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온도 제어 시스템 설계를 위한 가상 개발 기법
Virtual Development Scheme for Temperature Control System 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.12 no.11, 2011년, pp.5202 - 5207  

장유진 (동국대학교 정보통신공학부)

초록
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여러 산업 분야에서 온도 제어 시스템 설계는 매우 중요한 문제이다. 시스템 개발을 위해서는 개념적인 디자인, 실제 테스트를 위한 시스템 구현, 반복적인 실험을 통한 제어기 설계용 수식모델 도출, 제어기 설계 및 성능 테스트의 과정을 거친다. 통상적으로 실제 테스트 시스템 구현 및 반복적인 실험을 통한 모델링, 제어기 설계 및 성능 테스트에 매우 많은 시간과 비용이 소요된다. 대부분의 온도 제어 시스템 설계 문제에서 동작 온도는 복사 열전달은 무시될 수 있는 범위이며, 히터는 듀티비를 이용하여 ON/OFF 방식으로 제어된다. 본 논문에서는 이러한 조건에서 개념적인 초기 시스템 디자인 후 제어기 설계용 모델 도출에서부터 제어기 설계 및 제어성능 예측까지의 전 과정을 자동으로 수행할 수 있는 기법을 제시하여 온도 제어 시스템의 초기 설계를 손쉽고 빠르게 검증 할 수 있도록 하였다. SISO (Single Input Single Output) 시스템을 예로 들어 제안한 기법의 유용함을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

A temperature control system is very important part in many industrial applications. Typical development procedures for temperature control system consist of several stages such as conceptual system design, construction of physical system, controller design based on the mathematical model for the sy...

주제어

#Temperature control   #Virtual development scheme   #Reduced model   #Combined FEM simulation with controller  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 본 논문에서는 개념적인 온도제어 시스템 초기 디자인 후, 제어기 설계용 모델 도출에서부터 제어기 설계 및 제어성능 예측까지의 전 과정을 자동으로 수행할 수 있는 기법을 제시하였다. 경계면에서 대류 열전달이 복사 열전달 보다 매우 큰 상황과 듀티비를 사용하여 ON/OFF 제어되는 히터가 설치된 상황를 가정했다.

