KR100351507B1 - 실시간 제어용 공기조화 장치 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 실시간으로 온도와 풍량을 제어할 수 있는 공기조화 장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 기존의 공기조화 장치의 경우 온도제어를 위해 수분에서 수십 분이 소요되는데 반해, 수초 이내의 빠른 응답특성을 보인다. 본 발명의 공기조화장치는 고온의 공기와 저온의 공기를 만들어 내는 2대의 공조기와, 만들어진 고온과 저온 공기의 유량을 정밀하게 제어하는 2개의 유량조절 밸브, 공기의 혼합부, 온도와 유량의 측정부로 구성되며, 이들 구성 요소를 캐스케이드 제어와 앞먹임-되먹임 제어방식으로 정밀하게 제어하여 공기의 온도와 풍량을 실시간으로 제어한다.

Description

실시간 제어용 공기조화 장치 및 그 제어방법{AIR-CONDITIONING SYSTEM FOR REAL TIME CONTROL AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 실시간으로 온도와 풍량을 제어할 수 있는 공기조화 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
경제 발전에 의해 사람들의 생활 수준이 향상됨에 따라 제품과 환경의 설계시 인간의 감성이 중요한 요인이 되고 있다. 이러한 감성공학의 기본이 되는 감성을 측정, 평가하기 위해서는 실제 상황에서 인간을 대상으로 하여야 하므로, 주위 환경이 명확히 정의되고, 재현이 가능한 실험 공간이 필요하다. 인간의 감성에 영향을 미치는 요인은 다양하나 이 중에서 열환경은 인간에게 미치는 정도가 어느 요인보다도 큰 것으로 알려져 있다. 최근에는 감성공학의 응용분야로서 가상현실(Virtual Reality)에 대한 관심이 높아지고 있다. 가상현실 공간 안에서 열환경 제어는 프로그램 내용에 따라 혹은 체험자의 즉흥적인 조작에 따라 실시간으로 이루어진다. 예를 들어 혹한 지역에서 혹서 지역으로의 이동이 빠르게 진행될 수 있으며 풍량 또한 수시로 변화된다. 따라서 가상현실 공간 안에서 체험자의 조작에 따라 임의의 열환경(온도, 풍량)을 실시간으로 제어할 수 있는 공조기가 가상현실의 구현에 필수적이다.
일반적인 공조기는 내부에 설치된 히터나 냉각코일에 의해 공기의 온도를 제어하므로 전기히터 자체의 열용량, 열매체 유동에 따른 이송지연, 용량의 상한값, 각종 열손실, 비연속 측정 및 제어 신호 등의 비선형 요인으로 공기온도의 제어를위해서는 짧게는 수분에서 길게는 수십분이 소요되어 빠른 응답속도를 요구하는 실시간 공조기로서는 적합하지 않다.
따라서, 본 발명의 목적은 공기의 온도와 유량이 실시간으로 제어되어 빠른 응답속도를 갖는 공기조화장치를 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명의 실시간 제어용 공기조화장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시간 제어용 공조장치의 제어방법을 설명하는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 공기조화장치에서 고온부 유량조절용 밸브의 제어성능을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 공기조화장치에서 저온부 유량조절용 밸브의 제어성능을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 공기조화장치에서 설정 공기온도 변화에 따른 실시간 온도 제어성능을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 공기조화장치에서 설정 공기유량 변화에 따른 실시간 유량 제어성능을 나타낸 그래프이다.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
10:고온부 12:고온부 히터
13:고온부 팬 14:고온부 바이패스라인
20:저온부 22:저온부 히터
23:저온부 팬 24:저온부 바이패스라인
27:냉동기 28:냉각코일
30:혼합부 31:고온부 유량계
32:고온부 유량제어용 밸브 33:저온부 유량계
34:저온부 유량제어용 밸브 35:혼합연결부
본 발명의 공기조화장치는 고온의 공기와 저온의 공기를 만들어 내는 2대의 공조기와, 만들어진 고온과 저온 공기의 유량을 정밀하게 제어하는 2개의 유량조절 밸브, 공기의 혼합부, 온도와 유량의 측정부로 구성되며, 이들 구성 요소를 캐스케이드 제어와 앞먹임-되먹임 제어방식으로 정밀하게 제어하여 공기의 온도와 풍량을 실시간으로 제어한다.
