Sách kỹ thuật điều khiển hiện đại Ogata 5th Edition: Lý thuyết, mô hình hóa và thiết kế hệ thống

• Tác giả: Katsuhiko Ogata
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển
• Đề tài: Modern Control Engineering
• Loại tài liệu: Sách giáo khoa
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Upper Saddle River

Tóm tắt

I. Tổng quan giáo trình Ogata Modern Control Engineering 5th

Giáo trình Modern Control Engineering Fifth Edition của tác giả Katsuhiko Ogata là tài liệu học thuật quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển tự động. Nhà xuất bản Prentice Hall thuộc Pearson Education phát hành ấn bản này vào năm 2010. Đây là phiên bản thứ năm, kế thừa và phát triển nội dung từ các ấn bản trước từ năm 1970. Cuốn sách trình bày hệ thống các nguyên lý cơ bản của lý thuyết điều khiển hiện đại. Nội dung bắt đầu từ giới thiệu tổng quan về hệ thống điều khiển, tiến đến các phương pháp mô hình hóa toán học phức tạp hơn. Các chủ đề chính bao gồm hàm truyền, không gian trạng thái, phân tích đáp ứng tạm thời và đáp ứng tần số. Giáo trình tích hợp công cụ MATLAB để hỗ trợ phân tích và thiết kế hệ thống. ISBN của ấn bản này là 978-0-13-615673-4. Cuốn sách được sử dụng rộng rãi tại các trường đại học kỹ thuật trên toàn thế giới. Phong cách trình bày rõ ràng, logic, phù hợp cho cả người mới bắt đầu và người nghiên cứu chuyên sâu.

1.1. Tác giả Katsuhiko Ogata và sự nghiệp nghiên cứu

Katsuhiko Ogata là giáo sư danh tiếng người Nhật Bản chuyên về kỹ thuật điều khiển tự động. Ông đã dành sự nghiệp để nghiên cứu và giảng dạy tại các trường đại học hàng đầu. Các công trình của Ogata tập trung vào lý thuyết điều khiển hiện đại, mô hình hóa hệ thống, và thiết kế bộ điều khiển. Tác phẩm Modern Control Engineering đã trở thành giáo trình chuẩn cho nhiều thế hệ sinh viên kỹ thuật toàn cầu. Phong cách trình bày rõ ràng, logic với nhiều bài tập thực hành là điểm nổi bật trong các cuốn sách của Ogata. Cộng đồng khoa học quốc tế công nhận ông là một trong những tác giả hàng đầu về giáo trình kỹ thuật điều khiển.

1.2. Cấu trúc tổng thể của giáo trình lần thứ năm

Giáo trình Ogata Modern Control Engineering 5th được tổ chức thành nhiều chương nội dung có tính hệ thống cao. Phần đầu giới thiệu tổng quan về hệ thống điều khiển, bao gồm hệ thống vòng hở và vòng kín. Các chương tiếp theo trình bày phương pháp mô hình hóa toán học cho hệ thống cơ khí và điện. Phần trọng tâm tập trung vào biểu diễn hàm truyền và không gian trạng thái. Giáo trình cũng bao gồm các phương pháp phân tích đáp ứng tạm thời, đáp ứng tần số, và ổn định hệ thống. Phần cuối trình bày kỹ thuật thiết kế và bù trừ hệ thống điều khiển. Mỗi chương đều có bài tập ví dụ và bài tập tự giải để củng cố kiến thức.

