[논문]가동원전에서 공정모델링을 통한 PID 튜닝 시뮬레이션 방법

민문기; 정창규; 이광현; 이재기; 김희제

doi:10.5370/kieep.2014.63.4.290

Abstract ▼ AI-Helper

PID(Proportional, Integral, Derivative) controller is the most popular process controllers in nuclear power plants. The optimized parameter setting of the process controller contributes to the stable operation and the efficiency of the operating nuclear power plants. PID parameter setting is tuned w...

PID(Proportional, Integral, Derivative) controller is the most popular process controllers in nuclear power plants. The optimized parameter setting of the process controller contributes to the stable operation and the efficiency of the operating nuclear power plants. PID parameter setting is tuned when new process control systems are installed or current process control systems are changed. When the nuclear plant is shut down, a lot of PID tuning methods such as the Trial and Error method, Ultimate Oscillation method operation, Ziegler-Nichols method, frequency method are used to tune the PID values. But inadequate PID parameter setting can be the cause of the unstable process of the operating nuclear power plant. Therefore the results of PID parameter setting should be simulated, optimized and finally verified. This paper introduces the simulation method of PID tuning to optimize the PID parameter setting and confirms them of the actual PID controller in the operating nuclear power plants. The simulation method provides the accurate process modeling and optimized PID parameter setting of the multi-loop control process in particular.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 공정시스템의 변화로 불안정한 공정 프로세스를 안정화시키기 위하여 시뮬레이션을 통한 PID 튜닝 최적치를 도출하여, 튜닝 최적치를 운전 중인 발전소에 적용하여 실증하고, 특히 플랜트의 다중루프 공정프로세스에서 최적의 PID 튜닝 설정치를 찾는 방법을 제시하고자 한다.
본 논문에서는 운전 중인 발전소 현장에서 적용할 수 있는 시뮬레이션을 통한 공정제어기의 PID 튜닝 최적화 방법을 제시하였고, 최적화된 PID 튜닝 최적치를 가동 중인 발전소에 적용하여 검증하였으며, 특히 다중제어루프의 공정프로세스에서 최적의 PID 튜닝 값을 찾는 방법을 제시하였다.

제안 방법

Matlab을 이용한 주급수펌프터빈계통의 공정 모델링의 정확도를 확인하기 위해서 속도 목표치에 6초 주기의 0.3%의 스텝변화폭을 인가했으며, 속도신호가 실제 트렌드와 유사한 폭으로 변화하는지 확인했다. 속도 목표치와 속도신호의 편차에 따른 EHPC Position값의 변화로 Servo Current까지 변화 하였고, LVDT Position 및 속도 신호는 6초 주기적인 사인 파형을 가졌다.
단, P값을 줄이면 발전소 과도상태에서 시스템의 응동이 지연될 수 있어 P값은 조정하지 않았다. 운전 중인 발전소의 주급수펌프터빈시스템의 PID제어기에 미분 값을 줄이고, 적분시간을 늘렸다. PID 변수 튜닝이후에 1.
주급수펌프터빈시스템 모델링의 PID 변수를 운전 중인 발전소의 주급수펌프터빈시스템에 적용했다. 단, P값을 줄이면 발전소 과도상태에서 시스템의 응동이 지연될 수 있어 P값은 조정하지 않았다.

이론/모형

공정을 확인 후에 공정 전달함수를 주급수펌프제어시스템에 적용시켜 그림 6과 같이 Matlab Simulink를 사용하여 구성했다. Matlab Simulink에서 목표 설정치, PID 변수 등을 변경하면서 제어 명령치, 제어 출력치 및 프로세스 현재치 등의 트렌드를 확인할 수 있다.
주급수펌프터빈계통의 공정의 모델링은 PID제어기의 설정치를 최적화하기 위해서 서보밸브, 밸브, 터빈, 로터 대상으로 전달함수로 표현했다[11]. 공정함수의 확인은 Matlab System Identification Toolbox를 이용했다. Matlab System Identification Toolbox에서는 계단응답, 임펄스응답, 주파수응답, Zero Pole Plots 등을 통해 그림 4와 같이 공정의 전달함수를 제공한다.