실시간 공조기의 작동원리는 다음과 같다. 높은 온도의 공기와 낮은 온도의 공기를 미리 만들어 놓은 후, 공급공기의 온도를 높이고 싶으면, 고온 공기의 유량을 증가시키고 저온 공기의 유량을 감소시키면 되고, 온도를 낮추고 싶으면 그 반대로 고온 공기의 유량을 감소시키고 저온 공기의 유량을 증가시킨다. 공기의 유량을 바꾸기 위해서는 고온부의 공기와 저온부의 공기를 같은 비율로 증가시키거나 감소시켜 혼합하면 공기의 온도 변화 없이 공급량을 조절 할 수 있다. 이러한 실시간 제어용 공조장치는 일반적인 공조기가 히터나 냉각코일, 공조기 벽면, 송풍기, 덕트 등과 공기와의 열전달로 인해 공기 온도 변화의 정착시간이 크기 때문에 제어성능이 떨어지는 점에 착안되었다.
본 발명의 실시간 제어용 공조장치는 도 1에 도시한 바와 같이 고온부(10), 저온부(20), 혼합부(30)로 나눌 수 있다. 고온부(10)는 열교환이 이루어지는 덕트(19)와, 공기를 순환시키고 공급하기 위한 팬(13), 공기의 온도를 높이기 위한 히터(12), 유입된 공기가 순환되는 바이패스라인(14)으로 구성되어 있다. 히터에는 전원(16)이 연결된다.
고온부에서 혼합부로 공급되어야 하는 공기의 양이 급격히 변할 경우, 고온부로 유입되는 공기의 유량이 변하게 되므로 고온부 공기 온도의 변화를 피할 수 없다. 유입공기와 고온부 내의 순환공기의 온도차에 비례하여 고온부 공기온도가 변하게 된다. 따라서 공기의 온도를 일정하게 유지하기 위해서 덕트(19) 내에 설치된 히터(12)의 전기입력을 PWM(pulse width modulation)방식으로 PID 제어한다.
저온부(20)는 고온부와는 반대로 저온의 공기를 만들어 혼합부(30)로 공급하는 기능을 하며, 고온부와 동일하게 열교환이 이루어지는 덕트(29), 일정 공기유량을 순환시키기 위한 팬(23), 유입된 공기가 순환되는 바이패스라인(24), 공기의 온도를 낮추기 위한 냉동기(27) 및 냉동기로부터 연결되어 덕트(29) 내에 설치된 냉각코일(28)로 구성되어 있다. 냉동기(27)에서 냉각되어 공급되는 브라인(미도시)이 냉각코일(28) 내부로 흘러들어가 저온부의 공기와 열교환함으로써 공기의 온도가 낮아지게 된다. 고온부와 마찬가지로, 공기유량이 변할 경우 공기온도가 바뀌게 되므로 일정하게 공기온도를 유지하게 하기 위해서, 별도의 온도제어용 저온부 히터(22)가 바이패스라인(24)에 설치되어 있다. 냉동기에 의하여 충분히 온도가 낮아진 공기를 상기 저온부 히터(22)가 설정온도로 재가열함으로써 저온부의 공기가일정온도로 유지된다. 히터에는 전원(26)이 연결된다. 저온부 히터(22)의 제어방식은 고온부와 마찬가지로 PWM방식으로 가열량을 제어한다.
혼합부(30)는 고온부(10)와 저온부(20)에서 만들어진 공기가 혼합되어 배출되는 부분이다. 고온부에서 공급되는 공기유량을 측정하고 제어하기 위한 유량계(31) 및 유량조절용 밸브(32), 저온부에서 공급되는 공기유량을 측정하고 제어하기 위한 유량계(33) 및 유량조절용 밸브(34), 더운공기와 찬공기가 혼합되어 배출되는 연결부(35)로 이루어져 있다. 연결관은 자체 열용량을 최소화 할 수 있도록 한다.
도 1을 참조하여 본 발명에 따른 실시간 제어용 공기조화장치를 공기의 흐름에 따라 자세히 설명하기로 한다. 먼저 고온부(10)로 유입된 공기는 PWM으로 제어되는 히터(12)에 의해 일정온도로 유지되면서 일부는 바이패스라인(14)을 통해 고온부 내에서 순환하고, 일부는 고온부의 유량조절용 밸브(32)을 통해 혼합부(30)로 공급된다. 공급되는 고온 공기 유량은 유량계(31)로 계측한다. 저온부(20)로 유입된 공기는 냉동기(27)에서 냉각된 브라인이 통과하는 냉각코일(28)을 지나면서 온도가 떨어지고, PWM으로 제어되는 저온부 히터(22)에 의해 일정온도로 유지되면서 일부는 바이패스라인(24)를 통해 저온부내를 순환하고, 일부는 저온부의 유량조절용 밸브(34)를 통해 혼합부(30)로 공급된다. 공급되는 저온공기 유량은 유량계(33)로 계측한다. 공급된 고온공기와 저온공기는 연결부(35)로 공급되고 혼합되어 배출된다.
