PID là gì?

PID tên đây đủ là bộ điều khiển PID (Proportional – Integral – Derivative controller), hay còn gọi là bộ điều khiển ba thành phần, là một cơ chế vòng lặp phản hồi, thường được sử dụng để quản lý máy móc và quy trình đòi hỏi kiểm soát liên tục và tự động điều chỉnh. Bộ PID thường áp dụng trong các hệ thống điều khiển công nghiệp và nhiều ứng dụng khác, nơi cần điều chỉnh liên tục mà không cần can thiệp của con người.

Nguyên lý hoạt động: Bộ PID so sánh giá trị mục tiêu (setpoint – SP) với giá trị thực tế của hệ thống (process variable – PV). Sai lệch giữa hai giá trị này được gọi là giá trị lỗi, ký hiệu là e(t).

Vòng lặp điều khiển PID

Xét một cánh tay robot có thể di chuyển và định vị thông qua vòng lặp điều khiển. Một động cơ điện có thể nâng hoặc hạ cánh tay tùy thuộc vào công suất cấp xuôi hoặc ngược, nhưng công suất này không thể chỉ là một hàm đơn thuần của vị trí do quán tính của cánh tay, lực trọng trường và các lực bên ngoài như tải nâng hoặc công việc trên vật thể ngoài.

Các thành phần trong vòng lặp:

• (PV) – Biến quá trình: Vị trí cảm biến của cánh tay robot, tức giá trị thực tế của hệ thống.
• (SP) – Giá trị đặt: Vị trí mong muốn của cánh tay.
• Error (e) – Sai số: Hiệu số giữa PV và SP, xác định cánh tay quá cao hay quá thấp và mức độ chênh lệch.
• (MV) hoặc (CV) – Biến thao tác hoặc Biến điều khiển: Dòng điện cấp cho động cơ, là đầu ra từ bộ điều khiển PID để điều chỉnh quá trình.

Nguyên lý hoạt động: Bộ PID liên tục tính toán và điều chỉnh dòng điện MV để cánh tay robot di chuyển mượt mà. Bằng cách đo PV và so sánh với SP, xác định sai số e, bộ điều khiển sẽ tính toán lượng dòng điện cần cung cấp để đạt vị trí mục tiêu.

Điều khiển tỷ lệ

Phương pháp rõ ràng nhất là điều khiển tỷ lệ : dòng điện cấp cho động cơ được thiết lập tỷ lệ thuận với sai số hiện tại (error).

Tuy nhiên, phương pháp này có hạn chế. Ví dụ, nếu cánh tay robot phải nâng các trọng lượng khác nhau: trọng lượng lớn cần lực mạnh hơn để đạt cùng một sai số khi hạ xuống, nhưng lại cần lực nhỏ hơn nếu sai số thấp khi nâng lên.

Chính trong trường hợp này, các thành phần tích phân (Integral – I) và đạo hàm (Derivative – D) mới phát huy vai trò của chúng.

Thành phần tích phân

Thành phần tích phân (Integral) tăng cường hành động điều khiển không chỉ dựa trên sai số (error) mà còn dựa trên thời gian sai số tồn tại.

Điều này có nghĩa là nếu lực tác động chưa đủ để đưa sai số về 0, lực này sẽ được tăng dần theo thời gian.

Một bộ điều khiển chỉ có thành phần I thuần túy có thể đưa sai số về 0, nhưng sẽ có hai đặc điểm:

• Phản ứng yếu ban đầu: vì hành động còn nhỏ lúc bắt đầu, cần thời gian để trở nên đáng kể.
• Phản ứng mạnh về sau: hành động tăng dần miễn là sai số còn dương, ngay cả khi sai số gần bằng 0.

Thành phần đạo hàm

Thành phần đạo hàm không xem xét độ lớn của sai số (tức là không thể đưa sai số về 0: một bộ điều khiển chỉ có thành phần D thuần túy không thể đưa hệ thống về điểm đặt – setpoint), mà dựa vào tốc độ thay đổi của sai số, cố gắng đưa tốc độ thay đổi này về 0.

Mục tiêu của thành phần D là:

• Làm phẳng quỹ đạo sai số thành một đường ngang.
• Giảm dao động và lực tác động quá mức, từ đó giảm hiện tượng vượt quá giá trị mục tiêu khi lực tác động quá lớn.

Điều khiển lực giảm chấn

Để đạt được vị trí mục tiêu (SP) một cách kịp thời và chính xác, hệ thống điều khiển cần được giảm chấn tới mức tới hạn (critically damped).

Một hệ thống điều khiển vị trí được tinh chỉnh tốt sẽ áp dụng dòng điện thích hợp tới động cơ được điều khiển, sao cho cánh tay robot đẩy và kéo theo nhu cầu, nhằm chống lại các lực bên ngoài cố gắng làm lệch cánh tay khỏi vị trí yêu cầu.

Setpoint có thể được tạo ra bởi một hệ thống bên ngoài, chẳng hạn như PLC hoặc máy tính, nên thường xuyên thay đổi tùy theo công việc mà cánh tay robot cần thực hiện.

Một hệ thống PID được tinh chỉnh tốt sẽ giúp cánh tay robot đáp ứng những yêu cầu thay đổi này tối ưu nhất, phát huy tối đa khả năng của nó.

Phản ứng với nhiễu

Nếu bộ điều khiển bắt đầu từ trạng thái ổn định với lỗi bằng 0 (PV = SP), thì các thay đổi tiếp theo của bộ điều khiển sẽ là phản ứng đối với những thay đổi của các đầu vào được đo hoặc không đo tác động đến quá trình, và do đó ảnh hưởng đến giá trị quá trình (PV).

Các biến tác động lên quá trình ngoài biến điều khiển (MV) được gọi là nhiễu.

Thông thường, bộ điều khiển được sử dụng để chống lại nhiễu và thực hiện các thay đổi của setpoint. Thay đổi tải trên cánh tay robot là một nhiễu đối với quá trình điều khiển cánh tay robot.

Ứng dụng

Về lý thuyết, bộ điều khiển có thể được sử dụng để điều khiển bất kỳ quy trình nào có đầu ra đo được (PV), giá trị lý tưởng đã biết cho đầu ra đó (SP) và đầu vào cho quy trình (MV) sẽ ảnh hưởng đến PV liên quan. Bộ điều khiển được sử dụng trong công nghiệp để điều chỉnh nhiệt độ, áp suất, lực, tốc độ cấp liệu, lưu lượng, thành phần hóa học (nồng độ thành phần), trọng lượng, vị trí, tốc độ và hầu như mọi biến số khác mà phép đo có thể thực hiện được.