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

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

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