KR20210024128A - 제어장치 및 제어방법 - Google Patents

Abstract

측정치가 변화한 경우, 측정치와 설정치의 차이를 작게하면서 측정치를 설정치에 수렴시킨다. PID 제어에 의해, 제어 대상의 측정치가 미리 정해진 설정치가 되도록 제어하는 PID 제어부(20)와 측정치가 설정치 또는 설정치 부근에 안정된 상태에서 측정치가 미리 정해진 한 임계값 이상 변화한 경우, 설정치를 측정치의 변화 방향과 반대 방향으로 소정 시간 소정 량 변경하는 설정치 변경부(10)를 포함한다. 설정치를 변경하는 소정 량은, PID 제어의 비례대에 기초하여 정해지고, 설정치를 변경하는 소정 시간은 PID 제어의 적분 시간에 따라 결정된다.

Description

제어장치 및 제어방법

본 발명은 제어장치 및 제어방법에 관한 것으로서, 특히 PID 제어를 수행하는 제어장치 및 제어방법에 관한 것이다.

제어 대상을 제어하는 제어장치로서, 비례(P), 적분(I), 미분(D)의 각 요소를 갖는 PID 제어장치가 알려져 있다. PID 제어장치의 비례, 적분, 미분의 각 요소에 대한 파라미터를 적절한 값으로 설정함으로써, 제어대상으로부터의 출력(측정치)을 설정치로 유지한다. 이와 같은 PID 제어 장치를 이용한 제어 시스템에서는, 외란이 입력되는 것에 의해 측정치가 변화하면, PID 제어장치는 측정치가 설정치로 돌아오도록 제어한다.

또한, 특허문헌 1에서는 정상속도편차에 근거하여 목표치를 보정하는 온도제어 장치가 개시되어 있다.

(특허문헌 1) WO2017085781 A1

그러나, 측정치(PV)가 변화하여 설정치(SV)에서 차이가 생기는 경우, 가능한 한 그 차이가 크지 않도록 설정치에 수렴시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 온도 제어의 경우, 즉 측정치가 온도인 경우, 온도의 변화량이 크면 생성물의 완성에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 온도 제어 등의 오버헤드 시간이 긴 계열의 PID 제어에서는 온도 등의 측정치를 보정하는 데 시간이 걸리며, 측정치와 설정치의 차이가 커지는 경우가 있다.

본 발명은 이상의 내용을 감안하여 측정치가 변화한 경우에, 측정치와 설정치의 차이를 작게 하면서 측정치를 설정치에 수렴시키는 제어 장치 및 제어 방법을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

본 발명의 제 1의 해결 수단에 의하면, (a) PID 제어에 의해, 제어 대상의 측정치가 미리 정해진 설정치가 되도록 제어하는 PID 제어부와, (b) 측정치가 설정치 또는 설정치 부근에 안정된 상태에서 측정치가 미리 정해진 임계값 이상 변화한 경우에, 설정치를 측정치의 변화 방향과 반대 방향으로 소정 시간, 소정 양 변경하는 설정치 변경부를 구비한 제어 장치가 제공된다.

본 발명의 제 2의 해결 수단에 의하면, (A) PID 제어에 의해, 제어 대상의 측정 치가 미리 정해진 설정치가 되도록 제어하는 제어 시스템에 있어서의 설정 변경 방법이며, (B) 측정치가 설정치 또는 설정치 부근에 안정된 상태에 있어서 측정치가 미리 정해진 임계값 이상 변화한 경우에, 설정치를 측정치의 변화 방향과 반대 방향으로 소정 시간, 소정 량 변경하는 단계를 구비한 설정치 변경 방법이 제공된다.

본 발명에 따르면, 측정치가 변화한 경우에, 측정치와 설정치의 차이를 작게 하면서 측정치를 설정치에 수렴시키는 제어 장치 및 제어 방법을 제공 할 수 있다.

