Bộ điều khiển PID là gì? Phân loại và tính ứng dụng của PID 

286 lượt xem
Chia sẻ:
Bộ điều khiển PID là gì? Phân loại và tính ứng dụng của PID 

PID là gì? Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là một công cụ quan trọng trong lĩnh vực điều khiển tự động. Với khả năng tự điều chỉnh dựa trên các thông số đầu vào, PID đã trở thành một phương pháp phổ biến và hiệu quả để điều khiển các hệ thống công nghiệp một cách đa dạng. Để hiểu rõ hơn về bộ điều khiển này cùng tìm hiểu qua bài viết dưới đây của Luci nhé. 

Bộ điều khiển PID là gì? 

Khái niệm 

PID (Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp. Bộ điều khiển này hoạt động bằng cách so sánh giá trị đo được với giá trị mong muốn, sau đó tính toán tín hiệu điều khiển để đưa hệ thống về trạng thái mong muốn.

Lịch sử hình thành PID 

Ý tưởng về bộ điều khiển PID xuất hiện từ những năm 1890 và được phát triển bởi Elmer Sperry vào năm 1911. Lý thuyết về điều khiển PID được Nicolas Minorsky xuất bản vào năm 1922 và được ứng dụng trong hệ thống lái tàu tự động vào những năm 1930. Sau Thế chiến thứ 2 các hệ thống điều chỉnh về thủy lực, cơ khí, khí nén, hệ thống điện đã được phát triển đặc biệt mạnh mẽ.

Ngày nay, PID là bộ điều khiển được sử dụng phổ biến nhất trong các hệ thống điều khiển hiện đại.

Bộ điều khiển PID có lịch sử từ năm 1890
Bộ điều khiển PID có lịch sử từ năm 1890

Ý nghĩa của điều khiển PID 

Tính toán giá trị sai số 

Bộ điều khiển PID được sử dụng để so sánh giá trị đo được với giá trị mong muốn nhằm xác định độ lệch. Sau đó cung cấp thông tin cho bộ điều khiển để điều chỉnh hệ thống. Và xác định sai số được tính toán theo thời gian thực để đảm bảo hệ thống luôn hoạt động chính xác.

Hạn chế độ dao động 

PID sẽ giúp đảm bảo hệ thống được hoạt động một cách ổn định và mượt mà. Giảm thiểu tối đa các vấn đề rung lắc và gây nhiễu trong hệ thống. Nhằm tăng tuổi thọ và hiệu quả hoạt động của hệ thống công nghiệp hiện đại.

Giảm thời gian xác lập, lọt vố 

Bộ điều khiển này giúp hệ thống đạt được trạng thái mong muốn nhanh chóng nhất. Hỗ trợ tăng tốc độ phản ứng của hệ thống với các thay đổi sai lệch đầu vào. Giúp nâng cao hiệu quả và năng suất của hệ thống máy móc.

Các khâu hiệu chỉnh PID 

Khâu phân tích 

Khâu phân tích (Integral) trong bộ điều khiển PID là một phần quan trọng giúp điều chỉnh giá trị đầu ra dựa trên tỉ lệ với tổng sai số tích lũy và khoảng thời gian mà sai số đã xảy ra. Thông qua việc tích lũy các sai số, chúng ta có thể nhận thấy các hiệu chỉnh tích lũy đã được thực hiện. Công thức tính toán của khâu phân tích như sau:

I (out) = Ki * ∫edt 

Trong đó:

  • I (out): Thừa số phân tích đầu ra
  • Ki: Hệ số tích phân (còn gọi là thông số điều chỉnh)
  • e: Sai số
  • dt: Khoảng thời gian

Khâu vi phân 

Khâu vi phân (Derivative) trong bộ điều khiển PID có vai trò xác định tốc độ biến đổi của sai số theo thời gian. Để tính toán khâu này, chúng ta áp dụng công thức như sau:

D (out) = Kd * (de/dt)

Trong đó:

  • D (out): Giá trị đầu ra của khâu vi phân
  • de: Sai số
  • Kd: Độ lợi vi phân, một tham số điều chỉnh
  • dt: Thời gian hoặc khoảng thời gian hiện tại

Khâu tỉ lệ 

Khâu tỉ lệ, hay còn gọi là độ lợi, đóng vai trò quan trọng trong bộ điều khiển PID, giúp hệ thống tự động hoạt động chính xác và hiệu quả. Để đáp ứng yêu cầu về tỷ lệ này, người dùng có thể điều chỉnh độ lợi thông qua tính toán bằng cách nhân sai số với một hằng số tỉ lệ, thường được gọi là hệ số tỉ lệ (Kp). Công thức tính toán khâu tỉ lệ như sau:  

