PID 自動調整を使用する場合

Simulink^® Control Design™ の PID 自動調整器ブロックによって、パラメトリックなプラントモデルや初期のコントローラー設計なしで PID コントローラーを調整できます。Simulink Coder™ のようなコード生成製品がある場合、ハードウェアに調整アルゴリズムを実装するコードを生成することが可能です。アルゴリズムをハードウェアに展開することにより、調整プロセスの管理に Simulink を使用するかどうかに関係なく、コントローラーを物理プラントに対して調整できます。

モデルに依存しない調整を行うには、Closed-Loop PID Autotuner ブロックまたは Open-Loop PID Autotuner ブロックを使用します。これらのブロックは、プラントに信号を挿入してフィードバックループが閉じた状態および開いた状態でのプラント出力をそれぞれ測定する、周波数応答の推定実験を行います。ブロックは結果の推定周波数応答を使用してプラントの PID ゲインを調整します。

PID 自動調整は、低次元と高次元、むだ時間の有無、および直達の有無に関係なく、漸近的に安定な SISO プラントまたは積分 SISO プラントのすべてで機能します。あらゆるタイプの PID コントローラーを調整することが可能です。ブロックへの入力によって調整プロセスをトリガーするので、コントローラーの調整をいつでも行うことができます。

物理プラントの PID 自動調整

組み込みの PID 自動調整は、PID 制御されたシステムと、動作のテストベッドまたは制御環境がある場合に役立ちます。この場合は自動調整器ブロックをハードウェアに展開して、システム内の PID コントローラーのゲインを自動的に調整することができます。

実際には、PID 自動調整プロセスを管理するには以下を含めていくつかの方法があります。

自動調整アルゴリズムをスタンドアロンの組み込みモジュールとして展開し、独自のソフトウェアおよびハードウェア環境で調整プロセスを管理する。詳細については、リアルタイムの PID 自動調整を参照してください。
自動調整プロセスの開始、監視、解析を Simulink を介して行う。詳細については、Simulink でのリアルタイムの PID 自動調整の制御を参照してください。

Simulink でのプラントモデルの PID 自動調整

Simulink にプラントモデルがある場合は、PID 自動調整を使って次を行うことができます。

プラント用に初期の PID 設計を取得します。これを物理プラントに対して調整することで改良できます。
コントローラーの調整をリアルタイムで行う前に、プラント応答をプレビューして PID 自動調整の設定を調節する。これにより、リアルタイム調整によってシステムが望ましい操作範囲の外に出ないようにします。

詳細については、Simulink でモデル化されたプラントの PID 自動調整を参照してください。

閉ループと開ループの PID 自動調整

PID 自動調整ツールでは次の調整が可能です。

閉ループ構成で、プラントを既存の PID コントローラーで制御して行う (Closed-Loop PID Autotuner ブロック)。
開ループ構成で行う (Open-Loop PID Autotuner ブロック)。開ループ自動調整では、プラントがフィードバックループ内にある場合、自動調整器は調整プロセスの期間中、ループを開きます。

一般に、初期 PID 設計がない場合、開ループ自動調整で開始し、再調整や改良の際に閉ループ自動調整に切り替えます。プラント用の初期 PID 設計がある場合には、プラントにとってより安全な閉ループ調整を使用します。閉ループ自動調整では、コントローラーが次を行うためにループ内に留まります。

推定実験中に予期しないプラント外乱を抑制してプラントの安全な操作を維持する。
実験に使用された摂動によってプラントが望ましい操作点から離れるリスクを減らす。

閉ループ自動調整法のその他の利点には次が含まれます。

閉ループ調整は複数の積分器をもつプラントで機能する。これとは対称的に、複数の積分器をもつプラントに開ループ自動調整は使用できません。単一の積分器をもつプラントであっても、開ループ調整中に望ましい操作点から離れてしまう可能性があります。
フィードバックループが閉じたままなので、調整プロセス中にコントローラーの飽和が問題にならない。これとは対照的に、開ループ自動調整ではループが開いている間に積分動作を含むコントローラーが飽和する可能性があります。この飽和によって、調整プロセスの終了時にプラント入力で跳ね上がりが生じることがあります。開ループ調整では、調整中にコントローラーが自動調整器ブロックの出力を必ず追跡するように追加の手順を行わなければなりません (たとえば、Simulink でモデル化されたプラントの PID 自動調整を参照してください)。

プラントの安全な操作に実用的な問題がない場合 (たとえば Simulink 内のプラントモデルに対して調整する場合など)、開ループ自動調整には以下のような利点があります。

開ループ調整によってより正確な周波数応答推定と調整が得られる可能性がある。閉ループ調整では、挿入された摂動をコントローラーが抑制するため、周波数応答推定の精度が低くなり調整結果が劣化することがあります。
開ループ調整はより高速である。閉ループ調整は低周波数の摂動信号を使用するため、プロセスに約 3 倍の時間がかかります。
展開されたアルゴリズムのメモリフットプリントがわずかに小さくなる。

注意