비례-적분-미분(PID) 컨트롤러는 오늘날 산업계 대부분의 자동 공정 제어 응용에서 유량, 온도, 압력, 레벨 등 다양한 공정 변수 조절에 사용됩니다.
1939년 테일러와 폭스보로 계기 회사가 최초 두 PID 컨트롤러 출시. 현재 모든 컨트롤러는 당시 원조 비례, 적분, 미분 모드 기반.
PID 컨트롤러는 현대 공정 제어 시스템의 일꾼으로, 그렇지 않으면 수동으로 해야 할 조절 작업을 자동화합니다. 비례 제어 모드가 컨트롤러 주 구동력이지만 각 모드 고유 기능 수행. 비례와 적분 제어 모드는 대부분 제어 루프에 필수, 미분 모드는 모션 제어에 탁월. 온도 제어는 세 모드 모두 사용하는 대표적 응용.
그림 1. 수동 제어 수행 운영자
PID 컨트롤러 없으면 수온 수동 제어는 번거로운 과정. 예: 산업용 가스 연소 히터 배출 수온 일정 유지 위해 운영자가 온도계 보고 연료 가스 밸브 조절(그림 1). 수온 너무 높으면 밸브 적당히 닫아 목표 온도 복귀. 너무 낮으면 밸브 열기.
운영자 제어 작업은 피드백 제어라 불림. 운영자가 온도계를 통한 공정 피드백 기반으로 연소율 변경. 운영자, 밸브, 공정, 온도계가 제어 루프 형성. 운영자 밸브 조작 → 온도 영향 → 운영자 피드백 → 루프 닫힘.
PID 컨트롤러로 온도 제어 자동화 위해 필요:
그림 2. PID 컨트롤러 자동 제어 수행
운영자 PID 컨트롤러 설정값(SP)을 목표 온도로 설정, 컨트롤러 출력(CO)이 제어 밸브 위치 설정. 온도 측정값인 공정 변수(PV)가 PID 컨트롤러로 전송돼 설정값과 비교, 두 신호 간 차이(오차, E) 계산. 오차와 컨트롤러 튜닝 상수 기반으로 적절한 컨트롤러 출력 계산해 제어 밸브 올바른 위치 설정으로 온도 설정값 유지(그림 2). 온도 설정값 초과 시 밸브 위치 감소, 반대면 증가.
컨트롤러 세 모드 각각 오차에 다르게 반응. 각 제어 모드 반응량은 컨트롤러 튜닝 설정 변경으로 조절 가능.
비례 제어 모드는 오차에 비례해 컨트롤러 출력 변경. 오차 증가 시 제어 동작 비례 증가.
비례 제어 조정 설정은 컨트롤러 이득(Kc). 이득 높을수록 주어진 오차에 비례 제어 동작량 증가. 이득 너무 높으면 제어 루프 진동 시작해 불안정. 너무 낮으면 외란이나 설정값 변화에 적절 대응 못 함.
대부분 컨트롤러에서 컨트롤러 이득 설정 조정이 적분/미분 제어 모드 반응량에도 영향.
PID 컨트롤러를 적분/미분 모드 끄고 비례 동작만 내도록 구성 가능. 비례 컨트롤러는 이해 단순, 튜닝 용이: 컨트롤러 출력이 제어 오차 × 컨트롤러 이득 + 바이어스. 바이어스는 오차 제로(공정 변수=설정값) 시에도 0 아닌 출력 유지 위해 필요. 단점은 오프셋—비례 제어만으론 제거 못 하는 지속적 오차. 비례 전용 제어 시 운영자가 컨트롤러 출력 바이어스 수동 변경으로 오프셋 제거 전까지 잔존. 컨트롤러 수동 리셋이라 함.
그림 3. (좌) 비상호작용 PID 알고리즘; (우) 병렬 PID 알고리즘
수동 리셋 필요성으로 자동 리셋인 적분 제어 모드 개발. 적분 제어 모드 기능: 오차 존재하는 한(공정 변수 ≠ 설정값) 시간이 지남에 따라 컨트롤러 출력 증감시켜 오차 감소. 충분한 시간 주어지면 적분 동작이 컨트롤러 출력을 오차 제로까지 구동.
오차 크면 적분 모드 컨트롤러 출력 증감 빠름, 작으면 느림. 주어진 오차에 적분 동작 속도는 컨트롤러 적분 시간 설정(Ti) 결정. 적분 시간 너무 길면 컨트롤러 느림, 너무 짧으면 루프 진동 불안정.
대부분 컨트롤러 적분 시간 단위 분 사용. 일부 초 단위, 소수 컨트롤러 적분 이득(Ki, 분당 반복) 사용.
흔히 PI 컨트롤러라 불림. 비례+적분 컨트롤러 출력은 비례와 적분 제어 동작 합.
