KR950003551B1 - 프로세스 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

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가부시끼가이샤 도시바
아오이 죠이찌
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Abstract

내용 없음.

Description

프로세스 제어 시스템 및 방법
제 1 도는 종래의 2자유도(two degree of freedom)식 PID제어 시스템의 개통도.
제 2 도는 본 발명에 의한 2자유도식 PID제어 시스템의 일실시예의 개통도.
제 3 도는 본 발명의 다른 실시예의 개통도.
제 4 도는 본 발명의 또다른 실시예의 개통도.
본 발명은 2자유도 식 PID제어 시스템에 관한 것이며, 특히 비례제어연산에 대해 2자유도를 갖는 프로세서 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
비례적분(PI) 또는 비례적 적분미분(PID)제어장치는 그 개발시부터 전 산업분야에서 널리 사용돼왔다.
종래에 각종의 제어 시스템에 제안된 바 있다. 아날로그식으로부터 디지탈식 제어연산방식으로 전환되었다. 그러나, 플랜트운전제어 용도에서 PID제어장치의 주요한 역할은 불변이다.
이러한 PID제어연산의 기본식은 하기와 같다 :
Figure kpo00001
식에서, MV(s)는 조작신호, E(s)는 편차, KP는 비례이득, Tr는 적분시간, TD는 미분시간, s는 라플라스 연산자, (1/η)는 미분이득이다.
이러한 PID제어장치는, 1자유도 PID제어장치라 불린다.
상기 PID제어장치는, PID제어상수를 1세트밖에 설정할 수 없는 소위 1자유도 시스템이다.
따라서 외부교란 억제특성과 목표치 추종특성을 모두 동시에 최적화하는 것이 불가능하다.
일반적으로 PI 또는 PID제어연산을 사용한 제어계에서는 외부교란 억제특성과 목표치 추종 특성의 양 기능을 만족시킬 필요가 있다.
상기 전자의 외부교란 억제특성은 외부교란이 변화될때 외부교란의 영향을 어떻게 최적으로 억제하는가의 특성이다.
상기 후자의 목표치 추종특성은 목표치를 변화시켰을때 프로세스값이 어떻게 최적으로 목표치를 추종하는가의 특성이다.
통상의 PI 또는 PID제어계는 외부교란변화의 영향을 최적으로 억제하는 PI 또는 PID제어상수 값과 목표치 변화에 대해서 최적으로 추종하는 PI 또는 PID제어상수가 크게 다르므로, 상기 양자의 특성을 동시에 최적화할 수는 없고, 서로 모순되는 관계에 있다.
구체적으로 외부교란 변화의 영향을 최적으로 억제하도록 PID제어상수 값을 설정하면, 목표치 추종특성이 진동작으로 된다. 이와반대로, 목표치 변화에 대하여 최적으로 추종하도록 PID제어상수를 설정하면, 외부교란 특성이 현저하게 완화된다.
상기와 같은 PID제어장치에서는 그의 외부교란억제 특성과 목포치 추종특정을 동시에 최적화하는 기술의 출현이 요망되고 있다.
이에 대하여 1963년 Issac.M, Horowitz에 의해서 2조의 PID제어상수를 각각 독립적으로 설정할 수 있는 2자유도 PI 또는 PID앨고리듬(Two Degree PI(또는 PID)Algoritm : 이하에서 2DOF PID라고 칭함)의 기본개념이 발표되어, 최근 일본에서도 상기 기본개념하에 2DOF PID가 실용화되어, 플랜트 운전제어의 고도화에 크게 기여한 바 있다.
