Bộ điều khiển PID là gì? Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển PID

15-01-2025 84

Bộ điều khiển PID, còn gọi 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.

Mục lục

Bộ điều khiển PID là một công cụ quan trọng trong các hệ thống điều khiển công nghiệp hiện đại. Tuy nhiên, nhiều người vẫn chưa hiểu rõ về cách thức hoạt động của bộ điều khiển này, cũng như các ứng dụng và ưu điểm của nó. Hãy cùng tìm hiểu chi tiết về bộ điều khiển PID qua bài viết dưới đây của Intech Group. 

PID là gì?

PID là viết tắt của cụm từ Proportional Integral Derivative, tức là bộ điều khiển phản hồi với ba thành phần: tỉ lệ (P), tích phân (I), vi phân (D). Bộ điều khiển PID chủ yếu được ứng dụng trong các hệ thống điều khiển vòng kín, nơi có tín hiệu phản hồi để duy trì giá trị điều khiển ổn định.

Nhiệm vụ chính của bộ điều khiển PID là tính toán, điều chỉnh sai số giữa giá trị đo được và giá trị đặt mong muốn. Khi sai số này xuất hiện, bộ điều khiển sẽ thực hiện điều chỉnh giá trị đầu vào để giảm thiểu sai lệch, từ đó giúp hệ thống đạt được hiệu quả hoạt động mong muốn.

Proportional Integral Derivative

Bộ điều khiển PID sử dụng ba phương pháp chính để điều chỉnh và kiểm soát sai số trong hệ thống:

- P (Proportional - Tỉ lệ): Phương pháp điều chỉnh tỉ lệ tạo ra tín hiệu điều chỉnh tương ứng với sai số hiện tại. Sai số càng lớn, tín hiệu điều chỉnh càng mạnh. Điều này giúp giảm thiểu sai số nhanh chóng, nhưng có thể không đạt đến giá trị chính xác nếu chỉ sử dụng phương pháp này.

- I (Integral - Tích phân): Phương pháp điều khiển tích phân giúp giảm dần sai số theo thời gian. Nó làm việc bằng cách tổng hợp sai số theo thời gian, giúp giảm thiểu sai lệch lâu dài. Thời gian điều chỉnh càng nhỏ, việc hiệu chỉnh tích phân càng mạnh, giúp hệ thống đạt được sự ổn định tốt hơn.

- D (Derivative - Vi phân): Phương pháp điều khiển vi phân giúp điều chỉnh tín hiệu theo tốc độ thay đổi của sai số. Khi sai số thay đổi nhanh chóng, tín hiệu điều chỉnh cũng sẽ mạnh mẽ hơn. Thời gian càng lớn, việc hiệu chỉnh vi phân càng mạnh, giúp hệ thống phản ứng nhanh hơn với sự thay đổi.

Phân loại PID

Bộ điều khiển PID có thể được tùy chỉnh theo các đặc điểm của hệ thống mà nó kiểm soát. Việc điều chỉnh các thông số P, I, D giúp bộ điều khiển PID hoạt động hiệu quả và phù hợp với từng yêu cầu cụ thể của hệ thống. Cấu hình PID có thể được chia thành các loại sau:

  • PID cổ điển: Sử dụng ba thành phần P, I, D theo dạng tiêu chuẩn, thích hợp với các hệ thống đơn giản hoặc yêu cầu điều chỉnh cơ bản.

  • PID tự động (Auto-Tuning): Các thông số PID tự động được điều chỉnh để tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của hệ thống mà không cần can thiệp thủ công.

    Phân loại PID

Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp, đảm bảo hiệu quả và chính xác trong việc duy trì các thông số như nhiệt độ, áp suất, hoặc lưu lượng. Một hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID thường bao gồm các thiết bị cơ bản sau:

  • Cơ cấu chấp hành: Là các thiết bị thực hiện hành động điều khiển, như các bộ gia nhiệt, van, hoặc động cơ.

  • Thiết bị điều khiển: Thường là các màn hình HMI hoặc PLC (Programmable Logic Controller), giúp người điều khiển cài đặt và giám sát các tham số của hệ thống.

  • Thiết bị hồi tiếp (Feedback devices): Bao gồm các cảm biến như cảm biến nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, v.v., để thu thập dữ liệu và gửi lại thông tin về bộ điều khiển.

Khi bộ điều khiển PID đã nhận được giá trị cài đặt (set point hay còn gọi là SV), nó sẽ gửi tín hiệu điều khiển đến các cơ cấu chấp hành trong hệ thống. Tại thời điểm này, các thuật toán của PID sẽ được kích hoạt để điều chỉnh giá trị đầu vào sao cho sai số giữa giá trị đo được và giá trị cài đặt được giảm thiểu tối đa.

Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển PID

Ví dụ minh họa

Ví dụ, trong một hệ thống điều khiển nhiệt độ, giá trị cài đặt là 200°F. Bộ điều khiển PID sẽ duy trì nhiệt độ ở mức này bằng cách điều chỉnh các cơ cấu chấp hành. Khi nhiệt độ vượt quá 202°F hoặc dưới 198°F, bộ điều khiển sẽ kích hoạt các tác vụ đóng hoặc mở thiết bị gia nhiệt để đưa nhiệt độ trở lại mức 200°F.

Trong quá trình này, bộ điều khiển PID liên tục thực hiện các thao tác điều chỉnh, thay đổi thời gian đóng/mở theo nhu cầu của hệ thống, và dựa trên sai số giữa giá trị đo được và giá trị mục tiêu. Hệ thống có thể điều chỉnh nhanh hoặc chậm tùy vào yêu cầu và tính chất của quá trình điều khiển.

Vì sao cần sử dụng bộ điều khiển PID?

Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) ngày nay được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống công nghiệp, mang lại hiệu quả vượt trội trong việc kiểm soát các thông số quan trọng như nhiệt độ, áp suất và lưu lượng. 

Ngày nay, bộ điều khiển PID đã thay thế phương pháp thủ công này, mang lại hiệu quả vượt trội. Bộ PID sử dụng các thiết bị đo nhiệt độ điện tử kết hợp với van điều khiển điện. Cảm biến nhiệt độ đo được truyền tín hiệu về bộ PID, giúp so sánh giá trị nhiệt độ thực tế với giá trị điểm đặt ban đầu. Nhờ vậy, quá trình kiểm soát trở nên chính xác và tự động hơn, vượt trội hơn hẳn so với phương pháp thủ công.

Vì sao cần sử dụng bộ điều khiển PID

Cách điều chỉnh thông số bộ điều khiển PID

Điều chỉnh bộ điều khiển PID không phải là một công việc đơn giản, mặc dù bạn đã nắm được 3 thông số cơ bản (P, I, D). Tuy nhiên, để tối ưu hóa hiệu quả, bạn cần phải hiểu rõ cách điều chỉnh các tham số sau:

Tối ưu hóa hành vi: Đây là quá trình thay đổi các điểm đặt hoặc quy trình của bộ PID để đạt được kết quả ổn định. Để làm được điều này, bạn cần điều chỉnh sai lệch và ổn định trong quá trình hoạt động. Tuy nhiên, các điều chỉnh này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thời gian xác lập và thời gian khởi động máy. Quan trọng là tối ưu hóa năng lượng tiêu hao để đạt được hiệu quả cao nhất.

Đảm bảo độ ổn định: Để đảm bảo độ ổn định cao trong quá trình điều khiển, cần phải giảm thiểu độ trễ và sự dao động. Điều này giúp hệ thống hoạt động ổn định mà không gặp phải các vấn đề về nhiễu loạn hoặc sai sót trong điều khiển.

PID gồm các khâu hiệu chỉnh nào?

Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) bao gồm ba khâu chính, mỗi khâu đóng một vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh hệ thống. Các khâu này là khâu tỉ lệ, khâu phân tích và khâu vi phân. Dưới đây là thông tin chi tiết về các khâu hiệu chỉnh này:

1. Khâu tỉ lệ (Proportional)

Khâu tỉ lệ trong bộ PID giúp điều chỉnh đầu ra dựa trên sai số hiện tại. Độ lợi của khâu này tỉ lệ với giá trị sai số, tức là chênh lệch giữa giá trị mong muốn (setpoint) và giá trị thực tế (process variable). Khâu tỉ lệ sẽ thay đổi giá trị đầu ra một cách trực tiếp và tỷ lệ với sai số.

Công thức tính khâu tỉ lệ:

Khâu Tỉ lệ (Proportional)

Trong đó

  • Pout: thừa số tỉ lệ của đầu ra.

  • Kp: Hệ số tỉ lệ, thông số điều chỉnh.

  • e: Sai số.

  • t: Thời gian hay thời gian tức thời (hiện tại).

Khâu tỉ lệ giúp giảm sai số nhanh chóng, nhưng nếu chỉ sử dụng khâu này, sai số có thể không bao giờ bằng 0, vì có thể xảy ra sai số dư.

