Điều khiển tự động là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Điều khiển tự động là kỹ thuật sử dụng bộ điều khiển, cảm biến và phần tử chấp hành để tự động điều chỉnh biến đầu ra theo giá trị mục tiêu mà không cần thao tác thủ công liên tục. Kỹ thuật này đảm bảo độ chính xác, ổn định và hiệu suất cao cho hệ thống trong công nghiệp, ô tô, hàng không và robot thông qua phản hồi và thuật toán phù hợp.

Tóm tắt

Điều khiển tự động (automatic control) là lĩnh vực kỹ thuật nghiên cứu các hệ thống tự điều chỉnh hành vi dựa trên phản hồi nhằm duy trì hoặc đạt được giá trị mong muốn của biến đầu ra mà không cần can thiệp thủ công liên tục. Hệ thống điều khiển nhận tín hiệu đo từ cảm biến, so sánh với giá trị tham chiếu, và dùng bộ điều khiển tính toán lệnh hiệu chỉnh qua phần tử chấp hành để giảm thiểu sai lệch.

Ứng dụng điều khiển tự động phổ biến trong công nghiệp (điều khiển nhiệt độ, áp suất, lưu lượng), ô tô (hệ thống phanh ABS, điều khiển động cơ), hàng không (autopilot) và robot, giúp tăng độ chính xác, ổn định và hiệu suất hệ thống. Thiết kế thuật toán điều khiển phù hợp và phân tích độ ổn định là then chốt để đảm bảo hệ hoạt động an toàn và bền vững.

Khái niệm điều khiển tự động

Điều khiển tự động là quá trình sử dụng các bộ phận cơ điện tử (cảm biến, bộ điều khiển, phần tử chấp hành) kết hợp với thuật toán để tự động điều chỉnh biến đầu ra y(t) sao cho khớp với tín hiệu tham chiếu r(t). Sai lệch e(t)=r(t)–y(t) được dùng làm cơ sở tính toán lệnh điều chỉnh u(t).

Trong kiến trúc điển hình của hệ thống điều khiển vòng kín (closed-loop), tín hiệu đầu vào r(t) và tín hiệu phản hồi y(t) được đưa vào bộ điều khiển, sau đó lệnh điều khiển u(t) được chuyển đến phần tử chấp hành để tác động lên quá trình (plant). Chu trình này được lặp lại liên tục để giữ độ sai lệch ở mức tối thiểu.

Khác với điều khiển vòng hở (open-loop) không sử dụng phản hồi, điều khiển tự động vòng kín có khả năng bù đắp nhiễu và biến thiên tải, làm tăng độ ổn định và độ chính xác của hệ thống ngay cả khi điều kiện làm việc thay đổi bất ngờ.

Các thành phần cơ bản

Một hệ thống điều khiển tự động thường gồm bốn thành phần chính:

  • Cảm biến (Sensor): đo lường biến đầu ra (nhiệt độ, áp suất, vị trí, tốc độ…) và chuyển đổi thành tín hiệu điện.
  • Bộ điều khiển (Controller): xử lý sai lệch giữa tham chiếu và phản hồi, có thể là thuật toán PID, LQR, fuzzy logic hoặc MPC.
  • Phần tử chấp hành (Actuator): động cơ, van thủy lực, bơm hoặc bộ truyền động điện để thực hiện lệnh điều khiển.
  • Quá trình (Plant): hệ động lực học cần điều khiển, có thể là lò hơi, máy móc công nghiệp hoặc máy bay.

Các thành phần này liên kết qua hệ thống truyền thông (bus fieldbus, mạng công nghiệp) hoặc PLC/nhúng để trao đổi tín hiệu và đảm bảo thời gian thực. Việc lựa chọn cảm biến và phần tử chấp hành phù hợp ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác và tốc độ đáp ứng của hệ.

Phân loại hệ điều khiển

Theo cấu trúc, hệ điều khiển chia làm hai nhóm chính:

  • Điều khiển vòng hở (Open-loop): tín hiệu điều khiển u(t) được tính toán mà không dùng phản hồi; thích hợp với quá trình ổn định, ít nhiễu.
  • Điều khiển vòng kín (Closed-loop): sử dụng phản hồi y(t) để điều chỉnh u(t), giúp bù nhiễu và biến thiên tải.

