PID Là Gì? Pid Bao Nhiêu Khâu Hiệu Chỉnh (NÊN XEM)

PID được hiểu là thuật toán giúp hệ thống cơ khí thay đổi các giá trị sai lệch. Vậy PID là gì? Có bao nhiêu bước để hiệu chỉnh thông số PID? Nếu bạn muốn biết mọi thứ về kiến thức PID, vui lòng tham khảo bài viết này:

PID là gì?

PID là từ viết tắt của Proportional Integral Derivative, là bộ điều khiển tích phân tỷ lệ. Bộ điều khiển là sự kết hợp giữa vi phân, tích phân và tỷ lệ với khả năng sửa lỗi ở mức thấp nhất. Nó thậm chí có thể tăng tốc độ phản hồi hoặc giảm độ vọt lố và hạn chế dao động.

Khi các tín hiệu lỗi xuất hiện do ảnh hưởng của các hiệu ứng tỷ lệ và tích phân thì chúng có khả năng bị giảm xuống mức thấp nhất. Hành động này được làm rõ ở tốc độ tương đương với hành động dữ liệu khác biệt trước đó. Đây được gọi là quá trình trong đó PID tham gia vào hoạt động xử lý tỷ lệ, tích phân và vi phân. Hệ thống được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điện, tự động hóa, điện tử, v.v.

Lịch sử hình thành

Năm 1980, bộ điều khiển PID bắt đầu xuất hiện trong các thiết kế bộ điều chỉnh. Cho đến sau này, hệ thống mới được phát triển và ứng dụng cho hệ thống tự động hóa tàu thủy được gọi là Bộ điều khiển PID. Khái niệm này được tạo ra vào năm 1911 bởi nhà phát minh người Mỹ Elmer Sperry.

Năm 1922, tác phẩm của tác giả Nicolas Minorsky về bộ điều khiển PID được xuất bản chính thức lần đầu tiên. Đây là một trong những cuốn sách mô tả khá chi tiết về khái niệm bộ điều khiển PID. Dựa trên những quan sát thực tế về hành vi của các thủy thủ lái tàu, ông đã viết ra tác phẩm này. Ngày nay, những tác phẩm của ông vẫn còn rất hữu ích trong đời sống xã hội.

Pid Controller là gì?

Như các bạn đã biết, PID là từ viết tắt của Proportional Integral Derivative đã chia sẻ ở trên. Vậy bạn có biết ý nghĩa của từng từ này không? Nếu không, hãy tham khảo những thông tin dưới đây để hiểu PID một cách đơn giản nhất. Đặc biệt:

• P (Proportional)

Đây được gọi là phương pháp chia tỷ lệ. Nó có thể tạo ra các tín hiệu để điều chỉnh thang đo đầu vào và độ lệch theo thời gian lấy mẫu.

• I (Integral)

Đây được gọi là phương pháp điều khiển tích phân. Điều này được thực hiện bằng cách tạo và điều chỉnh tín hiệu sao cho sai số giảm xuống bằng 0. Thời gian càng ngắn thì hiệu chỉnh tích phân càng mạnh và độ lệch càng nhỏ.

• D (Derivative)

Đây được gọi là phương pháp điều khiển vi sai. Nó giúp tạo và điều chỉnh tín hiệu sao cho tỷ lệ thuận với tốc độ thay đổi của lỗi đầu vào. Khác với phương pháp trên, thời gian càng dài thì hiệu chỉnh vi phân càng mạnh và thay đổi đầu vào càng nhanh.

Dùng Pid để làm gì?

Việc sử dụng PID thường rất phổ biến trong các ngành công nghiệp hiện nay. Nó có thể được áp dụng để điều khiển quá trình tự động, điều chỉnh tốc độ dòng chảy, nhiệt độ, v.v. Với PID, hệ thống sẽ giúp máy công nghệ tính toán được các giá trị sai số giữa giá trị đo được và giá trị đo được theo ý muốn của người sử dụng.

Bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển, hệ thống PID có thể hạn chế sự dao động. Đồng thời có thể giảm thiểu sai sót để vận hành có độ chính xác cao hơn. Mặt khác, hệ thống còn được sử dụng để giảm thời gian thiết lập và chạy vượt mức nhằm góp phần mang lại hiệu quả tối đa khi làm việc.

Ví dụ: khi điều khiển lò nướng ở nhiệt độ bình thường, bạn nên đặt nhiệt độ ở mức 38 độ C. Và khi đạt đến nhiệt độ này, hệ thống sẽ tự động tắt nhiệt độ. Tuy nhiên, với phương pháp này sẽ xảy ra sai số lớn. Vì vậy, người ta sử dụng PID để điều chỉnh đầu ra sao cho giá trị cài đặt sai số giảm xuống 0 nhằm tạo sự ổn định nhiệt độ trong lò.

