[논문]다중채널을 갖는 오토튜닝 온도 제어기 개발

이갑래

doi:10.17703/jcct.2018.4.4.419

다중채널을 갖는 오토튜닝 온도 제어기 개발
Development of Auto-tuning Temperature Controller with Multi-channel 원문보기

Journal of the convergence on culture technology : JCCT = 문화기술의 융합, v.4 no.4, 2018년, pp.419 - 427

초록
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본 연구에서는 하나의 제어보드로 여러 대의 제어 시스템을 동시에 제어 가능하도록 하는 다중채널 제어기능을 갖는 오토튜닝 온도제어기를 설계하고 구현한다. 제어기 보드는 다중채널 입력 및 출력 기능을 가지고 있으며, 여러 개의 제어 알고리듬이 서로 독립적이지만 동시에 동작하는 멀티채널 제어기이다. 먼저 다중채널 제어기능을 갖는 온도제어기 설계방법을 나타내고. 이를 구현하는 센서입력부 회로, 제어신호 출력부 회로, 파워제어부 회로 등의 하드웨어 회로를 설계한다. 또한 다중채널 온도 제어기의 성능을 모니터링 하기 위하여 온도 제어 출력신호의 직렬 통신 데이터 프로토콜을 설계하고, 구현된 다채널 온도제어기의 실제 시험을 통한 성능을 평가한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper designs and develops auto-tuning temperature controller with multi-channel, which controller with multi-channel could control a number of control system simultaneously. This controller has multi-channel input and output. And a number of control algorithms run in this controller simultaneously and independently. Firstly we present design method of controller with multi-channel. Secondly we design electrical circuit of sensor input, controller output and power control for temperature control board. And finally we design data protocol for serial communication to monitor control state and present verification of temperature controller with muiti-channel through field experiment.

주제어

표/그림 (16)

그림 그림 1. 다중채널 제어기 구조 Fig. 1. Structure of multi-channel controller
그림 그림 2. 다채널 제어기의 동작 흐름도 Fig. 2. Operation flowchart of multi-channel controller
그림 그림 3. 기준전압 생성 회로 Fig. 3. Circuit of reference voltage output
그림 그림 4. 온도 센서값 증폭 회로 Fig. 4. Amplifier circuit of temperature sensor value
그림 그림 5. 전압 주파수 변환 회로 Fig. 5. Circuit of VFC
그림 그림 6. 제어 신호 출력 회로 Fig. 6. Circuit of control signal output
그림 그림 7. 위상 분석 회로 Fig. 7. Circuit for phase analysis
그림 그림 8. 전원 입력단 회로 Fig. 8. Circuit of power input
그림 그림 9. 전원 스위칭 회로 Fig. 9. Circuit of power switching
그림 그림 11. 오토튜닝 출력 값 Fig. 11. Output value of auto-tuning
그림 그림 10. 시험 환경 구성도 Fig. 10. Diagram of test environment
그림 그림 12. 순환식 오븐의 제어기 성능 Fig. 12. Performance of circulation-oven controller
그림 그림 13. 진공 오븐의 제어기 성능 Fig. 13. Performance of vacuum oven controller
그림 그림 14. 워터 배스의 제어기 성능 Fig. 14. Performance of water bath controller
그림 그림 15. 다중채널 제어기의 디바이스 상태 출력 Fig. 15. Device state output of multi-channel controller
그림 그림 16. 다중채널 제어기의 온도값 출력 Fig. 16. Temperature output of multi-channel controller

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 다중채널 제어기능을 갖는 오토튜닝 온도제어기를 설계하고 구현한다. 먼저 다채널 제어기능을 갖는 온도제어기 설계방법을 나타낸다.
본 연구에서는 제어대상의 다양화(온도, 습도, 압력, 가스농도 등) 및 복합 제어로 인하여 하나의 제어보드가 여러 대의 대상 제어 시스템을 동시에 제어 가능하도록 다중채널 제어기능을 갖는 오토튜닝 온도제어기를 설계하고 구현하였다. 제어어기 보드는 다중채널입력 및 출력 기능을 가지고 있고, 여러 개의 제어 알고리듬이 서로 독립적이지만 동시에 동작하는 멀티채널 제어기이다.

