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문제 정의
- 본 논문에서는 터보냉동기의 고효율 용량제어를 위해 실용적인 전달함수 모델을 구하고 이에 기반하여 PI 제어기를 설계하였다. 실제 실험을 통해 제안한 PI 제어기의 성능을 입증하고, 기존의 증발압력 제어 방식과 제어 성능을 비교, 분석하였다.
- 본 연구에서는 이러한 점에 주목하여 터보냉동기의 고효율 용량제어를 위한 실용적 전달함수 모델링과 이에 기반한 PI 제어기 설계법을 검토하였다. 시험용 터보냉동기는 대용량이며, 증발기는 만액식, 압축기는 자기부상(magnetic levitation; MagLev) 방식을 대상으로 하였다.
- 3에서와 같이 증발기 출구, 냉수 출구 측에 각각 설치하여 실시간 계측 후 PLC로 전송하였다. 제어 목표로는 T1과 Ts의 과도 특성 지표인 오버슈트와 정착시간, 그리고 정상 특성 지표인 정상상태오차를 최소화 하는 것으로 정하였다. 한편, EP 제어 시 M의 값은 1로 하였다.
제안 방법
- (3) 냉동기 시스템 제어는 단일 냉동기의 용량제어를 포함, 복수 압축기 대수제어 등을 냉동기 제작회사에서 설계 하게 되며 본 연구에서는 이 부분을 다룬다.
- 최대 COP 운전 조건을 정특성 실험으로 구하고, 이를 기반으로 동특성 실험을 통해 전달함수 모델을 구하였다. 그리고 이 모델과 매트랩을 통해 PI 게인값을 결정하였다.
- 따라서 본 연구에서는 터보냉동기에서 실제로 제어 해야 할 제어량과 직접적으로 조작 가능한 조작변수에 주목하여 섭동법으로 실용적인 전달함수 모델을 구한다. 본 연구에서 터보냉동기의 전달함수는 제어량을 증발기측 냉수출구온도 T1과 냉수출구온도와 포화증발온도의 차인 Ts로 설정하고, 이들의 조작변수로는 압축기의 회전수 지령 De와 EEV의 밸브 개도 지령 Vo로부터 식(2)와 같이 구한다.
- 이때 두 조작량 De와 Vo 가운데 주 조작량이 아닌 다른 한 조작변수의 값은 정특성 실험 데이터에 근거하여 COP를 최대로 하는 값으로 고정시켰다. 마지막으로 이렇게 구한 전달함수에 근거하여 매트랩으로 설계사양을 만족하는 제어기의 게인을 구하고 이 값들을 이용, 기동실험과 지령값 변경 실험을 통해 제어 성능을 평가하였다. 제어 결과를 EP 제어 결과와 비교하여 제안한 PI 제어기의 타당성을 검증하였다.
- 따라서 본 연구에서는 터보냉동기에서 실제로 제어 해야 할 제어량과 직접적으로 조작 가능한 조작변수에 주목하여 섭동법으로 실용적인 전달함수 모델을 구한다. 본 연구에서 터보냉동기의 전달함수는 제어량을 증발기측 냉수출구온도 T1과 냉수출구온도와 포화증발온도의 차인 Ts로 설정하고, 이들의 조작변수로는 압축기의 회전수 지령 De와 EEV의 밸브 개도 지령 Vo로부터 식(2)와 같이 구한다.
- 2는 압축기의 회전수 지령값 De, EEV의 밸브 개도 지령값 Vo를 통해 T1과 Ts를 제어하는 PI 피드백제어 시스템의 블록선도이다. 본 연구에서는 터보냉동기 시스템이 비교적 큰 시정수를 갖고 있어서 PID의 D (Derivative; 미분)제어기의 영향이 그다지 크지 않은 점을 고려, 제어기 Ci(i = 1, 2)를 식(3)과 같이 PI 제어기만으로 구성하였다.
- 설계한 PI 제어기의 성능은 기동실험과 지령값 변경 실험을 통해 확인하였다. 또한 EP 제어 실험 결과와의 비교를 통해 그 성능을 비교 분석하였다.