II. Phân tích nội dung Ogata Modern Control Engineering 5th

Nội dung cốt lõi của giáo trình Ogata Modern Control Engineering 5th xoay quanh các nguyên lý cơ bản của lý thuyết điều khiển hiện đại. Chương đầu tiên giới thiệu các ví dụ thực tế về hệ thống điều khiển, từ hệ thống điều khiển nhiệt độ đến hệ thống điều khiển bay. Phần mô hình hóa toán học trình bày cách xây dựng hàm truyền và hàm đáp ứng xung của hệ thống tuyến tính không đổi theo thời gian. Giáo trình đặc biệt nhấn mạnh sự khác biệt giữa biểu diễn hàm truyền và biểu diễn không gian trạng thái. Mỗi phương pháp có ưu điểm riêng tùy thuộc vào bài toán cụ thể. Ví dụ, biểu diễn không gian trạng thái phù hợp cho bài toán điều khiển tối ưu. Trong khi đó, hàm truyền tiện lợi hơn cho phân tích đáp ứng tạm thời và đáp ứng tần số của hệ thống đơn đầu vào-đơn đầu ra. Sách cũng trình bày quá trình tuyến tính hóa các mô hình phi tuyến tính thực tế. Sự cân bằng giữa tính đơn giản và độ chính xác là nguyên tắc quan trọng khi xây dựng mô hình toán học.

2.1. Phương pháp mô hình hóa bằng hàm truyền

Hàm truyền là công cụ toán học quan trọng được trình bày trong giáo trình Ogata. Hàm truyền được định nghĩa là tỷ số giữa biến đổi Laplace của tín hiệu đầu ra và đầu vào khi tất cả điều kiện ban đầu bằng không. Phương pháp này mô tả hành vi động học của hệ thống tuyến tính không đổi theo thời gian dưới dạng tỷ số các đa thức. Giáo trình trình bày cách xây dựng hàm truyền cho hệ thống cơ khí, điện, và thủy lực. Ưu điểm lớn nhất của hàm truyền là tính đơn giản trong tính toán và trực quan hóa đặc tính hệ thống. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ áp dụng cho hệ thống tuyến tính và không cung cấp thông tin về trạng thái bên trong.

2.2. Biểu diễn hệ thống trong không gian trạng thái

Biểu diễn không gian trạng thái là phương pháp mô hình hóa mạnh mẽ được trình bày chi tiết trong giáo trình. Phương pháp này sử dụng tập hợp các biến trạng thái để mô tả đầy đủ hành vi động học của hệ thống. Dạng tổng quát bao gồm phương trình trạng thái và phương trình đầu ra dưới dạng vector-ma trận. Ưu điểm nổi bật là khả năng áp dụng cho cả hệ thống tuyến tính và phi tuyến tính, hệ thống đa đầu vào-đa đầu ra. Giáo trình Ogata trình bày cách chuyển đổi từ phương trình vi phân thường sang dạng không gian trạng thái. Các biến trạng thái được chọn đảm bảo tính tồn tại và duy nhất nghiệm. Phương pháp này đặc biệt hữu ích cho bài toán điều khiển tối ưu và thiết kế hệ thống quan sát.

III. Phương pháp học Ogata Modern Control Engineering 5th

Để học tập hiệu quả với giáo trình Ogata Modern Control Engineering 5th, cần có phương pháp tiếp cận có hệ thống. Bắt đầu bằng việc đọc kỹ các phần giới thiệu và tổng quan ở mỗi chương. Nắm vững các khái niệm cơ bản trước khi tiến đến phần nâng cao. Giáo trình cung cấp nhiều bài tập ví dụ có lời giải chi tiết, đây là nguồn tài liệu quý giá để hiểu cách áp dụng lý thuyết vào thực tế. Việc sử dụng MATLAB kết hợp với lý thuyết trong sách giúp tăng cường hiểu biết thông qua mô phỏng số. Mỗi chương đều có phần bài tập ở cuối, nên giải đầy đủ để củng cố kiến thức. Nên xây dựng bảng tóm tắt công thức và sơ đồ tư duy cho từng chủ đề. Học nhóm và thảo luận cũng là phương pháp hiệu quả để giải quyết các bài tập phức tạp. Kiên trì và đều đặn là yếu tố quan trọng khi tiếp cận giáo trình kỹ thuật điều khiển này.

3.1. Tích hợp MATLAB vào quá trình học tập

MATLAB đóng vai trò quan trọng trong việc học tập nội dung giáo trình Ogata. Cuốn sách tích hợp các ví dụ sử dụng MATLAB để minh họa cho các khái niệm lý thuyết. Công cụ này cho phép mô phỏng đáp ứng của hệ thống điều khiển một cách trực quan. Các hàm Control System Toolbox hỗ trợ tính toán hàm truyền, không gian trạng thái, và phân tích ổn định. Sinh viên có thể sử dụng MATLAB để kiểm tra kết quả tính toán thủ công và trực quan hóa đáp ứng tạm thời, đáp ứng tần số. Việc kết hợp lý thuyết và mô phỏng giúp hiểu sâu hơn về hành vi động học của hệ thống điều khiển.

