KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỀU CHỈNH TỰ ĐỘNG
Khái quát chung về điều khiển và điều chỉnh tự động
Điều khiển là quá trình thu thập và xử lý tín hiệu để quản lý các lĩnh vực như khoa học công nghệ và môi trường Nó được chia thành nhiều lĩnh vực, bao gồm điều khiển toán học, sinh học, kỹ thuật và kinh tế Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào điều khiển các quá trình công nghệ, hay còn gọi là điều khiển kỹ thuật Khái niệm điều khiển được hiểu là tập hợp các tác động tổ chức nhằm đạt được mục tiêu của một quá trình Hệ thống điều khiển không có sự can thiệp của con người được gọi là điều khiển tự động Điều chỉnh là khái niệm hẹp hơn, bao gồm các tác động nhằm giữ cho một tham số của quá trình ổn định hoặc thay đổi theo quy luật nhất định, gọi là tham số cần điều chỉnh.
Hệ thống điều chỉnh tự động bao gồm hai thành phần chính: đối tượng điều chỉnh và thiết bị điều chỉnh Đối tượng điều chỉnh là thành phần khách quan có tín hiệu ra cần điều chỉnh, trong khi thiết bị điều chỉnh là tập hợp các phần tử tạo ra giá trị điều chỉnh tác động lên đối tượng Giá trị này được gọi là tác động điều chỉnh, và đại lượng cần điều chỉnh còn được biết đến là đại lượng ra của hệ thống Các tác động từ bên ngoài lên hệ thống được gọi là tác động nhiễu Thiết bị điều chỉnh sử dụng phương thức điều chỉnh để tạo ra tín hiệu điều chỉnh, bao gồm ba phương thức chính: điều chỉnh theo chương trình, điều chỉnh theo sai lệch và điều chỉnh bù nhiễu.
Trong phương thức điều chỉnh theo chương trình, tín hiệu điều chỉnh được phát ra dựa trên một chương trình đã được định sẵn trong thiết bị Ngược lại, phương thức bù nhiễu tạo ra tín hiệu điều chỉnh khi có nhiễu loạn tác động lên hệ thống Mục tiêu của tín hiệu điều chỉnh này là bù đắp tác động của nhiễu loạn, giúp duy trì giá trị cần điều chỉnh không thay đổi Do đó, hệ thống bù nhiễu còn được gọi là hệ thống điều khiển bất biến.
Trong kỹ thuật, hệ thống điều khiển theo sai lệch thường được áp dụng, trong đó tín hiệu điều khiển được tạo ra từ sự chênh lệch giữa giá trị mong muốn và giá trị đo được của đại lượng cần điều chỉnh Sơ đồ cấu trúc của hệ thống này được minh họa trong hình 1.1.
Hình 1.1 : Sơ đồ khối hệ thống điều chỉnh tự động
+ Thiết bị đặt có chức năng đặt giá trị chủ đạo x, đây là giá trị mong muốn của đại lượng cần điều chỉnh
Thiết bị so sánh có nhiệm vụ so sánh giá trị chủ đạo x với giá trị đo được y của đại lượng cần điều chỉnh, từ đó xác định giá trị sai lệch e bằng công thức e = x – y.
+ Khối chức năng nhằm tạo ra tín hiệu điều chỉnh U theo giá trị sai lệch e
+ Khâu chấp hành thực hiện tác động điều chỉnh U lên đối tượng điều chỉnh + Thiết bị công nghệ có tín hiệu ra là đại lượng cần điều chỉnh
+ Thiết bị đo để xác định giá trị y của đại lượng cần điều chỉnh
+ Tác động nhiễu phụ tải (z) là những tác động từ ngoài lên hệ thống mà chúng ta không mong muốn z
Thiết bị đặt Thiết bị so sánh
Khối chức y năng Khâu chấp hành
Hệ thống điều chỉnh tự động bao gồm hai thành phần chính: đối tượng điều chỉnh và thiết bị điều chỉnh Khi nghiên cứu hệ thống, chúng ta chỉ xem xét một loại nhiễu cụ thể, trong khi các nhiễu khác được coi là bằng 0 Hình 1.2 minh họa hệ thống điều chỉnh tự động dưới tác động của các nhiễu khác nhau, với Hình 1.2a thể hiện hệ thống chịu tác động của nhiễu đặt trước x, và Hình 1.2b mô tả nhiễu phụ tải z.
Hình 1.2: Mô t ả hệ thống điều chỉnh tự động với các tác động nhi ễu khác nhau ; a - nhiễu đặt trước; b - nhiễu phụ tải
Hệ thống điều chỉnh tự động hoạt động trong hai trạng thái chính: trạng thái xác lập (tĩnh) và trạng thái quá độ (động) Trạng thái xác lập là khi tất cả các đại lượng của hệ thống đạt giá trị không đổi, trong khi trạng thái quá độ diễn ra từ thời điểm có tác động nhiễu cho đến khi hệ thống đạt trạng thái xác lập mới Độ chính xác của quá trình điều chỉnh được đánh giá qua trạng thái xác lập; nếu vẫn còn sai lệch giữa tín hiệu chủ đạo và tín hiệu đo được, sai lệch này được gọi là sai lệch dư (hay sai lệch tĩnh) và ký hiệu là ∂ Nếu ∂ = 0, hệ thống được xem là không có sai lệch dư.
Các đặc tính của phần tử
Hệ thống điều chỉnh tự động được chia thành các phần tử nhỏ, mỗi phần tử nhận tín hiệu vào từ môi trường, ký hiệu là x Phản ứng của phần tử đối với tín hiệu vào này được gọi là tín hiệu ra, ký hiệu là y Mô hình của phần tử được minh họa trong hình 1.3.
Hình 1.3: Mô hình bi ểu diễn phần tử
Mỗi phần tử đều có hai đặc tính cơ bản: đặc tính tĩnh và đặc tính động, thể hiện hai trạng thái khác nhau của nó, bao gồm trạng thái tĩnh và trạng thái động.
