KR102549501B1 - 전달함수를 이용한 서로 다른 환경 온도 균일화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 서로 다른 환경 간 온도 균일화 제어 방법에 관한 것으로, 특히 서로 다르게 관리되는 환경의 온도를 환경 온도 간 전달함수를 이용하여 균일하게 제어하는 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명은 복수의 환경 중 제1 환경과 제2 환경 간의 온도 제어 함수에 사용될 상기 전달함수의 형태를 IIR-필터(Infinite Impulse Response filter)로 설정하는 단계; 상기 제1 환경과 제2 환경의 온도 데이터를 수집 및 학습하여 상기 전달함수의 파라미터를 추정하는 단계; 및 상기 파라미터가 적용된 전달함수를 통해 안정도를 확인하여 상기 파라미터 및 전달함수를 결정하는 단계를 포함하는 서로 다른 환경 간 온도 균일화 제어 방법을 제공한다. 전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 학습을 통해 전달함수의 수렴된 파라미터를 추정하기 때문에 전달함수의 정확도 및 정밀도를 향상시키는 이점이 있다.

Description

전달함수를 이용한 서로 다른 환경 온도 균일화 방법{TRANSFER FUNCTION BASED TEMPERATURE UNIFORMITY CONTROL METHOD IN THE DIFFERENT ENVIRONMENT}

본 발명은, 전달함수를 이용한 서로 다른 환경 온도 균일화 제어 방법에 관한 것이다.

반도체 제조공장 등에서 이용되는 클린룸 등(챔버)에 있어서는 작업 환경의 조건이 엄격하게 요구된다. 그 조건으로서는 예컨대, 실온관리·청정도의 유지 · 정숙(靜肅)성(진동이 없는 공간) 등을 들 수 있다. 실내(챔버 내)의 온도관리에 관해서는, 공기조절설비에 의한 고정밀도로 일정한 온도관리가 요구되고 있다. 이러한 챔버 등에 관해서 고정밀도로 일정한 온도관리를 행하는 시스템을 정밀온도조절 시스템이라 한다.이러한 정밀온도조절 시스템으로서는, 예컨대 피드백 제어기(PID)를 이용하는 것이 잘 알려져 있다.

이와 관련, 종래의 냉장고의 온도 제어 방법을 개시하는 한국공개특허 제10-1998-036753호의 경우, 냉장고의 냉장실에 설치된 온도 센서들을 이용하여 유전자 알고리듬 - 퍼지(Genetic Algorithm - Fuzzy) 모델에 의하여 전달 함수를 설정하는 방법을 개시하고 있다. 이러한 유전자 알고리듬 - 퍼지 모델은, 전제부 파라메터의 최적값을 구하기 위하여, 유전자 알고리듬을 이용하여 전제부 파라메터를 인식하도록 되어 있다. 예를 들어, 2 개의 센서로부터 측정된 온도 및 각 온도의 차이를 이용하여, 냉장실 내부의 각 센서의 대향측 온도를 추정한다. 이 추정 과정에서 퍼지 모델이 이용된다. 그리고 상기 측정 온도 및 추정 온도를 이용하여, 냉장실 내부의 전체적 온도 분포를 추정하고, 이에 따른 압축기 및 냉기 팬의 구동 여부를 결정하는 과정을 개시하고 있다.

다만 종래의 전달 함수 설정 방법의 경우, 냉장실 내부의 온도를 추정하는 데 있어서 정적 모델(Static model)을 이용하므로 설정된 전달 함수의 정확도 및 정밀도가 상대적으로 떨어지게 되는 문제점이 있으며, 하나의 시스템 내부에서만 동작을 하며 다른 시스템의 온도를 제어는 할 수 없는 문제점이 있다.

한국공개특허 제10-1998-036753호

본 발명은 서로 다른 환경의 온도를 전달함수를 통해 균일하게 제어하는 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 복수의 환경 온도를 적어도 하나 이상의 전달함수를 통해 균일하게 제어하는 서로 다른 환경 간 온도 균일화 제어 방법에 있어서, 상기 복수의 환경 중 제1 환경과 제2 환경 간의 온도 제어 함수에 사용될 상기 전달함수의 형태를 IIR-필터(Infinite Impulse Response filter)로 설정하는 단계; 상기 제1 환경과 제2 환경의 온도 데이터를 수집 및 학습하여 상기 전달함수의 파라미터를 추정하는 단계; 및 상기 파라미터가 적용된 전달함수를 통해 안정도를 확인하여 상기 파라미터 및 전달함수를 결정하는 단계를 포함하는 서로 다른 환경 간 온도 균일화 제어 방법을 제공한다.

