Hôm nay, bạn cùng Thủy Khí Điện tìm hiểu về PID nhé. Đây là một bộ điều khiển có ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, mang lại lợi ích cho người sử dụng.
Tìm hiểu PID
PID là thiết bị được sử dụng nhiều hơn trong những năm gần đây tuy nhiên nó là gì và lịch sử của nó ra sao thì hầu như chúng ta ít quan tâm đến.
PID là gì?
Tên PID là viết tắt của 1 cụm từ đầy đủ là Proportional Integral Derivative. Đây là 1 cơ chế phản hồi các vòng điều khiển được dùng rộng rãi trong những hệ thống điều khiển công nghiệp hiện đại.
Bộ điều khiển này được dùng nhiều hơn trong những hệ thống điều khiển vòng kín có tín hiệu phản hồi.
Nhiệm vụ của nó chính là tính toán giá trị sai số là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi với giá trị đặt mong muốn.
Bộ thiết bị sẽ giảm tối đa sai số thông qua việc điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Nếu chúng ta muốn đạt hiệu quả như mong muốn thì thông số của PID sẽ phải được điều chỉnh theo tính chất hệ thống. Mặc dù kiểu điều khiển sẽ giống nhau, thông số thì phụ thuộc vào chính đặc thù của hệ thống đó.
Lịch sử hình thành
Năm 1890, bộ điều khiển này bắt đầu xuất hiện. Đầu tiên nó có trong các thiết kế của bộ điều tốc. Sau đó, nó được phát triển trên các hệ thống tàu thuyền tự động với 1 cái tên lạ hơn là PID Controller.
Thiết bị được phát triển vào năm 1911 bởi Elmer Sperry. Cho đến năm 1922 thì ông Nicolas Minorsky mới chính thức cho xuất bản tác phẩm về lý thuyết bộ PID. Trong cuốn sách này, ông đã đưa ra chi tiết về khái niệm của PID cùng kiến thức của bộ điều chỉnh mà cho đến nay nó vẫn có giá trị hữu dụng.
Nicolas Minorsky phát triển lý thuyết này dựa vào chính sự quan sát của ông đối với những hành vi của người lái tàu thủy xuyên suốt trong thời gian dài trong thời gian dài trước khi ông chính thức đưa ra lý thuyết chính thức về bộ điều chỉnh.
Nhờ đó mà các bộ điều chỉnh về thủy lực, cơ khí, khí nén, hệ thống điện được phát triển mạnh mẽ hơn nhất là sau thế chiến thứ 2.
Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển PID
Một bộ hệ thống điều khiển này sẽ bao gồm rất nhiều thiết bị như:
- Cơ cấu chấp hành hay còn gọi là thiết bị gia nhiệt.
- Thiết bị điều khiển, cài đặt như HMI màn hình hay PLC.
- Và thiết bị hồi tiếp bao gồm cảm biến các loại áp suất, nhiệt độ…
Sau khi đã chọn giá trị set point mà chúng ta hay gọi là SV giá trị cài đặt thì bộ điều khiển sẽ tiến hành gửi đi các thông tin điều khiển đến những thiết bị chấp hành, cơ cấu.
Trong quá trình này sẽ có 1 loạt các thuật toán. Nó yêu cầu đóng mở liên tục với thời gian chậm hoặc nhanh, dưới tác động và phụ thuộc vào hệ thống đang làm việc.
Nhìn vào biểu đồ điều khiển nhiệt độ ở mức 200 độ F. Mức on – off thì nó sẽ liên tục đóng mở tại nhiệt 202 độ F, 198 độ F, mục đích làm luôn bảo đảm nhiệt 200 độ F duy trì theo mức cài đặt.
Các loại bộ điều khiển PID
Theo chúng tôi được biết thì bộ điều khiển này được phân thành 3 loại như:
+ PI hay có tên gọi đầy đủ là Proportional and Integral Controller. Nó là bộ điều khiển tỉ lệ, tích phân.
+ P là Proportional Controller, bộ điều khiển tỉ lệ.
