Khái quát về lĩnh vực điều khiển tự động

Th.S Nguyễn Văn Chí - Bộ môn Đo lường và Điều khiển tự động – Khoa Điện Tử
I. Giới thiệu

Hệ thống điều khiển tự động ngày nay đã phổ biến trong hầu hết các lĩnh vực công nghệ và phát triển song song với các kỹ thuật tiên tiến khác như điện điện tử và máy tính. Hệ thống điều khiển tự động phát triển mạnh vào nửa cuối thế kỷ thứ 20 và có xu thế ngày càng phát triển hơn nữa với những kỹ thuật mới như kỹ thuật mạng không dây,

kỹ thuật vô tuyến và những thuật toán điều khiển mới. Trước khi phát triển vào cuối thế kỷ thứ 20 lĩnh vực điều khiển tự động đã có được cơ sở từ nửa cuối thế kỷ 19 và những năm đầu thế kỷ 20. Ở Việt Nam, lĩnh vực điều khiển tự động có lẽ vẫn còn non trẻ và đang hứa hẹn một tương lai tốt nhằm đóng góp vào quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước. Bài báo này nhằm góp phần giới thiệu một cách có hệ thống lịch sử phát triển của hệ thống điều khiển tự động.

II. Lịch sử phát triển của điều khiển tự động

Trong đời sống hàng ngày và trong sản xuất hàng hóa chúng ta có thể thấy xung quanh mình có rất nhiều ứng dụng điều khiển tự động, từ những cơ cấu điều khiển quạt bàn tự quay tới những dây chuyền sản xuất tự động phức tạp. Ứng dụng điều khiển tự động đã len lỏi vào cuộc sống con người và giúp con người tạo được cho mình cuộc sống văn minh và giầu có hơn. Cho đến nay với nhiều công nghệ khác nhau, nhiều hệ thống điều khiển tự động phức tạp đã được thiết kế và sử dụng để phục vụ đời sống con người. Chúng ta hãy thử nhìn khái quát sự phát triển các hệ thống tự động để thấy được con người đã đạt được những thành quả như thế nào.

Theo Bennett (1996) và một số tài liệu khác ghi nhận rằng hệ thống điều khiển phản hồi tự động đã xuất hiện lần đầu tiên vào khoảng hơn 2000 năm trước. Đó là những chiếc đồng hồ nước được Vitruvius mô tả và được Ktesibios chế tạo thành công (vào khoảng 270 tr.CN) sử dụng một vật nổi để điều chỉnh mực nước bình chứa và từ đó điều chỉnh cơ cấu của đồng hồ nước. Vài trăm năm sau đó Heron của Alexandria đã mô tả một số những máy móc tự động (automata) khai thác một số cơ cấu phản hồi.

Từ thời những chiếc đồng hồ nước tự động đến nay trải qua hơn hai nghìn năm phát triển, ngành điều khiển tự động ngày càng lớn mạnh và đạt được nhiều thành quả trên cả phương diện thực hành lẫn lý thuyết. Ví dụ như đầu thế kỷ thứ 20 thế giới đón nhận sự ra đời của hệ thống điều khiển tàu tự động sử dụng la bàn điện (la bàn con quay) do Sperry (Mỹ) và Anschutz (Đức) là một bước tiến mới trong lĩnh vực điều khiển tự động. Tiếp theo đó, vào cuối thập niên 50s, đầu thập niên 60s của thế kỷ 20 ứng dụng của ngành điều khiển tự động đã giúp cho con người chinh phục vũ trụ đánh dấu bằng sự kiện Nga phóng vệ tinh nhân tạo đầu tiên, Sputnik, vào tháng 4 năm 1957, và tiếp theo đó Yuri Gararin đã bay vào vũ trụ trên con tàu Vostok vào 4 năm 1961. Sự kiện phóng vệ tinh nhân tạo và điều khiển vệ tinh bay theo quỹ đạo vòng quanh trái đất là một ứng dụng quan trọng của công nghệ điều khiển đã mở ra nhiều những ứng dụng khác, trong đó quan trọng nhất là phát triển các hệ thống dẫn đường vệ tinh: GPS (Mỹ) năm 1994, GLONASS (Nga) năm 1995 và GALILEO (LH Châu Âu, EU) năm 2008-2009.

