[논문]비례유량제어밸브 위치제어기 자동조정

정규홍

doi:10.3795/ksme-a.2012.36.7.797

비례유량제어밸브 위치제어기 자동조정
Auto Tuning of Position Controller for Proportional Flow Control Solenoid Valve 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.36 no.7, 2012년, pp.797 - 803

초록
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비례솔레노이드밸브는 코일전류에 비례하는 전자기력을 이용하여 밸브 변위를 연속적으로 가변시키는 밸브이다. 대용량 비례유량제어밸브는 발전소나 화학 플랜트에서 물, 스팀, 가스 등과 같은 공정유체의 대용량 유량제어에 사용되며 공압이나 모터를 이용하는 밸브에 비하여 우수한 응답성능과 소형화의 장점을 가진다. 본 연구에서는 비례제어밸브를 대상으로 밸브의 동적 특성을 식별한 후 목표 성능이 만족되도록 위치제어기의 비례적분이득을 자동으로 조정하는 기능을 설계하였다. 동특성 식별은 릴레이 피드백을 통하여 한계 안정 상태에서의 임계이득과 임계주기로 파악하였으며, 비례적분이득 결정에는 Ziegler-Nichols 방법을 적용하였다. 구현된 기능은 시험을 통하여 성능을 검증하였으며 밸브 작동점과 릴레이 제어기 변수가 자동조정에 미치는 영향을 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Proportional solenoid valves are a modulating type that can control the displacement of valves continuously by means of electromagnetic forces proportional to the solenoid coil current. Because the solenoid-type modulating valves have the advantages of fast response and compact design over air-operated or motor-operated valves, they have been gaining acceptance in chemical and power plants to control the flow of fluids such as water, steam, and gas. This paper deals with the auto tuning of the position controller that can provide the proportional and integral gain automatically based on the dynamic system identification. The process characteristics of the solenoid valve are estimated with critical gain and critical period at a stability limit based on implemented relay feedback, and the controller parameters are determined by the classical Ziegler-Nichols design method. The auto-tuning algorithm was verified with experiments, and the effects of the operating point at which the relay control is activated as well as the relay amplitude were investigated.

주제어

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

문제 정의

60W급 비례유량제어밸브 시작품을 대상으로 비례솔레노이드 구동전류에 대한 밸브 변위의 정특성을 파악하고 자동조정기능을 검증하기 위한시험을 수행하였다.
본 논문에서는 원자력 발전소나 화학 플랜트에서 공정유체의 대용량 유량조절에 이용되는 대용량 비례유량제어밸브를 대상으로 밸브 변위를 제어하는 위치제어기의 자동조정기능을 릴레이 피드백을 통하여 구현하였으며 시작품을 대상으로 시험을 수행하여 기능과 성능을 검증하였다.
자동조정은 동특성 식별방법과 제어기구조에 따라 다양한 이론과 연구결과^(2-4)가 존재하지만 실제적인 활용을 위해서는 동적시스템의 비선형성, 외란, 입출력 신호의 잡음 등을 고려하여 적절하게 구현되어야 한다. 본 연구에서는 비례적분제어기로 설계된 비례제어밸브 위치제어기이득을 자동으로 조정하는 기능을 설계하였다. 시스템식별은 단순 릴레이(relay) 피드백을 이용하여 한계안정 상태(stability limit)에서의 비례이득과 리밋 사이클(limit cycle) 주기로 파악하였으며 고전적인 Ziegler-Nichols 방법을 적용하여 비례적분제어기 이득을 선정하였다.
다양한 제어이론이 개발된 현재에도 비례적분미분제어기(PID controller)는 제어기의 구조가 단순하고 플랜트에 대한 수학적인 모델이 없어도 현장 기술자들이 이득을 조절함으로써 제어 성능을 변화시킬 수 있다는 장점으로 인하여 일반 산업현장에서 보편적으로 사용되고 있다. 본 연구에서는 비례제어밸브 위치제어기로 비례적분제어를 적용하였으며 미분제어는 선형변위계 출력신호에 발생되는 잡음이 증폭되어 성능이 저하되는 것을 방지하기 위하여 사용하지 않았다.

