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다단액위제어 예비보고서

다단 액위 제어 예비레포트1. 실험 목적화학공정제어 특히 PID Controller에 대한 기본적인 내용과 각각의 변수들을 실험을 통해 구하고 이들이 의미하는 바를 이해할 수 있다.2. 실험 이론1) 기본적인 공정제어(Process Control)의 개념①공정제어: 제어변수(CV)를 외란(D) 하에서 조작변수(MV)를 적절히 조작하여 주어진 설정점(SP)에 최대한 근접하게 유지하도록 해야 한다. 거의 모든 화학공정은 자동화가 이루어져 있다.?관련변수-제어변수(CV): 제어하고자 하는 변수-조작변수(MV): 제어변수를 변화시킬 수 있는 변수→임의 조작 가능-외란변수(D): 제어변수를 변동시키는 방해요인→임의 조작 불가능-설정점(SP): 제어변수가 유지되어야 하는 수준/값?제어요소-공정: 제어대상(최종제어요소+공정자체+센서)-제어기: 제어동작을 출력하는 장치?블록선도: 제어시스템에서의 정보흐름을 블록과 선으로 표현②Feedback 제어: 외부교란이 도입되어 공정에 영향을 미치게 되고 이에 의한 제어변수를 측정하여 조절하는 제어방법?장점-설계자가 어떤 종류의 외란이 프로세스에 영향을 미칠 것인가를 사전에 정확히 알 필요가 없다.-외란과 제어변수에 미치는 궁극적인 영향간의 적절한 정량적 한계를 알 필요 없다.?단점-응답이 시작되기 전에 제어량이 먼저 변해야 한다.-항상 문제 발생 후 외란제어가 이루어져 예측제어가 불가능하다.③Feedforward 제어: 외부교란을 예측하고 이 측정값을 이용하여 외부교란이 공정에 미칠 영향을 미리 보정하는 방법?장점-응답지연을 개선하여 속응성 향상?고려조건-무엇이 주요 외란인가를 알아야 한다.-그 외란이 측정 가능해야 한다.-측정 외란 영향을 보상하기 위한 적절한 동작을 알아야 한다.-보상 동작의 동적 행태를 알아야 한다.④Cascade 제어: 하나 이상의 피드백 제어루프를 포함하고 있으며 보통 각 루프틑 서로 연관되어 작용한다.primary controller는 일정하게 유지되어야 하는 주제어량을 조정하고 secondary controller는 1차 제어량을 불안정하게 하는 종속 제어량을 조절한다. 1차 조절기의 출력이 2차 조절기의 설정값으로 작용한다.?장점-종속 제어량의 변화가 주제어량에 영향을 미치는 것을 방지-크고 급속한 외란 발생시 조작량을 안전범위로 유지-공급측의 외란을 유효하게 제어-시간지연을 감소시키고 제어가 개선?응답특성-루프 사이에 응답시간의 차이가 클 때 가장 큰 장점을 발휘한다.-primary controller의 공정응답 시정수는 secondary controller의 공정응답 시정수의 5~10배 정도로 해야 한다.-secondary controller는 primary controller에 비해 응답이 빨라야 하며, 대부분의 외란도 secondary controller에 속해야 한다.그림 1. 액위 제어에 대한 Feedback & Feedforward Control System2) PID 제어기①PID 제어기기본적으로 피드백 제어기의 형태를 가지고 있으며, 제어하고자 하는 대상의 출력값(output)을 측정하여 이를 원하고자 하는 참조값(reference value) 혹은 설정값(Set Point)과 비교하여 오차(error)를 계산하고, 이 오차값을 이용하여 제어에 필요한 제어값을 계산하는 구조로 되어 있다.②각 제어 역할 기능?비례제어(P제어): 조작량을 목표값과 현재 위치와의 차에 비례한 크기가 되도록 하며, 서서히 조절하는 제어 방법이다. 목표값에 접근하면 미묘한 제어를 가할 수 있기 때문에 미세하게 목표값에 가까이 할 수 있다. PID 제어기에서 반드시 사용하는 가장 기본적인 제어이며 구현하기 쉽다. 하지만 이득의 조정만으로는 시스템의 성능을 여러 가지 면에서 함께 개선시키기 어렵다. 따라서 상승시간과 초과 사이의 상충문제를 절충하지 못한다.?적분제어(I제어): 정상상태 오차를 없애는 데 사용한다. 하지만 계수조정이 잘못되면 시스템이 불안해지고 반응이 느려진다.?미분제어(D제어): 목표량과 제어량의 오차값을 비교하여 오차와 반대되는 기울기의 조작량을 준다. P와 I제어의 경우는 목표값과의 편차를 비교하기 때문에 값이 크면 오버슈트가 크고 반대로 상승시간은 감소하지만 D제어는 목표값과 오차를 비교해서 반대의 기울기로 조작량을 주기 때문에 미분제어 요소인K _{d}가 클수록 오차를 더 빨리 잡아낸다.③제어식PID 제어기는 아래의 식과 같이 세 개의 항을 더하여 제어값을 계산할 수 있다. 이 항들은 각각 오차값, 오차값의 적분, 오차값의 미분에 비례하기 때문에 비례-적분-미분 제어기라는 명칭을 가진다.비례항: 현재 상태에서의 오차값의 크기를 비례한 제어작용을 한다.