Ohjausjärjestelmä

Ohjausjärjestelmä eli säätöjärjestelmä (engl. control system) hallinnoi, ohjaa tai säätää muiden laitteiden tai järjestelmien käyttäytymistä säätöpiirejä (eli ohjaussilmukoita) käyttäen. Sellainen on esimerkiksi kodin lämmitysohjain yhdessä kodin lämpökattilan tai -patterin säätimen ja siihen liittyvän termostaatin sekä näiden välisten kytkentöjen kanssa. Toisaalta on suuria teollisia ohjausjärjestelmiä, joita käytetään prosessien tai koneiden ohjaamiseen ja joissa voi olla useita säätöpiirejä. 

Yleinen ratkaisu on takaisinkytkentäsäädin. Takaisinkytkentä tarkoittaa, että säädetyn prosessin tila vaikuttaa säätöön. Tällöin mittalaite (anturi, esim. lämpömittari) mittaa prosessimuuttujan arvoa (esim. lämpötila) tai tilaa ja vertaa sitä haluttuun arvoon tai asetuspisteeseen (esim. haluttu lämpötila). Näiden erotus määrää säädön. Negatiivinen takaisinkytkentä tarkoittaa, että jos arvo on haluttua suurempi, säädetään ohjaus (lämmitys) pienemmälle arvolle, ja päinvastoin.

Avoimen silmukan säätö ja suljetun silmukan säätö 
Ohjaustoiminnassa on kaksi yleistä luokkaa: avoin silmukka ja suljettu silmukka (engl. closed loop). Avoimen silmukan ohjausjärjestelmässä säätimen ohjaustoiminto on riippumaton prosessimuuttujasta. Esimerkki tästä on keskuslämmityskattila, jota ohjaa vain ajastin. Ohjaustoiminto on kattilan kytkeminen päälle tai pois. Prosessimuuttuja on rakennuksen lämpötila. Yleensä tällainen avoimen silmukan ohjain ei edes tiedä (mittaa) rakennuksen lämpötilaa. 

Suljetun silmukan ohjausjärjestelmässä ohjaimen ohjaustoiminto riippuu myös todellisesta prosessimuuttujasta. Mainitussa lämmityskattilan esimerkissä mittalaite mittaisi lämpötilaa, jonka perusteella lämmitystä säädetään. Suljetun silmukan ohjaimessa on takaisinkytkentäsilmukka prosessin tilasta (lämpötilasta) takaisin säätöön. Tästä syystä suljetun silmukan ohjaimia kutsutaan myös takaisinkytkentäsäätimiksi.

Takaisinkytkentäsäätö 

Lineaaristen takaisinkytkentäjärjestelmien tapauksessa ohjaussilmukka, johon kuuluu antureita, ohjausalgoritmeja ja toimilaitteita, on pyrkii säätämään järjestelmän tilaa kohtiasetusarvoa (tavoitearvo). Esimerkki tästä on maantieajoneuvon vakionopeussäädin; jos esimerkiksi tien kaltevuus tuottaa väärän nopeuden, säätimen PID-algoritmi tai muu ohjaussääntö palauttaa todellisen nopeuden haluttuun nopeuteen säätämällä ajoneuvon moottorin tehoa optimaalisella tavalla, esimerkiksi minimoiden viiveen ja polttoaineenkulutuksen neliöiden painotetun summan (kustannusfunktion).

Logiikkaohjaus 
Teollisten ja kaupallisten koneiden logiikkaohjausjärjestelmät toteutettiin alun perin esimerkiksi toisiinsa yhdistetyillä sähköreleillä Nykyään useimmat tällaiset järjestelmät on rakennettu mikrokontrollereilla tai erikoistuneemmilla ohjelmoitavilla logiikkaohjaimilla (PLC).

Laukaisupiiri 
Laukaisupiiri (katkaisupiiri, on-off-säätö, ON-EI-säätö) käyttää takaisinkytkentäohjainta, joka vain vaihtaa kahden tilan välillä ilman välimuotoja. Ohjattu laite on siis joko päällä tai pois päältä, mutta näiden arvojen välille sen tehoa ei säädetä. 

Yksinkertainen kaksimetallinen kotitermostaatti voidaan kuvata ON-EI-ohjaimeksi. Kun huoneen lämpötila menee käyttäjän asetusten alapuolelle, lämmitin kytketään päälle.  

Toinen esimerkki on ilmakompressorin painekytkin. Kun paine laskee asetuspisteen alapuolelle, kompressori menee päälle. Jääkaapit ja tyhjiöpumput sisältävät samanlaisia mekanismeja. Tällaiset yksinkertaiset ohjausjärjestelmät voivat olla halpoja ja tehokkaita.

Lineaarinen ohjaus 
Lineaariset ohjausjärjestelmät käyttävät yleensä negatiivista takaisinkytkentää tuottamaan ohjaussignaalin prosessin tilan pitämiseksi lähellä asetusarvoa. Lineaarisia ohjausjärjestelmiä on useita erilaisia ominaisuuksia.

Suhteellinen säätö 
Suhteellinen ohjaus (engl. proportional control) on lineaarisen takaisinkytkentäohjausjärjestelmän tyyppi, jossa säätö on suoraan verrannollinen virheeseen eli siihen, paljonko mitattu arvo poikkeaa tavoitellusta arvosta. Klassinen mekaaninen esimerkki on wc-istuimen kelluventtiili. 

On-off-ohjaus toimii järjestelmissä, jotka eivät vaadi suurta tarkkuutta tai reagoivuutta, mutta eivät ole tehokkaita nopeisiin ja oikea-aikaisiin korjauksiin ja vastauksiin. Suhteellinen ohjaus on siitä parempi, että prosessin tilan (esimerkiksi auton nopeus) lähestyessä tavoitearvoa säätö (moottorin lisäteho) pienenee portaattomasti, mikä vähentää ylimääräistä heilahtelua tavoitearvon (vakionopeudensäätimellä valittu nopeus) molemmin puolin. 

Suhteellinen ohjausjärjestelmä on monimutkaisempi kuin on-off-ohjausjärjestelmä, mutta yksinkertaisempi kuin proportional-integral-derivative-säädin (PID) -ohjausjärjestelmä, jota käytetään esimerkiksi auton vakionopeussäädössä. PID-säätimessä on mainitun suhteellisen komponentin lisäksi virheen integraaliin ja virheen derivaattaan verrannolliset komponentit, jotka lasketaan yhteen (esimerkiksi moottorin tarvitsemaa lisätehoa laskettaessa). Näin säätöön voidaan saada lisää nopeutta ja tarkkuutta.

Katso myös 
 Hajautettu ohjausjärjestelmä
 Kenttäväylä
 SCADA
 Säätötekniikka

Lähteet

Aiheesta muualla 

Automaatio
Systeemiteoria
Säätötekniikka
Säätöteoria