KR20220060240A - 비의존 자동 보상형 선행 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

비의존 자동 보상형 선행 제어 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20220060240A
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우주희
이욱륜
송승헌
김정면
최병선
한가람
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한국전력공사
한국남동발전 주식회사
한국중부발전(주)
한국서부발전 주식회사
한국남부발전 주식회사
한국전력기술 주식회사
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Abstract

PID(Proportional/Integral/Derivative)와 FF(Feed Forward) 제어구성에서의 이상적인 제어보상을 위해 자동으로 보상이 구현될 수 있는 비의존 자동 보상형 선행 제어 시스템이 개시된다. 상기 비의존 자동 보상형 선행 제어 시스템은, 미리 예상되는 공정 특성을 이용하여 제 1 차 제어 보상을 수행하여 제 1 명령치를 생성하는 제 1 차 제어기, 제 1 차 제어 보상이 수행된 후 나머지 제어 보상을 위한 제 2 차 제어 보상을 수행하여 제 2 명령치를 생성하는 제 2 차 제어기, 상기 제 1 명령치와 상기 제 2 명령치를 합산하여 제어 출력값을 산출하는 합산기, 상기 제어 출력값을 받아 제어를 실행하는 제어 밸브, 및 제어 실행에 따른 최종 공정값을 산출하는 공정 블록을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

비의존 자동 보상형 선행 제어 시스템 및 방법{Feed Forward control system for compensating automatically and independently and Method thereof}
본 발명은 플랜트 공정 제어 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 플랜트 공정 제어에서 많이 사용되는 PID(Proportional/Integral/Derivative)와 FF(Feed Forward) 제어 구성에서 시간 경과에 따른 공정 정/동특성 변화에 의한 제어성능 저하를 극복할 수 있는 비의존 자동 보상형 선행 제어 시스템 및 방법에 대한 것이다.
발전소와 같은 플랜트의 제어 시스템은 수많은 제어루프로 구성되며, 제어루프의 성능은 발전소의 안정운영에 직접적인 영향을 미친다. 따라서, 발전소를 안정적으로 운영하기 위해서는 제어 루프가 최적의 상태로 운영되어야 한다.
그러나, 제어 대상이 되는 발전 공정의 정/동특성은 시간이 경과함에 따라 보일러의 연소 특성이 변하거나 설비 개조로 기계적 특성이 변동된다. 따라서, 최초의 정/동특성에 맞춰 최적으로 선정된 제어기는 앞에서와 같은 요인으로 제어성능이 기존에서 벗어나 저하된다.
이를 극복하기 위해 발전소에서는 계획 예방 정비 공사 후, 기존의 제어기 파라미터를 조정함으로써 제어루프가 최적의 상태로 유지하도록 한다. 또한, 최근에는 제어 시스템 제작사별로 자신의 고유한 방법으로 예측제어, 최적제어 등 최신의 기법을 사용하여 제어성능을 향상하고 있다.
그러나, 이러한 기능을 보유하고 있지 않은 제어 시스템에서는 고가의 전용 시스템을 추가 확보하여 사용하거나 기존의 비례/적분/미분(Proportional/Integral/Derivative, PID) 제어와 선행(Feed Forward, FF) 제어를 매번 수동 튜닝하면서 사용하고 있는 실정이다.
또한, 현장에서는 구현과 사용의 편리로 비례/적분/미분(Proportional/Integral/Derivative, PID) 제어와 선행(Feed Forward, FF) 제어를 많이 사용하고 있다. 비례/적분/미분(PID) 제어의 경우, 목표값(SV)과 공정값(PV)간 오차가 발생되면 이 오차에 대해 비례/적분/미분 연산을 하여 제어 보상한다.
또한, 선행(FF) 제어의 경우, 미리 예상되는 공정특성을 활용하여 제어 보상한다. 이 경우, 오차가 발생되기 전에 미리 보상 가능하고, 느린 공정에도 적절하는 장점이 있으나, 제어 대상 공정에 대한 정/동특성에 대한 사전 정보를 필요로 한다는 단점이 있다.
또한, 시간이 경과함에 따라 보일러의 연소 특성이 변하거나 설비 개조로 기계적 특성이 변동되어 공정의 특성이 변경되어 제어성능이 저하되면, 다시 상기의 과정을 반복하는 등 추가의 현장시험이 필요하게 된다.
