KR20010022346A

KR20010022346A - 적응 캐스케이드 제어 알고리즘

Info

Publication number: KR20010022346A
Application number: KR1020007000925A
Authority: KR
Inventors: 프레스카윌리엄케이.; 스미스게리에이.
Original assignee: 추후보정; 허니웰 인크.
Priority date: 1997-07-31
Filing date: 1998-07-31
Publication date: 2001-03-15
Also published as: US6240324B1; DE69803577D1; EP1000389B1; CN1265748A; AU8764098A; JP2001512257A; CA2297107A1; WO1999006894A1; DE69803577T2; EP1000389A1

Abstract

본 발명은 제어기에 사용되는 실시간 캐스케이드 제어를 수행하는 새로운 프로세스를 제공한다. 본 발명의 알고리즘은 새로운 적응 기술을 사용하여, 가변 부하 조건에서도 최소 및 최대 허용가능한 설정값 한계를 지능적으로 조절한다.

Description

적응 캐스케이드 제어 알고리즘{ADAPTIVE CASCADE CONTROL ALGORITHM}

캐스케이드 제어의 목적은 연속적으로 제어 매질에 대한 설정값을 조절하여 우수한 프로세스 제어를 제공하는 것이다. 종래 기술을 나타낸 도 1을 보면, "전통적"인 캐스케이드 제어는 하나의 제어 모듈(10)의 출력이 다른 제어 모듈(30)로 가는 경로에 있는 어떤 스케일링 모듈(20)을 통해서 상기 제어 모듈(30)의 설정값 입력으로 보내지는 제어 방법으로 통상 정의된다. 이러한 기능들은 통상 직접 디지털 제어(DDC: Direct Digital Control) 제어기를 사용하여 구현된다. DDC 제어기에서 제어 모듈은 통상 PID 연산기 또는 함수이고, 스케일링 모듈은 통상 비율 연산기(ratio operation)이다.

스케일링 모듈의 목적은 제1 PID 연산기의 출력(통상 0 % 내지 100 %)을 제어 매질, 즉 공기 온도, 공기 압력, 수온 등에 대한 적절한 사용가능 설정값으로 변환하기 위한 것이다. 스케일링 모듈에서는 표준 비율 연산기에 의해 제공되는 직접 선형 관계가 사용되는 것이 보통이다.

전통적인 캐스케이드 제어의 문제점은 시스템 설치자 또는 최종 사용자가 프로세스 제어를 최적화하기 위해 최소 및 최대 설정값 한계 파라미터[(스케일링 모듈(20)의 입력(21, 22)]에 입력되는 값을 전혀 알지 못한다는 것이다. 실제로 시스템 설치자 또는 최종 사용자는 시스템의 동작 성능이 떨어지게 되는 값을 종종 선택하였다. 또한, 다른 부하 수준, 주기성 부하(seasonal load)에 의해 시스템(프로세스) 이득이 변함에 따라, 한계 파라미터의 최적값이 바뀔 수도 있다.

따라서 본 발명의 목적은 캐스케이드 제어의 설치자와 최종 사용자에게 이들이 입력하는 파라미터의 수가 줄어든 시스템을 제공하여, 설치 시간이 줄며 결과적으로 성능이 향상된 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명은 제어기 분야에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 캐스케이드 제어기에 관한 것이다.

도 1은 종래의 캐스케이드 제어를 나타낸 블럭 선도.

도 2는 본 발명에 따른 캐스케이드 제어를 나타낸 블럭 선도.

도 3은 본 발명에 따른 제어 방법을 설명한 흐름도.

도 4는 본 발명에 따른 장치와 프로세스를 포함하는 제어기를 갖고 있는 HVAC 시스템의 블럭 선도.

본 발명은 적응 캐스케이드 제어를 위한 장치 및 프로세스이다. 적응 프로세스 모듈은 사용자가 사용하기 쉬운 시스템을 제공하면서도 시스템 동작 중에 파라미터를 지능적으로 설정하여 가능한 가장 뛰어난 성능을 보여준다.

