Trong thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa, PID là một cái tên khá quen thuộc được ứng dụng rất nhiều trong ngành công nghiệp. Hãy để Blogthietbidien.com cung cấp cho bạn những kiến thức hữu dụng về bộ điều khiển này ngay trong bài viết sau đây.
Giới thiệu về PID
PID là thiết bị được sử dụng nhiều nhất trong các hệ thống điều khiển vòng kín. Tuy nhiên, không phải ai cũng hiểu rõ cách thức hoạt động và công dụng của vật dụng này. Vậy, để hiểu thêm về thiết bị mời bạn cùng tìm hiểu qua những thông tin sau.
Khái niệm PID?
PID là viết tắt của cụm từ Proportional Intern Derivative, được hiểu là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển. Thiết bị được sử dụng phổ biến trong các hệ thống điều khiển công nghiệp, hệ thống điện, tự động hóa và điện tử.
Bộ điều khiển này được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống điều khiển vòng kín hay có tín hiệu phản hồi. PID được dùng để giúp các thiết bị công nghệ tính toán ra giá trị sai số cụ thể là hiệu số giữa các giá trị đo thông số về biến đổi và giá trị đặt như người thiết kế muốn.
Để đạt được kết quả tốt nhất bạn cần phải điều chỉnh các thông số PID theo tính chất của hệ thống. Tuy là kiểu điều khiển đều giống nhau nhưng các thông số cần phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống.
Nguồn gốc xuất xứ
Vào năm 1890, bộ điều khiển PID được ra đời. Lần đầu tiên xuất hiện trong các thiết kế của bộ điều tốc và sau này được phát triển trên các hệ thống tàu thủy tự động với tên gọi là PID controller và tên gọi này được cải tiến bởi Elmer Sperry vào năm 1911.
Mãi đến năm 1922, ông Nicolas Minorsky chính cho ra mắt cuốn sách về bộ PID. Tác phẩm này ông đã biên soạn các thông tin về khái niệm cũng như các kiến thức của bộ điều khiển và cho đến sau này vẫn còn nguyên giá trị sử dụng.
Ông Nicolas Minorsky cho biết, Để chính thức cho ra mắt lý thuyết về bộ điều khiển thì nguồn cảm hứng phát triển là nhờ sự quan sát hành vi của người lái tàu thủy một cách tỉ mỉ.
Chính vì điều này mà bộ điều chỉnh gồm thủy lực, khí nén, cơ khí và các hệ thống điện được phát triển nhanh chóng sau chiến tranh thế giới thứ 2.
Cơ chế hoạt động của bộ điều khiển PID
Để tạo thành được một bộ điều khiển PID chuẩn chỉnh sẽ bao gồm các thiết bị:
- Cơ cấu chấp hành, cách gọi khác là thiết bị gia nhiệt;
- Thiết bị điều khiển được lắp đặt tương tự HMI màn hình hoặc PLC;
- Thiết bị hồi tiếp gồm các cảm biến, loại áp suất và nhiệt độ,….
Sau bước lựa chọn giá trị setpoint hay còn gọi là SV giá trị cài đặt, tiếp theo bộ điều khiển sẽ gửi các thông tin điều khiển đến các thiết bị chấp hành và cơ cấu.
Quá trình thực hiện trên sẽ diễn ra nhiều thuật toán và trong thời gian chậm hoặc nhanh sẽ đóng mở liên tục tùy thuộc vào hệ thống đang hoạt động.
Trong biểu đồ điều khiển nhiệt độ thể hiện con số 200 độ F, vậy nên mức on – off sẽ đóng mở liên tục tại 2 mức nhiệt là 202 độ F và 198 độ F nhằm giữ cho nhiệt 200 độ F luôn duy trì theo mức quy định sẵn.
Các loại bộ điều khiển PID
PID cũng rất đa dạng mẫu mã để bạn lựa chọn, bao gồm 4 loại như sau:
- P (Proportional Controller): Bộ điều khiển tỉ lệ;
- PI ( Proportional and Integral Controller): Bộ điều khiển tỉ lệ và tích phân;
- PD (Proportional and Derivative (PD) Controller): là bộ điều khiển đạo hàm;
- PID (Proportional, Integral, and Derivative (PID) Controller): Bộ điều khiển tỉ lệ – tích phân – đạo hàm.