1.2.1 Đặc tính tĩnh Đặc tính tĩnh của phần tử là mối liên hệ giữa tín hiệu ra và tín hiệu vào của phần tửở trạng thái xác lập Dựa vào đặc tính tĩnh mà các phần tử tuyến tính được chia ra làm bốn loại: phần tử khuếch đại, phần tử tích phân, phần tử vi phân, phần tử trễ
- Phần tử khuếch đại có đặc tính tĩnh được mô tả bằng công thức: y = K x
Trong đó K được gọi là hệ số truyền của phụ tải
- Đặc tính tĩnh của phần tử tích phân có dạng: y = T 1 ∫ x dt
Với T là thời gian tích phân
- Phần tử vi phân của đặc tính tĩnh có dạng: dt
Trong đó Tđ là hằng số thời gian vi phân
- Phần tử trễ có đặc tính mô tả một cách đơn giản dạng: y = x
Tất cả các phần tử mà đặc tính tĩnh của nó không được liệt vào một trong bốn loại trên đều thuộc phần tử phi tuyến tính
1.2.2 Đặc tính động học của phần tử Đặc tính động của phần tử mô tả sự thay đổi của tín hiệu ra của nó theo thời gian khi có tác động ở đầu vào Đặc tính động mô tả quá trình động học xảy ra trên phần tử Nó thường được biểu diễn bằng phương trình vi phân tuyến tính có dạng tổng quát y dt a b dy dt y b d dt y b d y dt a a dy dt y a d dt y a d m m m m m m o n n n n n n o 1 1
Trong đó a0 an , b0 bn, là những hệ số và m ≤ n
Sử dụng chuyển đổi Laplatx có thể mô tả phương trình 1.1 dưới dạng toán tử
P Công thức của chuyển đổi Laplatx được biểu diễn như sau:
Trong đó y(t) được gọi là hàm gốc của Y(p); còn Y(p) được gọi là hàm ảnh của y(t)
Hai tính chất cơ bản của chuyển đổi Laplatx là:
- Thứ nhất là tính chất tuyến tính của chuyển đổi Laplatx:
Nếu L [ ] y ( ) t = Y ( ) p và L [ ] x ( ) t = X ( ) p thì L [ ay ( ) t + bx ( ) t ] = a L [ ] y ( ) t + b L [ ] x ( ) t = a Y ( ) p + bX ( ) p
- Thứ hai: nếu L [ ] y ( ) t = Y ( ) p thì p y ( p ) dt y
Sử dụng hai tính chất này của chuyển đổi Laplatx phương trình (1.1) có thể biểu diễn dưới dạng toán tử Laplatx như sau:
Chuyển đổi phương trình (1.2) ta nhận được biểu thức n n n n m m m m a p a p a p a b p b p b p b p X p p Y
Biểu thức (1.3) được gọi là hàm truyền đạt của phần tử
Hàm truyền đạt của phần tử được xác định bằng tỷ số giữa chuyển đổi Laplace của tín hiệu ra và chuyển đổi Laplace của tín hiệu vào Phương trình đặc trưng cho phần tử có dạng: a0.p^n + a1.p^(n-1) + + an-1.p + an.
Các khâu động học cơ bản
Các khâu động học cơ bản là các phần tử của hệ thống điều chỉnh tự động mà có các tính chất sau:
- Chỉ có 1 tín hiệu vào và một tín hiệu ra
Tín hiệu chỉ truyền theo một chiều, với tín hiệu vào tạo ra tín hiệu ra mà không ảnh hưởng lẫn nhau Có ba loại tín hiệu chính: khâu tỉ lệ, khâu tích phân và khâu vi phân.
Trong điều khiển quá trình thì đầu vào của mỗi khâu chính là sai số (tính bằng
% của phạm vi sai số) và đầu ra được tính theo % của đầu ra đầy đủ
Biểu thức của khâu tỉ lệ được mô tả như sau: p = Kp.ep + p0 (1.4) Trong đó :
P: Đầu ra của khâu tỉ lệ được tính theo tỷ lệ % của đầu ra đầy đủ
Hệ số khuếch đại (Kp) là tỷ lệ giữa sai số và đầu ra của hệ thống Đầu ra (p0) của khâu tỉ lệ được xác định khi không có sai số Sai số (ep) được tính toán theo một công thức cụ thể.
= − Ở đây: r: Giá trị cài đặt b: Giá trị đo được ở đầu vào bmax: Giá trị lớn nhất của dải đo bmin: Giá trị nhỏ nhất của dải đo
Từ công thức trên ta nhận thấy:
- Nếu sai số bằng 0, đầu ra không thay đổi và vẫn giữ nguyên giá trị p0.
- Nếu có sai số, cứ 1% sai số thì có Kp% được thêm vào hoặc bớt đi khỏi p0 tuỳ thuộc vào sai số mang giá trị âm hay dương
Hình 1.4 minh họa dải tỷ lệ của khâu tỷ lệ phụ thuộc vào hệ số khuếch đại K Đầu ra của khâu tỷ lệ so với sai số được thể hiện rõ ràng, trong đó p0 được thiết lập ở mức 50% với hai chế độ khuếch đại khác nhau.
Hệ số khuếch đại Kp lớn dẫn đến dải điều chỉnh nhỏ, ngược lại, hệ số khuếch đại cao đồng nghĩa với phản ứng lớn đối với sai số Để đầu ra không bị bão hòa, dải sai số cần phải hẹp hơn Khi hệ số khuếch đại cao, khâu tỷ lệ hoạt động chủ yếu ở chế độ ON/OFF, gây ra dao động quanh điểm cài đặt.
Từ đó ta đưa ra khái niệm dải tỷ lệ thông qua công thức sau:
PB = 100Như vậy luôn có dải sai số quanh điểm 0 với độ lớn PB mà ở đó đầu ra không bị bão hoà ở 0% hoặc 100%
Khâu tỷ lệ không thể giảm sai số về 0 ngay lập tức; giả sử hệ thống có sai số ep, khâu tỷ lệ sẽ điều chỉnh đầu ra của bộ điều khiển với mức Kpep Dù sai số có thể giảm, nhưng thực tế nó có thể không đổi, dẫn đến việc cần thiết phải có hoạt động tích phân Hoạt động này sẽ cộng dồn các sai số, nhân với hệ số khuếch đại và thêm vào đầu ra của bộ điều khiển Nếu sai số ít xảy ra, tổng sẽ bằng 0 và không cần tích phân Ngược lại, nếu sai số dương hoặc âm tồn tại trong thời gian dài, hoạt động tích phân sẽ tích lũy và ảnh hưởng đến đầu ra Trong các hàm liên tục, tổng này được biểu diễn dưới dạng tích phân, do đó, biểu thức của khâu tích phân được mô tả như sau:
Trong đó: p(0): Đầu ra của khâu tích phân ở thời điểm t(0)
KI : Hằng số tích phân, biểu diễn đầu ra của bộ điều khiển tính bằng % cần để tích luỹ sai số
Bằng cách lấy đạo hàm của phương trình (1.5) Chúng ta tìm được quan hệ về tốc độ mà tại đó đầu ra thay đổi
Công thức (1.6) cho thấy rằng khi có sai số, bộ điều khiển sẽ điều chỉnh đầu ra tăng hoặc giảm với tốc độ phụ thuộc vào độ lớn của sai số và hằng số tích phân Khi sai số bằng 0, đầu ra không thay đổi Tuy nhiên, nếu sai số dương, đầu ra của bộ điều khiển sẽ tăng nhanh theo tốc độ được xác định bởi công thức (1.6).
