhiều bản sao trong điều kiện số lượng cập nhật lớn
GVHD: PGS.TS. Lê V
ăn Sơn
Trang 10
HVTH: Lê Quốc Dũng -KHMT K16
liệu mới hơn và không bao giờ phải nhìn thấy những dữ liệu cũ hơn những gì mà mình đã đọc trước
đó.
3. Nhất quán ghi đều
Thao tác ghi trên mục dữ liệu x của một tiến trình phải được hoàn thành trước bất kỳ một
thao tác ghi nào khác trên x bởi cùng một tiến trình.
4. Nhất quán đọc thao tác ghi
Tác động của một thao tác ghi của một tiến trình lên mục dữ liệu x sẽ luôn được nhìn thấy
bởi một thao tác đọc lần lượt trên x của cùng tiến trình đó.
5. Nhất quán ghi theo sau đọc
Tác động bởi một thao tác ghi của một tiến trình lên mục dữ liệu x sẽ luôn được nhìn thấy bởi
một thao tác đọc liên tiếp lên x của cùng tiến trình đó.
IV. Các giao thức phân phối
1. Phân loại bản sao
Có 3 loại bản sao:
Các bản sao thường trực:
Trong tiến trình hay trên máy luôn có một bản sao. Số lượng các bản sao thường xuyên
này rất ít, thường được tập hợp lại thành nhóm các máy trạm (COWs) hoặc trong các hệ
thống phản chiếu (mirrored), thường là các Web server hay là các server có chứa cơ sở dữ
liệu dự phòng.
Bản sao khởi đầu từ server:
Các bản sao này được sử dụng để làm tăng hiệu năng. Các bản sao này được xếp đặt
động dựa vào yêu cầu của server khác. Một ví dụ điển hình là chúng được các công ty web
hosting sử dụng để định vị vị trí địa lý của các bản sao gần nhất khi họ cần.
Các bản sao khởi đầu từ client:
Các bản sao này được tạo ra từ yêu cầu của client, chẳng hạn như việc cache dữ liệu của
một trình duyệt. Chúng được xếp đặt động dựa vào yêu cầu của client.
2. Lan truyền cập nhật
Có 3 cách lan truyền các cập nhật:
Chỉ thông báo là có cập nhật:
Thường dùng trong việc cache dữ liệu.Thông báo về việc mất hiệu lực của một giao
thức.Phương pháp này tốt khi tỉ lệ các thao tác đọc so với thao tác ghi nhỏ.
Truyền dữ liệu cập nhật từ bản sao này tới một bản sao khác.
Thực hiện tốt khi có nhiều thao tác đọc. Ghi lại các thay đổi và tập hợp các cập nhật lại
để truyền đi (chỉ truyền đi các thay đổi chứ không truyền cả dữ liệu đã bị thay đổi, vì thế tiết
kiệm được băng thông).
Lan truyền các thao tác cập nhật tới các bản sao khác (nhân bản chủ động).
Tốn ít băng thông nhưng đòi hỏi năng lực xử lý cao vì trong nhiều trường hợp thì các
thao tác là rất phức tạp.
Tiểu luận Hệ Phân Tán Vấn đề nhiều bản sao trong điều kiện số lượng cập nhật lớn
GVHD: PGS.TS. Lê V
ăn Sơn
Trang 11
HVTH: Lê Quốc Dũng -KHMT K16
Hai các tiếp cận lan truyền cập nhật:
Đẩy cập nhật: là giao thức do server khởi tạo, trong giao thức này các cập nhật được lan
truyền mỗi khi có một server khác yêu cầu.
Kéo cập nhật: là giao thức do client khởi tạo khi client muốn được cập nhật.
V. Phân tích vấn đề
Hệ tin học phân tán hay nói ngắn gọn là hệ phân tán là hệ thống xử lý thông tin bao gồm
nhiều bộ xử lý hoặc bộ vi xử lý nằm tại các vị trí khác nhau và được liên kết với nhau thông qua hệ
thống viễn thông dưới sự điều hành thống nhất của một hệ điều hành.
Hệ phân tán được xây dựng nhằm mục đích phân tán hoá các quá trình xử lý thông tin và
thực hiện công việc đó trên các trạm xa nhau. Đó là những cơ sở căn bản cho việc xây dựng các ứng
dụng lớn như thương mại điện tử, giáo dục điện tử, thư viện điện tử số, xây dựng các cơ sở dữ liệu
tìm kiếm…
Thời gian truy cập trung bình vào thông tin trong hệ phân tán có thể được rút ngắn, nhờ vào
phương pháp nhân nhiều bản và được gọi là nhiều bản sao của một đối tượng thông tin.
Trong các hệ loại này, từng hệ thống cục bộ đều có lưu trữ một bản sao của tất cả các thông
tin liên quan đang có ở tất cả các hệ cục bộ.
Ưu điểm nổi bậc của kiểu tổ chức này là:
1. Dễ dàng thực hiện việc truy cập thông tin cần thiết cho các yêu cầu ngay tại hệ thống
cục bộ của mình.
