계단식 제어 원리 및 응용

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계단형 제어 원리 및 응용: 윈난 창후이 계측기 제조 유한회사는 실제 사례를 통해 계단형 제어 원리, 계단형 제어용 계측기의 선정 방법, 그리고 계단형 제어 시스템의 파라미터 설정 방법을 설명합니다. 산업 현장에서 계단형 제어를 사용하는 목적은 외부 요인에 대한 반응을 개선하고 부하의 제어 범위를 제한하기 위함입니다. 1. 피드백 제어를 통한 외란 반응 개선: 온도 조절기를 이용한 측정 제어의 목적은, 제어 대상의 상태(측정된 온도)가 목표 값(온도 설정값 등)으로 빠르게 수렴하도록 하는 것입니다. 어떠한 외란이 발생하더라도, 목표 값과 제어 대상의 상태 사이의 차이를 항상 0으로 만듭니다.그렇다면, 피드백 제어는 왜곡에 의해 발생하는 제어 상태의 혼란을 어떻게 억제하는 걸까요?그림 1에 나타난 바와 같이, 온도 조절기를 이용하여 약액의 온도를 제어하는 경우를 예로 들어 설명하겠습니다. 그림 1 단순 피드백 제어 시스템
단순 피드백 제어 시스템의 구성 요소:
1. 현장 센서
2. 액추에이터(조절 밸브, 주파수 변환기 등)
3. 단일 회로 온도 조절기

온도 제어와 같이 지연 시간이 긴 작업 환경에서는, 인공지능이나 퍼지 제어 알고리즘이 내장되어 있으며 자동 조정 기능도 갖춘 조절기를 사용하는 것이 좋습니다. 이를 통해 지연 시간이 긴 상황에서도 과조절이나 미조절이 발생하지 않도록 할 수 있습니다. 이 단순한 온도 피드백 제어 시스템은 밸브의 개도를 조절하여 증기의 유량을 변화시킴으로써 약액의 온도를 제어하는데, 교란 요인으로는 증기의 온도 변화, 증기의 압력 변화 등이 있다.만약 이 제어 시스템에 이러한 왜곡이 발생할 때 피드백 제어를 사용한다면, 이러한 영향들이 약액 온도의 변화로 나타나기 전까지는 온도 조절기를 통해 보정 작업을 수행할 수 없으므로, 왜곡으로 인해 생긴 혼란스러운 반응을 신속하게 줄이기가 어렵습니다. 그림 2 증기 온도가 하강할 때의 반응 2. 프론트엔드 제어와 병용하여 왜곡에 대한 반응 개선하기 앞서 설명한 그림 1의 제어 시스템에서, 증기 온도의 변화를 측정할 수 있고, 그 변화에 따라 필요한 적절한 보정량(개도 출력 MV)을 명확하게 알 수 있다면, 프론트엔드 제어와 함께 사용함으로써 단순히 피드백 제어만을 사용할 때보다 증기 온도의 변동으로 인한 영향을 더 잘 개선할 수 있다. 그림 3 피드포워드 제어 시스템의 구성 요소들
피드포워드 제어 시스템을 구성하는 장비들은 다음과 같습니다:
1. 현장 센서
2. 액추에이터(조절 밸브, 주파수 변환기 등)
3. 단일 회로 PID 조절기
온도 제어와 같이 지연 시간이 긴 경우에는, 인공지능이나 퍼지 제어 알고리즘이 내장된, 자동으로 조정되는 조절기를 사용하는 것이 좋습니다. 이렇게 하면 지연 시간이 긴 상황에서도 과조절이나 미조절이 발생하지 않습니다.
4. 덧셈/뺄셈 연산 모듈
그림 3은 피드포워드 제어 시스템을 나타냅니다. 증기의 온도를 감지하며, 증기 온도가 변할 때 이를 신속하게 보정할 수 있습니다. 따라서 증기 온도의 변동으로 인한 문제를 최소화할 수 있습니다. 하지만 약액의 온도는 증기 유량의 영향을 받지 않기 때문에, 일반적으로 증기 유량(교란과 온도 과정의 상태 변화 간의 관계)을 정확하게 파악하는 것이 어렵으며, 프론트엔드 제어를 함께 사용하여 제어 성능을 개선하는 데에도 한계가 있습니다.또한 그림 3의 피드포워드 제어 시스템은 증기 온도만 보상하기 때문에, 증기의 압력 변동에는 아무런 영향을 미치지 않습니다. 3. 계단식 제어를 통한 외란에 대한 반응 개선
그림 1에 나타난 제어 시스템에서 가정된 외란은 “증기 온도의 변화”와 “증기 압력의 변화”입니다. 어떤 경우든 이러한 변화는 주입되는 약액에 공급되는 에너지의 변화로 나타나며, 그 결과 약액의 온도가 변하게 됩니다. 따라서, 증기의 온도나 압력이 변동하더라도 증기가 약액에 공급하는 에너지가 일정하게 유지된다면, 약액의 온도도 일정한 값을 유지할 수 있을 것입니다. 이러한 관점에서, 약액에 에너지를 공급하는 약액 탱크의 하부 온도를 측정하여, 그 값을 제어 회로에 입력해 제어하는 시스템입니다. 그림 4: 계단식 제어 시스템의 구성
계단식 제어 시스템의 센서 및 액추에이터 구성은 다음과 같습니다:
1. 현장 센서
2. 액추에이터(조절밸브, 주파수 변환기 등)
3. 단일 회로 PID 조절기
온도 제어와 같이 지연 시간이 긴 경우에는, 인공지능이나 퍼지 제어 알고리즘을 갖춘 자동 조정 기능이 있는 조절기를 사용하는 것이 좋습니다. 이를 통해 지연 시간이 긴 상황에서도 과조절이나 부조절이 발생하지 않도록 할 수 있습니다.
4. 외부 설정값 조절기
그림 4와 같이 두 개의 조절기가 연결되어 작동하는 경우, 한 조절기의 출력값이 다른 조절기의 설정값으로 사용됩니다. 이러한 방식을 “계단식 제어”라고 하며, 그 작동 원리는 다음과 같습니다: 마스터 조절기는 “약액의 온도”를 목표 온도로 만들기 위해 “약액 탱크 하부의 온도”를 결정하여 슬레이브 조절기에 목표 온도를 전달합니다.온도 조절기 SLAVE(종속형)는 “약액 탱크 하부의 온도”를 온도 조절기 MASTER(주형)가 결정하는 목표 온도로 만들기 위해 “개도 출력”을 결정하는 역할을 합니다. 그림 5: 계단식 제어 회로의 블록 다이어그램
SV: 약액의 목표 설정 온도
FL: 증기의 유량
SVs: 약액 탱크 하부의 목표 설정 온도
PVS: 약액 탱크 하부의 실제 측정 온도
MV: 유량 제어 밸브의 개도 출력값
PV: 약액의 실제 측정 온도
G1: 증기 유량에 따른 약액 탱크 하부 온도의 반응 특성
G2: 약액 탱크 하부 온도에서 약액 온도 측정점까지의 반응 특성