3.2. Chiến lược giải bài tập và ôn tập hiệu quả

Giáo trình Ogata cung cấp số lượng lớn bài tập đa dạng ở cuối mỗi chương. Chiến lược hiệu quả là bắt đầu với bài tập cơ bản để củng cố lý thuyết, sau đó tiến đến bài tập nâng cao hơn. Nên đọc kỹ các bài tập ví dụ có lời giải trong sách trước khi tự giải bài tập. Mỗi bài tập thường liên quan đến một hoặc nhiều khái niệm cụ thể trong chương. Việc ghi chép lại các bước giải và công thức sử dụng giúp xây dựng kho tài liệu tham khảo cá nhân. Nên ôn tập định kỳ bằng cách giải lại các bài tập đã học để duy trì kiến thức lâu dài.

IV. Ứng dụng giáo trình Ogata Modern Control Engineering 5th

Giáo trình Modern Control Engineering Fifth Edition của Katsuhiko Ogata đã chứng minh giá trị vượt thời gian trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển tự động. Nội dung sách bao quát từ cơ bản đến nâng cao, phù hợp cho nhiều đối tượng độc giả khác nhau. Sinh viên đại học sử dụng sách để học các môn cơ sở ngành điều khiển. Nghiên cứu sinh và kỹ sư sử dụng như tài liệu tham khảo chuyên sâu. Các ứng dụng thực tế của kiến thức trong giáo trình rất đa dạng, từ ngành công nghiệp sản xuất đến hàng không vũ trụ. Hệ thống điều khiển tự động hiện diện khắp nơi trong đời sống hiện đại. Nền tảng lý thuyết vững chắc từ giáo trình giúp kỹ sư có khả năng phân tích và thiết kế các hệ thống phức tạp. Giá trị của cuốn sách nằm ở sự kết hợp hoàn hảo giữa lý thuyết chặt chẽ và tính ứng dụng thực tiễn cao. Giáo trình tiếp tục được tái bản và phát triển qua nhiều phiên bản.

4.1. Ứng dụng trong công nghiệp và nghiên cứu khoa học

Kiến thức từ giáo trình Ogata được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và nghiên cứu. Trong ngành sản xuất, các nguyên lý điều khiển áp dụng cho hệ thống robot công nghiệp và dây chuyền tự động. Ngành hàng không sử dụng lý thuyết điều khiển để thiết kế hệ thống lái tự động và ổn định bay. Trong lĩnh vực năng lượng, hệ thống điều khiển đảm bảo vận hành ổn định nhà máy điện và lưới điện thông minh. Ngành ô tô ứng dụng kỹ thuật điều khiển cho hệ thống phanh ABS và cân bằng điện tử. Nghiên cứu khoa học sử dụng các phương pháp trong giáo trình để phát triển thuật toán điều khiển mới.

4.2. Giá trị lâu dài trong đào tạo kỹ thuật điều khiển

Giáo trình Ogata Modern Control Engineering 5th có giá trị lâu dài trong hệ thống đào tạo kỹ thuật toàn cầu. Cuốn sách đã được dịch sang nhiều ngôn ngữ và sử dụng làm giáo trình chính thức tại hàng trăm trường đại học. Nội dung được cập nhật qua mỗi phiên bản để phản ánh sự phát triển của công nghệ điều khiển. Sự kết hợp giữa lý thuyết cổ điển và công cụ tính toán hiện đại tạo nên tính thực tiễn cao. Sinh viên tốt nghiệp với nền tảng từ giáo trình này có khả năng thích ứng nhanh với môi trường công việc thực tế. Cộng đồng người dùng lớn tạo ra mạng lưới hỗ trợ học tập và chia sẻ tài liệu phong phú.