실시 예에 따라, 상기 IIR-필터는, 상기 제1 환경와 제2 환경 사이에 1차 계수로 이루어진 파라미터에 관한 수식으로 설정될 수 있다.

실시 예에 따라, 상기 전달함수의 파라미터를 추정하는 단계는, 상기 제1 환경의 온도제어 함수(

)와 상기 제2 환경의 온도제어 함수(

)는 [수학식 1]로 설정될 수 있다.

[수학식 1]

(여기서

는 제1 환경과 제2 환경 사이의 전달함수 파라미터)

실시 예에 따른 온도 데이터는, 소정의 오차 범위 내의 온도에서 수집될 수 있다.

실시 예에 따른 본 발명의 온도 데이터는 소정의 오차 범위 내의 온도에서 수집될 수 있다.

실시 예에 따른 본 발명의 온도 데이터 중 일부는 상기 전달함수의 파라미터 추정을 수행하고 나머지는 상기 전달함수의 안정도를 확인하는데 이용될 수 있다.

실시 예에 따라 상기 파라미터 및 전달함수를 결정하는 단계는, 상기 제1 환경과 제2 환경의 온도 데이터의 측정값과 상기 전달함수에 의해 추정되는 추정값과의 차이가 최소가 되는 에러율을 검출하여 상기 파라미터의 개수가 결정될 수 있다.

또한 본 발명은 상술한 위의 방법을 프로그램으로 구현하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체를 제공한다.

전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 학습을 통해 전달함수의 수렴된 파라미터를 추정하기 때문에 전달 함수의 정확도 및 정밀도를 향상시키는 이점이 있다.

또한 본 발명은, 수집된 온도 데이터에 의해 추정된 파라미터로 전달함수를 구성하고, 구성된 전달함수 또한 수집된 온도 데이터의 일부로 테스트하여 전달함 수의 정확도 및 정밀도를 향상시키는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 서로 다른 환경 간 온도 균일화 제어 방법을 수학적으로 모델링하는 모습을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전달함수를 적용한 제어 방법의 모습이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전달함수 추정에 사용한 온도 데이터의 입력과 출력 데이터를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 전달함수의 파라미터를 추정하는 모습이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전달함수의 성능 테스트 모습이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 추정된 파라미터를 통해 결정된 전달함수를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 비례 제어기와 3개의 파라미터로 전달함수를 구성한 모습(A)과 이를 통해 추종 제어가 가능함을 확인하는 모습(B)을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 제어 방법의 실시 예를 나타낸다.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, "그 중간에 다른 구성을 사이에 두고" 연결되어 있는 경우도 포함한다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

도 1은 본 발명의 서로 다른 환경 간 온도 균일화 제어 방법을 수학적으로 모델링하는 모습을 나타낸다.

도 1을 참조하면, 각 구조의 환경은 서로 다르게 관리되고 있으며, 해당 구조는 서로 다른 온도 제어 환경을 반영하고 있다. 실시 예에 따라

과

는 전달함수

과

의 곱으로 표현될 수 있다. 즉, 전달함수를 이용하여 온도 제어 환경 차이를 수학적으로 모델링할 수 있다.

본 발명은 서로 다른 환경 간 온도 균일화 제어 방법으로, 전달함수의 형태를 IIR-필터(Infinite Impulse Response filter)로 설정하는 단계, 전달함수의 파라미터를 추정하는 단계 및 파라미터 및 전달함수를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

전달함수의 형태를 IIR-필터(Infinite Impulse Response filter)로 설정하는 단계는, 상기 복수의 환경 중 제1 환경과 제2 환경 간의 온도 제어 함수에 사용될 전달함수 설정하는 과정이다. 제1 환경과 제2 환경의 경우 실시 예로 설정한 것으로 특정 수치에 한정되는 것은 아니고, 복수의 환경이 연결되는 경우 제3 환경, 제4 환경 등이 설정될 수 있다.

