PID là gì? Tìm hiểu thông tin về bộ điều khiển PID

PID là bộ điều khiển tự động hoạt động theo cơ chế phản hồi vòng điều khiển. Ngày nay, bộ điều khiển PID được ứng dụng rộng rãi và phổ biến. Tuy nhiên, PID là gì, nguyên lý hoạt động ra sao thì không phải ai cũng biết. Cùng Primer tìm hiểu trong bài viết dưới đây nhé!

PID là gì?

PID là viết tắt của Proportional Integral Derivative, là một thuận toán điều khiển được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển tự động hóa, công nghiệp, hệ thống điện. PID là sự kết hợp của 3 tham số chính:

• P (tỷ lệ): Phương pháp điều chỉnh tỷ lệ giúp tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ với sai lệch đầu vào theo thời gian lấy mẫu.
• I (tích phân): Phần Integral (I) trong bộ điều khiển PID chịu trách nhiệm xử lý tổng sai số tích lũy theo thời gian, giúp loại bỏ sai số dư (offset) mà phần Proportional (P) không thể loại bỏ được. Khi sai số nhỏ nhưng kéo dài trong thời gian dài, phần Integral sẽ tích lũy sai số này và tạo ra điều chỉnh để giảm sai số về không.
• D (vi phân): Điều khiển vi phân tạo ra tín hiệu điều chỉnh sao cho tỉ lệ với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào. Thời gian càng lớn thì phạm vi điều chỉnh vi phân càng mạnh, tương ứng với bộ điều chỉnh đáp ứng với thay đổi đầu vào càng nhanh.

Có thể nói, bộ điều khiển PID có tính ứng dụng cao nhất so với các loại khác. Nó có khả năng tính toán giá trị sai số giữa giá trị đặt và thông số biển đôi. Điều chỉnh sai số thấp nhất có thể, đáp ứng vọt lố và sự dao động.

Khâu hiệu chỉnh trong bộ điều khiển PID

Khâu hiệu chỉnh trong bộ điều khiển PID bao gồm ba thành phần chính. Mỗi thành phần đóng một vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất của hệ thống điều khiển và có ký hiệu là MV.

MV(t) = P(out) + I(out) + D(out)

Khâu tỉ lệ là một độ lợi làm thay đổi các giá trị đầu ra theo tỷ lệ với sai số hiện tại.  Đảm bảo phản ứng nhanh với sai số hiện tại. Điều chỉnh đầu ra tỉ lệ với sai số, giúp giảm sai số ngay lập tức.

Khâu tích phân (khâu reset) có tỷ lệ với biên độ sai số và thời gian sai số, với vai trò tích lũy sai số theo thời gian, loại bỏ sai số dư mà khâu tỷ lệ không thể loại bỏ.

Khâu vi phân là biên độ của quá trình phân phối vi phân trên tất cả các trạng thái, giới hạn bởi độ lợi của vi phân. Giúp giảm thiểu hiện tượng dao động và cải thiện độ ổn định của hệ thống.

Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID hoạt động dựa trên nguyên lý điều chỉnh tự động thông qua việc liên tục tính toán và điều chỉnh sai số giữa giá trị thực và giá trị mục tiêu (setpoint). Hệ thống điều khiển PID tự động bao gồm các thành phần sau:

• Thiết bị điều khiển và cài đặt (PLC, HMI)
• Cơ cấu chấp hành (thiết bị gia nhiệt, van, động cơ, v.v.)
• Thiết bị hồi tiếp (cảm nhận nhiệt độ, cảm biến áp suất, v.v.)

Sau khi chọn giá trị setpoint (SV) hay còn gọi là giá trị cài đặt, bộ điều khiển sẽ gửi các thông tin điều khiển đến các thiết bị chấp hành và cơ cấu. Trong quá trình này, các thuật toán điều khiển sẽ được thực hiện, yêu cầu thiết bị phải đóng mở liên tục với tốc độ nhanh hoặc chậm, tùy thuộc vào đặc tính và yêu cầu của hệ thống.

Vì sao cần điều khiển PID?

So với phương pháp thủ công, sử dụng bộ điều khiển PID mang lại nhiều lợi ích hơn cả, đặc biệt là trong việc kiểm soát và điều chỉnh các tham số như nhiệt độ, áp suất, hay tốc độ động cơ.

1. Kiểm soát nhiệt độ theo phương pháp thủ công

Để kiểm soát nhiệt độ cho nước xả ra từ lò sưởi đốt gas công nghiệp theo phương pháp thủ công, người vận hành cần thường xuyên kiểm tra đồng hồ đo nhiệt độ và điều chỉnh van gas để đạt được mức nhiệt độ mong muốn. Khi nhiệt độ vượt quá giá trị yêu cầu, họ phải giảm góc mở van gas để hạn chế nguồn nhiên liệu đốt và giảm nhiệt độ của nước xả ra. Ngược lại, khi nhiệt độ giảm xuống dưới mức yêu cầu, họ cần tăng góc mở van để tăng lượng gas đốt.

