KR0124036B1 - Method and apparatus for parameter adjusting of process controller - Google Patents
Method and apparatus for parameter adjusting of process controllerInfo
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Abstract
본 발명은 공정제어기의 파라메터 조정방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 필터(F)와 특징량 산출부(C), 동조 파라메터계산부(T), 제어기이득추출부(C), 신호분석부(S) 및 그래픽모니터(M)로 이루어진 동조기를 구비하여 입력신호와 플랜트(Plant)의 출력신호를 동조기로 인가하여 현재 상태를 판별하고 PI제어기의 P.I 이득값을 구하여 모니터링 함으로써 공정 제어계 신호의 상태를 보고 현재 제어계가 과거에 비해 어떻게 변하여 가며 얼마만큼 변했는지 알 수 있고, 이득변경시 얼마만큼의 제어가 향상되었는 지를 알 수 있다. 또한 산업계 제어기의 동조에 있어서 기존의 숙련조업자가 시행착오법으로 오랜시간과 노력을 들어서 하는 것을 신속하게 동조하여 생산성 향상을 도모할 수 있는 것이다.The present invention relates to a parameter adjusting method and a device of the process controller, the filter (F) and the feature amount calculation unit (C), the tuning parameter calculation unit (T), the controller gain extraction unit (C), the signal analysis unit (S) And the graphic monitor (M), and the input signal and the output signal of the plant (Plant) is applied to the tuner to determine the current state and obtain the PI gain value of the PI controller and monitor the status of the process control system signal You can see how the current control system has changed and how much has changed compared to the past, and how much control has been improved when the gain is changed. In addition, in the coordination of industrial controllers, the existing skilled workers can try to improve productivity by quickly tuning the time and effort by trial and error.
Description
본 발명은 각종 공정제어계의 정확한 상태판정 및 제어계의 주변여건의 변화에 따른 제어기의 이득 변경이 필요시 그 값을 제시하여 조정할 수 있도록 동조기를 이용하여 공정제어기의 파라메터를 조정하는 공정제어기의 파라메터 조정방법 및 그 장치에 관한 것이다.The present invention is to adjust the parameters of the process controller to adjust the parameters of the process controller using a tuner so that it is possible to present and adjust the value of the controller according to the accurate status determination of the various process control system and the change of gain of the controller according to the change of the surrounding conditions of the control system. A method and apparatus therefor.
일반적으로 산업공정에서는 제어계의 주변여건 변화(설비의 노후화, 외부노이즈, 부품의 열화 등)에 신속하게 대처하는 것이 제품의 품질과 생산성에 많은 영향을 미치게 된다. 제어정도를 향상시키기 위해서는 현재 제어계의 상태를 분석해야 하고, 그 설비에 적합한 제어기의 이득을 결정해 주어야 한다. 산업현장에 설치되어 있는 대부분의 제어기는 P.I형이고 이들의 이득값은 숙련된 기술장 의하여 시행착오법으로 조정되고 있다. 이 경우 많은 시간과 노력이 필요하다고 하는 문제점 뿐만 아니라, 많은 루프를 가진 공정을 조정하는 것이 사실상 어렵다고 하는 문제가 있다. 따라서, 제어기의 상태를 판정하고 그에 따라 제어기의 조정을 쉽게하는 기술이 필요하며, 이에 따른 시간과 노력의 절감은 생산상 향상에도 매우 크게 작용한다.In general, the rapid response to changes in the ambient conditions of the control system (deterioration of equipment, external noise, deterioration of components, etc.) has a great impact on product quality and productivity. In order to improve the control, it is necessary to analyze the current state of the control system and determine the gain of the controller suitable for the equipment. Most controllers installed in industrial sites are of type P.I and their gains are adjusted by trial and error by skilled technicians. In this case, not only does it require a lot of time and effort, but it is also difficult to adjust a process with many loops. Therefore, there is a need for a technique for determining the state of the controller and thus facilitating the adjustment of the controller, and thus saving time and effort also greatly improves production.
따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 각종 제어시스템의 상태를 분석하여 제어기의 이득조정이 필요한 경우, 신속하게 적합한 이득값을 제시하여 이득조정에 따른 시간을 단측할 수 있는 공정제어기의 동조 파라메터 조정방법 및 그 장치를 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.Therefore, the present invention has been invented to solve the above problems, and when the gain adjustment of the controller is required by analyzing the state of various control systems, a process that can quickly measure the time according to the gain adjustment by promptly presenting a suitable gain value. It is an object of the present invention to provide a tuning parameter adjusting method and a device of the controller.
