Bộ điều khiển PID và ứng dụng

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...

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.

Một hệ thống điều khiển gồm có rất nhiều thiết bị như:

Cơ cấu chấp hành (thiết bị gia nhiệt)

Thiết bị điều khiển được cài đặt như HMI. Vì sao cần điều khiển PID?

Để có thể hiểu được vì sao cần dùng bộ PID, chúng ta có một ví dụ cụ thể về quá trình kiểm soát nhiệt độ nước xả từ lò sưởi đốt gas công nghiệp.

Phương pháp trước đây người ta thường vận hành phải xem đồng hồ đo nhiệt, điều chỉnh van để có thể kiểm soát được nhiệt độ cho nước xả. Nhiệt độ tăng cao cần phải vặn giảm góc mở van gas. Còn nhiệt độ giảm thì cần tăng góc mở của van.

Điều khiển này gọi là điều khiển phản hồi, bởi việc thay đổi tốc độ đốt qua phản hồi từ đồng hồ đo nhiệt. Việc thay đổi van gas có ảnh hưởng tới nhiệt độ. Kết quả sẽ được đưa về cho người vận hành qua đồng hồ và được lặp lại theo 1 vòng tuần hoàn.

Hiện nay, bộ PID được dùng để kiểm soát nhiệt độ dễ dàng hơn. Hệ thống sử dụng tới thiết bị đo nhiệt độ điện tử với van điều khiển điện kết hợp với bộ điều khiển, giúp thiết lập, kết nối với thiết bị đo nhiệt và van.

Kỹ sư sẽ lập tham số trong độ điều khiển ở nhiệt mong muốn. Lắp ở vị trí với đầu ra của bộ là nơi van điều khiển đặt. Cảm biến nhiệt, tín hiệu nhiệt độ đo được truyền đến bộ PID giúp so sánh những giá trị nhiệt độ được nhận từ cảm biến với giá trị của nhiệt độ điểm đặt ban đầu.

Nó tính toán sai số, chênh lệch để từ đó giúp xác định được đầu ra, góc mở van đảm bảo cho nhiệt độ luôn nằm trong giá trị cho phép. Nếu nhiệt độ tăng bộ điều khiển sẽ mở góc mở van, khi nhiệt thấp thì bộ điều khiển sẽ tăng góc mở van. Thiết bị này giúp mang lại sự tiện dụng cho người, vượt trội hơn hẳn so với những phương pháp thủ công truyền thống trước đây.

Cách điều chỉnh thông số đối với bộ điều khiển PID

Để có thể điều chỉnh được bộ điều khiển này không đơn giản ngay cả khi bạn nắm được 3 thông số cơ bản nhưng cũng sẽ khiến cho việc điều chỉnh gặp khó khăn. Bạn có thể tham khảo cách điều chỉnh như sau:

Tối ưu hóa hành vi: Giúp thay đổi quá trình hay các điểm đặt của bộ điều khiển PID. Với cách làm này bạn chỉ cần tự điều chỉnh lệch và ổn định. Nhưng chúng lại phụ thuộc vào nhiều tiêu chuẩn khác nhau như: Thời gian xác lập, thời gian khởi động máy. Lưu ý cần tối ưu hóa năng lượng đã tiêu hao để giúp cho các hoạt động được hiệu quả.

Độ ổn định: Khi có độ trễ lớn sẽ tạo ra sự bất ổn định, để có thể đạt được độ ổn định cao cần đảm bảo không xảy ra sự dao động trong cả quá trình.

màn hình hay PLC.

Thiết bị hồi tiếp gồm các cảm biến áp suất, nhiệt độ,…

Khi đã chọn được giá trị set point mà ta thường hay gọi là SV giá trị cài đặt thì bộ điều khiển sẽ gửi đi những thông tin điều khiển đến từng thiết bị chấp hành, cơ cấu.

Tại quá trình này sẽ có hàng loạt các thuật toán yêu cầu đóng mở liên tục với thời gian chậm hoặc nhanh và phụ thuộc vào hệ thống đang làm việc.

Ví dụ trong một biểu đồ có nhiệt độ điều khiển luôn ở mức 200 độ F. Mức on – off thì liên tục đóng mở tại nhiệt 202 độ F, 198 độ F. Điều này là để đảm bảo mục đích nhiệt 200 độ F luôn được duy trì theo mức cài đặt.

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.

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 khăn 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.