그리고, 제어기 설계 단계에서 구한 공정모델은 제어기 파라미터를 선정하는데 한번 사용한 이후부터는 더 이상 사용되지 않고 있어 이의 활용도를 높일 필요가 있다. 또한, 제어성능 향상을 위한 고가의 제작사 전용 시스템을 추가 사용하지 않고서도, 기존의 제어 시스템에서 구현할 수 있는 기법이 요구된다.
1. 한국공개특허번호 제10-2006-0011274호
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, PID(Proportional/Integral/Derivative)와 FF(Feed Forward) 제어구성에서의 이상적인 제어보상을 위해 자동으로 보상이 구현될 수 있는 비의존 자동 보상형 선행 제어 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 제어성능 향상을 위한 고가의 제작사 전용 시스템을 추가 사용하지 않고서도, 기존의 제어 시스템에서 구현할 수 있는 비의존 자동 보상형 선행 제어 시스템 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, PID(Proportional/Integral/Derivative)와 FF(Feed Forward) 제어구성에서의 이상적인 제어보상을 위해 자동으로 보상이 구현될 수 있는 비의존 자동 보상형 선행 제어 시스템을 제공한다.
상기 비의존 자동 보상형 선행 제어 시스템은,
미리 예상되는 공정 특성을 이용하여 제 1 차 제어 보상을 수행하여 제 1 명령치를 생성하는 제 1 차 제어기;
제 1 차 제어 보상이 수행된 후 나머지 제어 보상을 위한 제 2 차 제어 보상을 수행하여 제 2 명령치를 생성하는 제 2 차 제어기;
상기 제 1 명령치와 상기 제 2 명령치를 합산하여 제어 출력값을 산출하는 합산기;
상기 제어 출력값을 받아 제어를 실행하는 제어 밸브; 및
제어 실행에 따른 최종 공정값을 산출하는 제어 대상 공정 모사 블록;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 차 제어기는 FF(Feed Forward) 제어를 수행하는 FF 제어기인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 2 차 제어기는 PID(Proportional/Integral/Derivative) 제어를 수행하는 PID 제어기인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 2 차 제어기는 목표값(SV)에서 상기 최종 공정값(PV)을 감산하는 감산기를 통해 산출된 오차값(e)을 입력받아 상기 제 2 명령치를 산출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 비의존 자동 보상형 선행 제어 시스템은, 상기 제 2 차 제어기에 의해 생성되는 상기 제 1 명령치에 보상분(S)을 추가하는 보조 보상부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 보상분은 제어기 파라미터 선정에만 사용되는 공정 인식 모델을 활용하여 산출되는 공정 모델 출력값과 실제 제어 대상 공정 모델에 따라 생성된 실제 공정값간의 오차에 비례하는 비례값을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 보상분은 상기 실제 공정값에서 상기 공정 모델 출력값을 감산하여 생성되는 공정인식 오차값을 이용하여 상기 비례값인 이득을 산출하고, 상기 이득에 상한과 하한을 적용하는 상하한 제한기를 반영하여 산출되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 보상분은 상기 실제 공정값(PV)에서 상기 공정 모델 출력값을 감산하여 생성되는 공정인식 오차값에 시간 지연값을 추가하여 상기 비례값인 이득을 산출하고, 상기 이득에 상한과 하한을 적용하는 상하한 제한기를 반영하여 산출되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 보상분은 상기 실제 공정값(PV)에서 상기 공정 모델 출력값을 감산하여 생성되는 공정인식 오차값에 비선형 함수를 반영하여 산출되는 것을 특징으로 한다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, (A) 제 1 차 제어기가 미리 예상되는 공정 특성을 이용하여 제 1 차 제어 보상을 수행하여 제 1 명령치를 생성하는 단계; (B) 제 2 차 제어기가 제 1 차 제어 보상이 수행된 후 나머지 제어 보상을 위한 제 2 차 제어 보상을 수행하여 제 2 명령치를 생성하는 단계; (C) 합산기가 상기 제 1 명령치와 상기 제 2 명령치를 합산하여 제어 출력값을 산출하는 단계; (D) 제어 밸브가 상기 제어 출력값을 받아 제어를 실행하는 단계; 및 (E) 제어 대상 공정 모사 블록이 제어 실행에 따른 최종 공정값을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비의존 자동 보상형 선행 제어 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 