Bộ điều khiển PID là một bộ điều khiển được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực kiểm soát công nghiệp, tên đầy đủ của nó là bộ điều khiển dẫn xuất tích phân theo tỷ lệ (bộ điều khiển dẫn xuất-tỷ lệ-tỷ lệ). Nó là bộ điều khiển tuyến tính, thông qua tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi sai (d) ba tham số của điều chỉnh, để đạt được sự kiểm soát chính xác của đầu ra hệ thống.
Đầu tiên, nguyên tắc cơ bản của bộ điều khiển PID
Kiểm soát tỷ lệ (kiểm soát P)
Kiểm soát tỷ lệ là phương pháp điều khiển cơ bản nhất trong bộ điều khiển PID. Ý tưởng cốt lõi của nó là so sánh độ lệch giữa giá trị đầu ra của hệ thống và giá trị mong muốn, sau đó điều chỉnh lượng điều khiển theo kích thước của độ lệch. Công thức kiểm soát tỷ lệ là:
u (t)=kp * e (t)
Trong đó u (t) biểu thị số lượng điều khiển, KP biểu thị hệ số tỷ lệ và E (t) biểu thị độ lệch.
Ưu điểm của kiểm soát tỷ lệ là phản ứng nhanh, nhưng nhược điểm là sự tồn tại của lỗi trạng thái ổn định, tức là khi hệ thống đạt đến trạng thái ổn định, vẫn có một số sai lệch giữa giá trị đầu ra và giá trị mong muốn.
Kiểm soát tích phân (tôi điều khiển)
Kiểm soát tích phân đã được đưa ra để loại bỏ lỗi trạng thái ổn định trong kiểm soát tỷ lệ. Ý tưởng cốt lõi của nó là tích hợp giá trị tích lũy của độ lệch theo thời gian và sau đó điều chỉnh số lượng điều khiển theo giá trị tích phân. Công thức kiểm soát tích hợp là:
u (t)=u (t -1) + ki * ∫e (t) dt
trong đó KI biểu thị hệ số tích phân và ∫e (t) dt biểu thị giá trị tích phân của độ lệch.
Ưu điểm của kiểm soát tích hợp là nó loại bỏ lỗi trạng thái ổn định, nhưng nhược điểm là nó có thể gây ra sự vượt quá và dao động trong hệ thống.
Kiểm soát vi sai (điều khiển D)
Kiểm soát khác biệt được giới thiệu để cải thiện tính ổn định và tốc độ phản hồi của hệ thống. Ý tưởng cốt lõi của nó là dự đoán xu hướng sai lệch và sau đó điều chỉnh số lượng kiểm soát theo xu hướng. Công thức kiểm soát vi sai là:
u (t)=u (t -1)) + kd * de (t)/dt
trong đó KD biểu thị hệ số vi sai và DE (T)/DT biểu thị tốc độ thay đổi của độ lệch.
Ưu điểm của kiểm soát vi sai là nó có thể cải thiện tính ổn định và tốc độ phản ứng của hệ thống, nhưng nhược điểm là nó nhạy cảm với tiếng ồn và có thể dẫn đến sự dao động về số lượng kiểm soát.
Thứ hai, phương pháp thiết kế của bộ điều khiển PID
Xác định mục tiêu kiểm soát
Trước khi thiết kế bộ điều khiển PID, trước tiên bạn cần xác định mục tiêu điều khiển, đó là, loại trạng thái nào bạn muốn đầu ra hệ thống đạt được. Mục tiêu kiểm soát có thể là lỗi trạng thái ổn định, quá mức, thời gian tăng, v.v.
Thiết lập mô hình toán học
Theo nguyên tắc làm việc của hệ thống thực tế, thiết lập một mô hình toán học. Mô hình toán học có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến. Đối với các hệ thống tuyến tính, các chức năng chuyển, không gian trạng thái và các phương pháp khác có thể được sử dụng để mô hình hóa; Đối với các hệ thống phi tuyến, mạng thần kinh, điều khiển mờ và các phương pháp khác có thể được sử dụng để mô hình hóa.
Xác định các tham số PID
Theo mục tiêu kiểm soát và mô hình toán học, xác định hệ số KP tỷ lệ, hệ số tích phân KI và hệ số vi phân KD của bộ điều khiển PID. Các phương thức điều chỉnh tham số thường được sử dụng là:
(1) Phương pháp thực nghiệm: Theo kinh nghiệm, chọn hệ số tỷ lệ phù hợp, hệ số tích phân và hệ số vi phân.
(2) Phương pháp thử và lỗi: Bằng cách liên tục điều chỉnh các tham số PID và quan sát phản ứng hệ thống, cho đến khi đạt được hiệu ứng kiểm soát thỏa đáng.
.
Xác minh mô phỏng
Sau khi xác định các tham số PID, cần thực hiện xác minh mô phỏng. Có thể thực hiện xác minh mô phỏng bằng phần mềm như MATLAB, SIMULINK, v.v. Thông qua xác minh mô phỏng, hiệu suất của bộ điều khiển PID có thể được kiểm tra xem liệu nó có đáp ứng các mục tiêu kiểm soát không.
Ứng dụng thực tế
Sau khi xác minh mô phỏng được thông qua, bộ điều khiển PID được áp dụng cho hệ thống thực tế. Trong quá trình ứng dụng thực tế, các tham số PID có thể cần được tinh chỉnh để thích ứng với những thay đổi trong điều kiện làm việc thực tế.
Thứ ba, việc áp dụng bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực kiểm soát công nghiệp do nó đơn giản, thực tế, dễ thực hiện và các đặc điểm khác. Các khu vực ứng dụng phổ biến bao gồm:
Kiểm soát nhiệt độ: chẳng hạn như nồi hơi, điều hòa không khí, lò phản ứng hóa học.
Kiểm soát dòng chảy: chẳng hạn như bơm nước, máy nén, vận chuyển đường ống.
Kiểm soát áp suất: chẳng hạn như hệ thống thủy lực, hệ thống khí nén, v.v.
Kiểm soát tốc độ: chẳng hạn như động cơ, băng tải, v.v.
Kiểm soát vị trí: chẳng hạn như robot, cần cẩu, v.v.
Kiểm soát quá trình phản ứng hóa học: chẳng hạn như lò phản ứng hóa học, bể lên men.
Thứ tư, những ưu điểm và nhược điểm của bộ điều khiển PID
Thuận lợi
(1) Cấu trúc đơn giản: Bộ điều khiển PID bao gồm tỷ lệ, tích phân, ba phần khác biệt, cấu trúc đơn giản, dễ hiểu và nhận ra.
.
(3) Phạm vi rộng của ứng dụng: Bộ điều khiển PID được áp dụng cho nhiều hệ thống tuyến tính và phi tuyến, với tính phổ quát tốt.
(4) Chi phí thực hiện thấp: Bộ điều khiển PID có chi phí thực hiện thấp và có thể được áp dụng cho các hệ thống kiểm soát công nghiệp khác nhau.
Bất lợi
(1) Nhạy cảm với nhiễu: Kiểm soát vi sai nhạy cảm với nhiễu, có thể dẫn đến sự dao động trong thể tích điều khiển.
(2) Khó khăn trong điều chỉnh tham số: Đối với các hệ thống phức tạp, việc điều chỉnh các tham số PID có thể khó khăn, đòi hỏi nhiều thử nghiệm và điều chỉnh.
(3) Không có khả năng đối phó với các hệ thống phi tuyến: Đối với các hệ thống phi tuyến, hiệu suất của bộ điều khiển PID không thể đối phó với các hệ thống phi tuyến.