PID là gì? Các loại van điều khiển PID hiện nay

PID là gì? Nguyên lý hoạt động của PID như thế nào? Các loại van PID trên thị trường hiện nay?. Đây là một thuật ngữ được sử dụng nhiều trong kỹ thuật. PID thực chất là gì? Ứng dụng thực tế của PID trong công nghiệp hiện đại ngày nay ra sao? Cùng Vancongnghiepvn.net tìm hiểu về kiến thức này các bạn nhé

Tìm hiểu chung về PID

PID là gì?

PID là tên viết tắt của cụm từ Proportional-Integral-Derivative

• Proportional: Tỉ lệ
• Integral: Tích phân
• Derivative: Đạo Hàm

Hiểu một cách đơn giản nhất PID chính là một thuật toán được viết ra cho các bộ điều khiển thiết bị trong công nghiệp. Nó là một cơ chế vòng điều khiển sử dụng phản hồi trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp, điện tử, viễn thông… để có thể điều khiển các thiết bị hoạt động tự động và chính xác và tối ưu nhất trong các hệ thống công nghiệp hiện đại

Đặc điểm nổi bật của bộ điều khiển PID là khả năng sử dụng ba thuật ngữ điều khiển tỷ lệ, tích phân và đạo hàm ảnh hưởng đến đầu ra của bộ điều khiển để áp dụng điều khiển chính xác và tối ưu

Đôi khi chúng ta đang nhầm lẫn giữa PID và PLC(Program logic control) . Cần phân biệt PID và PLC trong công nghiệp nhé các bạn, bởi hai khái niệm này khác nhau đấy ạ

• PID là một loại hệ thống điều khiển hoạt động bằng cách tính toán sự khác biệt giữa giá trị quá trình (chẳng hạn như nhiệt độ của lò nung) và điểm đặt (nhiệt độ mà hệ thống nên duy trì). Sau đó, bộ điều khiển PID sẽ điều chỉnh đầu vào của quy trình (nhiệt lượng ra của lò) nhằm cố gắng giảm thiểu sai số đó.
• PLC(hoặc bộ điều khiển logic), cũng được sử dụng trong môi trường công nghiệp. Tuy nhiên, thay vì tính toán lỗi đối với điểm đặt, PLC chấp nhận đầu vào từ các cảm biến trong môi trường của chúng và sử dụng các đầu vào đó để xác định hành động cần thực hiện để duy trì các điều kiện nhất định ở các cảm biến khác

Nguyên lý hoạt động của PID

Lấy ví dụ thực tế về PID áp dụng trong công nghiệp hiện đại:

♣ Ngành sản xuất ô tô, khi lên dốc sẽ giảm tốc độ nếu áp dụng công suất động cơ không đổi. Thuật toán PID của bộ điều khiển khôi phục tốc độ đo được về tốc độ mong muốn với độ trễ và độ vọt lố tối thiểu bằng cách tăng công suất đầu ra của động cơ một cách có kiểm soát.

♣ Một ví dụ về đường ống: Các loại van điều khiển PID

Van điều khiển điện tuyến tính, sử dụng tín hiệu Analog 4-20mA để điều khiển van đóng mở. Ngoài khả năng đóng mở bình thường, bộ điều khiển tích hợp PID có thể điều khiển van mở theo góc mong muốn nhằm vào các ứng dụng điều tiết dòng chảy lưu lượng theo mong muốn của người dùng

Như vậy, PID rất quan trọng trong hầu như tất cả các ngành nghề liên quan đến tự động hóa. Càng ở cấp độ cao, tính đáp ứng chính xác của PID càng giúp cho hệ thống hoạt động và vận hành dễ dàng

Hiểu đơn giản về 3 thành phần cơ bản của PID như sau:

• Thuật ngữ P: Là thuật ngữ chỉ về tính tỉ lệ, có nghĩa là một phép toán tạo ra tín hiệu điều chỉnh tỉ lệ tính toán sai lệch so với tín hiệu tỉ lệ đầu vào. Người ta gọi nó là thuật ngữ Lỗi
• Thuật ngữ I:là tích phân của sai lệch theo thời gian lấy mẫu. Điều khiển tích phân là phương pháp điều chỉnh để tạo ra các tín hiệu điều chỉnh sao cho độ sai lệch giảm về 0. Từ đó cho ta biết tổng sai số tức thời theo thời gian hay sai số tích lũy trong quá khứ. Khi thời gian càng nhỏ thể hiện tác động điều chỉnh tích phân càng mạnh, tương ứng với độ lệch càng nhỏ.
• Thuật ngữ D: Là dạng đạo hàm biến thiên, tạo ra thuật toán dạng dự đoán, làm giảm sai số của các thuật toán và tín hiệu của đầu vào và đầu ra cho các bộ điều khiển. Hiểu nôm na rằng nó giảm thiểu tối đa nhất các lỗi sai số, cố gắng đưa các lỗi ấy về 0. Làm cho quỹ đạo sai số trở về đường nằm ngang. Trong điều khiển các thiết bị công nghiệp nó đóng vai trò giảm thiểu sai sót trong phần điều khiển, tránh hiện tượng tăng vọt của thiết bị mà không kiểm soát được đầu vào

