Banyak proses perindustrian adalah tidak linear dan dengan
itu merumitkan untuk diselesaikan secara matematik. Walau bagaimanapun,
diketahui bahawa banyak proses tak linear yang baik boleh dikawal dengan
memuaskan menggunakan pengawal PID dengan syarat parameter pengawal ditala
dengan baik.
Pengalaman praktikal menunjukkan bahawa jenis kawalan ini
mempunyai banyak kegunaan dan versatile kerana ia mudah dan berdasarkan 3 jenis tingkah laku
asas: kadaran (P), kamiran (I) dan terbitan (D). Daripada menggunakan
sebilangan kecil pengawal kompleks, sebilangan besar pengawal PID mudah
digunakan untuk mudah mengawal proses dalam pemasangan industri
untuk mengautomasikan proses tertentu yang lebih kompleks.
Pengawal PID dan jenisnya yang lain seperti pengawal P, PI
dan PD merupakan binaan asas dalam mengawal pelbagai proses. Walaupun
kesederhanaan mereka, ia boleh digunakan untuk menyelesaikan walaupun masalah
kawalan yang sangat kompleks, terutamanya apabila digabungkan dengan blok
fungsi yang berbeza, penapis (kompensator atau blok pembetulan), pemilih dan
lain-lain. Pembangunan berterusan algoritma kawalan baharu memastikan bahawa pengawal PID dapat melepasi kekurangannya untuk sistem dan asas ini akan memainkan
peranannya dalam kawalan proses pada masa hadapan yang boleh dijangka. Ia boleh
dijangka bahawa ia akan menjadi tulang belakang kepada banyak sistem kawalan
yang kompleks.
Mengkaji Tindakan Kadaran (P-action)
Isyarat kawalan u(t) hanya boleh mempunyai dua nilai yang
mungkin, Umax tinggi atau Umin tahap rendah, bergantung jika ralat adalah
positif atau negatif.
Dengan mengandaikan bahawa proses (loji terkawal) mempunyai
keuntungan statik yang positif, isyarat kawalan tahap tinggi akan menyebabkan
peningkatan dalam nilai pembolehubah terkawal. Idea utama dalam cara kawalan
ini, dengan hanya dua tahap kawalan adalah mencapai nilai yang dikehendaki bagi
pembolehubah terkawal dalam masa yang sesingkat mungkin. Ketidakcukupan dalam
cara kawalan ini ialah isyarat kawalan berayun yang boleh menyebabkan
pembolehubah kawalan berayun di sekitar nilai yang dikehendaki.
Kadang-kadang tiada penawar untuk masalah ini. Contohnya, jika
paras cecair dalam tangki dikawal menggunakan injap dengan hanya dua keadaan
yang mungkin (terbuka atau tertutup) paras akan sentiasa berayun di sekitar
nilai yang dikehendaki. Pengawal on-off adalah sangat mudah kerana terdapat
hanya dua kemungkinan nilai isyarat kawalan, tidak kira apa nilai ralat
kawalan. Proses terpaksa berayun kerana u(t) tidak pernah sifar (sama ada Umax
atau Umin).
Satu-satunya cara untuk mengelakkan ayunan paksa ini adalah
untuk mengurangkan gandaan untuk nilai kecil ralat kawalan e(t). Itu boleh
dicapai dengan memperkenalkan mod berkadar yang akan aktif untuk nilai ralat
kawalan tertentu.
Secara umum boleh dikatakan bahawa pengawal P tidak dapat
menstabilkan proses bagi sistem dengan tertib yang lebih tinggi.
Untuk proses tertib pertama, bermakna proses dengan satu
simpanan tenaga, peningkatan besar dalam keuntungan boleh diterima. Pengawal
berkadar boleh menstabilkan hanya proses tidak stabil pada tertib pertama. Menukar gandaan
pengawal K boleh menukar dinamik gelung tertutup.
Gandaan pengawal
yang besar akan menghasilkan sistem kawalan dengan:
a) ralat keadaan mantap yang lebih kecil, iaitu rujukan yang
lebih baik berikutan
b) dinamik yang lebih pantas, iaitu jalur frekuensi isyarat
yang lebih luas bagi sistem gelung tertutup dan sensitiviti yang lebih besar
berkenaan dengan mengukur hingar
c) amplitud dan margin fasa yang lebih kecil
Mengkaji Tindakan PI (PI-action)
Nama itu berasal daripada istilah "reset manual" yang menandakan perubahan manual titik operasi atau "bias" u0 untuk menghapuskan ralat. Pengawal PI melaksanakan fungsi ini
secara automatik.
Jika isyarat kawalan pengawal P dalam kawasan berkadar
dibandingkan dengan isyarat keluaran pengawal PI, dapat dilihat bahawa isyarat
malar u0 digantikan dengan isyarat berkadar dengan kawasan di bawah lengkung
ralat.