본 발명의 프로세스는 측정된 변수가 MINLIMIT와 미리 정해진 제1 관계를 가지고 있는가를 판단하고, 그러한 관계를 가지고 있다면 MINLIMIT의 값을 낮추는 단계와; 상기 측정된 변수가 제어기 출력이 최대로 온 상태(ON full)인 경우에 MINLIMIT에 도달할 수 없는가를 판단하고, 도달할 수 없다면 MINLIMIT의 값을 증가시키는 단계와; 상기 측정된 변수가 제어기 출력이 오프(OFF) 상태인 경우 MAXLIMIT에 도달할 수 없는가를 판단하고, 도달할 수 없다면 MAXLIMIT의 값을 낮추는 단계; 및 상기 측정된 변수가 MAXLIMIT과 미리 정해진 제2 관계를 가지고 있는가를 판단하고, 그러한 관계를 가지고 있다면 MAXLIMIT의 값을 증가시키는 단계를 포함한다.

상기 새로운 제어 프로세스를 구현하면, 설치자 또는 운용자에 의해 값이 정해져야 할 제어 시스템의 파라미터 수가 적어진다. 또한, 파라미터 수가 적어져서 운용자가 접근하지 않아도 될 파라미터들은 정확한 값으로 맞추기가 어려운 파라미터들이다. 상기 정확한 값은 주기적 부하 차이 또는 프로세스 다이너믹스에 영향을 줄 수 있는 기타 부하 차이에 따라 변할 수 있다. 따라서 상기 새로운 알고리즘은 운용자에게 사용의 편리함을 제공하고, 프로세스 설치와 셋업 시간을 절약하게 한다.

도 2는 적응 캐스케이드 제어 시스템을 나타낸 블럭 선도이다. 상기 시스템은 제1 제어 모듈(10'), 스케일링 모듈(20'), 적응 프로세스 모듈(40) 및 제2 제어 모듈(30')을 포함한다. 제1 제어 모듈(10')은 사용자가 입력한 설정값과 실제 센서의 측정값을 단말(11', 12')에서 입력으로 받는다. PID 제어기일 수 도 있는 제1 제어 모듈은 제어기의 프로그램을 바탕으로 제1 출력 신호를 생성한다. 제1 출력 신호는 단말(13')을 통해 스케일링 모듈(20')로 보내진다. 제어 모듈이 생성하는 신호가 모듈의 입력 신호들 사이의 차이를 표시한다면, 본 발명에서 제1 제어기와 제2 제어기의 자세한 프로그래밍은 중요하지 않다.

스케일링 모듈(20')은 MAXLIMIT와 MINLIMIT의 함수로서 결정되는 스케일링 인자를 상기 제1 출력에 곱하여 제2 출력 신호를 생성한다. 바람직한 실시예에서 스케일링 인자는 MAXLIMIT과 MINLIMIT의 선형 함수이다. MAXLIMIT과 MINLIMIT은 적응 프로세스 모듈에 의해 정해진다.

적응 제어 모듈은 스케일링 모듈에 연결되고, 단말(24)에서 제어 매질 센서 측정값을 입력받는다. 도 3과 관련되어 아래에 기술된 프로세스를 통해서 적응 제어 모듈은 단말(21', 22')에서 스케일링 모듈로 공급되는 갱신된 MAXLIMIT과 MINLIMIT을 생성한다. 그런 다음, 스케일링 모듈은 제2 출력 생성에 사용될 곡선을 새로운 MAXLIMIT과 MINLIMIT을 근거로 수정한다.

제2 제어 모듈(30')은 제2 출력 신호와 제어 매질 센서의 측정값을 각각 단말(23')과 단말(331')에서 수신한다. 제2 제어 모듈은 이 모듈에 입력되는 입력값의 차이를 나타내는 제3 출력 신호를 생성한다. 제3 출력 신호는 제어 장치로 보내진다.

적응 캐스케이드 제어 알고리즘은 스케일링 모듈에 의해 갱신된 MAXLIMIT과 MINLIMIT 값을 제공하도록 작동한다. 도 2에서는, 도 1에 도시된 사용자가 입력하는 최소 및 최대 설정값 한계 파라미터가 더 이상 필요하지 않음이 주목된다.

