PID có nghĩa gì trong điều khiển? Hiểu các bộ điều khiển PID và các ứng dụng của chúng

Học cách điều khiển PID nghĩa là gìBộ điều khiển PIDCông việc, những ứng dụng của chúng, và sự quan trọng của việc điều chỉnh. Khám phá những ưu điểm và giới hạn của điều khiển PID trong tự động hóa công nghiệp.

  1. Giới thiệu

Điều khiển tỷ lệ-tích phân, thường được gọi bằng chữ viết tắt PID Control, là một khái niệm thiết yếu trong tự động hóa công nghiệp và các hệ thống điều khiển quá trình. PID đóng một vai trò thiết yếu trong việc đảm bảo các hệ thống hoạt động hiệu quả và đáng tin cậy - do đó, hiểu biết về các điều khiển PID là rất quan trọng nếu người ta hoạt động trong kỹ thuật, sản xuất hoặc bất kỳ lĩnh vực nào dựa trên các cơ chế kiểm soát chính xác để thành công.

  2. Cái gì là tỉ lệ-tích phân (PID)?

PID là viết tắt của hệ thống điều khiển phản hồi tích hợp, tỷ lệ và phái sinh được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điều khiển công nghiệp. Mỗi thành phần trong PID phục vụ một chức năng cụ thể - tỷ lệ (tỷ lệ), tính tích phân và đạo hàm.

* Tỷ lệ (P) : Thành phần này phản ứng với bất kỳ lỗi hiện tại nào giữa điểm đặt mong muốn và giá trị biến đổi quy trình thực tế, tạo ra đầu ra tỷ lệ với giá trị đó nếu đủ lớn; Nếu không, những hành động yếu sẽ có hiệu lực thay vào đó.

* Tích phân (I) : Thành phần tích phân đáp ứng với các lỗi trong quá khứ bằng cách cộng lượng tích lũy và tích hợp nó vào các hành động kiểm soát theo thời gian, giúp loại bỏ bất kỳ lỗi trạng thái ổn định còn lại mà chỉ riêng điều khiển tỷ lệ không thể loại bỏ được; Tiếp tục đảm bảo các biến quy trình đạt được và duy trì gần giá trị điểm đặt của chúng.

* Đạo hàm (D) : Thành phần phái sinh phản ứng với tốc độ thay đổi lỗi dự báo bằng cách dự báo các lỗi trong tương lai dựa trên tốc độ thay đổi hiện tại của chúng, tạo ra hiệu ứng làm giảm độ ẩm và do đó giảm sự quá cao và cải thiện sự ổn định của hệ thống.

  3. Các bộ điều khiển PID điều khiển như thế nào

Bộ điều khiển PID làm việc thông qua cơ chế vòng phản hồi với ba yếu tố chính là điểm đặt, biến quá trình và biến điều khiển tạo nên vòng lặp này.

* Điểm đặt: Điều này đề cập đến giá trị mong muốn mà hệ thống tìm cách đạt được.

* Biến tiến trình: giá trị hiện tại của tham số hệ thống được điều khiển.

* Biến điều khiển: đầu ra từ bộ điều khiển PID làm thay đổi quá trình để đáp ứng điểm đặt.

Bộ điều khiển PID liên tục tính giá trị sai số như chênh lệch giữa điểm đặt và giá trị biến quá trình, sử dụng các thuật ngữ tỷ lệ, tích phân, và đạo hàm để tính toán biến điều khiển giúp điều chỉnh biến quá trình gần với giá trị điểm đặt của nó hơn. Các điều khiển này cho phép các điều chỉnh quy trình tiếp theo khi giá trị lỗi tiến đến 0.

Các hệ thống điều khiển nhiệt độ sử dụng ba loại biến như các chỉ báo: điểm đặt (nhiệt độ mong muốn), biến quá trình (nhiệt độ hiện tại) và biến điều khiển (ví dụ công suất được cung cấp cho máy nung). Bộ điều khiển PID điều chỉnh năng lượng này khi cần thiết để duy trì nhiệt độ mong muốn.

  4. Điều chỉnh bộ điều khiển PID

Điều chỉnh chính xác một bộ điều khiển PID là chìa khóa cho hiệu suất tối ưu, đảm bảo nó phản ứng kịp thời và chính xác khi thay đổi điểm đặt xảy ra hoặc nhiễu phát sinh. Có nhiều cách để điều chỉnh các bộ điều khiển PID:

* Phương pháp Ziegler-Nichols: Phương pháp điều chỉnh heuristic phổ biến này đòi hỏi phải thiết lập tất cả các độ lợi tích phân và đạo hàm bằng không trong khi tăng độ lợi tỷ lệ cho đến khi bắt đầu dao động; Sau đó sử dụng thông tin độ lợi cuối cùng/chu kỳ dao động để tính các thông số PID.

