Trong các bộ điều khiển nhiệt ta thường thấy 2 chế độ điều khiển là điều khiển ON/OFF và điều khiển PID. Ngoài ra còn có thêm 1 số chế độ khác (Thực chất cũng là PID nhưng có 1 thành phần bị lược bỏ, ví dụ như chế độ điều khiển Tỉ lệ P hay PI, PD).
Nhằm giúp người sử dụng có thể hiểu rõ hơn về các chế độ điều khiển này, bài viết sau xin đưa ra một số mô tả, giải thích vè chế độ ON/OFF và PID.

1. Chế độ điều khiển ON/OFF
Có thể dễ dàng nhận thấy đây là chế độ điều khiển đơn giản nhất, được sử dụng từ khá lâu và hiện nay vẫn còn được ứng dụng khá nhiều trong các ngành khác nhau.
Ưu điểm của chế độ này là điều khiển đơn giản, dễ hiểu. Tuy nhiên nó lại có nhược điểm là độ chính xác ko cao, độ quá nhiệt lớn gây tổn thất năng lượng.
Về nguyên lí hoạt động của chế độ ON/OFF thì khá đơn giản: bộ điều khiển sẽ tác động đầu ra nếu nhiệt độ môi trường đo vượt qua giá trị đặt (Có thể tác động khi nằm trong phạm vi dải trễ mà chưa cần tới giá trị đặt-nếu như người dùng có cài đặt dải trễ). Và thông thường thì chế độ ON/OFF sẽ tương ứng với loại đầu ra điều khiển là dạng Role.

Với những đặc điểm như trên thì chế độ điều khiển ON/OFF thường được ứng dụng trong những hệ thống điều khiển nhiệt quy mô lớn, cho phép độ quá nhiệt cao và ít có sự thay đổi nhiệt độ; ví dụ như: hệ điều khiển lò nhiệt, tủ lạnh, quạt…
Sau đây là clip thí nghiệm mô tả hoạt động của chế độ đk ON/OFF:
Điều khiển ON/OFF phần 1

Điều khiển ON/OFF phần 2

2. Chế độ điều khiển PID
PID-Proportional Integral Derivative (bộ điều khiển tỉ lệ vi tích phân ) là 1 thuật ngữ để chỉ cơ chế điều khiển vòng phản hồi. Quý khách có thể tìm hiểu chi tiết về cơ chế này tại trang web http://vi.wikipedia.org/wiki/B%E1%BB%99_%C4%91i%E1%BB%81u_khi%E1%BB%83n_PID
Trong khuôn khổ bài viết này chỉ rút ra những nội dung quan trọng nhất của chế độ PID khi sử dụng trong thực tế sản xuất.
- Ưu điểm: điều khiển với độ chính xác cao, tiết kiệm năng lượng tối đa, đảm bảo sự ổn định của hệ thống.
- Nhược điểm: thuật toán điều khiển phức tạp, đòi hỏi người sử dụng có trình độ và kinh nghiệm.
Khi sử dụng chế độ điều khiển PID thì loại đầu ra điều khiển tối ưu là Role bán dẫn SSR. Không nên sử dụng role thường vì nó dễ xảy ra các sự cố ngoài ý muốn như: đánh tia lửa điện, kẹt tiếp điểm, tuổi thọ các thiết bị giảm…
- Phạm vi ứng dụng: có thể nói ngày nay PID đã xâm nhập vào hầu hết các ứng dụng điều khiển (ko chỉ nhiệt độ mà còn nhiều lĩnh vực khác). Tuy nhiên nõ vẫn được ưu tiên hơn cả khi hệ thống yêu cầu độ chính xác cao, khoảng thay đổi nhiệt cho phép nhỏ.
Thông thường khi sử dụng bộ điều khiển nhiệt có chế độ điều khiển PID thì luôn có kèm theo chức năng Tự động điều chỉnh (Auto Tuning). Chức năng này sẽ tự động điều chỉnh các tham số P, I và D sao cho hệ thống đạt hiệu năng cao nhất. Tuy nhiên, trong 1 số trường hợp thì người sử dụng vẫn phải điều khiển bằng tay (Manual) các tham số này.