적응 알고리즘의 핵심 개념은 시간을 두고 제어 변수와 부하 조건의 변화를 모니터링하고, 제1 한계값과 제2 한계값을 관찰하는 것이다. 바람직한 실시예에서 제1 한계값과 제2 한계값은 얻을 수 있는 최소값 및 최대값이다. 이러한 정보는 제어 변수의 설정값에 대한 최대 한계 및 최소 한계(MAXLIMIT 및 MINLIMIT)를 정하는 데 사용된다. 도 1에서 보여지는 종래의 캐스케이드 제어에서는 한계값이 수동으로 정해져서 정확하게 설정되지 않고, 부적당한 값으로 정해진 설정값 때문에 최적의 성능이 달성될 수 없었다. 적응 알고리즘은 상기 한계값에 대한 정확한 값을 계산하고, 이 정확한 값에 의해 제어기를 최대 효율에서 작동시킨다.

본 발명인 적응 캐스케이드 알고리즘은 최소 및 최대 설정값으로 인해 필요한 조절이 제한받는 지를 알아보기 위해서 네 가지 경우를 확인한다. 이들 네 가지 경우는 상기 알고리즘의 보정 행위와 함께 표 1에 나타나 있다.

상기 알고리즘은 매 "간격 타임(interval time)" 주기 동안 가능한 네 가지 케이스를 확인하기 위하여 간격 타이머를 사용한다. HVAC 배출 공기 온도 제어 애플리케이션의 통상적인 간격 타임은 7 분 내지 10 분이다.

트리거링 조건	알고리즘의 반응
케이스 1(최소 설정값) - 측정 변수가 MINLIMIT 이하로 내려 간다.	MINLIMIT의 값을 감소시킨다.
케이스 2(최소 설정값) - 직동 제어기(直動制御器: Direct-Acting controller, 도 3의 기재 내용 참조)에 대해 출력이 온상태로 최대(ON full)인 경우에도, 측정 변수가 MINLIMIT에 도달할 수 없다.	MINLIMIT의 값을 증가시킨다.
케이스 3(최대 설정값) - 직동 제어기(도 3의 기재 내용 참조)에 대해 출력이 오프(off)인 경우에도, 측정 변수가 MAXLIMIT에 도달할 수 없다.	MAXLIMIT의 값을 감소시킨다.
케이스 4(최대 설정값) - 측정 변수가 MAXLIMIT 이상으로 올라간다.	MAXLIMIT의 값을 증가시킨다.

알고리즘이 이들 네 가지 케이스를 확인하기 위하여 내부적으로 동작하는 방식이 도 3에 흐름도로 설명되어 있다. 표 1에서 언급된 최소 및 최대 설정값이 증가하거나 감소되는 양은 변수 "ADJUST"의 값에 의해 결정된다. 이 내용은 아래에서 더 설명된다.

바람직한 실시예에서, 알고리즘은 MINLIMIT와 MAXLIMIT에 제한을 둘 수 있어서, MINLIMIT와 MAXLIMIT이 벗어나지 못하는 절대적인 하한과 상한이 있게 된다. 냉각 시스템을 예로 들면, 안전 및/또는 안락함을 위해서는 배출 온도가 너무 내려가서 드래프트(draft)가 차가워지거나, 장차 코일이 얼게 되서는 안된다. 또한, MINLIMIT와 MAXLIMIT가 너무 가까워지지 않도록 하는 접근 한계가 있다. 도 3에 적응 제어 프로세스의 바람직한 실시예가 도시되어 있다. 다음 설명될 프로세스는 배출 공기 냉각 시스템과 같은 소위 "직동(direct acting)" 제어 시스템에 대한 것이다. 또한, 작은 조절만 하는 프로세스도 리버스 액팅 제어시스템(reverse acting)을 이용하여 구현될 수 있다.

블럭(100)에서 시작한 후, 프로세스는 블럭(105)에서 적응 제어 프로세스가 인에이블 될 것인지를 결정한다. 적응 제어 프로세스가 인에이블 되지 않으면, 프로세는 블럭(125)로 이동한다. 블럭(125)에서는 MAXLIMIT와 MINLIMIT에 대해 디폴트 값이 사용되고, 프로세스는 블럭(120)에 있는 대기 모드로 들어간다. 사용자가 정의한 대기 시간 후에 프로세스는 블럭(100)에서 다시 시작한다. 바람직한 실시예에서 대기 시간은 10 초이다. 그러나 이 시간은 애플리케이션마다 특수한 것이다.