제안 방법

전원 입력부는 스위칭 방식의 전원공급기(SMPS: Switching Power Supply)를 채택하였다. AC전원의 입력허용 범위는 100V에서 220V는 물론 유럽에서도 사용할 수 있도록 260V까지 커버하는 프리볼트 SMPS를 설계하였다. 전원이 불안정한 나라에서 사용하는 경우 260V를 커버하는 기능은 아주 유용하며 안정된 온도제어를 실현하게 한다.
개발 제품의 성능 시험 평가를 하기 위하여 항온 항습장치 챔버와 모니터링 시스템을 연결하여 성능시험을 한다. 모니터링 시스템에는 "Lab Tracer" 소프트웨어를 설치하여 성능 시험을 한다.
이를 구현하는 센서입력부 회로, 제어신호 출력부 회로, 파워제어부 회로 등의 하드웨어를 설계하였다. 또한 다채널 온도 제어기의 성능을 모니터링 하기 위하여 온도 제어 출력신호의 직렬 통신 데이터 프로토콜을 설계하고, 구현된 다채널 온도제어기의 실제 시험을 통한 성능을 평가하였다.
먼저 다채널 제어기능을 갖는 온도제어기 설계방법을 나타낸다. 또한 이를 구현하는 하드웨어 회로설계로 센서입력부 회로, 제어신호 출력부 회로, 파워제어부 회로 설계에 대하여 나타낸다. 이어서 온도제어 성능의 모니터링을 위하여 온도 제어기 출력신호에 대한 직렬 통신 데이터 프로토콜을 설계하고, 구현된 다채널 온도제어기의 실제 시험을 통한 성능을 평가한다.
제어어기 보드는 다중채널입력 및 출력 기능을 가지고 있고, 여러 개의 제어 알고리듬이 서로 독립적이지만 동시에 동작하는 멀티채널 제어기이다. 먼저 다중 채널 제어기능을 갖는 온도제어기 설계방법을 나타내고. 이를 구현하는 센서입력부 회로, 제어신호 출력부 회로, 파워제어부 회로 등의 하드웨어를 설계하였다.
PID 제어기는 비례이득값, 적분이득값, 미분이득값 등의 파라미터의 값에 따라서 제어특성이 크게 달라지므로 제어장치의 성능이 잘 유지되도록 하기 위해서 세 개의 파라미터를 적절히 조절할 필요가 있다. 본 개발에서는 다채널 제어기를 설계해야 하므로 스스로 제어기의 이득값을 찾는 오토튜닝 제어기를 설계한다.
모니터링 시스템에는 "Lab Tracer" 소프트웨어를 설치하여 성능 시험을 한다. 본 연구에서 개발된 온도제어기는 항온 항습장치에 장착되며, 항온항습장치의 온도센서와 히터에 연결된다. 이 구성도를 나타내는 그림은 그림 10과 같다.
목표치 온도값보다 적어지는 순간 다시 히터를 ON한다. 상기와 같은 과정을 통하여 대상 제어시스템에 대한 오버슈트(Maximum Overshoot), 상승시간(Rise Time), 정정시간(Settling Time)을 찾아내고 이 값으로부터 룩업 테이블을 만들어서 제어기 이득값을 설정한다.
전원의 주파수가 우리와는 달리 50Hz를 사용하는 나라에서도 효율적인 전력전달이 가능하다. 세계 모든 나라의 전압과 주파수에서 사용가능한 전원공급장치를 내장한 온도제어기를 구현하였다.
실시간 온도제어기를 컴퓨터에서 모니터링 하기 위한 직렬통신 데이터 프로토콜을 설계한다. 온도값 설정 및 온도값 요구에 대한 직렬 통신 데이터 프로토콜은 다음과 같다.