Trích đoạn nội dung tài liệu

com Modern Control Engineering Fifth Edition Katsuhiko Ogata Prentice Hall Boston Columbus Indianapolis New York San Francisco Upper Saddle River Amsterdam Cape Town Dubai London Madrid Milan Munich Paris Montreal Toronto Delhi Mexico City Sao Paulo Sydney Hong Kong Seoul Singapore Taipei Tokyo www.com VP/Editorial Director, Engineering/Computer Science: Marcia J. Horton Assistant/Supervisor: Dolores Mars Senior Editor: Andrew Gilfillan Associate Editor: Alice Dworkin Editorial Assistant: William Opaluch Director of Marketing: Margaret Waples Senior Marketing Manager: Tim Galligan Marketing Assistant: Mack Patterson Senior Managing Editor: Scott Disanno Art Editor: Greg Dulles Senior Operations Supervisor: Alan Fischer Operations Specialist: Lisa McDowell Art Director: Kenny Beck Cover Designer: Carole Anson Media Editor: Daniel Sandin Credits and acknowledgments borrowed from other sources and reproduced, with permission, in this textbook appear on appropriate page within text. MATLAB is a registered trademark of The Mathworks, Inc., 3 Apple Hill Drive, Natick MA 01760-2098. Copyright © 2010, 2002, 1997, 1990, 1970 Pearson Education, Inc., publishing as Prentice Hall, One Lake Street, Upper Saddle River, New Jersey 07458. All rights reserved. Manufactured in the United States of America. This publication is protected by Copyright, and permission should be obtained from the publisher prior to any prohibited reproduction, storage in a retrieval system, or transmission in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording, or likewise. To obtain permission(s) to use material from this work, please submit a written request to Pearson Education, Inc., Permissions Department, One Lake Street, Upper Saddle River, New Jersey 07458. Many of the designations by manufacturers and seller to distinguish their products are claimed as trademarks. Where those designations appear in this book, and the publisher was aware of a trademark claim, the designations have been printed in initial caps or all caps. Library of Congress Cataloging-in-Publication Data on File 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 ISBN 10: 0-13-615673-8 ISBN 13: 978-0-13-615673-4 www.com C Contents Preface ix Chapter 1 Introduction to Control Systems 1 1–1 Introduction 1 1–2 Examples of Control Systems 4 1–3 Closed-Loop Control Versus Open-Loop Control 7 1–4 Design and Compensation of Control Systems 9 1–5 Outline of the Book 10 Chapter 2 Mathematical Modeling of Control Systems 13 2–1 Introduction 13 2–2 Transfer Function and Impulse-Response Function 15 2–3 Automatic Control Systems 17 2–4 Modeling in State Space 29 2–5 State-Space Representation of Scalar Differential Equation Systems 35 2–6 Transformation of Mathematical Models with MATLAB 39 iii www.com 2–7 Linearization of Nonlinear Mathematical Models 43 Example Problems and Solutions 46 Problems 60 Chapter 3 Mathematical Modeling of Mechanical Systems and Electrical Systems 63 3–1 Introduction 63 3–2 Mathematical Modeling of Mechanical Systems 63 3–3 Mathematical Modeling of Electrical Systems 72 Example Problems and Solutions 86 Problems 97 Chapter 4 Mathematical Modeling of Fluid Systems and Thermal Systems 100 4–1 Introduction 100 4–2 Liquid-Level Systems 101 4–3 Pneumatic Systems 106 4–4 Hydraulic Systems 123 4–5 Thermal Systems 136 Example Problems and Solutions 140 Problems 152 Chapter 5 Transient and Steady-State Response Analyses 159 5–1 Introduction 159 5–2 First-Order Systems 161 5–3 Second-Order Systems 164 5–4 Higher-Order Systems 179 5–5 Transient-Response Analysis with MATLAB 183 5–6 Routh’s Stability Criterion 212 5–7 Effects of Integral and Derivative Control Actions on System Performance 218 5–8 Steady-State Errors in Unity-Feedback Control Systems 225 Example Problems and Solutions 231 Problems 263 iv Contents www.com Chapter 6 Control Systems Analysis and Design by the Root-Locus Method 269 6–1 Introduction 269 6–2 Root-Locus Plots 270 6–3 Plotting Root Loci with MATLAB 290 6–4 Root-Locus Plots of Positive Feedback Systems 303 6–5 Root-Locus Approach to Control-Systems Design 308 6–6 Lead Compensation 311 6–7 Lag Compensation 321 6–8 Lag–Lead Compensation 330 6–9 Parallel Compensation 342 Example Problems and Solutions 347 Problems 394 Chapter 7 Control Systems Analysis and Design by the Frequency-Response Method 398 7–1 Introduction 398 7–2 Bode Diagrams 403 7–3 Polar Plots 427 7–4 Log-Magnitude-versus-Phase Plots 443 7–5 Nyquist Stability Criterion 445 7–6 Stability