적응 제어 프로세스가 인에블되면, 적응 간격 타이머는 블럭(110)에서 증가된다. 그 다음에 프로세스는 블럭(115)에서 현재의 적응 제어 간격이 경과했는 지를 결정한다. 만약 현재의 적응 제어 간격이 경과하지 않았다면, 프로세스는 블럭(120)의 대기 모드로 들어간다. 만약 현재의 적응 제어 간격이 경과했다면, 프로세스는 간격 타이머가 제로(0)로 설정된 블럭(128)로 이동한다. 그 다음에 프로세스는 블럭(130)에 있는 값조절부(Adjust Value section)로 이동한다. 이러한 프로세스는 부하 조건에 대해서 MAXLIMIT와 MINLIMIT를 조절하는데 사용된다.

블럭(135)에서 제어 변수의 측정값인 VAR은 MINLIMIT와 OFFSET의 차이와 비교된다. OFFSET은 불감대(deadband range)를 표시하는데, 그 값은 설계의 문제이다. OFFSET은 스위칭 히스테리시스를 포함하기 위해 포함된 것이다. VAR이 상기 MINLIMIT과 OFFSET의 차이보다 크다면, 프로세스는 블럭(145)로 이동한다. VAR이 상기 MINLIMIT와 OFFSET의 차이보다 작다면, MINLIMIT가 MINLIMIT에서 ADJUST를 뺀 것과 같아지도록 설정된다. ADJUST의 계산 방법은 아래에 설명되어 있다. 새로운 MINLIMIT를 계산한 후, 프로세스는 블럭(185)로 이동한다.

블럭(145)에서 VAR은 MINLIMIT와 OFFSET의 합과 비교되고, 이러한 비교를 통해서 시스템이 최대 출력에서 동작하고 있는 지가 결정된다. 만약 VAR이 MINLIMIT와 OFFSET의 합보다 작거나 시스템이 최대 출력에서 동작하고 있지 않으면, 프로세스는 블럭(160)으로 이동한다. 만약 VAR이 MINLIMIT와 OFFSET의 합보다 크고 시스템이 최대 출력에 있다면, 프로세스는 블럭(150)으로 이동해서 MINLIMIT에서 ADJUST를 뺀 것을 새로운 MINLIMIT값으로 계산한다. 그 다음에 프로세스는 블럭(155)에서 MINLIMIT를 VAR값 이하로 유지시킨다. 만약 MINLIMIT가 VAR값을 초과하면, 상기 블럭(155)의 프로세스에 의해서 MINLIMIT가 VAR 값과 같도록 설정된다. 이렇게 하면 ADJUST 값을 더해도 시스템의 현재 동작점(VAR) 이상의 새로운 MINLIMIT가 생기지 않는 것이 확실해진다. 그 다음에 프로세스는 블럭(185)로 이동한다.

블럭(160)에서, 프로세스는 VAR을 MAXLIMIT와 OFFSET의 차이와 비교하여 시스템이 오프 상태(off)에 있는지를 결정한다. 만약 VAR이 MAXLIMIT와 OFFSET의 차이보다 크거나 시스템이 오프 상태(off)라면, 프로세스는 블럭(175)으로 이동한다. 만약 VAR이 MAXLIMIT와 OFFSET의 차이보다 작고 시스템이 off에 있다면, 프로세스는 블럭(165)으로 이동해서 MAXLIMIT에서 ADJUST를 뺀 것을 새로운 MAXLIMIT로 계산한다. 블럭(170)에서 프로세스는 MAXLIMIT가 VAR값 이상이 되도록 유지시키고, 그 다음에 블럭(185)로 이동한다. 만약 MAXLIMIT가 VAR값 이하로 내려가면, MAXLIMIT는 프로세스에 의해서 VAR값과 같도록 설정된다. 이렇게 하면 ADJUST값을 빼는 것으로 인해 현재 시스템의 동작점(VAR) 이하로 내려가는 새로운 MAXLIMIT가 발생하지 않는 것이 확실해진다.

블럭(175)에서 프로세스는 VAR값을 MAXLIMIT와 OFFSET의 합과 비교한다. 만약 VAR이 MAXLIMIT와 OFFSET의 합보다 작다면, 프로세스는 블럭(120)으로 이동한다. 만약 VAR이 MAXLIMIT와 OFFSET의 합보다 크다면, 프로세스는 블럭(180)에서 MAXLIMIT와 ADJUST를 합하여 새로운 MAXLIMIT를 계산한다. 그 다음에 프로세스는 블럭(185)로 이동한다.

