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문제 정의
- 색상 등의 변화와 손실이 발생되고 이는 농산물의 품질을 저하시키는 주된 원인이 된다. 따라서 호흡 등의 대사작용 을 억제시키는 온도범위에서 농산물을 저장하여 출하시기 조절 및 품질손실을 최소화하여 농산물의 부가가치를 최고로 하는데 저온저장의 목적이 있다. 이러한 저온저장의 이점 때문에 과수 및 채소류를 생산하는 농가와 단체(농협)를 중심으로 저온저장고가 급속하게 보급되고 있다.
- 본 연구에서는 저온저장고의 온도를 제어하기 위해 퍼지논리를 이용하여 냉매의 유량을 조절하였다.
- 이에 본 연구의 목적은 퍼지제어를 이용 저온저 장고의 온도 하강 동특성을 향상시키고 기존의 시 스템보다 작은 헌팅(hunting)을 유발시켜 농산물의 장기 저장을 위한 균일한 온도 분포를 가지게 함으로서 결과적으로 시스템의 성능 향상을 가져오고자 하는 것이다.
제안 방법
- ① TEV를 사용하는 On-Off 시스템과 EEV를 사용하는 Fuzzy 시스템에서 냉매의 흐름분포와 온도 편차를 상호 비교 실험하였다. 그 결과 On-Off 시스템에 비하여 Fuzzy 시스템의 온도하강 동특성이 보다 빠르게 나타났다.
- ② 온도 하강 동특성을 향상시키고 기존의 On-off 시스템과 퍼지시스템의 동특성을 비교 분석한다.
- ② 퍼지 입력변수로 온도편차와 온도편차의 변화량를 사용하였고 출력변수로 팽창밸브의 개도를 사용하였다. 가장 적합한 입력변수와 출력변수는 실험을 통하여 구하였다.
- ③ 농산물의 저장 기간에 영향을 주는 저장고내 헌팅(hunting)을 줄여 기존의 On-Off 시스템과 상호 비교 분석한다.
- ⑥ 설정온도 변화에 따른 변화를 각각 실험하였다.
- ② 퍼지 입력변수로 온도편차와 온도편차의 변화량를 사용하였고 출력변수로 팽창밸브의 개도를 사용하였다. 가장 적합한 입력변수와 출력변수는 실험을 통하여 구하였다. 샘플링 타임이 20sec를 지나면서 온도 하강 동특성이 감소하고 온도편차 도 점점 커지는 것을 관찰할 수 있었다.
- 공급되는 냉기의 방향성을 향상시키기 위해 유니트 쿨러의 팬 앞에 폭 10cm의 방향 보조 장치 를 제작하여 부착하였다
- 규칙의 형태는 'IF, THEN' 형식을 취하며 조건부에는 2개의 퍼지변수와 결론부에는 1개의 퍼지변수를 가지도록 구성하였다.
- 4T 에서 설정온도 0℃에 이를 때까지 동특성을 실험하였다. 그리고 설정온도 도달 이후에 저온저장고 내의 각 구간별 온도분포의 균일성을 측정하기 위해 편차의 변화량을 실험하였고 기존의 On-Off 시 스템과 상호 비교하였다.
- 실험장치는 기본 냉동 사이클을 이루고 있으며 On-Off 시스템에 의해 냉매의 유량을 제어하기 위한 기존의 온도식 팽창밸브(TEV) 외에 퍼지논리를 이용 냉매의 유량을 제어하기 위한 전자식 팽창밸브(EEV)를 설치하였다. 그리고 이 두 밸브의 전단에 전자변(Solenoid Val.,e)을 설치하여 필요에 따라 냉매의 흐름 방향을 변경할 수 있도록 하였다 또한 냉매의 흐름 경향을 분석하기 위해 유량 센서를 밸브 후단에 장치하였다. 그림 4는 제어방 식에 따라 냉매가 제어되도록 한 팽창밸브.
- 저온저장고내에 3차원상으로 설치된 14개의 온도센서로 측정한 온도의 평균값을 현재온도로 하였다. 그리고 현재온도와 설정온도의 차를 온도편 차로 하였고 이것과 온도편차의 변화량을 퍼지제 어기의 입력변수로 사용하여 퍼지추론 과정을 거친다. 퍼지제어기의 출력은 팽창밸브의 개도를 조 절하는 전압으로 하였다.