전달함수의 파라미터를 추정하는 단계는 상기 제1 환경과 제2 환경의 온도 데이터를 수집 및 학습하여 추정될 수 있다. 본 과정에서는 제1 환경와 제2 환경에서 온도 데이터를 수집하고 제1 환경과 제2 환경의 추종되는 온도에 따라 파라미터의 계수를 추정하는 과정을 포함할 수 있다.

파라미터 및 전달함수를 결정하는 단계는 상기 파라미터가 적용된 전달함수를 통해 안정도를 확인하는 과정을 포함하며, 전달함수에 의해 각 환경 간 온도가 추종되는 과정을 확인할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전달함수를 적용한 제어 방법의 모습이다.

도 2를 참조하면, 각 실내 재배기를 제어하는 전달함수는 전역통과필터(ALL-PASS-FILTER)가 사용되며, 전달함수에 사용되는 IIR-필터는, 상기 제1 환경과 제2 환경 사이에 1차 계수로 이루어진 아래 수학식 1 내지 3의 파라미터에 관한 수식으로 설정될 수 있다.

[수학식 1]

[수학식 2]

[수학식 3]

즉, 수학식 3은 수학식 1과 수학식 2의 곱으로 표현될 수 있으며 이는 결국, 수학식 1과 같이 1차 형태의 필터로 표현될 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전달함수 추정에 사용한 온도 데이터의 입력과 출력 데이터를 나타낸다.

도 3을 참조하면, 전달함수 추정에 사용된 데이터가 표시되는데, 이는 아래 표 1과 같고, 두 환경에서 수집된 데이터를 입력과 출력으로 구분하여 표현할 수 있다.

Item	Specifications
Maker	Onset Computer
Model	MX1102A
Range	0 to 50℃
Accuracy	±0.21℃
Resolution	0.024℃ at 25℃

표 1은 실시 예에 따라 제1 환경(

)과 제2 환경(

)에설치된 내부 온도 센서에서 취득된 온도 데이터를 의미한다. 본 발명의 실시 예에 따라 10분 간격으로 4,000개의 데이터를 취득하였고, 2,000 개의 데이터는 전달함수 추정에 사용되고, 나머지 2,000 개의 데이터는 성능 테스트에 사용될 수 있다.

상기 온도 데이터는, 소정의 오차 범위 내의 온도에서 수집될 수 있으며, 제1 환경(

)의 임의의 온도 데이터가 전달함수로 입력되고, 제2 환경(

)의 온도가 전달함수로부터 출력되는 온도 데이터로 설정할 수 있다. 각 데이터의 입력 및 출력을 통해 전달함수의 계수 조정을 수행할 수 있으며 최적화 설계를 할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 전달함수의 파라미터를 추정하는 모습이다.

도 4를 참조하면, 전달함수의 파라미터를 추정하는 단계는, 상기 제1 환경의 온도제어 함수(

)와 상기 제2 환경의 온도제어 함수(

)가 [수학식 4]로 설정될 수 있음을 보여준다.

[수학식 4]

(여기서

는 제1 환경과 제2 환경 사이의 전달함수 파라미터)

입력되는 온도 데이터와 출력되는 온도데이터의 관계를 전달함수로 표현하는 것으로, 전달함수의 계수는 데이터 셋이 증가함에 따라 정교하게 산출될 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전달함수의 성능 테스트 모습이다.

도 5를 참조하면, 실시 예에 따라 2,000 개 데이터 셋을 사용하여 전달함수 성능 테스트를 수행한 모습을 보여준다.

실시 예에 따라 상기 파라미터 및 전달함수를 결정하는 단계는, 아래 표 2와 같이 상기 제1 환경과 제2 환경의 온도 데이터의 측정값과 상기 전달함수에 의해 추정되는 추정값과의 차이가 최소가 되는 에러율을 검출하여 상기 파라미터의 개수가 결정될 수 있다.