블럭(185)에서 프로세스는 상기 계산된 새로운 MAXLIMIT 및/또는 MINLIMIT를 절대 상한과 절대 하한과 비교한다. 절대 상한 및 절대 하한은 최종 사용자가 선택하게 되는 값으로서 특정 애플리케이션에 대응하는 디폴트 값을 가진다. 상기 절대 상한 및 절대 하한은 안락함, 장치의 안전성 또는 기타 기준에 근거해서 정해진다. 디폴트 값으로 대부분의 경우에 사용자의 수정없이 제어기가 동작하게 된다. 배출 공기 온도 제어기에 대한 통상적인 값으로 절대 하한은 45 Degf이고, 절대 상한은 110 Degf이 될 수 있다. 또한, 프로세스는 접근 설정(Approach setting)에 대해서 새로운 MAXLIMIT와 MINLIMIT를 확인한다. 접근 설정을 통해서 MINLIMIT와 MAXLIMIT는 서로 너무 근접하지 않고, 일어날 수 있는 제어 난조나 불안정이 발생하지 않도록 확실히 한다. 접근 한계값의 선택은 애플리케이션마다 특수하다. 예를 들어, 공간 안락 냉방(space comfort cooling)을 위한 배출 공기 온도 제어에서, 제어 출력 신호의 0 %에서 100 %의 범위에 이르는 피제어 장치 범위는 배출 공기 온도에서 통상 대략 20 DegF의 변화를 일으킨다. 상기 범위의 크기는 공기 흐름, 외부 공기 온도 및 습도 등에 따라 변화한다. 접근 한계는 예상되는 가장 작은 온도 범위의 약 40 %보다 작도록 선택되어야 한다. 그러나 상기 접근값이 너무 작으면, 설정값의 계산은 안정한 제어를 유지하는데 충분한 해상력을 가지지 못하게 되므로, 상기 접근값은 예상되는 가장 작은 온도 범위의 약 25 %보다 큰 값으로 유지되어야 한다. 접근한계는 통상 해당 애플리케이션의 특수한 지식을 가지고 있는 제어 설계자에 의해 제품속에 하드 부호화되어 있다. 그러나 범용 제어기에 대해서는 사용자가 접근 한계값을 설정할 수 있다. 예를 들어 배출 공기 온도의 가장 작은 예상 범위가 50 DegF 내지 70 DegF(변화 범위가 20 DegF)라면, 접근 한계는 약 5 DegF 내지 8 DegF(20 DegF의 25 %내지 40 %)로 설정되어야 한다.

그 다음 프로세스는 램프율(RAMP RATE)이 설정되는 블럭(190)으로 이동한다. 램프율은 새로운 MAXLIMIT와 MINLIMIT를 새로운 값으로 조절하는 데 사용된다. 예를 들어 기존의 최소 설정값 한계가 52 DegF이고, 프로세스가 계산한 새로운 바람직한 한계값이 50 DegF이라면, 설정값은 적응 캐스케이드 제어 계산 사이의 경과되는 시간 내내 50 DegF를 향해 아래로 "램프(ramp)"할 것이다. 계산 사이의 상기 경과 시간은 도 3의 블럭(110)과 블럭(115)에서 도시된 적응 간격 타이머(Adaptive Interval Timer)"에 의해 제어된다. 배출 공기 온도 제어 애플리케이션에 대해서, 상기 간격 타임은 약 8분으로 하드 코드화되어 있다. 따라서 램프율은 2/8 DegF/min, 즉 0.25 DegF이다. 그 다음에 프로세스는 블럭(120)으로 리턴한다.

도 3에서 "ADJUST 값 계산"으로 라벨된 블럭은 각 간격 타임당 상향 또는 하향 변화되어야 할 설정값의 크기를 계산한다. "ADJUST 값 계산"으로 라벨된 블럭을 구현하는 방법에는 여러가지가 있다. 본 명세서에 사용된 방법은 측정된 제어 변수(도 3에 있는 "VAR")와 이에 대한 설정값 사이의 현재 차이를 사용하는 방법이다. 상기 현재 차이는 비례 오차값(proportional error value)으로 불린다.