2. Cho kết quả truy cập một cách nhanh chóng.
Tuy nhiên, kiểu truy vấn này chỉ cho kết quả tương đối chính xác và phụ thuộc rất nhiều vào
phương pháp và thời hạn cập nhật thông tin trong các cơ sở dữ liệu cục bộ.
Sự tồn tại nhiều bản sao trong hệ phân tán có thể dẫn đến các hệ quả sau :
1. Cập nhật thông tin diễn (gần hoặc xa) hoặc sự thay đổi thông tin cục bộ trên một hệ
cục bộ nào đó cần phải được tiến hành cho tất cả các hệ thống cục bộ và không được
phép bỏ sót hệ nào cả. Trong khoảng thời gian làm tươi thông tin phải đảm bảo sao
cho việc truy vấn dữ liệu cho kết quả kịp thời hoặc đặt truy vấn trong trạng thái treo.
2. Cần phải tránh trường hợp các thao tác trên hai bản sao khác nhau nhưng chứa cùng
thông tin được truy cập bởi hai hay nhiều yêu cầu dẫn đến không gắn bó . Ví dụ : một
mặt hàng nào đó đã cung cấp cho khách hàng rồi thì không được phép cung cấp cho
khách hàng tiếp theo nữa.
Hai vấn đề vừa nêu trên xác định về các ràng buộc đối với đề gắn bó dữ liệu . Nhằm đảm bảo
sự gắn bó này điều kiện đủ là bắt buộc tuân thủ trình tự nào đó cho tất cả các bản sao, các cập nhật
thông tin.
Biện pháp hàng đầu là áp dụng cơ chế then cài nhằm thực hiện việc loại trừ tương hỗ tổng
quát trên tập hợp các bản sao, biện pháp này có mặt hạn chế là không cho phép các chương trình
thực hiện song song.
Một biện pháp khác là cho phép thực hiện các giao dịch trên tất cả các bản sao và thực hiện
cùng một trình tự cho mỗi hệ thống cục bộ. Khó khăn trong việc triển khai trình tự tổng quát có thể
Tiểu luận Hệ Phân Tán Vấn đề nhiều bản sao trong điều kiện số lượng cập nhật lớn
GVHD: PGS.TS. Lê V
ăn Sơn
Trang 12
HVTH: Lê Quốc Dũng -KHMT K16
so sánh với khó khăn của biện pháp đầu tiên đã nêu, nhưng lại cho phép các chương trình hoạt động
song song.
Trong môi trường phân tán, sơ đồ vị trí của các bản sao và việc cập nhật chúng có thể mô tả
trong hình vẽ sau đây.
Các bản sao có thể đặt trên các server S
1
, S
2
, .,S
n
trên các tập tin hay vùng nhớ đặc biệt e
ij
, i=1 n,
j=1 m, trong đó i chỉ server, j chỉ bản sao, n là số lượng server được mắc nối trong mạng, m là số
lượng các bản sao cần phải cập nhật. Mỗi server có thể quản lý một mạng con. Ngoài ra, các bản sao
có thể được bố trí trên các trạm thể hiện bằng các t
k
, k=1 q, k là trạm và q là số trạm được mắc nối.
Nếu ta có n bản sao của đối tượng e nào đó, thì ràng buộc toàn vẹn phải là:
Trên bản sao của 1 đối tượng
e
1
=e
2
=e
3
= .=e
n
Trên các bản sao của toàn bộ các đối tượng
e
11
=e
21
= .=e
n1
e
12
=e
22
= .=e
n2
.
e
1m
=e
2m
= .=e
nm
Để tham chiếu đến đối tượng e, cần thực hiện giao dịch sau (áp dụng thuật toán then cài):
Để thực hiện việc cập nhật vào các bản sao , ta cần phải cài then chúng như sau (áp dụng
thuật toán then cài):
V_doc(
e
i
)
Doc(
e
i
)
Giai_phong(
e
i
)
Để cho i:=1 đến n thực hiện V_viet(
e
i
)
< thực hiện các cập nhật và chép lại chúng vào
tất cả các bản >
Để cho i:=1 đến n thực hiện Giai_phong(
e
i
)
Tiểu luận Hệ Phân Tán Vấn đề nhiều bản sao trong điều kiện số lượng cập nhật lớn
GVHD: PGS.TS. Lê V
ăn Sơn
Trang 13
HVTH: Lê Quốc Dũng -KHMT K16
Để tránh bế tắc diễn ra, việc cài then các bản sao luôn luôn phải được thực hiện trong cùng
một trật tự.
Nói cách khác, hoặc là đối tượng đang trong quá trình cập nhật và tất cả các bản sao của nó
được dự trữ cho tiến trình thực hiện cập nhật, hoặc là tất cả các bản sao được truy cập chỉ để đọc và
giống nhau hoàn toàn.
Gọi M là cực đại của các cập nhật có thể diễn ra đồng thời, thì M có thể tính theo công thức
M=n x m.
Căn cứ vào nội dung thông tin cần phải đảm bảo sự gắn bó mà người ta chia ra hai loại giải
thuật:
• Giải thuật toán gắn bó mạnh
• Giải thuật toán gắn bó yếu.