- Nếu sai số bằng 0, đầu ra sẽ giữ ở một giá trị cố định ở thời điểm t(0)
- Nếu sai số khác 0, đầu ra sẽ bắt đầu tăng hoặc giảm ở tốc độ KI tính bằng %/ giây cho mỗi % sai số
Hình 1.5 minh họa hai giá trị khác nhau của hằng số tích phân KI Cụ thể, hình 1.5a thể hiện tốc độ thay đổi của đầu ra phụ thuộc vào giá trị sai số và độ lớn của hằng số tích phân KI, trong khi hình 1.5b mô tả mối quan hệ đầu ra của khâu tích phân khi sai số (được coi là hằng số) xuất hiện.
Đồ thị đầu ra với các giá trị K I khác nhau cho thấy rằng khi hệ số khuếch đại K1 đạt đến mức tối đa, đầu ra sẽ bão hòa 100% và không còn hoạt động nào diễn ra.
Hằng số tích phân KI được biểu diễn qua thời gian tích phân, được tính bằng TI = 1/ KI, thường có đơn vị là phút, phổ biến trong ngành công nghiệp Hằng số này thể hiện tỷ lệ % thay đổi mỗi phút so với sai số, được tính bằng %.
Trong hệ thống điều khiển quá trình, sai số được xác định là một hàm theo thời gian t Khi cần điều khiển một biến tại thời điểm t0, mặc dù sai số tại t0 bằng 0, nhưng tốc độ thay đổi theo t vẫn lớn và không bằng 0.
Vì vậy vẫn cần có hoạt động của khâu vi phân mặc dù sai số là 0
Hình 1.6 : Đồ thị sai số
Hoạt động của khâu vi phân tương ứng với tốc độ thay đổi của sai số, tức là đạo hàm của sai số Biểu thức của khâu vi phân được trình bày như sau:
KD là hằng số thời gian đạo hàm, cho biết rằng khi sai số thay đổi với tốc độ 1%/giây, đầu ra sẽ thay đổi tương ứng với KD % Trong khâu vi phân, điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc phân tích và điều chỉnh các hệ thống.
- Sai số bằng 0 thì đầu ra bằng 0
- Sai số bằng hằng số thì đầu ra cũng bằng 0
- Sai số thay đổi, thì đầu ra sẽ thay đổi KD% ứng với tốc độ thay đổi của sai số là 1%/ giây
Khâu vi phân không thể hoạt động độc lập vì không tạo ra giá trị đầu ra khi sai số là hằng số Ảnh hưởng của tốc độ thay đổi sai số đến đầu ra được thể hiện qua hình 1.7, trong đó đầu ra không có sai số được mặc định là 50% Khi sai số tăng nhanh (từ t1 đến t2 hoặc t2 đến t3), đầu ra tăng vọt, nhưng khi sai số ổn định (từ t3 đến t4), đầu ra trở về 50% Cuối cùng, khi sai số giảm (từ t4 đến t5), đầu ra giảm xuống thấp hơn Do đó, trong thực tế, người ta thường sử dụng KD nhỏ để tránh những thay đổi bất ngờ lớn trong đầu ra của bộ điều khiển khi sai số thay đổi nhanh.
Hình 1.7 : Đồ thị ảnh hưởng của tốc độ thay đổi sai số đến đầu ra.
Các khâu động học phức tạp
Trong các quá trình công nghiệp, việc sử dụng kết hợp nhiều khâu động học cơ bản là phổ biến hơn là sử dụng từng khâu đơn lẻ Sự kết hợp này không chỉ tận dụng được ưu điểm của từng khâu mà còn có thể loại bỏ một số hạn chế của chúng Do đó, việc xem xét hiệu quả của sự kết hợp này là rất quan trọng.
1.4.1 Khâu tỉ lệ - tích phân (PI) Đây là sự kết hợp giữa khâu tỷ lệ và khâu tích phân Ta tìm được nguyên tắc hoạt động của khâu này từ sự kết hợp các công thức (1.4), (1.5)
Giá trị đầu ra tại thời điểm t(0) được ký hiệu là pI(0) Sự kết hợp giữa khâu tỷ lệ và khâu tích phân mang lại ưu điểm là luôn có sự phù hợp Thông thường, hệ số khuếch đại tỷ lệ thay đổi theo hằng số tích phân, nhưng hằng số tích phân cũng có thể được điều chỉnh độc lập qua KI Khi thay đổi tải, sự bù ở chế độ tỷ lệ yêu cầu một giá trị đầu ra mới, chỉ có thể đạt được thông qua sai số cố định từ điểm cài đặt Trong chế độ hiện tại, hàm tích phân cung cấp đầu ra mới giúp sai số đạt giá trị bằng 0 sau khi tải thay đổi Như hình 1.8 thể hiện, tại thời điểm t1, sự thay đổi tải tạo ra sai số, và đầu ra được cung cấp bởi tổng của khâu tỷ lệ và hoạt động tích phân để đạt được sai số bằng 0 Phần tỷ lệ là hàm ảnh của sai số.
Hình 1.8 : Đồ thị hoạt động của khâu tỷ lệ - tích phân
Ta có nhận xét sau:
Khi sai số bằng 0, đầu ra sẽ cố định ở giá trị mà số hạng tích phân đạt được, điều này chỉ xảy ra khi sai số đã trở về 0 Đầu ra được ký hiệu là PI(0) trong công thức (1.8), vì chúng ta xác định t tại thời điểm bắt đầu quan sát, cụ thể là khi t = 0.
Nếu sai số khác 0, thì số hạng tỷ lệ sửa sai và số hạng tích phân sẽ thay đổi giá trị tích lũy [P I ( ) 0] tùy thuộc vào việc sai số là âm hay dương.
