[논문]퍼지 PID 제어기에 의한 리워크 시스템의 온도제어

오갑석; 강근택

doi:10.5762/kais.2014.15.10.6289

퍼지 PID 제어기에 의한 리워크 시스템의 온도제어
Temperature control of the Rework-system using fuzzy PID controller 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.15 no.10, 2014년, pp.6289 - 6295

초록
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BGA 또는 SMD 형태를 갖는 반도체 칩을 인쇄회로 기판에 장착/제거 등의 수리작업에 사용되는 리워크 시스템은 작업 대상물의 손상을 줄이기 위해 열풍 토출구의 온도를 정밀하게 제어할 필요가 있다. 본 논문에서는 비선형 시스템인 리워크 시스템의 열풍 온도 제어를 위해 TSK 퍼지 규칙으로 구성되는 퍼지 PID 제어기 설계 방법을 제시한다. 먼저 제안하는 제어기의 설계 알고리즘을 제시하고, 리워크 시스템에 적용하여 제어기를 설계하는 과정을 보인다. 제안한 제어기의 성능을 확인하기 위하여 온도 제어를 실험한 결과, 제안 방법의 최소자승오차는 9.44로서 일반적으로 사용하는 PID 제어기를 사용한 경우의 오차인 15.88보다 설정온도에 잘 수렴함을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Rework systems are the equipment used to install or remove semiconductor chips with BGA or SMD forms in printed circuit boards. The rework systems have hot air outlets. At the outlets, precise temperature control is needed to avoid heat shock. The aim of this paper was to suggest a new controller for temperature control at the hot air outlets. The suggested controller was a fuzzy PID controller. The fuzzy PID controllers were composed of TSK fuzzy rules and had outstanding ability for nonlinear systems control. This paper reports the design algorithm of fuzzy PID controllers, and the design process of the fuzzy PID controller for the temperature control of the outlets. Temperature control experiments were performed to verify the ability of the suggested controller. As a result, the RMS of the proposed method is 9.44 and the general method is 15.88. The experiments showed that the temperatures at the outlet using the suggested fuzzy PID controller followed the desired ones better than the commonly used PID controller.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 비선형 시스템인 리워크 시스템의 열풍 온도 제어를 위해 TSK 퍼지 규칙으로 구성되는 퍼지 PID 제어기 설계 방법을 제시하였다. 제안한 제어기의 설계 알고리즘을 제시하고, 실제 산업 현장에서 사용하는 수작업용 리워크 시스템에 적용하여 제어기를 설계하는 과정을 보였다.
이러한 비선형 시스템의 제어를 위해서는, 변화하는 시스템에 대응하는 적응제어기 형태 또는 구조가 비선형인 제어기가 사용된다. 본 연구에서는 비선형 시스템인 리워크 시스템의 특성을 잘 표현하고 TSK 퍼지 규칙으로 구성되는 퍼지 PID 제어기를 설계하는 방법을 제안한다. 설계 알고리즘은 문헌[7]의 것을 좀 더 간편한 형태로 변형한 것으로 다음과 같이 3단계로 구성된다.
한편 산업 현장에서는 비선형 시스템을 선형 시스템으로 표현하기 쉽고 외란에 대하여 강인성을 갖는 다양한 형태의 PID 제어 기법을 많이 사용해 왔으며, 시스템이 점차 복잡해지면서 비선형 시스템의 특성을 잘 표현하는 지능제어 기법이 소개되고 있다[3-5]. 본 연구에서는 비선형성을 갖는 열풍 토출용 리워크 시스템을 제작하고, TSK 퍼지 모델로부터 TSK 퍼지 제어기의 설계[6]와 TSK 퍼지 시스템을 이용한 퍼지 PID 제어기 설계[7] 등의 알고리즘을 이용하여 TSK 퍼지 규칙으로 구성되고 비선형 시스템인 리워크 시스템의 특성을 잘 표현하는 퍼지 PID 제어기를 제안한다. 제안 제어기를 리워크 시스템에 적용하여 온풍 토출 온도를 측정하고 정상상태에서 최소자승오차를 비교한 결과 기존 방법[8]에 비해 정상상태 오차가 적어 설정온도에 잘 수렴함을 확인하였다.