Analysis 454 7–7 Relative Stability Analysis 462 7–8 Closed-Loop Frequency Response of Unity-Feedback Systems 477 7–9 Experimental Determination of Transfer Functions 486 7–10 Control Systems Design by Frequency-Response Approach 491 7–11 Lead Compensation 493 7–12 Lag Compensation 502 7–13 Lag–Lead Compensation 511 Example Problems and Solutions 521 Problems 561 Chapter 8 PID Controllers and Modified PID Controllers 567 8–1 Introduction 567 8–2 Ziegler–Nichols Rules for Tuning PID Controllers 568 Contents v www.com 8–3 Design of PID Controllers with Frequency-Response Approach 577 8–4 Design of PID Controllers with Computational Optimization Approach 583 8–5 Modifications of PID Control Schemes 590 8–6 Two-Degrees-of-Freedom Control 592 8–7 Zero-Placement Approach to Improve Response Characteristics 595 Example Problems and Solutions 614 Problems 641 Chapter 9 Control Systems Analysis in State Space 648 9–1 Introduction 648 9–2 State-Space Representations of Transfer-Function Systems 649 9–3 Transformation of System Models with MATLAB 656 9–4 Solving the Time-Invariant State Equation 660 9–5 Some Useful Results in Vector-Matrix Analysis 668 9–6 Controllability 675 9–7 Observability 682 Example Problems and Solutions 688 Problems 720 Chapter 10 Control Systems Design in State Space 722 10–1 Introduction 722 10–2 Pole Placement 723 10–3 Solving Pole-Placement Problems with MATLAB 735 10–4 Design of Servo Systems 739 10–5 State Observers 751 10–6 Design of Regulator Systems with Observers 778 10–7 Design of Control Systems with Observers 786 10–8 Quadratic Optimal Regulator Systems 793 10–9 Robust Control Systems 806 Example Problems and Solutions 817 Problems 855 vi Contents www.com Appendix A Laplace Transform Tables 859 Appendix B Partial-Fraction Expansion 867 Appendix C Vector-Matrix Algebra 874 References 882 Index 886 Contents vii www.com This page intentionally left blank www.com P Preface This book introduces important concepts in the analysis and design of control systems. Readers will find it to be a clear and understandable textbook for control system courses at colleges and universities. It is written for senior electrical, mechanical, aerospace, or chemical engineering students. The reader is expected to have fulfilled the following prerequisites: introductory courses on differential equations, Laplace transforms, vector- matrix analysis, circuit analysis, mechanics, and introductory thermodynamics. The main revisions made in this edition are as follows: • The use of MATLAB for obtaining responses of control systems to various inputs has been increased. • The usefulness of the computational optimization approach with MATLAB has been demonstrated. • New example problems have been added throughout the book. • Materials in the previous edition that are of secondary importance have been deleted in order to provide space for more important subjects. Signal flow graphs were dropped from the book. A chapter on Laplace transform was deleted. Instead, Laplace transform tables, and partial-fraction expansion with MATLAB are pre- sented in Appendix A and Appendix B, respectively. • A short summary of vector-matrix analysis is presented in Appendix C; this will help the reader to find the inverses of n x n matrices that may be involved in the analy- sis and design of control systems. This edition of Modern Control Engineering is organized into ten chapters.The outline of this book is as follows: Chapter 1 presents an introduction to control systems. Chapter 2 ix www.com deals with mathematical modeling of control systems. A linearization technique for non- linear mathematical models is presented in this chapter. Chapter 3 derives mathematical models of mechanical systems and electrical systems. Chapter 4 discusses mathematical modeling of fluid systems (such as liquid-level systems, pneumatic systems, and hydraulic systems) and thermal systems. Chapter 5 treats transient response and steady-state analyses of control systems. MATLAB is used extensively for obtaining transient response curves. Routh’s stability criterion is presented for stability analysis of control systems. Hurwitz stability criterion is also presented. Chapter 6 discusses the root-locus analysis and design of control systems, including positive feedback systems and conditionally stable systems Plotting root loci with MAT- LAB is discussed in detail. Design of lead, lag, and lag-lead compensators with the root- locus method is included. Chapter 7 treats the frequency-response