KR20010016087A

KR20010016087A - 퍼지추론 및 스케쥴러를 이용한 사무소 건물의 외기도입댐퍼제어 방법에 관한 발명

Info

Publication number: KR20010016087A
Application number: KR1020000064490A
Authority: KR
Inventors: 송명원; 박문수
Original assignee: 석진철; 에스비티 주식회사
Priority date: 2000-10-31
Filing date: 2000-10-31
Publication date: 2001-03-05

Abstract

본 발명은 사무소 건물의 실내 공기환경에 가장 중요한 요소인 이산화탄소 농도제어를 통해 재실자의 업무능률 향상과 쾌적도를 극대화하기 방법을 제시하고자, 기존의 이산화 탄소 농도 제어방식의 문제점인 진동 현상을 해결하고, 원하는 시간대에 희망하는 이산화탄소 농도를 유지하기 위한 퍼지-스케줄링 제어방법을 제시함으로써 최근 문제가 되고 있는 건물병 증후군(Sick Building Syndrom)을 예방할 수 있는 제어방법을 제시하였다.

Description

퍼지추론 및 스케쥴러를 이용한 사무소 건물의 외기도입 댐퍼제어 방법에 관한 발명{Outdoor Air Damper Control Method using Fuzzy Inference and Time scheduler in Office Building}

본 발명은 인텔리전트 빌딩내의 이산화탄소 농도를 효과적으로 제어하기 위한 것으로, 특히 인텔리전트 빌딩의 공조 시스템의 제어에 관한 것이다.

기존의 인텔리전트 빌딩 공조 시스템은 재실자의 쾌적성을 무시한 채 운영자의 판단과 에너지 절약에만 의존하여, 이산화탄소 농도의 상한 값과 하한 값만을 가지고 2스위치 방식으로 제어하기 때문에, 일정한 수준의 공기 환경을 유지하는데 문제를 안고 있다.

상기와 같은 방식은 이산화탄소의 농도를 재실자가 원하는 농도로 유지하기 어렵다. 이러한 문제점은 인텔리전트 빌딩내의 실내 공기의 오염을 발생시켜, 재실자가 호흡기 계통 및 신체의 이상을 호소하는 건물병 증후군(Sick Building Syndrome :SBS)이라는 신종 병을 유발하게 되었다.

따라서, 본 발명은 상기의 제반 문제점을 해결하기 위하여 인출된 것으로서, 퍼지 추론 및 스케줄러를 통하여 재실자가 원하는 시간대에 원하는 이산화탄소 농도를 제어할 수 있는 제어방법을 개발하는데 있다.

제 1도는 일반적인 인텔리전트 빌딩에서의 공조기 구조도

제 2도는 실제 인텔리전트 빌딩의 이산화탄소 농도 변화

제 3도는 퍼지 제어기의 구조

제 4도는 제어 입력값에 대한 제어대상의 시간응답

제 5도는 P, PI, PID 제어를 이용한 이산화탄소 농도제어 알고리즘

제 6도는 퍼지추론을 이용한 이산화탄소 농도제어 알고리즘

제 7도는 발명에 적용된 퍼지 추론 알고리즘

상기의 목적을 달성하기 위하여, 센서에서 입력받은 이산화탄소의 농도와 설정 농도의 차, 시간에 따른 농도차의 변화를 입력받아 재실자의 의견을 반영한 스케줄러에 의해 퍼지 추론 여부가 결정되면 현재의 이산탄소 농도를 설정값으로 맞추기 위한 댐퍼각도의 퍼지 추론을 통하여 최적의 외기 도입 댐퍼각도가 결정되게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다.

제1도는 일반적인 인텔리전트 빌딩의 공조 시스템의 구조이다. 인텔리전트 빌딩의 공조 시스템은 OA Damper를 통하여 공기를 받아 들이고, EA Damper를 이용하여 실내의 오염된 공기를 방출하게 된다. RA Damper는 EA Damper와 OA Damper 사이의 공기의 양을 조절하기 위하여 사용된다. 일반적으로 EA Damper, RA Damper, OA Damper는 비례 제어를 이용하여 조정되어진다. 따라서 EA Damper, RA Damper, OA Damper는 모두 동일한 비율로 조정되어 진다.

제2도는 실제 인텔리전트 빌딩에서의 이산화탄소 농도가 시간에 따라서 변화하는 행태를 보여주고 있다. 인텔리전트 빌딩의 용도는 대부분이 사무실로서 주말과 점심시간을 제외한 대부분의 근무 시간인 오전 9시부터 오후 5시까지 재실자의 수가 크게 변화하지 않는다. 또한 인텔리전트 빌딩은 근무 시간 전에 댐퍼를 완전히 개방하여 외기를 받아들임으로서 이산화탄소의 농도를 400ppm 정도까지 낮추어 놓는다. 그러나 하절기 및 동절기 동안 냉난방을 위해 댐퍼를 닫게 되고, 이러한 이유로 실내 이산화탄소 농도가 높아진다. 이산화탄소 농도가 900ppm에 도달하게 되면, 댐퍼를 완전히 열게 되고, 댐퍼가 열리고, 이산화탄소의 농도는 떨어지게 된다. 그러나 800ppm에서 다시 댐퍼를 완전히 닫아 이산화탄소의 농도가 900ppm과 800ppm을 주기적으로 왕복하는 현상을 보이게 된다.

제 3도는 퍼지제어기의 구성을 나타낸 것이다.

