PID là gì? Bộ điều khiển PID là gì?

PID là gì? Bộ điều khiển PID là gì?

PID là một khái niệm quan trọng trong điều khiển tự động, trong bài viết này chúng ta cùng tìm hiểu PID là gì? Bộ điều khiển PID là gì? để có được cách ứng dụng thực tế trong việc điều khiển tự động.

1. PID là gì?

PID là sự kết hợp của 3 bộ điều khiển: tỉ lệ, tích phân và vi phân, có khả năng điều chỉnh sai số thấp nhất có thể, tăng tốc độ đáp ứng, giảm độ vọt lố, hạn chế sự dao động. PID nói đúng hơn là một thuật toán được áp dụng vào trong bộ điều khiển để làm sao điều khiển đến mức thiết lập nhanh nhất với một sai số thấp nhất.

Bộ điều khiển PID là gì?

Bộ điều khiển PID, còn gọi ngắn gọn là PID là một kỹ thuật điều khiển quá trình tham gia vào các hành động xử lý về "tỉ lệ, tích phân và vi phân". Nghĩa là các tín hiệu sai số xảy ra sẽ được làm giảm đến mức tối thiểu nhất bởi ảnh hưởng của tác động tỉ lệ, ảnh hưởng của tác động tích phân và được làm rõ bởi một tốc độ đạt được với tác động vi phân số liệu trước đó. Điều khiển PID là một kiểu điều khiển có hồi tiếp vòng kín được sử dụng rộng rải trong hệ thống điện, tự động hóa, điện tử...

Ví dụ về PID

Khi bạn muốn điều khiển lò nung, theo như bình thường thì bạn phải cài đặt mức nhiệt độ là 38°C, khi đạt ngưỡng 38°C thì ngắt nhiệt. Nhưng theo cách này thì độ chính xác là 38°C sẽ thấp vì có sai số lớn. Do đó, khi sử dụng bộ điều khiển PID thì nó sẽ điều chỉnh giá trị điều khiển ở ngõ ra Ouput sao cho sai lệch giữa giá trị đo được của hệ thống với giá trị cài đặt nhỏ nhất có thể (sai số∼0), tạo sự ổn định và có đáp ứng nhanh.

Một cách đơn giản nhất để hiểu về PID như sau:

• P: là phương pháp điều chỉnh tỉ lệ, giúp tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ với sai lệch đầu vào theo thời gian lấy mẫu.
• I: là tích phân của sai lệch theo thời gian lấy mẫu. Điều khiển tích phân là phương pháp điều chỉnh để tạo ra các tín hiệu điều chỉnh sao cho độ sai lệch giảm về 0. Từ đó cho ta biết tổng sai số tức thời theo thời gian hay sai số tích lũy trong quá khứ. Khi thời gian càng nhỏ thể hiện tác động điều chỉnh tích phân càng mạnh, tương ứng với độ lệch càng nhỏ.
• D: là vi phân của sai lệch. Điều khiển vi phân tạo ra tín hiệu điều chỉnh sao cho tỉ lệ với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào. Thời gian càng lớn thì phạm vi điều chỉnh vi phân càng mạnh, tương ứng với bộ điều chỉnh đáp ứng với thay đổi đầu vào càng nhanh.

Hình 1: PID là gì?

2. Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển PID

Chúng ta có 4 loại điều khiển :

• Bộ điều khiển tỉ lệ – Proportional Controller
• PI viết tắt của Proportional and Integral ( PI ) Controller được gọi là bộ điều khiển tỉ lệ và tích phân
• PD viết tắt của Proportional and Derivative (PD) Controller được gọi là bộ điều khiển đạo hàm
• PID viết tắt của Proportional, Integral, and Derivative (PID) Controller được gọi là bộ điều khiển tỉ lệ, tích phân, đạo hàm

Hình 2: Nguyên lý hoạt động bộ điều khiển PID

Hệ thống điều khiển PID tự động bao gồm:

Thiết bị điều khiển và cài đặt (PLC, HMI). Cơ cấu chấp hành (thiết bị gia nhiệt). Thiết bị hồi tiếp (cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất).

Hình 3: Bộ điều khiển nhiệt độ PID

Một hệ thống điều khiển nhiệt độ PID bằng PLC với các thiết bị : PLC, cảm biến đo nhiệt độ và thiết bị gia nhiệt. Các hệ số PI – PD – PID được mô phỏng bằng các thuật toán điều khiển trong PLC giúp dể hình dung hơn về điều khiển nhiệt độ PID.

Hình 4: Cách thức hoạt động bộ điều khiển PID

Khi chọn giá trị set point hay còn gọi là giá trị cài đặt (SV). Bộ điều khiển sẽ gửi đi các thông tin điều khiển tới các thiết bị cơ cấu chấp hành.

Quá trình điều khiển này sẽ là một loạt các thuật toán, yêu cầu đóng mở liên tục với thời gian nhanh hoặc chậm phụ thuộc vào hệ thống đang hoạt động.

Khi nhìn vào biểu đồ điều khiển nhiệt độ tại 200°F chúng ta thấy rằng mức ON – OFF sẽ liên tục được đóng – mở tại 198°F và 202°F để đảo bảo nhiệt độ luôn giữ tại 200°F theo cài đặt.