Số hạng tích phân không thể âm vì vậy nó sẽ bão hoà ở 0 nếu sai số và hoạt động của khâu muốn đưa phạm vi về giá trị âm
1.4.2 Khâu tỷ lệ - vi phân (PD)
Hình 1.9: Đồ thị hoạt động của khâu tỉ lệ - vi phân
Sự kết hợp giữa hai khâu này được ứng dụng phổ biến trong ngành công nghiệp Biểu thức phân tích cho chế độ này được hình thành từ việc kết hợp các công thức (1.4) và (1.7) p(0) dt.
Hệ thống không thể loại bỏ hoàn toàn sự bù của khâu tỷ lệ, nhưng có khả năng điều chỉnh quá trình khi sai số bù nằm trong giới hạn chấp nhận Hình 1.9 minh họa hoạt động kết hợp giữa khâu tỷ lệ và vi phân, cho thấy khâu vi phân có phản ứng mạnh mẽ đối với đầu ra khi có sự thay đổi đột ngột về tốc độ sai số.
1.4.3 Khâu tỉ lệ - tích phân - vi phân (PID)
Một trong những chế độ điều khiển hiệu quả và phức tạp nhất là sự kết hợp giữa các chế độ tỷ lệ, tích phân và vi phân Hệ thống này có khả năng áp dụng trong mọi quá trình điều khiển, bất kể điều kiện hoạt động.
Biểu thức đầu ra là:
Sự kết hợp của ba khâu này loại bỏ sự bù trừ của khâu tỷ lệ, đồng thời cung cấp phản hồi nhanh chóng Hình 1.10 minh họa phản ứng với sai số của hệ thống ba chế độ này.
Đồ thị hoạt động của khâu tỷ lệ - tích phân - vi phân được thể hiện trong hình 1.10, giúp làm rõ chức năng của các khâu này Để minh họa mối quan hệ giữa đầu ra và sai số, hình 1.11 sẽ được vẽ với các hệ số Kp = 5%/%, KI = 3,5%-s^-1 và KD.
Dựa vào đồ thị sai số, ta xác định được các giá trị sai số theo từng khoảng thời gian t như sau: từ 0 đến 1 giây, sai số ep bằng t%; từ 1 đến 3 giây, sai số ep là 1%; và từ 3 đến 5 giây, sai số ep được tính bằng công thức -1/2t + 2,5%.
Thay các hệ số đã cho vào phương trình 1.10 ta có:
Trong khoảng từ 0 đến 1s ta có p1 = 5t + 1,75t 2 + 2,5+20 =5t+1,75t 2 +22,5 Đầu ra của đoạn 0 đến 1s được vẽ ở hình 1.11 Ở cuối 1s số hạng tích phân đã tích luỹ đến pI(1) = 21,75%
Sự biến thiên của đoạn này được vẽ tiếp ở hình 1.11 Ở cuối giây thứ ba số hạng tích phân đã tích luỹ đến giá trị pI(3) = 28,75%
Cuối cùng từ 3 đến 5s ta có:
Sau 5 giây, sai số bằng 0, dẫn đến đầu ra chỉ còn là phản ứng tích lũy với pI = 32,25% Toàn bộ đồ thị đầu ra được thể hiện trong hình 1.11.
Hình 1.11: Đồ thị đầu ra của khâu PID.
Các đặc tính của hệ thống điều chỉnh tự động
Hệ thống điều chỉnh tự động có các đặc tính tương tự như các phần tử cấu thành, bao gồm đặc tính tĩnh, động, thời gian và tần số Đặc tính tĩnh phản ánh độ chính xác của quá trình điều chỉnh, trong khi đặc tính động là yếu tố quan trọng cần khảo sát để hiểu rõ quá trình quá độ của hệ thống Đặc tính động học thường được mô tả thông qua hàm truyền đạt, có thể xác định từ hàm truyền đạt của các phần tử bằng các phép đại số sơ đồ khối Bằng cách thay p = jω vào hàm truyền đạt, ta có thể thu được hàm truyền tần số, từ đó phân tích đặc tính động học của hệ thống thông qua các đặc tính tần số của nó.
Nếu biến đổi hàm truyền đạt của hệ thống về dạng:
Thì sẽ nhận được phương trình vi phân mô tả quá trình động học của hệ thống viết dưới dạng toán tử Laplax
Từ đây ta sẽ nhận được phương trình vi phân của hệ thống dạng x dt b b dx dt x b d dt x b d y dt a a dy dt y a d dt y a d m m m m m m n n n n n n
Đặc tính động học của hệ thống điều chỉnh tự động có thể được phân tích trong miền thời gian bằng cách sử dụng phương trình vi phân, hoặc trong miền tần số thông qua các đặc tính tần số.
1.5.1 Đặc tính động học hệ thống trong miền thời gian Đặc tính động học của hệ thống điều chỉnh tự động có thể mô tả bằng phương trình vi phân dạng
Với x(t) là tác động đầu vào của hệ thống
Giải phương trình vi phân (1.12) cho phép chúng ta xác định hàm y(t), từ đó hiểu được sự biến đổi của tín hiệu đầu ra theo thời gian khi có tác động từ tín hiệu đầu vào.
Các biến trạng thái của hệ thống có thể chọn theo cách khác Ví dụ có thể chuyển phương trình vi phân (1.12) sang dạng
Từ phương trình vi phân (1.13), có thể xây dựng mô hình hệ thống bằng cách áp dụng phần tử tích phân với hàm truyền Wt = 1 / p Chúng ta biết rằng tín hiệu đầu vào của khâu tích phân chính là đạo hàm của tín hiệu đầu ra Phương trình (1.13) cho phép xác định hàm truyền đạt của hệ thống một cách rõ ràng.
Dựa trên hàm truyền đạt và việc áp dụng thuật toán chuyển đổi sơ đồ khối cùng với phần tử tích phân, chúng ta có thể xây dựng mô hình cấu trúc của hệ thống, như được mô tả trong hình 1.12.