제 1 도는 P동작과 D동작을 2자유도화한 종래의 2DOF PID제어 시스템의 구성을 나타내는 도면이다. 이 시스템은 비례이득과 미분시간을 2자유도화하는 연산처리를 행하는 목표치 필터(11)가 설치되어 있다. 이 시스템은, 목표치 발생부(10)로부터 목표치 SV를 수신하여 목표치 필터(11)로부터 얻어진 필터 출력 SVo와 제어대상(12)으로부터의 제어량 PV를 편차 연산부(13)로 공급하여 여기서 (SVo-PV)연산을 행하여 편차 E를 구하여, PI제어연산부(14)로 공급한다. 이 PI제어연산부(14)에서는 편차 E를 수신하여 PI제어연산에 의해서 조작신호 MV를 얻고, 후속의 가산부(15)로 공급한다. 이 가산부(15)는 조작신호 MV와 외부교란 신호 D를 가산 합성하여, 얻어진 가산합성 신호를 제어대상(12)에 공급함으로써, 목표치 SVo=제어량 PV가 되게 제어를 행한다. 상기 목표치 필터(11)에서는 계수부(21)가 비례 제어연산을 위한 비례이득의 2자유도화 계수 α를 상기 목표치 SV에 승산하여 그 출력(SV.α)를 얻어서 가산부(22)에 공급한다. 다음, 감산부(23)가 상기 목표치 SV로부터 계수부(21)의 출력(SV.α)를 감산한다. 다음 얻어진 감산출력 SV(1-α)는 감산부(24)로 공급된다.
또한 상기 계수부(21)의 출력(SV.α)은 또한 계수부(25)에 공급되고, 이 계수부에서 상기 출력(SV.α)에 미분제어연산을 위한 미분시간의 2자유도화 계수를 γ를 승산하여 승산출력(SV.αγ)을 얻고, 이를 감산부(26)로 공급한다.
상기 감산부(26)는 상기 승산출력(SV.α.γ)으로부터 제어량 PV를 감산하여 감산출력(SV.α.γ)-PV를 얻고, 이를 계수부(27)에 공급하며, 이 계수부에서, 상기 감산출력(SV.α.γ)-PV에 미분이득 1/η을 승산한다. 상기 계수부(27)의 출력은 2분기 된다.
이 출력들 중 하나는 감산부(28)에 직접 공급되고 다른 출력은 1차 지연요소(29)를 통하여 감산수단(28)으로 입력된다.
감산부(28)에서는 계수부(27)의 출력으로부터 1차 지연요소(29)의 출력이 감산되어, 2출력이 감산부(24)에 공급된다. 다음, 이 감산부(24)가 상기 감산부(23)의 출력으로부터 감산부(28)의 출력을 감산한다. 얻어진 출력은 그 시간 상수가 적분시간 T1인 1차 지연요소(30)를 통과함으로써 적당히 지연된다. 다음, 감산부(31)가 상기 1차 지연요소(30)의 출력과 감산부(28)의 출력을 가산한다. 다음, 감산부(22)가 상기 가산된 출력을 계수부(21)의 출력에 가산하여, 목표치 필터(11)의 출력 SVo을 구한다.
상기 목표치 필터(11)의 출력 SVo와 목표치 SV와 제어량값 PV간에는 하기의 관계가 있다.
Figure kpo00002
그 결과, 조작신호 MV중의 목표치 SV성분을 MVs라고하면, 제 1 도 및 상기식(2)로부터 하기식을 얻는다.
Figure kpo00003
또한 상기 조작신호 MV중의 제어량 값 PV성분을 MVp하고 하면, 제 1 도 및 상기식(2)로부터 하기식을 얻는다.
Figure kpo00004
결과적으로, 상기식(3)과 (4)로부터 명백한 바와 같이 제어량 PV에 대해서는 단순 PID제어로 되나, 목표치 SV에 대해서는 비례이득 2자유도화 계수 γ와 미분이득 2자유도화 계수 γ가 각각 독립해서 설정될 수 있는 소위 2자유도 PID제어를 행하게 된다.
상기 2DOF PID제어장치는 다양한 장점을 갖으나, 다음과 같은 결함이 지적돼있다. 구체적으로 식(3)과 (4)에서 보는 바와 같이, 목표치 SV와 제어량 PV(외부교란 D의 영향을 받음)에 대해 미분제어연산이 가해지는데에는 γ와 TD와 설정방법(하기표2)에 따라서 3가지 방법이 있다.
실제 산업상 응용에서는 프로세스의 특성, 제어상의 요구등에 따라서, 이들의 조합을 선택적으로 채용하거나 또는 운전중 변경할 수 있다.
