자동제어

1.3 자동제어

 

1.3.1 개요

제어란 어떤 목적에 적합하도록 대상에 소요조작을 가하는 것이다. 물론 인간이 어떤 의도를 가지고 어떤 시스템을 조작하는 것도 제어의 일종이다. 그러나 인간을 대신해 온도, 유량, 압력과 같은 공업량을 측정하고, 이것을 자동적으로 제어하는 이른바 자동제어는 1920년대 미국의 석유정제공정에서 시작되었다. 당시에는 기계식조절계를 현장에 설치하는 국소적인 계장이었으나 2차 세계대전중의 병기개발과 더불어 계장기술이 급속한 발전을 이루게 되었다.

제품생산공정에 자동제어를 응용하므로서 인간에 비해 더욱 정밀한 제어를 할 수 있고, 이로 인해 더 높은 품질의 생산품을 균일하게 얻을 수 있어 결국 더 큰 이익을 창출할 수 있다. 이외 공정의 제어응답이 너무 예민하거나 복잡해서 인간이 제어할 수 없을 때나 원거리/위험지구의 제어, 규칙적인 조작에 유리하다. 그러나 자동제어설비에 투자시 투자대비 효과(운전비 및 정비비 감소, 제품생산량 증가, 제품 품질의 향상, 운전유연성 증가 등)측면을 고려해야 하고, 공정설계와 계장설계자가 긴밀히 협력하여 제어시스템의 낭비요인을 없애야 한다.

 

1.3.2 자동제어계의 구성

 

1) Open & Close Loop제어

온도․압력․유량․액면 등과 같은 프로세스의 상태를 나타내는 양을 측정하고 이것을 사전에 바깥에서 주어진 목표값과 간단한 편차가 있을 때에 자동적으로 수정동작을 시키는 것이 프로세스제어이다.

-제어대상(Cotrolled system) : 프로세스․기계 등에 있어서 제어의 대상이 되는 부분이며 위에서는 열교환기를 나오는 유체온도이다.

-제어량(Controlled variable) : 제어대상의 현상을 나타내는 양이며 측정되고 제 어되는 것을 말한다.

-검출부(Measurement) : 제어량을 검출하고 기준과 비교할 수 있게 하는 부분, 위에서 열교환기출구배관에 만들어진 온도계.

-조절계(Controller) : 검출부에서 측정된 제어량과 목표값을 비교하고 편차가 있 을 경우는 조작부에 정정동작신호를 내는 조절기구. 필요에 따라서 측정 한 제어량을 지시 또는 기록하는 표시부가 있다. 위에서는 온도조절계.

-목표값(Set point) : 제어량 즉 열교환기출구유체온도의 희망값이며 프로세스설 계의 기본계산에 따라 정해지고 있는 값.

-조작부(Final control element) : 조절계에서의 신호를 받아서 제어대상에 작용 시키는 부분, 그림에서는 조절밸브, 프로세스 제어에서는 제어량이 유량이외, 가령 이 예와 같은 온도라도 조작량은 대개의 경우 액량이다. 따라서 조작부 는 밸브라는 것이 특징이다.

-조작량(Manipulated variable) : 제어량을 조절하기 위해 조작되는 양이며 이 경우 스팀의 액량.

-외란(Disturbance) : 프로세스상태를 바꾸려는 외적작용, 가령 유입 유체의 온 도와 액량의 변화 등

-정규제어(Regulatory control) : 목표값이 일정한 자동제어이며 이것에 대해 목 표값이 변화할 때는 추적제어(Servo control)라 함.

-자기평형성 : 자동제어를 하지 않아도 제어량이 어떤 안정된 값으로 되려는 성 질을 말한다. 자기평성성이 없거나 있어도 불충분할 때에 이것을 보충해서 평형성․안정성을 주는 수단이 자동제어이다

-지연(Dead time) : 입력신호의 변화에 대해서 출력신호의 변화가 즉시 따르지 않는 현상. 이 지연의 시간을 무효시간이라 한다.

-기준입력요소(Reference Input Element : Gv) : 목표값에 비례하는 신호를 발 생한다.

-기준입력(Reference Input : r) : 목표값에 비례하는 신호 입력이다.

-제어장치(Control device) : 제어를 하기 위하여 제어대상에 부가되는 장치로서 기준입력요소, 제어요소, 궤한요소를 통틀어 일컫는다.

-제어요소(Control element : Gc) : 동작신호로 부터 조작량을 만들어 주는 요소 이다.

-궤환요소(Feedback element : H ) : 제어량으로부터 주궤환을 발생시키는 요소 이다.

-궤환(Feedback : b ) : 제어량의 함수이고 동작신호를 얻기 위하여 기준입력과 비교되는 양이다.

