KR970005553B1 - Pid controller - Google Patents
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Abstract
Description
제1도는 본 발명에 따른 PID 제어기의 개략적인 시스템 구성도.1 is a schematic system configuration diagram of a PID controller according to the present invention.
제2도는 본 발명에 따른 PID 제어기에 있어서, 비례, 미분, 적분 이득의 계산과 관련한 블록선도.2 is a block diagram relating to the calculation of proportional, derivative, and integral gains in a PID controller according to the present invention.
제3도는 본 발명의 PID 제어기에 의해 실시간 동조 PID 제어가 행해지는 매커니즘을 나타내 보이는 시스템 구성도.3 is a system configuration diagram showing a mechanism in which real-time tuning PID control is performed by a PID controller of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
11 : 시스템 동정부 12 : 동조부11: system coordination 12: coordination
13 : PID 제어부 14 : 대상시스템13: PID control unit 14: target system
31 : CPU부 32 : 메모리부31: CPU section 32: Memory section
33 : 제어대상 34 : A/D 컨버터33: control target 34: A / D converter
35 : D/A 컨버터 36 : 설정부35: D / A converter 36: setting part
37 : 표시부37: display unit
본 발명은 산업용 제어기에 많이 이용되고 있는 PID(Proportional Integral Derivative)제어기에 관한 것이으로서, 특히 PID제어기의 각 제어이득을 제어기가 스스로 동조시킴으로써 이득조정에 소요되는 인력 및 시간을 절감할 수 있고, 장비의 설치 시 조정된 이득을 계속 조정해 주지 않아도 직정 제어성능을 발휘할 수 있으며, 대상장치의 시변특성, 비선형성 및 주변환경에 관계없이 소망하는 성능을 얻을 수 있는 PID제어기에 관한 것이다.The present invention relates to a PID (Proportional Integral Derivative) controller, which is widely used in industrial controllers. In particular, the controller tunes each control gain of the PID controller by itself, thereby reducing manpower and time required for gain adjustment, and equipment It is possible to achieve linear control performance without continuously adjusting the adjusted gain when installing the controller, and to provide a PID controller that can achieve desired performance regardless of the time-varying characteristics of the target device, nonlinearity, and the surrounding environment.
오늘날, 각종 산업분야에서 광범위하게 응용되고 있는 자동제어가 실용화되기 시작한 것은 18세기 말엽 제임스 와트(James Watt)에 의해 개발된 원심조속기(遠心調速機)를 써서 기관의 회전수를 제어한 것이 자동제어의 시초라 할 수 있다. 그후 수백년에 걸쳐 자동제어는 서서히 발전되어 오다가 2차대전 이후에 자동제어 또는 귀환제어공학(歸還制御工學)이라는 이름아래 학문적으로 체계화되고, 실용화되어 오늘날과 같이 산업의 모든 분야에 적용되고 있는 실정이며, 최근에는 컴퓨터를 자동제어의 한 제어요소로 사용하는 단계에까지 이르고 있다.Nowadays, automatic control, which is widely applied in various industrial fields, has been put into practical use by controlling centrifugal speed governor developed by James Watt in the late 18th century. This is the beginning of control. Over the next hundred years, automatic control gradually developed, and after World War II, under the name of automatic control or feedback control engineering, it was academically systemized, put into practical use, and applied to all fields of industry as it is today. In recent years, it has reached the stage of using a computer as a control element of automatic control.
이와 같은 자동제어는 개회로제어계(open-loop control system)로서 출력변수를 일단 귀환시켜 명령신호와 비교시킬 귀환장치가 구비되어 있지 않은 시이퀀스 제어(sequential control)와 폐회로제어계(closed-loop control system)로서 출력변수를 일단 귀환시켜 명령신호와 비교시킬 귀환장치를 구비하고 있는 귀환제어(feedback control)로 크게 나눌 수 있다.Such automatic control is an open-loop control system, which is a sequential control and closed-loop control system that is not equipped with a feedback device to return an output variable to a command signal once. Can be largely divided into feedback control, which has a feedback device for returning an output variable to be compared with a command signal.