Hệ thống viễn thông là đối tượng có thể diễn ra các sự cố kỹ thuật và ùn tắt đường truyền, ta
có số lần truy cập bản sao trên thực tế sẽ lớn hơn M rất nhiều; hiệu năng hoạt động của hệ trong
trường hợp này sẽ bị giảm.
Một trong những giải pháp khắc phục vấn đề vừa nêu là áp dụng kỹ thuật đánh dấu bản điều
khiển và căn cứ vào hệ thống tín hiệu này, người ta có thể chọn các giải thuật cập nhật thích hợp, rút
ngắn được tốc độ cập nhật bình quân.
Tiểu luận Hệ Phân Tán Vấn đề nhiều bản sao trong điều kiện số lượng cập nhật lớn
GVHD: PGS.TS. Lê V
ăn Sơn
Trang 14
HVTH: Lê Quốc Dũng -KHMT K16
CHƯƠNG III: MỘT SỐ THUẬT TOÁN QUẢN LÝ NHIỀU BẢN SAO
I.Thuật toán đảm bảo sự gắn bó yếu nhờ dấu
1.Nguyên lý
Tập hợp các yêu cầu cập nhật được sắp xếp theo cùng một kiểu trên tất cả các trạm nhờ cơ
chế dấu. Theo đó mỗi một yêu cầu được phát đi cho tập hợp các trạm. Trên mỗi trạm, tồn tại một
tiến trình Server đảm nhận nhiệm vụ tiếp nhận các yêu cầu theo trật tự của dấu. Điều đó cho phép có
được một sự gắn bó yếu giữa các bản sao.
2.Triển khai hệ ổn định
Các giao dịch cần xét là các khả năng đọc, ghi hay cập nhật. Cập nhật được xác định như là
một dãy các thao tác đọc và ghi, thao tác kiểm tra đọc tức thì trạng thái hiện hành của một bản sao.
Mỗi một server tiếp nhận các yêu cầu ghi đến từ trạm cục bộ ở thời điểm cho trước. Nó tiếp
nhận các yêu cầu và tính toán trên cơ sở dấu theo tiêu chí lâu nhất.
Khi trạm i truyền các thông điệp cho trạm j, Trật tự nhận các thông điệp tại j là hoàn toàn
giống với trật tự của các thông điệp phát đi. Giả thiết này được kiểm tra trong các mạng thông
thường. Việc xác định các yêu cầu cần xử lý trên một trạm là hoàn toàn có thể .
Có 2 trường hợp cần xem xét:
STT Trường hợp
1
Tập hợp các yêu cầu ghi khi chờ chứa các yêu cầu từ tất cả các trạm khác. Trong
trường hợp này các yêu cầu đi qua, nếu chúng tồn tại, là mới hơn so với các yêu cầu đã
đi qua. Nói cách khác, yêu cầu lâu nhất chính là yêu cầu đang chờ.
2
Tồn tại các trạm mà không có bất kỳ yêu cầu nào được truyền đến. Ta được đưa các
trường hợp trước đây bằng cách truyền cho tất cả các trạm một thông điệp yêu cầu và
bắt buột phải xác nhận. Do vây, sau một khoảng thời gian, theo giả thiết về độ ổn định,
ta sẽ nhận hoặc là các yêu cầu đi qua, hoặc là các trả lời cho thông điệp yêu cầu. Lúc
này, ta có được các thông điệp đến từ tất cả các trạm.
3. Các hành vi ngoài chế độ bình thường
Hai vấn đề mở rộng hơn đối với thuật toán này cho phép rút ra hay chen vàotùy ý một trạm
nào đó. Ngược lại, thuật toán chỉ sống trong trường hợp có sự cố, nếu các điều kiện sau đây được
tôn trọng:
STT Điều kiện
1 Việc đột nhiên biến mất đi một trạm nào đó phải được các trạm khác nhận biết tự động.
2
Việc phát một thông điệp là một phép toán không chia cắt được nữa. Đó là một thông
điệp hoặc là tất cả đều phải nhận được hoặc là không trạm nào nhận được cả.
GVHD: PGS.TS. Lê V
ăn Sơn
Trang 5
HVTH: Lê Quốc Dũng -KHMT K16
Định nghĩa dữ liệu tại mỗi vị trí : tại mỗi phút phải xây dựng lược đồ dữ liệu cục bộ
LIS (local Internal Schema)
Mô tả cấu trúc logic toàn cục: Lược đồ khái niệm toàn cục GCS(Global Conceptual
Schema)
Mô tả cấu trúc logic tại mỗi vị trí , điều nảy xảy ra do nhân bản và phân mảnh , gọi là
lược đồ khái niệm cục bộ LCS (Local Conceptual Schema)
Mô tả cấu trúc dữ liệu của các ứng dụng gọi là lược đồ ngoại giới ES (External
Schema)
Cấu trúc hệ thống bao gồm hai thành phần chính : Bộ tiếp nhận người dùng (User Processor) và bộ
phận xử lý dữ liệu (Data Processor).Hai modul này được đặt chung trên mỗi máy chứ không tách biệt
như hệ thống khách đại lý .