제안 방법

22로 알려져 있다.⁽⁷⁾ 이러한 특성은 외란제거에는 효과적이지만 지령 신호가 변화될 때의 과도응답에서는 큰 진동이 수반되므로 본 연구에서는 릴레이 피드백으로부터 식별된 임계이득 k_u와 임계주기 p_u로부터 계산되는 비례이득 k_c과 적분시간 T_i 계산식을 임계감쇠에 근접하도록 적절하게 수정하였다.
디지털 서보제어기는 PWM방식으로 전력트랜지스터를 고속으로 ON/OFF 스위칭하여 비례솔레노이드 전류를 조절하며 PWM 스위칭 주파수(또는, 반송 주파수)에 따라 작동특성이 달라질 수 있다.구동조건에 따른 비례솔레노이드밸브의 개루프 특성을 살펴보기 위하여 0.5k, 1k, 2k, 5kHz PWM 반송주파수에 대하여 PWM 듀티율을 0%에서 60%까지 0.01Hz 램프신호로 서서히 변화시키면서 코일전류에 대한 파일럿 디스크변위의 정특성을 파악하였으며 시험 결과는 Fig. 10과 같다. 선형변위계로 측정되는 밸브 변위의 출력전압은 최소 0.
본 연구에서는 밸브 사양에 따른 동특성 차이뿐만 아니라 동일사양 제품의 기계적인 성능 차이를 보상하면서 간편하게 목표 성능을 구현하기위해 자동조정기능을 활용하였다. 대용량 비례유량제어밸브는 원자력 발전소 등에서 위급한 상황에서만 작동되는 긴급 급수밸브로 사용되어 정상작동 상태에서는 초기 위치에서 정지해 있으므로 오프라인 방식의 자동조정을 적용하였다.
릴레이 진폭 d가 자동조정에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 작동점에서 PWM 듀티율 변화량을 2%, 5% 10%로 설정하여 시험하였다. 정특성시험에서 파악된 바와 같이 비례제어밸브는 히스테리시스 특성을 가지므로 x_v=x_r에 도달하였을때 릴레이 제어기에서 출력되는 PWM 듀티율의 변화량이 작으면 리밋 사이클이 발생하지 않게 된다.
릴레이 피드백에서동특성 식별의 작동점을 나타내는 xr = 1.5V 이고 릴레이 제어의 크기와 히스테리시스는 각각 d=5%, ε = 0.2%로 설정하였다.
본 연구에서는 밸브 사양에 따른 동특성 차이뿐만 아니라 동일사양 제품의 기계적인 성능 차이를 보상하면서 간편하게 목표 성능을 구현하기위해 자동조정기능을 활용하였다. 대용량 비례유량제어밸브는 원자력 발전소 등에서 위급한 상황에서만 작동되는 긴급 급수밸브로 사용되어 정상작동 상태에서는 초기 위치에서 정지해 있으므로 오프라인 방식의 자동조정을 적용하였다.
시험대상 비례제어밸브는 개루프 이득이 작동점에 따라 변화될 뿐만 아니라 마찰력에 의해 히스테리시스가 존재하는 비선형적인 요소임을 확인하였으며 릴레이 제어기 출력의 진폭과 리밋사이클이 발생되는 작동점이 자동조정에 미치는 영향을 분석하였다.
시스템식별은 단순 릴레이(relay) 피드백을 이용하여 한계안정 상태(stability limit)에서의 비례이득과 리밋 사이클(limit cycle) 주기로 파악하였으며 고전적인 Ziegler-Nichols 방법을 적용하여 비례적분제어기 이득을 선정하였다. 자동조정 알고리즘은 마이크로 제어기(microcontroller)를 이용하여 개발된 디지털방식 서보제어기(servocontroller)에 구현하였으며, 시험을 통하여 기능과 성능을 검증하고 밸브 작동점과 릴레이 제어기 변수가 자동조정에 미치는 영향을 분석하였다.
10의 정특성 시험에서 시험대상 비례제어밸브는 작동점에 따라 전류에 대하여 발생되는 변위이득이 3배 이상 변화되므로 릴레이 피드백에 의하여 자동조정되는 비례적분제어기도 다르게 나타남을 알 수 있다. 자동조정에서 작동점이 미치는 영향을 고찰하기 위하여 릴레이 제어가 활성화되는 밸브 변위를 1.5, 2.5, 3.5V로 설정하여 자동조정을 수행하였으며 Table 2에 결과를 나타내었다. 밸브 작동점에서의 개루프 이득이 클수록 폐루프 시스템의 응답이 임계감쇠에 근접하도록 비례제어이득은 감소하고 적분시간은 증가(적분이득 감소)함을 알 수 있다.
11(b)는 릴레이 제어에 의하여 발생되는 한계안정 상태에서의 응답을 확대한 그림이다. 자동조정이 시작되면 PWM 듀티율이 서서히 증가하여 x_v=x_r에서 릴레이 제어가 활성화되고 3개의 리밋 사이클에 대하여 임계이득과 임계주기를 측정하도록 설계하였다. 이상적인 선형 시스템에서는 릴레이 출력이 50%의 듀티율을 갖는 구형파가 되어야 하지만 비선형성으로 인하여 다소 왜곡됨을 알 수 있다.
전기적인 지령 신호에 의하여 밸브 변위가 조절되는 비례유량제어밸브는 전자기력을 발생시키는 비례솔레노이드, 파일럿 디스크와 메인 디스크로 구성되는 밸브와 파일럿 디스크 변위가 지령 신호를 추종하도록 코일전류를 제어하는 디지털방식 서보제어기, PC에서 수행되면서 직렬통신을 이용하여 제반 작동 파라미터를 설정하고 작동 성능과 관련된 데이터를 수집하는 기능의 모니터링 프로그램으로 구성된다.⁽⁵⁾

