Bạn muốn biết PID là gì? Bạn đang muốn tìm hiểu những thông tin tổng hợp nhất về bộ điều khiển PID hiện nay? Bạn sẽ hiểu về các khâu của PID, lịch sử hình thành, mục đích sử dụng, ứng dụng của nó. Tất cả kiến thức bạn muốn biết về PID sẽ được tổng hợp đầy đủ và chi tiết trong bài viết này.
1. PID là gì? Lịch sử hình thành bộ điều khiển PID
1.1. Hiểu đúng về PID
PID được tạo thành từ cụm từ tiếng Anh đầy đủ là Proportional Integral Derivative. Đây là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển trong các hệ thống điều khiển công nghiệp mà hiện nay được sử dụng rất rộng rãi. Bộ điều khiển này được đưa vào sử dụng nhiều nhất trong các hệ thống điều khiển vòng kín hay các hệ thống có tín hiệu phản hồi.
Bộ điều khiển PID sẽ giúp các máy công nghệ tính toán ra các giá trị sai số là hiệu số giữa các giá trị đo thông số về biển đối và giá trị đặt theo mong muốn của người thiết kế, người dùng. Thông qua các điều chỉnh giá trị điều khiển đầu mà mà nhờ đó hệ thống điều khiển khi thực hiện sẽ giảm được tối đa những sai số, cho hoạt động chính xác hơn và đạt hiệu quả cao hơn.
Để đạt những kết quả tốt nhất, các thông số của PID cần được sử dụng điều chỉnh theo tính chất của hệ thống nó được gắn vào. Trong trường hợp điều khiển giống nhau, cần tính toán đẻ các đặc thù của hệ thống để các thông số của PID được chuẩn xác và hiệu quả cao nhất khi làm việc.
Top 10 loại máy rửa mặt tốt nhất 2021
Động cơ vĩnh cửu là gì? Có những loại nào? Kiến thức bổ ích
Biến tần là gì? Một số loại biến tần được ưa chuộng nhất trên thị trường hiện nay
1.2. Hiểu chi tiết ý nghĩa của từng chữ cái trong PID
Như thông tin đã chia sẻ ở phần trên, các bạn biết được rằng PID được tạo bởi cụm từ tiếng Anh đầy đủ là Proportional Integral Derivative. Vậy những từ này sẽ mang ý nghĩa ra sao? Cùng tìm hiểu cụ thể và chi tiết như sau:
- P trong Proportional - Để chỉ đến một phương pháp điều chỉnh tỉ lệ, thông qua đó tạo ra một tín hiệu thông báo về điều chỉnh tỷ lệ so với sai lệch đầu vào theo thời gian tiến hành lấy mẫu.
- I trong Integral - Hiểu đơn giản thì nó mang ý nghĩa là sự phân tích đối với các sai lệch theo thời gian lấy mẫu. Để tạo ra các tín hiệu điều chỉnh sao cho độ sai lệch giảm về mức 0 thì cần sử dụng phương pháp điều khiển tích phân. Từ đó mà người dùng có thể dễ dàng biết được tổng sai số tức thời tính theo thời gian hay chính là sai số tích lũy được trong quá khứ. Điều chỉnh phân tích càng mạnh khi thời gian tác động thể hiện càng nhỏ, tương ứng với đó là độ lệch cùng nhỏ theo.
- D trong Derivative - Có nghĩa là vi phân của sai lệch. Điều khiển vi phân sẽ có nhiệm vụ trong việc tạo ra các tín hiệu điều chỉnh để có thể cho tỷ lệ phù hợp nhất với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào. Vấn đề vi phạm điều chỉnh vi phân càng mạnh khi thời gian càng lớn và tương ứng với bộ điều chỉnh để đáp ứng cho thay đổi đầu vào sẽ càng nhanh.
Ba chữ cái này chính là đại diện cho 3 khâu chính của bộ điều khiển PID đó nhé! Hiểu rõ hơn về ý nghĩa sẽ giúp bạn đi tìm hiểu các khâu sẽ dễ dàng hơn.
1.3. Lịch sử hình thành
Bắt đầu từ năm 1890, thì bộ điều chỉnh PID bắt đầu xuất hiện ở trong các thiết kế của bộ điều tốc và sau này nó được phát triển trên hệ thống tàu thủy tự động với tên gọi là PID Controller. Khái niệm PID Controller được phát triển bởi Elmer Sperry vào năm 1911.