모든 제어 시스템 제작사에서 제공하는 일반적인 단순 기능블록을 사용하여 플랜트 공정제어에서 많이 사용되는 PID(Proportional/Integral/Derivative)와 FF(Feed Forward) 제어구성에서 시간 경과에 따른 공정 정/동특성 변화 혹은 제어 파라미터를 선정하기 위해 필요한 공정모델 인식의 부정확에 의한 제어성능 저하를 극복할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 동일한 제작사뿐만 아니라 타사인 경우에도 기존 제어 시스템과 통신연계되어 데이터 취득의 필요없이도 가능하다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 제어 파라미터 선정을 위해 출력 구간대(1/4, 2/4, 3/4, 4/4 부하)별 혹은 제어성능이 저하된 출력대에서 운전 데이터를 취득하여 공정모델을 재인식하여 제어성능을 개선하기 위한 별도의 시험횟수를 최소화할 수 있어, 발전 운전원 혹은 제어정비원의 부담을 줄일 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 시뮬레이션 결과를 보면 제어대상 공정의 인식 정확도가 낮아도 제안한 방법이 타당함을 확인할 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 FF(Feed Forward)에 의해 대부분의 제어 보정이 이루어지고 부족한 부분은 PID에 의해 이루어짐을 보여 이상적으로 동작할 수 있음을 보여줄 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 비의존 자동 보상형 선행 제어 시스템의 구성 블럭도이다.
도 2는 도 1에 도시된 비의존 자동 보상형 선행 제어 시스템을 간략화하여 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 비의존 자동 보상형 선행 제어 시스템에서 보상분의 산출을 예시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제어기 설계 과정을 보여주는 도면이다.
도 5는 도 4에 따라 설계된 제어기를 운용하는 과정을 보여주는 도면이다.
도 6은 일반적인 정특성 시험을 위한 출력증감발 시나리오를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 제안된 구성의 성능확인을 위한 모의시험의 설정값과 외란의 인가신호 파형의 한 예이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 모의시험 결과이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 비의존 자동 보상형 선행 제어 시스템 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 설정값이 변경되거나 외란이 발생된 경우, FF(Feed Forward) 제어에 의해 대부분의 보상이 이루어지고 부족한 부분은 PID(Proportional/Integral/Derivative) 제어에 의해 이루어져 이상적인 제어성능을 보여준다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 비의존 자동 보상형 선행 제어 시스템(100)의 구성 블럭도이다. 도 1을 참조하면, FF(Feed Forward)의 구현 형식은 외란 입력(U)에 대해 선형 혹은 비선형으로 보상하는 정적인 보상 형식과 시간지연을 가지면서 동적으로 보상하는 형식이 있다.
비의존 자동 보상형 선행 제어 시스템(100)은, 미리 예상되는 공정 특성을 이용하여 제 1 차 제어 보상을 수행하는 제 1 차 제어기(110), 제 1 차 제어 보상이 수행된 후 나머지 제어 보상을 위한 제 2 차 제어 보상을 수행하는 제 2 차 제어기(120), 제 1 차 제어 보상과 제 2 차 제어 보상의 결과를 합산하여 제어 출력값을 산출하는 합산기(130), 제어 출력값(CO)을 받아 제어를 실행하는 제어 밸브(140), 및 제어 실행에 따른 공정값(PV)을 산출하는 제어 대상 공정 모사 블록(150) 등을 포함하여 구성된다.
제 1 차 제어기(110)는 FF(Feed Forward) 제어를 수행하는 FF 제어기이다. 제 1 차 제어기(110)는 미리 예상되는 공정 특성을 이용하여 제 1 차 제어 보상을 수행한다. 미리 예상되는 공정 특성은 발전 공정의 정/동 특성으로서, 시간이 경과함에 따라 보일러의 연소 특성이 변하거나 설비 개조로 기계적 특성이 변동된다. FF 제어의 구현 형식은 외란 입력(U)에 대해 선형 혹은 비선형으로 보상하는 정적인 보상 형식(F(x))이 사용되나, 이에 한정되는 것은 아니며, 시간지연을 가지면서 동적으로 보상하는 형식 등도 가능하다.
제 2 차 제어기(120)는 PID(Proportional/Integral/Derivative) 제어를 수행하는 PID 제어기이다. 제 2 차 제어기(120)는 제 1 차 제어기(110)에 의해 대부분이 보상이 실행된 후, 부족한 보상을 실행한다.
