21/08/2022 
PID là bộ điều khiển được ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống của chúng ta hiện nay. Tuy nhiên, còn khá nhiều người còn chưa hiểu rõ về bộ điều khiển này như thế nào, hoạt động ra sao, có ưu điểm gì?,… Để có cái nhìn toàn diện nhất về bộ điều khiển PID, mời bạn đọc theo dõi ngay bài viết sau đây mà Bình Dương AEC mang tới!
Tổng quan về PID
PID là gì?
PID được viết tắt bởi cụm từ Proportional Integral Derivative, có nghĩa là 1 cơ chế phản hồi các vòng điều khiển, chúng được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống điều khiển công nghiệp hiện đại.
Bộ điều khiển này sử dụng nhiều trong những hệ thống điều khiển vòng kín có tín hiệu phản hồi. Nhiệm vụ của PID giúp 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 làm giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Để đạt được hiệu quả mong muốn bởi thông số của PID cần phải thực hiện điều chỉnh theo tính chất hệ thống. Việc điều khiển sẽ giống nhau, còn thông số được phụ thuộc vào chính đặc thù của hệ thống đó.
Lịch sử hình thành
Bộ điều khiển này bắt đầu xuất hiện là vào năm 1890. Ban đầu nó xuất hiện trong các thiết kế của bộ điều tốc. Sau đó được phát triển trên các hệ thống tàu thuyền tự động bằng tên khác là PID Controller.
Thiết bị phát triển vào năm 1911 bởi Elmer Sperry[1]. Đến năm 1922, Nicolas Minorsky mới chính thức cho xuất bản tác phẩm lý thuyết bộ PID. Trong sách ông đã đưa ra chi tiết về khái niệm của PID cũng như các kiến thức của bộ điều chỉnh mà đến nay nó vẫn có giá trị hữu dụng.
Nicolas Minorsky phát triển lý thuyết dựa vào sự quan sát của bản thân với những hành vi của người lái tàu thủy trong cả một thời gian dài trước khi ông đưa ra lý thuyết chính thức về bộ điều chỉnh.
Vì thế, các bộ điều chỉnh về thủy lực, cơ khí, khí nén, hệ thống điện được phát triển mạnh đặc biệt là sau thế chiến thứ 2.
Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển PID
Một hệ thống điều khiển gồm có rất nhiều thiết bị như:
- Cơ cấu chấp hành (thiết bị gia nhiệt)
- Thiết bị điều khiển được cài đặt như HMI màn hình hay PLC.
- Thiết bị hồi tiếp gồm các cảm biến áp suất, nhiệt độ,…
Khi đã chọn được giá trị set point mà ta thường hay gọi là SV giá trị cài đặt thì bộ điều khiển sẽ gửi đi những thông tin điều khiển đến từng thiết bị chấp hành, cơ cấu.
Tại quá trình này sẽ có hàng loạt các thuật toán yêu cầu đóng mở liên tục với thời gian chậm hoặc nhanh và phụ thuộc vào hệ thống đang làm việc.
Ví dụ trong một biểu đồ có nhiệt độ điều khiển luôn ở mức 200 độ F. Mức on – off thì liên tục đóng mở tại nhiệt 202 độ F, 198 độ F. Điều này là để đảm bảo mục đích nhiệt 200 độ F luôn được duy trì theo mức cài đặt.
Các loại bộ điều khiển PID
PID được chia thành 3 loại như sau:
- PI: còn được gọi với tên gọi khác là Proportional and Integral Controller. Đây là bộ điều khiển tỉ lệ, tích phân.
- P: là Proportional Controller, đây là bộ điều khiển tỉ lệ.
- PID là từ viết tắt của Proportional, Integral and Derivative (PID) Controller. Đây là bộ điều khiển tỉ lệ, tích phân, đạo hàm.
- PD là Proportional and Derivative Controller, chúng là bộ điều khiển đạo hàm.
Vì sao cần điều khiển PID?
Để có thể hiểu được vì sao cần dùng bộ PID, chúng ta có một ví dụ cụ thể về quá trình kiểm soát nhiệt độ nước xả từ lò sưởi đốt gas công nghiệp.