전원이 인가되면 마이크로컨트로러는 센서 입력회로부터 온도 값을 읽어서 먼저 오토튜닝 알고리즘을 수행한다. 오토튜닝 알고리즘 수행을 통하여 비례-미분-적분제어기의 제어 이득값을 설정하고 설정된 제어 이득값으로부터 제어 알고리즘을 수행한다. 제어 알고리즘 수행 후, 계산된 제어 출력 값은 위상제어 출력회로 보내서 히터와 냉동기가 적절하게 동작하게 한다.
트랜스포머의 사이즈를 최소화 하면서 전력 전달율을 높이는 것이 좋겠지만 이 두 가지는 서로 반비례 관계에 있다. 이는 전원공급장치의 주파수를 높일수록 FET와 트랜스포머의 열 발생이 많아지기 때문인데 이번 설계에서는 트랜스포머를 작게 설계하기 위하여 주파수를 높이는 설계를 채택하였다. 이로서 터치형 LCD가 부착된 온도 제어기의 전체 크기를 줄일 수 있다.
이는 히터전원이 제로에 크로스 하는 순간에만 히터를 OFF해야 하기 때문에 어쩔 수없이 생기는 문제점이다. 이를 개선하기 위하여 히터전원의 위상을 분석하는 회로를 설계에 반영하여, 정밀도를 높이기 위한 특수한 알고리즘으로 히터에 인가되는 전원의 위상을 분석한 후 미리 히터를 ON해야 하는 정확한 순간을 계산해내는 알고리즘을 선택하였다.
먼저 다중 채널 제어기능을 갖는 온도제어기 설계방법을 나타내고. 이를 구현하는 센서입력부 회로, 제어신호 출력부 회로, 파워제어부 회로 등의 하드웨어를 설계하였다. 또한 다채널 온도 제어기의 성능을 모니터링 하기 위하여 온도 제어 출력신호의 직렬 통신 데이터 프로토콜을 설계하고, 구현된 다채널 온도제어기의 실제 시험을 통한 성능을 평가하였다.
이는 제품의 안전규격을 맞추기 위해서도 중요한 설계목표가 된다. 이번 설계에서는 2000V이상의 전압을 견딜 수 있도록 설계하였으며 히터에 흐르는 강한 전류가 차단될 때 생기는 노이즈(Inductive Noise)를 제거하기 위하여 히터전원의 위상을 분석하여 제로크로스(Zero-Crossing)되는 순간에만 히터가 차단될 수 있도록 설계하였다.
또한 이를 구현하는 하드웨어 회로설계로 센서입력부 회로, 제어신호 출력부 회로, 파워제어부 회로 설계에 대하여 나타낸다. 이어서 온도제어 성능의 모니터링을 위하여 온도 제어기 출력신호에 대한 직렬 통신 데이터 프로토콜을 설계하고, 구현된 다채널 온도제어기의 실제 시험을 통한 성능을 평가한다.
전원의 주파수 허용범위는 40Hz에서 70Hz까지 넓은 범위에서 안정된 전압공급이 가능하도록 설계하였다. 전원의 주파수가 우리와는 달리 50Hz를 사용하는 나라에서도 효율적인 전력전달이 가능하다.
VFC 소자 LM331의 주파수 발진을 위하여 사용되는 콘덴서 C25와 저항기 R28의 정밀도도온도 드리프트 성능에 중요한 변수가 된다. 현존하는 상용의 콘덴서 중에서 온도특성이 가장 우수한 마이카(Mica)재질의 정밀급(오차1%이하) 콘덴서를 채택하였고 저항기도 온도특성이 우수한 금속재질의 정밀급(오차1%이하) 저항기를 적용하여 설계하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 이 문제를 해결하기 위해 각 시스템의 ADC를 동일한 출력 비트를 갖는 ADC 소자를 사용한다. 또한 디지털 변환기로 가변 전압-주파수 변환기(VFC)를 갖는 온도 제어기를 선택한다.