Hình 1.12: Mô hình h ệ thống trong miền thời gian
Khi hệ thống điều khiển tự động được mô tả bằng phương trình vi phân dạng tổng quát x dt b b dx dt x b d dt x b d y dt a a dy dt y a d dt y a d m m m m m m n n n n n n
Hàm truyền của nó có dạng
Với B0 = b0 / a0; B1 = b1 / a0; ; Bm = bm / a0 Ai ≥ ai / a0
1.5.2 Các đặc tính tần số của hệ thống Để xác định các đặc tính tần số của hệ thống trước hết phải xác định hàm truyền đạt của nó, sau đấy thay p = jω vào sẽ nhận được hàm truyền tần số và từ đấy suy ra các đặc tính tần số
Hình 1.13 : Sơ đồ hệ thống hở (a) và sơ đồ hệ thống kín (b)
Hệ thống điều chỉnh tự động thường được chia thành hai loại: hệ thống hở với hàm truyền đạt Wh(p) và hệ thống kín với hàm truyền đạt Wk(p) Sơ đồ minh họa cho hệ thống hở và hệ thống kín được thể hiện trong hình 1.13.
Hàm truyền đạt của hệ thống kín
W h h k = + a) Đặc tính tần số của hệ thống hở
Cấu trúc của hệ thống hở thông thường gồm nhiều phần tử mắc nối tiếp nhau
Việc xác định đặc tính tần số của hệ thống hở thực chất là quá trình xác định tần số của hệ thống được cấu thành từ nhiều phần tử mắc nối tiếp, dựa trên các đặc tính tần số đã biết của từng phần tử thành phần.
Vì vậy hàm truyền đạt của hệ thống hở có thể mô tả dưới dạng:
Nếu hàm truyền tần số của các phần tử thành phần được viết dưới dạng
Thì hàm truyền tần số của hệ thống hở được tính theo biểu thức
Đặc tính tần số của hệ thống kín được xác định bằng cách áp dụng công thức hàm truyền tần số của hệ thống hở (1.16) kết hợp với công thức (1-15).
Sử dụng công thức Ơle e − j ϕω = cosϕ( )ω − jsinϕ( )ω
Tách phần thực và phần ảo ta được hàm truyền của hệ thống kín như sau:
MẠCH TÍNH TOÁN VÀ ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH DÙNG KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN
MẠCH TÍNH TOÁN VÀ ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH DÙNG
Bộ khuếch đại thuật toán là thiết bị phổ biến trong kỹ thuật điện tử, có chức năng thực hiện các phép toán như cộng, trừ, tích phân và vi phân đối với tín hiệu đầu vào Ngoài ra, nó còn được ứng dụng trong điều khiển tự động, nhờ vào những ưu điểm nổi bật như hệ số khuếch đại lớn và trở kháng vào cao.
2.1 Mạch khuếch đại thuật toán
Sơ đồ nguyên lí của mạch khuếch đại thuật toán như hình 2.1
Trong đó: Uv là điện áp đầu vào, UR là điện áp ra
Hình 2.1: M ạch khuếch đại thuật toán Áp dụng phương trình dòng điện nút cho nút N, ta có:
K = R N là hệ số khuếch đại)
Trong trường hợp muốn lấy tổng hoặc hiệu các tín hiệu đầu vào người ta thường dùng mạch điện như hình 2.2
Hình 2.2: M ạch cộng và mạch trừ Áp dụng quy tắc dòng điện nút cho nút N trên sơ đồ hình 2.2 ta có
U R U Điện áp ra và điện áp vào có quan hệ như sau:
Trong thực tế, mạch cộng và trừ thường được sử dụng để thực hiện chế độ điều khiển tỉ lệ Đầu ra trong chế độ điều khiển tỉ lệ được tính dựa trên sai số theo công thức cụ thể.
P : Giá trị đầu ra của bộ điều khiển từ 0 ÷ 100%
KP: Hệ số khuyếch đại tỉ lệ (%/% sai số) eP : Sai số (% của phạm vi sai số)
P0 : Giá trị đầu ra của bộ điều khiển khi không có sai số
Nếu coi giá trị đầu ra và sai số của bộ điều khiển tỉ lệ tính bằng hiệu điện thế, công thức (2.1) trở thành một bộ khuyếch đại tổng Để điện áp ra đồng pha với điện áp vào (với hệ số khuếch đại K > 0), có thể mắc nối tiếp với một mạch khuếch đại đảo Sơ đồ mạch điện trong hình 2.3 thể hiện chức năng của bộ điều khiển tỉ lệ này.
Hình 2.3: M ạch thực hiện chế độ tỷ lệ dùng khuếch đại thuật toán
Theo sơ đồ trên ta có công thức điện áp ra là:
Vout = Gp.Ve +Vo (2.2) Trong đó:
Vout : Điện thế đầu ra
Gp = R2/R1 : Hệ số khuyếch đại
Ve : Điện thế sai số
Vo : Điện thế đầu vào không có sai số
Trong quá trình điều khiển tỷ lệ, sai số được biểu thị dưới dạng phần trăm của phạm vi sai số, với giá trị đầu ra tính toán từ 0 đến 100% Do đó, khi sử dụng mạch khuếch đại thuật toán, cần thiết lập mối liên hệ giữa các đại lượng V0, Ve, Gp, Vout và P.
Khoảng dao động điện áp đầu ra của mạch dao động nằm trong khoảng 0 đến 100% Để xác định khoảng sai số cho đầu vào, cần biết điện áp sai số tương ứng Ví dụ, khi nhiệt độ được đo và kiểm soát trong khoảng 100 đến 200 độ C, tương ứng với điện áp từ 2,0 đến 8,0V, thì khoảng dao động đo được là 6,0V (8,0V - 2,0V) Điện áp sai số sẽ được biểu thị dưới dạng phần trăm của khoảng dao động này.
Trong mạch điện, hệ số khuyếch đại Gp không tương đương với Kp Để xác định Gp, cần đảm bảo rằng hiệu điện thế của nó tương đương với Kp, được biểu thị dưới dạng phần trăm (%).
Giả sử hệ số khuyếch đại Kp là 4% / %, điện áp đầu ra sẽ dao động trong khoảng từ 0 đến 5V, trong khi điện áp đầu vào nằm trong khoảng từ 2 đến 8V, với tổng dao động là 6V Cần xác định hệ số khuyếch đại thích hợp Gp cho hệ thống này.
Dựa vào giá trị của Kp, nếu sai số đầu vào là 1%, thì đầu ra sẽ thay đổi 4% Cụ thể, 1% của khoảng dao động đầu vào tương đương với 0,06V (tính từ 6V), trong khi 4% của điện thế đầu ra chỉ là 0,2V (tính từ 5V) Hệ số khuyếch đại Gp được tính bằng đơn vị Vôn.
