How PID Controller Work: A Comprehensive Guide (bằng tiếng Anh)

Học cáchBộ điều khiển PIDCông việc, bao gồm các thành phần, nguyên tắc làm việc và ứng dụng. Tìm những mẹo để điều chỉnh và tối ưu hóa bộ điều khiển PID cho công nghiệp tự động hóa.

  1. Giới thiệu về điều khiển PID

Bộ điều khiển PID (tỉ lệ-tích phân) được sử dụng rộng rãi các cơ chế phản hồi vòng điều khiển được sử dụng trong các hệ thống điều khiển công nghiệp. Chức năng chính của chúng là để duy trì điểm đặt mong muốn bằng cách giảm thiểu lỗi giữa điểm đặt và các biến quá trình - các bộ điều khiển PID này tìm thấy sử dụng trong các ứng dụng như nhiệt độ, áp suất và điều khiển dòng chảy trong đó điều chỉnh chính xác và ổn định là các thành phần quan trọng.

  2. Các thành phần của một bộ điều khiển PID

Thành phần tỷ lệ (P)

Thành phần tỷ lệ, còn được gọi là K_p hoặc độ lợi tỷ lệ, điều chỉnh đầu ra điều chỉnh tỷ lệ để đáp ứng với các sai sót giữa điểm đặt và các biến quá trình. Một K_p cao hơn có thể mang lại hiệu chỉnh lớn hơn cho một số lỗi nhất định nhưng đặt quá cao có thể gây ra sự mất ổn định của hệ thống.

  3. Tích phân (I) thành phần điều khiển đóng (Controller Output)| Controller Output

Thành phần tích phân (I) xử lý các lỗi quá khứ bằng cách cộng và tích hợp các lỗi theo thời gian vào đầu ra điều khiển, điều chỉnh hiệu quả sai số trạng thái ổn định còn lại mà không thể bị loại bỏ thông qua kiểm soát tỷ lệ. Một độ lợi tích phân, K_i, xác định các lỗi quá khứ được đánh địa chỉ nhanh như thế nào nhưng K_i có thể gây ra dao động của đầu ra hệ thống.

Đạo hàm (D) Thành phần đạo hàm của nó thành phần phái sinh đáp ứng với tốc độ thay đổi tỷ lệ lỗi, dự báo các lỗi trong tương lai dựa trên tốc độ thay đổi hiện tại và phản ứng làm giảm độ phóng đại và cải thiện độ ổn định của đáp ứng hệ thống. K_d, hoặc độ khuếch đại derivative xác định độ nhạy của nó trong khi quá nhiều K_d có thể khuếch đại tiếng ồn trong hệ thống.

  4. Vòng phản hồi làm việc theo nguyên tắc

Các bộ điều khiển PID hoạt động trong một vòng phản hồi trong đó các biến quá trình được đo liên tục so với điểm đặt của chúng, sau đó đánh giá dựa trên bất kỳ sai số nào để xác định một giá trị lỗi sau đó sẽ được xử lý bởi PID' S thuật toán để tạo ra kết quả điều khiển.

Thuật toán điều khiển

Một thuật toán điều khiển sử dụng các thuật ngữ tỷ lệ, tích phân và đạo hàm để điều chỉnh các quá trình. Sau đây là một công thức điều khiển PID (U (T).

$$U (t) = K_p e (t) + K_i int (E (t) DT + K_d frac (de (t) DT.dt

$$Nếu E (T) = lỗi tại thời điểm T, K_p được sử dụng như một phản hồi tức thời, K_i sửa chữa các lỗi quá khứ tích lũy theo thời gian, trong khi K_d dự đoán các lỗi tương lai bằng cách đưa ra các phản chứng ngay lập tức.

  5. Điều chỉnh một bộ điều khiển PID

Điều chỉnh PID điều khiển rất cần thiết cho hiệu suất tối ưu, và bao gồm điều chỉnh K_p, K_i và K_d để đạt được đáp ứng mong muốn. Các phương pháp điều chỉnh phổ biến bao gồm:

* Phương pháp Ziegler-Nichols: Phương pháp heuristic này yêu cầu thiết lập tất cả các lợi nhuận tích phân và đạo hàm bằng không trong khi tăng dần tỷ lệ cho đến khi dao động bắt đầu để tính toán lợi nhuận PID. Một khi dao động bắt đầu, độ lợi và thời gian cuối cùng được sử dụng như tài liệu tham khảo khi tính toán lợi nhuận PID.

* Thử và lỗi: Từng bước điều chỉnh lợi nhuận trong khi giám sát phản ứng của hệ thống cho đến khi tìm thấy một sự cân bằng ổn định và đáp ứng có thể chấp nhận được.

  6. Ứng dụng và ví dụ

Các bộ điều khiển PID đã chứng minh tính linh hoạt của chúng trong nhiều ngành công nghiệp do hiệu quả của chúng, như thấy trong nhiều ví dụ thực tế bao gồm cả các ví dụ này:

* Kiểm soát nhiệt độ: Các bộ điều khiển PID trong các hệ thống HVAC duy trì nhiệt độ mong muốn bằng cách điều chỉnh các yếu tố làm nóng hoặc làm mát tương ứng.

* Điều khiển áp suất: Bộ điều khiển PID đóng vai trò thiết yếu trong hoạt động xử lý hoá chất bằng cách kiểm soát áp lực để đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả.

* Điều khiển dòng chảy: Trong các nhà máy xử lý nước, các bộ điều khiển PID quản lý tốc độ và chất lượng dòng chảy để kiểm soát chất lượng phù hợp.

Các bộ điều khiển PID cung cấp một số lợi ích, chẳng hạn như tăng độ ổn định của quá trình, giảm biến đổi và tăng hiệu suất hệ thống.