그리고, 귀환제어는 다시 제어량의 종류, 목표값의 시간적 성질, 제어장치의 에너지, 그리고 제어동작에 의해 각각 다양하게 분류된다.The feedback control is again classified into various types by the type of control amount, the temporal nature of the target value, the energy of the control device, and the control operation.
여기서는 제어동작에 의한 분류를 살펴보기로 한다.Here, the classification by the control operation will be described.
제어동작이란 어떤 동작신호에 따라 조작량을 제어대상에 주어 제어편차를 감소시키는 동작을 말하며, 이 동작에 따라 연속동작과 불연속동작으로 크게 나누어 진다.The control operation refers to an operation of reducing a control deviation by giving an operation amount to a control object according to a certain operation signal. The control operation is divided into a continuous operation and a discontinuous operation according to this operation.
연속동작은 제어동작이 연속적으로 행하여 지는 제어로서, 조작량이 동작신호에 대해서 연속적으로 변화하므로 동작신호와 조작량 사이의 관계에 따라 다시 다음과 같이 분류된다.The continuous operation is a control in which the control operation is performed continuously, and since the operation amount continuously changes with respect to the operation signal, it is classified as follows again according to the relationship between the operation signal and the operation amount.
즉, 비례동작(P동작 : proportional action), 미분동작(D동작 : derivative action), 적분동작(I동작 : integral action), 비례적분동작(PI동작 : proportional integral acton), 비례미분동작(PD 동작 : proportional derivative action), 비례적분미분동작(PID동작 : proportional integral derivative action)으로 나누어 진다.That is, proportional action (P action: proportional action), derivative action (D action: derivative action), integral action (I action: integral action), proportional integral action (PI action: proportional integral acton), proportional differential action (PD action) : proportional derivative action), and proportional integral derivative action (PID action).
이와 같은 연속동작 중에서 PID동작은 비례적분동작에 미분동작을 더 추가시킨 것으로, 큰 시정수가 있는 프로세서 제어 등에서 나타나는 오우버슈트(overshoot)는 미분동작에 의해 감소시킬 수 있고 적분동작에 의해 잔류편차를 없앨 수 있는 가장 높은 수준의 제어동작이라고 할 수 있다.Among these continuous operations, PID operation adds derivative operation to proportional integral operation. Overshoot, which is caused by processor control with large time constant, can be reduced by differential operation and residual deviation by integral operation. It is the highest level of control that can be eliminated.
따라서, 각종 산업용 설비 및 기계장치를 비롯하여 각종 군사장비 등에는 그와 같은 PID 동작을 적용한 PID 제어기가 광범위하게 이용되고 있다.Therefore, PID controllers employing such PID operations are widely used in various industrial facilities, machinery, and various military equipment.
그런데, 그와 같은 종래 PID제어기는 장비의 설치 시 조정된 제어 이득을 계속 조정해주지 않으면, 환경변화 및 대상장치의 성능변화에 대응할 수 없다는 점과, 제어기의 비례, 미분, 적분 각 제어이득을 조정(tuning)할 전문기술인력의 확보가 어렵다는 것이 문제점으로 지적되고 있다.However, such a conventional PID controller cannot cope with environmental changes and performance changes of the target device without continuously adjusting the control gains adjusted during the installation of the equipment, and adjust the control gains of the proportional, derivative and integral angles of the controllers. The problem is that it is difficult to secure specialized technical personnel to tune.
이러한 문제점들을 극복하기 위해서는 종래에는 실험식에 근거를 둔 지글러-니콜스(Ziegler-Nichols)방법, 주파수영역 동조방법 및 자기동조 방법이 개시되었다.In order to overcome these problems, a Ziegler-Nichols method, a frequency domain tuning method, and a self tuning method have been disclosed.