도1은 본 실시 형태에 있어서의 제어 시스템의 블록도이다.
도2는 설정치의 변경을 설명하기위한 도면이다.
도3은 본 실시 형태의 변형예에 있어서의 제어시스템의 블록도이다.
도4는 종래의 제어 방법에 의한 제어 시스템에 있어서의 설정치와 측정 치의 파형을 나타낸다.
도5는 본 실시 형태에있어서의 제어시스템에서 설정치 변경부에 의해 설정치를 변경한 경우의 파형을 나타낸다.
도 6은 본 실시 형태에있어서의 제어시스템에서 설정치 변경부에 의해 설정치를 변경하고, 조정부에 의해 제어 파라미터를 변경한 경우의 파형을 나타낸다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태를 설명한다.

(시스템 구성)

도1은, 본 실시 형태에 있어서 제어 시스템의 블록도이다.

제어 시스템(1)은 설정치변경부(SV 변경 부)(10)와 PID 제어 장치(20)와, 제어 대상(40)을 포함한다. 제어 시스템(1)은 조정부 (50)를 더 포함 할 수 있다. 또한 제어 시스템( 1)은 리미터 (30)를 더 포함 할 수 있다. 제어 시스템(1)은 도1에 도시한 바와 같이 피드백 제어 시스템을 구성하고있다.

PID 제어 장치 (20)는 비례 요소 (비례대, P) (20a), 적분 요소 (적분시간, I) (20b) 및 미분 요소 (미분 시간 D) (20c)의 각 파라미터가 설정되어, 제어 대상(40)을 제어한다. 예를 들어, PID 제어 장치(20)는 제어 대상(40)에서 출력되고, 측정기로 측정되는 측정치(PV)가, 주어지는 설정치(SV)로 되도록 제어한다. 또한, 설정치는 목표치라고 칭하는 경우도있다.

리미터 (30)는 제어 대상(40)에 입력되는 조작량을 제한한다. 예를 들어, 리미터 (30)는 PID 제어 장치 (20)로부터 출력되는 조작량이 미리 설정된 상한치를 초과 할 경우 해당 상한치를 제어 대상(40)에 출력하고, 조작량이 하한치를 밑도는 경우는 해당 하한 값을 제어 대상(40)으로 출력한다.

제어 대상(40)은 PID 제어장치(20)에 의해 제어되는 대상이다. 예를 들어, 제어 대상(40)의 원하는 부분의 온도가 제어될 수도 있다. 제어 대상(40)으로서는 적절한 장비를 사용할 수 있으며, 제어되는 측정치(PV)는 적절한 물리량일 수도있다. 또한, 본 실시 형태에서는 주로 측정치가 온도인 예를 설명한다.

(설정치변경부)

설정치 변경부(10)는 외부로부터 트리거 신호가 입력되면 설정치를 변경한다. 여기에서 설정치 변경부(10)는 설정치를 측정치의 변화 방향과 반대 방향으로 소정 시간 소정 량 변경한다.

트리거 신호는 예를 들어, 측정치가 설정치 또는 설정치 부근에 안정된 상태에서 측정 치가 미리 정해진 임계값 이상 변화 한 경우, 설정치 변경부(10)에 입력된다. 여기에서 설정치 부근에 안정된 상태라고 함은, 측정치가 엄밀하게 설정치와 동일한 것을 말하는 것이 아니라 미리 정해진 허용 오차의 범위 내에 있는 상태를 말한다. 또한, 트리거 신호가 입력되는 것 이외에도, 설정치 변경부(10) 자신이 측정치가 미리 정해진 임계값 이상 변화한 것을 검출할 수도 있다. 이러한 설정치의 변는 예를 들어, 제어 대상에 어떤 물체 또는 재료가 접하는 것 또는 접근하는 것, 그외 적절한 외란에 의해 발생한다.

도 2는, 설정치의 변경을 설명하기 위한 도이다.

