가변속 냉동시스템의 ON/OFF 운전을 통한 PID 게인 자동 튜닝 (Auto-tuning of PID Gain by ON/OFF Operation of a Variable Speed Refrigeration System)

서지정보

· 발행기관 : 대한설비공학회
· 수록지 정보 : 설비공학 논문집 / 36권 / 1호 / 31 ~ 43페이지
· 저자명 : 김태훈, 정석권

초록

본 연구에서는 VSRS 기반 OCS의 오일출구온도 와 과열도 의 PID 제어를 위한 게인 자동 튜닝 및 PID 제어 자동 절환 시스템을 설계하고 실험을 통해 그 유효성을 확인하였다. PID 게인의 자동 튜닝은 실제 장치의 운전 환경과 동일하게 정격 열부하가 인가된 상태에서 압축기와 EEV의 인버터 주파수와 EEV 드라이브 개도를 각각 ON/OFF 운전함으로써 구하였다. 입․출력이 각각 두 개인 다변수 시스템이므로 제어량 와 의 한 제어량에 대한 PID 게인 튜닝 시 나머지 다른 제어량의 운전 조건을 명확히 기술하였다. 특히, 열전대를 통해 혼입하는 열잡음과 열부하의 영향으로 인해 ON/OFF 운전 시의 지속 진동 파형이 왜곡됨을 규명하고 이 왜곡 파형에 적절한 게인 튜닝 방법을 제시하였다. 본 논문에서 제안한 각 제어량의 ON/OFF 동작점 조건과 튜닝 방법으로 자동 튜닝된 PID 제어기는 와 를 정밀하게 제어함을 확인하였다. 마지막으로 튜닝된 게인들의 극점 위치와 보드선도를 통해 PID 피드백 제어계의 안정성 및 결과의 재현성을 확인하였다. 본 연구에서 얻은 주요 결과들을 요약하면 다음과 같다.
(1) 본 논문에서 제안한 자동 튜닝에 의한 PID 제어기는 온도 센서를 통한 열잡음과 열부하가 인가되는 상황에서도 OCS의 제어량 와 를 정밀하게 제어하였다.
(2) 열잡음과 열부하 영향 하에서도 자동 튜닝된 PID 제어기는 OCS의 주 제어량인 를 정상상태오차 이내로 정밀하게 제어하였다.
(3) 다변수 제어계인 OCS의 경우, 한 제어량의 PID 게인 튜닝 시 다른 한 제어량은 설정값에서 운전되도록 조작량을 지정하고 정상상태로 운전되어야 한다.
(4) 극점 위치와 보드선도를 통해 튜닝된 게인에 의한 PID 피드백 제어계는 안정성과 재현성을 담보할 수 있음을 확인하였다.
본 논문에서 제안한 PID 게인 자동 튜닝 방법은 ON/OFF 운전을 통해 간편하게 진행되며, 튜닝 종료와 동시에 PID 제어로 자동 절환된다. 특히 이 튜닝 방법은 열잡음과 열부하의 영향 하에서도 목표 제어량을 정밀하게 제어하므로 향후 히트펌프, 직접 팽창식 공조기 등의 가변속 냉동사이클에 적용되어 에너지 절약 및 고정밀 제어에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

영어초록

Proportional-integral-derivative (PID) controllers are widely used for industrial process control due to their simple design and excellent control performance. PID gains are generally designed based on the transfer function models of plants. However, it is very difficult to obtain a low-dimensional linear approximation model of a variable speed refrigeration system (VSRS) because of its inherent nonlinearity and high-order dynamic characteristics. In addition, obtaining desirable control performance of model-independent PID gain tuning methods is very difficult. Therefore, robust auto-tuning and PID control of a VSRS, which is a multi-variable system with strong inherent nonlinearity, are described in this paper. In particular, the proposed method can be applied to actual systems affected by thermal noise and thermal load with conventional ON/OFF operation. In addition, in the case of a multi-variable system, the operating conditions of the remaining variables were clearly revealed when auto-tuning one variable. The proposed method proved its validity through experiments, and stability and reproducibility were confirmed by analyzing pole position and a Bode diagram.

참고자료

· 없음