적분항: 정상상태(SS) 오차를 없애는 작용을 한다.미분항: 출력값의 급격한 변화에 제동을 걸어 오버슛을 줄이고 안정성을 향상시킨다.m(t)=K _{c} [e+ {1} over {tau _{I}} int _{} ^{} {e```dt} ``+`` tau _{D} `` {de} over {dt} ]3) Process Modeling①Process ModelingPID제어기의 튜닝 파라미터인k _{c},tau _{i},tau _{d} 값을 적절하게 설정해주는 것은 고성능 제어를 위해 필수적인 일이다. 튜닝을 잘하기 위해서는 공정의 동특성을 규명하는 공정모델을 먼저 구해야 한다. 공정 모델을 구하는 것을 공정 모델링이라고 한다.②공정응답곡선법(PCR Method)계단 입력을 이용한 공정응답곡선법(PCR Method)을 이용하여 일차시간지연 모델을 구하고자 한다. 절차는 다음과 같다.처음에 공정을 정상상태로 유지한다. 정상상태에서 크기가u _{INF }인 계단형 공정입력을 넣어 준다. 이때 그림2와 같은 공정응답곡선을 구할 수 있고 공정출력의 변곡점에서 접선을 긋는다. 여기서 이득(k), 시상수(tau ), 시간지연(theta )을 구할 수 있다. 시상수는 공정의 응답속도를 대변하고, 시간지연은 공정출력이 공정입력에 대해 최초로 응답하는데 까지 걸리는 시간을 대변하고, 이득은 정상상태에서 공정입력 변화량에 대한 공정출력의 변화량비(공정 민감도)를 대변한다. 이 세가지 모델 파라미터를 전달함수로 표현하면G(s)= {ke ^{- theta s}} over {tau s+1}과 같다. 이를 일차시간지연모델이라고 한다.③PID튜닝PID 제어의 장점은 몇가지 Parameter의 값을 잘 선택하므로써, 다양한 공정 응용분야에서 원하는 동작을 얻을 수 있도록 그 제어기를 조정하여 사용할 수 있다는 것이다. 이 Parameter에 대한 적당한 값을 결정하는 것을 제어기의 Tuning이라 한다. 제어기의 조정에 있어서, Loop 전체에 걸친 Gain이 제어기의 Gain을 결정한다. 즉, 제어기를 제외한 다른 모든 부분의 Dynamics(Time Constant, Dead Time)가 제어기 Parameter를 규정하여 주기 때문에 제어기의 조정전에 Loop 전체의 Dynamics에 대한 정량적인 정보를 얻어야만 한다.공정모델이 구해지고 나면 튜닝공식을 이용하여 PID제어기의 파라미터 값을 쉽게 정할 수 있다.그림 2. open loop system에서 MV의 변화로 인한 CV의 시간에 따른 변화MethodK_ctau_Itau_DCommentIMC{1} over {K} {2 tau + theta } over {2( lambda + theta )}tau + {theta } over {2}{tau theta } over {2 tau + theta }⇒ 단, λ>0.1τ,λ>0.8θ for PID,λ>1.7θ for PIDCLR{tau _{IOTA }} over {K( lambda + theta )}tau + {theta ^{2}} over {2( lambda + theta )}{theta ^{2}} over {6( lambda + theta )} [3- {theta } over {tau _{IOTA }} ]우리 연구실 개발MethodControllerK_ctau_Itau_DZiegler-Nichois(Step)PID{1.2 tau } over {K theta }2 theta 0.5 thetaCohen & CoonPID{1} over {K _{p}} {tau } over {theta } ( {16+3 theta } over {12 tau } )theta {32+6 theta / tau } over {13+8 theta / tau }{4 theta } over {11+2 theta / tau }3. 실험 장치4. 실험순서[1주차 System Identification & Process modeling]① Pronomicon-Bridge 실행 후 Program Start, Scan Data 순서로 클릭한다.② Pronomicon-Automation 실행 후 Scan Start 클릭한다.③ Automation에서 Set Value 클릭한다.④ Secondary PID 제어기를 Manual에서 Auto로 동작시키기 위해 AM000을 0에서 1로 바꾼다.⑤ SV000을 60 입력하고 정상상태까지 기다린다. (5분)⑥ Automation에서 Graph 켜고 Update Graph 클릭하여 정상상태 확인한다.

자연과학| 2021.11.21| 6페이지| 1,500원| 조회(167)

화학공학실험, 공정제어, 예비, PID제어, 다단액위제어

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