설정치 변경부(10)는 설정치를 그림의 실선(101)처럼 변화시킨다. 설정치를 변경하는 양 (설정치의 변화량, 변경폭)(102)는, PID 제어의 비례대에 따라 정할 수 있다. 예를 들어, 설정치를 변경하는 양(102)은 PID 제어의 비례대의 제 1 계수 배이다. 제 1 계수 α는 미리 정해진 값, 예를 들어, 0보다 크고 1보다 작은 값으로 할 수 있다. 환언하면 설정치를 변경하는 양(102)은 비례대의 값보다 작다.

설정치를 변경하는 방향은 측정치의 변화 방향과 반대 방향이다. 예를 들어, 설정치 변경부(10)는 측정치가 감소하는 방향으로 변화하는 경우에는 미리 정해진 설정치로 변경량(102)을 가산하고, 한편, 측정치가 증가하는 방향으로 변화하는 경우, 미리 정해진 설정치 (도1의 SV)로부터 변화량을 감산한다. 또한, 변경량을 감산하는 것은, 부의 변경량을 가산하는 것과 동의어이다.

이렇게 설정치를 변경함으로써 측정치가 감소하는 (예를 들어, 온도가 하강하는) 경우에는, 측정치 감소량이 저감되고, 한편, 측정치가 상승하는 (예를 들어, 온도가 상승하는) 경우에는, 측정치 상승량이 저감된다. 또한, 설정치의 변경은, 예를 들어, 측정치의 변화가 검출된 타이밍에서 발생된 트리거 신호를 계기로 이루어지기 때문에 오버헤드 시간이 긴 시스템에서도 단시간에 효과를 얻을 수 있다.

또한, 설정치를 변경하는 시간(변경 시간)(103)은, PID 제어의 적분 시간에 따라 정할 수 있다. 예를 들어, 설정치를 변경하는 시간(103)는 PID 제어의 적분 시간의 제 2 계수배이며, 제 2 계수 β는 미리 정해진 예를 들어, 0보다 크고 1보다 작은 값으로 할 수 있다. 설정치 변경부(10)는 변경 시간이 경과한 후 설정치를 미리 정해진 초기 설정치(도1의 SV)로 되돌린다.

이렇게 설정치를 변경하는 시간을 정함으로써, 측정치의 변화를 줄이면서 결국에는 측정치를 초기 설정치에 수렴시킬 수 있다

(조정부)

설정치 변경부(10)에 의한 설정치의 변경과 함께, 조정부(50)는 PID 제어의 각 파라미터를 변경하여도 좋다. 조정부(50)의 동작은 설정치 변경부(10)뿐만 아니라 외부로부터 트리거 신호가 입력됨으로써 실행된다 (도 2의 104). 조정부(50)에 입력되는 트리거 신호는 설정치 변경부(10)에 입력되는 트리거 신호와 같다고 할 수 있다. 환언하면, 조정부(50)는 측정치가 설정치 또는 측정치 부근에 안정된 상태에서 측정치가 미리 정해진 임계값 이상 변화한 경우에 작동한다.

예를 들어, 조정부(50)는 (a) PID 제어에 있어서 비례대를 좁히는 것, (b) 적분 시간을 길게 하는 것, 및 (c) 미분 시간을 길게 하는 것 중 하나 또는 그 이상을 수행한다. 또한, 비례대, 적분 시간 및 미분 시간은 적절히 제어 시스템 설계 방법에 의해 제어 대상에 따라 값이 요구되며, PID 제어 장치(20)에 설정되어 있다.

예를 들어, 조정부(50)는 PID 제어의 비례대를 당해 비례대의 제 3 계수 배로 변경한다. 제 3 계수 γ 는 미리 정해진 값, 예를 들어 0.1보다 크고 1보다 작은 값으로 할 수 있다. 또한 조정부(50)는 PID 제어의 적분 시간을 당해 적분 시간의 제 4 계수 배로 변경한다. 제 4 계수 θ는 미리 정해진 값, 예를 들어 1보다 크고 1.5보다 작은 값으로 할 수 있다. 조정부(50)는 PID 제어의 미분 시간을 해당 미분 시간의 제 5 계수 배로 변경한다. 제 5 계수 η는 미리 정해진 값, 예를 들어, 1보다 크고 1.5보다 작은 값으로 할 수 있다.

