Hình 3.10. Mô hình bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID (Tỉ lệ, tích phân, vi phân) đƣợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Dùng để điều khiển những quá trình phức tạp để thiết lập mô hình toán học chính xác, thƣờng là các quá trình đa biến và phi tuyến.
Điều khiển PID là một kiểu điều khiển có hồi tiếp, ngõ ra thay đổi tƣơng ứng với sự sai lệch giữa tín hiệu đầu ra so với đáp ứng mong muốn. Tùy theo mức độ thì ngƣời ta có thể chỉ áp dụng điều khiển P, điều khiển PI, điều khiển PD hoặc điều khiển PID.
Vì lò nung là một đối tƣợng có tham số biến đổi chậm, đặc tính động học của quá trình và của cảm biến nhiệt độ thƣờng chậm hơn của thiết bị chấp hành. Phép đo nhiệt độ chậm nhƣng thƣờng ít chịu ảnh hƣởng của nhiễu. Vì thế ta sẽ sử dụng luật PID để cải thiện tốc độ đáp ứng, đồng thời giúp ổn định hệ thống dễ dàng hơn
Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân đƣợc cộng lại với nhau để tính toán đầu ra của bộ điều khiển PID. Bộ điều khiển PID có dạng hàm truyền là:
56 ( ) ( ) ( ) I PID P D K U s K s K K s E s s
Trong đó các thông số điều chỉnh là:
- Độ lợi tỉ lệ KP: Giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số
càng lớn, bù khâu tỉ lệ càng lớn. Một giá gị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dấn đến quá trình mất ổn định và dao động.
- Độ lợi tích phân KI: Giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử
càng nhanh. Đổi lại là độ vọt lố càng lớn: bất kỳ sai số âm nào đƣợc tích phân trong suốt đáp ứng quá độ phải đƣợc triệt tiêu tích phân bằng sai số dƣơng trƣớc khi tiến tới trạng thái ổn định.
- Độ lợi vi phân KD: Giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhƣng lại làm chậm đáp ứng quá độ và có thể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số.
Ưu điểm :
+ Bộ điều khiển đơn giản trong tính toán các tham số điều khiển + Chi phí thiết kế không cao
+ Có khả năng áp dụng cho nhiều lớp đối tƣợng, hệ thống có thời gian trễ dài.
Nhược điểm:
+ Độ chính xác trong điều khiển không cao
+ Không có khả năng xử lí thời gian chết, trong các hệ thống nhƣ Robot, CNC
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 nhƣng đƣợc trang bị hệ thống vẽ đồ thị tín hiệu đo đƣợc của biến quá trình (proces value- PV) và biến đầu ra của bộ điều khiển (manipulated value-MV).
57
Ta có thể dễ dàng nhìn đƣợc dạng PV và đo đƣợc chu kỳ dao động cũng nhƣ độ lệch. Mỗi mạch vòng thƣờng có thể đặt thông số trực tiếp trên giao diện ngƣời và máy hoặc dùng máy tính lập trình can thiệp.
Vì lò nung là một đối tƣợng có tham số biến đổi chậm, đặc tính động học của quá trình và của cảm biến nhiệt độ thƣờng chậm hơn của thiết bị chấp hành. Phép đo nhiệt độ chậm nhƣng thƣờng ít chịu ảnh hƣởng của nhiễu. Vì thế ta sẽ sử dụng luật PID để cải thiện tốc độ đáp ứng, đồng thời giúp ổn định hệ thống dễ dàng hơn