- 기존의 과열도를 이용한 간접적인 제어방식인 On-Off 제어대신에 Fuzzy 논리를 이용 각 구간별 저장고내의 온도를 입력으로 사용하여 제어하는 직접적인 방식을 사용하였다.
- 본 연구에서 사용한 퍼지제어기는 입력변수로 저온저장고내 온도편차(Temp. Error)와 온도편차의 변화량(Delta Temp. Error)을 사용하였으며 출력변 수로 팽창밸브의 개도(Openness)를 조절하는 제어 기의 전압으로 하였다. 온도편차와 온도편차 변화량의 언어변수를 7등분하였고 팽창밸브 개도의 언어변수는 4등분하였다.
- 설정온도를 0℃로 한 이유는 저온저장고를 가장 많이 사용하는 양파의 최적 저장 온도가 0℃ 이기 때문에 이에 맞춰서 설정하였다.
- 유량센서를 구동 하고 유량센서를 통해 들어오는 신호를 처리하기 위해 Power Supply를 설치하였다. 소프트웨어를 제작하여 저장고내 온도 변화를 실시간으로 볼 수 있도록 하였다. 그림 5는 팽창밸브 제어장치, 각종 센서의 값을 읽을 수 있는 데이타 로거 그리고 저 장고내 온도변화를 모니터에 도시해 주고있는 PC 를 보여주고 있다.
- 실험에 사용된 저장고는 냉각팬과 증발기 및 제상히터 가 내장된 유니트 쿨러와 3마력 용량의 압축기, 응축기. 수액기 그리고 이들을 제어하는 제어반으로 구성하였다. 저장고내의 온도를 측정할 수 있는 14개의 온도센서가 가로 .
- 그림 9은 On-Off 시스템과 퍼지 시스템에서 각 구역별 온도를 측정 그 헌팅을 평균하여 비교한 그림이다. 실험은 각 시스템별로 같은 환경조건에서 10회씩 반복 실험하였다. On-OfT 시스템에서는 -0.
- 실험장치는 기본 냉동 사이클을 이루고 있으며 On-Off 시스템에 의해 냉매의 유량을 제어하기 위한 기존의 온도식 팽창밸브(TEV) 외에 퍼지논리를 이용 냉매의 유량을 제어하기 위한 전자식 팽창밸브(EEV)를 설치하였다. 그리고 이 두 밸브의 전단에 전자변(Solenoid Val.
- 유량 센서 그리고 전자변을 보여주고 있다. 저온저장고 내의 온도를 측정하기 위하여 14개의 온도센서를 3차원상으로 배열하였고 풍속을 측정하기 위한 풍속센서 1개를 유니트 쿨러 앞쪽에 설치하여 샘플 링 시간마다 PC에 연결된 데이타 로거에 전송되도록 하였다. 외부 온도를 실시간으로 측정하기 위해 건물 천장에 온도센서 1개를 설치하였다.
- 저장고 측면에 3개의 구멍을 뚫고 각 구멍당 4~5개의 온도센서 케이블을 집어 넣은 후 실리콘으로 밀봉하였다. 풍속센서를 설치하기 위해 저장압축기의 용량은 3마력이다.
- 퍼지 시스템의 최적 멤버쉽 함수는 실험을 통하여 구하였다. 표 2는 시행착오법에 의해 구한 최적 멤버쉽 함수를 나타낸다.
- 퍼지논리를 이용 EEV를 제어하기 위해 EEV 제어기를 장치하였고 제어반을 퍼지제어화하기 위해 SSR(Solid State Relay) 을 설치하여 PC 내의 AD/DA Converter에 연결하였다. 유량센서를 구동 하고 유량센서를 통해 들어오는 신호를 처리하기 위해 Power Supply를 설치하였다.
- 그리고 현재온도와 설정온도의 차를 온도편 차로 하였고 이것과 온도편차의 변화량을 퍼지제 어기의 입력변수로 사용하여 퍼지추론 과정을 거친다. 퍼지제어기의 출력은 팽창밸브의 개도를 조 절하는 전압으로 하였다. 저장고내 온도가 설정온 도에 이르게 되면 프로그램이 실행을 종료하고 그렇지 않을 경우 설정온도에 이를 때까지 반복하게 된다.
