Làm thế nào để điều chỉnh một bộ điều khiển PID: các phương pháp và đầu mối thực tế

Hãy học cách điều chỉnh ABộ điều khiển PIDVới hướng dẫn toàn diện này. Hiểu được vai trò của độ lợi tỉ lệ, tích phân, và phái sinh, khám phá các phương pháp điều chỉnh thủ công và phần mềm, và tìm ra những mẹo thực tế để điều chỉnh hiệu quả.

  1. Giới thiệu

Điều chỉnh PID (Proportional-Integral-Derivative) bộ điều khiển là một thành phần không thể thiếu của kỹ thuật hệ thống điều khiển. Điều chỉnh thích hợp của loại bộ điều khiển này đảm bảo hiệu suất tối ưu bằng cách duy trì đầu ra mong muốn với lỗi tối thiểu. Bài viết này cung cấp một hướng dẫn chi tiết về cách điều chỉnh các bộ điều khiển PID bằng cách sử dụng các phương pháp khác nhau và các mẹo thực tế để đạt được điều chỉnh hiệu quả.

  2. Hiểu được các thông số CỦA PID

Độ lợi tỷ lệ (P)

Độ lợi tỷ lệ, thường được gọi là (K_p), là một tham số thiết yếu trong các bộ điều khiển PID để xác định đáp ứng của chúng với các lỗi hiện tại. Sự gia tăng trong (K_p) có thể làm tăng khả năng đáp ứng nhưng có khả năng dẫn đến sự vượt mức và bất ổn trong khi làm giảm nó dẫn đến phản ứng chậm hơn nhưng tăng sự ổn định - ví dụ trong điều chỉnh các hệ thống kiểm soát nhiệt độ (K_p) có thể ảnh hưởng đến việc độ lệch nhiệt độ nhanh chóng được xử lý bởi hệ thống.

  3. Lợi ích thiết yếu

Lợi tích phân (K_i), địa chỉ bất kỳ lỗi tích lũy nào theo thời gian. Nó điều chỉnh các lỗi trạng thái ổn định bằng cách tích hợp các giá trị trong quá khứ của tích lũy lỗi và áp dụng sửa chữa phù hợp. Giá trị cao hơn (K_i) có thể tăng tốc độ sửa chữa nhưng có thể gây ra các dao động; Ngược lại, giá trị K_i thấp hơn cung cấp phản ứng mịn hơn với khung thời gian giải phóng lỗi chậm hơn. Với các hệ thống điều khiển tốc độ này đảm bảo tốc độ đạt được và duy trì ở điểm đặt mong muốn.

  4. Độ lợi đạo hàm (D)

Độ lợi phái sinh, hoặc (K_d), dự đoán xu hướng sai số trong tương lai bằng cách tính toán tốc độ thay đổi của nó và giúp làm giảm phản ứng của hệ thống bằng cách hạn chế quá mức và dao động. Giá trị K_d tăng có thể tạo sự ổn định tốt hơn nhưng sẽ làm tăng tiếng ồn; Ngược lại giá trị giảm D cho kết quả trong các hệ thống đáp ứng ít hơn; Trong các hệ thống điều khiển cánh tay robot, nó hoạt động để làm dịu chuyển động bằng cách dự đoán những thay đổi nhanh chóng đến các giá trị lỗi vị trí.

Trước khi điều chỉnh một bộ điều khiển PID, điều cực kỳ quan trọng là hệ thống không có vấn đề cơ học và ổn định. Trước khi bắt đầu điều chỉnh nó, hãy kiểm tra các kết nối lỏng lẻo, các thành phần bị mòn hoặc bất kỳ vấn đề tiềm ẩn nào có thể ảnh hưởng đến quá trình điều chỉnh của nó và sử dụng các cài đặt tham số bảo toàn ban đầu để tránh sự bất ổn trong giai đoạn điều chỉnh ban đầu.