제어 밸브(140)는 보일러의 배관 또는 압력 용기 등에 구비되어 그 회로 안에 흐르는 유체를 개폐하거나 유량 및 압력을 조절하는 기능을 수행한다. 따라서, 압력을 제어하는 압력 제어 밸브, 방향을 제어하는 방향 제어 밸브, 유량을 제어하는 유량 제어 밸브 등이 될 수 있다. 이들 밸브들은 실질적으로 유체가 흐르는 바디(미도시), 바디를 동작시켜 개폐하거나 방향을 바꾸는 액츄에이터(미도시), 개폐정도, 방향 등을 감지하여 액추에이터에 전송하는 포지셔너(미도시) 등으로 구성된다.
제어 대상 공정 모사 블록(150)은 보일러, 탱크, 제어 밸브 등에 대한 온도, 압력, 수위 등을 이용하여 공정값(PV)을 산출하는 기능을 한다. 제어 대상 공정 모사 블록(150)은, 온도 센서, 압력 센서, 수위 센서로부터 온도, 압력, 수위 등의 정보를 전달받아 공정값을 산출하기 위해 마이크로프로세서, 메모리, 프로그램 등이 구성될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 비의존 자동 보상형 선행 제어 시스템(100)을 간략화하여 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 단순 기능블록(합산기, 곱하기, 비선형 관계곡선 F(x), 시간지연 Lag 함수, 상하한 제한기 Limit 등)을 사용하여 구현될 수 있다. 제어기 설계를 위해 많이 사용되고 있는 라플라스 연산자(s)에 의한 공정 블록선도로 변환하여 제 1 차 제어기(110)인 Cf(s) 및 제 2 차 제어기인 Cp(s)를 보여주며, 편의상 실제 공정을 외란(U)과 제어 출력값(CO)에 영향받는 부분을 실제 제어 대상 공정값 A(s)(251)와 B(s)(252)로 구분할 수 있다. 즉, A(s)는 외란(U)에 영향을 받으며, B(s)는 제어 출력값(CO)에 영향을 받는다.
일반적으로 공정에 단위계단 입력을 인가하였을 때 자체적으로 새로운 안정상태에 도달하는 출력 응답특성을 보이고, 이를 수식화 하면 다음 수학식과 같다.
Figure pat00001
여기서, θ는 부동시간, τ는 시정수, K는 공정이득이된다.
부동시간 , 시정수 및 공정이득 의 파라미터로 아래 수식과 같이 표현할 수 있다.
목표값(SV)에서 공정값(PV)를 감산하는 감산기(211)를 통해 산출된 오차값(e)이 제 2 차 제어기(120)에 입력된다. 따라서, 제 2 차 제어기(120)는 PID 제어를 통해 제어를 위한 명령치(PID)를 생성한다. 한편, 제 1 차 제어기(110)에는 외란값(U)을 입력받아 FF 제어를 통해 명령치(FF)를 생성한다.
제 1 차 제어기(110)에 의해 생성된 명령치는 보상분(S)과 합산기(230)를 통해 합쳐져 보상 명령치가 생성된다. 이후, 보상 명령치는 제 2 차 제어기(120)에 생성된 명령치(PID)와 합산기(230)를 통해 합쳐져 최종적인 제어 출력값(CO)을 산출한다.
실제 제어 대상 공정값 A(s)(251)와 B(s)(252)는 합산기(253)에 의해 합해져 최종 공정값(PV)이 산출되며, 이 최종 공정값(PV)은 보조 보상부(미도시)에 전달된다.
보조 보상부(미도시)는 이 최종 공정값(PV)을 이용하여 보상분(S)을 산출하고, 이를 합산기(230)에 전달한다.
도 2에서는 감산기(211) 및 제 1 제어기(110) 및 제 2 제어기(120)를 각각 별도의 구성요소를 설명하였으나, 감산기(211) 및 제 1 제어기(110) 및 제 2 제어기(120)는 하나의 구성요소인 제어 블록(210)으로 정의할 수 있다.