구성을 살펴보면 첫째로 이산화탄소 농도 검출센서의 검출온도와 기설정된 설정목표농도와의 오차 및 오차의 변화를 입력변수로 하여 특정한 값을 인간의 판단에 적합하도록 적절한 언어변수로 바꾸어 주는 퍼지 함수화 단계이다. 그 다음 과정으로 이렇게 변환된 값을 인간의 사고방식을 도입하여 제어기의 출력을 판단하게 되는데, 이 퍼지추론 부분은 산업체에서 양호한 특성을 보여주는 PI제어기 특성을 고려하여 이를 언어변수로 표현한다.

퍼지 제어기의 퍼지제어규칙 부분을 구성하기 위하여, PI제어기의 입출력 관계를 나타내면 식 (2)와 같다.

U(t) = Kp·e(t)＋Ki∫e(t)dt (2)

인터럽트 시간마다 제어기의 출력을 알아보기 위해서 식(2)를 시간에 대하여 미분을 취하면,

pU = Kp·ce＋ Ki·e (3)

라고 표현될 수 있다. 여기서,이고,이다. 또한, 입력 r에 대한 e와 ce의 관계는 제 4도처럼 나타난다.

제 4도에서는 입력에 대한 e와 ce를 특정구간 n개로 나누어 언어변수로 나타내면, 다음과 같다.

a₁: IF e= PB₁AND ce= ZO₂THEN du= PB₃

a₂: IF e= ZO₁AND ce= NB₂THEN du= NB₃

a₃: IF e= NB₁AND ce= ZO₂THEN du= NB₃

a_(N-1): IF e= … AND ce= … THEN du= …

a_n: IF e= … AND ce= … THEN du= …

여기서 e,ce는 공정상태(process state)를 나타내는 언어변수(Linguistic variable)이고, du는 제어변수(control variable)이다. PB₁,...,NB₁과 PB₂,...,NB₂은 상태변수의 퍼지값이고 PB₃,...,NB₃은 제어값이다.

주어진 퍼지제어 규칙과 입력된 값으로부터 새로운 사실을 유추해 내기 위해서는 추론법이 필요하다.

퍼지추론에는 여러 가지가 있으나 본 발명에 적용된 추론법은 Mandani의 Minimum 연산이다.

그 다음 공정으로, 이러한 퍼지값은 직접 제어대상 시스템에 입력으로 줄 수 있는 값이 아니기 때문에 추론된 퍼지값을 가장 적절히 표현할 수 있는 명확한 값으로 바꾸어주는 비퍼지화 방법이 요구되는데, 본 발명에서는 다른 비퍼지화 방법에 비해서 우월한 성능을 보이는 경향이 있는 무게 중심법(center of area method)를 이용하였다.

무게 중심법은 합성된 출력 퍼지집합의 무게중심을 구하여, 무게중심의 좌표를 제어입력으로 사용하는 방법으로

과 같이 구해진다.

제 5도에서는 공조기의 제어방식을 나타낸 알고리즘이다.

기존에 제어 알고리즘에서는 습도제어, 엔탈피 제어, 이산화탄소 농도의 허용 범위내에서의 제어에 국환되었으나, 개발된 제어방식에서는 스케줄러에 의한 P(비례), PI(비례-적분), PID(비례-적분-미분) 제어 알고리즘에 의해 사용자가 원하는 시간에 원하는 농도를 자유롭게 설정할 수 있게 하였다.

제 6도에서는 공조기의 제어방식을 나타낸 알고리즘이다.

기존에 제어 알고리즘에서는 습도제어, 엔탈피 제어, 이산화탄소 농도의 허용 범위 내에서의 제어에 국환 되었으나, 개발된 제어방식에서는 스케줄러에 의한 퍼지제어 알고리즘에 의해 사용자가 원하는 시간에 원하는 농도를 자유롭게 설정할 수 있게 하였다.

제 7도에서는 이산화탄소 농도제어를 위한 퍼지추론 알고리즘이다. 적용된 퍼지제어 알고리즘은 이산화탄소 농도의 설정값과 오차, 단위시간당 오차의 변화율을 입력받아 이등변 삼각형의 소속함수를 통하여 퍼지화하고, 룰 테이블을 이용하여 출력값을 판단하고 Max-Min 추론을 통하여 무게 중심값을 통하여 출력하게 된다.

앞에서 기술한 것처럼, 기존의 사무소 건물에서의 이산화탄소 농도 제어의 경우 허용 한도 내에서만 제어가 가능하기 때문에 허용한도의 최대치에 다다를 경우가 장시간 계속될 경우, 한계농도를 계속적으로 반복하는 것을 실제 실험을 통해서 알 수 있었다. 이러한 진동현상이 수시간 계속될 경우 재실자는 극도의 피로감을 느끼고 심할 경우 건물병 증후군에 시달릴 수 있다. 그러나 본 개발 제어에서는 이러한 한계를 극복하고 재실자가 원하는 농도와 시간대를 자유로이 선택하여 제어함으로써 재실자 쾌적도를 극대화함은 물론 에너지 낭비를 최소화 할 수 있게 하였다.

Claims

사무소 건물의 이산화탄소 농도제어를 위해 도면 6에서와 같이 퍼지 추론을 이용하는 방법
도면 6에서와 같이 사무소 건물의 이산화탄소 농도제어를 위해 퍼지-스케줄 제어를 이용하는 방법
도면 6에서와 같이 사무소 건물의 이산화탄소 농도제어를 위해 P·PI·PID-스케줄 제어를 이용하는 방법