Theo thuật toán, điều khiển vòng kín lại bao gồm:

  1. Cổ điển (PID): phối hợp ba thành phần tỉ lệ, tích phân và đạo hàm để điều chỉnh sai lệch.
  2. Tối ưu (LQR, H∞): dùng mô hình trạng thái và giải bài toán tối ưu để cân bằng sai lệch và nỗ lực điều khiển.
  3. Thích ứng (Adaptive): tự động điều chỉnh tham số khi đặc tính hệ thay đổi.
  4. Mờ (Fuzzy): áp dụng logic mờ để xử lý hệ phi tuyến và dữ liệu bất định.
  5. Dựa trên mô hình (MPC): dự báo động học theo mô hình, tối ưu lệnh điều khiển trên khoảng thời gian nhất định.

Bảng so sánh sơ bộ giữa điều khiển vòng hở và vòng kín:

Tiêu chíVòng hởVòng kín
Phản hồiKhông sử dụngCó sử dụng
Khả năng bù nhiễuKémTốt
Độ ổn địnhPhụ thuộc quá trìnhỔn định hơn
Độ phức tạpThấpCao

Phương pháp thu thập dữ liệu

Dữ liệu trong điều khiển tự động thường được thu thập từ một số nguồn:

  • Cảm biến trực tiếp: đo các biến quá trình như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, vị trí, vận tốc.
  • Bộ chuyển đổi tín hiệu: chuyển đổi tín hiệu analog thành digital thông qua bộ A/D với tần số lấy mẫu ≥ 10 lần băng thông hệ.
  • Hệ thống SCADA/PLC: thu thập và lưu trữ dữ liệu vận hành cho phân tích sau.
  • Thiết bị IoT: cảm biến không dây gửi dữ liệu thời gian thực đến đám mây để phân tích big data.

Phân tích dữ liệu và tối ưu hóa

Dữ liệu thu thập được xử lý và phân tích để tinh chỉnh tham số điều khiển:

  1. Phân tích tín hiệu: loại bỏ nhiễu tần số cao bằng lọc digital (FIR/IIR), tính đặc trưng như RMS, FFT.
  2. Ước lượng mô hình: xác định tham số hệ bằng phương pháp bình phương tối thiểu (Least Squares) hoặc tối đa hợp lý (MLE).
  3. Tối ưu tham số: sử dụng thuật toán di truyền (GA), swarm intelligence để tìm KP, KI, KD tối ưu.

Machine learning và AI được ứng dụng để dự báo và điều khiển thích ứng, ví dụ sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) để ước lượng mô hình phi tuyến và fuzzy logic để điều khiển trong môi trường nhiều nhiễu.

Chuẩn an toàn và công nghiệp 4.0

Hệ thống điều khiển tự động phải tuân thủ tiêu chuẩn an toàn như IEC 61508 (SIL), IEC 61499 cho hệ phân tán. Các chức năng an toàn (Safe Instrumented Functions) độc lập với hệ điều khiển chính, đảm bảo tắt khẩn cấp khi có lỗi.

Theo xu hướng Công nghiệp 4.0, điều khiển tích hợp với IoT, Edge Computing và digital twin cho phép mô phỏng và tối ưu hệ thống trước khi triển khai thực tế, giảm thời gian bảo trì và nâng cao hiệu quả vận hành IIC.

Thách thức và xu hướng tương lai

Điều khiển tự động đang đối mặt với thách thức:

  • Hệ phi tuyến mạnh: yêu cầu thuật toán phức tạp như MPC phi tuyến, adaptive robust control.
  • Bảo mật thông tin: bảo vệ hệ điều khiển khỏi tấn công mạng (cybersecurity).
  • Tự động hóa nâng cao: tích hợp AI để tự điều chỉnh mô hình và thuật toán trong thời gian thực.

Xu hướng tương lai bao gồm:

  • Điều khiển tự trị (autonomous control) cho robot di động và phương tiện tự lái.
  • Hệ điều khiển phân tán (distributed control systems) với blockchain để đảm bảo tính toàn vẹn dữ liệu.
  • Tối ưu hóa vòng kín kết hợp digital twin và công nghệ AR/VR cho bảo trì và đào tạo vận hành.

