bộ điều khiển Máy sấy lạnh 50kg

Hiện nay các loại máy sấy nông sản, máy sấy công nghiệp hay máy sấy lạnh đều được dùng chương trình điều khiển PID. Cụm từ PID đã rất quen thuộc đối với khách hàng nhưng PID là gì? PID hoạt động như nào? thì có mấy ai hiểu rõ. Dưới đây là định nghĩa về chương trình điều khiển PID, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của điều khiển PID.

Hệ thống điều khiển PID là gì?

Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID- Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi. Bộ điều khiển PID sẽ tính toán giá trị “sai số” là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Trong trường hợp không có kiến thức cơ bản (mô hình toán học) về hệ thống điều khiển thì bộ điều khiển PID là sẽ bộ điều khiển tốt nhất.[1] Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính toán phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống-trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống.

Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P, I, và D.Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số. Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thông qua một phần tử điều khiển như vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia nhiệt. Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tạiI phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán các sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại.

Công thức tính P I D trong điều khiển PID

Công thức tính P I D trong điều khiển PID

Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt. Đáp ứng của bộ điều khiển có thể được mô tả dưới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà bộ điều khiển vọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống. Lưu ý là công dụng của giải thuật PID trong điều khiển không đảm bảo tính tối ưu hoặc ổn định cho hệ thống.

Vài ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ thống. Điều này đạt được bằng cách thiết đặt đội lợi của các đầu ra không mong muốn về 0. Một bộ điều khiển PID sẽ được gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu vắng mặt các tác động bị khuyết. Bộ điều khiển PI khá phổ biến, do đáp ứng vi phân khá nhạy đối với các nhiễu đo lường, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống không đạt được giá trị mong muốn.

Chú ý: Do sự đa dạng của lĩnh vực lý thuyết và ứng dụng điều khiển, nhiều qui ước đặt tên cho các biến có liên quan cùng được sử dụng.

Một ví dụ quen thuộc của vòng điều khiển là hành động điều chỉnh vòi nước nóng và lạnh để duy trì nhiệt độ nước mong muốn ở đầu vòi nước. Thường ta phải trộn hai dòng nước, nóng và lạnh lại với nhau. Và chạm vào nước để cảm nhận hoặc ước lượng nhiệt độ của nó. Dựa trên phản hồi này, ta đi điều chỉnh van nóng và van lạnh cho đến khi nhiệt độ ổn định ở giá trị mong muốn.

Giá trị cảm biến nhiệt độ nước là giá trị tương tự(analog), dùng để đo lường giá trị xử lý hoặc biến quá trình (PV). Nhiệt độ mong muốn được gọi là điểm đặt (SP). Đầu vào chu trình (vị trí van nước) được gọi là biến điều khiển (MV). Hiệu số giữa nhiệt độ đo và điểm đặt được gọi là sai số (e), dùng để lượng hóa được khi nào thì nước quá nóng hay khi nào thì nước quá lạnh bằng giá trị.

Sau khi đo lường nhiệt độ (PV), và sau đó tính toán sai số, bộ điều khiển sẽ quết định thời điểm thay đổi vị trí van (MV) và thay đổi bao nhiêu. Khi bộ điều khiển mở van lần đầu, nó sẽ mở van nóng tí xíu nếu cần nước ấm, hoặc sẽ mở hết cỡ nếu cần nước rất nóng. Đây là một ví dụ của điều khiển tỉ lệ đơn giản. Trong trường hợp nước nóng không được cung cấp nhanh chóng, bộ điều khiển có thể tìm cách tăng tốc độ của chu trình lên bằng cách tăng độ mở của van nóng theo thời gian. Đây là một ví dụ của điều khiển tích phân. Nếu chỉ sử dụng hai phương pháp điều khiển tỉ lệ và tích phân, trong vài hệ thống, nhiệt độ nước có thể dao động giữa nóng và lạnh, bởi vì bộ điều khiển điều chỉnh van quá nhanh và vọt lố hoặc bù lố so với điểm đặt.

Để đạt được sự hội tụ tăng dần đến nhiệt độ mong muốn (SP), bộ điều khiển cần phải yêu cầu làm tắt dần dao động dự đoán trong tương lai. Điều này có thể thực hiện bởi phương pháp điều khiển vi phân.