Tại sao cần điều khiển PID?
Để thông tin dễ hiểu hơn, ta sẽ tiến hành một ví dụ thông qua quá trình kiểm soát nhiệt độ xả ra từ lò sưởi đốt gas công nghiệp từ hai cách thủ công và hiện đại.
Với phương pháp thủ công: Để kiểm soát được nhiệt độ cho nước xả, người làm phải theo dõi đồng hồ đo nhiệt để điều chỉnh van gas nhiên liệu cho hợp lý.
Trong trường hợp nhiệt độ nước quá cao, bắt buộc phải giảm góc mở van gas nhằm hạ nguyên liệu đốt. Ngược lại, nếu nhiệt độ nước giảm xuống thì phải tăng góc mở van gas nhằm tăng nguyên liệu đốt cho phù hợp.
Với phương pháp hiện đại: Khi sử dụng bộ điều khiển PID thì cách thức kiểm soát nhiệt độ của nước xả ra từ lò sưởi đốt gas sẽ trở nên đơn giản hơn. Người vận hành sử dụng thiết bị đo nhiệt độ điện tử, van điều khiển điện tử, bộ điều khiển và thiết lập, cũng như kết nối với thiết bị đo nhiệt và van.
Người điều khiển sẽ tạo sẵn tham số điểm đặt cho PID ở nhiệt độ thích hợp và đầu ra cho bộ điều khiển là thiết lập vị trí của van điều khiển. Từ cảm biến đo được nhiệt độ sau đó truyền đến bộ điều khiển PID. Tiếp theo là quá trình so sánh giá trị nhiệt độ trên cảm biến với giá trị được đặt ở ban đầu sau đó tính toán sai số giữa hai tín hiệu.
Từ chênh lệch trên và dựa vào kết quả vừa tính ra để điều khiển góc mở van chính xác nhằm giữ cho nhiệt độ luôn nằm tại giá trị điểm đặt. Khi nhiệt độ tăng vượt mức cho phép thì bộ điều khiển sẽ tự động giảm góc mở van và ngược lại.
Kỹ thuật chỉnh thông số cho bộ điều khiển PID
Quy trình điều chỉnh thông số nhằm đáp ứng điều khiển được ưu nhất cho người dùng. Thế nhưng việc này lại rắc rối hơn những gì ta nghĩ cho nên, để dễ hiểu hơn mời bạn tham khảo qua một số cách như sau:
Tối ưu hóa hành vi
Để thực hiện bạn cần phải thay đổi quá trình hoặc điểm đặt của bộ điều khiển PID. Để làm được điều này, chỉ cần điều chỉnh lệch, ổn định và chú ý sự phụ thuộc của các tiêu chuẩn khác nhau như: Thời gian khởi động máy và thời gian xác lập. Trong hoạt động này cần phải tối ưu hóa năng lượng tiêu hao để hoạt động được diễn ra một cách đảm bảo nhất.
Độ ổn định
Thừa độ lợi sẽ gây ảnh hưởng đến sự bất ổn định đặc biệt là khi có độ trễ lớn. Ngược lại để có được sự ổn định cao thì trong toàn bộ quá trình cần hạn chế hết mức sự dao động.
