Điều khiển PID là gì? Hướng dẫn toàn diện về kiểm soát tỷ lệ-tích hợp

Học hỏi Về điều khiển PID: khám phá điều khiển tỷ lệ-tích phân, các thành phần, hoạt động, phương pháp điều chỉnh, ứng dụng, lợi thế và những hạn chế trong hướng dẫn toàn diện này.

1. Kiểm soát tỷ lệ (P)

Điều khiển tỷ lệ đáp ứng tỷ lệ với sai số, đó là sự khác biệt giữa điểm đặt mong muốn và biến quá trình. Nó làm giảm sự khác biệt bằng cách điều chỉnh đầu ra điều khiển theo tỷ lệ với lỗi. Tuy nhiên, chỉ kiểm soát tỷ lệ có thể không đủ để loại bỏ tất cả các lỗi, đặc biệt là trong trường hợp sai số trạng thái ổn định.

Sự điều khiển tích cực (I)

Sự tích lũy các lỗi trong quá khứ được giải quyết bằng điều khiển tích phân. Điều khiển tích phân điều khiển đầu ra bằng cách tích hợp lỗi theo thời gian để loại bỏ các lỗi còn lại ở trạng thái ổn định mà điều khiển tỷ lệ có thể để lại sau. Các biến quá trình phải thẳng hàng chính xác với điểm đặt.

Kiểm soát phái sinh (D)

Kiểm soát phái sinh dựa trên tốc độ mà lỗi thay đổi, và cung cấp một yếu tố dự báo trong điều khiển. Nó dự đoán lỗi bằng cách phân tích vận tốc của lỗi và có hành động phòng ngừa. Nó đặc biệt hữu ích cho các hệ thống yêu cầu thay đổi nhanh chóng để được quản lý hiệu quả.

2. Điều khiển PID: Nó hoạt động như thế nào

Vòng điều khiển ba phần này được tích hợp vào PID để tạo ra một chiến lược điều khiển kết hợp. Phương trình PID được biểu diễn bằng toán học là:

U (t) = Kpe (t) + Ki0te (T) DT + Kdde (T) Dtu (T) = K_p \ cdot e (t) + K_i \ cdot \ int_0 ^ t e (\ tau) d \ tau + K_d \ cdot \ fracde (T) DT

Ở đâu:

Đầu ra điều khiển là U (t).

Độ lợi tỷ lệ là KpK_p

Lợi ích căn bản của KiK_i.

Độ lợi nhuận phái sinh là KdK_d

Lỗi là E (t).

Các thành phần (P, I và D) mỗi thành phần có một đóng góp duy nhất: thành phần tỷ lệ đáp ứng với các lỗi ngay lập tức, trong khi thành phần tích phân loại bỏ các phần dư theo thời gian. Và thành phần phái sinh cung cấp những điều chỉnh dự đoán. Chúng làm việc cùng nhau để đảm bảo rằng các biến quy trình được giữ gần với điểm đặt mong muốn của nó. Điều này cải thiện sự ổn định và hiệu suất của hệ thống.

3. Điều chỉnhBộ điều khiển PID

Điều quan trọng là phải điều chỉnh các thông số PID để đạt được hiệu suất tối ưu. Có nhiều phương pháp điều chỉnh các thông số PID. Phương pháp Ziegler Nichols là một trong những phương pháp phổ biến hơn.

Kỹ thuật Ziegler-Nichols

Trong phương pháp Ziegler-Nichols, độ lợi tích phân và độ lợi phái sinh được thiết lập bằng không trong khi độ lợi tỷ lệ tăng cho đến khi dao động xảy ra. Tính toán các thông số PID dựa trên độ lợi tỷ lệ, còn được gọi là độ lợi tới hạn.

Tầm quan trọng của việc điều chỉnh hợp lý

Bộ điều khiển PID phải được điều chỉnh thích hợp để đảm bảo rằng nó thực hiện hiệu quả, trong khi cân bằng sự ổn định và khả năng phản ứng. Bộ điều khiển không điều chỉnh có thể gây ra dao động hoặc phản ứng chậm. Chúng cũng có thể dẫn đến việc hệ thống overshoot, một phản ứng chậm chạp, và thậm chí hiệu suất chậm chạp.

4. Các ứng dụng điều khiển PID

Tính linh hoạt của điều khiển PID cho phép chúng được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp.

Nhà sản xuất

Các bộ điều khiển PID được sử dụng trong sản xuất để điều chỉnh các biến như nhiệt độ, áp suất và dòng chảy. Điều này đảm bảo chất lượng nhất quán của sản phẩm và quy trình.

Robot

Điều khiển động cơ PID được sử dụng trong các hệ thống robot để cung cấp vị trí và chuyển động chính xác cho các nhiệm vụ từ lắp ráp thông qua thăm dò.

Xe hơi

Các bộ điều khiển PID được sử dụng trong ngành công nghiệp ô tô để quản lý các hệ thống phun nhiên liệu và phanh. Họ cải thiện tính an toàn và hiệu suất phương tiện.

5. Lợi ích và giới hạn

Mặc dù điều khiển PID mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng có những hạn chế nhất định.

Lợi ích

Đơn giản: đơn giản để thực hiện và hiểu.

Hiệu quả: cung cấp kiểm soát mạnh mẽ cho nhiều ứng dụng khác nhau.

Tính linh hoạt: Các thông số linh hoạt có thể được điều chỉnh để đáp ứng nhu cầu của một hệ thống cụ thể.

Những giới hạn

Độ nhạy điều chỉnh: cần phải điều chỉnh chính xác để đạt được hiệu suất tối đa.

Tính phi tuyến: có thể đấu tranh với các hệ thống có tính phi tuyến cao.

Độ nhạy âm thanh: Điều khiển đạo hàm có thể tăng tiếng ồn đo lường và ảnh hưởng đến sự ổn định.

6. Kết luận của bài là:

Bộ điều khiển PID là một công cụ quan trọng cho kỹ thuật điều khiển hệ thống. Nó cung cấp một sự cân bằng tốt giữa tính đơn giản và hiệu quả. Các nguyên tắc PID tiếp tục phát triển khi công nghệ tiến bộ, dẫn tới những sáng kiến trong tự động hóa và điều khiển.