가설 설정

  • 2D 예제를 이용하여 제안한 기법의 유용함을 보였다.[5]의 시뮬레이션 예제를 약간 변형하여, 지름 15 [cm], 길이 50 [cm]의 원기둥 모양의 물체를 한 개의 밴드타입 히터로 둘레를 감싸고 가열하는 상황을 가정하자. 이 문제는 그림 3과 같이 2D로 표현이 가능하다.
  • 본 논문에서는 개념적인 온도제어 시스템 초기 디자인 후, 제어기 설계용 모델 도출에서부터 제어기 설계 및 제어성능 예측까지의 전 과정을 자동으로 수행할 수 있는 기법을 제시하였다. 경계면에서 대류 열전달이 복사 열전달 보다 매우 큰 상황과 듀티비를 사용하여 ON/OFF 제어되는 히터가 설치된 상황를 가정했다. 제어기 설계를 위한 저차의 이산 모델은 Krylov 기법 및 열전달 프로세스의 특성으로 인한 히터 제어 입력 근사를 이용하여 자동으로 추출 할 수 있었다.
  • 밴드타입 히터의 폭은 10 [cm]이며, 와트밀도는 4 [W/cm2]로 설정했다. 또한 물체의 밀도, 비열, 열전도도, 대류 열전달 계수, 물체와 공기의 초기온도를 각각 7800 [kg/m3], 460[J/kgK], 45 [W/mK], 10 [W/m2K], 20 [℃] 로 가정하였다. 히터 제어주기와 샘플링 타임을 모두 5 [sec] 로 설정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
온도 제어 시스템 설계의 전체적인 시스템 개발 과정은 어떻게 이루어지는가? 여러 산업 분야에서 온도 제어 시스템 설계는 매우 중요한 문제이며 전체적인 시스템 개발 과정은 시스템의 개념적인 설계와 이를 물리적으로 구현하는 프로토타이핑 과정, 반복적인 측온 실험을 통한 제어기 설계를 위한 수학적 모델 도출 과정, 도출된 모델에 기반한 제어기 설계 및 검증 과정으로 이루어진다. 그러나 온도 제어 시스템의 특성상 가열과 냉각에 매우 많은 시간이 소모되는 큰 문제가 존재하며 프로토타입 제작 과정 및 반복적인 실험을 통한 제어기 설계용 모델 도출 과정에 매우 많은 시간과 비용이 소요된다.
열전달은 어떤 방정식으로 표현되는가? 통상적인 온도 제어 시스템 설계 문제에서 히터는 듀티비를 사용한 ON/OFF 방식으로 제어되며 물체의 경계면에서는 대류 열전달이 복사 열전달 보다 매우 우세한 상황이 대부분이다. 열전달은 편미분 방정식으로 표현되며 위의 가정과 같이 히터에 의한 열전달과 그 외 물체의 경계면에서의 대류 열전달만을 고려한다면 FEM (Finite Element Method) 기법을 이용하여 선형 모델로 표현 할 수 있다 [1-3]. 이러한 FEM 모델은 생성된 메쉬(mesh)의 양에 비례하여 매우 높은 차수로 표현되며 Krylov 기법은 모멘트 매칭 원리를 이용하여 높은 차수의 선형 모델을 낮은 차수의 근사 모델로 변경 할 수 있게 해준다 [4].
온도 제어 시스템 설계 과정상의 문제점은 무엇인가? 여러 산업 분야에서 온도 제어 시스템 설계는 매우 중요한 문제이며 전체적인 시스템 개발 과정은 시스템의 개념적인 설계와 이를 물리적으로 구현하는 프로토타이핑 과정, 반복적인 측온 실험을 통한 제어기 설계를 위한 수학적 모델 도출 과정, 도출된 모델에 기반한 제어기 설계 및 검증 과정으로 이루어진다. 그러나 온도 제어 시스템의 특성상 가열과 냉각에 매우 많은 시간이 소모되는 큰 문제가 존재하며 프로토타입 제작 과정 및 반복적인 실험을 통한 제어기 설계용 모델 도출 과정에 매우 많은 시간과 비용이 소요된다. 또한 제어기 설계 및 실제 성능테스트 과정에도 많은 시간이 소요된다. 만약 개념적인 설계가 변경된다면 모든 개발과정을 다시 수행해야만 한다.
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참고문헌 (8)

  1. R. W. Lewis, K. Morgan, H. R. Thomas, K. N. Seetharamu, The finite element method in heat transfer analysis, John Wiley & Sons Ltd, 1996. 

  2. O. C. Zienkiewicz and R. L. Taylor, "The Finite Element Method, Volume 1: The Basis, fifth ed.", Butterworth-Heinemann, 2000. 

  3. Y. W. Kwon and H. C. bang, The finite element method using MATLAB 2nd ed., CRC press, 2000. 

  4. B. Salimbahrami and B. Lohmann, "Krylov Subspace methods in Linear Model Order Reduction: Introduction and Invariance Properties," Scientific report, Institute of Automation, University of Bremen, 2002. 

  5. Y. J. Jang, "Development of a Prototype of FEM Simulation Environment for Temperature Controller Design," Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.11, no.2, pp.696-702, 2010. 

    원문보기 상세보기 crossref

  6. G. F. Franklin, J. D. Powell and M. Workman, Digital control of dynamic systems, 3rd ed., Addison Wesley, 1998. 

  7. E. F. Camacho and C. Bordons, Model predictive control in the process industry, springer-verlag, 1995. 

  8. Document for Jacket, Accelereyes, 2011. http://www.accelereyes.com/products 

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