[논문]Ziegler-Nichols와 Cohen-Coon 제어 이론의 실습을 위한 자동 유량제어 시스템의 구축

강태원; 이호균

doi:10.18108/jeer.2017.20.4.61

Ziegler-Nichols와 Cohen-Coon 제어 이론의 실습을 위한 자동 유량제어 시스템의 구축
Development of automatic flow control system for the practice of Ziegler-Nichols and Cohen-Coon control theory 원문보기

공학교육연구 = Journal of engineering education research, v.20 no.4, 2017년, pp.61 - 66

강태원 (국립 공주대학교 화학공학부) , 이호균 (국립 공주대학교 화학공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Automatic flow control system composed by hardware and software was designed and fabricated to be used as teaching tool of feedback control theory in university experimental class. This system includes hardwares like data acquisition board, flow measuring device, transmitters, and the pneumatic valve, and software like LabView program for the monitoring and control of flow rates. The system was designed as the student can see the control effect of not only set point but also disturbance changes. Also the LabView program was composed for the calculation of controller parameters of both Ziegler-Nichols and Cohen-Coon tuning. The students can apply both tuning constants and compare the control performances. This system will provide the easy way for the students to understand the function and specification of control hardwares, and to raise the programing ability of control software.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

그러나 이러한 실용성을 강조하다 보니 학생들이 제어 시스템을 구성하는 각각의 하드웨어들을 직접 접촉해보기 어려워 그 기능과 원리를 이해하기 어렵고 제어 알고리즘을 담당하고 있는 소프트웨어의 이해와 프로그래밍 능력은 거의 없게 되는 단점들을 발생해 왔다. 따라서 본 연구에서는기존의 실험 장치와 비교하여 디자인이나 구조성에서는 뒤 떨어지나 학생들이 직접 하드웨어와 소프트웨어를 구성해 보고 실험해 봄으로써 제어에 대한 이론, 구성장치의 기능과 사양의 이해, 그리고 소프트웨어 프로그램 능력을 향상 시킬 수 있는 학습 도구로써의 제어시스템 구축에 목적을 두었다.

