PID là gì? Những thông tin cơ bản và ứng dụng của bộ điều khiển PID

PID là gì? Bộ điều khiển PID là gì? 

Định nghĩa PID là gì?

PID là sự kết hợp của bộ 3 điều khiển: tỉ lệ, tích phân và vi phân. Bộ điều khiển có khả năng điều chỉnh sai số một cách thấp nhất có thể, tăng tốc độ đáp ứng đồng thời giảm độ vọt lố và hạn chế sự dao động. 

Nói cách khác PID là một thuật toán được áp dụng vào trong bộ điều khiển sao cho bộ điều khiển ấy có thể đạt mức thiết lập nhanh nhất với sai số được chấp nhận là thấp nhất.

Bộ điều khiển PID là gì?

Bộ điều khiển PID - được gọi ngắn gọn là PID - một kỹ thuật điều khiển tham gia vào quá trình xử lý về "tỉ lệ, tích phân và vi phân". Nghĩa là các tín hiệu sai số xảy ra bởi ảnh hưởng của tác động tỉ lệ, tích phân và tác động vi phân sẽ được làm giảm đến mức tối thiểu. 

Điều khiển PID là dạng điều khiển có hồi tiếp vòng kín hiện nay được sử dụng rộng rãi trong ngành điện - điện tử như hệ thống điện, tự động hóa, điện tử… 

Ứng dụng của bộ điều khiển PID hiện nay 

Hiện nay, bộ điều khiển PID là bộ điều khiển lý tưởng nhất trong những hệ thống điều khiển các quy trình hiện đại nên bộ điều khiển được sử dụng rộng rãi và phổ biến

Đặc biệt là được ứng dụng trong ngành công nghiệp với những mục tiêu chính là: điều chỉnh các lưu lượng, nhiệt độ cũng như áp suất, làm giảm các sai số đến mức tối thiểu có thể, hạn chế những dao động, đồng thời giảm bớt thời gian xác lập và giảm độ vọt lố vượt mức cho phép.

Những thông tin liên quan đến PID và cách thức hoạt động

Các thông số tương quan liên quan đến bộ điều khiển PID 

Trong ngành điện - điện tử hiện nay, có 4 loại điều khiển phổ biến bao gồm: bộ điều khiển tỉ lệ ( proportional controller), bộ điều khiển tỉ lệ và tích phân (PI - Proportional & Integral), bộ điều khiển đạo hàm (PD - Proportional & Derivative), bộ điều khiển tỉ lệ tích phân và đạo hàm (PID - Proportional & Integral & Derivative). Một cách đơn giản để chúng ta có thể hiểu về PID như sau: 

• P (Proportional) : là phương pháp điều chỉnh tỉ lệ, tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ với sai lệch đầu vào theo thời gian lấy mẫu.
• I (Integral) - tích phân của sai lệch theo thời gian lấy mẫu: là phương pháp điều chỉnh để tạo ra các tín hiệu điều chỉnh sao cho độ sai lệch tiến đến về 0. Qua đó cho chúng ta biết sai số tức thời theo thời gian hay sai số tích lũy trong quá khứ. Tác động điều chỉnh tích phân càng mạnh, tương ứng với độ lệch càng thấp thì thời gian càng nhỏ. 
• D (Derivative) - 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. Phạm vi điều chỉnh vi phân phụ thuộc vào thời gian, thời gian càng lớn thì phạm vi điều chỉnh vi phân càng mạnh, đáp ứng với thay đổi đầu vào càng nhanh.

Nguyên tắc hoạt động của hệ thống bộ điều khiển PID

• Bộ điều khiển hay thiết bị cài đặt bao gồm PLC hay HMI.
• Cơ cấu chấp hành bao gồm thiết bị gia nhiệt hay các van điều khiển.
• Thiết bị hồi tiếp bao gồm các thiết bị đo cảm ứng biến nhiệt độ và áp suất.

Một hệ thống điều khiển nhiệt độ PID bằng PLC với các thiết bị : PLC, cảm biến đo nhiệt độ, áp suất, thiết bị gia nhiệt và van điều khiển. Các hệ số PI – PD – PID được mô phỏng bằng các thuật toán điều khiển trong PLC giúp ta dễ hình dung hơn và sử dụng điều khiển nhiệt độ PID một cách tốt nhất.