Gp = (0,2V/0,06V) = 3,33 Do vậy, giá trị của R1 và R2 được chọn sao cho (R2/R1)
Một cách để tính toán sai số trong hệ thống là sử dụng khái niệm về dải tần số tỷ lệ PB = 100/Kp, trong đó PB là phần trăm sai số gây ra sự thay đổi 100% ở đầu ra Ví dụ, với Kp = 4, ta có PB = 100/4 = 25% Điều này có nghĩa là mức thay đổi sai số 25% sẽ dẫn đến sự thay đổi 100% ở đầu ra Cụ thể, 25% sai số tương đương với (0,25)(6V) = 1,5V, trong khi 100% đầu ra là 5V Từ đó, ta suy ra Gp = 5V/1,5V = 3,33.
Sơ đồ nguyên lí của mạch tích phân đảo như hình 2.4
Trong đó: Uv là điện áp đầu vào, UR là điện áp ra
Hình 2.4: M ạch tích phân đảo
Viết phương trình dòng điện nút cho nút N:
Như vậy điện áp ra là tích phân điện áp vào
Trong thực tế, mạch tích phân đảo thường được sử dụng để thực hiện chế độ điều khiển tích phân, được xác định theo một công thức cụ thể.
Trong đó: p(t) : Giá trị đầu ra của bộ điều khiển từ (%)
KI : Hằng số tích phân (s -1 ) ep(t) : Sai số theo t (%) pI (0): Đầu ra của bộ điều khiển khi t = 0
Hình 2.5 M ạch thực hiện chế độ tích phân dùng khuếch đại thuật toán
Ta có công thức tương ứng về đầu vào dựa trên các dữ kiện về đầu ra như sau:
Vout : Điện thế đầu ra
GI = 1/RC : Hệ số khuyếch đại tích phân
Ve : Điện thế sai số
Điện thế đầu ra tại t=0, hay Vout (0), có thể điều chỉnh thông qua các giá trị của R và C để đạt được thời gian tích phân mong muốn Đầu ra khởi điểm của bộ điều khiển tương ứng với đầu ra của mạch tích phân khi t = 0 Hằng số thời gian tích phân ảnh hưởng đến tỷ lệ tăng đầu ra của bộ điều khiển khi sai số không đổi Nếu giá trị KI quá lớn, đầu ra sẽ tăng vượt mức cài đặt, dẫn đến hiện tượng chu kỳ.
Hệ số khuyếch đại thực tế GI, cùng với giá trị R và C, được xác định bởi KI và khoảng dao động điện thế đầu vào và đầu ra Hệ số khuyếch đại tích phân có ý nghĩa là: với 1% sai số đầu vào, cần tạo ra một đầu ra sao cho đầu ra này làm thay đổi KI % trong mỗi giây Điều này có nghĩa là nếu có 1% sai số kéo dài trong 1 giây, thì đầu ra sẽ thay đổi K I %.
Giả sử ta có khoảng dao động đầu vào là 6V, khoảng dao động đầu ra
Hệ số khuyếch đại tích phân 5V và KI được tính bằng 3,0%/(%phút) do quá trình công nghiệp diễn ra chậm Hệ số này thường được biểu thị dưới dạng thời gian tích phân TI, là dạng đảo của KI.
=3,33 phút Đổi đơn vị thời gian từ phút ra giây ta có:
[3%/(%phút)] [1phút/60s] =0,05%(%giây) 1% sai số trên 1 giây bằng: (0,01) (6V) (1s) = 0,06V- s Ngoài ra, % KI của đầu ra ( sử dụng đơn vị giây) bằng:
Từ đó ta có hệ số khuyếch đại điện áp là: GI = 0,0025(V)/ 0,06V-s 0,04157s -1
Như vậy giá trị của R và C đã được xác định
Để tính toán bộ điều khiển tích phân (GI, R và C) với mạch khuếch đại thuật toán, cần đạt được hệ số khuyếch đại tích phân KI là 40%/(%phút) cho hệ thống điều khiển tích phân Khoảng dao động đo đạc đầu vào từ 0,4 – 2,0V và khoảng dao động đầu ra từ 0 – 6,8V Với khoảng dao động đầu vào là 1,6V (tính từ 2,0 – 0,4V) và đầu ra là 6,8V, ta cần chuyển đổi KI sang đơn vị giây để thực hiện tính toán chính xác.
[4%/(%phút)] [1phút/60s] =0,0667%(%giây) 1% đầu vào trong 1 giây = (0,01) (6V) (1s) = 0,016V-s 0,0667% đầu ra = (0,000667) (6,8V) = 0,045V
Mạch vi phân được biểu diễn trên hình 2.6 Biểu thức điện áp ra tính được từ phương trình dòng điện nút N dt
Điện áp ra trong chế độ điều khiển vi phân là vi phân của điện áp vào Trong kỹ thuật điện tử, mạch vi phân thường được sử dụng để thực hiện chế độ này Tuy nhiên, chế độ điều khiển vi phân thường không hoạt động độc lập, vì nó không tạo ra giá trị đầu ra của bộ điều khiển khi sai số bằng 0 hoặc khi sai số là hằng số Công thức cho chế độ điều khiển vi phân được biết đến là: dt.
Trong đó: p (t): Đầu ra của bộ điều khiển (%)
KD : Hằng số thời gian đạo hàm ep : Sai số (%)
PHÂN TÍCH VÀ XÂY DỰNG THUẬT TOÁN PID
3.1 Máy tính trong điều khiển các quá trình công nghệ
Máy tính đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển quá trình, cho phép quản lý nhiều vòng lặp và tương tác giữa chúng, đồng thời giảm thiểu lỗi dữ liệu Phần mềm điều khiển giúp dễ dàng điều chỉnh các thông số theo yêu cầu Hoạt động này được thực hiện thông qua các chương trình, trong đó giá trị điểm đặt được nhập qua bàn phím, và máy tính sẽ tính toán sai số cùng với đầu ra cần thiết cho thiết bị Trước khi xây dựng thuật toán điều khiển PID, cần xem xét cách biểu diễn sai số và các đại lượng vào ra trong quá trình điều khiển.
3.1.1 Biểu diễn sai số trên máy tính
Trong máy tính, sai số có thể được biểu diễn bởi công thức giống như công thức đã dùng để xác định sai số % trong khoảng thời gian t
Các bộ điều khiển dựa trên máy tính thể hiện sai số và đầu ra dưới dạng phân số của dải đo Hệ số khuếch đại được xác định dựa trên sai số tính bằng % của dải đo, ảnh hưởng đến các thay đổi ở đầu ra, cũng được diễn tả theo tỷ lệ % của đầu ra lớn nhất Trong máy tính, sai số thường được biểu diễn dưới dạng phân số, và công thức tính sai số sẽ được áp dụng tương ứng.