- 시험용 터보냉동기는 대용량이며, 증발기는 만액식, 압축기는 자기부상(magnetic levitation; MagLev) 방식을 대상으로 하였다. 열평형 상태에서 섭동법을 적용한 실험을 통해 실용적인 전달함수 모델을 구하고, Matlab(이하 매트랩) 튜너를 통해 PI 제어기의 게인을 설계하였다. 이렇게 설계된 제어기의 성능을 실험을 통해 분석하고 기존의 제어 방식인 증발압력제어의 실험 결과와 비교함으로써 제안한 제어기 설계법의 타당성을 검증하였다.
- 우선 정특성 실험을 통해 압축기 회전수 및 EEV 개도 지령값에 대한 COP 변화를 조사하였다. 다음으로 식(1)과 같이 각 조작량 변동에 대한 제어량의 변동을 구하는 섭동법에 의해 실용적인 전달함수를 구하였다.
- 다음으로 식(1)과 같이 각 조작량 변동에 대한 제어량의 변동을 구하는 섭동법에 의해 실용적인 전달함수를 구하였다. 이때 두 조작량 De와 Vo 가운데 주 조작량이 아닌 다른 한 조작변수의 값은 정특성 실험 데이터에 근거하여 COP를 최대로 하는 값으로 고정시켰다. 마지막으로 이렇게 구한 전달함수에 근거하여 매트랩으로 설계사양을 만족하는 제어기의 게인을 구하고 이 값들을 이용, 기동실험과 지령값 변경 실험을 통해 제어 성능을 평가하였다.
- 2℃ 로 일정하게 유지하였다. 제어량인 냉수출구온도 T1의 지령값은 미국 냉동협회규격(1)에 규정된 6.7℃, Ts는 EEV에 대한 정특성 실험을 통해 최대 COP를 보장하는 값인 4.5℃ 및 4℃로 각각 설정하였다. 온도센서는 분해능 0.
- 증발압력 설정 값은 설정온도에 따른 냉매의 물성표를 참조하여 정한다. 중립대의 간극과 M의 크기는 요구되는 제어량의 응답 성능과 제어장치의 CPU 능력 등을 고려하여 설계한다.
- 실제 실험을 통해 제안한 PI 제어기의 성능을 입증하고, 기존의 증발압력 제어 방식과 제어 성능을 비교, 분석하였다. 최대 COP 운전 조건을 정특성 실험으로 구하고, 이를 기반으로 동특성 실험을 통해 전달함수 모델을 구하였다. 그리고 이 모델과 매트랩을 통해 PI 게인값을 결정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 이러한 점에 주목하여 터보냉동기의 고효율 용량제어를 위한 실용적 전달함수 모델링과 이에 기반한 PI 제어기 설계법을 검토하였다. 시험용 터보냉동기는 대용량이며, 증발기는 만액식, 압축기는 자기부상(magnetic levitation; MagLev) 방식을 대상으로 하였다. 열평형 상태에서 섭동법을 적용한 실험을 통해 실용적인 전달함수 모델을 구하고, Matlab(이하 매트랩) 튜너를 통해 PI 제어기의 게인을 설계하였다.
- 최대 500 RT와 1300 RT에 대한 성능 실험이 가능하도록 설계 제작되었고, 냉매는 R134a를 사용하였다. 총 4대의원심식 압축기를 가지며, 압축기 2대당 EEV 하나가한 조로 구성되어 있다.
- 3은 터보냉동기 실험 장치의 개략도이다. 최대 500 RT와 1300 RT에 대한 성능 실험이 가능하도록 설계 제작되었고, 냉매는 R134a를 사용하였다. 총 4대의원심식 압축기를 가지며, 압축기 2대당 EEV 하나가한 조로 구성되어 있다.
- 증발기는 만액식, 응축기는 수냉식(water cooled type) 이며 압축기 모터는 영구자석동기모터(PMSM)로써 축은 MagLev 방식으로 구동된다. 터보냉동기의 제어장치는 PLC(Programmable Logic Controller), 압축기 회전수 제어장치로는 전용 인버터, EEV 제어장치로는 자기비례(proportional magnet)방식의 드라이브를 각각 사용 하였다. 열 부하는 냉각수 탱크와 냉수 탱크의 물을 유량제어를 통해 혼합시킴으로써 냉수입구온도를 12.
데이터처리
- 설계한 PI 제어기의 성능은 기동실험과 지령값 변경 실험을 통해 확인하였다. 또한 EP 제어 실험 결과와의 비교를 통해 그 성능을 비교 분석하였다.
- 본 논문에서는 터보냉동기의 고효율 용량제어를 위해 실용적인 전달함수 모델을 구하고 이에 기반하여 PI 제어기를 설계하였다. 실제 실험을 통해 제안한 PI 제어기의 성능을 입증하고, 기존의 증발압력 제어 방식과 제어 성능을 비교, 분석하였다. 최대 COP 운전 조건을 정특성 실험으로 구하고, 이를 기반으로 동특성 실험을 통해 전달함수 모델을 구하였다.
- 열평형 상태에서 섭동법을 적용한 실험을 통해 실용적인 전달함수 모델을 구하고, Matlab(이하 매트랩) 튜너를 통해 PI 제어기의 게인을 설계하였다. 이렇게 설계된 제어기의 성능을 실험을 통해 분석하고 기존의 제어 방식인 증발압력제어의 실험 결과와 비교함으로써 제안한 제어기 설계법의 타당성을 검증하였다.
성능/효과
- 5는 지령값 De, Vo와 COP 관계를 나타낸다. COP 는 De가 낮을수록 Vo가 높을수록 높은 경향을 보이지만, 80〜100% 구간에서는 거의 동일한 COP를 보였다. 이들 값을 토대로 냉동기 모델링을 위한 동특성 실험에서는 De 조작으로 T1의 응답을 구할 경우의 Vo 값과, Vo 조작으로 Ts의 응답을 구할 경우의 De의 값은 모두 90%로 고정하였다.
- 2℃의 범위 이내로 각각 엄밀히 제어함을 확인 하였다. EP 제어법과의 제어 성능 비교 확인 결과, 정상상태에서는 EP 제어와 PI 제어 모두 거의 동일한 제어 성능임을 확인하였으나, 지령값 변경 실험에서는 EP 제어의 경우 온도 피드백 방식이 아니어서 변경된 지령값에 추종하지 못하는 것으로 나타났다. 결국 제어 정도, 명령 추종성 등을 종합적으로 고려하면 본 연구에서 제안한 PI 제어 방식이 기존의 EP 제어 방식보다 더 효과적임을 알 수 있었다.
- EP 제어법과의 제어 성능 비교 확인 결과, 정상상태에서는 EP 제어와 PI 제어 모두 거의 동일한 제어 성능임을 확인하였으나, 지령값 변경 실험에서는 EP 제어의 경우 온도 피드백 방식이 아니어서 변경된 지령값에 추종하지 못하는 것으로 나타났다. 결국 제어 정도, 명령 추종성 등을 종합적으로 고려하면 본 연구에서 제안한 PI 제어 방식이 기존의 EP 제어 방식보다 더 효과적임을 알 수 있었다.
- 이들 값을 토대로 냉동기 모델링을 위한 동특성 실험에서는 De 조작으로 T1의 응답을 구할 경우의 Vo 값과, Vo 조작으로 Ts의 응답을 구할 경우의 De의 값은 모두 90%로 고정하였다. 고효율 운전을 위한 Ts의 설정값도 정특성 실험을 통해 구했으며, EEV1과 EEV2에 대해 실험한 결과 Ts1 = 4.5℃, Ts2 = 4.0℃로 각각 나타났다.
- 본 연구에서 설계한 게인은 모델링 오차가 ±30%존재하는 경우에도 제어기 설계사양인 오버슈트 10%정도에서 제어량인 T1과 Ts의 정착시간 및 설정값들을 엄밀하게 만족시키고 있음을 알 수 있다.