그결과, 상기 조합의 선택에 따라서, 비례이득의 2자유도화 계수를 얻는데 사용되는 계수 α의 값은 크게 달라진다. 결과적으로 수백~수천의 PID제어루우프를 채용하는 플랜트에서는 계수 α값의 설정을 매번 변경할 필요가 있다. 이는 또한 상당한 시간을 요하며, 또한 설정할 계수 α의 값을 망실할 가능성이 있다.
비례제어연산을 위한 2자유도화 계수값의 설정 조작을 원활히 행할 수 있다면, 2DOF PID의 범용화에 크게 공헌할 수 있다.
본 발명의 한 목적은 프로세스 제어 시스템의 제어성을 향상시키는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 프로세스 제어 시스테에서 비례제어연산을 위한 비례이득의 2자유도화 계수를 자동설정가능하게 하는데 있다.
본 발명의 기타의 목적 및 장점들은 하기의 상세한 설명 및 본 발명의 실시예에 의해서 명백히 이해할 수 있다.
상기 목적들은 본 발명에 의하면, 외부교란되는 프로세스 시스템을 제어하여 이 시스템으로부터 출력된 제어량의 값을 일정 목표치로 조정하는 시스템을 제공함으로써 달성된다. 이 시스템은 일정 목표치를 발생하는 목표치 발생수단, 이 목표치와 제어연산을 행하기 위한 제어량값을 수신하여, 외부교란에 의해 발생된 제어량 값의 동요를 억제하고, 상기 제어량 값을 상기 일정 목표치로 조정하는 주제어수단을 구비한다.
상기 주 제어수단은 비례이득, 적분시간 및 미분시간으로 이루어진 선택범위중에서 적어도 비례이득 및 적분시간을 포함한 제어상수에 의하여, 비례제어, 적분제어 및 미분제어연산으로 이루어진 선택범위중에서 적어도 비례 및 적분제어 연산을 행함으로써, 상기 외부교란에 의해 발생된 제어량 값의 동요를 억제하는 목표치필터수단과, 상기 목표치필터수단의 미분시간을 조정하기 위해 설정된 미분시간의 2자유도화 계수와 상기 목표치필터수단의 비례이득을 조정하기 위해 설정된 비례이득의 2자유도화계수에 의하여 비례제어연산, 적분제어연산 및 미분제어연산으로 이루어진 선택범위중에서 적어도 비례 및 적분제어 연산을 행함으로써, 상기 제어량 값을 상기 일정목표치로 조정하는 PI제어연산수단과, 복수의 비례 이득의 2자유도화 계수들을 설정키위한 비례이득의 2자유도화 계수들을 설정수단과, 상기 목표치필터억제수단의 미분제어연산이 실행되는가와 상기 PI제어연산수단의 미분제어 연산이 실행되는가의 여부를 판별하고, 판별결과에 따라서, 상기 설정된 복수의 비례이득 2자유도화 계수들중에서, 상기 설정된 비례이득의 2자유도화 계수를 선택하는 계수판별 및 선택수단을 구비하고 있다.
본 발명의 일실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
외부교란의 억제에 최적인 비례이득과 미분시간이 각각 Kp와 TD이고, 목표치를 추종하는데 최적인 비례이득과 미분시간이 각각 Kp*와 TD*인 경우, 상기 상기 식(3)과 (4)로부터 하기식(5)와 (6)을 얻을 수 있다.
Kp*=α.Kp α=(Kp*/Kp) (5)
Kp*·TD*=Kp.α.γ.TDγ=TD*(6)
제어대상 시스템의 시간응답으로부터 제어상수를 구할 수 있는 다수의 방법이 제안된 바 있다.
통상 사용되는 것의 일예를 들면, 표 1에 나타낸 CHR(Chien, Hrones 및 Reswick)법을 들 수 있다.
[표 1]
제어상수와 제어연산방식간의 관계
Figure kpo00005
표 1에서, K는 상기 제어 시스템의 이득, T는 시간상수, L은 데드 타임(dead time)이다.