제안 방법

상부 히터 제어 시스템은 사용자가 설정된 온도 프로파일을 선택하거나 직접 온도 프로파일을 설정하는 기능, 온풍 토출용 펌프 제어기능, 온풍 토출부의 니크롬 히터를 가열하여 열풍의 온도(K-type thermo couple)를 제어하는 기능, 작업 중 상황 모니터링 기능 등을 고려하여 회로를 설계하였다. MCU는 LCD 모듈 제어 기능을 갖는 MC96F6632L을 채택하고, 입력 값 설정에 필요한 4개의 푸시버튼(상, 하, 설정, 입력), 온풍 토출용 펌프 구동회로, 차동입력 연산증폭기를 사용한 온도 센서 증폭 회로, 트라이악 소자의 게이트를 구동하는 회로 및 교류 전원의 영점을 검출하는 회로 등으로 구성하였다. 특히 니크롬 히터의 전류를 제어하는 신호는 포토커플러로 전기적 절연을 통해 AC 24V의 정현파 전원을 한 주기에 2회씩 영점을 기준으로 트라이악의 게이트를 구동할 수 있도록 Fig.
그리고 TSK 퍼지 모델을 만드는데 필요한 리워크 시스템의 입출력 데이터는 샘플링 주기를 1[sec]로 한 실험을 통하여 구하고, 문헌[6]의 방법으로 TSK 퍼지 모델을 만들었다. 그 결과 전제부는 Fig.
식(5)의 제어기를 사용하기 위해서는 규범 모델로부터 y_d 값도 구하여야 한다. 따라서 본 연구에서는 식(5)의 TSK 퍼지 제어기로 부터 제어 거동이 최대한 접근하는 새로운 퍼지 PID 제어기를 구한다. 퍼지 PID 제어기는 식(5)의 TSK 퍼지 제어기와 흡사한 동작을 하는 식(7)과 같은 퍼지 규칙들로 설계한다[7].
본 연구에서 제안한 퍼지 PID 제어기의 성능을 참고문헌 [8]과 비교하기 위하여 Table 1에 나타낸 2종류의 단계별 설정온도를 적용하여 제어 실험을 하였다. 각 단계에서 시간은 40초로 하였다.
상부 히터 제어 시스템은 사용자가 설정된 온도 프로파일을 선택하거나 직접 온도 프로파일을 설정하는 기능, 온풍 토출용 펌프 제어기능, 온풍 토출부의 니크롬 히터를 가열하여 열풍의 온도(K-type thermo couple)를 제어하는 기능, 작업 중 상황 모니터링 기능 등을 고려하여 회로를 설계하였다. MCU는 LCD 모듈 제어 기능을 갖는 MC96F6632L을 채택하고, 입력 값 설정에 필요한 4개의 푸시버튼(상, 하, 설정, 입력), 온풍 토출용 펌프 구동회로, 차동입력 연산증폭기를 사용한 온도 센서 증폭 회로, 트라이악 소자의 게이트를 구동하는 회로 및 교류 전원의 영점을 검출하는 회로 등으로 구성하였다.
15A, 최대 풍양 40 Liter/min, 최고 진공 -150 mmHg의 성능을 가진다. 이를 제어하는 제어신호는 릴레이를 통하여 절연되도록 구현 하였다.
이상에서 설명한 리워크 시스템을 위한 퍼지 PID 제어기를 적용하기 위하여 실제 시스템을 제작하였다. 본 연구에서 사용하는 리워크 시스템은 온풍토출부와 상부 히터 제어시스템으로 구성되며 시스템의 설계 및 구현 내용은 다음과 같다.
MCU는 LCD 모듈 제어 기능을 갖는 MC96F6632L을 채택하고, 입력 값 설정에 필요한 4개의 푸시버튼(상, 하, 설정, 입력), 온풍 토출용 펌프 구동회로, 차동입력 연산증폭기를 사용한 온도 센서 증폭 회로, 트라이악 소자의 게이트를 구동하는 회로 및 교류 전원의 영점을 검출하는 회로 등으로 구성하였다. 특히 니크롬 히터의 전류를 제어하는 신호는 포토커플러로 전기적 절연을 통해 AC 24V의 정현파 전원을 한 주기에 2회씩 영점을 기준으로 트라이악의 게이트를 구동할 수 있도록 Fig. 6과 같이 설계하였다.
한편, 각종 정보를 나타내는 LCD 모듈은 Fig. 7과 같이 설정온도, 현제온도, 작업시간, 작업 진행 모니터링, 모드 표시 등을 나타낼 수 있도록 총 21핀으로 설계하였으며, 각각의 정보를 나타내는 68개의 구성요소를 제어하기 위한 LCD 모듈 핀의 신호는 17개의 핀(PIN[5:21])에 걸쳐 핀 당 2개 또는 4개의 신호를 할당하고 4개의 핀(PIN[1:4])에 하나씩의 공통단자를 할당하였다.

대상 데이터

이상에서 설명한 리워크 시스템을 위한 퍼지 PID 제어기를 적용하기 위하여 실제 시스템을 제작하였다. 본 연구에서 사용하는 리워크 시스템은 온풍토출부와 상부 히터 제어시스템으로 구성되며 시스템의 설계 및 구현 내용은 다음과 같다.

이론/모형

7로 하였다. 이 시뮬레이션에서 출력이 u(k)이고 입력이 e(k), e(k-1), e(k-2), u(k-1)인 데이터 집합을 얻고, 그 데이터를 문헌[9]의 TSK 퍼지 모델링 방법에 적용 시켰다. 그 결과 전제부는 Fig.

