Ohjausrajoja

Ohjausrajoja ovat dynaamisen järjestelmän ohjauslaitteisiin kohdistuvia rajoitteita, jotka määrittelevät sekä ohjaussignaalin mahdolliset arvot että sen muutosnopeudet. Ne johtuvat usein fysikaalisista aktuaattorirajoituksista sekä turvallisuus- ja energiatehokkuusvaatimuksista. Ohjausrajoja ilmenee sekä signaalin arvoissa että sen aikaisessa vaihtelussa.

Matemattisesti ohjausrajoja voidaan kuvata sallitun ohjausjoukon U kautta. Yleisessä muodossa U voi olla seuraava: u(t) on sellainen, että u_min ≤ u(t) ≤ u_max, ja mahdollisesti myös nopeus- tai kiihtyysrajoitukset kuten dot u_min ≤ dot u(t) ≤ dot u_max. Rajoja voi olla sekä staattisia (tietyt kynnysarvot) että dynaamisia (riippuvat tilasta tai ajanjaksosta). Saturation eli signaalin leikkaantuminen esiintyy, kun ohjauspiirin toimi yrittää ylittää rajat.

Tyypillisiä esimerkkejä ovat ajoneuvojen ohjaus (moottorinopeuden tai kaasupolkimelle ja ohjauspyörälle asetetut max-arvot sekä muutosnopeusrajoitukset), robotiikan nivelakselit (liike- ja kiihtyysrajat), sekä teollisuuden prosessien venttiilit tai johdotettavat säätimet. Ohjausrajoilla on sekä turvallisuus- että kestävyyskohteita, esimerkiksi estää aktuaattorien ylikuumenemisen tai liialliset työnopeudet.

Ohjausrajoja käsitellään osana ohjausjärjestelmän suunnittelua. Mallipohjaisessa ohjauksessa kuten MPC:ssa ne ovat eksplisiittisesti mukana optimointimääritelmässä ja rajoituksina, kun taas perinteisissä ohjausmenetelmissä ne toteutetaan saturaatio- ja anti-windup-toiminnallisuuksilla sekä mahdollisesti rajoitusten pehmeillä rangaistuksilla.