P (out) = Kp * e

Trong đó:

  • P (out): Giá trị đầu ra của khâu tỉ lệ
  • e: Sai số, được tính bằng hiệu giữa giá trị đặt trước (SP) và giá trị hiện tại (PV)
  • Kp: Hệ số tỉ lệ, cũng được gọi là tham số điều chỉnh
Các khâu hiệu chỉnh PID đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu quả điều khiển
Các khâu hiệu chỉnh PID đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu quả điều khiển

Nguyên lý hoạt động của hệ thống PID 

Hệ thống điều khiển PID tự động bao gồm các thành phần:

  • Thiết bị điều khiển và cài đặt (PLC, HMI): Là các thiết bị chịu trách nhiệm điều khiển và cấu tạo hệ thống. PLC (Programmable Logic Controller) và HMI (Human-Machine Interface) được sử dụng để lập trình, giám sát và tương tác với hệ thống điều khiển.
  • Cơ cấu chấp hành (thiết bị gia nhiệt): Là các thiết bị như van điều khiển, bơm, quạt hoặc thiết bị gia nhiệt khác, có nhiệm vụ thực hiện các hành động điều khiển thích hợp trên hệ thống.
  • Thiết bị hồi tiếp (cảm nhận nhiệt độ, cảm biến áp suất): Là các cảm biến và thiết bị đo lường được sử dụng để thu thập thông tin về trạng thái và điều kiện của hệ thống. Chúng có thể là cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất hoặc các thiết bị hồi tiếp khác.

Sau khi giá trị đặt (Setpoint – SV) đã được chọn, bộ điều khiển sẽ gửi các tín hiệu điều khiển đến các thiết bị chấp hành và cơ cấu. Quá trình này sẽ kích hoạt các thuật toán điều khiển, yêu cầu các hành động mở và đóng liên tục với thời gian phản hồi nhanh hoặc chậm, phụ thuộc vào hệ thống đang hoạt động. Mục tiêu là đạt được sự điều chỉnh chính xác và ổn định của hệ thống điều khiển.

Điều khiển tín hiệu hoạt động PID là một quá trình khá phức tạp
Điều khiển tín hiệu hoạt động PID là một quá trình khá phức tạp

Mục đích sử dụng của bộ điều khiển PID là gì? 

Kiểm soát nhiệt thủ công 

Để duy trì nhiệt độ của nước xả từ lò sưởi đốt gas công nghiệp, người vận hành phải thực hiện việc quan sát nhiệt độ bằng đồng hồ đo và điều chỉnh van gas phù hợp. Khi nhiệt độ nước vượt quá mức yêu cầu, người vận hành cần giảm mức mở van gas để giảm lượng nguyên liệu đốt và điều chỉnh nhiệt độ nước xả ra đạt giá trị mong muốn. Ngược lại, khi nhiệt độ nước giảm xuống dưới mức yêu cầu, người vận hành cần tăng mức mở van gas.

Nhiệm vụ điều khiển này được thực hiện bởi người vận hành thông qua việc điều khiển phản hồi. Người vận hành điều chỉnh tốc độ đốt dựa trên phản hồi từ quá trình đo nhiệt độ. Trong hệ thống này, người vận hành, van gas, lò sưởi, và đồng hồ đo nhiệt độ tạo thành một chu trình hoạt động. Do đó, bất kỳ thay đổi nào do người vận hành thực hiện đối với van gas đều sẽ ảnh hưởng đến nhiệt độ của hệ thống.

Kiểm soát nhiệt tự động 

Để có thể dễ dàng kiểm soát chính xác và dễ dàng nhiệt độ, ta có thể sử dụng bộ điều khiển PID. Quá trình sử dụng bộ điều khiển này thực hiện như sau:

