- Bộ điều khiển PID và hoạt động của nó:
- Chế độ điều khiển PID:
- Phương pháp điều chỉnh cho bộ điều khiển PID:
- Cấu trúc của bộ điều khiển PID:
- Các ứng dụng của bộ điều khiển PID:
Trước khi giải thích Bộ điều khiển PID, chúng ta hãy sửa đổi về Hệ thống điều khiển. Có hai loại hệ thống; hệ thống vòng hở và hệ thống vòng đóng. Hệ thống vòng hở còn được gọi là hệ thống không được kiểm soát và hệ thống vòng đóng được gọi là hệ thống được kiểm soát. Trong hệ thống vòng hở, đầu ra không được điều khiển vì hệ thống này không có phản hồi và trong hệ thống vòng kín, đầu ra được điều khiển với sự trợ giúp của bộ điều khiển và hệ thống này yêu cầu một hoặc nhiều đường phản hồi. Hệ thống vòng lặp mở rất đơn giản nhưng không hữu ích trong các ứng dụng điều khiển công nghiệp vì hệ thống này không được kiểm soát. Hệ thống vòng lặp đóng rất phức tạp nhưng hữu ích nhất cho ứng dụng công nghiệp, vì trong hệ thống này đầu ra có thể ổn định ở một giá trị mong muốn, PID là một ví dụ của Hệ thống vòng lặp kín. Sơ đồ khối của hệ thống này được thể hiện trong hình 1 bên dưới.
Hệ thống vòng lặp đóng còn được gọi là hệ thống điều khiển phản hồi và loại hệ thống này được sử dụng để thiết kế hệ thống ổn định tự động ở đầu ra hoặc tham chiếu mong muốn. Vì lý do này, nó tạo ra một tín hiệu lỗi. Tín hiệu lỗi e (t) là hiệu giữa đầu ra y (t) và tín hiệu tham chiếu u (t) . Khi lỗi này bằng 0 có nghĩa là đạt được đầu ra mong muốn và trong điều kiện này, đầu ra giống như tín hiệu tham chiếu.
Ví dụ, máy sấy đang chạy trong một vài lần, giá trị này được đặt trước. Khi máy sấy được BẬT, bộ hẹn giờ sẽ bắt đầu và nó sẽ chạy cho đến khi bộ hẹn giờ kết thúc và cho đầu ra (vải khô). Đây là một hệ thống vòng lặp mở đơn giản, nơi đầu ra không cần điều khiển và không yêu cầu bất kỳ đường phản hồi nào. Nếu trong hệ thống này, chúng tôi đã sử dụng cảm biến độ ẩm cung cấp đường dẫn phản hồi và so sánh điều này với điểm đặt và tạo ra lỗi. Máy sấy chạy cho đến khi lỗi này bằng không. Có nghĩa là khi độ ẩm của vải bằng với điểm đặt, máy sấy sẽ ngừng hoạt động. Trong hệ thống vòng lặp mở, máy sấy sẽ chạy trong thời gian cố định bất kể quần áo khô hay ướt. Nhưng trong hệ thống vòng lặp khép kín, máy sấy sẽ không chạy trong thời gian cố định, nó sẽ chạy cho đến khi quần áo khô. Đây là lợi thế của hệ thống vòng lặp khép kín và sử dụng bộ điều khiển.
Bộ điều khiển PID và hoạt động của nó:
Vậy bộ điều khiển PID là gì? Bộ điều khiển PID được chấp nhận rộng rãi và bộ điều khiển được sử dụng phổ biến nhất trong ứng dụng công nghiệp vì bộ điều khiển PID đơn giản, cung cấp độ ổn định tốt và phản ứng nhanh. PID là viết tắt của tỷ lệ, tích phân, đạo hàm. Trong mỗi ứng dụng, hệ số của ba hành động này rất khác nhau để có được phản ứng và kiểm soát tối ưu. Đầu vào của bộ điều khiển là tín hiệu lỗi và đầu ra được cấp cho nhà máy / quy trình. Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển được tạo ra, theo cách đó, đầu ra của nhà máy cố gắng đạt được giá trị mong muốn.
Bộ điều khiển PID là một hệ thống vòng lặp Đóng có hệ thống điều khiển phản hồi và nó so sánh biến Quy trình (biến phản hồi) với điểm đặt và tạo ra tín hiệu lỗi và theo đó nó điều chỉnh đầu ra của hệ thống. Quá trình này tiếp tục cho đến khi lỗi này về 0 hoặc giá trị biến quá trình trở nên bằng điểm đặt.