(검출부)

도 3은 본 실시 형태의 변형예에 있어서 제어시스템(2)의 블록도이다.

제어시스템(2)은, 상술한 제어 시스템(1)에 더하여 검출부(60)를 포함한다. 검출부(60)는 측정치와 설정치를 모니터링하고, 측정치가 설정치 또는 설정치 부근에 안정된 상태에서 측정치가 미리 정해진 임계값 이상 변화한 것을 검출한다. 검출부 (60)는 측정치가 미리 정해진 임계값 이상 변화한 것을 검출하면 설정치 변경부 (10)에 트리거 신호를 제공한다.

다른 구성은 상술한 제어 시스템(1)과 동일하므로 상세한 설명을 생략한다.

(효과)

본 실시 형태에 따르면, 측정치가 변화한 경우에, 측정치와 설정치의 차이를 작게하면서 측정치를 설정치에 수렴시킬 수있다. 또한 측정치가 저하하는 경우, 측정 치가 상승으로 변하는 파형상의 위치(하단)까지의 측정치의 변화량을 작게 할 수있다. 측정치가 상승하는 경우도 마찬가지이다. 또한, 본 실시 형태는 오버헤드 시간이 긴 시스템에 특히 효과적이다. 본 실시 형태에 따르면, 오버헤드 시간이 긴 시스템에도 측정치의 변화에 조기에 응답하여 측정 값의 변화를 개선 할 수있다. 또한, 오버헤드 시간이 긴 시스템은 예를 들어, 시스템의 오버헤드 시간을 L, 시정수를 T로 표시 한 경우, 예를 들어 L : T가 1:10 또는 1 : 5 와 같은 시스템을 말하는 것이지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 본 실시 형태에 따르면, 측정치의 변화에 대해 조작량의 상승을 빠르게 할 수 있고, 상한이 있는 조작량을 효율적으로 사용할 수 있다. 예를 들어, 일반적인 PID 제어를 실시하는 경우, 측정치의 변화에 대해 조작량이 포화하면 측정치가 수렴 할 때까지의 시간이 예상보다 길어지는 경우가 있지만, 본 실시 형태에 따르면, 예를 들어, 측정치의 변화에 대해 조기에 조작량이 최대 한도까지 상승하고, 이후의 조작량 포화를 피할 수 있는 동시에 측정치가 수렴할 때까지의 시간이 길어지는 것을 방지 할 수 있다.

도 4 내지 도 6은 본 실시 형태에 있어서 제어 시스템의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다. 도 4는 비교 대상으로 기존의 제어 기법에 의한 제어 시스템의 설정치(31)과 측정치(32)의 파형을 나타낸다. 환언하면, 도 4의 파형은 본 실시 형태에 있어서의 설정치 변경부(10) 및 조정부(50), 상기 변형 예에서 검출부(60)를 구비하지 않는 제어 시스템의 파형이다. 예를 들어, 측정치를 온도로 하고, 설정치를 200도로 하고 있다. 측정치가 설정치 200도로 안정된 상태에서 외란을 가하는 것으로 온도를 저하시켰다.

도 5는 본 실시 형태의 제어 시스템(1)에서 설정치 변경부(10)에 의해 설정치를 변경한 경우 설정치(원래의 설정치)를 점선으로 나타내고, 측정치의 파형을 실선으로 나타낸다. 설정치는 설정치 변경부(10)에 의해 변경되지만, 도5에서 설정치 변경부 (10)에 입력되는 설정치(도 1의 SV)를 나타낸다. 도5에는 설정치의 변경량 (변경 폭) (102)을 구하기 위해 상기 제 1 계수 α와 설정치의 변경 시간(103)을 구하기 위한 상기 제 2 계수 β를 다양한 값으로 설정 한 경우 각 파형을 나타내고있다. 예를 들어, 제 1 계수 α를 0.10, 0.25, 0.50, 0.80으로 하고, 제 2 계수 β를 0.25, 0.50으로 한 경우의 각 파형을 나타낸다.