계단식 제어 시스템에서는 증기의 온도나 압력이 변하면, SLAVE(종속) 컨트롤러가 이 변화를 약액 탱크 하부의 온도 변화로 감지합니다. 그리고 MASTER(주) 온도 제어기에서 나오는 약액 탱크의 목표 설정 온도와의 온도 차이를 “0”으로 만들기 위해 조절 밸브의 개도를 조절합니다. 이를 통해 그림 1의 단순한 피드백 제어 시스템보다 더 빠르게 외부 요인으로 인한 온도 변동을 억제할 수 있습니다. 그림 6 4. 계단식 제어를 통한 부하의 제어 범위 제한 그림 7 단일 회로 온도 제어 시스템 그림 8 계단식 온도 제어 시스템 만약 출력값 MV를 100%로 설정할 경우, 히터가 손상될 수 있습니다. 히터의 온도를 600℃ 이하로 유지하여 사용하려면 그림 8의 순차 제어가 필요합니다. 부속 온도 컨트롤러의 입력 범위를 0-600℃로 설정하고자 한다면, 주 온도 컨트롤러가 출력하는 MV가 0%-100%가 되도록 하면, 이는 부속 온도 컨트롤러의 목표값 SV가 0-600℃가 되는 것과 같아서 히터의 온도를 600℃ 이하로 유지할 수 있습니다. 5. 계단형 제어 요약 계단형 제어가 왜곡에 대한 응답 특성을 개선하는 원리를 이해하셨나요? 그림 9 순차 제어 회로의 블록도 그림 9에 나타난 바와 같이, 순차 제어의 제어 회로는 2개가 있습니다. 피드백을 통해 제어되는 변수(PV)를 다루는 회로를 “MASTER(주) 회로”라고 하며, “MASTER(주) 회로” 내부에 위치하는 회로를 “SLAVE(종속) 회로”라고 합니다. 6. 계단식 제어에서 우수한 제어 효과를 얻으려면 다음 조건들이 충족되어야 합니다. ① 종속 회로를 구성할 수 있어야 합니다. ②교란은 종속 회로 내에서 발생합니다. ③주측 제어 대상의 응답 속도 지연에 비해, 종속측 제어 대상의 응답 속도는 느리지만 지연은 작다. 주의해 주십시오. 위와 같은 조건이 아닐 경우, 주 회로 내에서 발생하는 교란 등에 대해 계단형 제어는 교란에 대한 반응을 효과적으로 개선할 수 없으며, 좋은 제어 효과를 얻을 수 없습니다. PID 파라미터를 능숙하게 조정하여 자동 제어 시스템을 자동 모드로 전환할 수 있는 것은 엔지니어의 자동화 기술 수준을 나타내지만, 많은 사람들이 실제로 PID 제어와 PID 파라미터 조정을 제대로 숙달하지는 못하고 있습니다.