그러나, 이러한 방법들은 각각 다음과 같은 문제점을 안고 있다.However, each of these methods has the following problems.
지글러-니콜스방법은 실험을 통하여 계단파 입력에 대한 응답을 관찰한 후, PID이득에 대한 테이블을 참조하여 이득을 정하게 되나 비교적 단순한 모델을 근거로 테이블을 만들었기 때문에 부가적으로 미세조정을 해야 할 필요가 있다.The Ziegler-Nichols method observes the response to the stepped wave input through experiments, and then determines the gain by referring to the table of PID gains. However, since the table is made based on a relatively simple model, additional adjustment is required. There is a need.
주파수 영역에서의 동조방법은 릴레이를 이용하여 특정주파수를 인가하여 대상시스템의 동특성을 파악한 후, 이를 이용하여 제어기를 설정하게 된다.In the tuning method in the frequency domain, a specific frequency is applied by using a relay to determine the dynamic characteristics of the target system, and then the controller is set using the same.
따라서, 부가적인 릴레이 회로가 필요하며 제어 시스템을 가동하기 전에 소정의 기간 동안 테스트해야 하는 번거로움이 있다.Thus, additional relay circuits are required and cumbersome to test for a predetermined period of time before operating the control system.
그리고, 자기동조 방법은 반복적으로 시행되는 싸이클 단위로 동조계산을 일괄처리하므로 한 개의 싸이클을 시행하는 도중의 시스템의 상태변화는 대응하기 어렵다는 것이 단점으로 지적되고 있다.In addition, the self-tuning method batches the tuning calculations in cycles that are repeatedly performed, and thus, it is pointed out that it is difficult to cope with the state change of the system during one cycle.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 감안하여 창출된 것으로서, 제어기가 스스로 제어이득을 동조시키고, 조정된 이득을 계속 조정해주지 않아도 환경변화 및 대상장치의 성능변화에 적절히 대응하여 작동함은 물론 제어 대상의 시변 특성이나 비선형 특성에도 대응할 수 있는 PID 제어기를 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above problems, and the controller operates in response to the change in the environment and the performance of the target device as well as the control target even though the controller does not adjust the control gain by itself and continuously adjusts the adjusted gain. It is an object of the present invention to provide a PID controller that can cope with time-varying or nonlinear characteristics.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 PID 제어기는, 대상 시스템의 동특성을 파악하는 시스템 동정부와, 그 대상 시스템의 동특성으로부터 제어이득을 결정하는 동조부와, 상기 동조부로부터 얻어진 제어이득과 현재의 제어오차로부터 제어 입력을 산출하는 PID 제어부를 구비하여서 된 점에 그 특징이 있다.In order to achieve the above object, a PID controller according to the present invention includes a system identification unit for identifying dynamic characteristics of a target system, a tuning unit for determining a control gain from the dynamic characteristics of the target system, and a control gain obtained from the tuning unit. This feature is characterized by having a PID control section for calculating a control input from the current control error.
이와 같이 구성된 본 발명의 PID 제어기는 동조부에 의해 각 제어이득을 스스로 동조시키게 되므로 이득조정에 소요되는 인력과 시간을 절약할 수 있는 이점이 있다.The PID controller of the present invention configured as described above has an advantage of saving manpower and time required for gain adjustment because each control gain is tuned by the tuning unit.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제1도는 본 발명에 따른 PID 제어기의 개략적인 시스템 구성도이다.1 is a schematic system configuration diagram of a PID controller according to the present invention.
이를 참조하면, 본 발명의 PID 제어기는 크게 시스템동정부(1), 동조부(12) 및 PID 제어부(13)로 구성된다.Referring to this, the PID controller of the present invention is largely composed of a system identification part 1, a tuning part 12, and a PID control part 13.
시스템동정부(11)는 대상 시스템(14)의 동특성을 파악하는 시스템요소로서, 축차 최소오차자승법(recursive least square method)에 의하여 대상 시스템(14)의 계수들을 산출하는 기능을 가진다.The system identification part 11 is a system element which grasps the dynamic characteristic of the target system 14, and has a function of calculating the coefficients of the target system 14 by the recursive least square method.