Tại sao nên sử dụng Pid?

Với câu hỏi “Tại sao nên điều khiển PID”, chúng ta hãy cùng tìm hiểu hai trường hợp khác nhau sau đây. Các trường hợp đều dựa trên bài toán kiểm soát nhiệt độ của nước thải ra từ lò sưởi gas công nghiệp. Đặc biệt:

Trường hợp 1: Kiểm soát nhiệt độ theo cơ thể vận hành thủ công

Để điều khiển bằng tay, người vận hành phải theo dõi đồng hồ đo nhiệt độ và điều chỉnh van gas nhiên liệu cho phù hợp. Điều này dẫn đến hai trường hợp như sau:

• Nếu nhiệt độ nước tăng cao hơn mức cần thiết, người vận hành nên đóng van vừa đủ để giảm nhiệt độ nước xả.
• Nếu nhiệt độ nước giảm xuống dưới mức yêu cầu, người vận hành nên mở van vừa đủ để tăng nhiệt độ nước xả.

Đây được gọi là nhiệm vụ kiểm soát phản hồi thủ công. Bởi vì người vận hành sẽ dựa vào trạng thái phản hồi để thay đổi tốc độ đốt cháy của vật liệu. Những thay đổi trong bộ điều khiển van gas đều ảnh hưởng đến nhiệt độ tản nhiệt.

Trường hợp 2: Kiểm soát nhiệt độ theo cơ thể vận hành tự động

Không giống như phương pháp thủ công, bạn có thể điều khiển nhiệt độ của lò sưởi gas công nghiệp bằng bộ điều khiển PID. Hệ thống điều khiển PID sẽ tự động hoạt động như sau:

• Lắp đặt thiết bị đo nhiệt độ điện tử.
• Lắp đặt các van điều khiển điện tử được trang bị thêm bộ truyền động, thiết bị dò vị trí, v.v.
• Cấu hình bộ điều khiển PID và kết nối nó với thiết bị đo nhiệt độ và van điều khiển ở trên.

Khi áp dụng bộ điều khiển PID, người vận hành chỉ cần điều chỉnh thông số điểm đặt đến nhiệt độ mong muốn và kết quả là đặt được giá trị góc mở van. Hệ thống sẽ tự động phát hiện nhiệt độ và truyền về bộ điều khiển PID. Sau đó, PID bắt đầu so sánh giá trị lỗi và điều chỉnh nó sao cho giống hệt với giá trị tại điểm đặt ban đầu.

Pid bao nhiêu khâu hiệu chỉnh?

Biểu đồ hiệu chuẩn PID sẽ bao gồm 3 giai đoạn với giai đoạn tỷ lệ tổng, giai đoạn phân tích và giai đoạn vi phân. Nó hình thành các biến điều khiển ký hiệu là MV và có công thức cụ thể là:

MV(t) = P(đầu ra) + I(đầu ra) + D(đầu ra)

Các giá trị P, I, D là thành phần đầu ra của ba tầng đầu ra điều chỉnh PID. Để hiểu rõ hơn từng bước của bộ điều khiển PID, bạn có thể tham khảo sau:

Pid theo khâu tỷ lệ

Trong giai đoạn tỷ lệ, giai đoạn này thường được gọi là độ lợi và tỷ lệ thuận với giá trị sai số. Với chức năng chính là thay đổi giá trị đầu ra, bạn có thể điều chỉnh mức tăng để đáp ứng nhu cầu tương ứng. Bước này sẽ được tính bằng cách nhân sai số với một hằng số và sẽ có công thức sau:

P(out) = Kp.and

Trong đó:

• P(out): hệ số tỷ lệ đầu ra.
• Kp: Hệ số điều chỉnh.
• e: Lỗi (tính SP – PV).
• t: Thời gian tức thời.

Cần lưu ý điều gì khi tính Pid theo tỷ lệ?

• Hệ số giai đoạn tỷ lệ quá cao dẫn đến hệ thống hoạt động không ổn định.
• Tỷ lệ cao vừa phải làm cho đầu ra lớn và sai số đầu vào nhỏ.
• Hệ số của giai đoạn tỷ lệ nhỏ, làm cho đầu ra nhỏ và sai số đầu vào lớn.
• Tỷ lệ quá thấp dẫn đến tác động quá ít để ứng phó với sự gián đoạn của hệ điều hành.

