PID-ohjaimet ja PID-ohjaus ohjausjärjestelmissä

PID-ohjaus tarkoittaa proportional-integral-derivative-ohjausta. PID-ohjaus on palautemekanismi, jota käytetään ohjausjärjestelmässä. Tämäntyyppistä ohjausta kutsutaan myös kolmijaksoiseksi ohjausmekanismiksi, ja sitä toteuttaa PID-ohjaimeen. Laskemalla ja ohjaamalla kolmea parametria – prosessimuuttujan poikkeamaa halutusta asetuspisteestä vastaava osuus, integraali ja derivaatta – voimme saavuttaa erilaisia ohjaustoimintoja tietyille tehtäville.

PID-ohjaimet pidetään parhaina ohjaimina ohjausjärjestelmien perheessä. Nicholas Minorsky julkaisi teoreettisen analyysin PID-ohjaimista. PID-ohjausta varten toimintosignaali koostuu osuudesta, integraalista ja derivaatista virheen signaalista. Siksi PID-ohjaus toimintosignaali on:

Laplace-muunnos toimintosignaalista, joka sisältää PID-ohjaus, on

On olemassa joitakin ohjaustoimintoja, joita voidaan saavuttaa käyttämällä kahta parametria PID-ohjaimessa. Kaksi parametriä voi toimia pitäen kolmannen nollana. Joten PID-ohjaimeksi voi muodostua PI (proportional-integral), PD (proportional-derivative) tai jopa P tai I. Derivaattatermi D on vastuussa melun mittaamisesta, kun taas integraalitermi on tarkoitettu järjestelmän kohdearvon saavuttamiseen. Varhaisissa vuosissa PID-ohjaimeksi käytettiin mekaanista laitetta. Nämä olivat pneumaattisia ohjaimia, koska ne purkautuivat ilman paineella. Mekaaniset ohjaimet sisälsivät kevyen, levyn tai massan. Monissa monimutkaisissa sähköjärjestelmissä on varustettu PID-ohjaus silmukka. Nykypäivänä PID-ohjaimia käytetään teollisuudessa PLC (programmable logic controllers) -ohjaimissa. Proportionaalinen, derivaatta- ja integraaliparametrit voidaan ilmaista - Kp, Kd ja Ki. Kaikki nämä kolme parametria vaikuttavat suljetun silmukan ohjausjärjestelmään. Se vaikuttaa nousuaikaan, tasapainotusaikaan, ylitykseen ja myös vakioituneeseen virheeseen.

PID-ohjaus yhdistää proportional, derivaatta- ja integraalitoimintojen etuja. Keskustellaan näistä toimintoista lyhyesti.

Proportionaalinen ohjaus: Tässä ohjaustoiminnon signaali ohjausjärjestelmässä on verrannollinen virhesignaaliin. Virhesignaali on erotus viiteinputsignaalin ja palautteena saatavan inputsignaalin välillä.

Derivaatto-ohjaus: Toimintosignaali koostuu verrannollisesta virhesignaalista lisättynä virhesignaalin derivaatalla. Siksi derivaatto-ohjaustoiminnon toimintosignaali on annettu seuraavasti,

Integraalitoiminto: Integraalitoiminnon toimintosignaali koostuu verrannollisesta virhesignaalista lisättynä virhesignaalin integraalilla. Siksi integraalitoiminnon toimintosignaali on annettu seuraavasti

PID-ohjaimeilla on myös joitakin rajoituksia, vaikka ne ovatkin yksi parhaista ohjaimista ohjausjärjestelmissä. PID-ohjaus on sovellettavissa moniin ohjaustoimiin, mutta se ei toimi hyvin optimaalisessa ohjausjärjestelmässä. Pääasiallinen haittapuoli on palautuspolku. PID:lle ei ole annettu mitään prosessin mallia. Muut haittapuolit ovat, että PID on lineaarinen järjestelmä ja derivaattapuoli on herkkä melulle. Pieni määrä melua voi aiheuttaa suuren muutoksen tuloksessa.

Lause: Kunnioita alkuperäistä, hyviä artikkeleita on jaettava, jos on loukkausta, ota yhteyttä poistamaan.