조절되는 설정값 한계의 크기로서 비례 오차를 사용하면, 부하 조건의 변화에 대해서 빠르고 안정된 반응을 보이는 장점이 있다. 만약 시스템이 현재 설정값과 아주 차이가 있다면, 빠르게 반응하기 위해 설정값 한계의 조절 크기는 크다. 반면에 시스템이 설정값 부근에서 동작한다면, 안정성을 위해서 설정값 한계의 조절 크기는 작다.

ADJUST는 다음과 같이 계산될 수 있다. ADJUST는 조절이 필요한 시점에서 제어 변수의 측정값에 따라서 다양한 방법으로 계산된다. 이러한 방법에는 아래에 설명되는 두 가지의 동작 시나리오가 있다. 첫째, 설정값이 현재 최소 또는 최대 설정값 한계에 있다. 이러한 경우, ADJUST 값은 1차 변수(즉, 배출 온도 제어 애플리케이션에서 죤(zone) 공기 온도 센서와 이에 대한 설정값의 차이)의 "비례 오차" 값의 배수이다. 둘째, 설정값이 현재 최소 설정값 한계와 최대 설정값 한계 사이 안에 있다.

이러한 경우에 ADJUST 값은 2차 변수(즉, 배출 온도 제어 애플리케이션에서 배출 공기 온도 센서와 이에 대한 설정값의 차이)의 "비례 오차" 값의 배수이다.

배출 공기 온도 제어 애플리케이션에 있어서, 케이스 1에서 사용된 "배수" 값은 냉각 동작에 대해서는 3.0이고, 가열 동작에 대해서는 2.0이다. 케이스 2에서 사용되는 배수는 냉각 및 가열 모두에 대해서 1.0이다.

다음 표 2는 배출 제어 애플리케이션에서 구현된 ADJUST값 계산을 요약한 것이다.

2차 (제어) 변수의 위치	ADJUST 결과값

냉각 모드: MINLIMIT에서의 DAT	ADJUST = 3*ZAT_prop_err
냉각 모드: DAT가 MINLIMIT에 도달할 수 없다.	ADJUST = DAT_prop_err
냉각 모드: MAXLIMIT에서의 DAT	ADJUST = 3*ZAT_prop_err
냉각 모드: DAT가 MAXLIMIT에 도달할 수 없다.	ADJUST = DAT_prop_err

가열 모드: 최소설정값에서의 DAT	ADJUST = 2*ZAT_prop_err
가열 모드: DAT가 MINLIMIT에 도달할 수 없다.	ADJUST = DAT_prop_err
가열 모드: MAXLIMIT에서의 DAT	ADJUST = 2*ZAT_prop_err
가열 모드: DAT가 MAXLIMIT에 도달할 수 없다.	ADJUST = DAT_prop_err

상기 표 2 및 하기 표 3에서 사용된 약자의 정의는 다음과 같다.

DAT = 배출 공기 온도

ZAT = 죤(zone) 공기 온도

prop_err = 측정 변수와 이에 대한 설정값의 차이인 비례 오차

1차 VAR(Primary Variable) = 제어기가 이 변수에 대해서 단지 비간접적인 제어를 함에도 불구하고, 제어 시스템에 의해서 설정값에서 유지되는 변수(즉, 공간 또는 "죤"의 온도)

2차 VAR(Secondary Variable) = 제어 시스템이 직접 제어하는 변수로서 Primary Variable에 영향을 주는 변수(즉, 배출 공기 온도)

다음 표 3은 상기 표 2의 내용을 일반적인 제어 애플리케이션에 대해서 보여준다.

2차 (제어) 변수의 위치	ADJUST 결과값

MINLIMIT에서의 2차 VAR	ADJUST = X*(1차 VAR - 1차 설정값)
2차 VAR이 MINLIMIT에 도달할 수 없다	ADJUST = Y*(2차 VAR - 2차 설정값)
MAXLIMIT에서의 2차 VAR	ADJUST = X*(1차 VAR - 1차 설정값)
2차 VAR이 MAXLIMIT에 도달할 수 없다	ADJUST = Y*(2차 VAR - 2차 설정값)

배출 공기 온도 제어의 예에서 X = 3.0(냉각하는 경우), Y = 2.0(가열하는 경우), Y = 1(항상 1임)이다.

"ADJUST값 계산" 블럭을 구현하는 다른 방법은 실험적으로 결정되거나 또는 사용자에 의해 설정되는 어떤 일정한 값을 사용하는 것이다. 이 방법 외에 다른 방법도 더 있다.

