|
Những bài cùng tác giả
Tàu thủy là phương tiện giao thông hoạt động trong môi trường nước.
Nếu phân loại theo vị trí làm việc trong nước thì có thể gồm tàu nổi
mặt nước (surface ships), tàu ngầm (submarines) và phương tiện ngầm
(underwater vehicles), trong đó tàu nổi mặt nước và tàu ngầm thường
được coi là phương tiện trên biển có người lái, còn phương tiện ngầm
được coi là có kích thước nhỏ hoạt động ngầm không có người lái,
thường được điều khiển từ xa. Có thể nói rằng con người đã tạo ra
tàu thủy (thuyền) từ rất lâu và do vậy các hệ thống lái cũng đã trải
qua một quá trình phát triển lâu dài. Trong phần này người viết khái
quát một số nét về lịch sử phát triển điều khiển tàu thủy.
|
Trong lịch sử phát triển tàu thủy, những con tàu đầu tiên của con
người có lẽ là những chiếc thuyền gỗ nhỏ. Có nhiều loại thuyền gỗ,
những chiếc thuyền gỗ đầu tiên được đóng bằng các tấm gỗ ghép lại.
Để di chuyển được trên mặt nước con người từ chỗ sử dụng mái chèo đã
biết tận dụng sức gió bằng những cách buồm. Máy chèo và cánh buồm
vừa làm nhiệm vụ đẩy thuyền, vừa làm nhiệm vụ điều chỉnh thuyền theo
hướng đi đã định. Như vậy có thể nói bộ phận lái đầu tiên cho tàu
thủy là mái chèo và cách buồm.
Khi con người đã làm được con thuyền lớn, đã tận dụng sức gió để đẩy
thuyền đồng thời dùng cánh buồm để di chuyển thuyền theo hướng đi
mong muốn. Sau đó người ta đã phát minh ra bánh lái đơn giản là một
tấm gỗ đặt ở phần giữa của đuôi thuyền, nối với một tay cầm (cán gỗ)
và được đẩy đi đẩy lại sang hai bên giống đuôi cá để điều khiển
hướng đi của thuyền. Bánh lái được kết hợp với cánh buồm để điều
khiển thuyền theo hướng đi mong muốn của mình. Khi sử dụng bánh lái
đơn giản được nối với một tay cầm chúng ta thấy muốn điều khiển
thuyền sang phải thì phải đẩy tay cầm sang bên trái, và ngược lại
muốn điều khiển thuyền sang trái thì phải đẩy tay cầm sang trái.
Điều khiển thuyền, đặc biệt là những con thuyền buồm lớn như vậy
thấy "ngược tay và vất vả quá" nên con người đã thiết kế ra vô lăng
lái (tay cầm hình tròn) qua một hệ thống truyền động để có thể lái
tàu sang phải bằng cách quay vô lăng sang phải, lái tàu sang trái
bằng cách quay vô lăng sang trái. Và đó là hệ thống máy lái của tàu
có chút 'cơ giới hóa'.
Nếu các bạn đọc các sách và xem phim ảnh về lịch sử ngành hàng hải
thì các bạn thấy rằng thời kỳ phát triển mạnh nhất của ngành hàng
hải bắt đầu từ thế kỷ thứ 15, khi các thuyền buồm bằng gỗ cỡ lớn có
thể chạy được nhiều ngày trên biển, và mở ra thời kỳ thám hiểm hàng
hải. Các đội thuyền buồm mạnh nhất thời bấy giờ là đội thuyền của
Tây Ban Nha, Bồ Đào Nha và Anh. Các cuộc thám hiểm và chinh phục các
thuộc địa bằng thuyền buồm (gỗ) liên tiếp cho tới thế kỷ 19 khi tàu
sắt thay thế thuyền gỗ. Thời kỳ này là thời kỳ lái tàu bằng hệ thống
lái vô lăng truyền động cơ học và sử dụng la bàn, thời kế, sextant
và các bảng lịch thiên văn để điều khiển thuyền buồm. Một số nhà
thám hiểm hàng hải nổi tiếng thời bấy giờ có thể kể đến Magellan,
Zheng Ho (Trung Quốc), Colombus, và James Cook.
