공정제어실습 PCT M3 PID 및 FOPDT 설계

문서 내 토픽

1. PID 제어기 설계

PCT M3 장치를 이용하여 압력 제어 시스템의 PID 제어기를 설계하였다. 실험을 통해 측정된 FOPDT 파라미터(Kp=0.019165, tau=18.3558, theta=0.539703)를 기반으로 PID 제어기의 비례(P)=300, 적분(I)=1, 미분(D)=0의 값을 도출하였다. 이 값들을 PCT의 PID Pressure Control에 적용하여 압력이 설정값(Set Point)에 도달하면 밸브를 통해 압력을 조절하는 피드백 제어 시스템을 구현하였다.
2. FOPDT 모델 식별

1차 지연 플러스 죽은시간(First Order Plus Dead Time) 모델을 이용하여 압력 제어 시스템을 모델링하였다. 2분간 5초 간격으로 측정한 압력 데이터를 Excel을 통해 분석하여 dy=2.05, du=100의 입출력 변화량과 함께 시간상수(tau), 이득(Kp), 죽은시간(theta) 파라미터를 추출하였으며, 최종 SSE=0.018235의 오차값을 얻었다.
3. 압력 제어 실험

PCT M3 장치의 Manual Control 모드에서 Motor Speed를 조절하여 압력을 증가시키고, Solenoid Valve를 이용하여 압력을 감소시키는 방식으로 압력 제어 실험을 수행하였다. 이후 PID Control 모드에서 Set Point를 설정하고 자동 제어를 통해 목표 압력에 도달하는 과정을 그래프로 기록하였다.
4. 공정제어 실습 및 학습

PCT M3 장치를 이용한 공정제어 실습을 통해 압력 제어 및 측정 방법, FOPDT 설계 과정, PID 제어기 튜닝 방법을 습득하였다. 실험 결과가 예상과 다른 원인으로 장치 사용 미숙과 Matlab 계산값의 정확도 부족을 지적하였으며, 이는 향후 개선이 필요한 부분으로 분석되었다.

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1. PID 제어기 설계

PID 제어기는 산업 공정 제어의 핵심 기술로, 비례, 적분, 미분 항의 조합을 통해 시스템의 안정성과 응답성을 효과적으로 조절할 수 있습니다. 제어기 설계 시 각 게인값(Kp, Ki, Kd)의 튜닝이 매우 중요하며, 과도한 오버슈트나 진동을 방지하면서도 빠른 응답을 달성해야 합니다. 실제 산업 현장에서는 Ziegler-Nichols 방법이나 루트 로커스 등 다양한 설계 기법이 활용되고 있으며, 현대에는 자동 튜닝 알고리즘도 널리 사용됩니다. PID 제어기의 단순성과 효율성으로 인해 앞으로도 계속 중요한 역할을 할 것으로 예상됩니다.
2. FOPDT 모델 식별

FOPDT(First Order Plus Dead Time) 모델은 복잡한 공정을 간단하게 표현하는 효과적인 방법으로, 실제 시스템의 동특성을 충분히 반영할 수 있습니다. 모델 식별을 위해서는 계단 응답 실험이나 주파수 응답 분석 등 다양한 방법이 사용되며, 정확한 식별이 이후 제어기 설계의 성공을 좌우합니다. 특히 시간 지연(dead time)을 정확히 파악하는 것이 중요하며, 이는 제어 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. FOPDT 모델의 단순성은 실시간 제어 구현에 유리하며, 복잡한 고차 모델보다 실무에서 더 실용적인 선택이 될 수 있습니다.
3. 압력 제어 실험

압력 제어는 화학, 석유, 에너지 산업 등 다양한 분야에서 필수적인 공정 제어 항목입니다. 압력 센서의 정확도와 응답 속도가 제어 성능에 큰 영향을 미치므로, 고품질의 계측 장비 선택이 중요합니다. 실험을 통해 시스템의 동특성을 파악하고 제어기를 튜닝하는 과정은 이론과 실제의 차이를 이해하는 데 매우 유용합니다. 압력 제어 시스템은 안전성이 최우선이므로, 과압 방지 장치와 안전 밸브 등의 보호 장치가 필수적입니다. 실험을 통한 체계적인 학습은 향후 실제 공정 제어 업무 수행에 큰 도움이 될 것입니다.
4. 공정제어 실습 및 학습

공정제어 실습은 이론적 지식을 실제 시스템에 적용하는 경험을 제공하므로, 공학 교육에서 매우 중요한 역할을 합니다. 실습을 통해 센서 신호 처리, 제어 알고리즘 구현, 시스템 응답 분석 등 다양한 실무 기술을 습득할 수 있습니다. 또한 예상치 못한 문제 상황에 대처하는 능력을 개발하고, 공정 안정성과 효율성 개선에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 현대 산업에서는 자동화와 최적화가 중요해지고 있으므로, 기초적인 공정제어 원리를 확실히 이해하는 것이 필수적입니다. 체계적인 실습과 학습을 통해 산업 현장에서 즉시 활용 가능한 실무 역량을 갖춘 인재 양성이 가능합니다.

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