Bộ điều khiển PID cho kết quả tốt hơn bộ điều khiển BẬT / TẮT. Trong bộ điều khiển ON / OFF, chỉ có hai trạng thái khả dụng để điều khiển hệ thống. Nó có thể BẬT hoặc TẮT. Nó sẽ BẬT khi giá trị quá trình nhỏ hơn điểm đặt và nó sẽ TẮT khi giá trị quá trình lớn hơn điểm đặt. Trong bộ điều khiển này, đầu ra sẽ không bao giờ ổn định, nó sẽ luôn dao động xung quanh điểm đặt. Nhưng bộ điều khiển PID ổn định và chính xác hơn so với bộ điều khiển BẬT / TẮT.
Bộ điều khiển PID là sự kết hợp của ba thuật ngữ; Tỷ lệ, Tích phân và Đạo hàm. Hãy để chúng tôi hiểu ba thuật ngữ này riêng lẻ.
Chế độ điều khiển PID:
Phản ứng theo tỷ lệ (P):
Thuật ngữ 'P' tỷ lệ với giá trị thực của lỗi. Nếu lỗi lớn, đầu ra điều khiển cũng lớn và nếu lỗi nhỏ, đầu ra điều khiển cũng nhỏ, nhưng hệ số khuếch đại (K p) là
Cũng tính đến tài khoản. Tốc độ đáp ứng cũng tỷ lệ thuận với hệ số khuếch đại tỷ lệ (K p). Vì vậy, tốc độ phản ứng được tăng lên bằng cách tăng giá trị của K p nhưng nếu K p tăng quá mức bình thường, biến quá trình bắt đầu dao động với tốc độ cao và làm cho hệ thống không ổn định.
y (t) ∝ e (t) y (t) = k i * e (t)
Ở đây, sai số kết quả được nhân với hệ số khuếch đại tỷ lệ (hằng số tỷ lệ) như thể hiện trong phương trình trên. Nếu chỉ sử dụng bộ điều khiển P, tại thời điểm đó, nó yêu cầu thiết lập lại bằng tay vì nó duy trì lỗi trạng thái ổn định (bù đắp).
Phản hồi tích phân (I):
Bộ điều khiển tích phân thường được sử dụng để giảm lỗi trạng thái ổn định. Thuật ngữ 'I' được tích hợp (theo thời gian) với giá trị thực của lỗi . Bởi vì tích phân, giá trị sai số rất nhỏ, kết quả là phản ứng tích phân rất cao. Hành động của bộ điều khiển tích phân tiếp tục thay đổi cho đến khi lỗi trở thành 0.
y (t) ∝ ∫ e (t) y (t) = k i ∫ e (t)
Tích phân tỷ lệ nghịch với tốc độ phản ứng, tăng k i, giảm tốc độ phản hồi. Bộ điều khiển tỷ lệ và tích phân được sử dụng kết hợp (bộ điều khiển PI) để có tốc độ phản hồi tốt và đáp ứng trạng thái ổn định.
Phản ứng phái sinh (D):
Bộ điều khiển phái sinh được sử dụng để kết hợp với PD hoặc PID. Nó không bao giờ được sử dụng một mình, bởi vì nếu lỗi là không đổi (khác 0), đầu ra của bộ điều khiển sẽ bằng không. Trong tình huống này, bộ điều khiển hoạt động không có lỗi, nhưng thực tế có một số lỗi (không đổi). Đầu ra của bộ điều khiển đạo hàm tỷ lệ thuận với tốc độ thay đổi của sai số theo thời gian như trong phương trình. Bằng cách loại bỏ dấu của tỷ lệ, chúng tôi nhận được đạo hàm hằng số (k d). Nói chung, bộ điều khiển phái sinh được sử dụng khi các biến bộ xử lý bắt đầu dao động hoặc thay đổi với tốc độ rất cao. D-controller cũng được sử dụng để dự đoán các hành vi trong tương lai của lỗi bằng đường cong lỗi. Phương trình toán học như hình dưới đây;
y (t) ∝ de (t) / dt y (t) = K d * de (t) / dt
Bộ điều khiển tỷ lệ và tích phân:
Đây là sự kết hợp của bộ điều khiển P và I. Đầu ra của bộ điều khiển là tổng hợp của cả hai phản hồi (tỷ lệ và tích phân). Phương trình toán học được hiển thị trong bên dưới;
y (t) ∝ (e (t) + ∫ e (t) dt) y (t) = k p * e (t) + k i ∫ e (t) dt
Bộ điều khiển tỷ lệ và đạo hàm: Đây là sự kết hợp của bộ điều khiển P và D. Đầu ra của bộ điều khiển là tổng hợp các phản hồi tỷ lệ và dẫn xuất. Phương trình toán học của bộ điều khiển PD như hình dưới đây;
y (t) ∝ (e (t) + de (t) / dt) y (t) = k p * e (t) + k d * de (t) / dt
Bộ điều khiển tỷ lệ, tích phân và đạo hàm: Đây là sự kết hợp của bộ điều khiển P, I và D. Đầu ra của bộ điều khiển là tổng các phản hồi tỷ lệ, tích phân và đạo hàm. Phương trình toán học của bộ điều khiển PD như hình dưới đây;
y (t) ∝ (e (t) + ∫ e (t) dt + de (t) / dt) y (t) = k p * e (t) + k i ∫ e (t) dt + k d * de (t) / dt
Do đó, bằng cách kết hợp đáp ứng điều khiển tỷ lệ, tích phân và đạo hàm này, tạo thành bộ điều khiển PID.