다음은 본 발명의 공기조화장치의 제어방법에 대해서 설명한다. 실시간 제어용 공기조화장치의 제어대상은 배출 공기의 온도와 유량이다. 이 2가지 변수를 원하는 설정값으로 제어하기 위하여 고온부 및 저온부로 유입되는 공기온도, 고온부의 공기온도, 저온부의 공기온도, 제어대상인 배출 공기온도, 고온부 공기유량, 저온부 공기유량을 측정한다. 도 1을 보면 고온부 입구공기 온도측정점(11), 저온부 입구공기 온도측정점(21), 고온부 제어용 온도측정점(15), 저온부 제어용 온도측정점(25) 및 혼합부 제어용 온도측정점(36)이 각각 나타나 있다.
고온부와 저온부의 각 히터는 고온부와 저온부의 온도를 일정하게 유지하는 역할을 하는데, 다른 조작변수인 고온부 유량조절용 밸브(32)와 저온부 유량조절용 밸브(34)의 개폐정도(이하 '개도'라 함)에 따라 피제어 대상인 고온부와 저온부의 온도가 간섭을 받게 된다. 따라서 본 발명의 공기조화장치는 MIMO(Multi-Input, Multi-Output)시스템이라고 할 수 있다. 그러나 제어구조의 단순화를 위해 밸브의 개도에 따른 영향을 외란으로 간주하고 피제어대상은 고온부와 저온부의 공기온도, 조작변수는 히터의 가열량으로 한정한다. 따라서 본 발명은 실질적으로는 SISO(Single-Input, Single-Output) 제어방식으로 고온부와 저온부의 온도를 일정하게 유지한다.
한편, 유량 조절밸브 중 어느 한쪽의 개도 변화에도 배출 공기의 온도와 유량이 변하므로 2개의 유량 조절밸브의 개도를 동시에 적절히 제어하여 배출 공기의 온도와 유량을 제어하여야 한다.
도 2는 본 발명에 의한 공기조화장치의 제어방법을 설명하는 순서도이다. 먼저 고온부공기온도 저온부의 공기온도, 배출되는 혼합공기의 온도와 유량에 대한설정값(Th s, Tl s, Tm s,)을 입력하고, 각각의 측정점에서 온도(Th, Tl, Tm)와 유량(,)을 측정한다. 여기서, 하첨자 h, l, m은 각각 고온부, 저온부, 혼합부를 나타낸다. 측정된 값(Th, Tl)을 되먹임하여, 고온부 히터와 저온부 히터를 PID 제어하여 고온부 공기의 온도(Th)와 저온부의 온도(Tl)를 설정온도(Th s및 Tl s)가 되도록 조절한다.
고온부와 저온부의 공기유량 및 온도와, 혼합 후의 유량과 온도는 다음과 같은 관계가 성립한다.
------------- ①
------------- ②
여기서은 공기의 질량유량을 나타낸다. 이론적으로 Th, Tl,Tm s및가 주어지면 위 식 ① 및 ②에 Tm에 Tm s를,에를 대입하여 결정되는 고온부와 저온부의 유량이 흐르도록 밸브들의 개도를 각각 제어하면 원하는 공기온도(Tm s)와 유량()을 얻을 수 있다. 그러나 실제로는 혼합부에서의 열손실, 온도와 유량을 계측할 때 발생하는 오차로 인해, 원하는 혼합 후 공기온도와 유량을 얻기 위한 고온부와 저온부의 공기 유량은 위 식에 의해 계산된 유량과는 다른 값을 보인다. 따라서 미리 설정한 혼합공기 온도와 측정된 온도와의 차이(Tm s- Tm)를 입력으로하여 임의의 가상변수 Tm *를 출력하고 이 제어출력으로부터 혼합공기의 온도를 앞먹임-되먹임 제어한다. 즉 제어출력인 Tm *와 설정유량으로부터 고온부와 저온부의 유량을 위 식에서 계산할 수 있다.
그러나 유량은 밸브의 개도 뿐만 아니라 반대 쪽 공기유량, 온도의 함수이기때문에 유량과 밸브 개도와의 관계를 정확히 알 수 없으므로, 피제어변수가 유량, 조작변수가 밸브의 개도가 되는 캐스케이드(cascade) 제어회로를 구성한다. 따라서 본 발명의 제어방법은 조작변수가 Tm *이고, 제어출력이 고온부와 저온부의 설정유량이 되어, 2개의 밸브를 PID제어하는 앞먹임(feedforward)-되먹임, 캐스케이드 제어하는 것이다.