3. Tại sao sử dụng bộ điều khiển PID

PID được coi là là bộ điều khiển lý tưởng của các hệ thống điều khiển quy trình hiện đại. Nó được sử dụng hầu hết trong các ứng dụng điều khiển quá trình tự động trong công nghiệp hiện nay. Để điều chỉnh lưu lượng, nhiệt độ, áp suất, vv…

• Giảm sai số xác lập đến mức tối thiểu nhất
• Hạn chế độ dao động
• Giảm thời gian xác lập và độ vọt lố.

3.1. Điều khiển mức nước bằng PID

Để đánh giá được tầm quan trọng của việc sử dụng bộ điều khiển PID chúng ta cần so sánh điều khiển bằng tay và điều khiển tự động. Cùng xem cách điều khiển mức nước bằng cả hai cách truyền thống và PID.

Hình 5: Điều khiển mức nước bằng tay

Quá trình điều khiển mức nước bằng tay hay còn gọi là thủ công có độ chính xác không cao mà còn là một quá trình buồn chán và tẻ nhạt. Để duy trì mức nước cố định trong tank khi vừa xả nước vào vừa mở van bên dưới tank ra, người công nhân phải dựa vào mắt để quan sát và điều chỉnh đóng – mở van sao cho mức nước trong tank luôn ổ một ngưỡng cho phép.

Ở đây người điều khiển van được gọi là cơ cấu chấp hành còn mắt được xem như là thiết bị đo mức nước. Nếu nước xả vào quá nhanh thì đồng nghĩa van phải mở lớn hơn để đảm bảo nước không bị tràn. Việc này trở nên đơn giản nếu chúng ta sử dụng các hệ thống điều khiển PID để điều khiển mức nước. Bộ điều khiển có thể chạy hoàn toàn tự động mà không cần sự can thiệp của con người, cần có những điều sau đây:

• Bộ điều khiển nhận tín hiệu 4-20mA ngõ ra PID 4-20mA.
• Cảm biến đo mức nước 4-20mA.
• Van điều khiển nước xả ra tín hiệu 4-20mA.
• Mức nước đo được từ cảm biến, được gọi là biến quá trình (PV).
• SV là giá trị cài đặt cần mong nuốn. ==> Khi SV khác với PV thì PID sẽ tự điều chỉnh để duy trì mức nước trong bể một cách chính xác nhất.

Hình 6: Bộ điều khiển PID điều khiển mức nước

3.2. PID trong biến tần

Có một bể chứa dung dịch vừa cần trộn đều dung dịch vừa có thể điều khiển nhiệt độ tại 70°C. Để điều khiển tự động với PID, cần có sự kết hợp của các thiết bị như sau:

• Van điều khiển lưu lượng
• Cảm biến nhiệt độ
• Biến tần điều khiển PID cho động cơ
• Bộ điều khiển nhiệt độ PID cho van điều khiển

Cảm biến nhiệt độ có thể điều khiển được tốc độ của biến tần và lưu lượng nước đi qua van điều khiển. Nhằm đảm bảo mức độ trộn đều dung dịch và nhệt độ trong bể. Việc tăng hay giảm nhiệt độ phụ thuộc vào lưu lượng dung dịch đi qua van điều khiển. Còn trộn dung dịch đều hay không lại phụ thuộc vào biến tần.

Điều khiển tín hiệu PID là một quá trình phức tạp. Để điều khiển chính xác các đối tượng: nhiệt độ, độ ẩm, chiều dài, mực nước, lưu lượng, áp suất,..Cần phải thiết kế từng PID độc lập cho từng đối tượng.

Hình 7: Điều khiển PID trong biến tần

3.3. Bộ điều khiển PID trong PLC

Hình 8: Bộ điều khiển PID trong PLC

Đối với các hệ thống lớn sử dụng PLC / DCS để điều khiển PID thì không cần dùng tới các bộ điều khiển PID riêng lẻ. Trong PLC có sẵn các hàm PID để điều khiển nhiệt độ, áp suất, lưu lượng với kết quả chính xác như các bộ điều khiển PID độc lập.

Việc khó khan hơn của PLC chính là tự chọn các thông số để chạy thực nghiệm để cho ra một hệ số PID chính xác nhất. Trong khi các bộ điều khiển PID 4-20mA đều có chức năng Auto turning để có thể tự dò các hệ số này với độ chính xác tới 98%.

Chỉ cần chúng ta hiểu các thông số PI – PD – PID thì việc tăng hoặc giảm các giá trị tham số để có kết quả như mong muốn trở nên đơn giản.

Như ví dụ :

Van điều khiển nhận tín hiệu điều khiển từ PLC thông qua thiết bị hồi tiếp là đồng hồ đo lưu lượng. Khi cần lưu lượng đi qua van là 100m3/h thì chúng ta chỉ cần điều khiển trên màn hình HMI kết nối với PLC để truyền tín hiệu xuống van điều khiển.

Lưu lượng tăng hoặc giảm không phụ thuộc vào áp suất trong đường ống hay công suất của bơm nữa mà sẽ được điều khiển theo tín hiệu của đồng hồ đo lưu lượng truyền về.

Như vậy việc điều khiển lưu lượng trở nên chính xác hơn mà không phụ thuộc vào công suất bơm hay áp suất đường ống khi có sự rẽ nhánh của lưu lượng.

• ← Bài viết trước
• Bài tiếp theo →