도5에 표시된 바와 같이 어느 경우에도, 측정치의 아래 부분(측정치의 최소값)의 위치는 도 4의 예에 비해 개선되어 있다. 환언하면, 측정치의 하강 폭은 도4에 비해 작아져 있다. 또한, 설정치의 변경량(변경폭)(102)을 구하기 위한 제1 계수 α가 0.1, 0.25의 경우 및 제 1 계수 α가 0.5, 0.8이며, 설정치의 변경 시간(103)을 구하기 위한 제2 계수 β가 0.25의 경우 오버 슈트의 진폭도 도4의 예에 비해 감소되어 있다. 환언하면, 측정치의 하강 폭 및 오버 슈트의 진폭 모두가 작아지고, 측정치의 변동폭이 저감되어 있다. 또한, 제1 계수 α가 0.5, 0.8이고, 제 2 계수 β가 0.50의 예에서 알 수 있듯이, 제 2 계수 β가 커지면 오버 슈트의 진폭이 커진다. 다만, 도 5의 예에서는 오버 슈트의 진폭이 도4의 예에 비해 크게 되지만, 오버 슈트의 진폭은 도4의 예의 측정치 하강 폭보다 작고, 파형 전체로 보면 측정치와 설정치의 차이(편차)의 절대값은 도4의 예에 비해 작아져 있다. 환언하면, 측정치의 변동폭이 저감된다.

도6에, 본 실시 형태의 제어 시스템(1)에서 설정치 변경부(10)에 의해 설정치를 변경하고, 조정부(50)에 의해 제어 파라미터를 변경한 경우의 설정치(원래의 설정 치)를 점선으로 나타내고, 측정치의 파형을 실선으로 나타낸다. 이 예에서는 조정부 (50)에 의해 비례대를 변경하기 위한 상기 제 3 계수 γ 를 0.6으로 하고, 적분 시간을 변경하기 위한 상기 제 4 계수 θ 및 미분 시간을 변경하기 위한 상기 제 5 계수 η를 1.4로 하고 있다. 환언하면, 조정부(50)에 의해 비례대를 설정된 비례대의 0.6 배로 변경하고, 적분 시간과 미분 시간을 설정된 적분 시간과 미분 시간의 1.4 배로 변경한 예이다. 또한 도5와 같이 설정치의 변경량(변경폭)을 구하기 위한 상기 제 1 계수 α를 0.10, 0.25, 0.50, 0.80로 하고, 설정치의 변경 시간을 구하기 위한 상기 제 2 계수 β를 0.25, 0.50로 한 경우의 각 파형을 나타낸다.

도6에 나타낸 바와 같이, 어느 경우에도 도5와 동등하거나 그 이상의 효과가 있다. 또한, 측정치가 설정치에 수렴하는 시간도 도4의 예에 비해 짧아진다. 또한, 제 2 계수 β가 0.50인 각 예에서 오버 슈트의 진폭이 도5에 비해 감소된다.

또한, 상술한 예에서는 특정 값의 제 1 내지 제 5 계수에 대한 도를 참조하여 효과를 설명하였지만, 제 1 내지 제 5 계수가 특별히 이들 값에 한정되는 것은 아니다. 제 1 내지 제 5 계수가 상술한 범위에서 이들 값 이외의 값을 취한 경우에도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.

(기타)

상술한 설정치 변경부 (10), 조정부(50) 및 검출부(60)는 처리부와 기억부를 갖는 컴퓨터로 실현하는 것도 가능하다. 처리부는, 설정치 변경부(10), 조정부(50) 및 검출 부(60)의 각 처리를 실행한다. 기억부는 처리부가 실행하는 프로그램을 기억한다.