표 1과 식(5)로부터 표 2에 나타난 바와 같이, 목표치 SV에 대해 미분제어동작이 있는가의 여부와 제어량(외부교란에 의한 영향을 받음)에 대해 미분제어동작이 있는가의 여부의 조합에 의하여, 비례제어연산을 위한 비례이득의 2자유도화 계수 α를 구할 수 있다.
[표 2]
제어방식과 비례이득의 2자유도화 계수의 관계
Figure kpo00006
표 2에 명시된 바와 같이, 비례이득의 2자유도화 계수 α의 값은 제어방식에 따라서, 즉, 목표치 SV에 대해서 미분제어연산이 행하여지는가 여부와 상기 제어량(외부교란에 의한 영향을 받음)에 대하여 미분제어 연산이 행하여지는가의 여부의 조합에 따라서, 0.37로부터 0.63까지 크게 다르다.
다음, 제 2 도를 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 제 2 도에 도시된 바와 같이, 미분시간 TD와 미분제어연산을 위한 미분시간의 2자유도화계수 γ의 조합을 판별하는 기능을 갖는 주제어부(16)가 사용된다. 제 1 도에서의 구성부와 동일한 구성부는 동일 참조번호로 표시되있고, 상세한 설명을 생략한다.
구체적으로, 이 장치는 목표치 필터(11)내에, 예를 들면 표 2에 따라서 2개(또는 다를 수 있음)의 비례이득의 2자유도화 계수 α1,α2를 설정하는 비례이득의 2자유도화 계수 설정부(17,18)가 설치돼있다. 또한 상기 1차 지연요소(29)에 의해 설정된 미분시간 TD의 값과 계수부(25)에 의해 설정된 미분시간의 2자유도화 계수 γ의 입력에 의하여, 미분시간 TD와 미분시간의 2자유도화 계수 γ의 조합을 판별하는 판별부(19)가 설치돼있다.
또한 상기 판별부(19)에 의한 판별결과, 즉 미분시간의 2자유도화 계수 γ의 조합의 변경에 따라서 비례이득의 2자유도화 계수설정부(17,18)에 의해 이미 설정돼있는 비례이득의 2자유도화 계수들로부터 최적치를 자동적으로 선택하는 선택부(20)가 계수들로부터 최적치를 자동적으로 선택하는 선택부(20)가 설치되었다. 이 선택부(20)에 의해 선택된 비례이득의 계수 α는 계수부(21)에 설정된다.
이에 대해서 구체적 실시예에 의하여 설명한다. 판별부(19)에는 상기 1차지연요소(29)에 의해 설정된 미분시간 TD의 값과 상기 계수부(25)에 의해 설정된 미분시간의 2자유도화 계수 γ가 입력된다.
이 계수 γ와 미분시간 TD에 의하여, 계수부(21)에 다음과 같이 설정된다.
(Ⅰ) γ=0이고, TD가 0이 아니면, 표 2로부터, 비례이득 2자유도화 계수 α1=0.37
(Ⅱ) 상기 이외의 경우는 비례이득의 2자유도화 계수 α2=0.60
상기(Ⅱ)의 경우 "0.60"의 값을 선택한 이유는 표 2에서 0.58과 0.63이 서로 근사하므로, 이 두값을 단일의 중간값으로 대체한 것이다.
결과적으로 목표치 SV에 대한 미분동작의 유무와 제어량(외부교란에 의한 영향을 받음)에 대한 미분동작의 유무의 조합에 따라서, 비례이득의 2자유도화 계수 α의 값들이 크게 다르다.
또한 비례이득의 2자유도화 계수 설정부(17,18)에 최적 비례이득의 2자유도화 계수들이 미리 설정되며 판별부(19)는 미분시간 TD와 미분시간의 2자유도화 계수를 γ를 판별한후에 상기 비례이득의 2자유도화 계수 설정부로부터 최적의 비례이득 2자유도화계수들 중 하나를 인출하여, 이 최적의 비례이득의 2자유도화 계수를 계수부(21)에 자동적으로 설정한다. 이렇게 함으로써 종래와 같이 미분시간의 2자유도화 계수 γ와 미분시간 TD와의 조합에 의해서, 비례이득의 2자유도화 계수의 설정을 매번 변경하는 번잡한 조작을 생략할 수 있다. 특히, 대형 플랜트와 같이 수백~수천의 제어루우트를 사용한 것에서는 상기 설정작업이 비약적으로 개선된다.