도 1 및 도 2에 기술되는 "~제어기", "~부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 소프트웨어 및/또는 하드웨어로 구현될 수 있다. 하드웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하기 위해 디자인된 ASIC(application specific integrated circuit), DSP(digital signal processing), PLD(programmable logic device), FPGA(field programmable gate array), 프로세서, 마이크로프로세서, 다른 전자 유닛 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 소프트웨어 구현에 있어, 소프트웨어 구성 컴포넌트(요소), 객체 지향 소프트웨어 구성 컴포넌트, 클래스 구성 컴포넌트 및 작업 구성 컴포넌트, 프로세스, 기능, 속성, 절차, 서브 루틴, 프로그램 코드의 세그먼트, 드라이버, 펌웨어, 마이크로 코드 , 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조, 테이블, 배열 및 변수를 포함할 수 있다. 소프트웨어, 데이터 등은 메모리에 저장될 수 있고, 프로세서에 의해 실행된다. 메모리나 프로세서는 당업자에게 잘 알려진 다양한 수단을 채용할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 비의존 자동 보상형 선행 제어 시스템에서 보상분(S)의 산출을 예시한 도면이다. 특히, 도 3은 보조 보상부(300)의 구성도이다. 도 3을 참조하면, 보상분(S)의 기본 개념은 제어기 파라미터 선정에만 사용되었던 공정 인식 모델을 활용하여 그 공정 모델 출력값(
Figure pat00002
)과 실제 공정값(PV)간의 오차에 비례하는 비례값을 FF 제어기인 제 1 차 제어기(110)에 추가함으로써 공정모델의 부정확한 인식 혹은 변경되는 동특성에 대응할 수 있다. 즉, 실제 제어 대상 공정 모델(311)에 따라 생성된 실제 공정값(PV)과 공정 인식 모델(
Figure pat00003
(312)에 따라 생성된 공정 모델 출력값(
Figure pat00004
)을 감산기(253)를 통해 공정인식 오차값을 생성한다.
앞에서 정의한 실제 공정을 와 와 같은 수학적 형식으로 정확히 모사할 수 없으므로, 사용자는 실제 공정에 단위계단 신호를 입력하여 실제공정의 부동시간 , 시정수 및 공정이득 를 근사화 할 수 있으며, 이렇게 표현한 수식을
Figure pat00005
로 표현할 수 있다.
이 오차값은 3가지 사례(1~3)를 통해 보상분(S)으로 산출된다. 부연하면, 다음과 같다.
1) 사례1: 공정인식 오차값에 이득과 상하한 제한기(310)를 반영하여 산출된다. 부연하면, 산출되는 비례값인 이득을 산출하고 이 이득에 상한과 하한이 미리 설정되는 상하한 제한기를 적용하여 보상분(S)이 산출된다(310).
2) 사례2: 공정인식 오차값에 필터링 기능을 부과하여 산출된다. 즉, 공정인식 오차값에 시간 지연값을 추가하여 이득을 산출하고 이 이득에 상한과 하한이 미리 설정되는 상하한 제한기를 적용하여 보상분(S)이 산출된다(320).
3) 사례3: 비선형 함수(F(x)를 반영하여 산출된다(330). 이외에 여러 가지 경우를 추가할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 제어기 설계 과정을 보여주는 도면이다. 도 4를 참조하면, 안정운전 상태에서 개선하고자 하는 제어기의 제어 출력값(CO)을 스텝인가하여 공정값(PV)이 안정될 때까지의 파형을 확인한다(단계 S410).
이후, PID 제어기 또는 FF 제어기 구현시, 선정된 공정 인식 모델(
Figure pat00006
)(312)를 활용한다(단계 S420).
이후, 실제 제어 대상 공정 모델(311)에 따라 생성된 실제 공정값(PV)과 공정 인식 모델(
Figure pat00007
(312)에 따라 생성된 공정 모델 출력값(
Figure pat00008
)을 이용하여 오차값을 구하고, 이 오차값을 이용하여 보상분(S)을 산출하여 선행 제어 보상기를 구현한다(단계 S430). 공정모델은 대부분 1차의 시간지연 형식을 사용하므로 Lag와 시간지연 기능블록을 사용하여 기존 제어시스템에 쉽게 구현할 수 있다.
도 5는 도 4에 따라 설계된 제어기를 운용하는 과정을 보여주는 도면이다. 도 5는 제어기 운용 단계에서 이렇게 보완된 제어 파라미터를 실제 제어기에 반영하여 사용하는 과정이다. 먼저 외란값(U(k)), 제어 출력값(CO(k))에 의해 실제 공정값(PV(k))가 결정된다(단계 S510).
