PID 제어기 및 제어 시스템에서의 PID 제어

PID 제어는 비례-적분-미분 제어의 약자입니다. PID 제어는 제어 시스템에서 사용되는 피드백 메커니즘입니다. 이 유형의 제어는 세 가지 항목 제어라고도 불리며, PID 제어기를 통해 구현됩니다. 프로세스 변수가 원하는 설정 값으로부터 얼마나 벗어나 있는지를 계산하고 제어하기 위해 비례, 적분, 미분 세 가지 매개변수를 사용하여 특정 작업에 대한 다양한 제어 동작을 달성할 수 있습니다.

PID 제어기는 제어 시스템 가족 중 최고의 제어기로 여겨집니다. Nicholas Minorsky는 PID 제어기에 대한 이론적 분석 논문을 발표했습니다. PID 제어의 경우 작동 신호는 비례 오류 신호와 오류 신호의 미분 및 적분을 더한 것입니다. 따라서 PID 제어의 작동 신호는 다음과 같습니다:

PID 제어를 포함하는 작동 신호의 라플라스 변환은 다음과 같습니다:

PID 제어기의 두 매개변수를 사용하여 특정 제어 동작을 달성할 수 있습니다. 두 매개변수가 작동하면서 세 번째 매개변수는 0으로 유지될 수 있습니다. 따라서 PID 제어기는 때때로 PI (비례-적분), PD (비례-미분) 또는 P 또는 I가 될 수 있습니다. 미분 항 D는 노이즈 측정을 담당하며 적분 항은 시스템의 목표 값을 달성하기 위한 것입니다. 초기에는 PID 제어기가 기계 장치로 사용되었습니다. 이러한 장치는 공기로 압축된 기압식 제어기였습니다. 기계식 제어기는 스프링, 레버 또는 질량을 포함합니다. 많은 복잡한 전자 시스템에는 PID 제어 루프가 제공됩니다. 현대에는 산업용 PLC (프로그래밍 가능한 논리 제어기)에서 PID 제어기를 사용합니다. 비례, 미분, 적분 매개변수는 Kp, Kd 및 Ki로 표시됩니다. 이 세 가지 매개변수 모두 폐루프 제어 시스템에 영향을 미칩니다. 상승 시간, 정착 시간, 과도 반응 및 정상 상태 오차에도 영향을 미칩니다.

PID 제어는 비례, 미분, 적분 제어 동작의 장점을 결합합니다. 이러한 제어 동작에 대해 간략히 설명하겠습니다.

비례 제어: 여기서 제어 시스템의 제어 동작을 위한 작동 신호는 오류 신호에 비례합니다. 오류 신호는 참조 입력 신호와 입력에서 얻은 피드백 신호 간의 차이입니다.

미분 제어: 작동 신호는 비례 오류 신호와 오류 신호의 미분을 더한 것입니다. 따라서 미분 제어 동작의 작동 신호는 다음과 같습니다:

적분 제어: 적분 제어 동작의 경우 작동 신호는 비례 오류 신호와 오류 신호의 적분을 더한 것입니다. 따라서 적분 제어 동작의 작동 신호는 다음과 같습니다:

PID 제어기는 제어 동작 시스템에서 최고의 제어기 중 하나이지만 몇 가지 제한 사항이 있습니다. PID 제어는 많은 제어 동작에 적용되지만 최적 제어에서는 잘 작동하지 않습니다. 주요 단점은 피드백 경로입니다. PID는 프로세스 모델을 갖추고 있지 않습니다. 다른 단점으로는 PID가 선형 시스템이며 미분 부분이 노이즈에 민감하다는 점입니다. 작은 양의 노이즈라도 출력에 큰 변화를 초래할 수 있습니다.

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