Giá trị thay đổi có thể quá lớn khi sai số tương ứng là nhỏ đối với bộ điều khiển có độ lợi lớn và sẽ dẫn đến vọt lố. Nếu bộ điều khiển lặp lại nhiều lần việc thay đổi này sẽ dẫn đến thường xuyên xảy ra vọt lố, đầu ra sẽ dao động xung quanh điểm đặt, tăng hoặc giảm theo hình sin cố định. Nếu dao động tăng theo thời gian thì hệ thống sẽ không ổn định, còn nếu dao động giảm theo thời gian thì hệ thống đó ổn định. Nếu dao động duy trì tại một biên độ cố định thì hệ thống là ổn định biên độ. Con người không để xảy ra dao động như vậy bởi vì chúng ta là những “bộ” điều khiển thích nghi, biết rút kinh nghiệm; tuy nhiên, bộ điều khiển PID đơn giản không có khả năng học tập và phải được thiết đặt phù hợp. Việc chọn độ lợi hợp lý để điều khiển hiệu quả được gọi là điều chỉnh bộ điều khiển.

Nếu một bộ điều khiển bắt đầu từ một trạng thái ổn định tại điểm sai số bằng 0 (PV=SP), thì những thay đổi sau đó bởi bộ điều khiển sẽ phụ thuộc vào những thay đổi trong tín hiệu đầu vào đo được hoặc không đo được khác tác động vào quá trình điều khiển, và ảnh hưởng tới đầu ra PV. Các biến tác động vào quá trình khác với MV được gọi là nhiễu. Các bộ điều khiển thông thường được sử dụng để loại trừ nhiễu và/hoặc bổ sung những thay đổi điểm đặt. Những thay đổi trong nhiệt độ nước cung cấp là do nhiễu trong quá trình điều khiển nhiệt độ ở vòi nước.

Về lý thuyết, một bộ điều khiển có thể được sử dụng để điều khiển bất kỳ một quá trình nào mà có một đầu ra đo được (PV), một giá trị lý tưởng biết trước cho đầu ra (SP) và một đầu vào chu trình (MV) sẽ tác động vào PV thích hợp. Các bộ điều khiển được sử dụng trong công nghiệp để điều chỉnh nhiệt độ, áp suất, tốc độ dòng chảy, tổng hợp hóa chất, tốc độ và các đại lượng khác có thể đo lường được. Xe hơi điều khiển hành trình là một ví dụ cho việc áp dụng điều khiển tự động trong thực tế.

Các bộ điều khiển PID thường được lựa chọn cho nhiều ứng dụng khác nhau, vì lý thuyết tin cậy, được kiểm chứng qua thời gian, đơn giản và dễ cài đặt cũng như bảo trì của chúng.

Điều chỉnh vòng lặp

Điều chỉnh một vòng điều khiển là điều chỉnh các thông số điều khiển của nó (độ lợi/dải tỉ lệ, độ lợi tích phân/reset, độ lợi vi phân/tốc độ) tới giá trị đáp ứng điều khiển tối ưu. Độ ổn định (dao động biên) là một yêu cầu căn bản, nhưng ngoài ra, các hệ thống khác nhau, có những hành vi khác nhau, những ứng dụng khác nhau có những yêu cầu khác nhau, và vài yêu cầu lại mâu thuẫn với nhau. Hơn nữa, vài quá trình có một mức độ phi tuyến nào đấy khiến các thông số làm việc tốt ở điều kiện đầy tải sẽ không làm việc khi quá trình khởi động từ không tải; điều này có thể khắc phục bằng chương trình độ lợi (sử dụng các thông số khác nhau cho những khu vực hoạt động khác nhau). Các bộ điều khiển PID thường cung cấp các điều khiển có thể chấp nhận được thậm chí không cần điều chỉnh, nhưng kết quả nói chung có thể được cải thiện bằng cách điều chỉnh kỹ lưỡng, và kết quả có thể không chấp nhận được nếu điều chỉnh kém.