Các chức năng cơ bản của từng modul như sau :
User Interface Handler – Giao tiếp người sử dụng : Diễn dịch yêu cầu , định dạng kết
quả .
Semantic Data Controler – Kiểm soát dữ liệu ngữ nghĩa. Dựa vào lược đồ khái niệm
toàn cục để kiểm tra câu truy vấn tin có thực hiện được hay không
Global Query Optimizer – Tối ưu hóa câu hỏi toàn cục : Định ra chiến lược thực thi tốt
nhất trên các nút .
Global Execution Monitor – Điều khiển thực thi câu truy vấn toàn cục .
Local Query Processor – Xử lý câu truy vấn cục bộ .
Local Recovery Manager – Quản lý khôi phục cục bộ : Quản lý sự nhất quán khi có sự
cố
Run-time Support Processor – Bộ hận hỗ trợ thực thi : Quản lý truy xuất cơ sở dữ liệu.
Tiểu luận Hệ Phân Tán Vấn đề nhiều bản sao trong điều kiện số lượng cập nhật lớn
GVHD: PGS.TS. Lê V
ăn Sơn
Trang 6
HVTH: Lê Quốc Dũng -KHMT K16
2.3.Mô hình tương tác trong hệ phân tán:
Thực hiện truyền thông:
Sự tiềm ẩn (Latency):
•
Sự trì hoãn lan truyền: thời gian cần thiết để một bit đầu tiên của một thông điệp truyền
đến được đích.
•
Sự trì hoãn truyền: là khoảng thời gian giữa sự truyền bit đầu tiên và bit sau cùng của
một thông điệp.
•
Sự trì hoãn xử lý: là thời gian cần để hệ điều hành xử lý/gữi/nhận thông điệp.
Tiểu luận Hệ Phân Tán Vấn đề nhiều bản sao trong điều kiện số lượng cập nhật lớn
GVHD: PGS.TS. Lê V
ăn Sơn
Trang 7
HVTH: Lê Quốc Dũng -KHMT K16
•
Sự trì hoãn xếp hàng: thời gian cần để một thông điệp xếp hàng ở cuối máy chủ hoặc ở
các node trung gian đợi để truyền đi.
Băng thông (bandwidth): Tổng số thông tin có thể được truyền đi trong một thời gian đã
cho.
Sự biến đống tạp (Jitter): thời gian khác nhau giữa các sự trì hoãn ảnh hưởng bởi các
thông điệp khác nhau.
Đồng hồ và thứ tự các sự kiện:
Không có khái niệm toàn cục của thời gian.
Nhịp độ đồng hồ trôi: nhịp độ tương đối ở một đồng hồ máy tính trôi dạt ra khỏi từ một
đồng hồ tham chiếu hoàn hảo.
Đồng bộ hóa đồng hồ:
Hệ thống định vị toàn cầu (GPS): một ít máy tính có thể sử dụng máy thu radio để nhận
thời gian đọc từ GPS với độ chính xác là 1 micro-giây. Chúng có thể gữi các thông điệp thời
gian đến các máy tính khác trong mạng tương ứng của chúng.
Các đồng hồ logic: mỗi thông điệp là thời gian đóng dấu lên với một số nối tiếp mà phản
chiếu thứ tự lôgic của chúng.
Tiểu luận Hệ Phân Tán Vấn đề nhiều bản sao trong điều kiện số lượng cập nhật lớn
GVHD: PGS.TS. Lê V
ăn Sơn
Trang 8
HVTH: Lê Quốc Dũng -KHMT K16
CHƯƠNG II: GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ NHIỀU BẢN SAO
I.Đặt vấn đề
Tại sao sử dụng bản sao? Có hai lý do sau đây:
- Tăng độ tin cậy và tính sẵn sàng của hệ thống: khi dữ liệu bị lỗi hay vì một nguyên nhân
nào đó mà không thể dùng được, ta có thể dùng ngay bản sao dữ liệu đó để hệ thống không
phải dừng lại và tránh được tình trạng sử dụng các dữ liệu không chính xác.
- Tăng hiệu năng của hệ thống: có thể tăng quy mô hệ thống cả về số lượng lẫn phạm vi địa
lý.
Tuy nhiên việc sử dụng nhân bản cũng phải trả giá, đó là tính nhất quán dữ liệu của hệ thống bị
suy giảm. Do sử dụng bản sao nên có thể xảy ra trường hợp có sự thay đổi trên một dữ liệu mà
không cập nhật trên các bản sao của nó. Điều này sẽ gây ra các sai sót trong hệ thống. Do đó phải
tốn nhiều công sức để xây dựng các mô hình đảm bảo tính nhất quán của dữ liệu.
II.Các mô hình nhất quán lấy dữ liệu làm trung tâm
1. Mô hình nhất quán chặt
Thao tác đọc bất kỳ trên mục dữ liệu x đều trả về một giá trị tương ứng với kết quả của thao
tác ghi gần nhất trên x đó. Mô hình này khó áp dụng cho hệ phân tán.