  • Sử dụng thiết bị đo nhiệt độ điện tử để đo nhiệt độ hiện tại.
  • Sử dụng van điều khiển điện tử để điều chỉnh lưu lượng gas.
  • Kết nối bộ điều khiển PID với thiết bị đo nhiệt độ và van điều khiển điện tử, và thiết lập các thông số cần thiết trên bộ điều khiển.
  • Người vận hành cần đặt chính xác tham số điểm đặt trên bộ điều khiển PID cùng  với nhiệt độ mong muốn, và đặc biệt đầu ra của bộ điều khiển sẽ điều chỉnh vị trí van điều khiển.
  • Cảm biến nhiệt độ sẽ gửi tín hiệu đến bộ điều khiển PID. Bộ điều khiển sẽ so sánh giá trị nhiệt độ đo được từ cảm biến với giá trị nhiệt độ điểm đặt và tính toán sai số hoặc chênh lệch giữa hai giá trị này.
  • Dựa trên việc tính toán sai số và các hệ số điều chỉnh, bộ điều khiển PID sẽ tính toán đầu ra phù hợp để điều khiển góc mở van ở vị trí chính xác. Điều này sẽ giữ cho nhiệt độ luôn ổn định ở giá trị điểm đặt. Nếu nhiệt độ vượt quá giá trị đặt, bộ điều khiển sẽ giảm góc mở van và ngược lại, nếu nhiệt độ thấp hơn giá trị đặt, bộ điều khiển sẽ tăng góc mở van để đạt được nhiệt độ mong muốn.
Bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi để kiểm soát nhiệt 
Bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi để kiểm soát nhiệt

Các dạng và ký hiệu của bộ điều khiển PID 

Hiện nay, trên thị trường có 4 dạng chính của các bộ điều khiển Proportional Integral Derivative (PID), bao gồm:

Dạng 1: Điều khiển tiêu chuẩn, lý tưởng 

Là dạng được đánh giá là phù hợp để điều chỉnh nhiều thuật toán của PID. Tham số độ lợi (Kp) được sử dụng trong pha đầu ra D (D out)hoặc pha tích lũy I (I out).

Dạng 2: Tương hỗ hoặc tiếp nối 

Dạng này sẽ bao gồm cả hệ thống PD và PI được kết nối tiếp nhau. Cho phép người dùng dễ dàng sử dụng các bộ điều khiển kỹ thuật số hơn. Dạng này được phát triển thành các sản phẩm kế thừa và được sử dụng để hỗ trợ lẫn nhau.

Dạng 3: LaPlace của hệ thống điều khiển PI 

Dạng này sử dụng bộ PID cùng với hàm truyền của hệ thống điều khiển. Điều này giúp xác định hàm truyền trong vòng kín của PID nhanh hơn. 

Dạng 4: Rời rạc hóa trong PID 

Đây là dạng bộ điều khiển PID kỹ thuật số, được lắp đặt trên một vi điều khiển MC hoặc trên FPGA. Yêu cầu sử dụng dạng chuẩn nhưng phải là dạng rời rạc. Phân tích dựa trên biểu đồ thời gian mẫu để thực hiện rời rạc hóa.

Có 4 dạng chính của các bộ điều khiển PID
Có 4 dạng chính của các bộ điều khiển PID

Ứng dụng của PID vào vận hành hệ thống 

Điều khiển mức nước 

Bộ điều khiển này hoạt động tự động mà không cần sự can thiệp của con người. Để điều khiển mức nước, cần có các yếu tố sau:

  • Bộ điều khiển nhận tín hiệu 4 – 20 mA và có đầu ra PID 4 – 20 mA.
  • Cảm biến đo mức nước với tín hiệu đầu vào là 4 – 20 mA.
  • Van điều khiển để điều chỉnh lưu lượng nước xả ra với tín hiệu đầu ra là 4 – 20 mA.

Bộ điều khiển PID sẽ nhận tín hiệu từ cảm biến đo mức nước. Sau đó, nó sẽ được cài đặt để hiển thị và điều khiển mức nước theo yêu cầu. Khi bộ điều khiển hoạt động, không cần sự giám sát từ con người. Bộ điều khiển PID sẽ so sánh các tín hiệu cài đặt và sử dụng thuật toán PID để duy trì mức nước ở mức chính xác.

Điều khiển PID trong biến tần 

Để thực hiện điều khiển tự động trong hệ thống biến tần, ta cần chuẩn bị các dụng cụ sau:

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

Cảm biến nhiệt độ được sử dụng để điều khiển tốc độ biến tần và lưu lượng nước khi đi qua van điều khiển. Điều này đảm bảo sự đồng nhất trong việc trộn và duy trì nhiệt độ trong bể. Sự tăng giảm nhiệt độ phụ thuộc vào lưu lượng nước. Độ trộn đồng đều của dung dịch được thực hiện thông qua sự điều khiển của biến tần.

Ứng dụng điều hoà không khí 

Ngày nay, một số hệ thống sưởi và điều hòa đã sử dụng bộ điều khiển PID để điều chỉnh hoạt động của hệ thống. 

