8. Nguyên lý điều khiển PID (PID Control Law)
8.4 Nguyên lý điều khiển PID và tác dụng của điều khiển PID
Trong hệ thống điều khiển tựđộng bộđiều khiển được bố trí nằm giữa bộ cảm biến và bộ chấp hành như minh họa trong Hình 1.34. Bộđiều khiểnn nhận tín hiệu phản hồi từ bộ cảm biến, so sánh với tín hiệu mong muốn và tính tín hiệu điều khiển cung cấp cho bộ chấp hành đểđiều chỉnh biến quá trình theo mong muốn. Tín hiệu mong muốn thường đuợc nhập vào bộđiều khiển bằng chiết áp (loại cũ) hoặc đuợc nhập bằng bàn phím (loại mới). Ngày nay bộđiều khiển đuợc thực hiện bằng nhiều phương pháp: có thể là máy tính, có thể là một vi điều khiển hoặc một bộđiều khiển số dùng vi xử lý bán trên thị trường. Khi sử dụng vi điều khiển, vi xử lý hoặc máy tính thường yêu cầu có ADC và DAC như
minh họa trong Hình 1.34.
Hình 1.34 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tự động
Để tính tín hiệu điều khiển, ngày nay có rất nhiều thuật toán khác nhau. Các thuật toán điều khiển có thể một trong những thuật toán sau :
Thuật toán điều khiển tắt mở (on/off) Thuật toán điều khiển PID
Thuật toán điều khiển tựđiều chỉnh (self-tuning) Thuật toán điều khiển tối ưu
DAC ADC Biến quá trình Tín hiệu mong muốn Bộđiều khiển Sai số E (V) Tín hiệu chấp hành Tín hiệu phản hồi Bộ chấp hành Quá trính Bộ cảm biến (V) Chiết áp Tín hiệu điều khiển
Thuật toán điều khiển mờ logic
Thuật toán điều khiển mạng thần kinh v.v…
Chúng ta sẽ xem xét thuật toán điều khiển PID và tác dụng của nó. PID viết tắt của Proportional Integral and Derivative : Tỷ lệ tích phân và vi phân. Thuật toán điều khiển này cũng đuợc gọi là điều khiển ba số hạng (three-term control). Bộđiều khiển PID là bộđiều khiển đơn giản nhất nhưng vẫn có tác dụng tốt nên vẫn còn đuợc sử dụng.
Lịch sử thuật điều khiển PID : Vào năm 1922, Minorsky đã giới thiệu bộ điều khiển PID để lái tầu thủy và bộ điều khiển của Minorsky có thể đuợc coi là bộ điều khiển PID đầu tiên. Trong bộ điều khiển của mình Minorsky đã xét đến ảnh hưởng phi tuyến trong hệ thống điều khiển kín (phản hồi). Thuật toán điều khiển nguyên thủy đuợc thiết kế với ba tham số cố định nưhng ngày càng đuợc phát triển thêm bằng cách ghép với các thuật toán điều chỉnh và tối ưu khác nhưđiều khiển PID phi tuyến,
điều khiển PID khuếch đại biến thiên, hoặc điều khiển PID mờ.
Trong phần này chúng ta lần lượt khảo sách tác dụng của các điều khiển tỷ lệ P, điều khiển ty lệ tích phân PI, điều khiển tỷ lệ vi phân PD và điều khiển tỷ lệ tích phân vi phân PID.
Để khảo sát tác dụng của bộđiều khiển chúng ta giả thiết rằng hệ thống điều khiển được đơn giản hóa thành hệ thống gồm quá trình và bộđiều khiển như minh họa trong Hình 1.35.
Hình 1.35 Hệ thống điều khiển đơn giản hóa