Nguyên lý hoạt động của PID chính là điều khiển theo kiểu vòng lặp lại. Các tín hiệu sử dụng phương pháp này để tạo thành chức năng điều khiển tối ưu. Các hằng số điều chỉnh được hiển thị bên dưới là “K” và phải được lấy từ mỗi ứng dụng điều khiển, vì chúng phụ thuộc vào các đặc tính phản hồi của vòng lặp hoàn chỉnh bên ngoài bộ điều khiển. Những điều này phụ thuộc vào hoạt động của cảm biến đo lường, phần tử điều khiển cuối cùng (chẳng hạn như van điều khiển), bất kỳ độ trễ tín hiệu điều khiển nào và bản thân quá trình. Các giá trị gần đúng của hằng số thường có thể được nhập ban đầu khi biết loại ứng dụng, nhưng chúng thường được tinh chỉnh hoặc điều chỉnh bằng cách “đẩy mạnh” quy trình trong thực tế bằng cách đưa ra thay đổi điểm đặt và quan sát phản hồi của hệ thống.

Các dạng khác của PID

Hiện nay, không phải ứng dụng nào hay các thiết bị nào cũng cần tích hợp cả 3 thành phần của PID như đã nêu ở trên. Người ta có thể biến đổi bằng cách sử dụng một hoặc hai phép thuật toán biến đổi để sử dụng

• Bộ điều khiển tỉ lệ – P (Proportional Controller)
• PI ( Proportinal and Integral Controller) gọi là bộ điều khiển tỉ lệ và tích phân.
• PD (Proportional and Derivative (PD) Controller ) gọi là bộ điều khiển đạo hàm.
• PID (Proportional, Integral, and Derivative (PID) Controller) là bộ điều khiển tỉ lệ – tích phân- đạo hàm (vi phân).

Ứng dụng của PID trong công nghiệp

Ứng dụng chính của bộ điều khiển PID là điều chỉnh một vài thông số vật lý trong các hệ thống điều khiển như áp suất , giá trị lưu lượng dòng chảy, nhiệt độ và các thông số khác. Thiết bị này cũng hữu ích trong việc duy trì các thông số vật lý này ở một giá trị không đổi. Ngoài những ứng dụng này, một số ứng dụng bộ điều khiển PID khác là:

• Sử dụng trong hệ thống van điều khiển PID tự động: Van điều khiển điện tuyến tính, van điều khiển khí nén tuyến tính
• Sử dụng cho các ứng dụng điều khiển cấp cao: Rô bốt tự động, hệ thống sản xuất tự động, dây chuyền sản xuất tự động…
• Sử dụng trong các thiết bị chuyển đổi năng lượng
• Để duy trì độ ẩm và nhiệt độ ở các khu vực khác nhau, các bộ điều khiển PID này được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau như dược phẩm, nghiên cứu, hóa học và kỹ thuật.

Ưu điểm và nhược điểm của bộ điều khiển PID

Ưu điểm của bộ điều khiển PID

• Đây là những thiết bị công nghệ cao, hoạt động an toàn và tự động.
• Cung cấp khả năng đáp ứng cao.
• Tính chính xác, tựu động hóa cao
• Không quá phức tạp trong điều chỉnh và chức năng của thiết bị.
• Các thiết bị PID mang lại lợi ích lớn, giúp doanh nghiệp sử dụng đạt được hiệu quả cao từ đó tăng năng suất làm việc, mang lại lợi ích kinh tế cao
• Người ta có thể thu được các giá trị chính xác của điểm đặt để có thể duy trì các giá trị áp suất và nhiệt độ chính xác.

Nhược điểm của bộ điều khiển PID

• Các thiết bị này rất dễ bị nhiễu do sử dụng tín hiệu điều khiển
• Việc điều chỉnh thiết bị thường xuyên sẽ làm giảm tuổi thọ và khả năng hoạt động của thiết bị.
• Dễ dàng cho thấy sự không ổn định khi nó không được điều chỉnh đúng cách. Cần phải có trình độ chuyên môn cao mới có thể điều khiển và lập trình được các dòng thiết bị tích hợp PID
• Bằng cách liên tục thay đổi tải, hiệu suất của hệ thống sẽ bị giảm.

Các loại van PID- PID Control Valve trong công nghiệp hiện nay

Các dòng van PID hiện nay trong công nghiệp đang dần trở nên phổ biến và thông dụng. Tính chính xác, cung cấp tín hiệu và đặc biệt là hoàn toàn tự động đáp ứng được mọi yêu cầu từ đơn giản đến phức tạp

Hiện nay các dòng van điều khiển PID đã xuất hiện nhiều, nhưng về cơ bản có các dòng van như sau:

Van PID điều khiển điện

Van PID điều khiển điện là gì?