대상 데이터

4는 밸브제어 시스템의 내부 구조를 나타내는 블록선도로 응답성과 안정성을 향상시키기 위하여 위치제어루프 내부에 전류제어루프가 포함되는 구조로 설계하였다. 내장 소프트웨어가 실행되는 마이크로 제어기는 16MHz 클록으로 동작하는 ATMEL사의 AT90CAN128을 사용하였으며 제어주기는 5ms(200Hz)이다. 서보제어기내의 인터페이스 회로는 입력 및 센서출력 신호조정회로(signal conditioning), PWM 전류구동회로와 기타부가적인 기능의 회로로 구성된다.

이론/모형

본 연구에서는 비례적분제어기로 설계된 비례제어밸브 위치제어기이득을 자동으로 조정하는 기능을 설계하였다. 시스템식별은 단순 릴레이(relay) 피드백을 이용하여 한계안정 상태(stability limit)에서의 비례이득과 리밋 사이클(limit cycle) 주기로 파악하였으며 고전적인 Ziegler-Nichols 방법을 적용하여 비례적분제어기 이득을 선정하였다. 자동조정 알고리즘은 마이크로 제어기(microcontroller)를 이용하여 개발된 디지털방식 서보제어기(servocontroller)에 구현하였으며, 시험을 통하여 기능과 성능을 검증하고 밸브 작동점과 릴레이 제어기 변수가 자동조정에 미치는 영향을 분석하였다.