본 발명에 있어서, 원하는 혼합공기의 온도와 유량에 도달하기 위해 설정된 고온부와 저온부의 공기유량이 신속하게 제어될 수 있도록 밸브가 작동하는 것이 제어 성능에 매우 중요하다. 실제 소형장치를 제작하여 시험한 결과를 고온부 유량에 대해 도 3에, 저온부 유량에 대해 도 4에 각각 도시하였다. 도 3과 도 4의 실선은 밸브의 제어를 위한 설정유량이고, 검은 점들은 실제 유량의 측정값이다. 고온부와 저온부의 설정유량에 대하여 실제유량이 잘 제어되고 있음을 알 수 있다.
다음으로 설정 유량과 온도의 변화에 따른 제어성능을 도 5 및 도 6에 각각나타내었다. 설정유량의 변화에도 온도는 일정하게 유지되었으며, 반대로 설정온도의 변화에도 유량은 변하지 않았고, 설정온도와 설정유량을 변화시켰을 때 우수한 제어 추종성을 보였다.
기존의 공기조화 장치의 경우 온도제어를 위해 수분에서 수십 분이 소요되는데 반해, 본 발명의 공기조화장치는 수초 이내의 빠른 응답특성을 보이며, 캐스케이드 제어와 앞먹임-되먹임 제어방식으로 정밀하게 제어하여 공기의 온도와 풍량을 실시간으로 제어할 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따른 실시간 제어용 공기조화장치는 기존의 공기조화장치보다 설정온도와 유량에 따른 제어의 추종성이 획기적으로 개선되어, 감성의 측정, 평가, 가상현실(Virtual Reality) 공간 안에서 열환경(온도, 습도, 풍속 등)의 실시간 제시가 가능하도록 해준다.

Claims (3)

  1. 고온부, 저온부, 혼합부로 구성되는 공기조화장치에 있어서,
    상기 고온부는 공기를 순환시키는 팬과, 덕트 내에 설치되어 공기 온도를 제어하는 히터, 공기를 고온부내에서 재순환시키는 바이패스라인, 고온부 입구의 공기온도를 측정하기 위한 입구온도측정점, 히터제어용 온도측정점을 포함하여 구성되고,
    상기 저온부는 공기를 순환시키는 팬과, 공기의 온도를 떨어뜨리기 위한 냉동기 및 냉각코일, 공기를 저온부내에서 재순환시키는 바이패스라인, 저온부 공기 온도를 제어하는 히터, 저온부 입구의 공기온도를 측정하기 위한 입구온도측정점, 히터제어용 온도측정점을 포함하여 구성되고,
    상기 혼합부는 고온부의 하류쪽에 있는 유량계 및 유량조절용 밸브와, 저온부의 하류쪽에 있는 유량계 및 유량조절용 밸브와, 고온부와 저온부가 합치되어 공기를 혼합 배출하는 연결부, 및 혼합공기의 온도측정점을 포함하여 구성되며,
    고온부의 공기온도, 저온부의 공기 온도 및 혼합부의 공기온도와 유량을 제어하기 위한 제어부를 포함하는 실시간 제어용 공기조화장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고온부와 저온부의 히터는 전기입력이 PWM(pulse width modulation)방식으로 PID 제어되는 실시간 제어용 공기조화장치.
  3. 고온부, 저온부, 혼합부 및 제어부로 구성되는 공기조화장치에 있어서,
    고온부의 공기온도, 저온부의 공기온도, 및 혼합공기의 온도와 유량에 대한 설정값(Th s, Tl s, Tm s,)을 입력하고,
    고온부의 공기온도(Th), 저온부의 공기온도(Tl), 혼합부의 공기온도(Tm), 고온부의 유량() 및 저온부의 유량()을 측정하고
    고온부의 히터와 저온부의 히터를 PID 제어하여 고온부 및 저온부의 공기를 각각 설정된 온도로 유지하고,
    혼합공기 온도의 설정값을 입력으로하여 임의의 가상변수 Tm *를 출력하고 이 제어출력으로부터 혼합공기의 온도를 앞먹임-되먹임(feedforward-feedback) 제어하여, 제어출력인 임의의 가상변수 Tm *와 설정유량으로부터 고온부와 저온부의 설정 유량을 다음식에 Tm에 Tm *를,에를 대입하여 계산하고,
    (여기서, 여기서은 공기의 질량유량,T는 온도, 하첨자 h, l, m은 각각 고온부, 저온부, 혼합부를 나타냄)
    상기 고온부 및 저온부 설정 유량을 입력으로 고온부와 저온부의 유량조절용 밸브를 PID로 되먹임 제어하는 단계로 이루어지는 실시간 제어용 공기조화장치의 제어방법.
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