상술한 처리는 처리부가 실행하는 제어 방법, 설정치 변경 방법 및 제어 파라미터 변경방법으로도 실현 가능하다. 또한, 처리부에 상술한 처리를 실행시키기 위한 명령을 포함하는 프로그램 또는 프로그램 매체, 상기 프로그램을 저장한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 및 비일시적인 기록 매체 등에 의해 실현 가능하다.

(산업상 이용가능성)

본 발명은, PID 제어에 의해, 예를 들면 온도을 제어하는 장치 등, PID 제어를 수행하는 제어 시스템을 이용하는 산업에 이용가능하다.

10 설정치 변경부
20 PID 제어장치
30 리미터
40 제어대상
50 조정부
60 검출부

Claims (11)

1. PID 제어에 의해, 제어대상의 측정치가 기결정된 설정치가 되도록 제어하는 PID 제어부와,
   측정치가 설정치 또는 설정치 부근에 안정된 상태에서 측정치가 기결정된 임계값 이상 변화한 경우에, 설정치를 측정치의 변화 방향과 반대 방향으로 소정 시간, 소정 량 변경하는 설정치변경부를 포함하는
   제어장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   설정치를 변경하는 상기 소정량은, 상기 PID 제어의 비례대에 기초하여 결정되는 제어장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   설정치를 변경하는 상기 소정시간은 상기 PID 제어의 적분시간에 기초하여 결정되는 제어장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   설정치를 변경하는 상기 소정량은, 상기 PID 제어의 비례대에 대하여 미리 결정된 제1계수 배이고,
   설정치를 변경하는 상기 소정시간은, 상기 PID 제어의 적분시간에 대하여 미리 결정된 제2계수 배이며,
   상기 제1계수 및 상기 제2계수는, 0보다 크고 1보다 작은
   제어장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   측정치가 설정치 또는 설정치 부근에 안정된 상태에서, 측정치가 미리 결정된 임계값 이상 변화한 경우에, 상기 PID 제어의 비례대를 좁히는 것, 적분시간을 길게 하는 것 및 미분시간을 길게 하는 것 중 적어도 하나를 수행하는 조정부를 더 구비하는 제어장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 조정부는, 상기 PID 제어의 비례대를 설정된 비례대의 기결정된 제3계수 배로 변경하고,
   상기 제3계수는, 0.1보다 크고 1보다 작은
   제어장치.
   
7. 제5항에 있어서,
   상기 조정부는, 상기 PID 제어의 적분시간을 설정된 적분시간의 기결정된 제4계수 배로 변경하고,
   상기 제4계수는 1보다 크고 5보다 작은
   제어장치.
   
8. 제5항에 있어서,
   상기 조정부는 상기 PID 제어의 미분시간을, 설정된 미분시간의 기결정된 제5계수배로 변경하고,
   상기 제5계수는 1보다 크고 1.5보다 작은
   제어장치.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 설정치 변경부는, 상기 소정시간 경과 후, 설정치를 기결정된 설정치로 되돌리는
   제어장치.
   
10. 제1항에 있어서,
    측정치가 설정치로 안정된 상태에서, 측정치가 기결정된 임계값 이상 변화한 것을 검출하고, 상기 설정치 변경부에 트리거 신호를 제공하는 검출부를 더 구비하고,
    상기 설정치 변경부는 트리거 신호에 응답하여 설정치를 변경하는
    제어장치.
    
11. PID 제어에 의해, 제어 대상의 측정치가 기결정된 설정치가 되도록 제어하는 제어시스템의 설정치 변경 방법에 있어서,
    측정치가 설정치 또는 설정치 부근에 안정된 상태에서 측정치가 기결정된 임계값 이상 변화한 경우에, 설정치를 측정치의 변화방향과 반대 방향으로 소정시간, 소정 량 변경하는 단계를 포함하는
    설정치 변경방법.
    

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