제안 방법

Fig. 3의 중간 상단에 manual, auto, scale로 탭이 나누어져 있는데, manual 탭을 클릭하면 4mA 부터 20 mA의 범위가 설정된 그래픽 bar가 나타나는데 마우스를 이용하여 제어밸브를manually 조정할 수 있도록 하였으며, auto 탭을 클릭하면 비례상수, 적분시간상수, 미분시간상수를 입력 할 수 있는 창을설정하여 PID 제어 상수들을 입력할 수 있도록 구성 하였다.Scale 탭은 밸브의 개폐 정도에 따라 흐르는 유량과 오리피스미터에서 받는 전류 값을 측정하여 구한 두 값 간의 관계식 인자인 기울기 a값과 절편 b값을 입력할 수 있는 창으로 구성하였다.
LabView는 프로그램 언어의 일종으로 모터의 회전속도에 대한 제어[4], 그리고 풍력발전기의 모니터링[5] 등에서와 같이 유량 외에도 다양한 분야의 제어및 측정에 많이 사용되어지는 소프트웨어로, 본 시스템에서도LabView를 이용하여 data acquisition board 도부터 측정 데이터를 받아들이고 제어 값을 산출하여 control valve로 보내는 제어sequence를 프로그래밍 함으로써 자동으로 유량을 제어할 수있는 시스템을 구성하였다. PID 제어로는 Ziegler-Nicholstuning 과 Cohen-Coon tuning의 두 가지 방법에 대하여 제어상수들인 비례상수, 적분시간상수, 미분시간상수를 산출 할 수있도록 구성하였으며, 이들 상수가 설정 값의 변경은 물론 외란의도입 경우에도 제어 현상에 미치는 영향들을 관찰 할 수 있도록시스템을 구성 하였다. 구축된 시스템은 테스트를 통해 이론적합리성을 확보한 후 학부 학생들의 실험실에 설치하여 유량제어의교육과 실습을 위한 학습 도구로써 활용되고 있다.
PID-control의 제어 효과를 보기 위하여 학생들은 P,PI-control의 경우처럼 유량 설정 값들을 0.7, 1.0, 1.2m³/min으로 설정하고, Table 1과 Table 2의 제어 상수 값들을 적용 하도록 하였다.
외란에 따른 PID control의 제어 효과를 보기 위하여 학생들이 bypass 밸브의 개폐정도를 이용하여 관내의 압력을 변화시킴으로써 외란의 변화를 구현하도록 하였다. Set point를 고정시킨 상태에서 약 30, 그리고 60초경에 바이패스 밸브를 조정하여 관내의 압력을 0.15MPa 에서 0.1MPa(33% change)과 0.05MPa(66% change)로 변화 시켰다. Fig.
하드웨어와 소프트웨어를 조합하여 제어 이론의 학습과 실습을 위한 자동 유량 제어 시스템을 구축하였다. Ziegler-Nicholstuning과 Cohen-Coon tuning의 2가지 방법에 따른 제어 인자들을 구할 수 있고, 또한 set point 값 변화뿐만 아니라 외란의변화에 따른 제어 결과도 볼 수 있도록 시스템을 구성하였다.
다음의 결과들은 학생들이 구축된 자동 유량 제어 시스템을이용하여 Ziegler-Nichols tuning 과 Cohen-Coon Tuning의 2가지 제어 방법에 따른 제어 상수들을 어떻게 구하고, 이들상수들의 변화가 제어에 어떤 영향들을 끼치는지 쉽게 이해 할수 있도록 실습하는 실험들을 나타낸 것이다.
구축된 시스템을 통하여 학생들은 유량의 제어에 필요한 하드웨어인, 컨트롤 밸브, orifice meter, transmitter, dataaquisition board 등을 직접 접해보면서 작동 원리를 이해하게되며, 하나의 시스템으로서의 작동에 요구되어지는 사양과 구성방법을 배우게 된다. 또한 이들 하드웨어의 모니터링과 제어시그널을 주고받기 위한 data acquisition system을 구성해보고, LabView를 이용하여 제어 알고리즘을 작성해 봄으로써 제어를위한 하드웨어와 소프트웨어의 활용 능력을 향상시키게 된다.
외란에 따른 PID control의 제어 효과를 보기 위하여 학생들이 bypass 밸브의 개폐정도를 이용하여 관내의 압력을 변화시킴으로써 외란의 변화를 구현하도록 하였다. Set point를 고정시킨 상태에서 약 30, 그리고 60초경에 바이패스 밸브를 조정하여 관내의 압력을 0.
하드웨어와 소프트웨어를 조합하여 제어 이론의 학습과 실습을 위한 자동 유량 제어 시스템을 구축하였다. Ziegler-Nicholstuning과 Cohen-Coon tuning의 2가지 방법에 따른 제어 인자들을 구할 수 있고, 또한 set point 값 변화뿐만 아니라 외란의변화에 따른 제어 결과도 볼 수 있도록 시스템을 구성하였다.

대상 데이터

Data acquisition board로 부터 컴퓨터로 전달할수 있는 전압의 범위는 9 ~ 30 V이며 운영시스템은 리얼타임이다. 본 실험에는 NI-9219, NI-9265의 두 가지 Dataacquisition card를 사용하였다. NI-9219는 장치에서 들어오는 신호를 컴퓨터로 전달하는 역할을 하는 카드로서 온도, 저항, 전압, 전류의 측정이 가능하며 4개의 채널수를 가지며 60V의 전압까지 받을 수 있다.
펌프는 (주)윌로펌프에서 제작된 자흡식 펌프(self primingpump)인 PU-602M 제품이 사용되었다[6]. 공급할 수 있는 최대 양수 량은 170 L/min, 흡상높이는 8.

