[논문]다단제어용 안티 와인드업 기술 개발

배정은; 김경훈; 추승철; 허재필; 임상훈; 성수환

doi:10.9713/kcer.2020.58.3.430

다단제어용 안티 와인드업 기술 개발
Development of Anti-windup Techniques for Cascade Control System 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.58 no.3, 2020년, pp.430 - 437

배정은 (경북대학교 응용화학공학부) , 김경훈 (경북대학교 응용화학공학부) , 추승철 (경북대학교 응용화학공학부) , 허재필 (경북대학교 응용화학공학부) , 임상훈 (경북대학교 응용화학공학부) , 성수환 (경북대학교 응용화학공학부)

초록
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본 연구에서는 다단제어(Cascade Control)를 위한 안티 와인드업(Anti-windup) 기술을 개발하였다. 다단제어는 외란을 보다 효과적으로 제어하기 위해 내부에 되먹임(Feedback) 제어루프를 추가한 제어구조이다. 단일루프제어(Single-loop Control)와는 다르게 두 개의 제어루프로 이루어져 내부의 종속제어루프(Secondary Control)가 외부의 주제어루프(Primary Control)에 영향을 미치는 특징을 가지고 있다. 산업현장에서 다단제어에 적용하는 기존의 안티 와인드업 기술은 주로 주제어기(Primary Controller)와 종속제어기(Secondary Controller)에 각각 로컬 역연산법(Back Calculation)을 적용하는 것이다. 하지만 이 방법은 종속제어기의 제어출력이 포화되었을 때 발생하는 주제어기의 적분누적(Integral-windup) 현상을 효과적으로 제거하지 못한다. 이를 해결하기 위해 기존 로컬 안티 와인드업 기술을 확대 적용한 두 가지의 다단제어용 안티 와인드업 기술을 제안한다. 첫 번째는 다단 조건부 적분법(Cascade Conditional Integration)이고 두 번째는 다단 역연산법(Cascade Back Calculation)으로 단일루프제어에 적용되어 왔던 로컬 조건부 적분법과 역연산법을 다단제어로 확대 적용하여 다단제어 시스템에서 PID제어기의 적분누적 현상을 방지하고자하였다. 개발한 다단 조건부 적분법과 다단 역연산법은 간단하고 직관적이면서도 종속제어기의 제어출력의 포화로 인해 발생한 적분누적현상을 효과적으로 방지할 수 있고 공정이나 제어기 형태에 상관없이 우수한 제어성능을 유지할 수 있었다. 향후 실제 공정 적용을 통해 신뢰성을 확보한다면 산업현장의 다단제어기 성능을 개선하는데 크게 기여를 할 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this research, the anti-windup techniques for the cascade control system are newly developed. Cascade control system has an additional internal feedback control loop to reject disturbances better than the conventional control system. Remarkable difference between the conventional single-loop control system and the cascade control system is the interaction that the controller output saturation of the secondary control loop strongly affects the integral action of the primary control loop. In industry, local back calculation anti-windup method has been mainly used for each controller without considering the interaction between the two controllers. But it cannot eliminate the integral-windup of the primary controller originated from the saturation of the secondary controller output. To solve the problem, the two anti-windup techniques of the cascade conditional integration and the cascade back calculation are proposed in this research by extending the local anti-windup techniques for the single-loop control system to the cascade control system. Simulation confirmed that the proposed methods can effectively remove the integral windup of the primary controller caused by the saturation of the secondary controller output and show good control performances for various types of processes and controllers. If the reliability of the proposed methods is proved through the applications to real processes in the future, they would highly contribute to improving the control performances of the cascade control system in industry.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Block diagram of single-loop and cascade control.
그림 Fig. 2. Block diagram of cascade back calculation.
그림 Fig. 3. Control performances of the proposed methods for the first process.
그림 Fig. 4. Control performances of the proposed methods for the second process.
그림 Fig. 5. Control performances of the proposed methods for the third process.
그림 Fig. 6. Control performances of the proposed methods for the fourth process.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 기존 단일루프 로컬 안티 와인드업 기술을 확대 적용하여 두 가지의 다단제어용 안티 와인드업 기술을 제안한다. 첫 번째가 다단 조건부 적분법(Cascade Conditional Integration)이고 두 번째가 다단 역연산법(Cascade Back Calculation)으로 단일제어에 적용되어 왔던 로컬 조건부 적분법과 로컬 역연산법을 다단제어로 확대 적용하여 다단제어 시스템에서 제어기의 적분누적 현상을 방지하고자 한다.
본 연구에서는 다단제어 구조에서 종속제어기(Secondary Controller)의 제어출력이 포화되었을 때, 주제어기(Primary Controller)의 적분누적 현상을 방지하여 제어성능 저하를 막을 수 있는 새로운 다단 안티 와인드업 기술을 개발하였다. 모사를 통하여 개발한 기술이 간단하면서도 효과적으로 주제어기의 적분누적 현상을 제거할 수 있음을 성공적으로 검증하였다.
본 연구에서는 다단제어 구조에서 종속제어기의 제어출력이 포화되었을 때, 주제어기의 적분누적 현상을 방지하여 제어성능 저하를 막을 수 있는 다단 안티 와인드업 기술을 개발하였다. 단일루프 제어시스템에서 이미 널리 사용되고 있는 로컬 안티 와인드업 기술인 조건부 적분법과 역연산법의 개념을 확장하여 다단제어용 안티 와인드업 기술을 개발함으로써 로직의 신뢰성과 강건성을 확보하였다.