Tài liệu tham khảo

  1. Lee J., Bagheri B., Kao H. A. “A Cyber-Physical Systems architecture for Industry 4.0-based manufacturing systems.” Manufacturing Letters 3, 2015. Link
  2. Frank P. M. “Fault diagnosis in dynamic systems using analytical and knowledge-based redundancy—A survey and some new results.” Automatica 26(3), 1990. Link
  3. IEC. IEC 61508 Functional Safety. International Electrotechnical Commission, 2010.
  4. IEC. IEC 61499 Function Blocks. International Electrotechnical Commission, 2012.
  5. IIC. Industrial Internet Reference Architecture. Industrial Internet Consortium, 2017. Link

Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề điều khiển tự động:

Mô Phỏng Thiết Kế Bộ Điều Khiển Mờ cho Robot Di Động
Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Đại học Đà Nẵng - - Trang 48-51 - 2015
Bài báo miêu tả thiết kế bộ điều khiển (BDK) mờ dựa trên tín hiện cảm biến từ robot di động nhằm giúp robot có thể di chuyển tránh chướng ngại vật. Trong các thí nghiệm, ngõ vào của BDK là tín hiệu nhận được từ cảm biến siêu âm lắp trên robot; ngõ ra là vận tốc mong muốn. Bộ luật điều khiển mờ được thiết kế bằng phương pháp lỗi và thử nghiệm (trial and error). Thí nghiệm được mô phỏng trên phần mề...... hiện toàn bộ
#robot di động #điều khiển thông minh #bộ điều khiển mờ #di chuyển bám tường #tránh né chướng ngại vật
Lập kế hoạch chiến lược tránh va chạm khẩn cấp dựa trên vùng cá nhân cho tương tác an toàn giữa người và máy trong hệ thống vật lý ảo thông minh Dịch bởi AI
Complexity - - 2022
Sự tiếp xúc giữa con người là một vấn đề chính trong các tương tác xã hội đối với các hệ thống tự động, bởi vì robot đang ngày càng xuất hiện ở khắp nơi, điều này dẫn đến nguy cơ xung đột cao hơn. Đặc biệt trong thế giới thực, các va chạm giữa con người và máy móc có thể dẫn đến các tai nạn thảm khốc hoặc hàng hóa bị hư hại. Bài báo này đề xuất một chiến lược dừng mới liên quan đến các hệ thống tự...... hiện toàn bộ
#tránh va chạm #tương tác người-máy #hệ thống vật lý ảo thông minh #điều khiển tự động #NASA
PHÂN TÍCH SỰ TĂNG CƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ SỐ PHI TUYẾN KERR CỦA MÔI TRƯỜNG NGUYÊN TỬ BA MỨC CHỮ V MỞ RỘNG KHÔNG ĐỒNG NHẤT
Biểu thức giải tích của hệ số phi tuyến Kerr trong môi trường nguyên tử ba mức chữ V đã được dẫn ra trong sự có mặt của hiệu ứng Doppler. Dựa vào các kết quả giải tích, chúng tôi đã phân tích được sự tăng cường và điều khiển hệ số phi tuyến Kerr dưới điều kiện trong suốt cảm ứng điện từ. Nó cho thấy rằng, hệ số phi tuyến Kerr được tăng cường đáng kể xung quanh tần số cộng hưởng của cả chùm dò và c...... hiện toàn bộ
#Các hiệu ứng giao thoa lượng tử #Hiệu ứng phi tuyến Kerr #Hiệu ứng trong suốt cảm ứng điện từ #Nguyên tủ V bậc ba #Mô hình phân tích #Sự giao thoa và kết hợp lượng tử.
XÂY DỰNG MÔ HÌNH PHẢN HỒI TRẠNG THÁI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
TNU Journal of Science and Technology - Tập 204 Số 11 - Trang 47-51 - 2019
Ngày nay trong thời kỳ công nghiệp hóa hiện đại hóa các dây chuyền sản xuất, động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc đang được sử dụng rộng rãi do có cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ, dễ chế tạo, quá trình vận hành an toàn và tin cậy. Trong phạm vi bài báo này nhóm tác giả đã nghiên cứu phương pháp điều khiển phản hồi trạng thái và kiểm nghiệm được ứng dụng của phương pháp này vào động cơ không đồng b...... hiện toàn bộ
#Automatic control #asynchronous rotor rotor squirrel #status feedback #control #linearization
Hệ thống IoT cho quan trắc tự động chất lượng không khí dựa trên chỉ số VN_AQI
Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Đại học Đà Nẵng - - Trang 19-24 - 2021
Hiện nay, các hệ thống quan trắc chất lượng không khí đang thu hút được sự quan tâm nghiên cứu và ứng dụng. Trong bài báo này, nhóm tác giả đề xuất hệ thống IoT cho quan trắc tự động chất lượng không khí. Hệ thống bao gồm các trạm cảm biến không dây để thu thập các thông số không khí (như CO, SO2, PM2.5,…) và truyền dữ liệu này đến webserver thông qua mạng 3G/4G. Hệ thống cho phép người dùng có th...... hiện toàn bộ