+ PID chính là viết tắt của Proportional, Integral, and Derivative (PID) Controller. Nó là bộ điều khiển tỉ lệ, tích phân, đạo hàm.
+ PD là Proportional and Derivative Controller, nó là bộ điều khiển đạo hàm.
Vì sao cần điều khiển PID?
Để phân tích cho các khách hàng hiểu về việc vì sao cần dùng bộ PID này thì chúng tôi lấy ví dụ về quá trình kiểm soát nhiệt độ nước xả ra từ lò sưởi đốt gas công nghiệp.
Nếu phương pháp thủ công xưa cũ thì người vận hành phải xem đồng hồ đo nhiệt, điều chỉnh van thì mới kiểm soát nhiệt độ cho nước xả. Nếu nhiệt độ tăng cao thì họ phải vặn giảm góc mở van gas. Nếu nhiệt độ giảm không đủ mức yêu cầu thì tăng góc mở của van.
Điều khiển này gọi là điều khiển phản hồi vì thay đổi tốc độ đốt thông quan phản hồi từ đồng hồ đo nhiệt. Sự thay đổi van gas đều ảnh hưởng đến nhiệt độ. Kết quả được đưa về cho người vận hành thông qua đồng hồ và nó là 1 vòng lặp lại tuần hoàn.
Ngày nay người ta dùng bộ PID để kiểm soát nhiệt độ được dễ dàng hơn. Hệ thống có thể dùng thiết bị đo nhiệt độ điện tử, sử dụng van điều khiển điện kết hợp với bộ điều khiển, thiết lập cũng như kết nối với thiết bị đo nhiệt và van.
Các kỹ sư sẽ thiết lập tham số trong độ điều khiển ở nhiệt mong muốn. Vị trí lắp sao cho đầu ra của bộ là nơi van điều khiển đặt. Từ cảm biến nhiệt, tín hiệu nhiệt độ đo được truyền đến bộ PID. Thiết bị sẽ so sánh giá trị nhiệt độ nhận từ cảm biến với giá trị nhiệt độ điểm đặt ban đầu.
Nó tính toán sai số, chênh lệch và dựa trên kết quả vừa tính ra để xác định đầu ra, góc mở van giúp nhiệt độ luôn nằm trong giá trị cho phép tại điểm đặt. Khi nhiệt tăng thì bộ điều khiển sẽ giảm góc mở van và khi nhiệt thấp thì bộ điều khiển sẽ tăng góc mở van. Thật tiện và tiết kiệm được nhân công, sức lực, thời gian so với phương pháp cũ trước đây.
Cách điều chỉnh thông số cho bộ điều khiển PID
Muốn điều chỉnh được bộ điều khiển này thì không đơn giản bởi dù bạn có nắm được 3 thông số cơ bản nhưng việc điều chỉnh sẽ rất khó khăn.
Tuy nhiên không phải là không có phương pháp điều chỉnh, bạn có thể tham khảo:
Tối ưu hóa hành vi
Kỹ thuật nên thay đổi quá trình hay các điểm đặt của bộ điều khiển PID. Để tiến hành theo phương pháp này thì cần tự điều chỉnh lệch và ổn định. Tuy nhiên nó lại phụ thuộc vào nhiều tiêu chuẩn khác nhau như: Thời gian xác lập, thời gian khởi động máy. Có 1 điều mà chúng tôi lưu ý với khách hàng đó là: Cần tối ưu hóa năng lượng đã tiêu hao để giúp hoạt động được hiệu quả nhất.
Độ ổn định
Thừa độ lợi thì sẽ gây nên sự bất ổn định nhất là khi có xuất hiện độ trễ lớn. Muốn đạt được độ ổn định cao thì cần đảm bảo không xảy ra sự dao động trong cả quá trình.
PID bao gồm các khâu hiệu chỉnh nào?
PID sẽ gồm các khâu hiệu chỉnh:
Khâu tỉ lệ
Khâu tỉ lệ là độ lợi. Công năng của nó là thay đổi giá trị ở đầu ra. Và nó sẽ tỉ lệ với giá trị sai số.