Errors(degrees)	Case Ⅰ	Case Ⅱ	Case Ⅲ
Estimation	0.7609	0.7103	0.6891
Prediction	0.599	0.5311	0.5381

표 2는 전달함수의 파라미터 수에 따른 측정 값과 추정 값의 차이 값을 나타내며, Case Ⅰ은 전달함수 파라미터를 3 개로 했을 때, Case Ⅱ는 전달함수 파라미터를 5 개로 했을 때 Case Ⅲ는 전달함수 파라미터를 7 개로 했을 때의 값을 나타낸다. 3개의 파라미터를 사용하는 것이 에러율이 낮아 본 발명의 실시 예에서는 3개의 파라미터를 사용하였다.

상기 온도 데이터 중 일부는 상기 전달함수의 파라미터 추정을 수행하고 나머지는 상기 전달함수의 안정도를 확인하는데 이용될 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 추정된 파라미터를 통해 결정된 전달함수를 나타낸다.

도 6을 참조하면, 환경A와 환경B 사이의 전달함수는 위와 같이 1차 필터로 설계되었으며, 파라미터는 3개가 사용되었다. 이를 통해 수집된 데이터 셋을 활용하여 전달함수가 아래 수학식 5와 같이 결정된 모습을 보여준다.

[수학식 5]

수학식 5와 같이 전달함수에 의해, 환경A(

)와 환경B(

)의 경우

가

를 추종해서 서로 같아지도록 제어될 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 비례 제어기와 3개의 파라미터로 전달함수를 구성한 모습(A)과 이를 통해 추종 제어가 가능함을 확인하는 모습(B)이며, 도 8은 본 발명의 제어 방법의 실시 예를 나타낸다.

도 7을 참조하면, 제어 가능성을 확인하도록 도식화된 모습으로 비례 제어기와 3개의 파라미터로 위 도 6과 같이 환경B(

)가 환경A(

)를 추종해서 서로 같아지도록 추종 제어도를 구성할 수 있다. 도 8은 도 7과 같은 제어 방법의 또 다른 실시 예에 해당되는 블록도로 구성할 수 있음을 보여준다.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.

Claims (7)

1. 복수의 환경의 온도를 적어도 하나 이상의 전달함수를 통해 균일하게 제어하는 서로 다른 환경 간 온도 균일화 제어 방법에 있어서,
   상기 복수의 환경 중 제1 환경과 제2 환경 간의 온도 제어 함수에 사용될 상기 전달함수의 형태를 IIR-필터(Infinite Impulse Response filter)로 설정하는 단계;
   상기 제1 환경과 제2 환경의 온도 데이터를 수집 및 학습하여 상기 전달함수의 파라미터를 추정하는 단계; 및
   상기 파라미터가 적용된 전달함수를 통해 안정도를 확인하여 상기 파라미터 및 전달함수를 결정하는 단계를 포함하는 서로 다른 환경 간 온도 균일화 제어 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 IIR-필터는,
   상기 제1 환경과 제2 환경 사이에 1차 계수로 이루어진 파라미터에 관한 수식으로 설정되는 것을 특징으로 하는 서로 다른 환경 간 온도 균일화 제어 방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 전달함수의 파라미터를 추정하는 단계는,
   상기 제1 환경의 온도제어 함수(

   

   )와 상기 제2 환경의 온도제어 함수(

   

   )는 [수학식 1]로 설정되는 것을 특징으로 하는 서로 다른 환경 간 온도 균일화 제어 방법.
   [수학식 1]
   

   

   
   (여기서

   

   는 제1 환경과 제2 환경 사이의 전달함수 파라미터)
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 온도 데이터는,
   소정의 오차 범위 내의 온도에서 수집되는 것을 특징으로 하는 서로 다른 환경 간 온도 균일화 제어 방법.
   
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 온도 데이터 중 일부는 상기 전달함수의 파라미터 추정을 수행하고 나머지는 상기 전달함수의 안정도를 확인하는데 이용되는 것을 특징으로 하는 서로 다른 환경 간 온도 균일화 제어 방법.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 파라미터 및 전달함수를 결정하는 단계는,
   상기 제1 환경과 제2 환경의 온도 데이터의 측정값과 상기 전달함수에 의해 추정되는 추정값과의 차이가 최소가 되는 에러율을 검출하여 상기 파라미터의 개수가 결정되는 것을 특징으로 하는 서로 다른 환경 간 온도 균일화 제어 방법.
   
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 방법을 프로그램으로 구현하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체.

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