[Chuyên mục Đọc sách cùng bạn] Giáo trình Điều khiển số

Trong bối cảnh chuyển đổi số và tự động hóa đang diễn ra mạnh mẽ trong các hệ thống kỹ thuật hiện đại, điều khiển số đã trở thành một trụ cột không thể thiếu trong lĩnh vực điều khiển – tự động hóa. Việc ứng dụng rộng rãi các thiết bị tính toán như PLC, vi điều khiển (MCU), bộ xử lý tín hiệu số (DSP), FPGA không chỉ nâng cao độ chính xác và tính linh hoạt của hệ thống mà còn mở ra khả năng hiện thực hóa các thuật toán điều khiển ngày càng phức tạp. Trên nền tảng đó, giáo trình Điều khiển số do Tiến sĩ Quách Đức Cường, giảng viên Trường Điện – Điện tử, Đại học Công nghiệp Hà Nội, chủ biên được biên soạn nhằm cung cấp cho người học một hệ thống kiến thức bài bản về mô hình hóa, phân tích, thiết kế và triển khai các hệ thống điều khiển rời rạc trên nền tảng máy tính số.

Giáo trình được xây dựng với định hướng ứng dụng rõ nét, phản ánh vai trò trung tâm của điều khiển số trong các hệ thống nhúng và tự động hóa hiện đại. Nội dung được trình bày cô đọng, logic, gắn chặt giữa lý thuyết và thực tiễn triển khai, phù hợp cho sinh viên, học viên cao học và kỹ sư theo hướng nghiên cứu – ứng dụng trong lĩnh vực điều khiển và tự động hóa. Toàn bộ giáo trình được cấu trúc thành 6 chương, bao quát đầy đủ các nội dung cốt lõi của điều khiển số, từ nền tảng toán học đến hiện thực hóa trên phần cứng.

Chương 1: Cơ sở toán học của hệ thống điều khiển số
Chương mở đầu đặt nền móng lý thuyết cho việc phân tích và thiết kế các hệ thống điều khiển rời rạc. Nội dung bắt đầu bằng tổng quan về hệ thống điều khiển số, làm rõ cấu trúc và những đặc điểm khác biệt cơ bản so với hệ điều khiển liên tục. Một số hệ thống điều khiển số điển hình như điều khiển lò nhiệt, điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều và điều khiển mức chất lỏng được đưa ra nhằm minh họa tính ứng dụng thực tiễn của lý thuyết.
Chương này cũng trình bày chi tiết khái niệm tín hiệu số, quá trình chuyển đổi A/D, D/A, lấy mẫu, lưu giữ và lượng tử hóa, đồng thời phân tích các nguồn sai số phát sinh trong quá trình số hóa. Phần cuối chương giới thiệu biến đổi z, các tính chất, định lý và phép biến đổi ngược – công cụ toán học trung tâm làm nền tảng cho các chương tiếp theo.

Chương 2: Mô hình toán học hệ thống điều khiển số
Chương 2 tập trung trình bày các phương pháp mô tả toán học của hệ thống rời rạc phục vụ cho phân tích và thiết kế điều khiển. Nội dung trước hết giới thiệu phương trình sai phân và vai trò của sai phân trong việc mô tả động học của hệ thống điều khiển số. Tiếp theo, hệ thống được biểu diễn dưới dạng hàm truyền đạt rời rạc, kèm theo các kỹ thuật rời rạc hóa mô hình liên tục.
Bên cạnh đó, chương khai thác mô hình phương trình trạng thái rời rạc, bao gồm chuyển đổi từ mô hình liên tục và xây dựng mô hình trực tiếp từ sơ đồ khối. Mối quan hệ và khả năng chuyển đổi qua lại giữa hàm truyền đạt và phương trình trạng thái được làm rõ. Cuối chương đề cập đến vấn đề lượng tử hóa mô hình, minh họa bằng các ví dụ xây dựng mô hình hệ thống điều khiển số trong thực tế.

