PID-säätimen mallipohjaisten viritysmenetelmien analysointi ja kokeellinen vertailu – sovelluksena Stirling-kone

Abstract

Opinnäytetyössä tarkasteltiin PID-säätimen eri viritysmenetelmiä sekä valmiiden virityskaavojen että analyyttisemman, säätöteoriaan pohjautuvan tarkastelun kautta. Esimerkkiprosessina työssä toimi jännitteen säätö Stirling-moottorilla. Prosessilaitteisto sijaitsi Hämeen ammattikorkeakoulun Valkeakosken yksikön laboratoriotilassa. Työssä tutkittiin säädetyn esimerkkiprosessin käyttäytymistä ja suorituskykyä PID-säätimen eri viritysparametreilla. Saatuja tuloksia verrattiin keskenään ja analysoitiin perustason säätöteorian pohjalta.

Työssä testattiin myös säätösuunnittelua mittauksien kautta saadun prosessimallin pohjalta ja esiteltiin yksinkertaisen prosessimallinnuksen periaatteet. Kaksi säätösuunnittelussa käytettyä graafista suunnittelumenetelmää esiteltiin ja niiden käyttöä testattiin säätösuunnittelussa.

Työtä varten kerättiin perustiedot perinteisestä säätösuunnittelusta ja hankittiin modernia, nimenomaan PID-säätimen viritystä koskevaa kirjallisuutta. Sekä teoria että käytäntö pidettiin tasapuolisesti mukana työtä tehtäessä. Työn ensimmäinen osa esittelee työssä käytettyjä säätötekniikan periaatteita ja jälkimmäinen osa käytännön toteutusta.

Työn tuloksena saatiin tietoa eri virityskaavojen ominaisuuksista ja niiden käyttökelpoisuudesta esimerkkiprosessissa. Virityskaavojen todettiin riittävän useimpiin säätötehtäviin olettaen, ettei prosessiin liity tiukkoja vaatimuksia suorituskyvyn tai robustiuden kannalta.

In this thesis different tuning principles related to PID-controller were inspected through both tuning recipes introduced in literature and through analytical investigation relying on control theory. The example process to be controlled was a Stirling engine used for voltage control. The Stirling engine process was located at HAMK’s Valkeakoski unit laboratory. The behavior and performance of the process with different controller parameters was studied. Results were compared and analyzed using basic control theory.

Control design, based on an acquired process model, was also tested and the basics of simple process modeling were discussed. Two graphical methods for controller design were presented and their use was tested with the example process.

During the making of this thesis, basic knowledge of traditional control theory was acquired and literature concerning PID-controllers was obtained. Both theory and practice were considered to be of equal importance and thus in the thesis both of those aspects of control systems were examined. The first part of thesis consists of building a theoretical frame of reference for the exploration that follows the latter part.

As a result, knowledge of different tuning principles and their applicability for the example process was gained. The common tuning formulas were considered to be adequate for most control tasks, provided that the process to be controlled has no strict requirements for performance or robustness.