성능/효과

13은 1V에서 2V로 변화되는 계단지령 신호에 대하여 3가지 작동점에서 자동조정된 비례적분제어기를 적용하여 시험한 결과를 나타낸다. 1.5V를 기준으로 자동조정된 제어기 성능이 가장 양호하며 작동점이 멀어질수록 느린 응답을 나타내었다. 이러한 제어 성능은 비례제어밸브의 비선형에 기인하므로 성능보완을 위해서는 작동점에 따른 제어기 이득설정이나 비선형제어를 활용해야 한다.
이상적인 선형 시스템에서는 릴레이 출력이 50%의 듀티율을 갖는 구형파가 되어야 하지만 비선형성으로 인하여 다소 왜곡됨을 알 수 있다. 그러나 히스테리시스를 이용하여 측정 잡음에 의한 릴레이 출력변화를 방지함으로써 리밋 사이클의 주기가 일정하므로 안정적인 식별이 가능함을 확인하였다.
12(a)에 나타내었다. 릴레이 진폭이 클수록밸브 진폭이 증가할 뿐만 아니라 진동 주파수도 커짐을 확인하였다. 선형 시스템의 경우에는 릴레이 진폭과 밸브 진폭은 비례하고 진동주기는 일정하므로 임계이득 k_u와 임계주기 p_u는 릴레이진폭에 무관하지만 비례제어밸브는 비선형성에 의하여 릴레이 진폭에 따라 임계주기가 변화되고 이는 적분시간 T_i에 영향을 미친다.
d=10%인 경우에는 적분이득이 증가하므로 목표 값에 빠르게 도달하지만 오버슈트가 발생하는 부족감쇠 특성을 나타내었다. 상기 시험 결과로부터 릴레이 피드백을 이용한 자동조정시 릴레이 진폭은 작동점 부근에서의 선형성만을 파악하기 위하여 리밋 사이클이 발생되는 작은 크기로 설계하는 것이 유리함을 알 수 있다.
시험 결과에서 PWM 반송 주파수에 의한 영향은거의 없으며, 파일럿 디스크 변위가 발생되는 최소 전류는 30mA이고 191mA에서 최대 변위에 도달함을 확인하였다. 30-191mA의 유효전류영역에서는 최소0.
자동조정이 시작되면 PWM 듀티율이 서서히 증가하여 x_v=x_r에서 릴레이 제어가 활성화되고 3개의 리밋 사이클에 대하여 임계이득과 임계주기를 측정하도록 설계하였다. 이상적인 선형 시스템에서는 릴레이 출력이 50%의 듀티율을 갖는 구형파가 되어야 하지만 비선형성으로 인하여 다소 왜곡됨을 알 수 있다. 그러나 히스테리시스를 이용하여 측정 잡음에 의한 릴레이 출력변화를 방지함으로써 리밋 사이클의 주기가 일정하므로 안정적인 식별이 가능함을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비례솔레노이드밸브란?	비례솔레노이드밸브는 코일전류에 비례하는 전자기력을 이용하여 밸브 변위를 연속적으로 가변시키는 밸브이다. 대용량 비례유량제어밸브는 발전소나 화학 플랜트에서 물, 스팀, 가스 등과 같은 공정유체의 대용량 유량제어에 사용되며 공압이나 모터를 이용하는 밸브에 비하여 우수한 응답성능과 소형화의 장점을 가진다.
	비례솔레노이드밸브의 장점은?	비례솔레노이드밸브는 코일전류에 비례하는 전자기력을 이용하여 밸브 변위를 연속적으로 가변시키는 밸브이다. 대용량 비례유량제어밸브는 발전소나 화학 플랜트에서 물, 스팀, 가스 등과 같은 공정유체의 대용량 유량제어에 사용되며 공압이나 모터를 이용하는 밸브에 비하여 우수한 응답성능과 소형화의 장점을 가진다. 본 연구에서는 비례제어밸브를 대상으로 밸브의 동적 특성을 식별한 후 목표 성능이 만족되도록 위치제어기의 비례적분이득을 자동으로 조정하는 기능을 설계하였다.
	비례유량제어밸브의 특징은?	대용량 비례유량제어밸브는 발전소나 화학 플랜트에서 물, 스팀, 가스 등과 같은 공정유체의대용량 유량을 조절하기 위한 목적으로 사용되는 밸브로 종래에는 공압 실린더나 전기모터를 이용하여 밸브를 구동하였으나 최근 솔레노이드 설계 및 제작기술이 발전함에 따라 비례솔레노이드 구동방식의 밸브가 일반화되고 있다. 비례유량제어밸브는 액추에이터가 외부에 설치되는 공압작동밸브(air-operated valve)나 전기모터를 이용하는 모터작동밸브(motor-operated valve)와 달리 솔레노이드가 밸브몸체에 내장되는 밀폐형 구조로 누설이 발생하지 않아 유지보수가 간편하고 패킹부에서의 마찰력이 감소되므로 우수한 응답성능과 소형경량화가 가능한 장점을 갖는다.

참고문헌 (7)

Vito, L., 1988, "High Pressure Modulating Solenoid Valve for Steam/Gas Service," InTech, pp. 43-46.
Astrom, K. J. and Hagglund, T., 1984, "Automatic Tuning of Simple Regulators with Specifications on Phase and Amplitude Margins," Automatica, Vol. 20, No. 5, pp. 645-651.

상세보기
Kwon O. S., Park S. M., Park J. M., Kim, H. H. and Jung W. H., 2009, "Design of Auto-Tuning State Controller with Observer for Steam Temperature Control of Power Plant Superheater," KSME spring conference, pp. 169-174.
Oh, S. R., 2010, "An Auto-Tuning Algorithm of PI Controller Using Time Delay Element," Journal of IEEK(SC), Vol. 47, No. 6, pp. 341-345.
Jung, G. H., 2011, "Design of Intelligent Servocontroller for Proportional Flow Control Solenoid Valve with Large Capacity," Journal of KFPS, Vol. 8, No. 3, pp. 1-7.
Takahashi, Y., Rabins, M. J., Auslander, D. M., 1972, Control and Dynamic Systems, Addison-Wesley, pp. 523-527.
Astrom, K. J. and Hagglund, T., 1988, Automatic Tuning of PID Controllers, Instrument Society of America, pp. 52-61.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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