KR100629031B1 - 제어 시스템의 작동 방법 및 상기 방법을 실행하기 위한장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하나의 조작 변수(Y)및 다수의 제어기 파라미터(Ri)에 따라 제어 대상(44)에 작용하는 제어기(42)를 갖춘 제어 시스템(36)에 관한 것으로서, 상기 제어 시스템(36)은 상기 제어 대상의 모든 동작 상태에서 미리 정해진 제어 품질 및 제어 응답을 보증하여야 한다. 제어기(42)가 동작하면 조작 변수(Y)의 시간적 응답의 웨이블릿 변환(wavelet transformation)과 제어 대상(44)의 제어기(42)의 제어 변수(X)의 시간적 응답의 웨이블릿 변환을 미리 정해진 타임 슬롯내에서 비교함으로써 제어 대상(44)의 응답 특성이 확정된다. 이 때, 각각의 웨이블릿 변환에 관련된 시점이 검출되고, 검출된 응답 특성에 따라 각각의 제어기 파라미터(Ri)가 조정된다.

Description

제어 시스템의 작동 방법 및 상기 방법을 실행하기 위한 장치{METHOD FOR OPERATING A CONTROL SYSTEM AND DEVICE FOR CARRYING OUT SAID METHOD}
본 발명은 다수의 제어기 파라미터 및 하나의 조작 변수에 따라 제어 대상에 작용하는 제어기를 갖춘 제어 시스템을 작동하는 방법 및 상기 방법을 실행하기 위한 제어 시스템에 관한 것이다.
기술 장치는 통상 다수의 제어 시스템을 포함하며, 상기 제어 시스템은 장치의 동작 과정이 가능한한 방해되지 않도록 보장해야 한다. 상기 방식의 제어 시스템이 통상 종속 제어 대상에 작용함으로써 폐쇄형 제어 루우프가 형성된다. 여기서는 예컨대 제어 대상의 측정 위치에 있는 센서가 일정값으로 유지되어야 하는 제어 변수를 측정한다. 상기 제어 변수가 장해 변수로 인해 미리 정해진 설정값과 차이가 나면, 제어 시스템의 제어기가 그의 조작 변수를 통해 제어 대상에 할당된 최종제어 소자(final control element)에 작용한다. 상기 제어기에 의해 공급된 조작 변수는 측정된 제어 변수와 미리 정해진 설정값 사이의 편차 외에도 다수의 제어기 파라미터에 좌우되며, 상기 제어기 파라미터에 의해 예컨대 제어기의 반응 속도 및/또는 조정의 정확도가 설정될 수 있다.
제어 대상의 실제 동적 특성에 대한 시스템 정보가 불충분하면, 상기 제어기의 제어기 파라미터의 설정(소위 파라미터화)은 통상 경험을 통해 얻은 데이터를 기초로 하여 이루어지며, 상기 데이터는 예컨대 장치의 스타트시 검출된다. 그러나 상기 방식의 제어 시스템에 있어서 제어 대상의 특성의 변동은 제어기의 제어 품질, 특히 설정의 정확도 및/또는 반응 속도에 악영향을 미칠 수 있다. 이 경우, 특히 부하 지점이 변경되거나, 예컨대 노화 또는 오염에 의해 기계의 특성이 변함으로써 제어 대상의 특성이 변동될 수 있다.
O. Voellinger의 "Regelungstechnik(제어 공학)" (제 6판, Huettich Buchverlag Heidelberg, 1990)의 1.6장 14 ~ 20 페이지에는 제어 대상의 파라미터가 변동함으로써 야기되는 변동 시스템 특성이 먼저 적절한 방식으로 검출되고, 그렇게 얻어진 정보를 이용하여 제어기 파라미터의 설정이 수행되는 유도 제어 방법이 공지되어있다. 또한 미국 특허 공개 5,610,843호에는 제어 대상의 특성화를 위한 웨이블릿 변환(wavelet-transformation)이 사용되며, 이것은 일본 특허 09120303호에도 제시되어있다. 또한 독일 특허 34 45 791호에는 증기압 및 온도가 조절될 수 있는 증기 터보 발전기 장치가 공지되어있다.
1997년 "systems man and cybernetics"에 관한 국제 컨퍼런스에서 발표된 논문, "self-tuning control of nonlinear systems using neural network adaptive frame wavelets(제 2권, 1997.10.12)"의 1017-1022 페이지에는 동적 변화를 나타내는 장치의 작동을 제어할 수 있는 특별한 뉴럴(neural) 네트워크가 공지되어있다. 여기에 소개된 수학적 모델에 따라, 프로세스를 위한 입력 함수의 웨이블릿 변환이 실행된다. 상기 웨이블릿 변환은 출력 함수를 추정하기 위한 기초가 된다. 장치를 적절하게 제어할 수 있도록 추정 출력 함수와 측정된 출력 함수의 비교를 반복 실시함으로써 추정 출력 함수가 최적화된다.
따라서 본 발명의 목적은 제어 대상의 특성이 변동되어도 제어 루우프의 제어 품질 및 제어 응답은 유지되는, 전술한 방식의 제어 시스템의 작동 방법을 제공하는 것이다. 이를 위해 상기 방법을 실시하기 위한 제어 시스템이 제공될 것이다.
방법과 관련한 상기 목적은 본 발명에 따라, 제어기가 동작하는 동안 조작 변수의 시간적 응답의 웨이블릿 변환(wavelet transformation)과 제어 대상의 제어기의 제어 변수의 시간적 응답의 웨이블릿 변환을 미리 정해진 타임 슬롯내에서 비교함으로써 제어 대상의 응답 특성이 확정되며, 이 때 각각의 웨이블릿 변환에 관련된 시점이 검출되고, 검출된 응답 특성에 따라 각각의 제어기 파라미터가 조정됨으로써 달성된다.
본 발명은 제어 대상의 특성의 변동시, 상기 제어 대상의 응답에서 변동이 검출되고, 그 변동이 제어기 파라미터의 매칭에 이용되는 경우에도 제어 루우프의 제어 품질 및 제어 응답이 유지된다는 점에 기초한다. 제어 대상을 특성화하기에는 그의 응답 특성이 매우 적절하다. 따라서 제어 대상의 응답 특성에 있어서의 변동은 제어기 파라미터에 영향을 준다. 제어 대상의 효율의 감소를 피하기 위해 제어기가 작동되는 동안 제어 대상의 검출된 응답 특성에 따라 온라인-결합 방식으로 제어기 파라미터(들)의 새로운 설정이 이루어진다.
제어 시스템이 작동되는 동안의 제어 대상의 응답 특성이 웨이블릿 변환에 의해 결정된다. 동일한 방식으로 미리 정해진 타임 슬롯내에서 파형 -변환에 의해 상기 제어 대상의 제어기의 조작 변수 및 제어 변수의 시간적 응답이 분석된다. 상기 웨이블릿 변환 방법은 예컨대 "자동화 기술 잡지(1996, 제 2판,R. Oldenbourg 출판사)"의 64 ~ 66페이지에 기술되어있다. 상기 분석에서는 조작 변수의 미리 정해진 성분이 제어 변수내에 포함되는지의 여부가 확인될 수있다. 이는 조작 변수 또는 제어 변수가 미리 정해진 타임 슬롯 내에서 정해진 시점에 소위 웨이블릿 집합(wavelet family)의 원소로 분리됨으로써 일어난다. 웨이블릿 집합은 단일 출력 함수로부터의 수학적 확장(dilation) 및/또는 치환에 의해 생성되는 수학적 함수들의 집합이다. 여기서 함수의 수학적 확장 및/또는 치환은 검사될 신호의 상이한 주파수 성분 및 진폭 성분에의 매칭을 의미한다. 검사될 변수가 정해진 특성을 갖게되는 시점은 미리 정해질 수 있는 웨이블릿 성분의 존재 여부에 따라 미리 정해진 타임 슬롯의 범위내에서 결정될 수 있다.
조작 변수의 시간적 응답의 웨이블릿 변환과 제어 변수의 시간적 응답의 웨이블릿 변환을 비교함으로써 제어 대상의 응답 특성이 검출된다. 이를 위해 조작 변수 및 제어 변수의 분석 결과가 미분 방정식 체계로 전달된다. 미분 방정식 체계의 설정은 제어 대상의 응답 특성을 특성화시키는 수학적 함수의 결정에 사용된다.
제어 대상의 응답 특성의 모든 결정시 웨이블릿 변환에 할당된 시점이 검출된다. 그로 인해 제어 대상의 응답 특성에 있어서의 변동이 기록될 수 있다. 상기 방식으로 제어 대상의 동작시 반복해서 나타나는, 제어 대상의 미리 정해진 작동 상태에 제어 시스템이 매우 간단하게 매칭될 수 있다.
상기 방법은 바람직하게는 증기 터빈 장치의 일부인 제어 시스템에 적용된다. 구체적으로는, 증기 터빈 장치의 제어 루우프의 제어기가 통상 경험으로부터 얻은 데이터에 따라 파라미터화된다. 각각의 증기 터빈 장치의 실제 동적 특성에 대한 시스템 정보가 불충분하면 스타트 시간이 길어진다. 또한 보통 증기 터빈의 동작시 상기 증기 터빈의 상이한 작동 상태에 대한 제어기 파라미터의 매칭이 실행되지 않는다. 따라서 증기 터빈의 동작시 증기 터빈 장치의 각 제어기의 제어기 파라미터의 업데이트(update)는 각 제어 루우프의 일정한 제어 품질 및 제어 응답을 확실히 보증한다.
바람직하게는 제어기의 조작 변수가 증기 터빈의 휠(wheel) 챔버 압력값 또는 증기 유동값이다. 또한 바람직한 실시예에서는 제어 루우프의 제어 변수가 증기 터빈의 출력값, 회전 속도값 또는 작동 매체의 압력값이다.
장치에 관련한 전술한 목적은 제어기가 동작하는 동안 제어 대상의 응답 특성을 규정하고, 실제로 검출된 제어 대상의 응답 특성에 따라 각 제어기 파라미터를 조정하는 제어기 적응 장치에 의해 달성된다.
본 발명이 추구하는 장점은 특히 제어기 동작시 제어기 파라미터의 업데이트를 통해 제어 대상의 모든 작동 상태에서 미리 정해진 제어 품질을 보장하는 것이다. 이는 제어 시스템의 동작을 중단시키지 않고도 구현될 수 있다. 또한 제어 시스템을 포함하며 상기 방법을 사용하는 기술 장치는 스타트 시간이 매우 짧다. 또한 상기 방법에 의해 작동되는 제어 시스템은 제어 대상의 상이한 작동 상태에 매우 간단하게 매칭될 수 있다.
본 발명의 실시예는 도면에 따라 더 자세히 설명된다.
도 1은 제어 시스템을 갖는 증기 터빈 장치의 개략도.
도 2는 도 1에 따른 제어 시스템의 개략도.
동일한 부분에는 모든 도면에서 동일한 도면 부호가 주어진다.
도 1에 따른 증기 터빈 장치(2)는 제너레이터(6)가 연결된 증기 터빈(4), 물-증기 순환계(8)내에서 상기 증기 터빈(4) 다음에 연결된 응축기(10) 및 증기 발생기(12)를 포함한다. 상기 증기 터빈(4)은 공통 샤프트(14)를 통해 제너레이터(6)를 구동시키는, 제 1 압력단 또는 고압부(4a) 및 추가의 단 또는 중압 및 저압부(4b)로 구성된다.
상기 증기 발생기(12)의 증기 배출측이 증기 터빈(4)으로의 작동 매체(AM) 공급을 위해 상기 증기 터빈(4)의 고압부(4a)의 증기 유입구(18)에 연결된다. 상기 증기 터빈(4)의 고압부(4a)의 증기 배출구(20)는 이송 파이프(22)를 통해 증기 터빈(4)의 중압 및 저압부(4b)의 증기 유입구(24)에 연결된다. 상기 증기 터빈(4)의 중압 및 저압부(4b)의 증기 배출구(26)는 증기 파이프(28)를 통해 응축기(10)에 연결된다. 상기 응축기(10)가 급수 펌프(32) 및 급수 탱크(34)가 접속되는 급수 파이프(30)를 통해 증기 발생기(12)에 연결됨으로써, 폐쇄된 물-증기-순환계(8)가 형성된다.
상기 증기 터빈 장치(2)는 증기 터빈(4)의 출력값(P), 회전 속도값(N) 및/또는 작동 매체(AM)의 압력값(W)을 제어하기 위한 제어 시스템(36)을 갖는다. 상기 제어 시스템(36)은 제어 루우프(40)의 일부이며 제어기(42)를 포함한다. 상기 제어기(42)는 제어 루우프(40)의 형성을 위해 제어 대상(44)에 연결된다. 이 때 상기 제어기(42)에 관련된 제어 대상(44)은 증기 터빈(4)을 포함한다. 상기 제어기(42)는 조작 변수 라인(46)을 통한 조작 변수(Y)의 전달을 위해 관련 제어 대상(44)에 연결된다. 상기 제어 대상(44)에 할당되는 (자세히 도시되지 않은) 제어 소자가 조작 변수(Y)에 따라 제어 대상(44)을 조정한다. 상기 조작 변수(Y)가 조작 변수 라인(48)을 통해 전달될 수 있음으로써 폐쇄된 제어 루우프(40)가 형성된다.
제어기(42)는 제어 변수(X)와 미리 정해진 설정값이 편차를 나타낼 때 비례하거나, 적분 및/또는 미분되는 방식으로 제어 대상(44)에 전달되는 조작 변수(Y)를 변경시킬 수 있도록 설계된다. 따라서 상기 제어기로부터 전달된 조작 변수는 다수의 제어 파라미터(Ri, i=1, 2, ..., n)에 좌우된다. 상기 제어기 파라미터(Ri)의 조정은 소위 제어기(42)의 파라미터화이다.
증기 터빈 장치(2)의 모든 작동 상태에서 제어기가 매우 바람직하게 파라미터화될 수 있도록 하기 위해, 상기 제어 시스템(36)이 제어 파라미터(Ri) 측정용 제어기 적응(adaption) 장치(50)를 포함한다. 이를 위해 상기 제어기 적응 장치(50)는 조작 변수 라인(46)으로부터 분기되는 접속 라인(52)을 통해 조작 변수(Y)를 전달하고, 제어 변수 라인(48)으로부터 분기되는 접속 라인(54)을 통해 제어 변수(X)를 전달할 수 있다. 상기 제어기 적응 장치(50)에서 측정된 제어기 파라미터(Ri)를 전달하기 위해 상기 제어기 적응 장치(50)가 제어기 라인(56)을 통해 관련 제어기(42)에 연결된다.
도 2에 상세하게 도시된 바와 같이, 제어기 적응 장치(50)는 조작 변수 라인(46) 및 제어 변수 라인(48)으로부터 분기된 접속 라인(52, 54)을 통해 제어 루우프(40)에 연결된다. 상기 제어기 적응 장치(50)는 조작 변수(Y) 분석용 변환 모듈(60), 제어 변수(X) 분석용 변환 모듈(62), 제어 대상(44)의 응답 함수 산출용 계산 모듈(64) 및 제어기 파라미터(Ri) 결정용 파라미터화 모듈(66)을 포함한다. 상기 변환 모듈(60)은 접속 라인(52)에, 그리고 상기 변환 모듈(62)은 접속 라인(54)에 연결된다. 상기 변환 모듈 (60) 및 (62)는 다시 데이터 기술로 계산 모듈(64)에 접속되며, 다시 상기 계산 모듈(64)도 마찬가지로 데이터 공학적으로 파라미터화 모듈(66)에 연결된다. 상기 파라미터화 모듈(66)내에서 결정된 제어기 파라미터(Ri)는 제어기 라인(56)을 통해 제어기(42)에 전달될 수 있다.
증기 터빈 장치(2)의 동작시 상기 제어 시스템(36)에 의해 증기 터빈(4)이 작동된다. 이 때 조작 변수로서 증기 터빈(4)의 휠 챔버 압력값(R) 또는 증기 유동값(D)이 사용된다. 그와 관련된 제어 변수로는 증기 터빈(4)의 출력값(P), 회전 속도값(N) 또는 압력값(W)이 있다. 즉, 증기 터빈의 출력값(P)은 예컨대 상기 휠 챔버 압력값(R)의 적절한 설정을 통해 조절될 수 있다. 이를 위해 출력값(P)의 미리 정해진 설정값이 상세히 도시되지 않은 방식으로 제어기(42)에서 사전 설정된다. 상기 제어기(42)는 제어 파라미터(Ri)를 사용하여 조작 변수 라인(46)을 통해 조작 변수(Y)로서 휠 챔버 압력값(R)을 자세히 도시되지 않은 제어 소자에 전달한다. 이로써 제어기(42)에 의해 야기된, 제어 대상(44)의 응답 특성의 변동이 다시 발생한다. 제어 대상(44)의 실제 출력값(P)이 제어 변수(X)로서 제어 변수 라인(48)을 통해 제어기(42)에 전달된다.
증기 터빈 장치(2)의 모든 작동 상태에서 제어 루우프(40)의 미리 정해진 제어 품질을 보증하기 위해, 제어 대상(44)의 응답에 있어서 변동 사항이 검출되고, 제어기 파라미터(Ri)의 매칭에 이용된다. 이로써 제어기(42)의 동작시 제어 대상(44)의 응답 특성이 검출될 수 있게 된다. 그렇게 되면 검출된 제어 대상(44)의 응답 특성에 따라 제어기(42)의 동작시 각각의 제어기 파라미터(Ri)가 업데이트된다.
이를 위해 조작 변수(Y)가 접속 라인(52)을 통해 제어기 적응 장치(50)의 변환 모듈(60)에 전달된다. 동시에 제어 변수(X)도 접속 라인(54)을 통해 상기 제어기 적응 장치(50)의 변환 모듈(62)에 전달된다. 상기 변환 모듈(60)은 제어 대상(44)에 공급되는 조작 변수(Y)를 웨이블릿 변환을 사용하여 미리 정해진 타임 슬롯 내에서 정해진 시점에 웨이블릿 성분이라고도 불리는, 정해진 주파수 대역의 진폭 스펙트럼의 신호 성분으로 분해한다. 이것은 웨이블릿 집합을 이용하여 이루어진다. 웨이블릿 집합은 단일 출력 함수로부터의 수학적 확장 및/또는 치환에 의해 생성되는 수학적 함수들의 집합이다. 신호의 시간적 파형의 분석은 미리 정해진 타임 슬롯내에서 이루어진다. 그로 인해 신호가 웨이블릿 변환에 의해 선별되는 정해진 특성을 갖게되는 시점이 결정될 수 있다. 즉, 상기 방법을 사용하여 신호의 미리 정해진 성분이 정해진 시점에 신호내에 포함되는지의 여부가 결정될 수 있다.
변환 모듈(60)이 조작 변수(Y)를 분석하는 것과 동일한 방식으로, 변환 모듈(62)이 제어 변수(X)의 시간적 응답 특성을 검사한다. 이를 통해 조작 변수(Y)의 미리 정해진 성분이 제어 변수(X)내에서 재발견된다. 이 때 상기 조작 변수(Y) 또는 제어 변수(X)가 정해진 성분을 갖는 시점이 언제인지 확인될 수 있다. 이로써 조작 변수(Y) 및/또는 제어 변수(X)의 변동이 시간에 따라 배치될 수 있다.
또한 각각의 웨이블릿 변환에는 시점(instant)이 할당된다. 그로 인해 제어 대상(44)의 응답에 있어서의 변동이 확인될 수 있다. 그렇게 되면 증기 터빈(4)의 반복적으로 나타나는 상태에서 매우 바람직한 것으로 판명된 정해진 제어기 파라미터(Ri)가 조정될 수 있다.
조작 변수(Y) 및 제어 변수(X)의 웨이블릿 변환의 결과는 계산 모듈(64)에 전달된다. 거기서 상기 결과는 미분 방정식 체계를 설정하기 위해 사용된다. 상기 계산 모듈(64) 내에서 실행된, 미분 방정식 체계의 확정은 제어 대상(44)의 응답 함수(response function)의 확정으로 이어진다. 상기 제어 대상(44)의 응답 함수는 파라미터화 모듈(6)에 전달된다. 상기 파라미터화 모듈(6)에서는, 필요한 경우, 새로운 제어기 파라미터(Ri)가 산출된다. 제어기(42)의 제어기 파라미터(Ri)의 새로운 설정을 위해 제어기(42)의 동작시 상기 제어기 파라미터(Ri)가 제어기 라인(56)을 통해 제어기(42)에 전달된다.
증기 터빈 장치(2)의 제어 시스템(36)에서는 제어기(42)가 동작하는 동안 상기 제어 대상(44)의 응답 특성이 결정된다. 검출된 제어 대상의 응답 특성에 따라 온라인-결합 방식으로 각 제어기 파라미터(Ri)가 설정된다. 그럼으로써 증기 터빈 장치(2)의 모든 작동 상태에서 제어 시스템(36)의 미리 정해진 제어 품질 및 제어 응답이 보증된다.

Claims (8)

  1. 하나의 조작 변수(Y)와 다수의 제어기 파라미터(Ri)에 따라 제어 대상(44)에 작용하는 제어기(42)를 갖춘 제어 시스템(36)의 작동 방법으로서,
    상기 제어기(42)가 동작하는 동안 조작 변수(Y)의 시간적 응답의 웨이블릿 변환(wavelet transformation)과 제어 대상(44)의 제어기(42)의 제어 변수(X)의 시간적 응답의 웨이블릿 변환을 미리 정해진 타임 슬롯내에서 비교함으로써 제어 대상(44)의 응답 특성이 확정되며, 이 때 각각의 웨이블릿 변환에 관련된 시점이 검출되고, 검출된 응답 특성에 따라 각각의 제어기 파라미터(Ri)가 조정되는 제어 시스템 작동 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어 시스템(36)이 증기 터빈 장치(2)내에 설치되는 제어 시스템 작동 방법.
  3. 제 1항 또는 2항에 있어서,
    상기 조작 변수(Y)가 증기 터빈(4)의 휠 챔버 압력값(R)인 제어 시스템 작동 방법.
  4. 제 1항 또는 2항에 있어서,
    상기 조작 변수(Y)가 증기 터빈(4)의 증기 유동값(D)인 제어 시스템 작동 방법.
  5. 제 1항 또는 2항에 있어서,
    상기 제어 변수(X)가 증기 터빈(4)의 출력값(P)인 제어 시스템 작동 방법.
  6. 제 1항 또는 2항에 있어서,
    상기 제어 변수(X)가 증기 터빈(4)의 회전 속도값(N)인 제어 시스템 작동 방법.
  7. 제 1항 또는 2항에 있어서,
    상기 제어 변수(X)가 증기 터빈(4)의 작동 매체의 압력값(W)인 제어 시스템 작동 방법.
  8. 하나의 조작 변수(Y)와 다수의 제어기 파라미터(Ri)에 따라 제어 대상(44)에 작용하는 제어기(42) 및 제어기 적응 장치(50)를 갖춘 제어 시스템(36)으로서,
    상기 제어기(42)가 동작하는 동안 조작 변수(Y)의 시간적 응답의 웨이블릿 변환과 제어 대상(44)의 제어기(42)의 제어 변수(X)의 시간적 응답의 웨이블릿 변환을 미리 정해진 타임 슬롯내에서 비교함으로써 제어 대상(44)의 응답 특성을 확정하며, 각각의 웨이블릿 변환에 관련된 시점을 검출하고, 검출된 응답 특성에 따라 각각의 제어기 파라미터(Ri)를 조정하는 제어 시스템(36).
KR1020017000157A 1998-07-07 1999-07-02 제어 시스템의 작동 방법 및 상기 방법을 실행하기 위한장치 KR100629031B1 (ko)

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DE19830341.6 1998-07-07
DE19830341A DE19830341C1 (de) 1998-07-07 1998-07-07 Verfahren zum Betreiben einer Regelungseinrichtung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

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