2. Mô hình nhất quán tuần tự và mô hình nhất quán tuyến tính
Mô hình nhất quán tuần tự
Là mô hình lỏng lẻo hơn, yếu hơn mô hình nhất quán chặt. Kết quả của sự thực hiện
bất kỳ là như nhau nếu thao tác đọc và ghi do các tiến trình thực hiện trên mục dữ liệu một
cách tuần tự và các thao tác của mỗi tiến trình xuất hiện trong chuỗi thao tác này chỉ ra bởi
chương trình của nó
Mô hình nhất quán tuyến tính
Là mô hình yếu hơn mô hình nhất quán chặt nhưng mạnh hơn mô hình nhất quán tuần
tự. Kết quả của bất kì sự thực hiện nào là như nhau nếu các thao tác (đọc và ghi) của tất cả
các tiến trình lên dữ liệu được thực hiện môt cách tuần tự và các thao tác của mỗi tiến trình
xuất hiện trong chuỗi thao tác này phải theo thứ tự đã được chỉ ra trong chương trình của nó.
Thêm vào đó, nếu ts
op1
(x) < ts
op2
(y) thì thao tác op1(x) phải được thực hiện trước op2(y)
trong chuỗi thao tác.
3. Mô hình nhất quán nhân quả
Nếu sự kiện b được gây ra hoặc bị tác động bởi một sự kiện a xảy ra sớm hơn thì tính nhân
quả đòi hỏi mọi thực thể khác phải “nhìn” thấy a trước rồi mới thấy b sau. Các thao tác ghi có quan
hệ nhân quả tiềm năng phải được nhận biết bởi tất cả các tiến trình khác trong cùng một thứ tự. Các
thao tác ghi đồng thời có thể nhận biết được theo thứ tự khác nhau trên các máy khác nhau.
4. Mô hình nhất quán FIFO
Nhất quán FIFO còn được gọi là nhất quán PRAM. Đây là mô hình yếu nhất vì mô hình này
bỏ qua giới hạn về trật tự của bất kì thao tác đồng thời nào. Các thao tác ghi bởi một tiến trình đơn
phải được tất cả các tiến trình khác nhìn thấy theo cùng một trật tự mà chúng đề ra. Nhưng thao tác
Tiểu luận Hệ Phân Tán Vấn đề nhiều bản sao trong điều kiện số lượng cập nhật lớn
GVHD: PGS.TS. Lê V
ăn Sơn
Trang 9
HVTH: Lê Quốc Dũng -KHMT K16
ghi bởi nhiều tiến trình khác nhau có thể được thấy theo những trật tự khác nhau bởi các tiến trình
khác nhau.
5. Mô hình nhất quán yếu
Mô hình nhất quán yếu không tập trung vào các thao tác trên dữ liệu như các mô hình trên mà
chúng quan tâm đến trật tự các nhóm lệnh bằng việc sử dụng các biến được đồng bộ.
- Việc truy cập đến một biến đồng bộ hóa được kết hợp với kho dữ liệu là một nhất quán tuần
tự.
- Không có thao tác nào lên các biến đồng bộ hóa được phép thực hiện cho đến khi tất cả các
thao tác ghi trước đó được hoàn thành ở mọi nơi.
- Không có thao tác đọc hay ghi dữ liệu lên các mục dữ liệu nào được phép thực hiện cho đến
khi tất cả các thao tác trước đó lên các biến đồng bộ hóa được thực hiện.
6. Mô hình nhất quán đi ra
- Trước khi thực hiện một thao tác đọc hay ghi lên dữ liệu chia sẻ thì tất cả các thao tác
acquire do tiến trình này thực hiện trước đó phải hoàn tất.
- Trước khi một thao tác release được phép thực hiện thì tất cả các thao tác đọc và ghi do tiến
trình này thực hiện trước đó phải được hoàn tất.
- Truy cập vào các biến đồng bộ hóa là nhất quán FIFO (Không yêu cầu nhất quán tuần tự).
7. Mô hình nhất quán đi vào
Cũng giống mô hình nhất quán đi ra, mô hình nhất quán đi vào cũng sử dụng hai lệnh acquired
và release khi muốn sử dụng vào vùng tới hạn. Nhưng các lệnh này thao tác trên từng mục dữ liệu
của vùng dữ liệu chia sẻ. Tiến trình nào muốn sử dụng mục dữ liệu thì phải đợi cho tất cả các tiến
trình khác giải phóng mục dữ liệu đó.
- Một thao tác acquire để truy cập vào một biến đồng bộ hóa không được phép thực hiện
trong một tiến trình cho đến khi tất cả các cập nhật lên mục dữ liệu trong tiến trình đó được
thực hiện.
- Trước khi một truy cập trong chế độ dành riêng của một tiến trình tới một biến đồng bộ hóa
được phép thực hiện thì không tiến trình nào khác còn được giữ các biến đồng bộ hóa, trong
chế độ không dành riêng thì không cần yêu cầu như vậy.
- Sau khi một truy cập trong chế độ dành riêng lên một biến đồng bộ hóa được thực hiện thì
bất kì sự truy cập của tiến trình nào khác trong chế độ không dành riêng lên biến đó cũng
không được thực hiện cho đến khi chủ nhân của biến đồng bộ thực hiện xong việc truy cập
của mình.