Van PID điều khiển điện hay chúng ta quen gọi là dòng van điều khiển điện sử dụng bộ truyền động bằng điện, có thể sử dụng tín hiệu đóng mở van hoặc báo tín hiệu về hệ thống điều khiển trung tâm, các tủ PLC. Tín hiệu IN/OUT của van có thể sử dụng để điều khiển van hoặc điều khiển thiết bị khác. Hiện trên thị trường có các dòng van PID điều khiển điện như sau

• Van bướm điều khiển điện
• Van bi điều khiển điện
• Van cầu điều khiển điện
• Van cổng điều khiển điện

Ưu điểm của van PID điều khiển điện

♣ Van PID điều khiển điện có tích hợp tín hiệu phản hồi, thường là tín hiệu tương tự(Analog 4 -20mA) để có thể kết nối và điều khiển van. Từ hệ thống trung cấp có thể truyền thông tin đóng mở cho van

♣ Điều khiển chính xác, sử dụng đa dạng nguồn điện áp 220V, 24V, 380V

♣ Sử dụng đa dạng cho nhiều môi trường khác nhau. Thân van hoàn toàn có thể thay thế để phù hợp với lưu chất sử dụng

♣ Độ ổn định và độ bền cực cao

♣ Tăng tính tự động hóa, giảm đi nhân công vận hành van

♣ Có thể điều khiển từ xa và biết được vị trí đóng mở của van mà không cần lại gần

♣ Đóng mở vận hành chậm chống được hiện tượng tăng áp, búa nước trên đường ống

Nhược điểm của van PID điều khiển điện

♣ Giá thành tương đối cao

♣ Thời gian đóng mở van chậm hơn so với van PID điều khiển bằng khí nén

♣ Cần phải am hiểu về hệ thống điện và hệ thống tín hiệu điều khiển mới có thể đấu nối, vận hành van hiệu quả

Van PID điều khiển khí nén

Van PID điều khiển khí nén là gì?

Van PID điều khiển bằng khí nén hay còn gọi là van điều khiển bằng khí nén tuyến tính chính là các dòng van cơ sử dụng bộ truyền động khí nén đóng mở van tự động bằng khí nén, ngoài ra nó còn sử dụng bộ truyền tín hiệu(Positioner – có nhiệm vụ đóng hoặc mở, điều chỉnh lượng khí nén tương ứng với tín hiệu điều khiển vào Actuator), sử dụng tín hiệu Analog 4-20mA để điều khiển van hoạt động

Trên thị trường hiện nay có một số dòng van điều khiển khí nén như sau:

• Van bướm điều khiển bằng khí nén tuyến tính
• Van bi điều khiển khí nén tuyến tính
• Van cầu điều khiển PID bằng khí nén
• Van cổng điều khiển PID bằng khí nén

Ưu điểm của van PID điều khiển bằng khí nén

♣ Đóng mở phản hồi nhanh chóng hơn các dòng van điều khiển điện

♣ Sử dụng năng lượng sạch, an toàn và thân thiện với môi trường

♣ Các nhà máy, phân xưởng có sẵn hệ thống khí nén có thể tận dụng làm nguồn cung cấp để điều khiển van

♣ Sử dụng tín hiệu Analog 4-20mA đóng mở van chính xác

♣ An toàn, không bị chập cháy như các dòng van PID điều khiển điện

♣ Sử dụng đa dạng cho nhiều môi trường và ứng dụng khác nhau

Nhược điểm của van PID điều khiển bằng khí nén

♣ Cần phải có hệ thống khí nén để cấp khí nén sử dụng điều khiển van

♣ Các bộ phận cấu thành van phức tạp hơn so với các dòng van PID điều khiển bằng điện

♣Cần phải hiểu rõ tín hiệu Analog để thao tác vận hành van chính xác nhất

Kết luận về bài viết PID là gì?

Trên đây tôi đã khái quát cho các bạn khái niệm cơ bản về PID là gì? Cách PID vận hành như thế nào và ứng dụng của PID trong công nghiệp hiện nay ra sao. Có thể nói rằng, PID là một lĩnh vực khoa học, kỹ thuật chuyên sâu, đòi hỏi độ chính xác trong thao tác lắp đặt cũng như vận hành

Các ứng dụng của PID hiện nay vô cùng cần thiết và quan trọng trong nền công nghiệp trên toàn thế giới. Các bạn cũng đã khái quát được PID và điểm khác nhau giữa PID và PLC

Hy vọng bài viết cung cấp cho bạn đọc kiến thức cơ bản trong công nghiệp này các bạn nhé. Cảm ơn các bạn đã quan tâm và theo dõi bài viết, hẹn gặp lại ở các bài viết tiếp theo

Trân trọng và cảm ơn!