성능/효과

구축된 자동유량제어 시스템을 학생들의 실습에 적용 한 결과 하드웨어와 소프트웨어의 활용 능력이 향상되었으며 제어방법과 제어 상수들의 변화가 제어 결과에 어떤 영향들을 끼치는지를 쉽게 이해시키는 결과를 얻었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	오리피스미터가 유량을 측정하는 방법은 무엇인가?	유량을 측정하는 장치는 오리피스미터(orifice meter)와pressure transmitter 구분된다. 오리피스미터는 중앙에 원형구멍을 가진 얇은 판을 직관의 도중에 삽입하여 유체가 얇은판을 흐를 때 그 오리피스 판의 전·후의 압력차를 측정하여 유량을 구하게 된다. Pressure transmitter는 오리피스미터로부터의 압력신호를 컴퓨터를 위한 코드와 신호로 변환해주는 역할을 하는데 Emerson사의 ROSEMOUNT 3051로 오리피스미터로 받은 압력신호를 4 ~ 20 mA의 전기적 신호로 바꾸어 주어 data acquisition board로 전달하여 준다.
	본 논문에서 제안한 하드웨어와 소프트웨어를 조합하여 제어 이론의 학습과 실습을 위한 자동 유량 제어 시스템은 무엇으로 구성되어 있는가?	하드웨어와 소프트웨어를 조합하여 제어 이론의 학습과 실습을 위한 자동 유량 제어 시스템을 구축하였다. Ziegler-Nicholstuning과 Cohen-Coon tuning의 2가지 방법에 따른 제어 인자들을 구할 수 있고, 또한 set point 값 변화뿐만 아니라 외란의변화에 따른 제어 결과도 볼 수 있도록 시스템을 구성하였다.
	LabView는 무엇인가?	유량을 자동으로 조절할 수 있는 시스템의 구축을 위해서는유량을 모니터링하고 제어하는 하드웨어와 PID 알고리즘의 프로그램을 위한 소프트웨어가 필요하다. LabView는 프로그램 언어의 일종으로 모터의 회전속도에 대한 제어[4], 그리고 풍력발전기의 모니터링[5] 등에서와 같이 유량 외에도 다양한 분야의 제어및 측정에 많이 사용되어지는 소프트웨어로, 본 시스템에서도LabView를 이용하여 data acquisition board 도부터 측정 데이터를 받아들이고 제어 값을 산출하여 control valve로 보내는 제어sequence를 프로그래밍 함으로써 자동으로 유량을 제어할 수있는 시스템을 구성하였다. PID 제어로는 Ziegler-Nicholstuning 과 Cohen-Coon tuning의 두 가지 방법에 대하여 제어상수들인 비례상수, 적분시간상수, 미분시간상수를 산출 할 수있도록 구성하였으며, 이들 상수가 설정 값의 변경은 물론 외란의도입 경우에도 제어 현상에 미치는 영향들을 관찰 할 수 있도록시스템을 구성 하였다.

참고문헌 (8)

George Stephanopoulos(1986), Chemical Process Control : An Introduction to theory and practice 1st edition, Prentice-Hall
Ken Belson(2007), Asbestos and Aging Pipes Remain Buried Hazard, N.Y Times
김동화, 조일인(1997), A study on the application of the intelligent control algorithms to the Flow control system, Proceeding of the 12th KACC
신민재외 3명(2012), LabView를 이용한 모터의 회전속도 PID 제어, 한국기계가공학회 2012년도 춘계학술대회 논문집, p.99
남윤수외 3명(2003), LabView를 이용한 풍력발전기 모니터링 시스템 개발, 한국정밀공학회지
환경용어연구회(1996), 환경공학용어사전 : self priming pump, 성안당
정찬세, 양순용(2013). 다이어프램형 밸브의 유 량 특성과 동적성능에 관한 연구. 유공압 건설기계학회지, 10(3): 27-33

원문보기 상세보기
National Instruments(2014), What will you do with LabView? : Video Lecture

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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