본 발명의 동조파라메터 조정방법은 필터(F)에서 설정된 신호를 입력받아 신호중 노이즈를 제거하는 단계와, 신호분석부(S)에서 필터링된 신호를 받아 각 신호의 상태를 알 수 잇는 값들을 계산하는 단계와, 특징량산출부(C)에서 동조를 위한 특징량을 산출하는 단계와, 제어기 이득추출부(G)에서 상기 계산값으로 부터 제어기의 이득값을 계산하는 단계와, 상기 신호분석값과 제어기의 이득값을 그래픽모니터(M)에 나타내는 단계를 포함하도로 구성되어진 것을 특징으로 한다.Tuning parameter adjustment method of the present invention receives the signal set in the filter (F) to remove the noise of the signal, and receives the filtered signal from the signal analyzer (S) to calculate the values that can know the state of each signal Calculating a feature amount for tuning in the feature amount calculating section C; calculating a gain value of the controller from the calculated value in the controller gain extracting section G; And displaying the gain value of the controller on the graphic monitor (M).
제1도는 본 발명을 채용한 공정제어계의 블록도.1 is a block diagram of a process control system employing the present invention.
제2도는 본 발명에 따른 동조기의 구성도.2 is a block diagram of a tuner according to the present invention.
제3도는 본 발명에 따른 동조기의 특징량추출을 위한 시험신호발생부 구성도.3 is a block diagram of the test signal generator for extracting the feature of the tuner according to the present invention.
제4도(a)(b)는 본 발명에 따른 PI제어기의 이득을 K,Ti의 소속함수로서 나타낸 그래프.Figure 4 (a) (b) is a graph showing the gain of the PI controller according to the present invention as the membership function of K, Ti.
제5도는 본 발명에 따른 PI제어기의 이득을 그래픽 처리하여 나타내는 모니터링화면이다.5 is a monitoring screen graphically showing the gain of the PI controller according to the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
A : A/D(Analog/Digital)보드 C : 특징량 산출부A: A / D (Analog / Digital) board C: Feature calculation unit
D : D/A(Digital/Analog)보드 F : 필터D: D / A (Digital / Analog) Board F: Filter
G : 제어기이득추출부 M : 그래픽 모니터G: Controller gain extractor M: Graphic monitor
P : P/C(동조기) S : 신호분석부P: P / C (Synchronizer) S: Signal Analysis Part
T : 동조 파라메터계산부T: tuning parameter calculator
이와같은 목적을 갖는 본 발명을 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.The present invention having such an object will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제1도는 본 발명의 방법을 채용한 공정제어계의 블록도이다. 제어기는 설정된 기준값(Ref.)을 입력하여 제어값(U)을 계산하고, 제어값(U)플랜트(Plant)(모터,압연기 등)를 구동한다. 이때 동조기는 기준값(Ref.)과 플랜트의 출력치(Output)를 받아서 현재 상태를 판별하고 PI제어기의 P.I 이득값을 제시한다. 또한 현재 제어기의 P.I 값을 동조기에 입력하면 동조기는 현상태에 적합한 새로운 P.I 이득값을 제시하고 제어기는 그 P.I 이득값을 받아서 보다 나은 제어값(U)을 플랜트로 출력한다. 제2도는 동조기의 구조를 나타낸 블록도이다. 먼저 필터(F)는 설정된 신호를 입력받아 신호중 노이즈(Noize )를 제거한 뒤, 필터링된 신호를 신호분석부(S)로 보내고 신호분석부(S)에서는 각 신호의 상태를 알 수 있는 값들을 계산하여 그래픽모니터(M)로 보낸다. 또한 특징량산출부(C)는 필터링된 신호로부터 동조를 위한 특징량을 산출한 뒤 이 산출값을 동조 파라메터 계산부(T)로 보내어 동조 파라메터계산을 하고 제어기 이득추출부(G)에서 제어기의 이득값을 최종적으로 계산하여 신호 그래픽모니터(M)로 보낸다. 그래픽모니터(M)는 신호분석값 및 이득산출값을 그래픽으로 나타내는 모니터링 부로서, 신호분석값과 제어기의 적절한 이득값을 표시하게 된다. 제 3도는 시험신호 발생부로서, 먼저 A는 A/D(Analog/Digital) 보드이다. 여기서는 플랜트로 부터 오는 아나로그 신호를 디지탈 신호로 바꾼뒤 동조기(P)에 입력된다. 동조기(P)는 특징량을 추출하기 위한 작업으로서 플랜트에 시험신호를 인가시키는 데, 그 크기와 시간은 조정이 가능하다. 동조기(P)에서 시험신호의 형태가 결정되면 이것을 D/A(Digital/Analog)보드(D)가 입력받아서 아나로그로 바꾼뒤 플랜트에 시험신호를 입력시킨다.1 is a block diagram of a process control system employing the method of the present invention. The controller calculates the control value U by inputting the set reference value Ref. And drives the control value U plant (motor, rolling mill, etc.). At this time, the tuner receives the reference value (Ref.) And the output value of the plant to determine the current state and presents the P.I gain value of the PI controller. In addition, when the P.I value of the current controller is input to the tuner, the tuner presents a new P.I gain value suitable for the current state, and the controller receives the P.I gain value and outputs a better control value (U) to the plant. 2 is a block diagram showing the structure of the tuner. First, the filter F receives the set signal, removes noise from the signal, sends the filtered signal to the signal analyzing unit S, and the signal analyzing unit S calculates values for knowing the state of each signal. To the graphic monitor (M). In addition, the feature amount calculating section C calculates the feature amount for tuning from the filtered signal and sends the calculated value to the tuning parameter calculating section T to calculate the tuning parameter, and the controller gain extracting section G Finally, the gain value is calculated and sent to the signal graphic monitor (M). The graphic monitor M is a monitoring unit that graphically displays the signal analysis value and the gain calculation value, and displays the signal analysis value and an appropriate gain value of the controller. 3 is a test signal generator, where A is an A / D (Analog / Digital) board. Here, the analog signal from the plant is converted into a digital signal and input to the tuner P. The tuner P applies a test signal to the plant as an operation for extracting the feature, and its size and time can be adjusted. When the shape of the test signal is determined in the tuner (P), the D / A (Digital / Analog) board (D) receives the input, changes it to analog, and inputs the test signal to the plant.