+ Tham số P (hệ số tỉ lệ): nếu đặt giá trị này càng cao thì tốc độ đáp ứng (đạt tới giá trị nhiệt mong muốn) càng nhanh. Tuy nhiên nó cũng làm cho độ quá nhiệt nhiều hơn (đồng nghĩa với việc độ chính xác giảm đi và tổn hao năng lượng tăng lên). Nếu giá trị này quá lớn thì hệ quả là hệ thống sẽ mất ổn định.



 
                                         Khi tăng hệ số P                                                                                         Khi giảm hệ số P

+ Tham số I (Tích phân): Nếu đặt giá trị này càng cao thì quá trình loại trừ sai số do tham số P gây ra (tức là đưa về giá trị nhiệt yêu cầu) càng nhanh. Tuy vậy nó cũng gây ra hiện tượng quá độ càng lớn. Ví dụ:
- Nhiệt độ đặt là 100^oC. Nhiệt độ bất dầu tăng từ nhiệt độ phòng 28^oC
- Sai số do tham số P gây ra trong chu kì đầu tiên là 10^oC. Tức là nhiệt độ đỉnh đạt 110^oC.
Nếu đặt giá trị tích phân là I₁ thì sau thời gian t₁ ta sẽ có nhiệt độ là 100. Tuy nhiên sau đó nhiệt tiếp tục giảm xuống nhiệt độ T₁ (giả sử chỉ còn 94^oC).
Nếu đặt giá trị tích phân là I₂1 thì sau thời gian t₂>t₁ nhiệt độ mới đạt dến 100^oC. Sau đó nó giảm đến nhiệt độ T₂ (khi đó 100>T₂>T₁, giả sử là 97^oC).



                                 Khi tăng hệ số I                                                                                          Khi giảm hệ số I

+ Tham số D (Vi phân): giá trị này càng cao thì càng làm giảm sự quá độ do tham số I gây ra. Đồng thời nó cũng làm cho quá trình đáp ứng bị chậm đi. Nếu quá lớn sẽ gây ra sự mất ổn định hệ thống.


 

                            Khi tăng hệ số D                                                                                                  Khi giảm hệ số D

Nếu điều khiển PID bằng tay thì có 1 phương pháp như sau có thể giúp cho người dùng nhanh chóng cài đặt được các tham số 1 cách tối ưu nhất:
( Đây chỉ là phương pháp mang tính chất tham khảo)
+ Bước 1: Đặt các hệ số I và D bằng 0.
+ Bước 2: Tăng dần hệ số P cho đến khi đầu ra vòng điều khiển dao động. Sau đó có thể đặt giá trị P bằng 1 nửa giá trị đó.
+ Bước 3: tăng dần hệ số Tích phân I cho đến khi đủ thời gian để khử sai số. Chú ý ko nên tăng I quá lớn.
+ Bước 4: Tăng dần giá trị D đến khi thời gian đáp ứng đủ nhanh theo yêu cầu.

Dưới đây là 1 số trường hợp mà người dùng nên điều khiển PID thủ công thay vì để Tự động điều chỉnh:
- Quá trình điều khiển đòi hỏi tốc độ hồi đáp cao như: điều khiển lưu lượng hay áp suất…
- Quá trình vận hành với tải quá lớn.
- Quá trình điều khiển mà giá trị đặt SV thường xuyên phải thay đổi

Video thí nghiệm mô tả hoạt động của chế độ điều khiển PID:
Phần 1

Phần 2

Phần 3

Phần 4

Video thí nghiệm mô tả hoạt động của chế độ điều khiển tỉ lệ P:
 Phần 1

Phần 2