적분 공정 vs 자기조절 공정: 핵심 원리 및 적용

적분 성질을 가진 공정은 시간이 지남에 따라 누적된 입력 값의 누적 합계에 비례하는 출력을 생성하는 경향이 있습니다. 입력이 음수가 되면 공정은 진폭을 비례적으로 감소시켜 출력을 낮춥니다. 예를 들어 물탱크의 경우 입력은 유입 액체량이고 출력은 탱크가 유지하는 수위입니다. 입력이 양수로 유지되는 한 수위는 계속 상승하지만, 입력이 음수가 되면(유출이 유입보다 많으면) 출력 수위는 내려갑니다.

이제 서보 모터 작동을 고려해 봅시다. 모터 양단의 입력 전압이 토크를 결정하고, 이는 부하를 가속시킵니다. 입력 전압이 0이 아니고 부하 위치가 누적 회전에 의존하는 한 회전은 지속됩니다. 입력 전압이 음수가 되면 축이 역회전하기 시작하고 출력 위치가 감소합니다. 물탱크와 서보 모터 모두 입력이 음이 아닌 한 출력 수준을 유지한다는 점에서 행동이 유사합니다.

모든 적분 공정은 이런 방식으로 작동합니다. 입력이 누적되고 주변 환경으로 분산됩니다. 이 두 과정이 발생하는 속도는 제어 대상 기계와 마찰, 항력, 관성 같은 물리적 요인에 따라 달라집니다. 하지만 일단 입력이 시스템에 추가되면 음수 값이 이를 상쇄할 때까지 존재합니다.

비적분 공정(자기조절 공정)

새는 물탱크를 고려해 보십시오. 입력과 관계없이 계속 물을 잃습니다. 마찬가지로 비틀림 스프링에 대항해 회전하는 서보 모터는 전압 값과 관계없이 계속 위치를 잃습니다. 이러한 공정은 추가량이 예측 불가능한 손실로 상쇄되는 평형점에 도달할 수 있습니다. 예를 들어 여러 구멍이 난 탱크가 특정 지점 이상의 출력 수위를 갖는 것은 불가능합니다. 이는 비적분적이며, 입력을 누적하지만 유입과 유출 사이의 평형인 특정 지점까지만 도달합니다.

일부 적분 공정은 자발적 손실이 없는 반면, 일부 비적분 공정은 상당히 긴 시정수를 가져 평형점 도달이 어렵다는 점을 유의해야 합니다. 이 둘 사이의 경계가 모호해집니다.

컨트롤러 선정

제어 엔지니어의 임무는 공정의 본질을 파악하고 어느 스펙트럼 끝에 속하는지 확인하는 것입니다. 이를 통해 공정에 적합한 제어 전략을 선택할 수 있습니다. 비적분 공정 제어는 평형점이 출력에 자연적 한계를 부과하므로 더 쉽습니다. 컨트롤러가 올바른 입력을 찾는 번거로운 과정을 거칠 필요가 없습니다.

이 때문에 비적분 공정을 때때로 컨트롤러 개입 없이도 안정 상태를 달성하는 능력 때문에 자기조절 공정이라고 부릅니다. 그럼에도 피드백 컨트롤러의 노력은 여전히 필요해 필요 시 공정 입력을 증가/감소시킵니다.

전통적인 PI 및 PID 컨트롤러는 적분 및 자기조절 공정 모두에서 작동하도록 설계되었으나 구성은 다릅니다. 대부분의 튜닝 규칙은 두 공정을 모두 고려해 컨트롤러의 P, I, D 파라미터를 계산하는 공식을 제공합니다.

때로는 단순 P-컨트롤러조차 축적 덕분에 적분 공정 요건을 충족할 수 있습니다. 이는 컨트롤러에 PI 또는 PID 컨트롤러의 적분기와 같은 특성을 부여합니다. 또한 컨트롤러 목표가 출력을 특정 설정값과 일치시키기 위해 필요한 입력 크기를 식별하는 것이라면 P-컨트롤러가 적합합니다.

비적분 공정에서는 같은 말을 할 수 없습니다. P-컨트롤러는 출력이 설정값에 접근하기 전에 포기할 수 있습니다. 이는 컨트롤러가 부하 교란을 보상하려 해도 유지되는 정상상태 오차로 이어집니다. 이러한 오차는 유체 밀도 변화 같은 물리적 파라미터로 인해 적분 공정에도 영향을 줄 수 있습니다.