Hiệu chỉnh PID một cách đơn giản

Qua kinh nghiệm từ bản thân, các đồng nghiệp cũng như tiếp xúc với các sinh viên tự động hoá năm cuối thực tập tại công ty, tôi nhận thấy rằng hầu hết mọi người khi mới ra trường thì nói đến điều chỉnh là nói đến tổng hợp PID, nói đến các tiêu chuẩn ổn định, nhưng khi bắt tay vào thực tế thì không thể xây dựng được mô hình toán học của đối tượng. Tuy nhiên, khi áp dụng các mô hình toán học đã được nghiên cứu kỹ lưỡng đăng tải trên báo cũng gặp phải khó khăn do có rất nhiều điều kiện và thông số trong đó được lựa chọn chủ quan.

Đối với các nhà máy sản xuất hiện đại được xây dựng gần đây thì không có nhà tích hợp nào đủ thời gian và công sức để có thể xây dựng mô hình toán học tính toán các thông số PID. Khi các hệ thống được xây dựng mới người ta sẽ đặt thông số theo các hệ thống tương tự đã biết và hiệu chỉnh cho phù hợp với yêu cầu vận hành. Nếu không có kinh nghiệm thì có thể sử dụng phương pháp thử sai. Chỉnh định các thông số PID như vậy thường không phải do các kỹ sư điện mà thường do các kỹ sư phụ trách quá trình sản xuất hoặc kỹ sư vận hành thực hiện.

Bài viết này mong được góp một ít kiến thức về PID nhằm giúp các sinh viên Tự động hoá sắp ra trường, cũng như các kỹ sư chuyên ngành đang đảm trách quá trình sản xuất hoặc vận hành có cái nhìn đơn giản và thực tế hoá về điều chỉnh PID.

1. Định nghĩa đơn giản về PID

1.1 Điều chỉnh tỷ lệ (P) là gì:

Điều chỉnh tỷ lệ là phương pháp điều chỉnh tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỷ lệ với sai lệch đầu vào.

1.2 Điều chỉnh tích phân (I) là gì:

Phương pháp điều chỉnh tỷ lệ để lại một độ lệch (offset)sau điều chỉnh rất lớn. Để khắc phục ta sử dụng kết hợp điều chỉnh tỷ lệ với điều chỉnh tích phân. Điều chỉnh tích phân là phương pháp điều chỉnh tạo ra tín hiệu điều chỉnh sao cho độ lệch giảm tới O.

1.3 Điều chỉnh vi phân( D):

Khi hằng số thời gian hoặc thời gian chết của hệ thống rất lớn điều chỉnh theo P hoặc PI có đáp ứng quá chậm thì ta sử dụng kết hợp với điều chỉnh vi phân. Điều chỉnh vi phân tạo ra tín hiệu điều chỉnh sao cho tỷ lệ với tốc độ thay đổi sai lệch đầu vào.

2. Thực tế về các bộ điều chỉnh PID.

Hiện nay hầu hết các bộ điều chỉnh mới sản xuất có chức năng tự động xác định tham số PID. Chức năng tự động này làm việc rất tốt với các hệ thống điều chỉnh nhiệt độ và tốc độ động cơ. Các hệ thống lớn không có chức năng tự đông xác định thông số nhưng được trang bị hệ thống vẽ đồ thị tín hiệu đo được của biến quá trình (proces value- PV) và biến đầu ra của bộ điều khiển (manipulated value-MV). Ta có thể dễ dàng nhìn được dạng PV và đo được chu kỳ dao động cũng như độ lệch. Mỗi mạch vòng thường có thể đặt thông số trực tiếp trên giao diện người và máy hoặc dùng máy tính lập trình can thiệp. Tuỳ theo nhà sản xuất mà số lượng, tên gọi các thông số có thể khác nhau. Có ba thông số cơ bản mà hầu hết các bộ điều chỉnh đều giống nhau là ba thông số PID.

3. Hiệu chỉnh theo phương pháp thử sai của Thomas Chen công ty FOXBORO

Ba thông số quan trọng nhất là PID được thể hiện như sau:

P: trong lý thuyết thường thể hiện bằng hệ số tỷ lệ nhưng ngày nay trong hầu hết các hệ thống người ta không sử dụng hệ số tỷ lệ K mà dùng một thông số khác gọi là dải tỷ lệ (proportional band - P band). ý nghĩa của dải tỷ lệ như sau: P band ="20%" thì với sự thay đổi 20 % giá trị đầu vào bộ điều khiển sẽ gây ra sự thay đổi 100% tin hiệu đầu ra, với P band ="500%" thì với sự thay đổi tín hiệu đo 100 % thì tín hiệu đầu ra chỉ thay đổi có 20%. Quan hệ giữa hệ số tỷ lệ và dải tỷ lệ:

K= 100/ % P band

I: Được thể hiện theo đơn vị đo thời gian là giây. Thời gian càng nhỏ thể hiện tác động điều chỉnh tích phân càng mạnh, ứng với độ lệch càng bé.

D: Cũng được thể hiện theo đơn vị đo thời gian là giây. Thời gian càng lớn thì điều chỉnh vi phân càng mạnh, ứng với bộ điều chỉnh đáp ứng với thay đổi đầu vào càng nhanh.

Rất ít các mạch điều chỉnh yêu cầu sử dụng điều chỉnh D. Hầu hết mạch điều chỉnh PI đủ đáp ứng yêu cầu điều chỉnh. Sau đây là phương pháp xác định thông số PI.

Bước 1:

Đặt thời gian tích phân cực đại, thời gian vi phân cực tiểu. Khi đó hệ thống chỉ điều khiển tỉ lệ. Sau đó giảm dải tỉ lệ cho đến khi dao động xuất hiện. đo chu kì của dao động.

(khoảng thời gian giữa hai điểm cực đại hoặc cực tiểu của dao động. Ta gọi thời gian này là chu kỳ tự nhiên)

Bước 2:

Đặt thời gian tích phân bằng chu kỳ tự nhiên. Quan sát chu kỳ dao động mới , nó sẽ tăng thêm khoảng 40~43% của chu kỳ tự nhiên. Nếu chu kỳ dao động lớn hơn mức trên thì cần tăng thời gian tích phân.

Bước 3: Cuối cùng ta điều chỉnh dải tỷ lệ sao cho độ lệch và thời gian đạt đến ổn định phù hợp với yêu cầu. Nguyên tắc điều chỉnh như sau dải tỷ lệ càng lớn thì độ lệch điều chỉnh càng lớn, thời gian đạt đến ổn định càng ngắn, dải tỷ lệ càng nhỏ thì độ lệch càng nhỏ, thời gian đạt đến ổn định càng dài.

Mặc dù không có điều kiện thủ nghiệm nhiều cũng như tổng kết kết quả thực nghiệm nhưng phương pháp trên thực sự giúp chúng tôi có được định hướng khi hiệu chỉnh các thông số.