Vào cuối thế kỷ thứ 18 và đầu thế kỷ thứ 19, sự xuất hiện của máy
hơi nước, của tàu sắt vá máy phát điện đã tạo ra một cuộc cách mạng
công nghiệp ở Châu Âu, kéo theo sự ra đời của tàu sắt cỡ lớn chạy
bằng hơi nước. Sự phát triển từ thuyền buồm bằng gỗ sang tài sắt
chạy máy hơi nước đã nảy sinh nhu cầu phát triển hệ thống lái tốt
hơn và phương pháp xác định trị trí tàu tốt hơn. Vào giữa thế kỷ thứ
19, nhà khoa học người Pháp J.B.L. Foucault tiến hành thí nghiệm với
một bánh đà quay gắn trên các vòng các đăng (các vòng tròn nối khớp
với nhau và nối với trục của bánh đà để bánh đá có thể quay tự do
theo các hướng). Thiết bị bánh đà quay trên vòng các đăng này được
gọi là con quay (gyroscope). Qua thí nghiệm Foucault phát
hiện ra đặc điểm quan trọng của con quay là khi nó tự quay nó vẫn
duy trì hướng ban đầu của nó trong không gian mà không phụ thuộc vào
chiều quay của trái đất. Từ thí nghiệm này đã mở đầu cho phát minh
ra la bàn con quay điện vào năm 1890 do G.M. Hopkins.
Sự ra đời của con quay điện đã làm phát sinh nhu cầu sử dụng con
quay để tạo ra la bàn con quay dùng trong việc điều khiển tàu sắt và
tàu ngầm vì khi sử dụng tàu sắt, la bàn từ trên tàu sắt bị ảnh hưởng
của các nguồn từ trên tàu sắt, tàu ngầm và các thiết bị điện trên
đó. La bàn điện (la bàn con quay) đã được hai người, H. Anschutz của
Đức và E. Sperry của Mỹ (xem lịch sử hãng
Sperry Marine), cùng đồng thời phát minh vào đầu thế kỷ 20 (1908
Anschutz được cấp bằng sáng chế la bàn con quay chỉ hướng bắc, 3 năm
sau E. Sperry đựơc cấp bằng sáng chế về ballistic compass).
La bàn con quay ra đời đã kích thích các nhà nghiên cứu tiếp tục
phát minh ra máy lái tự động cho tàu sắt. Chiếc máy lái tự động
(autopilot) đầu tiên do Sperry chế tạo đã ra đời vào năm 1911 với
tên gọi "Metal Mike". Chiếc máy lái tự động đầu tiên này của Sperry
được gọi là máy lái tự động do con quay chỉ đạo
(gyroscope-guided autopilot), hay còn gọi là người lái tàu cơ khí
"bắt chước" theo cách lái của một thủy thủ lành nghề sử dụng nguyên
lý điều khiển phản hồi và điều chỉnh khuếch đại tự động.
Sau đó hơn 10 năm, vào năm 1922, Nicholas Minorsky (1885-1970) đã
trình bày phân tích chi tiết cho hệ thống điều khiển phản hồi vị trí
mà ông gọi là luật điều khiển ba số hạng, ngày nay chúng ta gọi là
điều khiển tỷ lệ tích phân vi phân (PID). Máy lái tự động do Sperry
và Minorsky chế tạo là những hệ thống điều khiển một đầu vào một đầu
ra (SISO), trong đó hướng tàu được đo bằng la bàn con quay. Đến ngày
nay, máy lái tự động PID dùng để điều khiển hướng tàu sau gần một
thế kỷ đã phát triển thành nhiều loại máy điều khiển khác nhau trên
tàu.
Từ thập niên 20s và 30s, đặc biệt trong chiến tranh thế giới thứ
hai, đã có những phát triển mạnh về hệ thống điều khiển tàu biển và
hệ thống dẫn đường. Máy tính phát triển và cũng đã được áp dụng vào
kỹ thuật điều khiển các phương tiện trên biển, đặc biệt tàu ngầm.
Hình sau cho thấy những mốc thời gian quan trọng trong quá trình
phát triển hệ thống điều khiển tự động.
 |
| Hình 1: Sơ đồ
biểu diễn sự phát triển từ máy lái tự động đầu tiên tới
những hệ thống điều khiển tàu hiện đại (Fossen 2002) và
khuynh hướng phát triển |
Ngoài hệ thống máy lái tự động dùng để điều khiển hướng tàu, các hệ
thống điều khiển vị trí động cũng được phát triển nhằm giúp cho việc
duy trì vị trí tàu phục vụ các công tác truyền tải, tiếp nhiên liệu
và lắp đặt đường ống cáp quang và các thiết bị ngầm. Ngày càng nhiều
các thuật toán điều khiển khác nhau được áp dụng vào điều khiển tự
động các phương tiện trên biển.