Fakta bahawa u0 digantikan dengan kamiran membolehkan pengawal PI menghapuskan ralat keadaan mantap. Sebaliknya, pengawal P tidak boleh menghapuskan ralat keadaan mantap kerana ia tidak mempunyai sebarang algoritma yang membolehkan pengawal meningkatkan isyarat kawalan u(t) untuk meningkatkan pembolehubah terkawal y(t) (dengan mengandaikan keuntungan proses positif) jika dalam beberapa ketika ralat t1 e(t1) = const. > 0. Undang-undang kawalan berkadar kekal malar dalam kes ini dan ia tidak akan cuba mengubah pembolehubah terkawal dengan cara yang ralat kawalan berkurangan.
Pengawal PI sebaliknya akan meningkatkan isyarat kawalan apabila ralat e(t1) = const. > 0. Kepada bahagian berkadar isyarat akan ditambah bahagian kamiran berkadar dengan kawasan di bawah lengkung e(t),menjadi isyarat keseluruhan.
Oleh itu, pengawal PI tidak akan meningkatkan kelajuan
tindak balas. Ia boleh dijangka kerana pengawal PI tidak mempunyai cara untuk
meramalkan apa yang akan berlaku dengan ralat dalam masa terdekat. Masalah ini
boleh diselesaikan dengan memperkenalkan mod derivatif yang mempunyai keupayaan
untuk meramalkan apa yang akan berlaku dengan ralat dalam masa terdekat dan
dengan itu mengurangkan masa tindak balas pengawal.
Tindakan kamiran boleh berlaku dalam pengawal hanya dengan reka bentuk. Tindakan kamiran boleh diperhatikan pada bidang lain sistem kawalan (penggerak, loji dll.). Komponen ini boleh membantu dalam
mengurangkan ralat keadaan mantap, tetapi pereka sistem kawalan secara amnya
tidak boleh menala komponen ini.
Mengkaji Tindakan PD (PD-action)
Mod
D digunakan apabila ramalan ralat boleh meningkatkan kawalan atau apabila perlu
untuk menstabilkan sistem. Daripada ciri frekuensi elemen D dapat dilihat bahawa
ia mempunyai fasa 90° mendulu(lead-phase). Oleh itu, elemen D akan mengalihkan ciri
frekuensi bagi gelung terbuka Go(jω) lebih jauh dari titik genting (-1,j0).
Selalunya derivatif tidak diambil daripada isyarat ralat
tetapi daripada pembolehubah keluaran sistem. Ini dilakukan untuk mengelakkan
kesan perubahan mendadak input rujukan yang akan menyebabkan perubahan mendadak
dalam nilai isyarat ralat. Perubahan mendadak dalam isyarat ralat akan
menyebabkan perubahan mendadak dalam output kawalan. Untuk mengelakkannya
adalah sesuai untuk mereka bentuk mod D supaya berkadar dengan perubahan
pembolehubah keluaran y(t).
Jika terdapat measuring noise dalam y(t), y(t) ini secara tidak sengaja akan
menguatkan hingar ini. hingar biasanya merupakan isyarat frekuensi yang lebih
tinggi, jadi penyelesaian yang baik untuk masalah hingar ialah penggunaan
penapis laluan rendah dalam saluran terbitan yang akan memastikan tindakan
terbitan hanya dalam jalur frekuensi yang dikehendaki dan mengurangkan kesan
negatif mod D pada hingar isyarat. Pemalar masa penapis laluan rendah(Low-pass-filter) sering
ditakrifkan menggunakan pemalar masa terbitan pengawal sebagai Tf= Td/N.
Penapis diperlukan bukan sahaja kerana kesan hingar, tetapi
juga kerana adalah mustahil untuk membina unsur terbitan yang ideal kerana ia
adalah penapis bukan kasual. Tindakan D yang ideal ialah dinamik bukan kasual
dan ia tidak dapat direalisasikan secara fizikal.
Proses yang biasanya memerlukan ramalan ralat kawalan ialah
proses termal dengan inersia yang besar. Kelajuan tindak balas dalam kes ini
meningkatkan kawalan suhu. Kadangkala pengawal DPID digunakan. Dalam kes
isyarat kawalan pengawal DPID adalah berkadar bukan sahaja dengan kadar
perubahan pembolehubah proses tetapi juga dengan pecutan perubahan pembolehubah
proses.
Walau bagaimanapun, pengawal ini hanya boleh digunakan jika
proses mempunyai ciri penapisan yang baik, (inersia besar) kerana terbitan
berganda sangat menguatkan bunyi. Apabila berurusan dengan sistem dengan
kelewatan pengangkutan, adalah penting juga untuk mempunyai ramalan ralat yang
baik. Walau bagaimanapun, mod D tidak akan dapat memberikan ramalan yang boleh
dipercayai dalam kes kelewatan pengangkutan, jadi dalam kes tersebut seseorang
harus menggunakan peramal (pengawal) Otto-Smith, bukan pengawal PID. Jika
peramal Otto-Smith tidak tersedia, lebih baik menggunakan pengawal PI.