  5. Phương pháp điều chỉnh (Verion 2)

Điều chỉnh thủ công

Việc điều chỉnh thủ công liên quan đến các thông số PID được điều chỉnh thủ công theo cách hệ thống phản ứng của bạn. Điều này đòi hỏi phải có kiến thức tốt về động lực hệ thống cũng như phương pháp có tổ chức và có phương pháp: Tập (K_i), (K_d), và dần tăng K_p cho đến khi dao động xuất hiện, sau đó tinh chỉnh cả (K_i), (K_d), và K_p cho đến khi dao động trở lại, sau đó làm các điều chỉnh cần thiết như loại bỏ lỗi trạng thái ổn định trước khi điều chỉnh (K_d) để giảm sự phóng đại hoặc dao động cho đến khi có thể đạt được hiệu suất mong muốn này.

Kỹ thuật Ziegler-Nichols

Kỹ thuật điều chỉnh này cung cấp một phương pháp hiệu quả để thiết lập các thông số PID. Bắt đầu bằng cách đặt cả K_i và K_d đến 0 trước khi tăng K_p cho đến khi đạt được độ lợi tối đa (K_u), với tần số dao động trở thành biên độ dấu thời gian T_u được ghi lại và sử dụng các giá trị này tính các thông số PID bằng công thức Ziegler-Nichols: (K_p = 0, 6 lần K_u).

* v_i = 2 lần K_p và T_u

* (K_d = K_p x T_u / 8)

Phương pháp này cung cấp một điểm khởi đầu hiệu quả, nhưng có thể cần nhiều hơn nữa tinh chỉnh để đạt được hiệu suất tối ưu.

Việc điều chỉnh độ điều chỉnh dựa trên phần mềm sử dụng các công cụ mô phỏng và thuật toán tự động để điều chỉnh các thông số PID. Những thứ này có thể mô hình hoá các động lực của hệ thống trong khi đưa ra những điều chỉnh chính xác về những lợi ích của PID.

  6. Dây điều chỉnh dựa trên phần mềm

Rất có lợi khi làm việc với các hệ thống phức tạp trong đó điều chỉnh bằng tay có thể chứng minh là quá thách thức hoặc khi giám sát và điều chỉnh thời gian thực có thể được yêu cầu đảm bảo hiệu suất tối ưu trong bất kỳ hoàn cảnh nào.

Những chiến lược thực tế để điều chỉnh hiệu quả

* Điều chỉnh tăng dần: Để điều chỉnh hiệu quả, cần thực hiện các bước nhỏ khi thay đổi các thông số PID để ngăn chặn các phản ứng mạnh của hệ thống.

* Giám sát các phản ứng của hệ thống: Hãy cảnh giác về cách hệ thống phản ứng với những thay đổi đối với các thông số, và điều chỉnh phù hợp.

* Tránh những cạm bẫy thông thường: Thận trọng khi điều chỉnh quá độ, có thể dẫn đến tình trạng bất ổn và thiếu điều chỉnh, có thể làm giảm hiệu suất và dẫn đến kết quả chậm hơn.

Các bộ điều khiển PID thường được sử dụng trong tự động hóa công nghiệp để điều chỉnh các quá trình liên quan đến nhiệt độ, áp suất và dòng chảy. Ví dụ, các nhà máy hóa chất sử dụng bộ điều khiển PID để giữ nhiệt độ và áp suất lò phản ứng trong giới hạn chấp nhận được để tối ưu hóa điều kiện phản ứng trong khi các hệ thống HVAC sử dụng chúng để điều chỉnh việc sưởi ấm hoặc làm mát đầu ra dựa trên sự khác biệt giữa nhiệt độ phòng mong muốn và temps phòng thực tế. Dưới đây là một số thông tin về ứng dụng của chúng trong các nghiên cứu tình huống và các ví dụ:

 7. Kết luận

Điều chỉnh các bộ điều khiển PID là rất cần thiết trong việc đạt được hiệu suất hệ thống tối ưu, thông qua việc hiểu vai trò của chúng như độ lợi tỷ lệ, tích phân và đạo hàm và sử dụng các phương pháp điều chỉnh khác nhau. Khi công nghệ phát triển hơn nữa, các công cụ điều chỉnh dựa trên phần mềm cung cấp các giải pháp tự động với các giải pháp điều chỉnh chính xác đảm bảo hiệu suất PID thích hợp trên các ứng dụng khác nhau và duy trì đầu ra mong muốn với sự ổn định của hệ thống.