Phương pháp trước đây người ta thường vận hành phải xem đồng hồ đo nhiệt, điều chỉnh van để có thể kiểm soát được nhiệt độ cho nước xả. Nhiệt độ tăng cao cần phải vặn giảm góc mở van gas. Còn nhiệt độ giảm thì cần tăng góc mở của van.
Điều khiển này gọi là điều khiển phản hồi, bởi việc thay đổi tốc độ đốt qua phản hồi từ đồng hồ đo nhiệt. Việc thay đổi van gas có ảnh hưởng tới nhiệt độ. Kết quả sẽ được đưa về cho người vận hành qua đồng hồ và được lặp lại theo 1 vòng tuần hoàn.
Hiện nay, bộ PID được dùng để kiểm soát nhiệt độ dễ dàng hơn. Hệ thống sử dụng tới thiết bị đo nhiệt độ điện tử với van điều khiển điện kết hợp với bộ điều khiển, giúp thiết lập, kết nối với thiết bị đo nhiệt và van.
Kỹ sư sẽ lập tham số trong độ điều khiển ở nhiệt mong muốn. Lắp ở vị trí với đầu ra của bộ là nơi van điều khiển đặt. Cảm biến nhiệt, tín hiệu nhiệt độ đo được truyền đến bộ PID giúp so sánh những giá trị nhiệt độ được nhận từ cảm biến với giá trị của nhiệt độ điểm đặt ban đầu.
Nó tính toán sai số, chênh lệch để từ đó giúp xác định được đầu ra, góc mở van đảm bảo cho nhiệt độ luôn nằm trong giá trị cho phép. Nếu nhiệt độ tăng bộ điều khiển sẽ mở góc mở van, khi nhiệt thấp thì bộ điều khiển sẽ tăng góc mở van. Thiết bị này giúp mang lại sự tiện dụng cho người, vượt trội hơn hẳn so với những phương pháp thủ công truyền thống trước đây.
Cách điều chỉnh thông số đối với bộ điều khiển PID
Để có thể điều chỉnh được bộ điều khiển này không đơn giản ngay cả khi bạn nắm được 3 thông số cơ bản nhưng cũng sẽ khiến cho việc điều chỉnh gặp khó khăn. Bạn có thể tham khảo cách điều chỉnh như sau:
- Tối ưu hóa hành vi: Giúp thay đổi quá trình hay các điểm đặt của bộ điều khiển PID. Với cách làm này bạn chỉ cần tự điều chỉnh lệch và ổn định. Nhưng chúng lại phụ thuộc vào nhiều tiêu chuẩn khác nhau như: Thời gian xác lập, thời gian khởi động máy. Lưu ý cần tối ưu hóa năng lượng đã tiêu hao để giúp cho các hoạt động được hiệu quả.
- Độ ổn định: Khi có độ trễ lớn sẽ tạo ra sự bất ổn định, để có thể đạt được độ ổn định cao cần đảm bảo không xảy ra sự dao động trong cả quá trình.
PID gồm có các khâu hiệu chỉnh nào?
Khâu tỉ lệ
Khâu tỉ lệ là độ lợi, đây là khâu giúp thay đổi giá trị ở đầu ra và được tỉ lệ với giá trị sai số.
Để có thể đáp ứng được yêu cầu về tỷ lệ, người dùng nên thực hiện điều chỉnh độ lợi qua các tính toán: nhân sai số với 1 hằng số tỉ lệ (Kp). Khâu tỉ lệ khi đó sẽ được tính bằng công thức:
Trong đó:
- P(out): là thừa số tỉ lệ đầu ra.
- e: là sai số, được tính bằng SP – PV.
- Kp: là hệ số tỉ lệ, còn được gọi là thông số điều chỉnh.
- t: là thời gian/khoảng thời gian tức thời.
Khâu phân tích
Khâu này được tỉ lệ thuận với biên độ sai số, quãng thời gian xảy ra sai số. Nhờ tổng sai số tức thời mà chúng ta có thể thấy được những tích lũy bù mà trước đó đã được hiệu chỉnh thế nào.
Trong đó:
- e: nhằm để biểu thị các sai số.
- I (out): là thừa số tích phân đầu ra.