Cách thức hoạt động của bộ điều khiển PID 

Bộ điều khiển sẽ gửi các thông tin điều khiển tới các thiết bị cơ cấu chấp hành sau khi chọn giá trị set point hay còn được gọi là giá trị cài đặt (SV). Quá trình điều khiển này bao gồm một loạt các thuật toán, yêu cầu đóng - mở liên tục với thời gian phụ thuộc vào hệ thống đang hoạt động. 

Biểu đồ điều khiển nhiệt độ tại 200°F cho 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.

Sự khác biệt giữa bộ điều khiển PID và điều khiển bằng tay

Hiện nay, bộ điều khiển PID đóng vai trò vô cùng quan trọng trong ngành điện - điện tử, hay một số ngành khác có liên quan. Để đánh giá mức độ hiệu quả, chúng ta hãy cùng nhau tìm hiểu sự khác biệt giữa điều khiển bằng tay và bộ điều khiển PID là gì nhé!

Điều khiển mức nước bằng tay như thế nào? 

Quá trình điều khiển mức nước bằng tay còn được gọi là điều khiển thủ công cho độ chính xác không cao. Người công nhân phải dựa vào mắt để quan sát và điều chỉnh đóng – mở van để duy trì mức nước cố định trong tank khi vừa xả nước vào vừa mở van bên dưới tank ra, sao cho mức nước trong tank luôn ở ngưỡng cho phép. 

Điều khiển mức nước bằng bộ điều khiển PID như thế nào?

Ở quá trình điều khiển mức nước thủ công người điều khiển van được gọi là cơ cấu chấp hành đồng thời mắt được xem là thiết bị đo mức nước. Nếu nước xả vào quá nhanh thì vẫn phải mở lớn hơn để đảm bảo nước thoát ra nhanh, không bị tràn. 

Việc này sẽ trở nên đơn giản hơn nếu chúng ta sử dụng các hệ thống PID để điều khiển mức nước. Bộ điều khiển có thể chạy hoàn toàn tự động, chính xác mà không cần sự can thiệp của con người. 

Bộ điều khiển bao gồm: 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, biến quá trình (PV) để xác định mức nước đo được từ cảm biến. Giá trị cài đặt (SV) cần mong muốn => PID sẽ tự điều chỉnh để duy trì mức nước trong bể một cách chính xác nhất nếu SV khác với PV. 

Vai trò của bộ điều khiển PID trong biến tần và trong PLC

Trong biến tần

Biến tần được mệnh danh là phù thuỷ, có vai trò quan trọng trong việc điều khiển. Bất kỳ vấn đề nào liên quan đến công suất và chuyển động thì biến tần gần như có thể giải quyết được. 

Để làm được điều đó, cần có sự kết hợp các thiết bị với nhau bao gồm: 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. Tốc độ của biến tần và lưu lượng nước đi qua van điều khiển, mức độ trộn đều dung dịch và nhiệt độ trong bể được kiểm soát bởi cảm biến nhiệt. Việc tăng hay giảm nhiệt độ phụ thuộc vào lưu lượng dung dịch đi qua van điều khiển.

Vai trò của 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 đã 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. Chỉ cần chúng ta hiểu các thông số PI – PD – PID thì việc điều chỉnh các giá trị tham số để có kết quả như mong muốn trở nên đơn giản.

Bộ điều khiển nhiệt độ

Đây là bộ điều khiển được đánh giá là đơn giản nhất bởi cơ chế đóng – mở khi cài nhiệt độ ở một điểm bất kỳ nào đó hoạt động khá dễ dàng. Cách điều khiển này thông qua các Relay Output của bộ điều khiển nhiệt độ cùng với độ ẩm hoặc bộ điều khiển nhiệt độ máy ấp trứng. 

Cũng như khi cần một sự điều khiển nào đó chính xác hơn để đảm bảo được nhiệt độ luôn giữ lại ở một điểm bất kỳ mà chúng ta hướng tới của các bộ điều khiển PID. Các thông số này sẽ được hiệu chỉnh qua quá trình thực nghiệm trước khi hệ thống chạy tự động hoàn toàn.

Lời kết

Đây là những thông tin cơ bản giải thích cho thắc mắc “PID là gì”? Và một số ứng dụng của bộ điều khiển PID. Hy vọng thông qua bài viết này các bạn sẽ hiểu rõ hơn PID là gì và áp dụng một cách hiệu quả, chính xác và đạt được các mục tiêu đặt ra.