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  Không gian và giao thông vận tải  Truyền thông và mạng  Sinh học và y học  Vật liệu và chế biến  Kỹ thuật robot và máy thông minh Kết luận Với những thành tựu đã đạt được và với những định hướng đúng trong lĩnh vực điều khiển, ngành điều khiển cùng với bao ngành khác ch ắc chắn sẽ đảm bảo an toàn cho cuộc sống con người và cho s ự phồn vinh của xã hội. . 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. 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