2. Khâu phân tích (Integral)

Khâu phân tích (tích phân) tính tổng sai số theo thời gian và giúp loại bỏ sai số dư (offset) từ khâu tỉ lệ. Nó sẽ tiếp tục điều chỉnh hệ thống cho đến khi sai số về 0. Khi sai số kéo dài, khâu phân tích tích lũy và điều chỉnh một cách liên tục.

Thừa số tích phân được cho bởi:

Khâu phân tích (Integral)

Trong đó

  • Iout: Thừa số tích phân của đầu ra

  • Ki: Độ lợi tích phân, 1 thông số điều chỉnh

  • e: Sai số = SP-PV

  • t: Thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại)

  • t : Một biến tích phân trung gian

Khâu phân tích giúp hệ thống đạt được độ chính xác cao hơn trong việc loại bỏ sai số nhưng có thể gây ra độ trễ nếu tham số điều chỉnh không chính xác.

3. Khâu vi phân (Derivative)

Khâu vi phân tính toán tốc độ thay đổi của sai số theo thời gian và giúp dự báo xu hướng thay đổi của sai số. Khâu này giúp giảm độ dao động và mang lại sự ổn định cho hệ thống bằng cách điều chỉnh nhanh chóng khi sai số thay đổi mạnh.

Công thức tính khâu vi phân:

Khâu vi phân (Derivative)

Trong đó

  • Dout: thừa số vi phân của đầu ra.

  • Kd: Độ lợi vi phân, một thông số điều chỉnh.

  • e: Sai số = SP-PV.

  • t: Thời gian hoặc thời gian tức thời (hiện tại).

Khâu vi phân giúp hạn chế hiện tượng quá điều chỉnh (overshoot) và giúp hệ thống ổn định hơn. Tuy nhiên, nếu tham số vi phân quá lớn, hệ thống có thể trở nên nhạy cảm với nhiễu.

Ứng dụng của bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative)

Bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) hiện nay đang được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, bao gồm sản xuất, gia công, chế biến, và nhiều lĩnh vực khác. PID giúp giảm các sai số như dao động, thời gian xác lập, và độ vọt lố, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả. Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến của bộ điều khiển PID:

Ứng dụng của bộ điều khiển PID

1. Điều khiển biến tần

Bộ điều khiển PID được sử dụng trong các thiết bị điện, điện tử để hình thành biến tần điều khiển. Biến tần giúp điều chỉnh tốc độ động cơ, mang lại hiệu quả năng lượng cao và giảm hao mòn thiết bị.

2. Điều khiển mức nước

Bộ điều khiển PID có thể tự động hóa các thiết bị điện, cảm biến và van trong hệ thống điều khiển mức nước. Các thiết bị này giúp duy trì mức nước ổn định và tự động điều chỉnh, đảm bảo hiệu suất và độ chính xác trong các quy trình sản xuất.

3. Ứng dụng trong hệ thống PLC

Bộ điều khiển PID được tích hợp vào các hệ thống PLC (Programmable Logic Controller) để điều khiển các yếu tố như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, và nhiều thông số khác. Các hàm PID có thể được thiết kế sẵn trong hệ thống, giúp tối ưu hóa quy trình công nghiệp một cách tự động và chính xác.

4. Kiểm soát lưu lượng nước

PID còn được sử dụng để kiểm soát lưu lượng nước thông qua cảm biến đường ống. Ứng dụng này mang lại khả năng điều khiển chính xác và ổn định, giúp tối ưu hóa quá trình tưới tiêu, làm mát, hay trong các hệ thống xử lý nước.

5. Tối ưu hóa hiệu suất hệ thống

Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển PID không chỉ giúp duy trì sự ổn định của các thông số trong hệ thống mà còn tối ưu hóa hiệu suất hoạt động. Với các thuật toán tỉ lệ, tích phân và vi phân, PID có khả năng điều chỉnh chính xác các yếu tố quan trọng như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, giúp các quy trình công nghiệp đạt hiệu quả cao và đáng tin cậy.

Kết luận

Bộ điều khiển PID là một công cụ vô cùng quan trọng trong các hệ thống công nghiệp hiện đại. Với khả năng điều chỉnh và tối ưu hóa các thông số quan trọng, PID giúp tăng cường hiệu suất, giảm sai số và ổn định quá trình sản xuất. Việc ứng dụng PID vào các lĩnh vực như biến tần, điều khiển mức nước, hệ thống PLC và kiểm soát lưu lượng nước mang lại nhiều lợi ích, giúp các doanh nghiệp cải thiện năng suất và hiệu quả hoạt động. 

Tham khảo: