KR101035672B1

KR101035672B1 - 제어 성능 지수를 이용한 절체 기능을 갖는 하이브리드 제어장치

Info

Publication number: KR101035672B1
Application number: KR1020090129019A
Authority: KR
Inventors: 변승현; 임익헌; 박두용
Original assignee: 한국서부발전 주식회사; 한국전력공사
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2011-05-19

Abstract

공정 제어에서 제어 루프마다 요구하는 제어 요구조건이 다르며, 채용되는 제어기 또한 여러 가지의 형태를 취하고 있다. 시간 지연, 비선형성 등으로 인해 제어가 난해한 프로세스에는 SCO(State Controller with Observer) 등의 고급 제어 알고리즘과 공정 제어에서 일반적으로 이용되는 PID 제어기가 혼용되어 사용되고 있다. 이에 대하여 제어가 어려운 특정 구간이나 상황에서 제어 성능을 높이고, 제어 효율을 높일 수 있는 공정 제어용 하이브리드 제어장치가 기술된다. 즉, 2개의 제어기를 포함하고, 제어 루프의 요구조건에 따른 제어 성능 관점에서 입력된 제어 성능지수에 기반하여 계산된 제어 성능 지수 계산값과 절체 조건으로 입력된 임계치와의 비교에 의해 상기 제어기의 절체 모드에 따라 상기 제어기의 절체가 자동으로 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 공정 제어용 하이브리드 제어장치가 제공된다.

제어기, 공정 제어, 제어 성능 지수, 제어 절체, 범프리스(bumpless)

Description

제어 성능 지수를 이용한 절체 기능을 갖는 하이브리드 제어장치{HYBRID CONTROLLER WITH TRANSFER FUNCTION USING CONTROL PERFORMANCE INDEX}

본 발명은 공정 제어용 하이브리드 제어장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 제어가 어려운 특정 구간이나 상황에서 제어 성능을 높이고, 제어 효율을 높일 수 있는 공정 제어용 하이브리드 제어장치에 관한 것이다.

일반적으로 공정 제어에서 제어 루프마다 요구하는 제어 요구조건이 다르며, 채용되는 제어기 또한 여러 가지의 형태를 취하고 있다. 시간 지연, 비선형성 등으로 인해 제어가 난해한 프로세스에는 공정 모델에 기반한 기법 또는 인공지능 기법을 채용한 고급 제어 알고리즘과 공정 제어에서 가장 많이 활용되고 있는 PID(Proportional Integral Derivative) 제어기가 혼용되어 사용되고 있다.

공정 제어에서 온도 제어 루프 등 시간 지연 등으로 인해 제어가 난해한 루프의 경우 고급 제어 알고리즘이 적용되고 있는 추세이지만, 제어 시스템 제작사에 따라 제어기의 종류와 구성이 다르다. 또한 일반적으로 공정 제어에서 가장 많이 활용되고 있는 PID 제어기도 해당 루프에 적용될 수 있도록 구현되어 제어기술원 또는 운전기술원에 의해 고급 제어 알고리즘과 PID 제어 알고리즘 중 사용하는 제 어기를 선택할 수 있도록 되어 있다.

따라서, 초기에 제어 루프 특성에 맞게 제어기를 구현하였다고 하더라도, 제어기술원 등에 의해 선택되는 제어기만 활용되고, 선택되지 않은 제어기는 활용되지 않고 있는 실정이다. 또한, 선택되어 사용되는 제어기의 성능이 좋지 않을 경우에는 수동 모드로 운전을 하거나 사용하는 제어기의 파라미터를 재조정하거나 게인 스케쥴링 기법을 통해 제어 루프 성능 개선 노력이 이루어지고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 상호보완적인 2개의 제어기를 구현하고, 제어 루프의 요구조건에 따른 제어 성능 관점에서 입력된 제어 성능지수에 기반하여 계산된 제어 성능 지수 계산값과 절체 조건으로 입력된 임계치와의 비교에 의해 범프(bump)가 없는 제어기 절체가 자동으로 이루어지게 함으로써 제어가 어려운 특정 구간이나 상황에서 제어 성능을 높일 수 있을 뿐만 아니라 제어 기술원이나 운전 기술원의 개입없이 제어 효율을 높이기 위한 공정 제어용 하이브리드 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 기능을 수행하기 위한, 본 발명의 특징적 구성은 다음과 같다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 시간 지연, 비선형성 등으로 인해 제어가 난해한 제어 루프에 있어서, 상호보완적인 2개의 제어기를 채용하고, 제어 루프 특성에 기반한 제어 요구조건에 따른 제어 성능 지수 선택 입력과, 제어기 절체 기준이 되는 제어 성능 지수 임계값 입력, 제어 설정값, 제어 공정값, 제어기 선택 수동 입력, 및 제어기 절체 모드 스위치 입력을 이용하여 상기 운전중인 제어기의 성능 지수값을 계산하고, 입력된 임계치와 비교하여, 그 비교 결과와 제어기 절체 모드에 따라 상기 제어기의 절체가 자동으로 이루어지도록 하는 제어 성능 지수 모니터, T-플립플롭, 아날로그 트랜스퍼, 제어기 1 및 제어기 2를 포함하여 구성되는 공정 제어용 하이브리드 제어장치가 제공된다.

여기서, 상기 하이브리드 제어장치는, 수동 모드와 자동모드의 절체 모드를 두고, 상기 절체 모드 스위치 입력에 의한 절체 모드에 따라 제어기 절체 로직을 구현하고, 상기 제어 성능 지수 선택 입력과 제어 설정값, 제어 공정값에 기반하여 제어 성능 지수 값을 계산하여, 입력된 제어 성능지수 임계값과의 비교에 의한 로직 출력을 이용하여 제어기 절체가 이루어지는 펄스 신호를 발생시키기 위하여, 제어성능지수 계산 블럭, 배타적 논리합, 비교기, 한시동작 순시복귀, 펄스 발생기, 및 디지털 트랜스퍼를 구비하는 특징을 갖는다.

또한, 상기 상기 하이브리드 제어장치는, T-플립플롭을 이용하여 상기 제어기를 절체하고, 활성화된 상기 제어기가 어떤 제어기인지를 피드백 받는데 활용하며, NOT 게이트와 조합하여 제어기의 범프리스(bumpless) 절환이 이루어지도록 하는 특징을 갖는다.

이상에서와 같이, 본 발명은 시간 지연, 비선형성 등으로 인해 제어가 난해한 제어 루프에 대해서, 상호보완적인 2개의 제어기를 채용하고, 제어 루프의 요구조건에 따른 제어 성능 지수를 바탕으로 한 제어기의 자동 및 범프리스(bumpless)한 절체 운전을 통해 제어 효율이 크게 개선되는 효과가 달성된다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시 예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시 예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시 예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공정 제어용 하이브리드 제어장치(100)의 구성을 예시적으로 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 공정 제어용 하이브리드 제어장치(100)는 제어 성능 지수 모니터(110), T-Flip Flop(120), 제1 제어기(130) 제2 제어기(140), 아날로그 트랜스퍼(ANA.T, 150) 및 NOT 게이트(160) 등을 포함하고, 이를 통해 제어 루프의 요구조건에 따른 제어 성능 관점에서 입력된 제어 성능지수에 기반하여 계산된 제어 성능 지수 계산값과 절체 조건으로 입력된 임계치와의 비교에 의해 제어기의 절체 모드에 따라 상기 제어기(130, 140)의 절체가 자동으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기서의 제어 성능 지수라 함은 제어가 얼마나 잘 이루어지고 있는 가를 지시하는 인자로 제어 관점의 제어 루프에서 요구하는 사양을 기준으로 설정할 수 있는 기준이다.

본 발명의 제어 성능 지수 모니터(110)는 상승 시간(rise time), 정정시간(settling time), 오버슈트(overshoot), 에러 절대값의 적분(IAE : Integral of the absolute value of the error) 및 에러 제곱의 적분(ISE : Integral of the square of the error) 등 제어 성능 지수 입력, 제어 성능지수 임계값, 제어기 설정값, 제어기 공정값, 제어기 선택 수동 입력값, 제어기 절체 모드 입력 및 T-플립플롭 출력 피드백 값 등을 입력받아 위에서 정의한 제어 성능 지수를 기준으로 제어기 설정값과 공정값을 이용하여 제어 성능 지수값을 계산하고, 계산값을 입력된 제어성능지수 임계값과 비교한 결과와 제어기 절체 모드에 따라 제어기 절체가 이루어지도록 하는 T-플립플롭(120)에 의해 제어기 절체 트리거 신호를 발생시킨다. 아울러, 본 발명의 사용자 인터페이스에 제어기 절체와 관련된 정보를 제공한다.

한편, 여기서의 제어기 절체는 수동과 자동 모드로 구분하여 이루어지며, 수동 모드일 경우에는 제어기 선택 수동 입력에 의해 절체가 이루어지며, 자동 모드일 경우에는 입력된 제어 성능 지수에 기반한 제어 성능 지수 계산값과 입력된 임계값과의 비교결과에 의하여 절체가 이루어진다. 여기서, 제어기 1, 2(130, 140) 및 아날로그 트랜스퍼(150) 간의 관계 및 제어 성능 지수 모니터(110)에 대하여 이하의 도 2 내지 도 3을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 T-플립플롭(120)의 출력값에 의한 제어기 1, 2(130, 140) 및 아날로그 트랜스퍼(150) 간의 동작 관계를 설명하기 위한 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 T-플립플롭(120)은 제어 성능 지수 모니터(110)로부터 절체와 관련된 트리거 신호를 입력받아 본래의 기능을 수행하여 0과 1의 값을 출력한다. 예를 들면, 출력된 값이 0일 경우에는 제어기 1(130)의 출력이 아날로그 트랜스퍼(150)의 출력으로 작용하며, T-플립플롭(120)의 출력된 값이 1일 경우에는 제어기 2(140)의 출력이 아날로그 트랜스퍼(150)의 출력으로 작용한다.

이를 위하여, 본 발명의 T-플립플롭(120)의 출력이 0일 경우에는 T-플립플롭(120)의 출력을 제어기 1(130)의 트랙 스위치 입력으로 하고, T-플립플롭(120)의 출력을 반전 게이트(160)를 경유시켜 논리 1의 값을 제어기 2(140)의 트랙스위치의 입력으로 하게 하여 제어기 2(140)가 트랙 모드로 동작하여 제어기 2(140)가 아날로그 트랜스퍼(150)의 출력을 추종하게 되며, T-플립플롭(120)의 출력이 1일 경우에는 제어기 1(130)이 트랙모드로 동작하게 하여 아날로그 트랜스퍼(150)의 출력을 추종하게끔 한다. 이에 따라, 제어기 1 및 2(130, 140) 간에는 범프리스(bumpless) 절환이 이뤄질 수 있는 것이다.

이와 같이, 본 실시예에서는 특정 영역에서의 제어 성능을 보완할 수 있는 제어기를 구현할 수 있으며, 제어 루프 특성에 따라 다른 제어 성능 지수를 선택, 감시, 보완함으로써 더 나은 제어 성능을 개선할 수 있는 효과를 가져올 수 있게 되는 것이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 성능 지수 모니터(110)의 제어 블럭 구성을 보다 상세히 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 제어 블럭은 제어기의 절체 모드(수동/자동)에 따라 디지털 트랜스퍼(150)에 의해 T-플립플롭(120)의 입력인 제어기 절체 트리거 발생 신호를 선택하게 한다. 즉, 제어기의 수동 선택 입력을 디지털(이진 논리)로 받아들일 경우, 예컨대 제어기 1을 선택하고자 하는 경우 0, 제어기 2를 선택하고자 하는 경우 1에 대하여 T-플립플롭의 출력이 제어 성능 지수 모니터(110)로 피드백하게 된다. 수동 절체 모드에서는 제어기 선택 수동 입력과 T-플립플롭의 피드백을 exclusive-OR(ⓑ)를 취하면서, 수동 모드일 경우에만 작용하도록 exclusive-OR(ⓑ) 출력을 수동 모드가 활성화된 경우와 AND(ⓔ) 연산을 취한다. 수동 모드에서 T-플립플롭 출력과 제어기 선택 수동 입력이 다를 경우에는 ONE-SHOT(ⓖ)의 입력이 0→1로 상태천이가 일어나 디지털 트랜스퍼(ⓘ)의 입력으로 펄스가 입력되어 T-플립플롭(도 1의 120)의 입력으로 작용되며, 그 결과 T-플립플롭의 출력이 반전되도록 한다.

이와 같은 과정을 통해 앞서 설명한 아날로그 트랜스퍼(150)의 출력이 수동 입력된 제어기(130, 140)의 출력으로 절환되게 하며, exclusive-OR(ⓑ)의 입력은 수동 입력과 동일하게 되어, exclusive-OR(ⓑ)의 출력은 0이 되므로 T-플립플 롭(120)은 이전 상태를 유지하게 된다. 자동 절체 모드에서는 제어 성능 지수 입력과 설정값, 공정값에 기반하여 제어 성능 지수를 계산(ⓐ)하며, 계산결과로 나온 성능 지수 계산값과 임계값을 비교하여 임계값를 벗어날 경우에는 비교기(ⓒ) 로직 출력이 1이 된다. 출력이 1이 되더라도 임계값 부근에서의 오실레이션에 따른 제어기 절체의 반복과 제어기 절체 후 제어 성능 계산 값에 의해 다시 절체되는 경우를 방지하기 위하여 한시 동작 순시 복귀 입력(ON DELAY, ⓕ)으로 작용하게 비교기 출력이 일정시간 이상 논리 1을 유지하여야만 ONE-SHOT(ⓗ)의 입력이 0→1로 상태천이가 일어나 자동 절체 모드에서의 펄스를 T-플립플롭 입력에 작용하게 하여, T-플립플롭의 출력에 반전이 일어나도록 한다. 이렇게 함으로써 자동 모드에서 제어기 절체가 일어나도록 할 수 있는 것이다.

참고로, 도 3에 도시된 ON DELAY(ⓕ)는 한시 동작 순시 복귀 출력을 하는 것으로, 입력으로 논리 1이 들어오면, 설정된 시간 후에 출력 OUT이 1이 되며, 입력이 0이 들어오면 출력 OUT은 바로 0이 되는 회로이며, ONE-SHOT(ⓗ)는 단안정 멀티바이브레이터 펄스 입력에 대한 단안정 멀티 바이브레이터로 edge sensitive이다. 이는 입력 IN이 논리 0에서 논리 1로 될 때, 출력 OUT은 설정된 시간 T초만큼 1을 유지한 후 논리 0으로 복귀하는 역할을 한다. 도 3의 디지털 트랜스퍼(ⓘ)도 2의 아날로그 트랜스퍼(120)와 같은 역할을 하며, 차이점은 입력 신호 2개와 출력 신호 하나가 아날로그이냐 디지털이냐 하는 것이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 하이브리드 제어장치 110 : 제어 성능 지수 모니터

120 : T-Flip Flop 130 : 제1 제어기

140 : 제2 제어기 150 : 아날로그 트랜스퍼

160 : NOT 게이트

Claims

제1 제어기와 제2 제어기를 가진 공정 제어용 하이브리드 제어장치에 있어서,

제어 루프 특성에 기반한 제어 요구조건에 따른 제어 성능 지수, 제어기 절체 기준이 되는 제어 성능 지수 임계값, 제어 설정값, 및 제어 공정값을 이용하여 운전 중인 제어기의 성능 지수값을 계산하고, 운전 중인 제어기의 성능 지수값을 제어 성능 지수 임계값과 비교한 결과에 따라 제어기의 절체가 이루어지도록 하는 제어기 절체 트리거 신호를 발생시키는 제어 성능 지수 모니터;

제어 성능 지수 모니터로부터 제어기 절체 트리거 신호를 입력받아서 0 또는 1의 값을 출력하는 T-플립플롭; 및

제1 제어기의 출력과 제2 제어기의 출력을 입력으로 받아서, T-플립플롭의 출력신호의 값을 기초로 하여 제1 제어기의 출력과 제2 제어기의 출력 중 어느 하나만을 출력하는 아날로그 트랜스퍼;를 포함하고,

T-플립플롭의 출력신호의 값이 0인 경우에, 제2 제어기가 대기 중인 제어기로 되면서 제1 제어기가 운전 중인 제어기로 활성화되고, 아날로그 트랜스퍼는 제1 제어기의 출력을 출력하고,

T-플립플롭의 출력신호의 값이 1인 경우에, 제1 제어기가 대기 중인 제어기로 되면서 제2 제어기가 운전 중인 제어기로 활성화되고, 아날로그 트랜스퍼는 제2 제어기의 출력을 출력하는 것을 특징으로 하는 공정 제어용 하이브리드 제어장치.
제1항에 있어서,

상기 공정 제어용 하이브리드 제어장치는 제어기 절체 모드로서 자동 모드와 수동 모드를 가지며,

수동 모드에서는 제어기 선택 수동 입력에 따라서 제어 성능 지수 모니터가 제어기 절체 트리거 신호를 발생시키고,

자동 모드에서는 운전 중인 제어기의 성능 지수값이 제어 성능 지수 임계값에 의한 범위를 벗어난 경우에 제어 성능 지수 모니터가 제어기 절체 트리거 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 공정 제어용 하이브리드 제어장치.
제1항에 있어서,

상기 공정 제어용 하이브리드 제어장치는,

T-플립플롭을 이용하여 상기 운전 중인 제어기를 절체하고, 활성화된 제어기가 어떤 제어기인지를 피드백 받는데 활용하며, NOT 게이트와 조합하여 제어기의 범프리스(bumpless) 절환이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 공정 제어용 하이브리드 제어장치.
제2항에 있어서,

상기 공정 제어용 하이브리드 제어장치는,

사용자 인터페이스를 통해 제어 성능 지수, 제어 성능 지수 임계값, 제어기 절체 모드, 및 제어기 선택 수동 입력을 받아들이고, 제어 성능 지수, 제어 성능 지수 임계값, 운전 중인 제어기의 성능 지수값, 활성화된 제어기, 제어기 절체 모드, 제어기 선택 수동 입력, 및 제어기 절체시 알람 정보를 사용자 인터페이스에서 제공하는 것을 특징으로 하는 공정 제어용 하이브리드 제어장치.