Chương 3: Ổn định và chất lượng của hệ thống điều khiển số
Chương 3 tập trung phân tích hai yếu tố cốt lõi quyết định khả năng vận hành an toàn và hiệu quả của hệ thống điều khiển số: tính ổn định và chất lượng làm việc. Nội dung làm rõ khái niệm ổn định trong miền rời rạc và phân tích ảnh hưởng của các phương pháp rời rạc hóa gần đúng đến kết quả đánh giá.
Thông qua mối liên hệ giữa mặt phẳng s và mặt phẳng z, các tiêu chuẩn ổn định quen thuộc của hệ liên tục được mở rộng cho hệ thống số, tiêu biểu như tiêu chuẩn Routh–Hurwitz mở rộng và Jury. Bên cạnh đó, chương cũng khai thác các phương pháp đánh giá trong miền tần số như Nyquist, Bode, cùng các đại lượng dự trữ ổn định. Các tiêu chí về chất lượng tĩnh, chất lượng động, đáp ứng quá độ và khả năng kháng nhiễu được phân tích nhằm dự báo hành vi thực tế của hệ thống điều khiển số.

Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển phản hồi đầu ra
Nội dung chương 4 đi sâu vào bài toán thiết kế bộ điều khiển số cho các hệ SISO. Giáo trình trình bày song song hai hướng tiếp cận phổ biến: thiết kế gián tiếp thông qua miền s và thiết kế trực tiếp trên miền z, giúp người học linh hoạt lựa chọn phương pháp phù hợp với yêu cầu thực tiễn.
Phương pháp áp đặt điểm cực được khai thác như một công cụ hiệu quả trong thiết kế bộ điều khiển rời rạc. Một phần quan trọng của chương dành cho bộ điều khiển PID rời rạc, từ xây dựng thuật toán, lựa chọn tham số theo các phương pháp khác nhau như áp đặt cực, biểu đồ Bode, Ziegler–Nichols, đến xử lý hiện tượng anti-windup và mở rộng sang Fuzzy–PID. Chương cũng giới thiệu thiết kế hệ điều khiển đa mạch vòng, làm rõ nguyên tắc phối hợp điều khiển trong các hệ thống phức tạp.

Chương 5: Thiết kế hệ thống điều khiển phản hồi trạng thái
Chương này trình bày cấu trúc điều khiển phản hồi trạng thái và các khái niệm nền tảng như tính điều khiển được và tính quan sát được của hệ thống. Các phương pháp thiết kế phổ biến được giới thiệu gồm áp đặt điểm cực, phương pháp Ackermann và xác định hệ số khuếch đại nhằm đạt đáp ứng mong muốn.
Nội dung tiếp tục mở rộng sang thiết kế bộ quan sát trạng thái, cho phép ước lượng các biến trạng thái không đo trực tiếp. Bên cạnh đó, giáo trình giới thiệu các cấu trúc điều khiển nâng cao như phản hồi trạng thái kết hợp khâu lọc, bộ điều khiển I/PI và điều khiển tối ưu LQR, thể hiện hướng tiếp cận hiện đại trong thiết kế hệ thống điều khiển số.

Chương 6: Thực hiện hệ thống điều khiển số
Chương cuối tập trung vào việc hiện thực hóa thuật toán điều khiển số trên nền tảng phần cứng và phần mềm cụ thể – bước quyết định để đưa lý thuyết vào ứng dụng thực tiễn. Nội dung đề cập các yêu cầu kỹ thuật quan trọng trong quá trình triển khai, từ lựa chọn phần cứng, tổ chức phần mềm, phân chia thời gian xử lý đến đảm bảo tính thời gian thực của hệ thống.
Chương trình bày quy trình thực hiện hệ thống điều khiển số kết hợp mô phỏng và kiểm chứng bằng MATLAB & Simulink. Trên nền hệ nhúng, các bước xây dựng lưu đồ thuật toán, lập trình, thử nghiệm và hiệu chỉnh được trình bày chi tiết. Chương kết thúc bằng một ví dụ thiết kế hoàn chỉnh hệ thống điều khiển số sử dụng vi điều khiển, giúp người học kết nối chặt chẽ giữa lý thuyết và triển khai thực tế.

Với cấu trúc chặt chẽ, nội dung hiện đại và định hướng ứng dụng rõ ràng, giáo trình Điều khiển số là tài liệu học tập và tham khảo quan trọng cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư trong lĩnh vực Điều khiển – Tự động hóa – Điện tử, đặc biệt trong bối cảnh các hệ thống kỹ thuật ngày càng gắn chặt với công nghệ số và hệ thống nhúng thông minh.