Tümleştirmeye uygun yeni PID denetleyici devre tasarımları ve uygulamaları
New PID controller circuit designs and applications suitable for integration
Yazar: UMUT CEM ORUÇOĞLU
Danışman: PROF. DR. FIRAT KAÇAR
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Oransal İntegral Türevsel (PID) denetleyiciler, uzun yıllardır üzerinde çalışılan, klasik denetleyicilerdir. Basitliği, çok yönlülüğü, hızı, güvenilirliği, esnekliği ve sağlamlığı nedeniyle endüstriyel süreçte önemli bir bileşen olmaya devam etmektedir. Dünya çapında binlerce mühendis, günlük işlerinde PID kontrolörleri kullanmaktadır. Literatürde birçok analog ve dijital PID denetleyici tasarımı sunulmaktadır. Analog denetleyici tasarımlarında gerilim ve akım modu aktif elemanlar kullanılmaktadır.
Bu çalışmada tümleştirmeye uygun PID denetleyici devrelerinin tasarlanması amaçlanmaktadır. Bu PID denetleyiciler aktif ve pasif devre elemanları kullanılarak tasarlanmıştır. Aktif elemanların iç yapısı, tamamlayıcı metal oksit yarı iletken (CMOS) teknolojisi ile gerçekleştirilmiştir. Önerilen devrelerin tasarımı kolaydır ve kontrol parametreleri, tasarım konfigürasyonunu değiştirmeden ayarlanabilir. PID denetleyiciler teorik olarak incelenmiştir. Kontrol parametrelerinin hassasiyeti araştırılmıştır. Parazitik empedansların ideal olmayan koşullar altında çalışma frekans limitleri üzerindeki etkileri araştırılmıştır. PID denetleyicilerin zaman ve frekans analiz cevapları verilmiştir. Simülasyon sonuçları, Tayvan Yarı İletken Üretim Şirketi (TSMC) 0.18 µm CMOS teknoloji parametreleri ile Ltspice simülatör yazılımı kullanılarak elde edilmiştir. Önerilen PID tasarımlarının işlevselliğini göstermek için uygulama devresi örnekleri verilmiştir. Önerilen PID denetleyicilerini daha önce bildirilen tasarımlarla karşılaştırmak için ayrıntılı bir karşılaştırma tablosu verilmiştir.

Abstract:
Proportional Integral Derivative (PID) controllers are classical controllers that have been studied for many years. It remain a key component in industrial process due to its simplicity, versatility, speed, reliability, flexibility and robustness. Many thousands of engineers worldwide are using PID controllers in their daily work. Many analog and digital PID controller designs are presented in the literature. Voltage and current mode active elements are used in analog controller designs. 
In this study, it is aimed to design PID controller circuits suitable for integration. These PID controllers are designed using active and passive circuit elements. The internal structure of the active elements are realized with complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology. The proposed circuits are easy to design, and the control parameters can be tuned without changing the design configuration. PID controllers have been analyzed theoretically. The sensitivity of the control parameters are investigated. The effects of parasitic impedances on operating frequency limits under non-ideal conditions are investigated. Time and frequency analysis responses of PID controllers are given. The simulation results are obtained by using Ltspice simulator software with Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) 0.18 µm CMOS technology parameters. Application circuit examples are given to demonstrate the workability of the proposed PID designs. A detailed comparison table is given to compare the proposed PID controllers with previously reported designs.