-편차(Deviation or Error ) : 측정값 목표값과의 차이

-정상상태(Steady state) : 일정시간에 걸쳐 변화가 없는 상태.

-오프셋(Offset) : 정상상태에서의 편차

1.3.3 자동제어의 분류

 

1) 제어량의 성질에 따른 분류

가) 공정제어(Process Control)

제어량이 Process인 자동제어계이다. Process장치의 주된 제조과정은 자동적으 로 되고 인위적인 것은 원료, 에너지의 공급량, 출력량의 설정 및 장치내의 환경 조건을 준비하는 것으로만 되어있다.

Process 제어에서의 제어량은 세가지로 나뉘어진다.

- Process 환경조건의 제어: 온도, 압력, 액위, 습도, pH, 농도 등

- 물질 및 에너지의 양 : 전력, 유량, 중량율

- 종점제어(Endpoint control) : pH, 밀도, 전도도, 점도, 농도

나) 자동조정(Automatic setting)

전력계통, 원동기, 연소장치 등의 주로 동력공업면에서 전압, 주파수, 회전수, 전 력 등을 제어량으로 하여 이것을 일정하게 유지하는 것을 목적으로 하는 제어이 다.

다) 서어보기구(Servo mechanism)

선박, 비행기 등의 위치, 속도, 가속도 등의 기계적인 변위를 제어량으로 하는 궤한제어계를 말하며, 산업계와 군사분야에 많이 응용되고 있다.

 

2) 목표값의 시간적인 성질에 의한 분류

가) 정치제어(Constant value control, Regulatory Control)

목표값이 시간적으로 항상 일정한 제어

나) 추종제어(Follow-up control, Servo Control)

목표값의 변화가 시간적으로 임의로 변하는 제어

다) 프로그램제어(Program control)

목표값이 미리정한 프로그램에 따라서 시간과 더불어 변화하는 제어

 

3) 제어동작의 연속성에 의한 분류

가) 연속데이타제어(Contimuous data control)

계통의 모든 부분의 신호가 연속적인 시간 변수의 함수로 표시되는 제어

나) 불연속 데이터 제어(Discrete data control)

계통의 제어신호가 펄스열(Pluse-train)이나 디지탈 코드(Digital code)인 제어로 서 Digital computer의 많은 잇점을 이용할 수 있음.

 

4) 제어장치의 동특성에 따른 분류

스위치제어(On-off type), 비례제어, 비례+미분 및 비례+적분+미분제어동작이 있다.

 

1.3.4 제어동작(Control mode)

 

1.3.4.1 기본제어 동작

 

1) 2위치 제어(On/Off control)

On/Off control은 가장 간단하고 저렴하여 광범위하게 응용되고 있는 제어이다. 2위치 제어는 항상 Error를 가지게 되는데 사실상 제어기가 열리거나 닫히는데에서는 Error가 존재하지 않지만 제어기의 한계를 초과하는 경우 Error가 발생하게 된다. 또한 2위치 제어는 시스템의 용량에 비하여 상대적으로 지연시간이 짧고 작은양의 물질이나 에너지에도 잘 반응하기 때문에 대용량의 공정에 적합한 시스템이다. 2위치 제어의 예로 온도제어를 들 수 있는데 설정온도에서 온도가 떨어질 경우 열을 가도록 하고 또 설정온도를 초과하는 경우 스위치는 꺼서 더 이상 열을 공급하지 않아서 일정한 온도를 유지할 수 있도록 하는 것이 그 예이다. 산업에 있어서 2위치 제어기가 주로 쓰이는 곳은 거대한 탱크의 온도제어에 쓰인다.

 

2) 비례제어(Proprtional control)

2위치 제어는 대용량의 공정제어에 쓰이지만 반응속도가 느리고 작은양에 반응할 경우 작은량의 동요에도 민감하게 반응하기 때문에 연속적이고 여러변수에 반응할 수 있는 새로운 제어방식이 필요하게 되었다. 비례제어는 Error의 방향뿐 아니라 크기에 비례하여 시스템의 요동을 줄이면서 안정화시키기 위한 것이다. 비례제어를 사용하게되면 대용량의 공정에서 지연시간을 줄일 수 있고 큰질량과 에너지의 유입량을 제어할 수 있다. 비례제어의 예로 들 수 있는 것이 목욕탕의 샤워기를 들 수 있는데 2위치의 제어의 경우 온도제어에서 처럼 열을 가하거나 가하지 않거나 하기 때문에 샤워기를 모두 열거나 모두 닫는 정도에 그치지만 비례제어의 경우 밸브를 조절하면서 양을 연속적으로 조절할 수 있는 특징이 있다. 샤워기에서처럼 적절한 결과값을 얻기위해서 밸브는 모두 열거나 모두 닫지 않는 적절한 지점에서 이동을 하게된다. 이러한 밸브의 작동을 Valve stroke라한다. 비례제어를 하는데 있어서 가장 중요한 한계는 입력과 출력사이의 고정된 관계를 수용할 수 있어야 하는데 이것은 입력의 Error가 0일 경우 출력의 Error를 0이 되도록 제어밸브를 조정하는 것을 필요로 하게 된다. 비례제어는 민감하지 않은 온도제어라던가 장시간 동안의 일정한 높이제어에 사용된다. 그러나 비례제어는 Offset이 존재하기 때문에 이 Offset을 제거하기 위해서는 적분제어(Integraged control)가 필요하다.