이론/모형

이 때 옵셋전압을 완전히 제거하지 못하면 제품양산 시 별도의 복잡한 조정(Calibration)공정이 필요하게 된다. 본 구현회로에서는 주파수 방식의 변환기(VFC : Voltage to Digital Conversion)를 채택하였다.
전원 입력부는 스위칭 방식의 전원공급기(SMPS: Switching Power Supply)를 채택하였다. AC전원의 입력허용 범위는 100V에서 220V는 물론 유럽에서도 사용할 수 있도록 260V까지 커버하는 프리볼트 SMPS를 설계하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	위상제어 출력회로란 무엇인가?	센서입력회로는 온도제어시스템에 장착된 온도센서로부터 출력된 온도신호의 노이즈를 제거하고 신호를 증폭하여 디지털로 변환하는 회로이다. 위상제어 출력회로는 마이크로 컨트롤러(MCU)에서 출력된 제어기 출력신호로부터 온도제어시스템의 히터와 냉동기의 교류전원 제어를 위한 제어출력회로이다.
	초저온 냉동기는 냉동력을 강화시켜 설계되는데, 그 이유는 무엇인가?	일반적으로 저온으로 온도가 내려갈수록 냉동효율이 급격히 저하되는 현상을 수반하기 때문에 초저온 영역에서 일정이상의 냉동력을 유지하기 위하여 초저온 냉동기는 냉동력을 강화시켜 설계한다. 강화된 냉동력으로 인하여 상온에서는 더욱더 강력한 냉동력을 출력하게 되므로 상온의 온도제어시에는 강한 냉동력만큼 강한 히팅력을 유지하여야 한다.
	N개의 채널에 대한 오토튜닝 및 제어기 프로그램이 동작하는 흐름은 어떻게 되는가?	그림 2는 마이크로컨트롤러에서 N개의 채널에 대한 오토튜닝 및 제어기 프로그램이 동작하는 흐름도이다. 전원이 인가되면 마이크로컨트로러는 센서 입력회로부터 온도 값을 읽어서 먼저 오토튜닝 알고리즘을 수행한다. 오토튜닝 알고리즘 수행을 통하여 비례-미분-적분제어기의 제어 이득값을 설정하고 설정된 제어 이득값으로부터 제어 알고리즘을 수행한다. 제어 알고리즘 수행 후, 계산된 제어 출력 값은 위상제어 출력회로 보내서 히터와 냉동기가 적절하게 동작하게 한다. 상기와 같은 일련의 연속된 과정을 디지털 변환기의 샘플링 동작 시간과 동기되어 1주기 동안에 처리되게 하고 주기적으로 반복한다.

참고문헌 (7)

L. Wang, and W. R. Cluett, "Tuning PID controllers for integrating processes", IEE Proc. Control Theory Appl., 144, pp. 385- 392, 1997.

상세보기
K. Man-Seok, K. Jo-Hwan, C. Min-Koo, P. Jong-Oh, K. Jong-Wook, "Design of an Auto-Tuning IMC-PID Controller for a Heater System Using uDEAS," Korean Institute of Intelligent Systems Vol. 21, no. 4, pp. 530-535, 2011.

원문보기 상세보기
L. Wang, "Automatic tuning of PID controllers using frequency sampling filters," IET Control Theory & Applications, vol 36, no 7, pp 985-995, 2017. DOI: 10.1049/iet-cta.2016.1284
P. Poksawat, L. Wang, A. Mohamed, "Automatic tuning of attitude control system for fixed-wing unmanned aerial vehicles", IET Control Theory Appl., vol. 10, pp. 2233-2242, 2016. DOI: 10.1049/iet-cta.2016.0236

상세보기
Gyu-Hong Jung, "Auto Tuning of Position Controller for Proportional Flow Solenoid Valve," The Korean Society of Mechanical Engineers, vol 36, no 7, pp 797-803, 2012.
S. Oh, "An Auto-tuning Algorithm of PI Controller Using Time Delay Element," Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea, vol 47(SC), no 6, pp 1-5, 2010.
K. R. Lee, "Auto-tuning control using multi output sensor for wide band temperature control systems," Proceedings of KIIS Autumn Conference, vol. 25, no. 2, 2017.

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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