이상과 같이 구성된 본 발령의 작용 효과를 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation and effect of the present configuration configured as described above are as follows.
제2도에서 필터(F)를 설명하면, 입력신호(노이즈가 있는 신호)를 U(n),출련신호(필터링 신호)를 Y(n)이라 두면 아래와 같은 관계식을 얻을 수 있다.Referring to the filter F in FIG. 2, if the input signal (the signal with noise) is U (n) and the output signal (filtering signal) is Y (n), the following relation can be obtained.
필터(F)는 신호에 포함된 노이즈를 제거하여 원신호를 복원하는 기능을 하고 상기 계수는 많은 모의실험을 통하여 구했으며, 실제 현장신호에 대해서도 좋은 결과를 보였다. 신호분석부(S)는 필터(F)에서 나오는 필터링 신호를 받아서 최대편차(Overshoot), 감쇠비(Damping ratio), 상승시간(Risingtime) 등의 값을 계산한 뒤(계산방법은 생략함) 그래픽모니터(M)로 보낸다. 따라서 그래픽모니터(M)에 나타나는 신호분석값을 보고 제어상태가 향상되었는지 또는 퇴보되었는지를 알 수 있다. 제3도는 시험신호를 발생하는 회로구성도이다. 여기서 A/D보드(A)의 샘플링타임(sampling time)은 lmsec로 정하였으며, 그 이유는 산업공정의 경우 대부분의 신호가 이값내에 복원이 가능하기 때문이다. 신호가 A/d보드(A)를 통해 디지탈(Digital)값으로 바뀐뒤 컴퓨터의 동조기(P)에서 시험신호의 형태(시간과 크기)를 정하여 D/A보드(D)를 통하여 플랜트에 입력된다. 참고로 동조를 위한 본프로그램은 마우스로 버턴의 형태로 동작하여 플랜트로부터 온라인(on-line)으로 신호를 받아 저장하고 저장된 신호를 보여주는 기능 및 시험신호 발생기능과 제어기의 이득을 동조하고 신호를 분석하는 기능 등이 있다. 시험신호의 크기는 사용자가 10V에서 -10V내에 입력이 가능하지만, 본 발명 실험의 경우 0.1에서 0.5V가 제어정도에 영향을 적게하는 범위이다(단, 특정 플랜트는 이값도 영향을 줄 수 있음). 위 값보다 작은 값을 입력하면 동조를 위한 특징량을 구하기가 어려워진다. 특징량(동조기(P)의 입력값)은 기준치와 출력치와의 오차와 그의 변화량이다. 제2도의 특징량 산출부(C)에서는 이값을 계산하여 동조파라메터계산부(T)로 넘겨준다. 여기서 동조에 사용된 알고리즘은 퍼지논리이다. 동조파라메터계산부(T)에서 오차와 그의 변화량을 입력받아서 미리 작성된 규칙에 의해 동조를 시작한다. PI제어기에서 제어입력을 U라고 두면,The filter F functions to restore the original signal by removing the noise contained in the signal, and the coefficient was obtained through many simulations, and also showed a good result for the actual field signal. The signal analyzer S receives the filtering signal from the filter F and calculates values such as overshoot, damping ratio, and rising time (omit the calculation method). Send to (M). Therefore, the signal analysis value displayed on the graphic monitor M may indicate whether the control state is improved or deteriorated. 3 is a circuit diagram for generating a test signal. Here, the sampling time of the A / D board A is set to lmsec because most signals can be restored within this value in an industrial process. The signal is converted into digital value through the A / d board A, and then the type (time and magnitude) of the test signal is determined by the computer's synchronizer P and input to the plant through the D / A board D. . For reference, this program for tuning is operated in the form of a button with a mouse to receive and store the signal on-line from the plant, to show the stored signal, to synchronize the test signal generation function with the gain of the controller, and to analyze the signal. There is a function to. The size of the test signal can be input within 10V to -10V by the user, but in the experiment of the present invention, the range of 0.1 to 0.5V has less influence on the control accuracy (but certain plants may also affect this value). . Entering a value smaller than the above makes it difficult to obtain a feature for tuning. The feature amount (the input value of the tuner P) is the error between the reference value and the output value and the amount of change thereof. The feature variable calculating section C of FIG. 2 calculates this value and passes it to the tuning parameter calculating section T. FIG. The algorithm used for tuning is fuzzy logic. The tuning parameter T receives the error and the amount of change thereof and starts tuning according to a pre-written rule. If the control input is U at the PI controller,
FLT(퍼지논리 동조기, Fuzzy Logic Tuner)에서는 많은 루프를 통하여 △K, △Ti값을 계산하고 이값은 아래의 관계식을 통하여 최종적인 K, Ti값이 계산된다.In FLT (Fuzzy Logic Tuner), ΔK and ΔTi values are calculated through many loops, and the final K and Ti values are calculated through the following equation.