III. Các mô hình nhất quán lấy client làm trung tâm
1. Nhất quán cuối cùng
Khi một dữ liệu có nhiều bản sao thì yêu cầu đưa ra là sau các thao tác cập nhật thì tất cả các
bản sao cuối cùng là phải bằng nhau Phải luôn đảm bảo rằng ngay cả khi client thay đổi về vị trí
vật lý thì việc sử dụng các bản sao cũng phải chính xác. Tức là các bản sao luôn luôn là nhất quán.
2. Nhất quán đọc đều
Một tiến trình thực hiện thao tác đọc trên một mục dữ liệu thì phải đảm bảo bất kì thao tác
đọc nào cũng đều cho cùng một kết quả hay kết quả gần đây nhất. Client sẽ luôn nhìn thấy những dữ
Tiểu luận Hệ Phân Tán Vấn đề nhiều bản sao trong điều kiện số lượng cập nhật lớn
GVHD: PGS.TS. Lê V
ăn Sơn
Trang 10
HVTH: Lê Quốc Dũng -KHMT K16
liệu mới hơn và không bao giờ phải nhìn thấy những dữ liệu cũ hơn những gì mà mình đã đọc trước
đó.
3. Nhất quán ghi đều
Thao tác ghi trên mục dữ liệu x của một tiến trình phải được hoàn thành trước bất kỳ một
thao tác ghi nào khác trên x bởi cùng một tiến trình.
4. Nhất quán đọc thao tác ghi
Tác động của một thao tác ghi của một tiến trình lên mục dữ liệu x sẽ luôn được nhìn thấy
bởi một thao tác đọc lần lượt trên x của cùng tiến trình đó.
5. Nhất quán ghi theo sau đọc
Tác động bởi một thao tác ghi của một tiến trình lên mục dữ liệu x sẽ luôn được nhìn thấy bởi
một thao tác đọc liên tiếp lên x của cùng tiến trình đó.
IV. Các giao thức phân phối
1. Phân loại bản sao
Có 3 loại bản sao:
Các bản sao thường trực:
Trong tiến trình hay trên máy luôn có một bản sao. Số lượng các bản sao thường xuyên
này rất ít, thường được tập hợp lại thành nhóm các máy trạm (COWs) hoặc trong các hệ
thống phản chiếu (mirrored), thường là các Web server hay là các server có chứa cơ sở dữ
liệu dự phòng.
Bản sao khởi đầu từ server:
Các bản sao này được sử dụng để làm tăng hiệu năng. Các bản sao này được xếp đặt
động dựa vào yêu cầu của server khác. Một ví dụ điển hình là chúng được các công ty web
hosting sử dụng để định vị vị trí địa lý của các bản sao gần nhất khi họ cần.
Các bản sao khởi đầu từ client:
Các bản sao này được tạo ra từ yêu cầu của client, chẳng hạn như việc cache dữ liệu của
một trình duyệt. Chúng được xếp đặt động dựa vào yêu cầu của client.
2. Lan truyền cập nhật
Có 3 cách lan truyền các cập nhật:
Chỉ thông báo là có cập nhật:
Thường dùng trong việc cache dữ liệu.Thông báo về việc mất hiệu lực của một giao
thức.Phương pháp này tốt khi tỉ lệ các thao tác đọc so với thao tác ghi nhỏ.
Truyền dữ liệu cập nhật từ bản sao này tới một bản sao khác.
Thực hiện tốt khi có nhiều thao tác đọc. Ghi lại các thay đổi và tập hợp các cập nhật lại
để truyền đi (chỉ truyền đi các thay đổi chứ không truyền cả dữ liệu đã bị thay đổi, vì thế tiết
kiệm được băng thông).
Lan truyền các thao tác cập nhật tới các bản sao khác (nhân bản chủ động).
Tốn ít băng thông nhưng đòi hỏi năng lực xử lý cao vì trong nhiều trường hợp thì các
thao tác là rất phức tạp.
Tiểu luận Hệ Phân Tán Vấn đề nhiều bản sao trong điều kiện số lượng cập nhật lớn
GVHD: PGS.TS. Lê V
ăn Sơn
Trang 11
HVTH: Lê Quốc Dũng -KHMT K16
Hai các tiếp cận lan truyền cập nhật:
Đẩy cập nhật: là giao thức do server khởi tạo, trong giao thức này các cập nhật được lan
truyền mỗi khi có một server khác yêu cầu.
Kéo cập nhật: là giao thức do client khởi tạo khi client muốn được cập nhật.
V. Phân tích vấn đề
Hệ tin học phân tán hay nói ngắn gọn là hệ phân tán là hệ thống xử lý thông tin bao gồm
nhiều bộ xử lý hoặc bộ vi xử lý nằm tại các vị trí khác nhau và được liên kết với nhau thông qua hệ
thống viễn thông dưới sự điều hành thống nhất của một hệ điều hành.