Điều chỉnh PID là một bài toán khó, ngay cả khi chỉ có 3 thông số và về nguyên tắc là dễ miêu tả, bởi vì nó phải thỏa mãn các tiêu chuẩn phức tạp nằm trong Những hạn chế của điều khiển PID. Vì vậy có nhiều phương pháp khác nhau để điều chỉnh vòng lặp, và các kỹ thuật phức tạp hơn là đề tài cho nhiều phát minh sáng chế; phần này miêu tả vài phương pháp thủ công truyền thống để điều chỉnh vòng lặp.

Độ ổn định

Nếu các thông số của bộ điều khiển PID (độ lợi của khâu tỉ lệ, tích phân và vi phân) được chọn sai, đầu vào quá trình điều khiển có thể mất ổn định, vì các khác biệt đầu ra của nó, có hoặc không có dao động, và được giới hạn chỉ bởi sự bảo hòa hoặc đứt gãy cơ khí. Sự không ổn định được gây ra bởi sự dư thừa độ lợi, nhất là khi xuất hiện độ trễ lớn.

Nói chung, độ ổn định của đáp ứng (ngược với độ bất định) phải thỏa mãn và quá trình phải không được dao động vì bất kỳ sự kết hợp nào giữa các điều khiện quá trình và điểm đặt, mặc dù đôi khi ổn định biên có thể được chấp nhận hoặc yêu cầu.

Tối ưu hóa hành vi

Tối ưu hóa hành vi trong thay đổi quá trình hoặc thay đổi điểm đặt khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng.

Hai yêu cầu cơ bản là ổn định (triệt tiêu nhiễu-ổn định tại một điểm đặt cho trước) và tự hiệu chỉnh lệnh (thực hiện các thay đổi điểm đặt)-hai yêu cầu đó tùy thuộc vào việc các biến điều khiển theo dõi giá trị mong muốn có tốt hay không. Các tiêu chuẩn đặc biệt về tự hiệu chỉnh lệnh bào gồm thời gian khởi động và thời gian xác lập. Một vài quá trình phải ngăn không cho phép các biến quá trình vọt lố quá điểm đặt nếu, thí dụ, điều này có thể mất an toàn. Các quá trình khác phải tối thiểu hóa năng lượng tiêu hao khi tiến tới một điểm đặt mới.

Tổng quan các phương pháp

Có nhiều phương pháp khác nhau để điều chỉnh vòng lặp PID. Những phương pháp hữu hiệu nhất thường bao gồm những triển khai của vài dạng mô hình xử lý, sau đó chọn P, I, và D dựa trên các thông số của mô hình động học. Các phương pháp điều chỉnh thủ công tương đối không hiệu quả lắm, đặc biệt nếu vòng lặp có thời gian đáp ứng được tính bằng phút hoặc lâu hơn.

Lựa chọn phương pháp thích hợp sẽ phụ thuộc phần lớn vào việc có hay không vòng lặp có thể điều chỉnh “offline”, và đáp ứng thời gian của hệ thống. Nếu hệ thống có thể thực hiện offline, phương pháp điều chỉnh tốt nhất thường bao gồm bắt hệ thống thay đổi đầu vào từng bước, tín hiệu đo lường đầu ra là một hàm thời gian, sử dụng đáp ứng này để xác định các thông số điều khiển.

Phương phápƯu điểmKhuyết điểm
Điều chỉnh thủ côngKhông cần hiểu biết về toán. Phương pháp online.Yêu cầu nhân viên có kinh nghiệm.
Ziegler–NicholsPhương pháp chứng minh. Phương pháp online.làm rối loạn quá trình, một số thử nghiệm và lỗi, phải điều chỉnh nhiều lần
Các công cụ phần mềmĐiều chỉnh chắc chắn. Phương pháp online hoặc offline. Có thể bao gồm phân tích các van và cảm biến. Cho phép mô phỏng trước khi tải xuống để thực thi.Giá cả cao, và phải huấn luyện.
Cohen-Coonxử lý các mô hình tốt.Yêu cầu kiến thức toán học. Phương pháp offline. Chỉ tốt đối với các quá trình bậc một.

