Giới thiệu về điều khiển tàu thủy

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.

Nguồn, đh hàng hải