Tài liệu Bài 2: Điều khiển tự động hóa - hôm nay và ngày mai pdf

Bài 2: Điều khiển tự động hóa - hôm
nay và ngày mai
Lĩnh vực điều khiển tự động nghiên cứu những nguyên tắc và
phương pháp trong thiết kế các hệ thống kỹ thuật để đảm bảo được
các tính năng như yêu cầu bằng cách tự động thích ứng với các
thay đổi của hệ cũng như của môi trường xung quanh.
1. Lịch sử phát triển
Lý thuyết điều khiển tự động đã phát triển qua 3 giai đoạn chính.
Giai đoạn 1: Cho đến những năm 1940. Trong giai đoạn này, cơ
sở lý thuyết điều khiển tự động được hình thành. Khi đó, các
phương pháp khảo sát hệ “một đầu v
ào, một đầu ra - SISO” như:
Hàm truyền và biểu đồ Bode để khảo sát đáp ứng tần số và ổn
định;
biểu đồ Nyquist và dự trữ độ lợi/pha để phân tích tính ổn định của
hệ kín. Vào cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950 phương
pháp đồ thị nghiệm của Evans đ
ã được hoàn thiện. Giai đoạn này
được coi là “điều khiển cổ điển”.
Giai đoạn 2: Xung quanh những năm 1960, là giai đoạn phát triển
của kỹ thuật điều khiển được gọi là “điều khiển hiện đại” (Modern
Control). Hệ kỹ thuật ngày càng trở nên phức tạp, có “nhiều đầu
vào, nhiều đầu ra - MIMO”. Để mô hình hóa hệ thuộc dạng này
ph
ải cần đến tập các phương trình mô tả mối liên quan giữa các
trạng thái của hệ. Và phương pháp điều khiển bằng biến trạng thái
được h
ình thành. Cũng trong thời gian này, lý thuyết điều khiển tối
ưu có những bước phát triển lớn dựa tr
ên nền tảng nguyên lý cực
đại của Pontryagin v

à lập trình động lực học của Bellman. Đồng
thời, lọc Kalman được hoàn thiện và nhanh chóng trở thành công
c
ụ chuẩn, được sử dụng trong nhiều lĩnh vực để ước lượng trạng
thái bên trong của hệ từ tập nhỏ các tín hiệu đo được.
Giai đoạn 3: Giai đoạn “điều khiển bền vững hệ đa biến”, được bắt
đầu từ những năm 1980. ứng dụng những thành tựu của toán học,
các nghiên cứu về điều khiển đã đưa ra được các phương pháp
thiết kế bộ điều khiển để một hệ kỹ thuật vẫn đảm bảo được các
tính năng sử dụng khi có tác động của nhiễu v
à sai số. Trong hai
thập kỷ cuối, nhiều nhánh mới về điều khiển cũng đã hình thành,
đó là: thích nghi, phi tuyến, hổn hợp, mờ và neural.
Ngày nay, khi nói đến điều khiển là phải nhắc đến 4 thuật ngữ
quan trọng: Động lực học, mô hình hóa, kết nối, và nhiễu - sai
s
ố.
2. Thành tựu do ngành điều khiển mang lại trong 40 năm qua

Dẫn hướng và điều khiển thiết bị trong không gian, bao gồm
máy bay dân dụng, tên lữa, máy bay chiến đấu, tàu vận tải, vệ
tinh. Hệ thống điều khiển này đã đảm bảo được tính ổn định
và chính xác dưới tác động của nhiễu môi trường v
à của
chính hệ thống.

Hệ thống điều khiển trong sản xuất công nghiệp, từ máy tự
động đến mạch tích hợp. Những thiết bị điều khiển bằng máy
tính đ
ã có độ chính xác định vị và lắp ráp rất cao để tạo ra

nhiều sản phẩm có chất lượng tốt.

Hệ thống điều khiển quá trình công nghiệp, ví dụ trong quá
trình sản xuất hydrocarbon và nhiều chất hóa học khác. Hệ
điều khiển này đ
ã xử lý hàng ngàn thông tin lấy từ cảm biến
để điều khiển hàng trăm cơ cấu chấp h
ành: van, cấp nhiệt,
bơm v. v. để cho ra sản phẩm với y
êu cầu khắt khe về tính
năng kỹ thuật.

