PID là gì? Tìm hiểu cặn kẽ về định nghĩa của bộ điều khiển PID

CV online

1. Thực chất PID là gì?

1.1. Giải nghĩa PID

Bộ điều khiển PID có tên gọi bằng tiếng anh là Proportional Integral Derivative. Bộ điều khiển PID là bộ điều khiển sử dụng vi phân, tích phân và tỉ lệ, có cơ chế phản hồi bộ điều khiển (vòng điều khiển) được sử dụng vô cùng rộng rãi trong các hệ thống công nghiệp, nông nghiệp hiện nay.

Đây cũng là bộ điều khiển vòng phản hồi được sử dụng nhiều nhất so với các bộ điều khiển phản hồi khác. Nguyên tắc làm việc của PID là gì? Bộ điều khiển PID có chức năng tính toán sai số thông qua hiệu số giữa sự biến đổi của giá trị đo được và giá trị mong muốn. Công việc tiếp theo của bộ điều khiển là thay đổi giá trị đầu vào sao cho sai số tính được là thấp nhất.

Bộ điều khiển PID thường được sử dụng trong trường hợp không có mô hình toán học cụ thể để tính toán hệ thống điều khiển. Để đạt được kết quả tốt, các giá trị tính toán đưa vào phải thích hợp với các tính chất khác nhau của hệ thống điều khiển. Chẳng hạn như một hệ thống điều khiển có cùng một kiểu điều khiển song hệ thống có các thông số đặc thù khác nhau, do vậy người điều khiển cần điều chỉnh hợp lý để đạt kết quả tốt nhất.

1.2. Các thông số P, I, D có nghĩa là gì?

Hệ thống điều khiển PID gồm ba thông số (hoặc có thể coi là ba khâu) quan trọng, đó là P (tỉ lệ), I (tích phân), D (đạo hàm). Mỗi thông số hay khâu đều có những chức năng riêng, cụ thể là:

- Giá trị tỉ lệ P xác định tác động của các sai số hiện tại, nó tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ sai lệch của giá trị đầu vào theo thời gian lấy mẫu.

- Giá trị tích phân I có tác dụng xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, nó tạo ra tín hiệu điều chỉnh để sai lệch giảm dần về 0. Giá trị thời gian càng nhỏ nghĩa là tác động của tích phân càng mạnh từ đó độ sai lệch càng thấp.

- Giá trị đạo hàm D sẽ xác định tác động từ tốc độ biến đổi sai số. Giá trị thời gian càng lớn thì phạm vi tác động của đạo hàm càng mạnh.

Từ đây, người đọc có thể biết được các yếu tố ảnh hưởng đến ba thông số P, I, D lần lượt là giá trị hiện tại, giá trị từ quá khứ và giá trị tốc độ biến đổi sai số hiện tại từ đó dự đoán các sai số tương lai. Việc dự đoán sai số không đi kèm với việc đảm bảo tính ổn định và tối ưu của hệ thống.

Sự kết hợp của ba thông số này sẽ điều khiển quá trình thông qua việc cài đặt vào một bộ phận trong hệ thống điều khiển như van điều khiển hay bộ phận gia nhiệt. Có thể thay đổi một trong ba thông số hay thậm chí cả ba để điều khiển các hệ thống đặc biệt. Bộ điều khiển PID được đánh giá thông qua độ nhạy hệ thống, tại đó giá trị của bộ điều khiển bị vọt quá điểm đặt và giá trị dao động.

Trong thực tế, cũng có rất nhiều trường hợp chỉ sử dụng đến hai khâu, tạo nên các tổ hợp khâu khác như PI, PD, P hay I. Để tạo ra được các tổ hợp trên, người điều khiển chỉ cần đưa giá trị của thông số không cần thiết về 0. Trong các tổ hợp con được tạo ra thì tổ hợp PI được sử dụng nhiều nhất và phổ biến nhất do giá trị tích phân khá nhạy với các nhiễu đo lường.