- 설계한 PI 제어기는 냉수출구온도 T1과 냉수출구온도와 포화증발온도의 차인 Ts를 정상상태오차 ±0.1℃ 와 ±0.2℃의 범위 이내로 각각 엄밀히 제어함을 확인 하였다.
- 이상의 실험 결과들을 통해 본 논문에서 설계한 PI제어기는 과도 특성 지표인 정착시간 및 정상 특성 지표인 정상상태오차에서 EP 제어와 동등, 그 이상의 우수한 응답 특성을 보였다. 실제로 시정수가 비교적 큰 대형 터보냉동기에서 정착시간은 그다지 큰 의미가 없음을 감안하면 제안된 PI 제어기는 목표값에 엄밀하게 그리고 안정적으로 제어가 가능함을 보여준다. 한편 EP 제어는 수학적 모델 없이 증발압력의 설정값만으로 제어가 가능하다는 점에서는 의미가 있는 것으로 평가되었다.
- 6에 동시에 나타내었다. 이 결과들로부터 모델링 된 전달함수는 실제 시스템의 응답을 잘 반영하고 있음을 알 수 있다.
- 이상의 값들은 동특성 실험을 위한 최적 설정값으로 냉동기의 설계용량 1820 kW와 최대 COP 조건을 동시에 만족시키는 값임을 알 수 있다.
- 이상의 실험 결과들을 통해 본 논문에서 설계한 PI제어기는 과도 특성 지표인 정착시간 및 정상 특성 지표인 정상상태오차에서 EP 제어와 동등, 그 이상의 우수한 응답 특성을 보였다. 실제로 시정수가 비교적 큰 대형 터보냉동기에서 정착시간은 그다지 큰 의미가 없음을 감안하면 제안된 PI 제어기는 목표값에 엄밀하게 그리고 안정적으로 제어가 가능함을 보여준다.
- 9(b)에서 위쪽은 Ts 응답, 아래쪽은 조작량 Vo를 각각 나타내고 있다. 정상상태오차는 두 제어법에서 거의 동일하였고, 정착시간은 PI 제어가 설정 대기시간 300초를 제외하면 EP 제어보다 빠른 것으로 나타났다.
- 1℃로 각각 나타났다. 정착시간은 EP 제어의 경우 900 sec, PI 제어의 경우 800 sec로 각각 나타나 PI 제어의 경우가 EP 제어에 비해 과도 및 정상 특성 모두 우수한 것으로 나타났다.
- 마지막으로 이렇게 구한 전달함수에 근거하여 매트랩으로 설계사양을 만족하는 제어기의 게인을 구하고 이 값들을 이용, 기동실험과 지령값 변경 실험을 통해 제어 성능을 평가하였다. 제어 결과를 EP 제어 결과와 비교하여 제안한 PI 제어기의 타당성을 검증하였다.
- 5의 정특성 실험 결과에서 알 수 있듯이 터보냉동기 시스템 성능 자체의 문제일 뿐 제어 문제와는 별개라는 점에 유의할 필요가 있다. 제어를 통한 동특성 분석에서 정상상태 제어시의 지령값들을 보면, 터보냉동기가 현재의 터보냉동기 시스템의 성능을 최대로 발휘할 수 있는 운전점에서 작동하고 있음을 알 수 있다.
후속연구
- 이는 PI 제어기가 터보냉동기를 고효율로 제어하고 있음을 의미한다. 다만, 본 연구에서 사용된 터보냉동기는 초기 개발 단계의 시제품이었던 관계로 고효율 인증에 충분한 COP가 확보되지 않은 문제점이 있다. 그러나 이는 Fig.
- 본 연구를 통해 확립된 터보냉동기의 실용적 모델링 수법과 이에 기반한 PI 제어기 설계법은 실용적이면서도 제어 성능이 우수하므로, 향후 실제 터보냉동기의 고효율 제어기 설계법으로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
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