Hiểu các bộ điều khiển PID: nguyên tắc, thành phần và ứng dụng

Học cáchBộ điều khiển PIDCông việc, bao gồm các thành phần, nguyên tắc làm việc, phương pháp điều chỉnh, lợi thế và ứng dụng trong nhiều ngành khác nhau. Khám phá tầm quan trọng của các bộ điều khiển PID trong việc duy trì sự ổn định và hiệu suất của hệ thống.

  1. Bộ điều khiển tỷ lệ-tích hợp

Các bộ điều khiển PID, hoặc các hệ thống điều khiển có tỷ lệ-tích hợp, là các hệ thống điều khiển phản hồi được sử dụng rộng rãi được sử dụng trong các thiết lập công nghiệp. Bộ điều khiển PID sử dụng giá trị sai số được tính toán như sự khác biệt giữa điểm đặt mong muốn và biến quá trình đo lường để làm cho hiệu chỉnh dựa trên các khâu tỉ lệ, tích phân và đạo hàm - cung cấp điều khiển trạng thái liên tục để duy trì các điều kiện cụ thể như nhiệt độ, áp suất hoặc tốc độ trong phạm vi dung sai cụ thể. Bằng cách liên tục tính các lỗi bằng cách sử dụng các phương trình sử dụng các giá trị sai số được tính toán liên tục từ các giá trị sai số được tính toán thông qua các phép tính sửa lỗi đưa vào tính đến các điều khoản sửa lỗi dựa trên các điều khoản sửa lỗi được áp dụng đạo hàm và đạo hàm tương ứng khi các sửa dựa trên cần thiết có thể làm cho cần thiết.

  2. Các thành phần cơ bản của một bộ điều khiển PID

 Các thành phần thiết yếu của một bộ điều khiển PID 1. Các yếu tố cơ bản của bộ điều khiển PID cho hoạt động chính xác [1. Sau đây là các thành phần thiết yếu của bộ điều khiển PID [1.1]

Thành phần tỷ lệ (P)

* Thành phần tỷ lệ tạo ra một giá trị đầu ra tương ứng trực tiếp với các giá trị lỗi hiện hành; Độ lợi theo tỷ lệ quyết định cách thức phản ứng; Nếu lợi nhuận của nó trở nên quá lớn, hệ thống có thể trở nên không ổn định. 2

Thành phần nguyên (I) * Thành phần nguyên phân có trách nhiệm thu thập các lỗi quá khứ; Nếu một vấn đề tồn tại lâu, sự tích lũy sẽ làm tăng do đó loại bỏ các lỗi trạng thái ổn định còn lại liên quan đến bộ điều khiển tỷ lệ.

Thành phần phái sinh (D) * Thành phần phái sinh dự đoán các lỗi trong tương lai dựa trên tốc độ thay đổi của chúng, giúp giảm quá mức trong khi đồng thời ổn định hệ thống với hiệu ứng giảm.

  3. Nguyên tắc làm việc

Bộ điều khiển PID hoạt động thông qua một cơ chế vòng phản hồi. Bộ điều khiển của họ liên tục tính toán một giá trị lỗi biểu diễn sự khác biệt giữa điểm đặt mong muốn và giá trị biến quy trình thực tế và áp dụng hiệu chỉnh dựa trên các thuật ngữ tỷ lệ, tích phân và phái sinh để sửa nó.

* Tỷ lệ: thuật ngữ này tạo ra đầu ra có liên quan trực tiếp đến sai số hiện tại. Vì vậy, nếu lỗi hiện tại là lớn, phản ứng của nó cũng nên lớn để nhanh chóng sửa chữa nó.

* Khâu tích phân: Thuật ngữ này tổng hợp các lỗi quá khứ để loại bỏ bất kỳ lỗi trạng thái ổn định còn lại và đảm bảo rằng biến quá trình cuối cùng đạt được và giữ tại điểm đặt theo thời gian.

* Thuật ngữ phái sinh: thuật ngữ này đáp ứng với tốc độ thay đổi của một lỗi, cung cấp hành động dự đoán giúp giảm thiểu sự phóng đại và dao động.

  4. Điều chỉnh một bộ điều khiển PID

Điều chỉnh một bộ điều khiển PID là lựa chọn độ lợi tối ưu cho các điều kiện tỷ lệ, tích phân, và phái sinh của nó - với điều chỉnh thích hợp là quan trọng đối với sự ổn định và hiệu suất của hệ thống. Có nhiều kĩ thuật điều chỉnh bộ điều khiển PID:

1. WLL Điều chỉnh thủ công: W tạo thay đổi bất hợp pháp để đạt được cài đặt trong khi giám sát phản ứng hệ thống đòi hỏi kinh nghiệm và trực giác để hoàn thành thành công.

2. Phương pháp Ziegler-Nichols: Cách heuristic phổ biến này cung cấp một phương pháp điều chỉnh có hệ thống hiệu quả. Để thực hiện nhiệm vụ này, thiết lập tất cả các độ lợi tích phân và độ lợi phái sinh bằng 0 trong khi tăng dần tỉ lệ cho đến khi dao động hệ thống đạt đến biên độ không đổi.

3. Công cụ phần mềm lặp: Các hệ thống điều khiển hiện đại thường sử dụng các công cụ phần mềm có khả năng tự động cấu hình các bộ điều khiển PID dựa trên các thuật toán xác định hệ thống và tối ưu hóa.

  5. Ưu điểm và nhược điểm

* Tính linh hoạt: Bộ điều khiển PID có thể được áp dụng trên nhiều ứng dụng.

* Đơn giản: They' dễ hiểu và ứng dụng.

Các bộ điều khiển PID có hiệu suất tuyệt vời khi điều chỉnh đúng cách. * Hiệu quả: Khi sử dụng đúng cách, bộ điều khiển PID có thể cung cấp hiệu suất điều khiển vượt trội.

Nhược điểm: (* 1) Điều chỉnh độ phức tạp: Xác định lợi ích tối ưu có thể là thách thức và tốn thời gian, đòi hỏi thử nghiệm thử và lỗi lặp đi lặp lại để tìm lợi ích tối ưu cho một ứng dụng.

* Nhạy cảm với nhiễu: Các thuật ngữ vi phân có thể khuếch đại nhiễu trong một hệ thống và dẫn đến sự không ổn định.

* Phi tuyến: Các bộ điều khiển PID có thể không hoạt động tối ưu khi áp dụng trực tiếp vào các hệ thống phi tuyến cao mà không cần sửa đổi đặc biệt hoặc cân nhắc bổ sung.

  6. Ứng dụng của bộ điều khiển PID

Các bộ điều khiển PID đã trở thành một yếu tố thiết yếu trong nhiều ngành do tính linh hoạt và mạnh mẽ của chúng, thường được sử dụng trên các lĩnh vực khác nhau như:

* Sản xuất: Kiểm soát nhiệt độ lò nung, mức áp suất nồi hơi và tốc độ băng tải là tích hợp để thành công trong lĩnh vực này.

* Robot: Đảm bảo chuyển động và định vị chính xác cánh tay robot.

* Hệ thống HVAC: Bảo tồn nhiệt độ và độ ẩm tối ưu trong các tòa nhà.

* Ô tô: Điều chỉnh tốc độ động cơ và hệ thống phun nhiên liệu.