다음은 동조를 위한 규칙을 살펴보면, 퍼지화는 삼각형법을 사용하였고 그의 규칙은 아래와 같다. 여기서 오차 e=기중치-출력치, 오차의 변화량 △e=현재오차-이전오차이고는 퍼지화된 오차,는 퍼지화된 오차의 변화량이다.Next, look at the rules for tuning, the fuzzy method used the triangle method and his rule is as follows. Where error e = weight value-output value, and error Δe = current error-previous error Is the fuzzy error, Is the amount of change in the fuzzy error.
K에 관한 규칙Rules regarding K
Ti에 관한 규칙Rules regarding Ti
제4도는 K와 Ti의 소속함수를 그래프로 나타낸 것이다. 퍼지 연산과정은 기존의 min-MAX방법과 무게중심법을 사용하였으므로 설명은 생략한다. 규칙의 소속함수는 시뮬레이터로 오랜실험을 통하여 결정하였으며 이들을 플랜트의 특성에 따라서 수정이 가능하다. 규칙의 튜닝(Tuning)방법은 처음에는 제어기의 구동범위를 알지 못하므로 러프(rough)하게 퍼지삼각형함수의 밑면을 크게 정한다. 그러다가 이것을 점점 줄여보면 제어기가 민감하게 반응하는 구간이 있다. 그곳에서 삼각형함수의 밑면을 줄여 나간다. 규칙의 수는 많으면 계산시간이 그에 따라 이 소요되고 반드시 좋은 결과가 나온다고 할 수 없고, 반대로 적으면 얻어진 값의 신뢰도가 낮아지므로 여기서는 각각 9개씩 정했다. 물론 이 수치는 프로그램상에서 수정이 가능하다. 제5도는 이렇게 구한 제어이득을 신호의 상태값과 함께 그래픽으로 처리하여 모니터에 표시된 것이다.4 is a graph showing the membership function of K and Ti. Since the fuzzy calculation process uses the existing min-MAX method and the center of gravity method, the description is omitted. The membership function of the rules was determined through a long experiment with a simulator, which can be modified according to the characteristics of the plant. The tuning method of the rule initially sets the base of the fuzzy triangle function roughly because it does not know the driving range of the controller. Then gradually reduce this, and there is a section in which the controller reacts sensitively. From there, the base of the triangle function is reduced. If the number of rules is large, the calculation time is accordingly, and it is not necessarily good results. On the contrary, if the number of rules is low, the reliability of the obtained value is lowered, so we set nine of them. Of course, this number can be modified programmatically. 5 shows the obtained control gains graphically together with the state values of the signals and displays them on the monitor.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 공정 제어계 신호의 상태를 봄으로써 현재 제어계가 과거에 비해 어떻게 변하여 가며 얼마만큼 변했는 지 알 수 있고, 이득변경시 얼마만큼의 제어가 향상되었는 지를 알 수 있다. 또한 산업계 제어기의 동조에 있어서 기존의 숙련조업자가 시행착오법으로 오랜시간과 노력을 들어서 하는 것을 신속하게 동조하여 생산성 향상을 도모할 수 있는 장점이 있다.As described above, according to the present invention, it is possible to know how the current control system has changed and how much has changed compared to the past by looking at the state of the process control system signal, and how much control has been improved at the time of gain change. In addition, the tuning of the industrial controller has the advantage that the existing skilled workers can try to improve productivity by quickly tuning the time and effort by trial and error method.
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