Ngày nay bằng kĩ thuật vệ tinh, Internet và kỹ thuật không dây, kỹ
thuật thông tin dải băng rộng và qua hệ thống vệ tinh nhân tạo cùng
những tiến bộ khác trong ngành công nghệ thông tin nên sẽ có những
máy móc điều khiển từ xa thu phát và nhận tín hiệu qua vệ tinh. Hệ
hệ thống điều khiển tự động cho các phương tiện vẫn đang tiếp tục
phát triển với những xu hướng mới.
Trong nghiên cứu và phát triển hệ thống điều khiển tự động cho các
phương tiện trên biển, chúng ta cần hiểu một số khái niệm sau
(Fossen 2002):
--Chỉ đạo (Guidance):-- là hành động hoặc hệ thống tính toán liên
tục các vị trí. tốc độ và gia tốc mong muốn của tàu được dùng trong
hệ thống điều khiển. Những dữ liệu này thường được cung cấp cho
người vận hành (human operator) và hệ thống hành hải. Những thành
phần cơ bản của một hệ thống chỉ đạo gồm các bộ cảm biến chuyển động
(motion sensors), các dữ liệu bên ngoài như dữ liệu thời tiết (tốc
độ và hướng gió, độ cao và độ dốc của sóng, tốc độ và hướng dòng
chảy, v.v…) và máy tính. Máy tính thu thập và xử lý thông tin, và
cung cấp kết quả cho hệ thống điều khiển của tàu. Trong nhiều trường
hợp, những kỹ thuật tối ưu hóa cao cấp được dùng để tính toán quỹ
đạo hoặc tuyến hành trình tối ưu cho tàu đi theo. Có thể hệ thống
này còn bao gồm những đặc điểm phức tạp như tối ưu hóa nhiên liệu,
chạy tàu theo thời gian nhỏ nhất, tuyến hành trình theo thời tiết,
tránh va chạm, điều khiển theo đội hình (formation control) và đảm
bảo lịch trình.
--Dẫn đường (Navigation):--(*) Dẫn đường là một khoa học chỉ dẫn cho
một phương tiện chuyển động bằng cách xác định vị trí, hướng chạy và
khoảng cách mà phương tiện đã chạy được. Trong một số trường hợp tốc
độ và gia tốc cũng được xác định. Việc dẫn đường này thường được
tiến hành bằng cách dùng hệ thống dẫn đường vệ tinh (satellite
navigation system) kết hợp với những bộ cảm biến chuyển động như máy
đo gia tốc và con quay. Hệ thống dẫn đường cao cấp nhất cho ứng dụng
trong ngành hàng hải là hệ thống dẫn đường quán tính (inertial
navigation system, INS). Từ “dẫn đường” (navigation) có gốc từ tiếng
La tinh, navis nghĩa là “tàu” (ship) và agere nghĩa là “lái” (to
drive). Từ này có nghĩa gốc là mô tả nghệ thuật lái tàu, bao gồm cả
lái tàu (steering) và việc sử dụng các cánh buồm (setting the
sails). Kỹ năng này còn cổ xưa hơn chính bản thân từ đó rất nhiều và
nó đã tiến hóa nhiều trong suốt lịch sử nhiều thế kỷ qua thành một
bộ môn khoa học kỹ thuật bao gồm cả việc lập kế hoạch (planning) và
thực hiện vận hành một cách an toàn, đúng thời gian và kinh tế các
tàu biển, phương tiện ngầm, máy bay và tàu vũ trụ.