- 평균 외기온이 28.5±0.4℃, 습도는 77-81%, 압축기 압력 3hp, 저온저장고 최초 온도 23.5±0.4T 에서 설정온도 0℃에 이를 때까지 동특성을 실험하였다. 그리고 설정온도 도달 이후에 저온저장고 내의 각 구간별 온도분포의 균일성을 측정하기 위해 편차의 변화량을 실험하였고 기존의 On-Off 시 스템과 상호 비교하였다.
대상 데이터
- 본 실험은 1998년 9월초부터 10월초 사이에 외기온이 비교적 일정한 기간을 선택하여 실행하였다.
- 본 연구에서 사용된 총 규칙 수는 13개로 이를 표 1에 나타내었다. 규칙의 형태는 'IF<조건>, THEN<결론>' 형식을 취하며 조건부에는 2개의 퍼지변수와 결론부에는 1개의 퍼지변수를 가지도록 구성하였다.
- 실험에 사용된 저장고는 냉각팬과 증발기 및 제상히터 가 내장된 유니트 쿨러와 3마력 용량의 압축기, 응축기. 수액기 그리고 이들을 제어하는 제어반으로 구성하였다.
- 저온저장고 내의 온도를 측정하기 위하여 14개의 온도센서를 3차원상으로 배열하였고 풍속을 측정하기 위한 풍속센서 1개를 유니트 쿨러 앞쪽에 설치하여 샘플 링 시간마다 PC에 연결된 데이타 로거에 전송되도록 하였다. 외부 온도를 실시간으로 측정하기 위해 건물 천장에 온도센서 1개를 설치하였다.
데이터처리
- 그림 6은 On-Off와 퍼지 시스템의 동특성을 비교한 것이다. 실험은 각 시스템 별로 같은 환경조 건에서 10회씩 반복 실험하였고 각 구간별 측정값을 평균한 것이다. On-Off 시스템일 경우 최초23.
- 저온저장고내에 3차원상으로 설치된 14개의 온도센서로 측정한 온도의 평균값을 현재온도로 하였다. 그리고 현재온도와 설정온도의 차를 온도편 차로 하였고 이것과 온도편차의 변화량을 퍼지제 어기의 입력변수로 사용하여 퍼지추론 과정을 거친다.
이론/모형
- 개발된 프로그램은 Borland C++ 언어로 작성하였다. 본 연구에서 사용된 퍼지제어 알고리즘을 그림 1에 나타내었다.
성능/효과
- ① TEV를 사용하는 On-Off 시스템과 EEV를 사용하는 Fuzzy 시스템에서 냉매의 흐름분포와 온도 편차를 상호 비교 실험하였다. 그 결과 On-Off 시스템에 비하여 Fuzzy 시스템의 온도하강 동특성이 보다 빠르게 나타났다. 온도편차는 각각의 영역에서 On-Off 시스템의 경우 -0.
- 이는 TEV를 이용하는 On-Off 시스템의 경우 과열도를 이용하는 간접적 인 방식으로 인해 주위 공기에 따른 냉매의 압력 제어에 비효율성을 내포하고 있음을 보여주고 있다. 반면에 EEV를 이용하는 Fuzzy System의 경우 순환하고 있는 저장고 내의 공기의 온도에 따라 제어를 함으로써 보다 효율적인 냉매 압력제어가 되는 것으로 나타났다.
- 본 연구에서는 중발기 출구의 냉매 과열도나 중발온도 제어시에 종래부터 사용되어온 On-Off 제어 방식 대신에, 이들 제어 방식들에 비해 보다 간편하게 제어 규칙을 표현할 수 있고, 인간의 감각에 보다 가까운 뛰어난 제어 효과를 기대할 수 있는 Fuzzy 제어기를 온도 제어에 효과적으로 적용시킴으로서 좀더 성능이 향상된 저온저장고를 경제적으로 구현할 수 있게 되었다.
- 5 ℃ 에서 0E 까지 도달시간이 3, 020초였으나 Fuzzy System에서는 2, 063초 걸린 것으로 나타났다. 이는 두 시스템간 동특성을 비교해 볼 때 Fuzzy 시스템이 On-Off 시스템보다 향상된 성능을 가져왔음을 보여주고 있다. 이는 TEV를 이용하는 On-Off 시스템의 경우 과열도를 이용하는 간접적 인 방식으로 인해 주위 공기에 따른 냉매의 압력 제어에 비효율성을 내포하고 있음을 보여주고 있다.
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