이후, 동일한 실제 공정값(PV(k))을 사용하여 공정 모델 출력값(
Figure pat00009
)을 산출하고, 실제 공정값(PV(k)과 공정 모델 출력값(
Figure pat00010
)의 오차를 계산한다(단계 S520).
이후, 보상분(S(k+1))을 계산하고, 목표값(SV(k+1)) 및 실제 공정값(PV(k))을 이용하여 PID 출력인 명령치(Cp(k+1))를 산출하고, 외란값(U(k+1))을 사용하여 FF 제어 출력인 명령치(Cf(k+1))를 산출한다(단계 S540).
이후, k를 1씩 증가시킨다(단계 S540). 여기서, k는 자연수로 k≥1이다.
이후, 제어 성능이 저하되었는지를 확인한다(단계 S550). 확인 결과, 단계 S550에서 제어 성능이 저하되지 않으면 단계S510 내지 단계S540이 진행된다. 이와 달리, 확인 결과, 단계 S550에서 제어 성능이 저하되었다면 도 4의 단계 S410으로 진행한다.
제어성능 저하는 설정값(SV)에 공정값(PV)이 얼마나 잘 추종하는가를 평가하는 것이다. 여러 가지 방법이 가능하나, 설정값이 일정폭 이상 변경되었을 경우, 최대 오버슈트의 크기 혹은 평균 누적 절대 오차값의 크기가 기준값 이상 변동되었다면 제어성능이 저하되었다고 판정할 수 있다.
도 6은 일반적인 정특성 시험을 위한 출력증감발 시나리오를 보여주는 도면이다. 도 6을 참조하면, 일반적으로 계획 예방 정비 공사 이후 별도 시간(2~3일) 확보하여 정특성 시험을 수행하여 PID와 FF 제어기 파라미터를 수동으로 조정한다.
발전소에서의 정특성 시험은 가능한 모든 제어기를 자동모드에 두고 여러 가지 출력구간에서 운전 및 제어상태를 확인하고 공정의 프로세스 특성을 파악(공정모델 인식 과정)하여 각 제어신호를 조정하거나 제어기의 파라미터를 변경한다. 이를 통해, 각 출력에서 연료, 공기 및 급수량 등 주요 제어신호의 균형을 맞추는 시험이다. 보통, 정특성 시험은 자동운전으로 1/4, 2/4, 3/4, 4/4 부하에서 일정시간 이상(통상 2시간 정도) 정상상태를 유지하여 각 제어량의 데이터를 취득하여 선정한다.
도 2에 도시된 구성으로 컴퓨터 시뮬레이션을 하였다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 제안된 구성의 성능확인을 위한 모의시험의 설정값(SV)과 외란(U)의 인가신호 파형의 한 예이다. 도 7을 참조하면, 설정 목표값(SV)이 일정한 상태에서 외란값(U)을 변경하였을 경우이다.
도 7에 도시된 그래프를 참조하여, 설정 목표값(SV)이 일정한 상태에서 외란값(U)을 변경하였을 경우 아래와 같은 조건에서의 공정값 변화를 비교하였다.
① : 제어대상 공정(A(s), B(s))을 완벽히 인식한 상태에서 PID 제어기와 FF 제어기를 구현한 경우
② : 제어대상 공정을 약 30% 정도 부정확하게 인식한 공정모델을 사용하여 PID 제어기만 구현한 경우
③ : 위 ②의 조건에서 PID 제어기와 FF 제어기를 구현한 경우
④ : 위 ③의 조건에서 제안한 구성을 적용하여 구현한 경우(추가 보상분 S는 사례1의 형식임)
도 8 내지 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 모의시험 결과이다. 도 8 내지 도 10을 참조하면,
조건 ①의 경우, 인식한 공정모델이 실제 제어대상 공정을 정확하게 모델링한 경우로서 외란이 변경되더라도 PID 제어기의 출력 변경없이 FF 제어기의 출력만으로 보상되는 이상적인 제어기 동작을 보여주고 있으며, 이에 따라 공정값의 변화도 거의 없는 것을 볼수 있다(810,910,1010)
조건 ②와 ③의 경우, 공정모델 인식이 부정확한 상태에서 PID 제어기만을 사용한 경우(②)와 FF 제어기를 추가적으로 사용한 경우(③)의 제어성능을 보여준 것으로, FF 제어기를 사용한 경우가 더 빠른 수렴하는 동작을 보여주고 있다(820,920,1020,830.930,1030).