3) 적분제어(Integeraged control)

적분제어는 비례제어에서 발생하는 Offset을 제거하고 Error가 존재하는 한 자동적으로 제어하지만 적분제어 단독으로 쓰이기보다는 다른 제어방식과 연계해서 쓰인다. 대부분 비례제어와 연계하게 되는데 이러한 제어 방식을 PI제어라 한다. Error가 발생하게 되면 적분이라는 복잡한 수학적 메커니즘을 거쳐 Error가 0이 될 때까지 작동하게 된다. 비례적분제어는 일반적으로 Offset이 용납되지 않는 공정에 쓰이며, 대부분의 공정에 응용되지만 중요치 않은 액체의 높이제어나 가스압력제어에는 쓰이지 않는다. 적분제어에 있어서 제어시간동안 Setpoint와의 차이가 지워지지 않을 경우 문제가 발생하게는 데, 만약 Batch Process에서 탱크가 텅비게 되면 적분제어는 Error로 감지하고 Error를 만족시키기 위해 결과값을 최대로 만들기 위해 작동하는데 이와 같은 현상을 Integral Windup(Reset Windup)이라 한다.

 

4) 미분제어(Derivative control)

적분제어의 Intergal Windup을 제거하기 위해서 제어값의 변화율에 의해 반응하여 안정성과 응답속도를 더 증가시킨 미분제어가 나타나게 되었는데 이 미분제어는 적분제어와 마찬가지고 단독으로 제어를 하는 것이 아니라 다른제어기와 연계해서 작동하게 된다. 미분제어는 일반적으로 비례제어와 연계해서 사용되는데 미분제어와 비례제어가 같이 쓰이는 제어를 PD제어라 한다. 이 제어는 Offset을 완전하게 제거하지는 못하지만 Loop의 안정정과 Proportional Band 를 감소시킴으로써 Offset을 줄일 수 있다. 대부분의 많은 공정들이 많은 변수와 용량, 저항 등 다른 요인들을 가지고 있기 때문에 응답시간과 변수들이 변화하는데 있어서 다양한 지연들이 발생하게 된다. 따라서 Error의 변화가 빠를수록 초기의 Error값이 더 커지는 결과를 가져오게 되는데 미분제어는 Error가 발생하는 크기의 비에 응답하기 때문에 초기의 Deviation을 줄여줄수 있다.

미분제어 동작은 지연이 중요하게 작용되거나 거대한 용량에 사용된다. 따라서 온도에 관련되어 있는 공정에 대부분 사용되게 된다.

 

5) 비례적분미분제어(Proportional Integeral Derivative Control)

지금까지 거론된 각각의 기본모델과 복합모델 [ 비례(P), 비례적분(PI), 비례미분(PD) ] 들은 적절히 조정되면 문제없지만 각각의 한계를 지니고 있다. 따라서 어떤 공정은 제어하는데 어려움을 가지고 있으며 3가지의 모델을 적절히 사용하는 것 또한 문제를 가지고 있다. 따라서 이 3가지를 모두 합친 PID제어기는 발생되는 모든 Error-방향, 크기, 지속성, 변화율-에 적용할 수 있다. PID제어기 는 P, I, D제어기를 선형적으로 복합시킨 것이다. PID제어기는 여러 가지 공정에 많은 이점을 가지고 있기는 하지만 어떤 공정에는 한계를 지니기도 한다. PID제어기의 장점은 빠른 응답과 미분제어기에서 하는 거대한 외란에도 잘 적응하며, 적분제어기의 약점인 지속정에도 잘 적응한다. 미분제어기의 장점과 적분제어기의 장점을 모두 적절히 사용할 수 있다. 열교환기와 같은 온도제어기의 경우 PID제어기를 사용하는 것이 가장 적합하고 PI제어기를 사용하는 것보다 사이클에대한 주기를 줄일 수 있는 장점이 있으며 Offset이 존재하는 경우에도 더욱 빨리 안정된 지점으로 이동할 수 있는 장점이 있다. 또한 Setpoint가 이동하게 되는 경우에도 빠른시간에 안정화 될 수있는 장점을 가지고 있다.