여기서, 축차 최소오차자승법의 알고리즘(algorithm)을 수식으로 표현하면 다음과 같다.Here, the algorithm of the sequential least error squared method is expressed as an equation.
상기의 알고리즘은 k=1,2,………,n에 대하여 축차적으로 계산하게 된다. 여기서, θ는 파라미터벡터, ^는 추정치를 의미한다.The algorithm above k = 1,2,... … … Calculate sequentially for n. Is the parameter vector and ^ is an estimate.
동조부(12)는 대상시스템의 계수 즉, θ 및 성능설정부의 시상수로부터 PID 제어부(13)의 비례, 미분, 적분이득을 계산하는 기능을 가진다. 이 계산을 위해, 먼저 c1, c2, c3라는 제어이득을 정의하기로 한다. 그리고 제2도와 같은 페루우푸 시스템을 생각해 본다. 페루우프 시스템이 사용자가 결정한 시상수(Tc)에 해당되는 응답특성을 갖기 위해서는 PID제어부(13)와 대상시스템(14)의 전달함수의 곱이 다음과 같이 결정되어야 한다.The tuning unit 12 has a function of calculating the proportionality, derivative, and integral gain of the PID control unit 13 from the coefficients of the target system, that is,? And the time constant of the performance setting unit. For this calculation, we first define the control gains c1, c2 and c3. And think of the Perupu system like Figure 2. In order to have a response characteristic corresponding to the time constant Tc determined by the user, the Peruuf system needs to determine a product of the transfer function of the PID controller 13 and the target system 14 as follows.
상기의 조건으로부터 c1, c2, c3는 다음과 같이 정해진다.From the above conditions, c1, c2, and c3 are determined as follows.
c1=1/Tcb1, c2=a1/Tcb1, c3=a2/Tcb1………………………………………(1)c1 = 1 / T c b1, c2 = a1 / T c b1, c3 = a2 / T c b1... … … … … … … … … … … … … … … (One)
그러나, a1, a2, b1은 계수로서 실제로 정확한 값을 알지 못하고 대상 시스템(14)의 상태에 따라 시시각각 변화할 수 있으므로 시스템 동정부(11)에서 얻은 계수들의 추정치를 이용하여 상기 (1)식을 풀어야 한다.However, since a1, a2, and b1 are coefficients and may actually change depending on the state of the target system 14 without knowing the exact values, the equation (1) is obtained by using the estimates of the coefficients obtained from the system identification section 11. It must be solved.
따라서, 그때의 최종 수식은 다음과 같이 나타내어 진다.Therefore, the final formula at that time is expressed as follows.
한편, PID제어부(13)는 상기 식(2)와 같이 동조부(12)로부터 얻어진 적정 이득과 현재의 제어오차로부터 제어입력을 다음과 같이 계산하게 된다.On the other hand, the PID control unit 13 calculates the control input from the appropriate gain obtained from the tuning unit 12 and the current control error as shown in Equation (2) as follows.
여기서, u(k), e(k)는 각각 제어입력, 제어오차이다.Where u (k) and e (k) are control inputs and control errors, respectively.
그러면, 이상과 같이 구성된 본 발명에 따른 PID 제어기의 작동관계에 대해 제3도를 참조하면서 설명해보기로 한다.Then, the operation of the PID controller according to the present invention configured as described above will be described with reference to FIG.
제3도는 본 발명의 PID 제어기에 의해 실시간 동조 PID 제어가 행해지는 매커니즘을 나타내 보인 시스템 구성도이다.3 is a system configuration diagram showing a mechanism in which real-time tuning PID control is performed by the PID controller of the present invention.
이를 참조하면, 설정부(36)를 통하여 사용자가 원하는 목표치(r) 및 시상수(Tc)를 중앙처리장치부(CPU부 : 31)에서 입력받게 된다.Referring to this, the setting unit 36 receives the target value r and the time constant T c desired by the central processing unit (CPU unit) 31.