조건 ④의 경우, 제안한 구성을 사용한 경우로서 FF 제어기 출력이 이상적인 경우의 FF 제어기 출력(①)을 따라 다소 흔들리면서 추종하고 있지만, 가장 빠른 수렴 동작을 보여주고 있다(840,940,1040). 다소 흔들리는 특성은 추가 보상분 S 결정시 사례2와 같은 지연(Lag) 함수를 추가하면 이는 해결될 것으로 판단되며, 제안한 구성의 타당성을 확인할 수 있었다.
종합하면, 기존의 방법인 ③에 비해 제안한 방법인 ④의 결과가 더 우수한 결과를 보여주고 있다. 제안한 방법도 공정특성이 변경되면 이전보다 제어성능이 저하되지만, 기존의 방법은 이에 대처할 수 없지만 제안한 방법은 이에 대처할 수 있다.
가로축은 시간이고 세로축은 공정값을 %로 보여준다. 앞에서 설명하였듯이 제어성능은 설정값(SV)에 공정값(PV)이 얼마나 잘 추종하는가를 평가하는 것이므로, 도 10을 보면 ④의 공정값이 ③의 공정값보다 더 빠른 시간내에 수렴하고 최대 오버슈트의 크기 혹은 평균누적절대오차값이 작음을 보여주고 있다.
또한, 여기에 개시된 실시형태들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은, 마이크로프로세서, 프로세서, CPU(Central Processing Unit) 등과 같은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 (명령) 코드, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 매체에 기록되는 프로그램 (명령) 코드는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프 등과 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD, 블루레이 등과 같은 광기록 매체(optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 (명령) 코드를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 반도체 기억 소자가 포함될 수 있다.
여기서, 프로그램 (명령) 코드의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
100: 비의존 자동 보상형 선행 제어 시스템
110: 제 1 제어기
120: 제 2 제어기
130: 합산기
140: 제어 밸브
150: 제어 대상 공정 모사 블록
210: 제어 블록
230: 합산기
300: 보조 보상부

Claims (18)

  1. 미리 예상되는 공정 특성을 이용하여 제 1 차 제어 보상을 수행하여 제 1 명령치를 생성하는 제 1 차 제어기(110);
    제 1 차 제어 보상이 수행된 후 나머지 제어 보상을 위한 제 2 차 제어 보상을 수행하여 제 2 명령치를 생성하는 제 2 차 제어기(120);
    상기 제 1 명령치와 상기 제 2 명령치를 합산하여 제어 출력값(CO)을 산출하는 합산기(130);
    상기 제어 출력값(CO)을 받아 제어를 실행하는 제어 밸브(140); 및
    제어 실행에 따른 최종 공정값(PV)을 산출하는 제어 대상 공정 모사 블록(150);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 비의존 자동 보상형 선행 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 차 제어기(110)는 FF(Feed Forward) 제어를 수행하는 FF 제어기인 것을 특징으로 하는 비의존 자동 보상형 선행 제어 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 차 제어기(120)는 PID(Proportional/Integral/Derivative) 제어를 수행하는 PID 제어기인 것을 특징으로 하는 비의존 자동 보상형 선행 제어 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 차 제어기(120)는 목표값(SV)에서 상기 최종 공정값(PV)를 감산하는 감산기(211)를 통해 산출된 오차값(e)을 입력받아 상기 제 2 명령치를 산출하는 것을 특징으로 하는 비의존 자동 보상형 선행 제어 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 차 제어기(110)에 의해 생성되는 상기 제 1 명령치에 보상분(S)을 추가하는 보조 보상부(300);를 포함하는 것을 특징으로 하는 비의존 자동 보상형 선행 제어 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 보상분(S)은 제어기 파라미터 선정에만 사용되는 공정 인식 모델(312)을 활용하여 산출되는 공정 모델 출력값(
    Figure pat00011
    )과 실제 제어 대상 공정 모델(311)에 따라 생성된 실제 공정값(PV)간의 오차에 비례하는 비례값을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 비의존 자동 보상형 선행 제어 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 보상분(S)은 상기 실제 공정값(PV)에서 상기 공정 모델 출력값(
    Figure pat00012
    )을 감산하여 생성되는 공정인식 오차값을 이용하여 상기 비례값인 이득을 산출하고, 상기 이득에 상한과 하한을 적용하는 상하한 제한기를 반영하여 산출되는 것을 특징으로 하는 비의존 자동 보상형 선행 제어 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 보상분(S)은 상기 실제 공정값(PV)에서 상기 공정 모델 출력값(
    Figure pat00013
    )을 감산하여 생성되는 공정인식 오차값에 시간 지연값을 추가하여 상기 비례값인 이득을 산출하고, 상기 이득에 상한과 하한을 적용하는 상하한 제한기를 반영하여 산출되는 것을 특징으로 하는 비의존 자동 보상형 선행 제어 시스템.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 보상분(S)은 상기 실제 공정값(PV)에서 상기 공정 모델 출력값(
    Figure pat00014
    )을 감산하여 생성되는 공정인식 오차값에 비선형 함수(F(x)를 반영하여 산출되는 것을 특징으로 하는 비의존 자동 보상형 선행 제어 시스템.