Phương pháp này đòi hỏi người vận hành phải can thiệp thủ công để điều khiển quá trình, dựa trên phản hồi từ đồng hồ đo nhiệt độ. Bất kỳ thay đổi nào đối với van gas sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ của nước xả.

2. Kiểm soát nhiệt độ theo phương pháp tự động

Trái lại, sử dụng bộ điều khiển PID sẽ giúp tự động hóa quá trình kiểm soát nhiệt độ một cách hiệu quả hơn. Bộ điều khiển này sẽ sử dụng thiết bị đo nhiệt độ điện tử và van điều khiển điện tử để duy trì nhiệt độ ổn định. Sử dụng bộ điều khiển PID, người dùng chỉ cần thực hiện các bước sau:

• Sử dụng thiết bị đo nhiệt độ điện tử
• Sử dụng van điều khiển điện tử
• Sử dụng PID và thiết lập, kết nối với van điều khiển điện tử và thiết bị đo nhiệt độ.

Người vận hành chỉ cần thiết lập các tham số như nhiệt độ mong muốn và bộ điều khiển PID sẽ tự động tính toán và điều chỉnh góc mở van để duy trì nhiệt độ ổn định ở mức đã đặt.

Bằng cách so sánh giá trị nhiệt độ nhận được từ cảm biến với giá trị đặt ban đầu, PID tính toán và điều chỉnh đầu ra của van điều khiển sao cho nhiệt độ được duy trì ở mức mong muốn. Điều này giúp giảm thiểu sai số và tăng hiệu quả trong việc kiểm soát nhiệt độ so với phương pháp thủ công truyền thống.

Các loại PID

Có 4 loại PID phổ biến, đó là:

• P – Bộ điều khiển tỷ lệ
• PI – Bộ điều khiển tỷ lệ và tích phân
• PD – Bộ điều khiển tỷ lệ và đạo hàm
• PID – Bộ điều khiển tỷ lệ, tích phân và đạo hàm

Ứng dụng của Bộ điều khiển PID

Ứng dụng trong điều hòa không khí

Trong hệ thống điều hòa không khí, Bộ điều khiển PID ngày càng được sử dụng để điều chỉnh hiệu quả nhiệt độ trong nhà. Ví dụ, việc thiết lập nhiệt độ trong nhà ở mức 27°C được gọi là Setpoint (SP), trong khi đọc hiện tại từ bộ điều khiển nhiệt độ là 68°F được gọi là Biến quy trình (PV). Bộ phận điều chỉnh nhiệt hoặc làm lạnh, gọi tắt là Biến điều khiển (CV) hoặc Biến thao tác (MV), sẽ điều chỉnh dựa trên các tính toán liên quan đến SP và PV.

Ứng dụng trong nước

Trong hệ thống nước, Bộ điều khiển PID hoạt động tự động, ít đòi hỏi can thiệp của con người. Để điều chỉnh mức nước, thường cần bao gồm:

• Bộ điều khiển PID nhận tín hiệu như 4 – 20 mA cho đầu vào và đầu ra PID.
• Cảm biến đo mức nước gửi tín hiệu 4 – 20 mA.
• Van điều khiển điều tiết nước xả, cũng hoạt động với 4 – 20 mA.

Bộ điều khiển PID nhận tín hiệu từ cảm biến đo mức nước, điều chỉnh các cài đặt hiển thị mức nước và duy trì mức nước chính xác theo yêu cầu. Khi hoạt động, Bộ điều khiển PID đảm bảo quản lý mức nước chính xác mà không cần giám sát liên tục, sử dụng các thuật toán để so sánh giá trị đặt và giá trị đầu vào.

Ứng dụng trong biến tần

Trong các biến tần (VFD), Bộ điều khiển PID hỗ trợ điều khiển tự động bằng cách tích hợp:

• Van điều khiển
• Cảm biến nhiệt độ
• Biến tần điều khiển bằng PID cho hoạt động động cơ
• Bộ điều khiển nhiệt độ PID cho hoạt động van điều khiển

Cảm biến nhiệt độ điều khiển tốc độ biến tần và lưu lượng nước qua van điều khiển, đảm bảo sự pha trộn đồng đều và điều chỉnh nhiệt độ trong bể. Thiết lập này điều chỉnh nhiệt độ dựa trên lưu lượng, tối ưu hóa quá trình pha trộn chất lỏng thông qua các quy trình điều khiển bằng VFD.

Trên đây là giải đáp PID là gì? Ứng dụng của bộ điều khiển PID ngày càng phổ biến và mang lại hiệu quả cao và giúp ích vào đời sống của con người. Hy vọng với chia sẻ này, bạn sẽ có thêm những kiến thức hữu ích nhé!