--Ðiều khiển (Control):-- là hành động xác định những lực và mô men
điều khiển cần thiết do tàu cung cấp nhằm đáp ứng mục tiêu điều
khiển (control objective). Mục tiêu điều khiển mong muốn thường được
xem xét trong mối liên quan với hệ thống chỉ đạo. Những ví dụ về mục
tiêu điều khiển là giảm thiểu năng lượng (minimum energy), điều
chỉnh tín hiệu đặt (set-point regulation), truy theo quỹ đạo
(trajectory tracking), chạy theo tuyến hành trình (path following),
và điều động (maneuvering) .v.v… Việc xây dựng thuật toán điều khiển
liên quan đến việc thiết kế các quy luật điều khiển phản hồi
(feedback) và nuôi thuận (feedforward). Tín hiệu ra của những hệ
thống dẫn đường, vị trí, tốc độ và gia tốc, được dùng điều khiển
phản hồi trong khi điều khiển nuôi thuận được thực hiện bằng cách
dùng những tín hiệu có sẵn trong hệ thống chỉ đạo và những bộ cảm
biến bên ngoài.
--Ví dụ 1.1--
Hình sau minh họa khái niệm hệ thống điều động tự động tìm kiếm và
cứu trợ trên biển. Ý tưởng của hệ thống này được hình thành từ hai
tai nạn của tàu biển Dury và Pioneer với sự ra đi vĩnh viễn của 18
thuyền viên tàu Dury và 12 thuyền viên của tàu Pioneer (hai tàu
thuộc các công ty Hàn Quốc thuê thuyền viên Việt Nam) năm 2004 và
2005. Tàu Dury bị đắm ở vùng biển Hàn Quốc (Biển Vàng) và tàu
Pioneer bị đắm ở vùng biển phía đông giữa Hàn Quốc và Bắc Triều
Tiên. Thuyền viên làm việc trên hai tàu là các đồng nghiệp và có
người là bạn học cùng khóa của người viết bài này. Thuật toán điều
khiển này đã được công thức hóa và kiểm chứng bằng mô phỏng máy
tính, kết quả mô phỏng được trình bày trong Nguyễn (2004, 2007).
Thuật toán điều khiển dựa trên phương pháp ước lượng đệ quy, điều
khiển tối ưu và kỹ thuật điểm chuyển hướng như được minh họa trong
hình dưới. Giả thiết rằng có thể thu được vị trí tàu chính xác bằng
máy thu GPS và GPS vi phân (DGPS).
 |
| Hình 2: Khái
niệm hệ thống điều động tự động làm nhiệm vụ tìm kiếm và
cứu trợ (Nguyen 2004, 2007) |
Hệ thống này có ba hệ con: hệ con chỉ đạo (guidance), hệ con dẫn
đường (navigation) và hệ con điều khiển (control). Hệ con chỉ đạo có
nhiệm vụ tính toán vị trí khởi điểm tiến hành tìm kiếm và cứu trợ
dựa trên kiểu mẫu tìm kiếm do IMO quy định mà đã được đưa vào cơ sở
dữ liệu của hệ thống, tính toán hướng chạy tàu, tốc độ chạy tàu tìm
kiếm và các thông số khác. Hệ con dẫn đường có nhiệm vụ nhận tín
hiệu từ vệ tinh hệ thống GNSS và từ trạm D-GNSS để có vị trí chính
xác, trường hợp không có vị trí chính xác hệ con dẫn đường này sẽ sử
dụng kỹ thuật ước lượng, quan sát và lọc để có vị trí ước lượng. Hệ
con điều khiển có nhiệm vụ tổng hợp các thông tin và tính toán tín
hiệu điều khiển để điều khiển tàu tự động theo kiểu mẫu tìm kiếm.
(*) Từ navigation có nguyên gốc là hàng hải, nghĩa là dẫn tàu
thuyền chạy trên biển. Từ này có nguồn gốc từ tiếng La Tinh (trong
thần thoại Hy Lạp có nhắc đến một con thuyền mang tên Argo Navis, mà
một số phần của con thuyền này trở thành
các chòm sao trên bầu trời). Ngày nay từ này đã được mở rộng
nghĩa và không còn chỉ mang nghĩa hàng hải mà còn mang nghĩa dẫn
đường (xác định vị trí và điều khiển) cho các phương tiện khác như ô
tô (chúng ta có GPS navigator dùng cho xe ô tô), máy bay và vũ trụ.
Từ này cũng còn được dùng đặt tên cho cả chương trình phần mềm
(trình duyệt Internet) Navigator!
http://www.dieukhien.net/vn/index.php?arid=1017
|
©
http://vietsciences.free.frr
và http://vietsciences.org
Nguyễn Đức Hùng
|