Hệ phân tán được xây dựng nhằm mục đích phân tán hoá các quá trình xử lý thông tin và
thực hiện công việc đó trên các trạm xa nhau. Đó là những cơ sở căn bản cho việc xây dựng các ứng
dụng lớn như thương mại điện tử, giáo dục điện tử, thư viện điện tử số, xây dựng các cơ sở dữ liệu
tìm kiếm…
Thời gian truy cập trung bình vào thông tin trong hệ phân tán có thể được rút ngắn, nhờ vào
phương pháp nhân nhiều bản và được gọi là nhiều bản sao của một đối tượng thông tin.
Trong các hệ loại này, từng hệ thống cục bộ đều có lưu trữ một bản sao của tất cả các thông
tin liên quan đang có ở tất cả các hệ cục bộ.
Ưu điểm nổi bậc của kiểu tổ chức này là:
1. Dễ dàng thực hiện việc truy cập thông tin cần thiết cho các yêu cầu ngay tại hệ thống
cục bộ của mình.
2. Cho kết quả truy cập một cách nhanh chóng.
Tuy nhiên, kiểu truy vấn này chỉ cho kết quả tương đối chính xác và phụ thuộc rất nhiều vào
phương pháp và thời hạn cập nhật thông tin trong các cơ sở dữ liệu cục bộ.
Sự tồn tại nhiều bản sao trong hệ phân tán có thể dẫn đến các hệ quả sau :
1. Cập nhật thông tin diễn (gần hoặc xa) hoặc sự thay đổi thông tin cục bộ trên một hệ
cục bộ nào đó cần phải được tiến hành cho tất cả các hệ thống cục bộ và không được
phép bỏ sót hệ nào cả. Trong khoảng thời gian làm tươi thông tin phải đảm bảo sao
cho việc truy vấn dữ liệu cho kết quả kịp thời hoặc đặt truy vấn trong trạng thái treo.
2. Cần phải tránh trường hợp các thao tác trên hai bản sao khác nhau nhưng chứa cùng
thông tin được truy cập bởi hai hay nhiều yêu cầu dẫn đến không gắn bó . Ví dụ : một
mặt hàng nào đó đã cung cấp cho khách hàng rồi thì không được phép cung cấp cho
khách hàng tiếp theo nữa.
Hai vấn đề vừa nêu trên xác định về các ràng buộc đối với đề gắn bó dữ liệu . Nhằm đảm bảo
sự gắn bó này điều kiện đủ là bắt buộc tuân thủ trình tự nào đó cho tất cả các bản sao, các cập nhật
thông tin.
Biện pháp hàng đầu là áp dụng cơ chế then cài nhằm thực hiện việc loại trừ tương hỗ tổng
quát trên tập hợp các bản sao, biện pháp này có mặt hạn chế là không cho phép các chương trình
thực hiện song song.
Một biện pháp khác là cho phép thực hiện các giao dịch trên tất cả các bản sao và thực hiện
cùng một trình tự cho mỗi hệ thống cục bộ. Khó khăn trong việc triển khai trình tự tổng quát có thể
Tiểu luận Hệ Phân Tán Vấn đề nhiều bản sao trong điều kiện số lượng cập nhật lớn
GVHD: PGS.TS. Lê V
ăn Sơn
Trang 12
HVTH: Lê Quốc Dũng -KHMT K16
so sánh với khó khăn của biện pháp đầu tiên đã nêu, nhưng lại cho phép các chương trình hoạt động
song song.
Trong môi trường phân tán, sơ đồ vị trí của các bản sao và việc cập nhật chúng có thể mô tả
trong hình vẽ sau đây.
Các bản sao có thể đặt trên các server S
1
, S
2
, .,S
n
trên các tập tin hay vùng nhớ đặc biệt e
ij
, i=1 n,
j=1 m, trong đó i chỉ server, j chỉ bản sao, n là số lượng server được mắc nối trong mạng, m là số
lượng các bản sao cần phải cập nhật. Mỗi server có thể quản lý một mạng con. Ngoài ra, các bản sao
có thể được bố trí trên các trạm thể hiện bằng các t
k
, k=1 q, k là trạm và q là số trạm được mắc nối.
Nếu ta có n bản sao của đối tượng e nào đó, thì ràng buộc toàn vẹn phải là:
Trên bản sao của 1 đối tượng
e
1
=e
2
=e
3
= .=e
n
Trên các bản sao của toàn bộ các đối tượng
e
11
=e
21
= .=e
n1
e
12
=e
22
= .=e
n2
.
e
1m
=e
2m
= .=e
nm
Để tham chiếu đến đối tượng e, cần thực hiện giao dịch sau (áp dụng thuật toán then cài):
Để thực hiện việc cập nhật vào các bản sao , ta cần phải cài then chúng như sau (áp dụng
thuật toán then cài):
V_doc(
e
i
)
Doc(
e
i
)
Giai_phong(
e
i
)
Để cho i:=1 đến n thực hiện V_viet(
e
i
)
< thực hiện các cập nhật và chép lại chúng vào
tất cả các bản >
Để cho i:=1 đến n thực hiện Giai_phong(
e
i
)
Tiểu luận Hệ Phân Tán Vấn đề nhiều bản sao trong điều kiện số lượng cập nhật lớn
GVHD: PGS.TS. Lê V
ăn Sơn
Trang 13
HVTH: Lê Quốc Dũng -KHMT K16
Để tránh bế tắc diễn ra, việc cài then các bản sao luôn luôn phải được thực hiện trong cùng
một trật tự.