analysis and design of control systems. The Nyquist stability criterion is presented in an easily understandable manner.The Bode di- agram approach to the design of lead, lag, and lag-lead compensators is discussed. Chapter 8 deals with basic and modified PID controllers. Computational approaches for obtaining optimal parameter values for PID controllers are discussed in detail, par- ticularly with respect to satisfying requirements for step-response characteristics. Chapter 9 treats basic analyses of control systems in state space. Concepts of con- trollability and observability are discussed in detail. Chapter 10 deals with control systems design in state space. The discussions include pole placement, state observers, and quadratic optimal control. An introductory dis- cussion of robust control systems is presented at the end of Chapter 10. The book has been arranged toward facilitating the student’s gradual understanding of control theory. Highly mathematical arguments are carefully avoided in the presen- tation of the materials. Statement proofs are provided whenever they contribute to the understanding of the subject matter presented. Special effort has been made to provide example problems at strategic points so that the reader will have a clear understanding of the subject matter discussed. In addition, a number of solved problems (A-problems) are provided at the end of each chapter, except Chapter 1. The reader is encouraged to study all such solved problems carefully; this will allow the reader to obtain a deeper understanding of the topics discussed. In addition, many problems (without solutions) are provided at the end of each chapter, except Chapter 1. The unsolved problems (B-problems) may be used as homework or quiz problems. If this book is used as a text for a semester course (with 56 or so lecture hours), a good portion of the material may be covered by skipping certain subjects. Because of the abundance of example problems and solved problems (A-problems) that might answer many possible questions that the reader might have, this book can also serve as a self- study book for practicing engineers who wish to study basic control theories. I would like to thank the following reviewers for this edition of the book: Mark Camp- bell, Cornell University; Henry Sodano, Arizona State University; and Atul G. Kelkar, Iowa State University. Finally, I wish to offer my deep appreciation to Ms.Alice Dworkin, Associate Editor, Mr. Scott Disanno, Senior Managing Editor, and all the people in- volved in this publishing project, for the speedy yet superb production of this book. Katsuhiko Ogata x Preface www.com 1 Introduction to Control Systems 1–1 INTRODUCTION Control theories commonly used today are classical control theory (also called con- ventional control theory), modern control theory, and robust control theory. This book presents comprehensive treatments of the analysis and design of control systems based on the classical control theory and modern control theory.A brief introduction of robust control theory is included in Chapter 10. Automatic control is essential in any field of engineering and science. Automatic control is an important and integral part of space-vehicle systems, robotic systems, mod- ern manufacturing systems, and any industrial operations involving control of temper- ature, pressure, humidity, flow, etc. It is desirable that most engineers and scientists are familiar with theory and practice of automatic control. This book is intended to be a text book on control systems at the senior level at a col- lege or university. All necessary background materials are included in the book. Math- ematical background materials related to Laplace transforms and vector-matrix analysis are presented separately in appendixes. Brief Review of Historical Developments of Control Theories and Practices. The first significant work in automatic control was James Watt’s centrifugal gover- nor for the speed control of a steam engine in the eighteenth century. Other significant works in the early stages of development of control theory were due to 1 www.com Minorsky, Hazen, and Nyquist, among many others. In 1922, Minorsky worked on automatic controllers for steering ships and showed how stability could be deter- mined from the differential equations describing the system. In 1932, Nyquist developed a relatively simple procedure for determining the stability of closed-loop systems on the basis of open-loop response to steady-state sinusoidal inputs.