Điều khiển hệ truyền thông, bao gồm: hệ thống điện thoại và
Internet. H
ệ thống điều khiển có nhiệm vụ kiểm soát mức
năng lượng ở đầu vào, đầu ra và khi truyền dẫn, thông báo
những sự cố đa dạng, phức tạp thường xảy ra trong truyền
thông.
3. Cơ hội và thách thức
Điều khiển hệ hỗn hợp: Để điều khiển hệ này, bộ điều khiển
phải có khả năng thực hiện các suy luận logic (lập luận và ra quyết
định) và điều khiển các đại lượng li
ên tục thông dụng như: Điện
thế, vị trí, nồng độ v.v... Lý thuyết điều khiển cho hệ kiểu này chưa
phát triển, đặc biệt đối với những hệ lớn.
Điều khiển trong môi trường không đồng bộ, phân tán và
thông qua m
ạng: Để có được tín hiệu điều khiển phải nhờ nhiều
phép tính toán, chờ nhiều thông tin từ các nguồn khác nhau và
nhi

ều thông tin được truyền thông qua mạng. Và như vậy, tính ổn
định, tính bền vững và tính năng của hệ cần phải được đặc biệt
quan tâm.

Tính tự trị và độ chính xác của hệ thống điều khiển có mức
cao hơn:
Hệ thống phản hồi cần phải được trang bị cho những hệ
thống lớn, chính xác, kể cả hệ thống quản lý và di truyền, quản lý
không gian và điều khiển bay, hệ thống
C4ISR (Command,
Control, Communications, Computers, Intelligence, Surveillance,
Reconnaissance, t
ạm dịch: Hệ thống ra lệnh, điều khiển, thuyền
thông, tính toán, xử lý thông minh, giám sát, thăm dò). Những tiến
bộ về điều khiển bền vững trong vài thập kỷ cuối cần phải được
ứng dụng triệt để khi điều khiển hệ dạng n
ày.

Tổng hợp tự động các giải thuật điều khiển với khả năng tích
hợp kiểm tra và phê chuẩn: Hệ thống kỹ thuật trong tương lai cần
được thiết kế, hiệu chỉnh thiết kế nhanh dựa v
ào những phần mềm
ứng dụng mạnh. Các nh
à nghiên cứu cần phải hoàn thiện công cụ
để tự động hóa to
àn bộ quá trình thiết kế hệ điều khiển, bắt đầu từ
việc mô hình hóa đến mô phỏng phần cứng, kể cả những phần
mềm kiểm tra và phê chuẩn (quyết định).
Xây dựng một hệ tin cậy từ các phần không tin cậy: Phần lớn
các hệ thống kỹ thuật lớn phải tiếp tục hoạt động cả khi một số các

thành phần của nó không hoạt động hoặc hoạt động không tốt. Nói
một cách khác, phải thiết kế một hệ điều khiển như thế nào đó để
khi có trườn
g hợp như vậy xảy ra thì tính năng của hệ suy giảm từ
từ hơn là đột ngột.
4. Hướng nghi
ên cứu
Tăng những nghiên cứu mang tính chất tích hợp các lĩnh
vực: Điều khiển, khoa học máy tính, truyền thông và mạng. Phải
tìm ra được các nguyên lý, phương pháp và công cụ để mô hình
hóa và điều khiển những hệ lớn, mạng các hệ, các hệ phân tán và
nh
ững kỹ thuật thật chi tiết để thiết kế những phần mềm tin cậy,
công dụng rộng và hoạt động trong trong thời gian thực.
Về thực chất, tăng các nghiên cứu trong điều khiển chính
xác. Phải quan tâm đến các hệ có nhiễu và sai số, hệ tự học và hệ
trí tụê nhân tạo.
Phát triển hệ thống điều khiển trong các lĩnh vực công nghệ
nano, cơ lượng tử, đ
iện từ trường, sinh học và khoa học môi
trường.
Tiếp tục các nghiên cứu về lý thuyết và biết cách sử dụng tốt
nhất công cụ toán học. Thành tựu của ngành phụ thuộc vào mức độ
gần gũi với toán học.
Đầu tư tìm hướng tiếp cận mới trong đào tạo và xa hơn nữa,
phổ biến các khái niệm và công cụ điều khiển cho những người
không chuyên. Việc đào tạo trên diện rộng các nhà khoa học, các
kỹ sư biết về nguyên tắc của phản hồi, biết sử dụng công cụ điều
khiển để khảo sát động lực học của một hệ, biết kiểm soát nhiễu và
sai s

ố phải là một ngành nghề tốt trong tương lai.
Cuối cùng, ủy ban cũng xác định năm lĩnh vực tiềm tàng cần
ứng dụng th
ành tựu của điều khiển.
5. Lĩnh vực ứng dụng thành tựu điều khiển