Sau đó đến tận năm 1922, tác phẩm lý thuyết về bộ điều khiển PID của Nicolas Minorsky đầu tiên mới chính thức được xuất bản. Trong cuốn sách này đã đưa ra mô tả khá chi tiết về khái niệm của PID, cùng với nhiều kiến thức hữu ích về bộ điều chỉnh này mà đến này nó vẫn hữu dụng với nhân loại. Nicolas Minorsky phát triển lý thuyết này dựa vào sự quan sát đối với những hành vi của người lái tàu thủy trong khoảng thời gian trước khi ông chính thức đưa ra lý thuyết về bộ điều chỉnh PID.
Sau đó các bộ điều chỉnh đầu tiên dựa vào lý thuyết PID đã được ra đời như: Thủy lực, khí nén, cơ khí và các hệ thống điện phát triển sau chiến tranh thế giới thứ 2.
2. Bộ điều khiển PID được dùng cho mục đích gì?
Đối với các hệ thống điều khiển quy trình hiện đại ngày này thì PID được coi là một bộ điều khiển lý tưởng. Ở hầu hết các ứng dụng điều khiển đối với quá trình tự động trong công nghiệp thì đều dùng đến nó để điều chỉnh nhiệt độ, áp suất, lưu lượng,... Cụ thể thì bộ điều chỉnh PID được dùng cho các mục đích như:
- Thứ nhất, giúp giảm các sai số xác lập ở mức tối thiểu nhất có thể.
- Thứ hai, các thiết bị dùng PID sẽ hạn chế được độ dao động.
- Thứ ba, giúp giảm đi thời gian xác lập và độ vọt lố,
Vậy cách điều chỉnh thông số cho bộ điều khiển PID như thế nào? Để bỏ túi cách thức thực hiện, cùng đọc ngay những thông tin hữu ích được chia sẻ trong phần tiếp theo của bài viết này nhé!
3. Chia sẻ về cách điều chỉnh thông số cho bộ điều khiển PID
Điều chỉnh PID hay điều chỉnh vòng điều khiển chính là việc thay đổi các thông số kiểm soát của nó. Các thông số này sẽ bao gồm: Độ lợi tích hoặc reset, độ lợi hoặc dải tỷ lệ, vi phân hoặc tốc độ. Việc điều chỉnh các thông số này chính là kiểm soát nó đến một mức giá trị nhằm đáp ứng điều khiển tối ưu nhất với người dùng.
Điều chỉnh PID là điều không hề đơn giản và dễ dàng. Ngay cả trong trường hợp bạn có đầy đủ cả 3 thông số thì việc điều chỉnh thông số cũng khá khó khăn. Tuy nhiên không phải không có cách mà phương pháp dùng để điều chỉnh sẽ rất phức tạp. Để thay đổi các thông số cho bộ điều khiển PID, các bạn có thể sử dụng một trong những cách thường dùng như sau:
- Độ ổn định: Thừa độ lợi sẽ hình thành nên sự bất ổn định, đặc biệt khi độ trễ lớn xuất hiện. Để có một độ ổn định cao khi hoạt động thì các bạn cần phải đảm bảo quá trình không xảy ra dao động.
- Tối ưu hóa hành vi: Để có thể thực hiện hành động này, các bạn nên thay đổi quá trình hoặc điểm đặt của bộ điều khiển PID. Hai yêu cầu cơ bản để có thể tiến hành theo phương pháp này đó chính là ổn định và tự điều chỉnh lệch sẽ phụ thuộc vào các tiêu chuẩn khác nhau như: Thời gian khởi động máy và thời gian xác lập. Đặc biệt trong các quá trình đó, cần phải tối ưu hóa về năng lượng bị tiêu hao nhằm đảm bảo cho hoạt động được hiệu quả nhất.
Không những vậy, để có thể điều chỉnh các thông số cho bộ điều khiển PID một cách chính xác nhất thì các bạn cần phải hiểu rõ 3 khâu của nó. Cùng tìm hiểu các thông tin chi tiết về các khâu của PID là gì trong chia sẻ tiếp theo của bài viết này nhé!
4. PID bao gồm các khâu hiệu chỉnh nào?
Một sơ đồ hiệu chỉnh vớ PID được tạo nên bởi 3 khâu và tổng 3 khâu được tạo thành bởi các biến điều khiển được ký hiệu cụ thể là MV. Theo đó, công thức tính cụ thể như sau:
MV (t) = P(out) +I(out)+ D(out)
Trong công thức trên, P(out), I(out) và D(out) chính là các thành phần đầu ra của ba khâu điều chỉnh PID. Cùng tìm hiểu cụ thể các khâu như sau:
4.1. Khâu tỉ lệ
Khâu tỷ lệ chính là độ lợi và công năng của nó chính là làm thay đổi giá trị đầu ra và có có tỷ lệ với giá trị sai số. Để đáp ứng yêu cầu về tỷ lệ, các bạn có thể điều chỉnh độ lợi này bằng cách nhân sai số với một hằng số Kp - hệ số tỉ lệ. Khi đó khâu tỉ lệ sẽ được tính với công thức như sau:
Trong đó:
- P(out) là thừa số tỉ lệ của đầu ra.
