Giáo trình điều khiển số

Kỹ thuật điều khiển là một lĩnh vực kỹ thuật đặc biệt, bởi vì nó gắn liền với nhiều
ngành khoa học nghiên cứu về các hệ thống động rất đa dạng về bản chất, như các hệ
thống cơ khí, điện – điện tử, các quá trình hóa học và sinh học, và cả các hệ thống kinh
tế, chính trị và xã hội. Vì vậy, phạm vi ứng dụng của kỹ thuật điều khiển cũng rất rộng
lớn, từ các lĩnh vực kỹ thuật như năng lượng điện, điện tử, viễn thông, cơ khí,…, đến
các vấn đề mang tính xã hội.
Lý thuyết điều khiển cổ điển tập trung vào các vấn đề của điều khiển phản hồi,
những cơ sở toán học của lý thuyết điều khiển phản hồi đã xuất hiện từ thế kỷ 19 như
mô hình phương trình vi phân của các hệ thống động, lý thuyết về tính ổn định, các
phương pháp phân tích trong miền tần số,…, nhưng mãi đến thập niên 60 của thế kỷ 20
mới được coi là giai đoạn phát triển thực sự của lý thuyết điều khiển cổ điển với sự ra
đời của các công cụ phân tích và thiết kế hệ thống. Đặc điểm cơ bản của lý thuyết điều
khiển cổ điển là việc sử dụng các phương pháp trong miền tần số, dựa trên phép biến
đổi Laplace. Chính do đặc điểm đó nên lý thuyết điều khiển cổ điển chỉ thích hợp cho
các hệ thống tuyến tính bất biến.
Việc thiết kế các hệ thống điều khiển phi tuyến rất phức tạp, ví dụ như hệ thống
điều khiển quỹ đạo của vệ tinh nhân tạo, vượt quá khả năng của các phương pháp cổ
điển. Các phương pháp trong miền thời gian, sử dụng mô hình biến trạng thái, đã vượt
qua được những hạn chế của lý thuyết điều khiển cổ điển khi đối mặt với các hệ thống
phi tuyến. Với sự phát triển mạnh mẽ của các lĩnh vực ứng dụng của điều khiển phi
tuyến như trong kỹ thuật hàng không vũ trụ hay robotics, vai trò của các phương pháp
trong miền thời gian cũng trở nên ngày càng chiếm ưu thế so với các phương pháp
trong miền tần số trong kỹ thuật điều khiển hiện đại. Ngày nay, thật khó tưởng tượng
việc xây dựng một hệ thống điều khiển nếu thiếu đi máy tính hay các bộ vi điều khiển.
Các lý thuyết của điều khiển số gắn liền với sự ra đời của máy tính, và cùng với sự phổ
biến ngày càng rộng rãi của các hệ thống điều khiển sử dụng máy tính, điều khiển số đã
trở thành lĩnh vực quan trọng hàng đầu của kỹ thuật điều khiển.
Cuốn sách này được biên soạn với mục đích làm tài liệu giáo khoa cho sinh viên
các chuyên ngành kỹ thuật. Phần lớn nội dung của sách được biên soạn dựa trên hai
cuốn sách được chọn làm giáo trình chính cho môn học kỹ thuật điều khiển bậc đại học
tại nhiều trường đại học lớn trên thế giới và Việt Nam là Digital Control Systems của
Ioan D. Landau and Gianluca Zito và Giáo trình Điều Khiển Số của Lại Khắc Lãi và
Phạm Như Hiền. Các lý thuyết điều khiển được giới thiệu ở đây là những lý thuyết
3
chung, có thể áp dụng cho nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ khác nhau chứ không
thiên về một chuyên ngành nào. Nội dung trong sách được chia làm bốn phần chính:
Hệ thống điều khiển số và phép biến đổi Z (Chương 1), phần này cung cấp khái niệm
cơ bản của hệ điều khiển số, các dạng tín hiệu, phép biến đổi Laplace, phép biến đổi Z
và giới thiệu một số hệ điều khiển số; Mô tả toán học hệ điều khiển số (Chương 2),
phần này mô tả toán học hệ điều khiển số bằng: phương trình sai phân, hàm truyền đạt,
phương trình trạng thái; Khảo sát ổn định và phân tích hệ điều khiển số (Chương 3),
phần này các tiêu chuẩn ổn định đại số: tiêu chuẩn Routh-Hurwitz mở rộng, tiêu chuẩn
Jury, quỹ đạo nghiệm số, chất lượng hệ thống rời rạc, tính điều khiển được và quan sát
được,…cũng được giới thiệu; Cuối cùng, Thiết kế hệ thống điều khiển số, phần này là
các phương pháp thiết kế: quỹ đạo nghiệm số, điều khiển hồi tiếp trạng thái, điều khiển
PID, điều khiển số động cơ một chiều,…
Một phần rất quan trọng thường có trong các môn học về kỹ thuật điều khiển là
giới thiệu cho sinh viên các công cụ phân tích, thiết kế và mô phỏng hệ thống điều
khiển trên máy tính. Điều đó sẽ giúp môn học trở nên lý thú hơn và có tính thực tiễn
cao hơn. Trong cuốn sách này, phần mềm MATLAB của hãng MathWorks và bộ
chương trình Control System Toolbox của MATLAB được chọn làm công cụ thực
hành. MATLAB là bộ phần mềm tính toán phục vụ cho nhiều lĩnh vực kỹ thuật khác
nhau, vì vậy phần lớn sinh viên các chuyên ngành kỹ thuật đều quen thuộc với
MATLAB. Bộ chương trình công cụ Control System Toolbox được xây dựng trong
môi trường MATLAB như một công cụ phân tích, thiết kế và mô phỏng các hệ thống
tuyến tính bất biến, sử dụng các phương pháp trong miền tần số và cả các phương pháp
trong miền thời gian cũng được bổ sung vào trong các chương. Sự kết hợp này càng
làm nổi rõ tính định hướng của giáo trình này là hướng đến nhóm người đọc là sinh
viên chuyên ngành điện – điện tử và kỹ thuật điều khiển.
Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp đã giúp đỡ tác giả
hoàn thành cuốn sách này. Các ý kiến đóng góp về nội dung của sách, xin gửi về cho
tác giả tại địa chỉ email:tranthuanhoang@dtu.edu.vn.
Tác giả