Một số khâu hiệu chỉnh của bộ điều khiển PID
PID sẽ bao gồm 3 khâu hiệu chỉnh cụ thể như sau:
Khâu tỉ lệ
Độ lợi và công năng của khâu tỉ lệ sẽ làm thay đổi giá trị đầu ra và tỉ lệ với giá trị sai số. Thông qua thuật toán thì người dùng có thể điều chỉnh độ lợi để đáp ứng được yêu cầu về tỉ lệ. Cho nên, công thức tính khâu tỉ lệ là:
Chú thích:
P(out): Được hiểu là thừa số tỉ lệ đầu ra
e: Được gọi là sai số, có công thức SP – PV
kp: Gọi là hệ số tỉ lệ hay thông số điều chỉnh
t: Là thời gian hoặc là khoảng thời gian tức thời
Khâu phân tích
Khâu phân tích (reset) cùng với biên độ sai số và quãng thời gian xảy ra sai số có tỉ lệ thuận với nhau. Trong đó, tổng sai số tức thời giúp ta thấy được tích lũy bù được hiệu chỉnh trước đó ra làm sao. Lúc đó, ta được công thức như sau:
Giải thích:
I(out): Là thừa số tích phân đầu ra
Ki: Được gọi là độ lợi tích phân. Đây chính là một thông số điều chỉnh
e: Là sai số
: Gọi là thời gian hay thời gian tức thời
Khâu vi phân
Để biết tốc độ thay đổi của sai số trong quá trình thực hiện ta xác định độ dốc của sai số theo thời gian. Sử dụng công thức tính thừa số vi phân sau đây:
Trong công thức trên, ta có:
- D (out): Thừa số vi phân củ₀₇⁷a đầu ra
- kd: độ lợi vi phân, đây là một thông số điều chỉnh
- e: Gọi là sai số
- t: Được gọi là thời gian hoặc thời gian tức thời.
Một số bộ điều khiển PID và ký hiệu thay thế
Trên thị trường, PID có rất nhiều loại vì vậy ký hiệu cũng sẽ khác nhau. Thông thường có 4 dạng chính như sau:
- Dạng điều khiển lý thưởng, tiêu chuẩn: Dạng chuẩn chỉnh thích hợp trong việc điều chỉnh nhiều thuật toán của PID. Cụ thể, độ lợi kp sẽ được áp dụng trong khâu D(out) và I(out);
- Dạng tương hỗ hay là tiếp nối: Dạng này bao gồm toàn bộ hệ thống PD, PI và được nối tiếp với nhau. Vì vậy, bộ điều khiển kỹ thuật số được sử dụng một cách dễ dàng hơn. Về sau, các sản phẩm được chỉnh sửa theo dạng kế thừa và sử dụng dưới dạng hỗ trợ lẫn nhau;
- Dạng LaPlace của hệ thống điều chỉnh PI: Là sự kết hợp của 2 bộ PID và hàm truyền của hệ thống điều khiển. Điều này giúp xác định hàm truyền trong vòng kín của PID đơn giản hơn rất nhiều;
- Dạng rời rạc hóa trong PID: Đây là dạng PID kỹ thuật số được gài trên vi điều khiển MC hay FPGA. Với điều kiện sử dụng dạng chuẩn nhưng bắt buộc rời rạc. Vì vậy, khi dựa vào biểu đồ thời gian mẫu để khi phân tích sẽ rời rạc.
Tác dụng của bộ điều khiển PID
Trong cuộc sống hiện nay, bộ điều khiển được ứng dụng rất nhiều trong các hoạt động chăn nuôi và sản xuất của người dân. Thiết bị có chức năng đa dạng như: hạn chế sự dao động hay làm giảm sai số, thời gian xác lập và độ vọt lố,…. Ta có một số ứng dụng cụ thể vào thực tiễn như sau:
- Ứng dụng vào điều khiển biến tần: Bộ điều khiển PID sẽ kết hợp cùng với các thiết bị điện tử để cho ra biến tần điều khiển;
- Sử dụng để điều khiển mức nước: PID giúp tự động hóa cho các thiết bị điện tử cùng với van, cảm biến được hoạt động linh hoạt và đạt hiệu quả cao;
- Áp dụng vào hệ thống PLC giúp người dùng dễ dàng chỉnh được nhiệt độ, lưu lượng, áp suất,…
- Dùng để kiểm soát đối với lưu lượng nước bằng cảm biến thông qua đường ống.
XEM THÊM
- Motor điện 1 pha: Cấu tạo, Nguyên lý & Cách chọn
- Hệ Số Cosphi là gì? Công thức tính & Ý nghĩa của Cosphi
- Cảm biến quang là gì? Cấu tạo, Phân loại & Chức năng
Bài viết trên là những chia sẻ mà Blogthietbidien.com muốn gửi đến bạn nhằm hiểu hơn về khái niệm cũng như những kiến thức hữu ích về bộ điều khiển PID. Hy vọng bạn có thể ứng dụng vào trong cuộc sống một cách hiệu quả và thành công nhất.