Xem thêm: Điện tử công nghiệp là gì? Những thông tin không thể bỏ qua

1.3. Ví dụ ứng dụng vòng điều khiển

Một ví dụ rất thực tế giúp bạn có thể hiểu hơn về vòng điều khiển kín như sau: Hiện nay, các hộ gia đình đều sử dụng bình nóng lạnh. Khi xả nước, mọi người sẽ có xu hướng chạm tay vào để kiểm tra nhiệt độ. Sau khi xác định được nhiệt độ của nước, sẽ hành động điều chỉnh van nước về bên trái hay bên phải để tăng hay giảm nhiệt độ của dòng nước. Quá trình chúng ta điều chỉnh dòng nước sau khi xác định nhiệt độ chính là sự điều khiển phản hồi. Và bộ điều khiển PID hoạt động tương tự như ví dụ này.

Hướng dẫn cách viết mục tiêu nghề nghiệp điện tử viễn thông

2. Tại sao cần sử dụng bộ điều khiển này?

Để hiểu hơn về lợi ích của hệ thống PID, chúng ta sẽ cùng viecday365.com đi vào ví dụ sau đây: điều chỉnh nhiệt độ nước xả ra từ lò sưởi công nghiệp bằng gas.

2.1. Điều chỉnh nhiệt độ nước xả bằng phương pháp thủ công

Phương pháp thủ công ở đây là chính người điều khiển sẽ đi xác định và điều chỉnh thông số. Các bạn sẽ thắc mắc nhiệt độ nước xả có liên quan gì đến hệ thống sưởi. Theo tính toán, nhiệt độ nước xả có quan hệ mật thiết đến nhiệt độ đốt nóng mà lò thực hiện được. Do đó để đảm bảo nhiệt độ trong lò sưởi người ta sẽ xác định nhiệt độ nước thải.

Khi thực hiện điều chỉnh nhiệt độ, người điều khiển cần làm hai việc, thứ nhất là xác định nhiệt độ dòng nước trên đồng hồ đo và thứ hai là điều chỉnh van nhiên liệu. Nếu nhiệt độ nước xả thấp hơn nhiệt độ yêu cầu, người điều khiển phải mở to van nhiên liệu để cấp nhiều nhiên liệu vào quá trình đốt nhiên liệu hơn.

Nếu nhiệt độ nước xả cao hơn nhiệt độ yêu cầu, người điều khiển sẽ mở nhỏ van nhiên liệu đi từ đó cấp nhiên liệu ít hơn và nhiệt độ trong lò sẽ giảm xuống.

Tại đây, người điều khiển, van điều chỉnh nhiên liệu, đồng hồ đo nhiệt độ đã tạo thành một bộ điều khiển phản hồi. Đồng hồ phản hồi tới người điều khiển và người điều khiển phản hồi với van nhiên liệu.

2.2. Điều chỉnh bằng hệ thống điều chỉnh tự động PID

Khi sử dụng bằng hệ thống tự động PID, người điều khiển sẽ không cần “đích thân” đi đến từng vị trí để kiểm tra. Bộ điều khiển PID sẽ tích hợp tín hiệu từ ba bộ phận trên vào một hệ thống, người điều khiển chỉ cần ngồi tại phòng điều khiển mà vẫn điều chỉnh được thông số. Ba thiết bị tối thiểu nhất đươc sử dụng: thiết bị đo nhiệt độ điện tử, thiết bị van điều khiển điện tử,  và bộ điều khiển PID. Người điểu khiển đặt ra các thông số trên bộ điều khiển PID, trong quá trình vận hành, PID sẽ đo giá trị các thông số, thực hiện so sánh và tính sai số của các thông số đo được với thông số có sẵn. Từ đó, hiển thị cho người điều khiển đồng thời đưa ra sự điều chỉnh.

Việc sử dụng bộ điều khiển PID giúp công ty/nhà máy/doanh nghiệp giảm chi phí thuê nhân công, tăng hiệu quả việc làm và độ chính xác, tự động hóa các quá trình giúp tiết kiệm thời gian. Tuy nhiên đối mặt với đó, PID yêu cầu người điều khiển có trình độ chuyên môn và kiến thức về điều chỉnh tự động hóa để làm việc với thiết bị, máy móc và tính toán để đưa ra các thông số phù hợp. Ngoài ra không tránh khỏi trường hợp hệ thống có thể bị hỏng hóc và trục trặc, vì vậy những nơi sử dụng PID sẽ tốn thêm chi phí để kiểm tra và bảo dưỡng thường xuyên.

Những thông tin về hệ thống điều khiển tự động PID trên đây đã được tổng hợp từ viecday365.com. Thông qua bài viết này, hy vọng các bạn đọc hiểu kỹ hơn về khái niệm “PID là gì”.