이때 제어 대상(33)에 대한 아무 정보도 없는 경우, 초기 제어이득 값은 매우 작은 값들로서 설정시켜 놓게 된다.At this time, if there is no information on the control target 33, the initial control gain value is set as very small values.
먼저, 사용자가 설정한 목표치(r)에 대하여 기동을 시작한다.First, start-up is started with respect to the target value r set by the user.
그런 후, A/D컨버터(34)를 통하여 제어대상(33)의 출력 y(k)를 읽어 들여, 목표치 r(k)와의 차이인 오차 e(k)를 산출하고, 메모리부(32)에 저장하게 된다.Thereafter, the output y (k) of the control target 33 is read through the A / D converter 34 to calculate an error e (k) which is a difference from the target value r (k), and the memory unit 32 is read. Will be saved.
그런 다음 제어대상(33)의 제어성능을 검토하여 설정 성능과 많은 차이가 있는 경우, 중앙처리장치부(31)에서 축차 최소오차승법에 의하여 제어 대상(33)의 계수들(a1,a2,b1)의 추정치를 산출한다.Then, when the control performance of the control target 33 is examined and there is a large difference from the setting performance, the coefficients a1, a2, and b1 of the control target 33 by the sequential least error method in the central processing unit 31. Calculate the estimate of.
제어대상(33)의 계수 a1,a2,b1의 추정치로부터 상기 식(2)를 이용하여 PID 제어부(13)의 이득(c^1,c^2,c^3)을 계산하고, 메모리부(32)에 저장한다.From the estimated values of the coefficients a1, a2, b1 of the control object 33, the gain c ^ 1, c ^ 2, c ^ 3 of the PID control unit 13 is calculated using the above equation (2), and the memory unit ( 32).
그런 후, 메모리부(32)로부터 이득 및 제어오차 e(k), e(k-1) 및 e(k-2) 등을 읽어들이고, 식(3)을 이용하여 제어입력 u(k)를 계산한다.Thereafter, gain and control errors e (k), e (k-1) and e (k-2) and the like are read from the memory unit 32, and the control input u (k) is obtained using equation (3). Calculate
u(k)가 얻어지면 D/A 컨버터(35)를 통하여 새로운 제어입력 u(k)를 제어 대상(33)에 인가하고, r, y, u 등의 정보를 표시부(37)를 통하여 디스플레이한다.When u (k) is obtained, a new control input u (k) is applied to the control object 33 through the D / A converter 35, and information such as r, y, u and the like are displayed on the display unit 37. .
이와 같은 일련의 시스템 작동은 수차례 반복하여 실시되며, 그 과정에서 제어이득이 동조부에서 자동으로 조정된다.This series of system operations is repeated several times, during which the control gain is automatically adjusted by the tuning unit.
이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 PID 제어기는 각 제어이득을 제어기 내의 동조부에서 스스로 동조시키게 되므로 이득조정에 소요되는 인력과 시간을 절감할 수 있고, 장비의 설치 시 조정된 이득을 계속하여 조정해 주지 않아도 적정 제어성능을 보장받을 수 있을 뿐만 아니라, 대상장치의 시변특성, 비선형성(동작점의 변경에 따른 특성변화) 및 주변환경의 변화에도 불구하고 소망하는 성능을 얻을 수 있어 비숙련자가 대상시스템을 용이하게 유지관리할 수 있다.As described above, the PID controller according to the present invention tunes each control gain by the tuning unit within the controller, thereby reducing manpower and time required for gain adjustment, and continuously adjusting the gain adjusted during installation of the equipment. In addition to ensuring proper control performance, the non-skilled person can obtain desired performance in spite of the time-varying characteristics of the target device, nonlinearity (change of characteristics due to the change of operating point), and changes in the surrounding environment. The target system can be easily maintained.
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