PID là gì ? Cách điều chỉnh bộ điều khiển đúng phương pháp

PID là gì ? Làm thế nào để điều chỉnh thông số PID ? Bạn thường dùng phương pháp nào đề xác định thông số bộ điều khiển này…. Và rất nhiều thông tin hữu ích khác như lịch sử hình thành, các ký hiệu, ứng dụng… sẽ được chúng tôi chia sẻ trong bài viết hôm nay. Bạn hãy dành ra một chút thời gian để tìm hiểu chi tiết những thông tin dưới dây nhé.

PID là gì ?

PID là viết tắt của từ Proportional Integral Derivative. Có thể hiểu PID là một cơ chế phản hồi của vòng điều khiển. Được dùng ở hầu hết các loại thiết bị máy móc công nghiệp. Có thể bạn chưa biết điều khiển PID được sử dụng nhiều nhất trong tất cả các loại điều khiển phản hồi.

Theo bạn thì chức năng của PID là gì ? PID được sử dụng để tính toán các giá trị sai số. Hiểu đơn giản thì nó là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt theo yêu cầu. PID Controller sẽ thực hiện giảm tối đa các sai số bằng phương pháp điều chỉnh các giá trị ở đầu vào.

Cách điều chỉnh thông số bộ điều khiển PID

Trước tiên chúng ta phải xác định với nhau rằng, điều chỉnh vòng điều khiển chính là thay đổi các thông số kiểm soát của nó ( Gồm có: độ lợi/dải tỉ lệ, độ lợi tích/reset, vi phân/tốc độ ) đến một mức giá trị đáp ứng điều khiển tối ưu của người dùng.

Để có thể điều chỉnh được PID là điều không phải dễ dàng. Ngay cả khi bạn đã có đầy đủ cả 3 thông số. Nói như vậy không có nghĩa là không có cách mà các phương pháp điều chỉnh này thường sẽ rất phức tạp. Dưới đây, Đại Dương có tổng hợp được một số cách thay đổi theo cách thông thường như sau:

• Độ ổn định: Sự bất ổn định thường do dư thừa độ lợi đặc biệt khi có xuất hiện độ trễ lớn. Muốn có được độ ổn định cao bạn cần phải đảm bảo quá trình không xảy ra dao động.
• Tối ưu hóa hành vì: Để có thể làm được điều này, bạn nên thay đổi quá trình hoặc điểm đặt của bộ điều khiển. Hai yêu cầu cơ bản của phương pháp này chính là ổn định và tự hiểu chỉnh lệch nó sẽ phụ thuộc vào các tiêu chuẩn đặc biệt như: thời gian khởi động và thời gian xác lập. Các quá trình cần tối ưu hóa năng lượng bị tiêu hao.

>> Ngoài ra còn một số phương pháp điều chỉnh PID khác nữa có thể kể đến như: Điều chỉnh thủ công hệ số K, sử dụng phương pháp Ziegler-Nichols hay là dùng phần mềm để thay đổi bộ điều khiển PID. Cụ thể từng phương pháp Đại Dương sẽ hướng dẫn bạn trong một bài viết khác.

Lịch sử hình thành bộ điều khiển PID

Bắt đầu từ những năm 1890 thì bộ điều khiểu khiển PID đã xuất hiện ở trong các thiết kế của bộ điều tốc. Sau này PID Controller được phát triển trên hệ thống tàu thủy tự động.

Sự xuất hiện đầu tiên về khái niệm PID Controller được phát triển bởi Elmer Sperry năm 1911. Sau này đến năm 1922 Nicolas Minorsky đã xuất bản tác phẩm lý thuyết về bộ điều khiển PID đầu tiên. Trong cuốn sách này cũng đã mô tả khái niệm PID là gì ? Và rất nhiều thông tin mà hiện nay vẫn còn sử dụng.

Lý thuyết này được Minorsky phát triển dựa vào sự quan sát hành vi của người lái tàu thủy trong khoảng thời gian này.

Một số bộ điều khiển đầu tiên chính là: khí nén, thủy lực, cơ khí và các hệ thống điện phát triển sau chiến thanh thế giới lần 2.

Các khâu hiệu chỉnh PID là gì ?

Sơ đồ hiệu chỉnh PID được tạo nên dựa vào 3 khâu, và tổng của 3 khâu này được tạo thành bởi các biến điều khiển ( Ký hiệu: MV ).

Ta có công thức cụ thể như sau:

MV (t) = P(out) +I(out)+ D(out)

Trong đó : Các giá trị P(out), I(out), D(out) chính là các thành phần đầu ra của ba khâu điều khiển PID.

1. Khâu tỉ lệ

Khâu tỉ lệ hay còn gọi là độ lợi, nó có công năng làm thay đổi các giá trị đầu ra, nó tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại. Để có thể đáp ứng được tỉ lệ ta có thể nhân với hệ số tỉ lệ Kp.

