Thực đơn
Bộ_điều_khiển_PID
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.
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 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.
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 pháp | Ưu điểm | Khuyết điểm |
|---|---|---|
| Điều chỉnh thủ công | Không cần hiểu biết về toán. Phương pháp online. | Yêu cầu nhân viên có kinh nghiệm. |
| Ziegler–Nichols | Phương 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 mềm | Điều 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-Coon | xử lý các mô hình tốt. | Yêu cầu kiến thức toán học. Phương pháp offline. Chỉ tốt đối với các quá trình bậc một. |
Nếu hệ thống phải duy trì trạng thái online, một phương pháp điều chỉnh là thiết đặt giá trị đầu tiên của K i {\displaystyle K_{i}} và K d {\displaystyle K_{d}} bằng không. Tăng dần K p {\displaystyle K_{p}} cho đến khi đầu ra của vòng điều khiển dao động, sau đó K p {\displaystyle K_{p}} có thể được đặt tới xấp xỉ một nửa giá trị đó để đạp đạt được đáp ứng "1/4 giá trị suy giảm biên độ". Sau đó tăng K i {\displaystyle K_{i}} đến giá trị phù hợp sao cho đủ thời gian xử lý. Tuy nhiên, K i {\displaystyle K_{i}} quá lớn sẽ gây mất ổn định. Cuối cùng, tăng K d {\displaystyle K_{d}} , nếu cần thiết, cho đến khi vòng điều khiển nhanh có thể chấp nhận được nhanh chóng lấy lại được giá trị đặt sau khi bị nhiễu. Tuy nhiên, K d {\displaystyle K_{d}} quá lớn sẽ gây đáp ứng dư và vọt lố.Một điều chỉnh cấp tốc của vòng điều khiển PID thường hơi quá lố một ít khi tiến tới điểm đặt nhanh chóng; tuy nhiên, vài hệ thống không chấp nhận xảy ra vọt lố, trong trường hợp đó, ta cần một hệ thống vòng kín giảm lố, thiết đặt một giá trị K p {\displaystyle K_{p}} nhỏ hơn một nửa giá trị K p {\displaystyle K_{p}} gây ra dao động.
| Thông số | Thời gian khởi động | Quá độ | Thời gian xác lập | Sai số ổn định | Độ ổn định[3] |
|---|---|---|---|---|---|
| K p {\displaystyle K_{p}} | Giảm | Tăng | Thay đổi nhỏ | Giảm | Giảm cấp |
| K i {\displaystyle K_{i}} | Giảm[4] | Tăng | Tăng | Giảm đáng kể | Giảm cấp |
| K d {\displaystyle K_{d}} | Giảm ít | Giảm ít | Giảm ít | Về lý thuyết không tác động | Cải thiện nếu K d {\displaystyle K_{d}} nhỏ |
Một phương pháp điều chỉnh theo kinh nghiệm khác là phương pháp Ziegler–Nichols, được đưa ra bởi John G. Ziegler và Nathaniel B. Nichols vào những năm 1940. Giống phương pháp trên, độ lợi K i {\displaystyle K_{i}} và K d {\displaystyle K_{d}} lúc đầu được gán bằng không. Độ lợi P được tăng cho đến khi nó tiến tới độ lợi tới hạn, K u {\displaystyle K_{u}} , ở đầu ra của vòng điều khiển bắt đầu dao động. K u {\displaystyle K_{u}} và thời gian dao động P u {\displaystyle P_{u}} được dùng để gán độ lợi như sau:
| Dạng điều khiển | K p {\displaystyle K_{p}} | K i {\displaystyle K_{i}} | K d {\displaystyle K_{d}} |
|---|---|---|---|
| P | 0.50 K u {\displaystyle 0.50{K_{u}}} | - | - |
| PI | 0.45 K u {\displaystyle 0.45{K_{u}}} | 1.2 K p / P u {\displaystyle 1.2{K_{p}}/P_{u}} | - |
| PID | 0.60 K u {\displaystyle 0.60{K_{u}}} | 2 K p / P u {\displaystyle 2{K_{p}}/P_{u}} | K p P u / 8 {\displaystyle {K_{p}}{P_{u}}/8} |
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.
Thực đơn
Bộ_điều_khiển_PIDLiên quan
Tài liệu tham khảo
WikiPedia: Bộ_điều_khiển_PID