  10. (A) 제 1 차 제어기(110)가 미리 예상되는 공정 특성을 이용하여 제 1 차 제어 보상을 수행하여 제 1 명령치를 생성하는 단계;
    (B) 제 2 차 제어기(120)가 제 1 차 제어 보상이 수행된 후 나머지 제어 보상을 위한 제 2 차 제어 보상을 수행하여 제 2 명령치를 생성하는 단계;
    (C) 합산기(130)가 상기 제 1 명령치와 상기 제 2 명령치를 합산하여 제어 출력값(CO)을 산출하는 단계;
    (D) 제어 밸브(140)가 상기 제어 출력값(CO)을 받아 제어를 실행하는 단계; 및
    (E) 제어 대상 공정 모사 블록(150)이 제어 실행에 따른 최종 공정값(PV)을 산출하는 단계;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 비의존 자동 보상형 선행 제어 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 차 제어기(110)는 FF(Feed Forward) 제어를 수행하는 FF 제어기인 것을 특징으로 하는 비의존 자동 보상형 선행 제어 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 차 제어기(120)는 PID(Proportional/Integral/Derivative) 제어를 수행하는 PID 제어기인 것을 특징으로 하는 비의존 자동 보상형 선행 제어 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 2 차 제어기(120)는 목표값(SV)에서 상기 최종 공정값(PV)를 감산하는 감산기(211)를 통해 산출된 오차값(e)을 입력받아 상기 제 2 명령치를 산출하는 것을 특징으로 하는 비의존 자동 보상형 선행 제어 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 차 제어기(110)에 의해 생성되는 상기 제 1 명령치에 보상분(S)을 추가하는 보조 보상부(300);를 포함하는 것을 특징으로 하는 비의존 자동 보상형 선행 제어 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 보상분(S)은 제어기 파라미터 선정에만 사용되는 공정 인식 모델(312)을 활용하여 산출되는 공정 모델 출력값(
    Figure pat00015
    )과 실제 제어 대상 공정 모델(311)에 따라 생성된 실제 공정값(PV)간의 오차에 비례하는 비례값을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 비의존 자동 보상형 선행 제어 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 보상분(S)은 상기 실제 공정값(PV)에서 상기 공정 모델 출력값(
    Figure pat00016
    )을 감산하여 생성되는 공정인식 오차값을 이용하여 상기 비례값인 이득을 산출하고, 상기 이득에 상한과 하한을 적용하는 상하한 제한기를 반영하여 산출되는 것을 특징으로 하는 비의존 자동 보상형 선행 제어 방법.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 보상분(S)은 상기 실제 공정값(PV)에서 상기 공정 모델 출력값(
    Figure pat00017
    )을 감산하여 생성되는 공정인식 오차값에 시간 지연값을 추가하여 상기 비례값인 이득을 산출하고, 상기 이득에 상한과 하한을 적용하는 상하한 제한기를 반영하여 산출되는 것을 특징으로 하는 비의존 자동 보상형 선행 제어 방법.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 보상분(S)은 상기 실제 공정값(PV)에서 상기 공정 모델 출력값(
    Figure pat00018
    )을 감산하여 생성되는 공정인식 오차값에 비선형 함수(F(x)를 반영하여 산출되는 것을 특징으로 하는 비의존 자동 보상형 선행 제어 방법.
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