- t: là thời gian/thời gian tức thời.
- Ki: Là độ lợi tích phân, là thông số điều chỉnh.
Khâu vi phân
Để có thể tính được tốc độ của sai số trong 1 quá trình ta cần phải xác định được độ dốc của sai số theo thời gian. Ta có thể áp dụng theo công thức sau đây:
Trong đó:
- D (out): là thừa số vi phân của đầu ra
- e: là sai số
- Kd: là độ lợi vi phân, là một thông số điều chỉnh.
- t: là thời gian/thời gian tức thời.
Các dạng của PID, ký hiệu thay thế
Hiện nay các Proportional Integral Derivative trên thị trường có 4 dạng chính bao gồm những dạng sau:
- Dạng 1 – điều khiển lý tưởng, tiêu chuẩn: Đây là dạng được đánh giá khá phù hợp để điều chỉnh nhiều thuật toán của PID. Độ lợi Kp được dùng ở trong khâu D out hay I out.
- Dạng 2 – tương hỗ hay còn gọi là tiếp nối: bao gồm toàn bộ hệ thống PD, PI nối tiếp nhau. Nhờ đó mà người dùng có thể dễ dàng sử dụng các bộ điều khiển kỹ thuật số hơn. Say này người ta phát triển các sản phẩm kế thừa nó và dùng ở dạng hỗ trợ nhau.
- Dạng 3 – LaPlace của hệ thống điều chỉnh PI: sử dụng bộ PID cùng hàm truyền của hệ thống điều khiển. Nhờ đó xác định được hàm truyền trong vòng kín của PID nhanh hơn.
- Dạng 4 – rời rạc hóa trong PID: dạng bộ PID Control kỹ thuật số, gắn trên 1 vi điều khiển MC hay trên FPGA. Yêu cầu dùng dạng chuẩn nhưng phải rời rạc. Dựa trên biểu đồ thời gian mẫu mà việc phân tích sẽ rời rạc.
Ứng dụng của PID (Proportional Integral Derivative)
Việc sử dụng Proportional Integral Derivative trong công nghiệp hiện nay rất phổ biến, chúng tham gia vào các quá trình: sản xuất, gia công, chế biến,… trong nhiều nhiều ngành, lĩnh vực khác nhau.
Thiết bị giúp hỗ trợ giảm các sai số về sự dao động cũng như thời gian xác lập, độ vọt lố,.. một cách hiệu quả. Theo đó có rất nhiều ứng dụng sử dụng PID như:
- Dùng điều khiển biến tần: Thiết bị điện, điện tử với PID giúp hình thành nên biến tần điều khiển.
- Dùng điều khiển mức nước: Thiết bị PID được sử dụng giúp cho việc tự động hóa thiết bị điện, điện tử, cảm biến, van nhạy và linh động. Từ đó giúp mang lại năng suất cao.
- Sử dụng ở trong hệ thống có PLC: Với thiết bị điều khiển PID, người dùng có thể thiết kế các hàm sẵn để giúp mang lại khả năng điều chỉnh nhiệt, áp lực, lưu lượng,…
- Bên cạnh đó các PID còn có thể kiểm soát được lưu lượng nước nhờ cảm biến đường ống. Đây là một trong những ưu điểm vượt trội khi nói tưới thiết bị này.
Có thể thấy bộ điều khiển PID vô cùng cần thiết trong cuộc sống hiện nay của chúng ta. Chúng được ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống hàng ngày của con người.
Hy vọng, với những thông tin mà chúng tôi mang tới trên đây đã giúp bạn có thể hiểu rõ hơn về thiết bị điều khiển của PID. Quý khách hàng vui lòng liên hệ ngay với Bình Dương AEC nếu đang quan tâm đến sản phẩm này hoặc tư vấn các giải pháp miễn phí về tự động hóa. HOTLINE 0931.101.388
Địa chỉ văn phòng: 87-89 Khuất Duy Tiến, Thanh Xuân, Hà Nội
Địa chỉ xưởng sản xuất: Lô 25-D14, LK Geleximco, Hà Đông, Hà Nội
Fanpage: https://www.facebook.com/BinhDuongAECb
Email: info@binhduongaec.com.vn