또한, 비례이득의 2자유도화 계수의 값을 항상 자동적으로 설정할 수 있으므로, 전체 2자유도의 PID제어를 최적상태로 유지할 수 있다.
다음, 본 발명의 다른 실시예가 제 3 도에 도시되었다. 이 실시예에서는 목표치 필터(11)의 감산부(23)와 감산부(24) 사이에 1차지연요소(32)가 삽입되었다. 상기 1차지연요소(32)의 시간상수에 계수 β를 승산함으로써, 즉 시간상수 β,T1를 사용하여 등가적으로 적분시간 T1를 2자유도화한 완전 2자유도 PID제어를 얻는다.
물론, 상기 목표치 필터(11)에서도 제 2 도와 동일하게 미분시간의 2자유도화 계수 γ와 미분시간 TD의 조합에 의해서 최적의 비례이득 2자유도화 계수의 값을 계수부(21)에 설정할 수 있다.
제 4 도는 본 발명의 또다른 실시예를 나타낸다.
이 실시예의 장치에서는 목표치 필터(11)의 감산부(23)의 외측에 1차 지연요소(32)가 설치되었고, 감산부(28)의 출력으로부터 상기 1차 지연요소(33)의 출력을 감산하는 감산부(34)가 설치되었다.
상기 1차 지연요소(32)에 있어서는 계수 β를 사용함으로써, 등가적으로 적분시간 TD를 2자유도화함으로써 완전 2자유도 PID제어를 얻는다. 이 경우에서도, 미분시간 TD와 미분시간의 2자유도화 계수 γ의 조합에 의해서 비례이득의 2자유도화 계수 α의 최적치를 계수부(21)에 설정할 수 있다.
상기 이외에 본 발명의 요지범위내에서, 다양하게 변형 실시할 수 있다.
상기 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 미분시간의 2자유도화 계수 γ와 미분시간 TD의 조합 상태에 따라서, 자동적으로 최적의 비례이득의 2자유도화 계수를 설정할 수 있고, 따라서 용이하고, 제어성의 높고, 범용성이 높은 2자유도 제어장치를 제공할 수 있다.

Claims (6)

  1. 외부 교란에 영향을 받는 프로세스 시스템(12)을 제어하여 그 시스템으로부터 발생된 제어량 값을 일정 목표치로 조정하는 프로세스 제어 시스템에 있어서, 일정 목표치를 발생하는 목표치 발생수단(10)과, 상기 목표치와 제어연산을 행하기 위한 제어량 값을 수신하여, 외부 교란에 의해 발생된 제어량값의 동요를 억제해서 상기 제어량 값을 상기 일정목표치로 조정하는 주제어수단(16)을 구비하며 ; 상기 주제어수단(16)은 상기 조정된 비례이득, 적분시간 및 미분시간으로 이루어진 선택범위중에서 적어도 비례이득 및 적분시간을 포함한 제어상수에 의하여 비례제어, 적분제어 및 미분제어 연산으로 이루어진 선택범위중에서 적어도 비례 및 적분 제어연산을 행함으로써 상기 외부교란에 의해 발생된 제어량 값의 동요를 억제하는 목상기 목표치필터수단(11)의 미분시간을 조정하기 위해 설정된 미분시간의 2자유도화 계수와 상기 목표치펄터수단(11)의 비례이득을 조정하기 위해 설정된 비례이득의 2자유도화 계수에 의하여, 비례 제어연산, 적분제어연산 및 미분제어연산으로 이루어진 선택범위중에서 적어도 비례 및 적분제어 연산을 행함으로써, 상기 제어량 값을 상기 일정목표치로 조정하는 PI제어연산수단(14)과, 복수의 비례이득의 2자유도화 계수들을 설정키위한 비례이득의 2자유도화 계수 설정수단(17,18)과, 상기 목표치필터수단(11)의 미분제어 연산이 실행되는가 여부와 상기 PI제어연산수단(14)의 미분제어 연산이 실행되는가 여부를 판별하고, 판별결과에 따라서, 상기 설정된 복수의 비례이득의 2자유도화 계수들중에서, 상기 설정된 비례 이득의 2자유도화 계수를 선택하는 계수 판별 및 선택수단(19,20)을 