외란 후 적분 모드가 컨트롤러 출력을 지속 증분시켜 모든 오프셋 제거하고 히터 출구 온도 설정값 복귀.
미분 제어는 공정 제어엔 드물게 쓰이나 모션 제어엔 자주 사용. 측정 노이즈에 매우 민감, 시행착오 튜닝 어렵게 함, 공정 제어에 절대 필수 아님. 하지만 컨트롤러 미분 모드 사용으로 온도 제어 등 특정 제어 루프가 PI만 쓸 때보다 빠르게 반응 가능.
미분 제어 모드는 오차 변화율 기반 출력 생성. 오차 변화 빠를수록 더 많은 제어 동작, 오차 변화 없으면 미분 동작 제로. 조정 설정: 미분 시간(Td). 미분 시간 설정 클수록 미분 동작 더 많이 생성. 너무 길면 진동 발생 루프 불안정. Td=0이면 미분 모드 끄기. 컨트롤러 미분 설정 단위: 분, 초.
그림 4. P, PI, PID 컨트롤러 외란 응답 비교
PID 컨트롤러 출력은 비례, 적분, 미분 제어 동작 합. PID 제어 알고리즘은 비상호작용, 병렬 알고리즘 등 다양한 설계 존재(그림 3).
PID 컨트롤러에서 미분 모드는 P나 PI만으론 불가능한 더 이른 시점에 더 많은 제어 동작 제공. 외란 영향 감소, 레벨 설정값 복귀 시간 단축.
그림 4는 연료 가스 압력 급변 시 공정 히터 출구 온도 회복 시간 P, PI, PID 제어 하 비교.
PID 컨트롤러 튜닝 필요하나 초기 출시 땐 명확한 지침 없어 1942년 J.G. 지글러, N.B. 니콜스(테일러 인스트루먼트)가 두 튜닝 방법 발표 전까지 시행착오로 튜닝.
이 튜닝 규칙은 데드타임 대비 시정수 매우 긴 공정과 적분 공정 포함 레벨 제어 루프에 효과적. 하지만 자가조절 공정 포함 제어 루프(유량, 온도, 압력, 속도, 조성)엔 부적합.
자가조절 공정은 항상 평형점에서 안정화. 평형점은 공정 설계와 컨트롤러 출력 의존. 컨트롤러 출력 변경 시 공정 반응 후 새 평형점서 안정화.
대부분 제어 루프 자가조절 공정 포함. 코헨-쿤 튜닝 규칙 등 자가조절 공정용 튜닝 방법 개발. 원래 매우 빠른 응답 목표였으나 높은 진동 응답 결과. 규칙 약간 수정으로 빠른 응답 유지하면서 진동 경향 크게 감소. 현재 100개 이상 튜닝 방법 존재, 각자 특정 목표 달성용 설계.
PID 컨트롤러 없인 현대 공정 제어 시스템 존재 불가. 모든 제어 기능 수동 수행해야 함. 비례, 적분, 미분 각 제어 모드 고유 기능 수행, 모든 루프 유형과 응용에 효율적 공정 제어 위한 튜닝 규칙 개발됨.
본 글은 데이터포스 코퍼레이션 CEO 리 페인(투손, AZ) 작성. 자세한 정보: 여기를 클릭.
데이터포스 MAQ®20 산업 데이터 수집 및 제어 시스템 정보는 카탈로그 다운로드.
감지기
특별 리포트: 아르헨티나 혁신 아르헨티나와 인접국 우루과이의 광활한 외딴 땅에 절실히 필요한 재생에너지 시스템 보급 길을 형제들 무리가 열고 있습니다: 후안 페드로 코리카(Juan Pedro Córica)가 15년 전 QMAX Renewable Energies를 설립했습니다. 그의 삼촌 후안 호세, 형 훌리오, 친구 파블로 카시(Pablo Cassi), 마우로 베르투치(Mauro Bertucci)와 함께요. 그 이후 그들은 태양광, 풍력, 수력 에너지 시스템용 저렴한 전자 장치 생산이라는 대의를 위해 테크놀로지아 데 라 인두스트리아
전기 접지 – 구성요소, 방식, 종류 – 전기 그라운딩 설치 전기 접지, 그라운딩, 접지 방식, 접지 종류, 접지 구성요소 및 사양, 전기 설비를 위한 전기 접지에 관하여 설명합니다. 전기 접지 또는 그라운딩이란? 전기 기기나 설비의 금속(도전성) 부분을 대지(접지)에 연결하는 것을 접지(Earthing) 또는 그라운딩(Grounding)이라 합니다. 다른 말로, 전기 기계장치의 금속 부분을 접지판이나 접지전극(습한 땅에 매설) 그리고 두꺼운 도체선(저항이 매우 낮음)을 통해 안전 목적으로 연결하는 것을 접지 또는 그라운딩이라