DV: Giá trị đo được ở đầu vào
DSP: Giá trị cài đặt
Dmax: Giá trị lớn nhất của dải đo
Dmin: Giá trị nhỏ nhất của dải đo
3.1.2 Số hóa các đại lượng vào ra
Việc sử dụng máy tính trong điều khiển quá trình mang lại nhiều ưu điểm, nhưng nhược điểm lớn nhất là việc chuyển đổi dữ liệu analog thành dữ liệu số Mỗi bộ biến đổi ADC có đầu vào là tín hiệu analog và đầu ra là dãy nhị phân n bit, cho phép biểu diễn các giá trị từ 0 đến 2^n - 1 Độ phân giải dữ liệu của các đại lượng vật lý được thể hiện qua một phần của 2^n, điều này khiến việc xác định giá trị của biến sau khi chuyển sang hệ nhị phân trở nên khó khăn.
Ta có thể viết quan hệ giữa biến vật lý và việc biểu diễn nhị phân như sau:
N: Giá trị ở hệ đếm 10 của biểu diễn nhị phân
Vmax : Giá trị đầu vào lớn nhất
Vmin : Giá trị đầu vào nhỏ nhất
Công thức đã nêu cho thấy hệ đo và ADC được thiết kế để đầu ra nhị phân chuyển từ 2 n - 1 thành 2 n tương ứng với Vmax Do đó, độ phân giải có thể được xác định thông qua sự thay đổi của V, dẫn đến sự thay đổi ở N.
3.1.3 Vấn đề lấy mẫu dữ liệu
Máy tính điều khiển hệ thống lấy mẫu theo chu kỳ, dẫn đến việc bỏ qua giá trị và sự biến thiên của biến giữa các điểm lấy mẫu Đối với các hệ thống yêu cầu điều khiển chính xác, cần chấp nhận một số trạng thái của các biến giữa các mẫu Bài viết này sẽ xem xét bản chất và các vấn đề liên quan đến chu kỳ mẫu của biến vật lý.
Tốc độ lấy mẫu là yếu tố quan trọng trong việc thu thập dữ liệu từ bộ điều khiển dựa trên máy tính Nó được xác định bởi thời gian giữa các mẫu (t s) và tần số lấy mẫu (f s), với công thức f s = 1/t s.
Mỗi hệ thống đều có tốc độ mẫu tối đa, bao gồm thời gian lấy mẫu (thời gian chuyển đổi của ADC) và thời gian mà bộ điều khiển cần để tính toán đầu ra (thời gian thực hiện chương trình).
Mỗi hệ thống đều có tốc độ lấy mẫu tối thiểu phụ thuộc vào sự biến thiên của biến được lấy mẫu Để tín hiệu có thể được tái tạo chính xác, các mẫu cần phải được thu thập với chu kỳ đủ lớn Tuy nhiên, trong một số trường hợp quan trọng, việc lấy mẫu ở chu kỳ nhỏ là cần thiết.
Hệ thống điều khiển không thể điều chỉnh chính xác các biến của bộ điều khiển nếu giá trị của chúng bị mất do số lượng mẫu thu thập quá ít.
Hình 3.1 trình bày kết quả của tốc độ lấy mẫu trên biến tín hiệu đã biết sự biến thiên Tín hiệu thực được thể hiện trong hình 3.1a, trong khi hình 3.1b, 3.1c và 3.1d mô tả sự biến thiên của tín hiệu được suy ra từ các tốc độ lấy mẫu khác nhau Tín hiệu gốc được tái tạo dưới dạng các đường nét đứt nối giữa các mẫu.
Tốc độ lấy mẫu trong hình 3.1b quá chậm, dẫn đến việc thiếu thông tin về sự biến thiên của tín hiệu thực để tái tạo chính xác Trong khi đó, hình 3.1c cho thấy tín hiệu có tần số biến thiên không khớp với tần số của tín hiệu thực, tạo ra tín hiệu răng cưa Đây là hệ quả của việc lấy mẫu với tốc độ quá thấp.
Chu kỳ lấy mẫu trong hình 3.1d cho thấy rằng các đặc điểm cần thiết của tín hiệu có thể được tái tạo từ các mẫu Nguyên tắc chung cho tốc độ lấy mẫu tối thiểu được xác định dựa trên tần số lớn nhất của tín hiệu Để tái tạo đầy đủ các đặc tính của tín hiệu từ các mẫu, tốc độ lấy mẫu cần phải gấp khoảng 2 lần tần số lớn nhất của tín hiệu, tức là fs = 2fmax.
Tần số lấy mẫu (fs) là yếu tố quan trọng trong quá trình số hóa tín hiệu, trong đó f max đại diện cho tần số cực đại của tín hiệu Khi lấy mẫu quá chậm, tín hiệu thực có thể bị biến dạng, dẫn đến số mẫu không đủ để tái tạo chính xác tín hiệu ban đầu Điều này gây ra sự biến thiên không chính xác từ các mẫu chậm, ảnh hưởng đến chất lượng và độ tin cậy của dữ liệu thu thập.
Hình 3.1: Ảnh hưởng của tốc độ lấy mẫu đến chất lượng của tín hiệu
3.2 Xây dựng các thuật toán điều khiển
3.2.1 Thuật toán điều khiển tỷ lệ Ở phần trước ta đã xem xét hoạt động của khâu tỷ lệ Xác định bằng công thức sau: p = KPeP + p0 (3.5)
KP : là hệ số khuếch đại tỷ lệ (%/%) eP : là sai số (%) p0 : là đầu ra của bộ điều khiển không có sai số (%)
Hệ số khuếch đại được biểu diễn bằng tỉ số giữa % đầu ra của bộ điều khiển và
Dải tỷ lệ (PB) được xác định bằng 1/Kp và biểu diễn dưới dạng sai số phần trăm, dẫn đến 100% sai số ở đầu ra của bộ điều khiển Việc tính toán sai số này có thể được thực hiện thông qua máy tính bằng các công thức cụ thể.
Khâu tỷ lệ được giải quyết qua phần mềm bằng các công thức đã nghiên cứu, trong đó sai số được biểu diễn dưới dạng phân số của dải đo Phân số này được tính toán dựa trên đầu ra lớn nhất.