Phương pháp điều chỉnh cho bộ điều khiển PID:
Để có đầu ra mong muốn, bộ điều khiển này phải được điều chỉnh đúng cách. Quá trình nhận phản hồi lý tưởng từ bộ điều khiển PID bằng cách cài đặt PID được gọi là điều chỉnh bộ điều khiển. Cài đặt PID có nghĩa là đặt giá trị tối ưu của độ lợi của phản ứng tỷ lệ (k p), đạo hàm (k d) và tích phân (k i). Bộ điều khiển PID được điều chỉnh để loại bỏ nhiễu có nghĩa là ở lại một điểm đặt nhất định và theo dõi lệnh, có nghĩa là nếu điểm đặt thay đổi, đầu ra của bộ điều khiển sẽ tuân theo điểm đặt mới. Nếu bộ điều khiển được điều chỉnh đúng cách, đầu ra của bộ điều khiển sẽ tuân theo điểm đặt thay đổi, với ít dao động hơn và ít giảm chấn hơn.
Có một số phương pháp để điều chỉnh bộ điều khiển PID và nhận được phản hồi mong muốn. Phương pháp điều chỉnh bộ điều khiển như dưới đây;
- Phương pháp thử và sai
- Quy trình kỹ thuật đường cong phản ứng
- Phương pháp Ziegler-Nichols
- Phương pháp chuyển tiếp
- Sử dụng phần mềm
1. Phương pháp thử và sai:
Phương pháp thử và sai còn được gọi là phương pháp điều chỉnh thủ công và phương pháp này là phương pháp đơn giản nhất. Trong phương pháp này, đầu tiên tăng giá trị của kp cho đến khi hệ thống đạt đến đáp ứng dao động nhưng hệ thống không được làm mất ổn định và giữ giá trị của kd và ki bằng không. Sau đó, đặt giá trị ki sao cho dao động của hệ dừng lại. Sau đó, thiết lập giá trị của kd để phản hồi nhanh.
2. Kỹ thuật đường cong phản ứng quy trình:
Phương pháp này còn được gọi là phương pháp điều chỉnh Cohen-Coon. Trong phương pháp này, đầu tiên tạo ra một đường cong phản ứng của quá trình để đáp ứng với sự xáo trộn. Bằng đường cong này, chúng ta có thể tính toán giá trị của độ lợi bộ điều khiển, thời gian tích phân và thời gian đạo hàm. Đường cong này được xác định bằng cách thực hiện thủ công trong kiểm tra bước vòng lặp mở của quy trình. Tham số mô hình có thể được tìm thấy bằng nhiễu phần trăm bước ban đầu. Từ đường cong này, chúng ta phải tìm ra thời gian dốc, thời gian chết và thời gian tăng của đường cong không là gì khác ngoài giá trị của kp, ki và kd.
3. Phương pháp Zeigler-Nichols:
Trong phương thức này, đầu tiên cũng đặt giá trị của ki và kd bằng không. Độ lợi tỷ lệ (kp) được tăng lên cho đến khi nó đạt đến độ lợi cuối cùng (ku). độ lợi cuối cùng là không có gì nhưng nó là độ lợi mà tại đó đầu ra của vòng lặp bắt đầu dao động. Ku này và chu kỳ dao động Tu được sử dụng để tính độ lợi của bộ điều khiển PID từ bảng dưới đây.
|
Loại bộ điều khiển |
kp |
k tôi |
kd |
|
P |
0,5 k u |
|
|
|
số Pi |
0,45 k u |
0,54 k u / T u |
|
|
PID |
0,60 k u |
1,2 k u / T u |
3 k u T u / 40 |
4. Phương pháp chuyển tiếp:
Phương pháp này còn được gọi là phương pháp Astrom-Hugglund. Ở đây đầu ra được chuyển đổi giữa hai giá trị của biến điều khiển nhưng các giá trị này được chọn theo cách mà quá trình phải vượt qua điểm đặt. Khi biến quá trình nhỏ hơn điểm đặt, đầu ra điều khiển được đặt thành giá trị cao hơn. Khi giá trị quá trình lớn hơn điểm đặt, đầu ra điều khiển được đặt thành giá trị thấp hơn và dạng sóng đầu ra được hình thành. Chu kỳ và biên độ của dạng sóng dao động này được đo và được sử dụng để xác định độ lợi cuối cùng ku và chu kỳ Tu được sử dụng trong phương pháp trên.