Phần mềm điều chỉnh PID

Hầu hết các ứng dụng công nghiệp hiện đại không còn điều chỉnh vòng điều khiển sử dụng các phương pháp tính toán thủ công như trên nữa. Thay vào đó, phần mềm điều chỉnh PID và tối ưu hóa vòng lặp được dùng để đảm báo kết quả chắc chắn. Những gói phần mềm này sẽ tập hợp dữ liệu, phát triển các mô hình xử lý, và đề xuất phương pháp điều chỉnh tối ưu. Vài gói phần mềm thậm chí còn có thể phát triển việc điều chỉnh bằng cách thu thập dữ liệu từ các thay đổi tham khảo.

Điều chỉnh PID bằng toán học tạo ra một xung trong hệ thống, và sau đó sử dụng đáp ứng tần số của hệ thống điều khiển để thiết kế các giá trị của vòng điều khiển PID. Trong những vòng lặp có thời gian đáp ứng kéo dài nhiều phút, nên chọn điều chỉnh bằng toán học, bởi vì việc thử sai thực tế có thể kéo dài nhiều ngày để tìm điểm ổn định cho vòng lặp. Giá trị tối ưu thì khó tìm hơn. Vài bộ điều khiển số còn có chức năng tự điều chỉnh, trong đó những thay đổi rất nhỏ của điểm đặt cũng được gửi tới quá trình, cho phép bộ điều khiển tự mình tính toán giá trị điều chỉnh tối ưu.

Các dạng điều chỉnh khác cũng được dùng tùy theo tiêu chuẩn đánh giá kết quả khác nhau. Nhiều phát minh hiện nay đã được nhúng sẵn vào trong các module phần mềm và phần cứng để điều chỉnh PID.

Các cải tiến đối với thuật toán PID

Thuật toán PID cơ bản xuất hiện vài thử thách trong các ứng dụng điều khiển, và được khắc phục bởi các cải tiến nhỏ trong biểu thức của PID.

Tích phân khởi động
Xem thêm thông tin: Tích phân khởi động

Một vấn đề phổ biến của bộ PID lý tưởng là Tích phân khởi động, nơi xảy ra thay đổi điểm đặt lớn (tức là thay đổi dương) và khâu tích phân tích lũy một sai số đáng kể lúc tăng (khởi động), vì vậy làm vọt lố và duy trì liên tục việc tăng sai số tích lũy bị gián đoạn. Có thể khắc phục điều này bằng cách:

  • Thiết đặt giá trị tích phân ban đầu cho bộ điều khiển tới giá trị mong muốn
  • Tăng điểm đặt với độ dốc thích hợp
  • Không cho phép chức năng tích phân cho đến khi PV đi vào vùng điều khiển được
  • Giới hạn khoảng thời gian vượt quá sai số tích phân được tính toán
  • Ngăn không cho khâu tích phân tích lũy trên hoặc dưới biên xác định trước
‘Đóng băng’ chức năng tích phân trong trường hợp bị nhiễu
nếu một vòng PID được sử dụng để điều khiển nhiệt độ của một lò nung điện trở, hệ thống đã ổn định và sau đó cửa lò mở và nhiệt độ thấp luồn vào lò nung làm cho nhiệt độ rơi xuống dưới điểm đặt. Chức năng tích phân của bộ điều khiển có xu hướng bù sai số này bằng cách đưa ra một sai số khác theo hướng dương. Điều này có thể tránh được bằng cách ‘đóng băng’ chức năng tích phân sau khi mở cửa lò để đủ thời gian cho vòng điều khiển nung lại lò nung.
Thay chức năng tích phân bằng một phần dựa trên mô hình
Thường thời gian đáp ứng của hệ thống được biết trước. Do đó rất tiện lợi để mô phỏng thời gian đáp ứng này với một mô hình và tính toán vài thông số chưa biết từ đáp ứng thực của hệ thống. Nếu giả sử hệ thống là một lò nung điện thì đáp ứng của hiệu số giữa nhiệt độ lò và nhiệt độ môi trường để thay đổi lượng điện năng sẽ tương tự với một bộ lọc thông thấp RC đơn giản được nhân bởi một hệ số tỉ lệ chưa biết. Điện năng thực tế cung cấp cho lò nung được làm trễ bởi một bộ lọc thông thấp để mô phỏng đáp ứng của nhiệt độ lò nung và sau đó lấy nhiệt độ thực trừ đi nhiệt độ môi trường rồi chia cho thành phần điện năng thông thấp này. Sau đó, kết quả trên sẽ được ổn định bởi một bộ lọc thông thấp khác dẫn đến việc tìm ra hệ số tỉ lệ. Với việc tính toán này, ta có thể tính toán lượng điện yêu cầu bời cách chi điểm đặt nhiệt đọ trừ đi nhiệt độ môi trường bởi hệ số này. Kết quả này sau đó có thể được dùng để thay thế chức năng tích phân. Điều này còn có thể đạt được một sai số điều khiển bằng ‘0’ trong chế độ xác lập, bằng cách tránh tích phân khởi động và có thể cải tiến đáng kể tác động điều khiển so với một bộ điều khiển PID tối ưu. Bộ điều khiển dạng này làm việc rất chính xác trong trường hợp vòng hở, tạo ra tích phân khởi động với một hàm tích phân. Đây là một ưu điểm, nếu thí dụ, nhiệt cấp cho lò nung bị giảm một lúc vì hư hỏng trong bộ nung, hoặc nếu bộ điều khiển được dùng như một hệ thống tham vấn cho nhân viên điều khiển, và người này không thể đưa nó về làm việc trong vòng kín. Cũng sẽ rất hiệu quả nếu bộ điều khiển nằm trong một nhánh của một hệ thống điều khiển phức tạp mà có thể tạm thời không làm việc.