2. Độ trượt ( Drop )

Trong trường hợp không có nhiễu, thì điều khiển tỉ lệ thuần túy sẽ không có khả năng xác lập ngay tại giá trị mà nó mong muốn. Nhưng nó vẫn có thể duy trì một sai số ổn định trạng thái và nó được gọi là độ trượt. Nó chính là một hàm của độ lợi tỉ lệ và độ lợi của quá trình.

Độ lợi sẽ có tỉ lệ thuận với quá trình và tỉ lệ nghịch với độ lợi của tỉ lệ là một điều hạn chế không thể tránh được của quá trình điều khiển tỉ lệ thuần túy. Để có thể giảm độ trượt người ta thường sẽ thêm một thừa số độ lệch.

Dựa trên cả thực tế và lý thuyết thì khâu tỉ lệ vẫn rất cần thiết trong quá trình điều khiển bất chấp độ trượt như thế nào.

3. Khâu tích phân

Hay còn được gọi là khâu reset nó tỉ lệ cả với biên độ sai số cũng như thời gian xảy ra sai số.

Thừa số tích phân được xác định bởi công thức :

4. Khâu vi phân

Biên độ của quá trình phân phối khâu vi phân trên tất cả các trạng thái điều khiển đều được giới hạn bởi độ lợi của vi phân Kd.

Tổng kết lại hoạt động ta có: Khâu vi phân, tỉ vệ, tích phân tính tổng chính bằng giá trị đầu ra của bộ điều khiển PID. Ký hiệu là u(t)

>> Bạn đã biết về bộ điều chỉnh nhiệt cho các loại máy ấp trứng chưa ?

Ký hiệu thay thế và các dạng PID

Mỗi dạng PID lại có cho mịnh một dạng ký hiệu khác nhau. Vậy chúng ta hãy cùng nhau xem thử ký hiệu cho mỗi dạng PID này là gì nhé ?

1. Dạng điều khiển PID tiêu chuẩn và lý tưởng

Bộ điều khiển thích hợp nhất để điều chỉnh thuật toán chính là dạng chuẩn. Trong kiểu này độ lợi Kp được sử dụng trong khâu Iout và Dout.

2. Dạng LaPlace của hệ thống điều khiển PI là gì ?

Với cách này ta vừa có cho mình một bộ PID dưới dạng Palace và cả hàm truyền của một hệ thống điều khiển nhằm xác địch hàm truyền vòng kín của cả hệ thống một cách dễ dàng.

3. Dạng nối tiếp hay tương hỗ

Loại này về cơ bản nó bao gồm toàn bộ hệ thống điều khiển PD, PI nối tiếp nhau. Giúp cho các bộ điều khiển kỹ thuật số thời đầu dễ dàng được sử dụng hơn. Sau này, các dòng sản phẩm kế thừa thường sử dụng dạng tương hỗ. Cách xác định ở hình phía dưới.

4. Thực hiện rời rạc hóa trong bộ PID là gì ?

Một số phân tích về thiết kế của một bộ PID control kỹ thuật số ở trên một vi điều khiển MCU hoặc thiết bị FPGA được yêu cầu ở dạng tiêu chuẩn và phải được rời rạc hóa. Khâu tích phân sẽ được rời rạc hóa dựa theo biểu đồ thời gian mẫu.

Ứng dụng của bộ điều khiển PID là gì ?

Hiện nay PID được ứng dụng trong rất nhiều ngành nghề khác nhau. Nó có thể được dùng để giảm các sai số, hạn chế sự dao động hay là giảm thời gian gian xác lập và độ vọt lố…

• Sử dụng để điều khiển mực nước: bộ điều khiển được tự động hóa nhờ vào các thiết bị điện tử như cảm biến, van điều khiển…
• Điều khiển biến tần: Các thiết bị điện tử kết hợp ở đây gồm có: van điều khiển lưu lượng, cảm biến nhiệt độ, biến tần điều khiển….
• Kiểm soát lưu lượng khí qua đường ống
• Điều khiển PID trong PLC: Ở trong PLC thường sẽ được thiết kế sẵn các hàm dùng để điều chỉnh nhiệt độ, áp suất, lưu lượng….

Tổng kết để hiểu hơn về PID là gì ?

Với những khái niệm này đôi phần còn hơi hàn lâm, nhưng hi vọng rằng bạn có thể đọc đi đọc lại nhiều lần để có thể hiểu rõ hơn về điều đó. Bằng những kinh nghiệm cùng với sự tìm tòi chúng tôi đã đúc kết ra được những nội dung chi tiết nhất để có thể giới thiệu đến bạn PID là gì ? Những ứng dụng và các phương pháp xác định cũng như hiệu chỉnh PID.

Bạn có thể tham khảo thêm một số nguồn thông tin khác từ Wiki

>> Bộ điều khiển PID là gì nguồn Wiki

Một số bài viết cùng chuyên đề

>> Bộ điều khiển nhiệt độ là gì ? Những vấn đề có thể bạn vẫn chưa biết.

>> Hướng dẫn cài đặt thiết bị điều khiển nhiệt độ