PO: là phân số của đầu ra không có lỗi
KP: là hệ số khuếch đại tỷ lệ (%/%)
P: là phân số của đầu ra khi có lỗi
Rout: giá trị lớn nhất của đầu ra
TÍNH TOÁN THAM SỐ PID ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU
TỐC ĐỘĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU
Trước khi tính toán tham số PID điều khiển tốc độ động cơ điện một chiều, ta tìm hiểu khái quát chung về động cơ điện một chiều
4.1 Động cơ điện một chiều
4.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Trước khi khám phá cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều trong thực tế, chúng ta cần nghiên cứu về động cơ điện một chiều đơn giản như hình 4.1.
Hình 4.1: Nguyên lý ho ạt động của động cơ điện một chiều
Hệ thống bao gồm khung dây (phần ứng), nam châm vĩnh cửu hình chữ U (phần cảm) và bộ chổi quét, kết nối với nguồn điện một chiều U Nguyên lý hoạt động của hệ thống này dựa trên sự tương tác giữa dòng điện trong khung dây và từ trường của nam châm, tạo ra lực tác động.
Giả sử từ trường do nam châm tạo ra có cường độ B và hướng xuống dưới Khi dòng điện một chiều chạy qua khung dây abcd, các thanh ab và cd sẽ chịu lực đẩy F do dòng điện chạy qua cắt ngang đường sức từ Lực này được tính theo công thức cụ thể.
B: Cường độ từ trường (Tesla)
I : Cường độ dòng điện chạy trong cuộn dây (Ampe) l : Chiều dài hiệu dụng của thanh dẫn (mét)
Sử dụng quy tắc bàn tay trái, ta xác định chiều của lực F như minh họa trong hình 4.1 Hai lực F1 và F2 có chiều ngược nhau tạo thành mô men khiến khung dây quay Khi đảo chiều dòng điện vào khung dây, mô men quay cũng sẽ đảo chiều, dẫn đến khung dây quay ngược lại.
Động cơ điện một chiều đơn giản mà chúng ta đã nghiên cứu thực tế không được sản xuất với cấu trúc đơn giản như vậy, mà thường bao gồm các bộ phận chính Phần cảm (Stato) được chế tạo từ thép đúc, bên trong có các cực từ để quấn dây Cuộn dây quấn quanh cực từ được gọi là dây kích từ Phần ứng (Rô to) cũng là một thành phần quan trọng trong cấu trúc của động cơ này.
Động cơ điện bao gồm nhiều lá thép ghép lại thành hình trụ, trên đó có rãnh để đặt dây quấn phần ứng Các đầu dây này được kết nối với các thanh dẫn để truyền điện tới chổi quét, và các thanh dẫn này được sắp xếp thành hình trụ tròn, cách điện với nhau, được gọi là cổ góp Nắp động cơ được sử dụng để lắp đặt ổ bi đỡ trục động cơ và gắn giá đỡ chổi than.
Hình 4.2: C ấu tạo động cơ điện một chiều
4.1.2 Các loại động cơ điện một chiều
Có nhiều cách phân loại động cơ điện một chiều, nhưng phân loại theo cách nối dây giữa cuộn kích từ và cuộn dây phần ứng là phổ biến nhất, vì nó ảnh hưởng đến các tính chất của động cơ Một trong những loại động cơ điện một chiều là động cơ kích từ độc lập, trong đó dây quấn kích từ không được kết nối với dây quấn phần ứng Dòng điện kích từ được cung cấp từ một nguồn điện một chiều riêng biệt, do đó phần kích từ và phần ứng không có mối liên hệ trực tiếp về điện.
Khi động cơ hoạt động, việc tăng điện áp kích từ sẽ dẫn đến tăng dòng điện kích từ mà không ảnh hưởng đến dòng điện phần ứng, từ đó làm tăng tốc độ động cơ Tuy nhiên, dòng kích từ thường nhỏ, nên việc điều chỉnh tốc độ động cơ trở nên đơn giản, mặc dù cần nguồn điện riêng biệt từ bên ngoài Động cơ điện kích từ song song cũng có những đặc điểm tương tự.
Trong động cơ này các cuộn dây của cực từ chính được mắc song song với dây quấn phần ứng (hình 4.3a )
Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có đặc điểm là dòng điện kích từ và dòng điện phần ứng chủ yếu phụ thuộc vào điện áp nguồn, ít bị ảnh hưởng bởi phụ tải, do đó động cơ này có tính cơ cứng, tức là tốc độ của nó ít thay đổi khi có sự thay đổi về phụ tải Cuộn dây của cực từ chính trong động cơ này được mắc nối tiếp với dây quấn phần ứng.
Dòng điện kích từ trong động cơ điện một chiều luôn bằng dòng điện phần ứng do cách mắc nối tiếp Đường đặc tính cơ của động cơ có dạng hyperbol, cho thấy tốc độ phụ thuộc nhiều vào mô men quay của tải Khi động cơ hoạt động không tải, mô men nhỏ dẫn đến tốc độ tăng cao, có thể gây hư hỏng cơ khí Do đó, việc sử dụng động cơ điện một chiều ở chế độ không tải là điều nên tránh.
Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp kết hợp cả hai phương pháp kích từ song song và nối tiếp, mang lại đặc tính ưu việt của cả hai loại động cơ này Sơ đồ nguyên lý được trình bày trong hình 4.3c.
Nếu từ trường của cuộn song song mạnh hơn từ trường của cuộn nối tiếp, thì đặc tính của động cơ kích từ hỗn hợp sẽ gần giống với đặc tính của động cơ kích từ song song.
Nếu từ trường của cuộn nối tiếp mạnh hơn từ trường của cuộn song song, thì đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp sẽ gần giống với đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp.
Động cơ kích từ hỗn hợp nổi bật với đặc tính cơ mềm, cho phép hoạt động ở chế độ không tải, với tốc độ không tải có giá trị giới hạn.
Hình 4.4: Sơ đồ nguyên lí động cơ điện kích từ độc lập
Trong công nghiệp, nam châm móng ngựa đã được thay thế bằng các cực từ làm từ thép và được quấn dây điện từ xung quanh, gọi là cuộn kích từ Các khung dây trong hệ thống này được gọi là phần ứng hay rô to Để thuận tiện trong việc điều khiển tốc độ, hai bộ phận này được cung cấp năng lượng từ hai nguồn độc lập, còn được gọi là kích từ độc lập.
4.1.3 Phương pháp điều chỉnh tốc độđộng cơ điện một chiều
