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PI Controller 실험보고서

강산-강염기 중화반응을 통한PI Controller의 역할 분석실험일 :제출일 :담당교수 : 교수님학번 :이름 :AbstractIn every chemical process, Process control is very important. Not properly controlled process can’t success its purpose and also it can cause serious problem.For this purpose, we uses P, PI, PID, PD-mode controller. And we use PI controller for this experiment. It is appropriate controller in case of Strong Acid-Strong base neutralization reaction.In Strong Acid-Strong base neutralization reaction, neutralization curve goes high rapidly at neutralization point, so we used buffer. We used HNO3 for acid, NaOH for base.In experiment, we did Open Loop Test first. Open Loop Test is the Test which not using controller. So rpm never changed by controller. Purpose of this test is measuretau, K parameter by using IMC method. For that, we cause step change in input base rpm. After this test, we can also measuretau_c,tau_I, Kc.Finally we did Close Loop Test. in contrary Open Loop test, Close Loop Test use controller. In the te------------------------------------------125. 결론 및 오차분석---------------------------------------------------175.1. 결론------------------------------------------------------------175.2. 오차분석---------------------------------------------------------18Nomenclature-------------------------------------------------------19References----------------------------------------------------------20그림 차례[그림 2.1] Process control----------------------------------------------1[그림 2.2]tau_I 값의 변화에 따른 Process 의 변화-----------------------------2[그림 2.3] Kc 값의 변화에 따른 Process의 변화-----------------------------3[그림 2.4] IMC method 의 Block diagram---------------------------------3[그림 2.5] 중화반응시 완충용액의 유무에 따른 pH 변화 그래프-----------------5[그림 3.1] 수조---------------------------------------------------------6[그림 3.2] 펌프---------------------------------------------------------7[그림 4.1] 염기 Rpm의 Step change--------------------------------------9[그림 4.2] pH 의 변화---------------------------------------------------9[그림 4.3] Clos 할 수 있는 전압, 전류, 유압 등의 신호로 변환시키는 장치이다. 이 실험에서는 PH meter를 센서로서 사용한다.2.5. IMC method[그림 2.4] IMC method 의 Block diagram이 실험에서는 각 mode의 parameter를 tuning 하는 방법으로 IMC method를 사용한다. 이는 내부모델인 G(s)를 가정하여 Parameter 들을 tuning 하는 방법이다.이것의 Block Diagram인 [그림 2.4]에서 관계식을 정리하면K_c}= tau over {K tau_c} ,tau_I = tau라는 관계를 알 수가 있다.이때 Open Loop Test를 통해tau를 결정 할 수 있다. Open Loop Test 도위의 식을 구할 때 가정한 시간지연이 없는 1st-order model 이므로, 앞서의 전달함수를 이용한다. Input이 Step Function 이므로, input은y(t)= KM(1-e^{- t over tau })로 나타난다.t= tau 일 때, 위 식을 정리하면y(tau)= 0.6321 KM이므로,tau 값은 Open Loop 상태에서 안정화 되었을 때의 값의 63.21% 까지 도달 하는데 걸리는 시간이라는 것을 알 수 있다.2.6. 