- Kp là hệ số tỉ lệ hay thông số điều chỉnh.
- e là sai số và được tính bằng SP - PV.
- t là thời gian hay chính là khoảng thời gian tức thời.
Hệ số của khâu tỉ lệ lớn là do sự thay đổi lớn ở đầu ra và sai số thay đổi nhỏ. Nếu hệ số của khâu tỉ lệ này quá cao sẽ dẫn đến tình trạng hệ thống không ổn định. Ngược lại, nếu hệ số nhỏ để đáp ứng đầu ra nhỏ thì sai số ở đầu vào lớn, điều này làm cho bộ điều khiến kém đi sự nhạy bén hoặc đáp ứng chậm hơn so với yêu cầu. Còn nếu hệ số của khâu tỉ lệ quá thấp, điều này sẽ tác động đến khiến điều khiển quá bé để có thể đáp ứng được các nhiễu của hệ thống vận hành.
Drop hay độ trượt
Trong trường hợp khi không có nhiễu, thì việc điều khiển tỷ lệ là hoàn toàn thuần túy, điều này hình thành việc không có khả năng trong việc xác lập ngay tại các giá trị mà nó mong muốn. Độ trượt chính là việc duy trì một sai số ở trạng thái ổn định. Hiểu đơn giản thì nó chính là một hàm của độ lại tỷ lệ và độ lợi trong quá trình hoạt động.
Độ lợi thường sẽ tỉ lệ nghịch với độ lợi tỉ lệ và tỉ lệ thuận với quá trình. Đây chính là điểm hạn chế mà người dùng không thể tránh được trong quá trình điều khiển với tỉ lệ thuần túy. Để giảm độ trượt thì các mà nhiều người áp dụng đó chính là thêm một thừa số về độ lệch.
Khâu tỉ lệ trên cả thực tế và trong lý thuyết PID thực sự rất quan trọng và rất cần thiết với quá trình điều khiển bất chấp độ trượt có như thế nào.
4.2. Khâu phân tích
Khâu phân tích hay reset có tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số và quãng thời gian xảy ra sai số đó. Tổng sai số tức thời theo thời gian cho ta thấy được tích lũy bù đã được hiệu chỉnh tước đó như thế nào. Sau đó thì tích lũy sai số sẽ được đem nhân với độ lợi tích phân và công thêm tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển PID. Biên độ phân phối trong khâu phân tích này sẽ được xác định bởi độ lợi tích phân ký hiệu là Ki.
Khi đó, thừa số tích phân được tính với công thức như sau:
Trong công thức tính ở trên:
- I(out) là thừa số tích phân đầu ra.
- Ki là độ lợi tích phân, nó chính là một thông số điều chỉnh.
- e là sai số.
- t là thời gian hoặc thời gian tức thời.
- là một biến tích phân trung gian.
Trong khâu tích phân này, khi công thêm vào khâu tỉ lệ sẽ làm cho tốc độ chuyển động của quá trình tăng tốc tới một điểm đặt và khử số dư sai số ổn định với một tỉ lệ khi chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển. Tuy nhiên, Có thể giá trị hiện đại sẽ vọt lốp qua giá trị đặt khi khâu phân tích đáp ứng sai số tích lũy trong quá khứ.
4.3. Khâu vi phân
Để tính tốc độ thay đổi của sai số trong quá trình ta dùng cách xác định độ dốc của sai số theo thời gian. Hiểu đơn giản tức là xác định đạo hàm theo một bậc thời gian cụ thể và sau đó sẽ đem nhân chúng với độ lợi tị lẹ Kd. Biên độ phân khối của khâu vi phân được tính bằng tất cả các hành vi điều khiển được giới hạn bởi độ vi phân Kd. Khi đó công thức tính thừa số vi phân như sau:
Trong công thức trên, các đại lượng được biểu thị như sau:
- D(out) là thừa số vi phân của đầu ra.
- Kd là độ lợi vi phân, nó chính là một thông số điều chỉnh.
- e là sai số.
- t là thời gian hoặc thời gian tức thời.