Nhiều vòng điều khiển PID điều khiển một thiết bị cơ khí (thí dụ như van). Bảo dưỡng cơ khí có thể là phí tổn và hao mòn chính làm cho điều khiển kém đi dưới dạng ma sát tĩnh hoặc là dãi chết trong đáp ứng cơ khí ở tín hiệu đầu vào. Tốc độ bào mòn cơ khí tùy thuộc phần lớn vào sự làm việc thường xuyên của thiết bị. Những nơi bào mòn được đặc biệt chú ý, vòng điều khiển PID có thể có một dãi chết ở đầu ra để giảm tần số hoạt động của (van) đầu ra. Điều này có thể thực hiện được bằng cách biến đổi bộ điều khiển để giữ được độ ổn định ở đầu ra nếu thay đổi là nhỏ (nằm trong khoảng dãi chết xác định). Tín hiệu đầu ra tính toán phải loại bỏ dãi chết trước khi đầu ra thực tế thay đổi.

Khâu tỉ lệ và khâu vi phân có thể tạo ra biến đổi dư thừa ở đầu ra khi một hệ thống bị lệ thuộc vào nấc thay đổi tức thời tăng sai số, như một thay đổi lớn của điểm đặt. Trong trường hợp của khâu vi phân, điều này tùy thuộc vào việc đạo hàm sai số, đạo hàm này sẽ rất lớn nếu nấc thay đổi tức thời. Kết quả là, vài giải thuật PID được thêm vào các cải tiến sau:

Đạo hàm đầu ra
Trong trường hợp bộ điều khiển PID đo lường đạo hàm của đại lượng đầu ra, thay vì đạo hàm của sai số. Tín hiệu đầu ra luôn liên tục (vì nó không bao giờ có nấc thay đổi). Để điều này đạt hiệu quả, đạo hàm của đầu ra phải cùng kiểu với đạo hàm sai số.
Dốc hóa điểm đặt
Ở cải tiến này, điểm đặt được tăng dần từ giá trị cũ tới một giá trị dự kiến mới sử dụng một hàm tuyến tính hoặc đạo hàm bậc một của hàm dốc. Để tránh sự gián đoạn xuất hiện trong một thay đổi bậc thang đơn.
Trọng hóa điểm đặt
Trọng hóa điểm đặt sử dụng các số khác nhau để nhân với sai số phụ thuộc vào các yếu tố của bộ điều khiển mà nó được dùng vào. Sai số trong khâu tích phân phải là sai số điều khiển thực để tránh sai số điều khiển ở trạng thái xác lập. Điều này tác động đến đáp ứng điểm đặt của bộ điều khiển. Các thông số này không tác động đến đáp ứng của nhiễu tải và nhiễu đo lường.
Điều khiển PID là gì? Định nghĩa của điều khiển PID
5 (100%) 1 vote

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *