Trong những hệ thống điều khiển công nghiệp hiện đại, để đảm bảo tối đa về độ chính xác, hạn chế những sai số khi vận hành máy móc, người ta thường lắp thêm thiết bị PID.
Cùng CNSG tìm hiểu về PID và những công dụng của thiết bị trong bài viết này nhé!
Điều khiển PID là gì?
PID là viết tắt của 1 cụm từ đầy đủ là Proportional Integral Derivative, thiết bị tự động hóa này được dùng rộng rãi trong những hệ thống điều khiển công nghiệp hiện đại, thực hiện cơ chế phản hồi các vòng điều khiển.
Bộ điều khiển PID này được dùng nhiều hơn trong những hệ thống điều khiển vòng kín có tín hiệu phản hồi.
Nhiệm vụ của chính của PID là tính toán giá trị sai số, đây cũng là hiệu số giữa giá trị đo, thông số biến đổi với giá trị đặt mong muốn.
Bộ thiết bị PID sẽ giảm tối đa sai số thông qua việc điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Nếu người dùng 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.
Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển PID
Một bộ hệ thống điều khiển tự động này sẽ bao gồm rất nhiều thiết bị như:
- Cơ cấu chấp hành còn được gọi là thiết bị gia nhiệt.
- Thiết bị dùng để điều khiển, cài đặt như HMI màn hình hay PLC.
- 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.
Phân loại bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID này được phân thành 4 loại chính:
- 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?
Ví dụ đối với quá trình kiểm soát nhiệt độ nước xả ra từ lò sưởi đốt gas công nghiệp:
Nếu sử dụng điều khiển bằng phương pháp thủ công thì người vận hành phải thao tác xem đồng hồ đo nhiệt, điều chỉnh van thì mới có thể kiểm soát nhiệt độ cho nước xả. Nếu nhiệt độ tăng cao thì người dùng 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 được gọi là điều khiển phản hồi vì thay đổi tốc độ đốt thông quan phản hồi từ đồng hồ đo nhiệt. Những thay đổi của van gas đều ảnh hưởng đến nhiệt độ. Kết quả được đưa về cho người vận hành thông qua đồng hồ với 1 vòng lặp tuần hoàn.
- Ngày nay, người ta dùng bộ điều khiển 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.
- Các kỹ sư sẽ thiết lập tham số trong độ điều khiển với mức nhiệt độ mong muốn. Vị trí lắp đặt ở vị trí 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.
- PID tính toán được những sai số, chênh lệch và dựa trên kết quả vừa tính ra để xác định đầu ra, góc mở van từ đó giúp nhiệt độ luôn nằm trong giá trị cho phép tại điểm đặt.
- Khi nhiệt thấp, bộ điều khiển sẽ tăng góc mở van. Khi nhiệt tăng, bộ điều khiển sẽ giảm góc mở van.
- Sử dụng điều khiển tự động PID vô cùng tiện dụng và tiết kiệm được sức lực, nhân công, thời gian so với phương pháp cũ trước đây.
Cách điều chỉnh thông số cho bộ điều khiển PID
Để điều chỉnh thông số cho bộ điều khiển PID, người dùng cần nắm vững, có khả năng phân tích được 3 thông số cơ bản. Ngoài ra, để đơn giản hóa hơn cho việc điều chỉnh bớt khó khăn, người dùng cũng có thể tham khảo một số phương pháp điều khiển như:
Tối ưu hóa hành vi
Kỹ thuật viên nên thay đổi quá trình hay các điểm đặt của bộ điều khiển PID.
Để tiến hành theo phương pháp tối ưu hóa hành vi này, người dùng cần tự điều chỉnh độ lệch và độ ổn định.
Quá trình điều chỉnh này sẽ phụ thuộc vào nhiều tiêu chuẩn khác nhau như: thời gian khởi động máy, thời gian xác lập.
Khi tối ưu hóa hành vi, khách hàng cần lưu ý 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, kỹ thuật viên 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 cơ bản như:
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:
| P (out) = K.p.e.t |
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, tỉ lệ thuận với biên độ sai số, quãng thời gian xảy ra sai số. Nhờ vào tổng sai số tức thời, người dùng cũng thấy được tích lũy bù mà trước đó đã được hiệu chỉnh thế nào.
| I (out) = K. 0te(t)dt |
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 người dùng phải xác định độ dốc của sai số theo thời gian. Người dùng có thể áp dụng công thức dưới đây:
| D(out)=Kd(ddt e (t) |
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:
Dạng điều khiển lý tưởng, tiêu chuẩn
Đặc điểm của bộ dạng chuẩn lý tưởng là nó thích hợp để điều chỉnh nhiều thuật toán của PID. Trong đó, độ lợi Kp thường sẽ được dùng trong khâu D out hay I out.
Dạng tương hỗ (tiếp nối)
Dạng này 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 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
Hiện nay, trong công nghiệp hiện đại, việc sử dụng Proportional Integral Derivative không còn xa lạ nữa. Thiết bị này được ứng dụng rất rộng rãi trong quá trình sản xuất, gia công, chế biến… của nhiều ngành nghề, nhiều lĩnh vực khác nhau. Thiết bị PID hỗ trợ giảm các sai số về sự giao động hay thời gian xác lập, độ vọt lố… hiệu quả. Một số ứng dụng tiêu biểu như:
- Dùng điều khiển biến tần: Thiết bị điện tử, thiết bị điện cùng với PID sẽ được 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.