산 염기의 중화 공정이 실험은, 강산(HNO3)을 일정한 RPM으로 넣으면서 강염기(NaOH)의 유량을 조절하여 산-염기 중화공정을 제어하는 것이다. 강산과 강염기가 반응할 때는, 중화점 근처에서는 용액의 미세한 변화에도 pH가 급격히 변한다. 따라서, 이를 완화시키기 위해 완충용액인 NaHCO3를 사용한다. 완충용액의 평형반응 식과 완충용액의 유무에 따른 유량과 pH 변화 비교 그래프는 아래의 [그림2.5]와 같이 나타난다.H_2 CO_3 = HCO_3 ^- + H^+HCO_3^- = CO_3^2- + H^+H _{2} O= OH ^{-} +H ^{+}[그림 2.5] 중화반응시 완충용액의 유무에 따른 pH 변화 그래프이 그래프를 살펴보면, 완충용액의 유무에 따라, pH 변화가작시간을 0라 하고 정한 시간이다. 이에서 측정기는 매 2초마다 측정을 했음을 알 수 있다. 위의 [표 4.1]은 [그림 4.2]의 그래프에서 step change 가 실시되기 이전, Steady 상태인 868초 부근의 데이터이다. 위 데이터를 보면 그래프상으로 거의 Steady를 나타내는 평행 상태이며 염기의 rpm이 50으로 고정되어 있음에도 pH가 고정되지 않고, 계속 변하고 있는 것을 볼 수 있는데, 이는 측정장치에서 측정할때의 상태가 완전교반 상태가 아니기 때문이며, 또한 센서의 정확도, 펌프 자체의 기계적인 문제로 인해 산/염기/버퍼의 유량이 고르지 못할 수 있기 때문이다.이제K와tau 를 계산하기위해 steady state 에 도달했다고 생각되는 750초 에서부터 step change 실시 전인 876초 까지의 pH를 평균을 내면 pH=3.778966 이다.이제 염기의 유량을 [그림4.1]에서 나오는 것처럼 50rpm에서 80rpm으로 Step change를 실시하고 pH가 Steady state에 도달할 때 까지 기다린 뒤, Steady state에 거의 도달했다고 생각되는 부분에서 평균을 낸다.이를 위의 [그림 4.2]에서 살펴보면, 경과시간이 2000초 무렵부터 그래프가 Steady state에 도달해 있는 것을 볼 수 있다. 따라서 2000초부터 Open Loop Test를 종료하고 Close Loop Test를 시작하는 시점인 2370초까지의 pH Data를 평균을 낸다.그러면 pH=10.15881 이다.현재시각Set Point현재 pH염기 rpm염기 유량경과시간192437710.1511980339.2*************.1340480339.2*************.1095380339.2*************.1524280339.2*************.1230180339.2*************.1585480339.2*************.1609980339.2*************.1781580339.22014………………Open Loop 상태에서의 값인 50rpm 으로 수렴해 가는 것이 보인다. 그러나 이 상태로 둘 경우 Set point로 가는 경과시간이 너무 많이 걸리기 때문에,K_c와tau_I 를 실험자가 임의로 변경하였다. [그림 4.4] 가K_c와tau_I 를 변경한 현황을 그래프로 나타낸 것이며, [그림 4.5] 는 그에 따른 염기 Rpm의 변화량, [그림 4.3] 은 그에 따른 pH 의 변화를 나타낸 그래프이다.[그림 4.5] 염기의 rpm 변화량이제 [그림 4.4]에서 나타난K_c 와tau_I 의 움직임을 보기 좋게 표로서 정리하면 다음의 [표 4.5]와 같다.이제 [그림 4.3], [그림 4.5]와 [표 4.5]를 비교해 보자. 최초 시점에서 Open Loop 때의 pH 인 10에서 pH는 감소하기 시작한다. 자동적으로 컨트롤러는 염기의 rpm을 높여서 Set Point인 pH 7 로 맞추려고 한다. 최초로 실험자가 변화를 주기 전인 2492초 까지 염기의 Rpm과 pH는 적은 진폭으로 점진적으로 pH7 에 가까워진다. 그러나, 초기상태에선 빠르게 감소하나 점차 pH 7 에 가까워질수록 Set Point 로 가는 속도가 느려지므로,K_C 와tau_I 에 변화를 가한다. 최초의 변화인 2492초에서는K_C를 48로 소폭 상승시켰으나, 이정도 변화폭으로는 큰 변화를 볼 수 없다는 실험자의 판단으로 2510초부터K_C 를 100 으로 급격히 상승시켰다. 이때부터 pH와 염기 rpm이 크게 Oscillate 하기 시작한다.시간KcTi2****************************************************3502****************************************************0*************30100[표 4.5]그러나 pH의 Oscillate는 증가하였으나, Set Point 로 이동하는 폭은 생각보다 크지 않았으므로, 실험자는 2620초에K_C를 150까지 증가시켰다. 이에 pH의 이동속도는 증가하였으나, .

공학/기술| 2011.11.24| 25페이지| 2,000원| 조회(207)

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