또한, 부하 변화에 대해 반응 속도를 높이기 위해서 알고리즘은 비례 오차 조정 크기만큼 곱하는 2.0 또는 3.0과 같은 스케일링 값을 사용할 수 있다. 허용되는 설정값 범위를 넓히는 경우, 즉 MINLIMIT를 낮추고 MAXLIMIT를 올리는 경우, ADJUST값은 이를 테면 2 배가 될 수 있고, 그 다음에 현재의 설정값 한계에 적용된다.

본 발명의 알고리즘을 이용하는 제어기는 넓은 범위의 산업 장치나 프로세스를 제어하는데 사용될 수 있다. 본 알고리즘은 많은 시뮬레이션 연구가 수행되었던 HVAC-장치 제어기에서의 구현을 통해서 입증되었다. 위에서 언급된 바와 같이, 배출 공기 제어 애플리케이션은 본 명세서에서 기술된 적응 캐스케이드 제어의 가능한 사용예 중 하나이다. 이러한 배출 공기 제어 애플리케이션은 도 4에 도시되어 있다.

도 4에서, 제어기(405)는 스페이스(400)의 온도를 원하는 온도에 있게 하는 주제어기이다. 제어기(405)는 팬(410), 교환 유닛(415), 밸브(416), 배출 공기 온도 유닛(420) 및 스페이스 온도 센서(425)에 연결되어 있다. 외부 공기(440)와 리턴(return) 공기(435)는 합해지고, 팬(410)에 의해 이동되어 배출 공기(430)를 생성한다. 동작시 온도 센서(425)는 스페이스(400)의 온도를 측정한다. 이 온도 정보는 제어기(405)로 보내진다. 제어기(405)는 본 발명이 속한 기술 분야에서 잘 알려져 있는 프로세서, 메모리, 및 통신 인터페이스를 포함한다. 제어기(405)는 상기 온도 정보를 수신하고, 사용자에 의해 입력되는 설정값과 실제 센서의 측정값인 온도 정보를 사용하여 제어 모듈(10')을 구현한다. 그 다음 제어기는 제3 출력 신호를 생성하기 위하여 스케일링 모듈(20')과 제2 제어 모듈(30')을 구현한다. 적응 프로세스 모듈(40)은 전술한 바 있는 미리 정해진 간격(interval)에서 제어기에 의해 구현된다. 적응 프로세스 모듈과 제2 제어 모듈은 모두 배출 공기 온도 유닛(420)으로부터 제어 매질 센서 측정값을 수신한다.

제3 출력 신호는 밸브(416)로 보내져서, 교환 유닛(415)을 통하는 프로세스 유체(미도시)의 흐름을 제어한다. 교환 유닛(415)은 확장 코일 또는 열 교환기이다. 상기 밸브는 제3 출력 신호에 반응하여 복수개의 위치로 열려질 수 있다. 상기 교환 유닛을 통하는 흐름을 제어하여 상기 교환 유닛을 통해 지나가는 공기의 온도가 변화된다.

앞에서 유용하고, 새로우며, 자명하지 않은 적응 캐스케이드 제어를 기술하였다. 적응 캐스케이드 제어를 구현함으로써, 가변하는 부하 조건에 대해서도 필요한 사용자 입력의 수가 적으면서 제어 시스템의 성능이 향상된다. 본 발명의 발명가들은 본 명세서에 쓰여진 발명의 내용을 하나의 예로서 제시한 것 뿐이며, 청구의 범위를 통해서 본 발명을 한정하거나 제한하려는 것은 아니다.

Claims

제1 제어기의 출력 신호가 제2 제어기의 입력 신호로 사용되고, 상기 제2 제어기에 대한 입력이 최대 한계(MAXLIMIT) 및 최소 한계(MINLIMIT)를 갖는 프로세스 제어기에서의 캐스케이드 제어 방법에 있어서,

a) 측정 변수가 MINLIMIT와 미리 정해진 제1 관계를 가지는가를 판단하고, 만일 상기 측정 변수가 MINLIMIT와 미리 정해진 제1 관계를 가진다면, MINLIMIT의 값을 감소시키는 단계와;

b) 제어기의 출력이 최대로 온 상태(ON full)인 경우에도 상기 측정 변수가 MINLIMIT에 도달할 수 없는가를 판단하고, 만일 상기 측정 변수가 MINLIMIT에 도달할 수 없다면, MINLIMIT의 값을 증가시키는 단계와;

