공정제어실습 PCT-M1 PID 제어기 설계 및 성능 평가

문서 내 토픽

1. PID 제어기 설계

PCT-M1 유량 제어 시스템에서 PID 제어기를 설계하고 튜닝하는 과정을 다룬다. FOPDT 모델을 기반으로 P, I, D 값을 계산하여 시스템에 적용하였다. 초기 계산값 P=1.28×0.45, I=1/210.130, D=0에서 불안정한 응답이 발생하여 수동 조정을 통해 P=1, I=0.3, D=0으로 최적화하였다.
2. FOPDT 모델링

1차 지연 플러스 데드타임(First Order Plus Dead Time) 모델을 이용하여 PCT-M1 시스템의 동적 특성을 분석하였다. Manual Control 측정 결과로부터 dy, du, Kp, tau, theta 값을 구하여 시스템 모델을 수립하였으나 측정 과정에서 오차가 발생하여 정상상태 도달에 어려움이 있었다.
3. 유량 제어 시스템

PCT-M1은 펌프, 밸브, 유량 센서, 회전계로 구성된 자체 제어 시스템이다. PVC 파이프를 통해 물의 흐름을 제어하며, 그래픽 기반 소프트웨어를 통해 Manual Control과 PID Control 모드로 운영할 수 있다. 시스템의 유량을 일정하게 유지하고 외부 간섭에 대한 응답 특성을 분석한다.
4. 제어 시스템 튜닝

PID 제어기의 성능을 개선하기 위해 P, I, D 파라미터를 조정하는 과정을 수행하였다. 초기 설계값이 불안정한 응답을 보여 P와 I 값을 감소시켜 오실레이션을 줄이고 정상상태 도달 시간을 단축하였다. 이를 통해 정확한 모델 설계 후에도 추가 튜닝이 필요함을 확인하였다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. PID 제어기 설계

PID 제어기는 산업 제어 시스템에서 가장 널리 사용되는 제어 알고리즘으로, 비례, 적분, 미분 항의 조합을 통해 시스템의 오차를 효과적으로 보정합니다. 설계 시 시스템의 특성을 정확히 파악하고 각 항의 이득값을 적절히 설정하는 것이 중요합니다. PID 제어기는 구현이 간단하고 비용 효율적이며, 다양한 산업 분야에서 검증된 신뢰성 있는 방법입니다. 다만 비선형 시스템이나 시간 지연이 큰 시스템에서는 성능 제한이 있을 수 있으므로, 시스템 특성에 맞는 고급 제어 기법과의 조합을 고려할 필요가 있습니다.
2. FOPDT 모델링

FOPDT(First Order Plus Dead Time) 모델은 실제 산업 프로세스를 간단하게 표현하는 효과적인 방법으로, 1차 시스템과 시간 지연을 포함합니다. 이 모델은 계산이 단순하면서도 많은 실제 시스템의 동특성을 충분히 설명할 수 있어 제어기 설계의 기초로 널리 사용됩니다. 스텝 응답 실험을 통해 쉽게 모델 파라미터를 추정할 수 있다는 장점이 있습니다. 그러나 고차 시스템이나 복잡한 동특성을 가진 프로세스에서는 모델링 오차가 발생할 수 있으므로, 필요에 따라 더 복잡한 모델 구조를 고려해야 합니다.
3. 유량 제어 시스템

유량 제어 시스템은 화학, 석유, 수처리 등 다양한 산업에서 핵심적인 역할을 하며, 정확한 유량 측정과 제어가 제품 품질과 공정 안정성을 결정합니다. 유량계의 선택, 제어 밸브의 특성, 배관 시스템의 동특성 등 여러 요소가 제어 성능에 영향을 미칩니다. 현대적인 유량 제어 시스템은 디지털 센서와 자동화 기술의 발전으로 더욱 정밀해지고 있습니다. 다만 유량 측정의 비선형성과 시스템의 시간 지연 특성을 고려한 적응형 제어 기법의 적용이 성능 향상에 도움이 될 수 있습니다.
4. 제어 시스템 튜닝

제어 시스템 튜닝은 설계된 제어기의 성능을 최적화하는 중요한 과정으로, Ziegler-Nichols, Cohen-Coon 등의 고전적 방법부터 현대적 최적화 기법까지 다양한 방법이 존재합니다. 효과적인 튜닝은 오버슈트, 정정 시간, 정상 상태 오차 등의 성능 지표를 균형있게 개선합니다. 실제 시스템에서는 시행착오를 통한 수동 튜닝이 필요한 경우가 많으며, 이는 운영자의 경험과 이해도가 중요합니다. 자동 튜닝 알고리즘의 활용은 초기 설정을 빠르게 할 수 있지만, 최종적으로는 시스템 특성과 운영 조건에 맞는 세밀한 조정이 필수적입니다.