  • Nhiệt độ trong nhà được quy định ở mức nhiệt độ là 27 độ C, được gọi là Setpoint (SP).
  • Đọc giá trị hiện tại từ bộ điều chỉnh nhiệt độ, ta thu được giá trị là 68 độ F, được gọi là biến quy trình (PV).
  • Bộ phận điều chỉnh nhiệt độ, có thể là bộ phận làm nóng hoặc làm mát, được gọi là biến điều khiển (Control Variable – CV) hoặc biến chuyển (Manipulated Variable – MV).

Có nhiều hành động điều khiển khác nhau để điều khiển nhiệt độ trong nhà. Khi một thiết bị tác động trực tiếp vào điều khiển, ta thực hiện tính toán bằng cách lấy hiệu của Setpoint và biến quy trình (SP – PV).

Bộ điều khiển PID được ứng dụng rộng rãi trong vận hành hệ thống nhờ tính ứng dụng cao 
Bộ điều khiển PID được ứng dụng rộng rãi trong vận hành hệ thống nhờ tính ứng dụng cao

Hướng dẫn điều chỉnh thông số của PID 

Để điều chỉnh bộ điều khiển PID bạn có thể áp dụng phương pháp sau: 

  • Tối ưu hóa hành vi: Là phương pháp sử dụng cách tương tự để thay đổi quá trình làm việc hay các điểm đặt của bộ điều khiển PID tuy nhiên bạn sẽ cần tự điều chỉnh sự sai lệch và ổn định. Phương pháp này phụ thuộc vào nhiều tiêu chuẩn khác nhau như: Thời gian xác lập và thời gian khởi động của máy. Đặc biệt, tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ cũng là một yếu tố quan trọng để đảm bảo hoạt động hiệu quả nhất.
  • Độ ổn định: Thừa độ lợi có thể gây ra sự bất ổn định. Để giảm thiểu hiện tượng này, cần điều chỉnh các thông số sao cho độ lợi được cân bằng và không quá cao. Điều này giúp tránh sự dao động không mong muốn trong quá trình điều khiển. 
Có 2 phương pháp chính để điều chỉnh thông số của PID 
Có 2 phương pháp chính để điều chỉnh thông số của PID

Luci – Đơn vị cung cấp giải pháp IoT tổng thể tại Việt Nam 

Hy vọng rằng, qua bài viết này có thể giúp bạn hiểu rõ PID là gì? Từ đó nắm rõ hơn về bộ điều khiển thông minh này. Bộ điều khiển PID là một phương pháp điều khiển quan trọng và phổ biến, được sử dụng trong nhiều lĩnh vực. Việc hiểu và áp dụng phân loại và tính ứng dụng của PID sẽ giúp chúng ta tối ưu hóa quá trình điều khiển và đạt được hiệu suất cao trong các hệ thống tự động hóa và điều khiển. Đặc biệt, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, bộ điều khiển PID sẽ còn tiếp tục được cải tiến và ứng dụng rộng rãi hơn nữa trong tương lai.

Luci tự hào là một trong những đơn vị hàng đầu cung cấp giải pháp IoT tổng thể tại Việt Nam, tiên phong trong việc mang đến những công nghệ hiện đại và tiên tiến nhất, giúp cuộc sống của mọi người trở nên thông minh và tiện lợi hơn bao giờ hết. 

Với mục tiêu cung cấp giải pháp IoT toàn diện, chúng tôi đã khẳng định vị thế hàng đầu của mình trong việc cung cấp các giải pháp công nghệ tiên tiến. Luci đã xây dựng mối quan hệ đối tác tin cậy với nhiều doanh nghiệp lớn tại Việt Nam. 

Chúng tôi tự hào về việc đóng góp vào sự thành công của khách hàng và cam kết tiếp tục đem lại những giải pháp đột phá và sáng tạo để tạo nên một tương lai kết nối thông minh và tiện ích.

Để tham khảo thêm về các giải pháp quản lý thông minh tại Luci, hãy liên hệ với chúng tôi theo các địa chỉ cũng như thông tin liên lạc sau:

  • Trụ sở Hà Nội: Tầng 2, toà New Skyline, Đường Nguyễn Khuyến, Phường Văn Quán, Quận Hà Đông, Tp. Hà Nội.
  • Văn phòng Hồ Chí Minh: Tầng 8, Tòa nhà Pearl Plaza, Số 561A Điện Biên Phủ, P.25, Q.Bình Thạnh, TP.Hồ Chí Minh
  • Hotline: 0902 239 589.
  • Website: www.luci.vn.
  • Email: info@luci.vn
Theo dõi
Thông báo của
guest
0 Góp ý
Phản hồi nội tuyến
Xem tất cả bình luận
Mục lục