Đầu ra của bộ điều khiển sẽ được làm chậm tốc độ thay đổi bởi khâu vi phân và nó chính là một đặc tính khiến nhiều người chú ý, cần quan t5aam để đạt tới điểm đặt chuẩn cho bộ điều khiển PID. Thông qua đó mà bộ điều khiển ở khâu vi phân chính là được dùng để làm giảm biên độ vọt lố được sinh ra bởi thành phần tích phân và giúp tăng cường cho sự ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp. Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động sẽ xuất hiện cá tín hiệu khuếch đại nhiễu, do đó khâu vi phân sẽ nhạy hơn đối với nhiễu trong các sai số. Nhờ đó mà một bộ vi sai băng thông giới hạn được sử dụng nhiều hơn, ví dụ như mạch bù sớm pha.
5. Các dạng của PID là gì? Ký hiệu thay thế của chúng
Mỗi một dạng PID sẽ có một kiểu ký hiệu riêng và khác nhau. Cùng tìm hiểu về ký hiệu đối với từng loại PID hiện nay như thế nào qua thông tin chia sẻ chi tiết và cụ thể dưới đây như sau:
- Dạng điều khiển PID lý tưởng và tiêu chuẩn: Dạng chuẩn chính là bộ điều chỉnh thích hợp nhất để điều chỉnh các thuật toán của PID. Trong dạng điều khiển này thì độ lợi Kp được dùng trong khâu I(out) và D(out).
- Dạng LaPlace của hệ thống điều chỉnh PI: Đây là sạng sử dụng bộ PID có dạng PaLace, cùng với hàm truyền của một hệ thống điều khiển. Thông qua đó giúp xác định hàm truyền trong vòng kín của hệ thống PID một cách dễ dàng và đơn giản hơn.
- Dạng tương hỗ hay tiếp nối: Đây là loại bao gồm toàn bộ những hệ thống điều khiển PI, PD được nối nối tiếp với nhau. Thông qua đó mà các bộ điều khiển kỹ thuật số thời đầu được dễ dàng sử dụng hơn cho người dùng. Tuy nhiên, về sau các sản phẩm chỉ kế thừa chúng và cho ra loại sử dụng dưới dạng tương hỗ cho nhau.
- Dạng rời rạc hóa trong PID: Đây chính là dạng một số bộ PID Control kỹ thuật số được gắn trên một vi điều khiển MCU hoặc gắn trên thiết bị FPGA và nó thường được yêu cầu sử dụng dưới dạng chuẩn nhưng phải được rời rạc hóa. Dựa vào biểu đồ thời gian mẫu mà khâu phân tích sẽ được rời rạc hóa ra.
6. Ứng dụng của PID là gì?
Hiện nay, bộ điều khiển PID được đưa vào ứng dụng và dùng trong rất nhiều ngành nghề, lĩnh vực khác nhau. Nó có thể được đưa vào để dùng giảm các sai số hoặc hạn chế sự dao động hay làm giảm đi thời gian xác lập và độ vọt lố,... Cụ thể ứng dụng của nó như sau:
- PID được đưa vào sử dụng để điều khiển mức nước: Nhờ có bộ điều khiển PID mà việc tự động hóa cho các thiết bị điện tử với van điều khiển, cảm biến được nhạy và hoạt động hiệu quả hơn.
- PID được ứng dụng để điều khiển biến tần: Các thiết bị điện tử kết hợp với bộ điều khiển PID như van điều khiển lưu lượng, biến tần điều khiển, cảm biến nhiệt độ,...
- PID được dùng để kiểm soát đối với lưu lượng nước bằng cảm biến qua đường ống.
- Ứng dụng điều khiển PID trong PLC, tại đây sẽ có những thiết kế sẵn về các hàm nhằm giúp người dùng dễ dàng điều chỉnh nhiệt độ, lưu lượng, áp suất,...
Như vậy, với những thông tin hữu ích được chia sẻ trong bài viết này không chỉ giúp bạn hiểu PID là gì mà còn cho bạn nhiều kiến thức bổ ích về bộ điều khiển PID hiện nay. Hy vọng với những tri thức bổ ích trong bài sẽ giúp bạn ứng dụng PID được hiệu quả nhất.
Chúc bạn thành đạt trong công việc và hạnh phúc trong cuộc sống !
Hotline / Zalo: 0903 666 014
Website: https://uniduc.com/vi
-------------////--------------------------------------------////------------
HUMANOID ROBOT CỦA CÔNG TY UNIDUC SẢN XUẤT PHÁT TRIỂN.
.jpg)
