Giáo trình kỹ thuật điều khiển 1

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...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giáo trình kỹ thuật điều khiển 1 LỜI NÓI ĐẦUKỹ thuật điều khiển là một lĩnh vực kỹ thuật đặc biệt, bởi vì nó gắn liền với nhiềungành khoa học nghiên cứu về các hệ thống động rất đa dạng về bản chất, nhưcác hệ thống cơ khí, điện, điện tử, các quá trình hóa học và sinh học, và cả các hệthống kinh tế, chính trị và xã hội. Vì vậy, phạm vi ứng dụng của kỹ thuật điềukhiển 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. Kỹ thuật điều khiển sử dụng mô hình toán học của các hệ thống động trongviệc phân tích hành vi của hệ thống, trên cơ sở đó áp dụng các lý thuyết điềukhiển để xây dựng các bộ điều khiển nhằm làm cho hệ thống hoạt động như đượcmong muốn. Lý thuyết điều khiển cổ điển tập trung vào các vấn đề của điều khiểnphản hồi. Mặc dù những cơ sở toán học của lý thuyết điều khiển phản hồi đã xuấthiện từ thế kỷ 19 và nhất là trong những năm 1920-1940, như mô hình phươngtrình vi phân của các hệ thống động, lý thuyết về tính ổn định, các phương phápphân tích trong miền tần số..., những năm sau chiến tranh thế giới lần thứ hai chođến thập kỷ 60 của thế kỷ 20 mới được coi là giai đoạn phát triển thực sự của lýthuyết điều khiển cổ điển với sự ra đời của các công cụ phân tích và thiết kế hệthống. Đặc điểm cơ bản của lý thuyết điều khiển cổ điển là việc sử dụng cácphương pháp trong miền tần số, dựa trên phép biến đổi Laplace. Chính do đặcđiểm đó nên lý thuyết điều khiển cổ điển chỉ thích hợp cho các hệ thống tuyếntính bất biến. Thập kỷ 60 của thế kỷ 20 là thời điểm đánh dấu sự mở đầu của kỷ nguyênkhông gian trong lịch sử của loài người. Kể từ đây, kỹ thuật điều khiển bước vàomột giai đoạn mới − giai đoạn phát triển của lý thuyết điều khiển hiện đại. Haikhái niệm quan trọng nhất trong kỹ thuật điều khiển hiện đại là các phương pháptrong miền thời gian và điều khiển số. Việc thiết kế các hệ thống điều khiển phituyến phức tạp, ví dụ như hệ thống điều khiển quỹ đạo của vệ tinh nhân tạo, vượtquá khả năng của các phương pháp cổ điển. Các phương pháp trong miền thờigian, sử dụng mô hình biến trạng thái, đã vượt qua được những hạn chế của lýthuyết điều khiển cổ điển khi đối mặt với các hệ thống phi tuyến. Với sự pháttriển mạnh mẽ của các lĩnh vực ứng dụng của điều khiển phi tuyến như trong kỹthuật hàng không vũ trụ hay robotics, vai trò của các phương pháp trong miềnthời gian cũng trở nên ngày càng chiếm ưu thế so với các phương pháp trongmiền tần số trong kỹ thuật điều khiển hiện đại. Ngày nay, thật khó tưởng tượngviệc xây dựng một hệ thống điều khiển nếu thiếu đi máy tính hay các bộ vi điềukhiển. Các lý thuyết của điều khiển số gắn liền với sự ra đời của máy tính, vàcùng với sự phổ biến ngày càng rộng rãi của các hệ thống điều khiển sử dụngmáy tính, điều khiển số đã trở thành lĩnh vực quan trọng hàng đầu của kỹ thuậtđiều khiển. Ngoài ra, kỹ thuật điều khiển hiện đại còn quan tâm tới những vấn đềnhư điều khiển thích nghi và điều khiển tối ưu, do các hệ thống cần điều khiểnngày càng trở nên phức tạp, không thể mô hình hóa được một cách chính xác, vàdo tính hiệu quả đối với nhiều hệ thống điều khiển hiện đại được xem là chỉ tiêuchất lượng quan trọng nhất. 1 Cuốn sách này được biên soạn với mục đích làm tài liệu giáo khoa nhập mônkỹ thuật điều khiển cho sinh viên các chuyên ngành kỹ thuật. Phần lớn nội dungcủa sách được biên soạn dựa trên hai cuốn sách được chọn làm giáo trình chínhcho môn học kỹ thuật điều khiển bậc đại học tại nhiều trường đại học lớn trên thếgiới là Modern Control Systems của Richard C. Dorf và Feedback Control ofDynamic Systems của Gene F. Franklin et al. Tài liệu này đã được duyệt đưa vàogiảng dạy cho sinh viên chuyên ngành Điện tử - Viễn thông tại trường Đại họcCông nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội. Các lý thuyết điều khiển được giới thiệu ởđây là những lý thuyết chung, có thể áp dụng cho nhiều lĩnh vực khác nhau chứkhông thiên về một chuyên ngành nào. Nội dung của sách sẽ chỉ giới hạn trongphạm vi các vấn đề của điều khiển các hệ thống tuyến tính bất biến. Giới hạn đólà cần thiết đối với môn học đầu tiên của kỹ thuật điều khiển, nhằm tránh chosinh viên khỏi bị choáng ngợp trước quá nhiều vấn đề khi mới bắt đầu làm quenvới lĩnh vực này. Nội dung lý thuyết trong sách được chia làm ba phần chính: cácmô hình toán học của hệ thống động (Chương II, III), phân tích (Chương IV đếnIX) và thiết kế hệ thống điều khiển phản hồi (Chương X, XI). Do đối tượngnghiên cứu là các hệ thống tuyến tính bất biến, phần lớn nội dung lý thuyết trongsách sẽ là lý thuyết điều khiển cổ điển, bao gồm: mô hình hàm chuyển dựa trênphép biến đổi Laplace (Chương II), phương pháp Routh-Hurwitz phân tích tínhổn định của hệ thống trong miền tần số (Chương VI), phương pháp quỹ tíchnghiệm (Chương VII), các phương pháp dựa trên đáp ứng tần số (Chương VIII,IX), và các phương pháp thiết kế tr ...