Muốn đáp ứng yêu cầu về tỷ lệ thì người dùng điều chỉnh độ lợi thông qua tính toán: nhân sai số với 1 hằng số tỉ lệ (Kp). Lúc này, khâu tỉ lệ sẽ được tính bằng công thức:
Trong đó:
P(out) chính là thừa số tỉ lệ của đầu ra.
e là sai số. Nó được tính bằng SP – PV.
Kp là hệ số tỉ lệ hay còn gọi là thông số điều chỉnh.
t là thời gian hay là khoảng thời gian tức thời.
Khâu phân tích
Ở khâu phân tích này thì tỉ lệ thuận với biên độ sai số, quãng thời gian xảy ra sai số. Nhờ vào tổng sai số tức thời thì ta thấy được tích lũy bù mà trước đó đã được hiệu chỉnh thế nào.
Trong công thức này thì:
e là sai số.
I (out) chính là thừa số tích phân đầu ra.
t là thời gian hoặc thời gian tức thời.
Ki gọi là độ lợi tích phân. Nó chính là một thông số điều chỉnh.
Khâu vi phân
Muốn tính được tốc độ thay đổi của sai số trong 1 quá trình thì ta phải xác định độ dốc của sai số theo thời gian. Người dùng có thể áp dụng công thức dưới đây:
Với D (out) là thừa số vi phân của đầu ra, e là sai số. Kd chính là độ lợi vi phân. Đây là một thông số điều chỉnh. Và cuối cùng t là thời gian hay thời gian tức thời.
Các dạng của PID và ký hiệu thay thế
Hiện các Proportional Integral Derivative trên thị trường có 4 dạng chính:
Đầu tiên là dạng điều khiển lý tưởng, tiêu chuẩn
Đặc điểm của bộ dạng chuẩn chính là nó thích hợp để điều chỉnh nhiều thuật toán của PID. Trong đó, độ lợi Kp thì sẽ được dùng trong khâu D out hay I out.
Dạng thứ 2 là tương hỗ hay còn gọi là tiếp nối
Nó sẽ bao gồm toàn bộ hệ thống PD, PI nối tiếp với nhau. Từ đó, người dùng dễ dàng sử dụng các bộ điều khiển kỹ thuật số hơn. Sau này, người ta phát triển các sản phẩm sau chỉ kế thừa nó và dùng dưới dạng hỗ trợ nhau.
Dạng thứ 3 là LaPlace của hệ thống điều chỉnh PI
Là sử dụng bộ PID cùng với hàm truyền của hệ thống điều khiển. Từ đó, dễ xác định hàm truyền trong vòng kín của PID nhanh và đơn giản hơn.
Dạng rời rạc hóa trong PID
Nó là dạng bộ PID Control kỹ thuật số, gắn trên 1 vi điều khiển MC hay trên FPGA. Yêu cầu sử dụng dạng chuẩn nhưng phải rời rạc. Căn cứ trên biểu đồ thời gian mẫu mà khi phân tích sẽ rời rạc.
Ứng dụng của Proportional Integral Derivative
Trong công nghiệp hiện nay thì sử dụng Proportional Integral Derivative không còn xa lạ nữa. Nó tham gia vào sản xuất, gia công, chế biến… nhiều ngành, nhiều lĩnh vực khác nhau. Thiết bị hỗ trợ giảm các sai số về sự giao động hay thời gian xác lập, độ vọt lố… hiệu quả. Chúng ta có thể liệt kê một số ứng dụng như:
+ Dùng điều khiển biến tần: Thiết bị điện, điện tử cùng với PID sẽ dùng để hình thành nên biến tần điều khiển.
+ Dùng điều khiển mức nước: Nhờ có thiết bị này mà việc tự động hóa thiết bị điện, điện tử, cảm biến, van được nhạy và linh động, năng suất cao.
+ Dùng trong hệ thống có PLC, người dùng thiết kế các hàm sẵn để điều chỉnh nhiệt, áp lực, lưu lượng…
+ Dùng để kiểm soát lưu lượng nước thông qua cảm biến đường ống.
Trên đây là những điều mà ThuyKhiDien biết về PID, hy vọng sẽ bổ sung thêm và kiến thức của các bạn.