5. Sử dụng phần mềm:
Để điều chỉnh PID và tối ưu hóa vòng lặp, các gói phần mềm có sẵn. Các gói phần mềm này thu thập dữ liệu và tạo ra một mô hình toán học của hệ thống. Bằng mô hình này, phần mềm tìm thấy một tham số điều chỉnh tối ưu từ các thay đổi tham chiếu.
Cấu trúc của bộ điều khiển PID:
Bộ điều khiển PID được thiết kế dựa trên công nghệ vi xử lý. Các nhà sản xuất khác nhau sử dụng cấu trúc và phương trình PID khác nhau. Các phương trình PID được sử dụng phổ biến nhất là; phương trình PID song song, lý tưởng và chuỗi.
Trong phương trình PID song song, các hành động tỷ lệ, tích phân và đạo hàm hoạt động riêng biệt với nhau và tác động kết hợp của ba hành động này được tác động trong hệ thống. Sơ đồ khối của loại PID này như hình dưới đây;
Trong phương trình PID lý tưởng, hằng số khuếch đại k p được phân phối cho tất cả các số hạng. Vì vậy, những thay đổi trong k p ảnh hưởng đến tất cả các số hạng khác trong phương trình.
Trong phương trình PID chuỗi, hằng số khuếch đại k p được phân phối cho tất cả các số hạng giống như phương trình PID lý tưởng, nhưng trong phương trình này, hằng số tích phân và đạo hàm có ảnh hưởng đến hành động tỷ lệ.
Các ứng dụng của bộ điều khiển PID:
Kiểm soát nhiệt độ:
Chúng ta hãy lấy một ví dụ về AC (máy lạnh) của bất kỳ nhà máy / quy trình nào. Điểm đặt là nhiệt độ (20 C) và nhiệt độ đo được hiện tại bằng cảm biến là 28 C. Mục đích của chúng tôi là chạy AC ở nhiệt độ mong muốn (20 C). Bây giờ, bộ điều khiển AC, tạo ra tín hiệu theo sai số (8 ͦ C) và tín hiệu này được cấp cho AC. Theo tín hiệu này, đầu ra của AC được thay đổi và nhiệt độ giảm xuống 25 ° C. Quá trình tương tự sẽ lặp lại cho đến khi cảm biến nhiệt độ đo được nhiệt độ mong muốn. Khi lỗi bằng 0, bộ điều khiển sẽ đưa ra lệnh dừng cho AC và một lần nữa nhiệt độ sẽ tăng lên đến giá trị nhất định và một lần nữa lỗi sẽ phát sinh và cùng một quá trình lặp lại liên tục.
Thiết kế bộ điều khiển sạc MPPT (Theo dõi điểm công suất tối đa) cho điện mặt trời:
Đặc tính IV của tế bào PV phụ thuộc vào nhiệt độ và mức độ bức xạ. Vì vậy, điện áp hoạt động và dòng điện sẽ thay đổi liên tục theo sự thay đổi của điều kiện khí quyển. Do đó, việc theo dõi điểm công suất tối đa để có một hệ thống PV hiệu quả là rất quan trọng. Để tìm MPPT, bộ điều khiển PID được sử dụng và điểm đặt dòng và điện áp đó được cấp cho bộ điều khiển. Nếu điều kiện khí quyển thay đổi, trình theo dõi này sẽ giữ điện áp và dòng điện không đổi.
Bộ chuyển đổi điện tử công suất:
Bộ điều khiển PID hữu ích nhất trong ứng dụng điện tử công suất như bộ chuyển đổi. Nếu một bộ chuyển đổi được kết nối với hệ thống, theo sự thay đổi của tải, đầu ra của bộ chuyển đổi phải thay đổi. Ví dụ, một biến tần được kết nối với tải, nếu tải tăng nhiều hơn dòng điện sẽ chạy từ biến tần. Vì vậy, thông số điện áp và dòng điện không cố định, nó sẽ thay đổi theo yêu cầu. Trong điều kiện này, bộ điều khiển PID được sử dụng để tạo xung PWM để chuyển đổi IGBT của biến tần. Theo sự thay đổi của tải, tín hiệu phản hồi được đưa đến bộ điều khiển và nó sẽ tạo ra lỗi. Xung PWM được tạo ra theo tín hiệu lỗi. Vì vậy, trong điều kiện này, chúng ta có thể nhận được đầu vào thay đổi và đầu ra biến đổi với cùng một biến tần.