* Phương pháp Cohen-Coon: phù hợp lý tưởng cho trật tự thứ nhất cộng với hệ thống thời gian chết (FOPDTs), phương pháp này cung cấp các công thức để tính các thông số PID dựa trên đáp ứng bước của hệ thống của bạn.

* Điều chỉnh thủ công: Điều này bao gồm việc điều chỉnh thủ công các thông số PID trong khi theo dõi phản ứng của hệ thống; Cách tiếp cận này cần kinh nghiệm và trực giác nhưng có thể cung cấp việc điều chỉnh hiệu quả các thông số.

Các chiến lược điều chỉnh hiệu quả bao gồm việc thực hiện các điều chỉnh gia tăng với các bước nhỏ lúc đầu trước khi tăng khả năng đáp ứng hoặc ổn định khi cần thiết. Khi xem xét đánh đổi giữa sự phản ứng và sự ổn định, điều này cũng rất quan trọng.

  5. Ứng dụng của bộ điều khiển PID

Các bộ điều khiển PID có nhiều ứng dụng trong các ngành và các ứng dụng. Một số ví dụ thông thường là:

* Kiểm soát nhiệt độ: Bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi trong HVAC, lò và thiết bị làm lạnh để đạt được quy định nhiệt độ chính xác.

* Điều khiển tốc độ: Bộ điều khiển PID có thể điều chỉnh tốc độ của động cơ điện để hoạt động trơn nhẵn và chính xác.

* Kiểm soát áp suất: bộ điều khiển cảm ứng áp suất thường được sử dụng trong công nghiệp quá trình để duy trì mức áp suất mong muốn trong đường ống và tàu.

* Điều khiển dòng chảy: Các bộ điều khiển PID được sử dụng trong các nhà máy hoá học và nhà máy xử lý nước sử dụng logic PID để theo dõi lưu lượng chất lỏng và khí để duy trì các điều kiện quy trình tối ưu và điều chỉnh cho phù hợp.

Bộ điều khiển PID được sử dụng rộng rãi trong bể và hồ chứa để đạt được điều hòa mức chất lỏng ở mức tối ưu.

  6. AdvaTình trạng và những hạn chế 

Các bộ điều khiển PID của nó có nhiều ưu điểm so với các phương pháp điều khiển truyền thống, bao gồm:

* Sự đơn giản: Các bộ điều khiển PID nói chung là dễ hiểu và dễ thực hiện.

* Tính linh hoạt: Chúng có thể được áp dụng trên nhiều ứng dụng.

* Hiệu quả: Các bộ điều khiển PID cung cấp sự điều khiển chính xác và ổn định, cho kết quả chính xác với mỗi lần sử dụng.

Tuy nhiên, phương pháp này lại có những ràng buộc riêng:

* Điều chỉnh độ phức tạp: Điều chỉnh đúng có thể rất phức tạp và tốn nhiều thời gian.

* Hệ thống phi tuyến: Các bộ điều khiển PID có thể không cung cấp kết quả tối ưu khi áp dụng cho các hệ thống phi tuyến cao.

* Độ nhạy tiếng ồn: Các thuật ngữ dẫn xuất có thể làm trầm trọng thêm tiếng ồn trong một hệ thống và làm tăng độ bất ổn, có khả năng dẫn đến sự sụp đổ của hệ thống.

  7. Kết luận

Điều khiển PID là một khái niệm cơ bản trong tự động hóa công nghiệp và các hệ thống điều khiển quá trình. Hiểu được các nguyên tắc của nó, làm thế nào các bộ điều khiển PID có chức năng và điều chỉnh chúng đúng là những yếu tố quan trọng để đạt được hiệu suất tối ưu. Mặc dù chúng có những hạn chế, các bộ điều khiển PID vẫn là những giải pháp linh hoạt thích hợp cho nhiều ứng dụng điều khiển - tương lai của chúng thậm chí có thể giữ nhiều cải tiến trong việc điều chỉnh các phương pháp khi công nghệ phát triển hơn nữa cùng với các chiến lược điều khiển tiên tiến.