#Giám sát chất lượng không khí #Kết nối vạn vật #Giám sát và điều khiển #Hệ thống giám sát môi trường #chỉ số chất lượng không khí Việt Nam
ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO VÀ CẢM BIẾN LỰC ĐỂ CHẾ TẠO BỘ THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT LỰC TỪ TÁC DỤNG LÊN ĐOẠN DÂY DẪN THẲNG CÓ DÒNG ĐIỆN
Tạp chí Khoa học Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh - Tập 17 Số 8 - Trang 1327 - 2020
Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu nhằm chế tạo một bộ thí nghiệm cho phép khảo sát lực do từ trường của một nam châm điện chữ U tác dụng lên dòng điện chạy trong các đoạn dây của một cạnh khung dây hình chữ nhật bằng cách sử dụng cảm biến lực và vi điều khiển Arduino. Bộ thí nghiệm có khả năng đo đạc giá trị lực tương tác từ tự động, liên tục với độ sai biệt giữa giá trị tính theo lí thuy...... hiện toàn bộ
#tương tác từ #dòng điện thẳng #Arduino #cảm biến lực #thiết bị thí nghiệm
Các thuật toán tiến hóa và ứng dụng trong điều khiển tự động.
Tạp chí tin học và điều khiển học - Tập 17 Số 3 - Trang 1-14 - 2012
-
ĐIỀU KHIỂN MÁY TÍNH TRONG CÁC HỆ THỐNG TƯƠNG TÁC NGƯỜI MÁY BẰNG CỬ ĐỘNG CỦA BÀN TAY
Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự - Số CSCE5 - Trang 42-48 - 2021
Máy tính đã trở nên phổ biến trong những năm gần đây. Các hình thức tương tác giữa con người với máy tính càng ngày càng đa dạng. Việc điều khiển máy tính không chỉ thông qua chuột và bàn phím mà trong nhiều trường hợp con người cần thiết điều khiển máy tính thông qua ngôn ngữ và biểu diễn của cơ thể. Đối với một số người khiếm khuyết về cơ thể thì việc điều khiển máy tính thông qua cử động bàn ta...... hiện toàn bộ
#Human-machine interaction; Gesture recognition; Body language; Movement of hands.
NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG HỆ HỤT CƠ CẤU CHẤP HÀNH CÓ LIÊN KẾT ĐÀN HỒI
TNU Journal of Science and Technology - Tập 227 Số 08 - Trang 475-481 - 2022
Trong các nghiên cứu trước đây, tác giả đã tìm hiểu, xây dựng mô hình toán học của hệ thống robot khớp mềm với hai bậc tự do và thiết kế bộ điều khiển chế độ trượt để so sánh với bộ điều khiển tuyến tính cơ bản. Mục đích điều khiển để tìm ra điểm làm việc tối ưu hơn bộ điều khiển trượt truyền thống và xử lý được các yếu tố bất định đến từ mô hình cũng được xem xét. Trong bài báo này tác giả đề xu...... hiện toàn bộ
#Control #Joint #Robot #Fractional order sliding control #Lack of executive structure
Điều khiển tự thích nghi hệ động lực tuyến tính có cấu trúc và thông số không thay đổi
Tạp chí tin học và điều khiển học - Tập 10 Số 3 - 2016
A self-tuning adaptive control algorithm based on the modified variational method and  the choosing an appropriate regulator is proposed for system with unknown order and coeeficient.
Tổng số: 164   
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5
  • 6
  • 10

Chủ đề khác

#chương trình giảng dạy

Chương trình giảng dạy là gì? Nghiên cứu khoa học liên quan

#chân không

Chân không là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

#dây rốn

Dây rốn là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

#nghiên cứu can thiệp

Nghiên cứu can thiệp là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học

#chuyển động mắt

Chuyển động mắt là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

#khả năng kiểm soát

Khả năng kiểm soát là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

#tín hiệu sinh học

Tín hiệu sinh học là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

#hệ thống y tế

Hệ thống y tế là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

#trà túi lọc

Trà túi lọc là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

#bức xạ điện từ

Bức xạ điện từ là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan


Xem thêm