성능/효과

또한, PID 설정치의 변경으로 제어 명령 값에 따른 프로세스 현재 값의 변화를 시뮬레이션 할 수 있고 제어시스템의 성능과 강건함을 확인할 수 있다. 1단계 제어 루프에서 PID 변수는 D값을 줄일수록 Servo Current가 안정화되고, I값을 줄일수록(적분시간을 늘일수록) LVDT Position 및 Speed Signal이 안정화되고, P값을 줄이면 Servo Current가 안정화되었다. 2단계 제어루프에서 P Gain값을 줄일수록 Servo Current가 안정화되었다.
5% 변화하면, PID 제어기를 거친 EHPC Position은 Speed Target보다 4초 이후에 4% 변화했다. 2단계 제어루프의 트렌드는 EHPC Position이 4% 변화하고 LVDT Position이 1초 이후에 3% 변화하면, 비례제어기를 거친 Servo Current는 사인파형으로 4% 변화하며, 모든 트렌드는 6초 주기의 반복적인 사인파 스윙을 가졌다.
운전 중인 발전소의 주급수펌프터빈시스템의 PID제어기에 미분 값을 줄이고, 적분시간을 늘렸다. PID 변수 튜닝이후에 1.5%의 속도신호변화폭을 0.6%변화폭으로 감소하여 속도신호를 안정화 시킬 수 있었다.
주급수펌프터빈계통을 구현한 Matlab Simulink로 튜닝을 하면 최적의 PID 설정치가 연산된다. 또한, PID 설정치의 변경으로 제어 명령 값에 따른 프로세스 현재 값의 변화를 시뮬레이션 할 수 있고 제어시스템의 성능과 강건함을 확인할 수 있다. 1단계 제어 루프에서 PID 변수는 D값을 줄일수록 Servo Current가 안정화되고, I값을 줄일수록(적분시간을 늘일수록) LVDT Position 및 Speed Signal이 안정화되고, P값을 줄이면 Servo Current가 안정화되었다.
3%의 스텝변화폭을 인가했으며, 속도신호가 실제 트렌드와 유사한 폭으로 변화하는지 확인했다. 속도 목표치와 속도신호의 편차에 따른 EHPC Position값의 변화로 Servo Current까지 변화 하였고, LVDT Position 및 속도 신호는 6초 주기적인 사인 파형을 가졌다. 이는 실제 트렌드와 유사하므로 Matlab을 이용한 주급수펌프터빈계통의 공정 모델링의 정확도를 확인할 수 있었다.
속도 목표치와 속도신호의 편차에 따른 EHPC Position값의 변화로 Servo Current까지 변화 하였고, LVDT Position 및 속도 신호는 6초 주기적인 사인 파형을 가졌다. 이는 실제 트렌드와 유사하므로 Matlab을 이용한 주급수펌프터빈계통의 공정 모델링의 정확도를 확인할 수 있었다.

후속연구

가동 중인 플랜트 또는 발전소의 다중제어루프에서 제어명령 값의 변화가 적은 경우, 본 논문에서 제시한 Matlab System Identification Toolbox를 이용한 공정함수의 확인, Simulink를 이용한 전체공정 모델링의 구성, 모델링을 통한 PID 변수 치 최적화 등을 통해 PID 값을 모사 및 검증하여 실제의 프로세스에 최적의 PID 튜닝 치를 적용하면, 더 안정되고 신뢰성 있는 PID 설정치를 도출할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공정제어기는 공정의 입력이 변할 경우 문제점은?	산업 플랜트의 계측제어설비에 사용되는 공정제어기(Process Controller)는 공정의 입력이 변할 경우 적절하지 못한 PID 설정으로 프로세스의 오버슈팅이나 언더슈팅의 발생 가능성을 내포하고 있다. 공정제어기의 튜닝 최적화는 플랜트의 효율향상과 안정운전에 직·간접적인 영향을 준다.
	PC기반 튜닝 프로그램이 운전중인 발전소 다중 제어루프의 PID 튜닝 시뮬레이션 방법으로 적합하지 않은 이유는 무엇인가?	계단응답, 램프응답 등 다양한 입력에 대한 PID 값을 자동 제공하는 우수함과 편리성이 있지만, PC기반 튜닝 프로그램은 제어 대상의 공정의 전달함수를 사용자에게 제공하지 않아 공정 확인을 할 수 없는 단점이 있다. 더욱이 단일입력단일출력(Single Input Single Output)에만 적용할 수 있어, 운전중인 발전소 다중 제어루프의 PID 튜닝 시뮬레이션 방법으로 적합하지 않다[8].
	PID 공정제어기가 산업계 전반에 널리 사용되는 이유는?	공정제어기의 튜닝 최적화는 플랜트의 효율향상과 안정운전에 직·간접적인 영향을 준다. PID 공정제어기는 구현이 쉽고 성능과 신뢰도가 높아 산업계 전반에 널리 사용되고, 발전소의 공정제어기는 대부분 비례-적분-미분 제어기(PID 제어기)를 사용한다. 발전소에서 PID 공정제어기의 변수 설정은 새로운 공정 시스템이 설치되거나 공정시스템의 변화가 있을 때 수행한다.

참고문헌 (11)

VDI-Handbuch, "Steam Temperature Control in Fossil Fired Steam Power Stations", VDI/VDE 3505, pp. 4-9 September 1996.
Ziegler, J. G. and N. B. Nicholes, "Optimum settings for Automatic Controllers", Trans. ASME, 64, pp. 759-768, 1942.
Jae-He Choi, "Trial and Error PID Controller Tuning", Automatic Control, Vol.17, pp. 114-119, November 2004.
Yamamoto, Yugushida, "PID Tuning based on plant operating data", Automatic Control, Vol.292, pp. 72-76, March 2009.
Chan-Ho Sung, Moon-Gi Min, "A Method of Tuning Optimization for PID Controller in Nuclear Power Plants", KPVP Vol.10, No. 1, June 2014.
Young-Cheol Park, "Understanding Tuning & Control", Korea Instrument & Control Training Institute(KITI), pp. 60-71, March 2008.
In-Gyu Choi, Gwang-Myeong Yu, "Analysis Report of Calculation Algorithm for PID Controller Tuning Parameters", KEPRI, pp. 4-25, January 2013.
PAS, "PID Controller Tuning, Process Diagnostics, Control Loop Simulation", Tune Wizard, pp. 93-116, June 2005.
Lennart Liung, "Matlab System Identification Toolbox User's Guide", Mathworks, pp. 318-401, April 2011.
Matlab simulink, "Matlab Simulink User's Guide", Mathwork, pp. 68-161, April 2011.
M.A. Eggenberger, "Fundamental Explanation of Transfer Function for Control Systems", GE Power Systems Steam Turbine GEK 103794, pp. 61-66, June 1996.

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