Nói cách khác, hoặc là đối tượng đang trong quá trình cập nhật và tất cả các bản sao của nó
được dự trữ cho tiến trình thực hiện cập nhật, hoặc là tất cả các bản sao được truy cập chỉ để đọc và
giống nhau hoàn toàn.
Gọi M là cực đại của các cập nhật có thể diễn ra đồng thời, thì M có thể tính theo công thức
M=n x m.
Căn cứ vào nội dung thông tin cần phải đảm bảo sự gắn bó mà người ta chia ra hai loại giải
thuật:
• Giải thuật toán gắn bó mạnh
• Giải thuật toán gắn bó yếu.
Hệ thống viễn thông là đối tượng có thể diễn ra các sự cố kỹ thuật và ùn tắt đường truyền, ta
có số lần truy cập bản sao trên thực tế sẽ lớn hơn M rất nhiều; hiệu năng hoạt động của hệ trong
trường hợp này sẽ bị giảm.
Một trong những giải pháp khắc phục vấn đề vừa nêu là áp dụng kỹ thuật đánh dấu bản điều
khiển và căn cứ vào hệ thống tín hiệu này, người ta có thể chọn các giải thuật cập nhật thích hợp, rút
ngắn được tốc độ cập nhật bình quân.
Tiểu luận Hệ Phân Tán Vấn đề nhiều bản sao trong điều kiện số lượng cập nhật lớn
GVHD: PGS.TS. Lê V
ăn Sơn
Trang 14
HVTH: Lê Quốc Dũng -KHMT K16
CHƯƠNG III: MỘT SỐ THUẬT TOÁN QUẢN LÝ NHIỀU BẢN SAO
I.Thuật toán đảm bảo sự gắn bó yếu nhờ dấu
1.Nguyên lý
Tập hợp các yêu cầu cập nhật được sắp xếp theo cùng một kiểu trên tất cả các trạm nhờ cơ
chế dấu. Theo đó mỗi một yêu cầu được phát đi cho tập hợp các trạm. Trên mỗi trạm, tồn tại một
tiến trình Server đảm nhận nhiệm vụ tiếp nhận các yêu cầu theo trật tự của dấu. Điều đó cho phép có
được một sự gắn bó yếu giữa các bản sao.
2.Triển khai hệ ổn định
Các giao dịch cần xét là các khả năng đọc, ghi hay cập nhật. Cập nhật được xác định như là
một dãy các thao tác đọc và ghi, thao tác kiểm tra đọc tức thì trạng thái hiện hành của một bản sao.
Mỗi một server tiếp nhận các yêu cầu ghi đến từ trạm cục bộ ở thời điểm cho trước. Nó tiếp
nhận các yêu cầu và tính toán trên cơ sở dấu theo tiêu chí lâu nhất.
Khi trạm i truyền các thông điệp cho trạm j, Trật tự nhận các thông điệp tại j là hoàn toàn
giống với trật tự của các thông điệp phát đi. Giả thiết này được kiểm tra trong các mạng thông
thường. Việc xác định các yêu cầu cần xử lý trên một trạm là hoàn toàn có thể .
Có 2 trường hợp cần xem xét:
STT Trường hợp
1
Tập hợp các yêu cầu ghi khi chờ chứa các yêu cầu từ tất cả các trạm khác. Trong
trường hợp này các yêu cầu đi qua, nếu chúng tồn tại, là mới hơn so với các yêu cầu đã
đi qua. Nói cách khác, yêu cầu lâu nhất chính là yêu cầu đang chờ.
2
Tồn tại các trạm mà không có bất kỳ yêu cầu nào được truyền đến. Ta được đưa các
trường hợp trước đây bằng cách truyền cho tất cả các trạm một thông điệp yêu cầu và
bắt buột phải xác nhận. Do vây, sau một khoảng thời gian, theo giả thiết về độ ổn định,
ta sẽ nhận hoặc là các yêu cầu đi qua, hoặc là các trả lời cho thông điệp yêu cầu. Lúc
này, ta có được các thông điệp đến từ tất cả các trạm.
3. Các hành vi ngoài chế độ bình thường
Hai vấn đề mở rộng hơn đối với thuật toán này cho phép rút ra hay chen vàotùy ý một trạm
nào đó. Ngược lại, thuật toán chỉ sống trong trường hợp có sự cố, nếu các điều kiện sau đây được
tôn trọng:
STT Điều kiện
1 Việc đột nhiên biến mất đi một trạm nào đó phải được các trạm khác nhận biết tự động.
2
Việc phát một thông điệp là một phép toán không chia cắt được nữa. Đó là một thông
điệp hoặc là tất cả đều phải nhận được hoặc là không trạm nào nhận được cả.
Đăng ký:
Nhận xét (Atom)