성능/효과

본 연구에서는 비선형성을 갖는 열풍 토출용 리워크 시스템을 제작하고, TSK 퍼지 모델로부터 TSK 퍼지 제어기의 설계[6]와 TSK 퍼지 시스템을 이용한 퍼지 PID 제어기 설계[7] 등의 알고리즘을 이용하여 TSK 퍼지 규칙으로 구성되고 비선형 시스템인 리워크 시스템의 특성을 잘 표현하는 퍼지 PID 제어기를 제안한다. 제안 제어기를 리워크 시스템에 적용하여 온풍 토출 온도를 측정하고 정상상태에서 최소자승오차를 비교한 결과 기존 방법[8]에 비해 정상상태 오차가 적어 설정온도에 잘 수렴함을 확인하였다.
본 논문에서는 비선형 시스템인 리워크 시스템의 열풍 온도 제어를 위해 TSK 퍼지 규칙으로 구성되는 퍼지 PID 제어기 설계 방법을 제시하였다. 제안한 제어기의 설계 알고리즘을 제시하고, 실제 산업 현장에서 사용하는 수작업용 리워크 시스템에 적용하여 제어기를 설계하는 과정을 보였다.
제안한 퍼지 PID 제어기가 적용된 리워크 시스템의 온풍 토출 온도를 측정하고 정상상태에서 최소자승오차를 비교한 결과 제안 방법은 9.44로서 문헌[8]의 방법에서의 15.88보다 설정온도에 잘 수렴함을 확인하였다.

후속연구

향후 작업 대상의 크기에 따라 온풍의 토출 양을 조절하는 등의 부가적인 제어와 상용 제품으로서의 기능을 보완하여 출시할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	저자는 상부 히터 제어 시스템을 어떻게 설계하였나?	상부 히터 제어 시스템은 사용자가 설정된 온도 프로파일을 선택하거나 직접 온도 프로파일을 설정하는 기능, 온풍 토출용 펌프 제어기능, 온풍 토출부의 니크롬 히터를 가열하여 열풍의 온도(K-type thermo couple)를 제어하는 기능, 작업 중 상황 모니터링 기능 등을 고려하여 회로를 설계하였다. MCU는 LCD 모듈 제어 기능을 갖는 MC96F6632L을 채택하고, 입력 값 설정에 필요한 4개의 푸시버튼(상, 하, 설정, 입력), 온풍 토출용 펌프 구동회로, 차동입력 연산증폭기를 사용한 온도 센서 증폭 회로, 트라이악 소자의 게이트를 구동하는 회로 및 교류 전원의 영점을 검출하는 회로 등으로 구성하였다.
	제어 대상 시스템이 비선형의 특성을 가지고 있으면 어떤 문제가 있는가?	본 연구에서 제어하고자 하는 리워크 시스템은 비선형의 특성을 갖고 있다. 제어 대상 시스템이 비선형인 경우, 선형 제어기 형태를 하는 PID 제어기로는 만족할만한 제어 결과를 얻지 못한다. 이러한 비선형 시스템의 제어를 위해서는, 변화하는 시스템에 대응하는 적응제어기 형태 또는 구조가 비선형인 제어기가 사용된다.
	저자는 MCU를 어떻게 구성하였나?	상부 히터 제어 시스템은 사용자가 설정된 온도 프로파일을 선택하거나 직접 온도 프로파일을 설정하는 기능, 온풍 토출용 펌프 제어기능, 온풍 토출부의 니크롬 히터를 가열하여 열풍의 온도(K-type thermo couple)를 제어하는 기능, 작업 중 상황 모니터링 기능 등을 고려하여 회로를 설계하였다. MCU는 LCD 모듈 제어 기능을 갖는 MC96F6632L을 채택하고, 입력 값 설정에 필요한 4개의 푸시버튼(상, 하, 설정, 입력), 온풍 토출용 펌프 구동회로, 차동입력 연산증폭기를 사용한 온도 센서 증폭 회로, 트라이악 소자의 게이트를 구동하는 회로 및 교류 전원의 영점을 검출하는 회로 등으로 구성하였다. 특히 니크롬 히터의 전류를 제어하는 신호는 포토커플러로 전기적 절연을 통해 AC 24V의 정현파 전원을 한 주기에 2회씩 영점을 기준으로 트라이악의 게이트를 구동할 수 있도록 Fig.

참고문헌 (9)

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상세보기
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원문보기 상세보기
Y. Kim, S. Kim, "The Design of Fuzzy P+ID Controller for Brushless DC Motor Speed Control", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 7, No. 5, pp. 823-829, 2006
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원문보기 상세보기
G. Kang, W. Lee, "Design of TSK fuzzy controller based on TSK fuzzy model", Journal of the Korean Institute of Telematics and Electronics S., Vol. 35, No. 11, pp.53-67, 1998. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/FUZZY.1998.687492
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원문보기 상세보기
HAKKO, SMD rework system, http://www.hakko.com/english/products/hakko_fr803b.html. (accessed July, 21, 2014)
M. Sugeno, G.T. Kang, "Structure identification of fuzzy model," Fuzzy Sets and Systems, Vol. 28, No. 1, pp. 15-33, 1988. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0165-0114(88)90113-3

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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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