Đối với các trường hợp hoàn toàn tỷ lệ, nghĩa là không có nhiễu trong quá trình điều khiển tỷ lệ. Nó còn được gọi với tên khác là slippage, có nhiệm vụ duy trì lỗi ở trạng thái ổn định. Nói một cách đơn giản, độ trượt là một hàm của mức tăng tỷ lệ và mức tăng hoạt động. Độ trượt được giảm bằng cách áp dụng hệ số sai lệch bổ sung.

Pid theo khâu phân tích

Với phân tích, nó thường tỷ lệ thuận với biên độ sai số và khoảng thời gian xảy ra lỗi. Nói cách khác, nó cho chúng ta thấy mức bù tích lũy đã được sửa trước đó bằng tổng sai số tức thời. Với sai số tích lũy sẽ được nhân với mức tăng tích phân và cộng vào tín hiệu đầu ra PID, sẽ có công thức sau:

Trong đó:

• I(out): Hệ số tích phân đầu ra.
• Ki: Tăng tích phân.
• e: Lỗi
• t: Thời gian tức thời.
• ∫: Biến tích phân trung gian.

Cần lưu ý điều gì khi tính Pid giải tích?

Khi bạn thêm số, tốc độ di chuyển sẽ tăng nhanh và loại bỏ lỗi cân bằng để ổn định. Điều này sẽ cho phép giá trị hiện tại thông qua bước tích phân thỏa mãn sai số tích lũy trước đó.

Pid theo khâu vi phân

Trong giai đoạn vi phân, người ta xác định độ dốc của sai số bằng cách xác định đạo hàm trong một thời gian cụ thể nhân với mức tăng tỷ lệ. Biên độ của giai đoạn vi phân được tính toán thông qua hành vi điều khiển giới hạn bởi mức vi phân theo công thức sau:

D(đầu ra) = Kd(d/dt)e

Trong đó:

• D(out): Hệ số chênh lệch đầu ra.
• Kd: Độ lợi chênh lệch.
• e: Lỗi.
• t: Thời gian tức thời.

Cần lưu ý điều gì khi tính Pid bằng vi phân?

Để thay đổi giai đoạn vi sai, cần phải giảm tốc độ đầu ra của bộ điều khiển để đạt đến điểm đặt tiêu chuẩn. Điều này giúp bộ điều khiển giai đoạn vi sai giảm biên độ vọt lố, từ đó giúp cải thiện độ ổn định của bộ điều khiển tổ hợp.

Mặt khác, quá trình này thường dẫn đến tín hiệu nhiễu bị khuếch đại nên tầng vi sai nhạy hơn. Nhờ đó, vi sai chuyển số giới hạn được sử dụng nhiều lần trong quá trình này.

Hướng dẫn cách chọn thông số PID chuẩn

Hướng dẫn chọn thông số PID chuẩn bằng tay

Với phương pháp này, bạn giả sử giá trị Ki = Kd và giảm xuống giá trị = 0. Sau đó Kp được điều chỉnh tăng dần cho đến khi hệ thống ổn định rồi tắt.

Lúc này, bạn cần hiệu chỉnh thời gian tích phân cho phù hợp với chu kỳ dao động tuần hoàn và điều khiển giá trị Kp để phù hợp với yêu cầu bài toán. Nếu xảy ra biến động đột ngột, phải tiếp tục hiệu chuẩn cho đến khi đạt được độ ổn định.

Hướng dẫn chọn thông số PID bằng Ziegler–Nichols

Ziegler là một trong những phương pháp điều khiển PID hữu ích nhất hiện nay. Tương tự như chọn PID thủ công, bạn đặt Ki = Kd với giá trị đặt là = 0, sau đó điều chỉnh và tiếp tục tăng Kp (khi Kp là Kc). Tuy nhiên, với cách trên bạn chỉ cần tính chu kỳ dao động của Pc.

Hướng dẫn chọn thông số PID bằng phần mềm

Khi lựa chọn bộ PID, sử dụng phần mềm được coi là phương pháp tối ưu và có độ chính xác rất cao. Có thể áp dụng thuật toán điều khiển hiệu chuẩn bằng phần mềm trong mô hình thực nghiệm ảo PID để hoàn thiện việc lựa chọn thông số PID.

Chúng tôi hy vọng rằng một số thông tin cần thiết về bộ điều khiển PID sẽ giúp ích cho bạn trong công việc. Với những bạn còn thắc mắc về giá trị PID có thể bình luận bên dưới bài viết để có thể giải đáp thắc mắc của bạn một cách nhanh chóng và ngay lập tức.