c) 제어기의 출력이 오프 상태(off)인 경우에도 상기 측정 변수가 MAXLIMIT에 도달할 수 없는가를 판단하고, 만일 상기 측정 변수가 MAXLIMIT에 도달할 수 없다면, MAXLIMIT의 값을 감소시키는 단계와;

d) 상기 측정 변수가 MAXLIMIT와 미리 정해진 제2 관계를 가지는가를 판단하고, 만일 상기 측정 변수가 MAXLIMIT와 미리 정해진 제2 관계를 가진다면, MAXLIMIT의 값을 증가시키는 단계

를 포함하는 개선된 캐스케이드 제어 방법.
측정 변수를 제어하는 캐스케이드 제어 시스템에 사용되고, 제어 매질 센서에 연결되며, 제1 제어기와 제2 제어기 사이에 연결되는 적응 프로세스 모듈에 있어서,

a) 프로세서와;

b) 상기 프로세서에 대한 인스트럭션을 저장하는 메모리로서;

상기 프로세서로 하여금 제어 매질 센서로부터 제어 매질 센서 신호와 제1 제어기로부터 제1 출력 신호를 수신하여, 제2 출력 신호를 생성하게 하는 메모리이고;

프로세서로 하여금 ⅰ) 상기 측정 변수가 MINLIMIT와 미리 정해진 제1 관계를 가지는가를 판단하고, 만일 상기 측정 변수가 MINLIMIT와 미리 정해진 제1 관계를 가진다면, MINLIMIT의 값을 감소시키고, ⅱ) 제어기의 출력이 최대로 온 상태(ON full)인 경우에도 상기 측정 변수가 MINLIMIT에 도달할 수 없는가를 판단하고, 만일 상기 측정 변수가 MINLIMIT에 도달할 수 없다면, MINLIMIT의 값을 증가시키고, ⅲ) 상기 제어기의 출력이 오프 상태(off)인 경우에도 상기 측정 변수가 MAXLIMIT에 도달할 수 없는가를 판단하고, 만일 상기 측정 변수가 MAXLIMIT에 도달할 수 없다면, MAXLIMIT의 값을 감소시키고, ⅳ) 상기 측정 변수가 MAXLIMIT와 미리 정해진 제2 관계를 가지는가를 판단하고, 만일 상기 측정 변수가 MAXLIMIT와 미리 정해진 제2 관계를 가진다면, MAXLIMIT의 값을 증가시키도록 하는 인스트럭션을 저장하는 메모리

를 포함하는 캐스케이드 제어 시스템에 사용되는 적응 프로세스 모듈.
측정 변수 온도 신호를 수신하고, 측정 변수를 제어하는 적응 캐스케이드 제어에 있어서,

a) 제어 입력 신호의 함수로서 출력 신호와, MAXLIMIT 및 MINLIMIT 값을 생성하는 스케일링 모듈;

b) 상기 스케일링 모듈에 연결되고;

ⅰ) 상기 측정 변수가 MINLIMIT와 미리 정해진 제1 관계를 가지는가를 판단하고, 만일 상기 측정 변수가 MINLIMIT와 미리 정해진 제1 관계를 가진다면, MINLIMIT의 값을 감소시키고, ⅱ) 제어기의 출력이 최대로 온 상태(ON full)인 경우에도 상기 측정 변수가 MINLIMIT에 도달할 수 없는가를 판단하고, 만일 상기 측정 변수가 MINLIMIT에 도달할 수 없다면, MINLIMIT의 값을 증가시키고, ⅲ) 상기 제어기의 출력이 오프 상태(off)인 경우에도 상기 측정 변수가 MAXLIMIT에 도달할 수 없는가를 판단하고, 만일 상기 측정 변수가 MAXLIMIT에 도달할 수 없다면, MAXLIMIT의 값을 감소시키고, ⅳ) 상기 측정 변수가 MAXLIMIT와 미리 정해진 제2 관계를 가지는가를 판단하고, 만일 상기 측정 변수가 MAXLIMIT와 미리 정해진 제2 관계를 가진다면, MAXLIMIT의 값을 증가시키는 적응 프로세스 모듈

을 포함하는 적응 캐스케이드 제어.