Điều khiển tự động đã được ứng dụng vào nhiều ngành khác nhau và nhiều hệ thống điều khiển chuyên nghiệp khác nhau đã được ra đời. Chúng ta có thể liệt kê một số những ứng dụng chính như: các hệ thống điều khiển của các nhà máy nhiệt điện, thuỷ điện; hệ thống tự động trong các nhà máy sản xuất thực phẩm như Coca cola, sữa, sản xuất đường, các nhà máy lắp ráp ôtô, robot; các nhà máy sản xuất vật liệu xây dựng như xi măng, sản xuất kính, gạch men; các hệ thống điều khiển trong ngành hàng không và vũ trụ, hệ thống điều khiển điện tử nhúng dùng trong công nghiệp chế tạo và trong đời sống hàng ngày, hệ thống điều khiển phương tiện giao thông trên mặt đất, ứng dụng trong y học, điều khiển tên lửa, điều khiển phương tiện trên biển, điều khiển các quá trình sản xuất trong công nghiệp, rô bốt và cơ điện tử, hệ thống sản xuất trong lĩnh vực công nghệ cao như sản xuất, lắp ráp các hệ thống vi mạch v.v...

Để có cái nhìn tổng quát và hệ thống, sự phát triển hệ thống điều khiển tự động và lý thuyết điều khiển tự động có thể phân chia thành những giai đoạn như sau:

Giai đoạn 1: thời kỳ cổ đại đến 1900 (máy cơ khí, thiết bị nhiệt, máy điều tốc ly tâm của James Watt)

Giai đoạn 2: từ 1900 đến 1940 (điều khiển PID, lý thuyết điều khiển tự động: Maxwell, Routh, Hurwitz, và Lyaponov)

Giai đoạn 3: Giai đoạn 1940-1960 (điện tử, bán dẫn, các bộ lọc, lý thuyết ổn định, điều khiển tối ưu, sáng lập Hiệp hội Điều khiển Tự động Quốc Tế - IFAC)

Giai đoạn 4: Giai đoạn 1960-1995 (bộ lọc Kalman, điều khiển hiện đại tối ưu và thích nghi, hệ thống định vị toàn cầu GPS và hệ thống dẫn đường vệ tinh toàn cầu GLONASS, máy tính, bộ vi xử lý và bộ vi điều khiển, mở đầu thời kỳ Internet và mạng máy tính)

Giai đoạn 5: Giai đoạn 1995-nay (máy tính, Internet, kỹ thuật mạng không dây, kỹ thuật dải băng thông rộng, phần mềm, điều khiển bền vững, điều khiển phân tán, điều khiển lô gíc mờ và mạng nơ ron)

III. Kỹ sư điều khiển tự động sẽ làm việc ở đâu

Với những ứng dụng to lớn của lĩnh vực điều khiển tự động trong tất cả các ngành sản xuất công nghiệp, từ các hệ thống điều khiển DCS quá trình sản xuất như hóa chất, thực phẩm ; ví dụ như các nhà máy sản xuất nước ngọt, chế biến; các hệ thống điều khiển sản xuất, lắp ráp ví dụ như sản xuất ván dăm, sản xuất kính, gạch men, sản xuất xi măng, vật liệu xây dựng, các hệ thống điều khiển chuyển động, giao thông vận tải, điện lực, chinh phục không gian, robot, cơ điện tử, hàng hải, thủy lực, khí nén, y tế; một hướng mới hiện nay là kỹ sư điều khiển tự động có thể làm việc trong các hệ thống bảo vệ môi trường như các hệ thống SCAD tự động xử lý các chất thải trong các nhà máy công nghiệp v.v hay nói chung bất cứ lĩnh vực nào có máy móc hoạt động. Một trong những những nơi làm việc hiện nay rất thu hút đó là trở thành giáo viên giảng dạy trong các trường trung cấp, cao đẳng, đại học kỹ thuật trong toàn quốc.

Trên đây là những khái quát về lĩnh vực điều khiển tự động, hy vọng sẽ góp phần nhỏ cho những ai quan tâm và hiểu thêm về lĩnh vực điều khiển tự động.

Tài liệu tham khảo

[1]. Các chuyên san kỹ thuật điều khiển tự động- Tạp chí tự động hoá ngày nay.

[2]. Nguồn tài liệu: www.control.net

[3]. Nguyễn Doãn Phước – 2001: Lý thuyết điều khiển tự động – Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật .

[4]. K. Otaga-1995: Modern Control Engineering-Prentice Hall International Inc.