구비한 것이 특징인 프로세스 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 비례이득의 2자유도화 계수설정 수단(17,18)이 2개의 비례이득의 2자유도화 계수 설정수단을 구비하여, 상기 계수판별 및 선택수단(19,20)이 상기 목표치필터수단(11)의 미분제어연산을 실행하고, 상기 PI제어연산수단의 미분제어연산이 실행안되는 경우와 그외의 경우간의 판별결과에 의해서, 상기 설정된 2개의 비례이득의 2자유도화 계수들중 하나를 선택하는 수단을 포함하는 것이 특징인 프로세스 제어 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제어량 값을 일정목표치로 조정하기 위해 상기 설정된 적분시간의 2자유도화 계수에 따라서 상기 목표치필터수단의 적분시간을 조정하는 적분시간의 2자유도화 계수 수단(32)을 더 구비한 것이 특징인 프로세스 제어 시스템.
  4. 외부 교란에 영향받는 프로세스 시스템을 제어하여 그 시스템으로부터 출력된 제어량의 값을 일정 목표치로 조정하는 프로세스 제어 방법에 있어서 ; 일정 목표치를 발생시키는 단계와, 상기 외부교란에 의해 발생된 제어량 값의 동요를 억제하여 이 제어량 값을 일정 목표치로 조정하는 제어 연산을 행하는 단계를 포함하며, 상기 제어연산 단계는 상기 조정된 비례이득, 적분시간 및 미분시간으로 이루어진 선택범위중에서 적어도 비례이득 및 적분 시간을 포함한 제어상수에 의하여 비례제어, 적분제어 및 미분제어 연산으로 이루어진 선택 범위중에서 적어도 비례 및 적분제어연산을 행함으로써, 상기 외부교란에 의해 발생된 제어량 값의 동요를 억제하는 단계와, 상기 미분시간을 조정하기 위해 설정된 미분시간의 2자유도화 계수와 상기 비례이득을 조정하기 위해 설정된 비례이득의 2자유도화 계수에 의하여 비례제어연산, 적분제어연산 및 미분제어연산으로 이루어진 선택범위중에서 적어도 비례 및 적분제어연산을 행하여 상기 제어량 값을 상기 일정 목표치로 조정하는 단계와, 복수의 비례이득의 2자유도화 계수들을 설정하는 단계와, 상기 제어량 값의 동요를 억제키위한 미분제어 연산이 실행되는가 여부와 상기 제어량값을 일정 목표치로 조정하기 위한 미분제어 연산이 실행되는가 여부를 판별하고, 그 판별결과에 따라서, 상기 설정된 복수의 비례이득의 2자유도화 계수들중에서, 상기 설정된 비례 이득의 2자유도화 계수를 선택하는 단계를 포함하는 것이 특징인 프로세스시스템 제어방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 설정된 복수의 비례이득의 2자유도화 계수를 설정하는 단계는 상기 설정된 2개의 비례이득의 2자유도화 계수를 설정하는 단계를 포함하며 상기 설정된 비례이득의 2자유도화 계수를 선택하는 단계는 상기 제어량 값의 동요를 억제시키기 위한 미분제어 연산이 실행되고 상기 제어량 값을 일정 목표치로 조정키위한 미분제어 연산이 실행되지 않는 제 1 경우와 그이외의 경우간의 판별결과 따라서 상기 설정된 2개의 비례이득과 2자유도화 계수들중 하나를 선택하는 단계를 포함하는 것이 특징인 프로세스 시스템 제어방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 제어량값을 일정 목표치로 조정하기 위해 설정된 적분시간 2자유도화 계수에 따라, 상기 적분시간을 조정하는 단계를 더 포함하는 것이 특징인 프로세서 시스템 제어방법.
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