가설 설정

제안된 다단 안티 와인드업 기술의 제어성능을 검증하고 비교하기 위해 다양한 상황의 공정을 가정하고 종속제어기가 포화되는 조건에 대해 모사하였다. 이 때 종속제어기 출력의 상한치는 정상상태 값의 1.

제안 방법

본 연구에서는 다단제어 구조에서 종속제어기의 제어출력이 포화되었을 때, 주제어기의 적분누적 현상을 방지하여 제어성능 저하를 막을 수 있는 다단 안티 와인드업 기술을 개발하였다. 단일루프 제어시스템에서 이미 널리 사용되고 있는 로컬 안티 와인드업 기술인 조건부 적분법과 역연산법의 개념을 확장하여 다단제어용 안티 와인드업 기술을 개발함으로써 로직의 신뢰성과 강건성을 확보하였다.
제안된 다단 안티 와인드업 기술의 제어성능을 검증하고 비교하기 위해 다양한 상황의 공정을 가정하고 종속제어기가 포화되는 조건에 대해 모사하였다. 이 때 종속제어기 출력의 상한치는 정상상태 값의 1.3배, 하한치는 0, 그리고 추종시상수는 적분시간과 같은 값으로 적용하였다.
주제어기는 ITAE-2 튜닝룰[1]을 이용하여 제어파라미터를 결정하였고(kc1 = 1.859, τi1 = 2.741, τd1 = 0.919) 종속제어기는 ZN 튜닝 룰[1]을 이용하여 제어 파라미터를 결정하였다 (kc2 = 4.251).
주제어기와 종속제어기는 ITAE-2 튜닝룰[1]을 이용하여 제어파라미터를 결정하였다(주제어기: kc1= 0.881, τi1= 2.937, τd1= 1.057, 종속제어기: kc2 = 5.012, τi2 = 1.043, τd2 = 0.524).
주제어기와 종속제어기는 ITAE-2 튜닝룰[1]을 이용하여 제어파라미터를 결정하였다(주제어기: kc1= 1.375, τi1= 6.884, τd1= 1.367, 종속제어기: kc2= 15.085, τi2= 0.346, τd2= 0.331).
본 연구에서는 기존 단일루프 로컬 안티 와인드업 기술을 확대 적용하여 두 가지의 다단제어용 안티 와인드업 기술을 제안한다. 첫 번째가 다단 조건부 적분법(Cascade Conditional Integration)이고 두 번째가 다단 역연산법(Cascade Back Calculation)으로 단일제어에 적용되어 왔던 로컬 조건부 적분법과 로컬 역연산법을 다단제어로 확대 적용하여 다단제어 시스템에서 제어기의 적분누적 현상을 방지하고자 한다. 각각에 대해 설명하면 다음과 같다.

대상 데이터

주제어기와 종속제어기는 ITAE-2 튜닝룰[1]을 이용하여 제어파라미터를 결정하였다(주제어기: kc1= 1.745, τi1= 6.612, τd1 = 1.107, 종속제어기: kc2 = 2.251, τi2 = 3.126, τd2 = 1.079).

성능/효과

3 이고 하한치는 0 이다. Fig. 6과 같이 두 공정의 동특성이 비슷할 경우에도 제안한 방법들은 효과적으로 적분누적 현상을 억제하고 우수한 제어성능을 보여줌을 알 수 있다.
하지만 다단 조건부 적분법는 몇 가지 공정에서 주공정의 출력이 타겟값의 일정 범위 내에서 안정되는데 시간이 오래 걸리는 현상을 보였다. 다단 역연산법은 모든 공정에서 가장 좋은 제어성능을 보였고, 다양한 공정 및 조건에서 발생하는 적분누적 현상을 효과적으로 방지하였다.
다단 조건부 적분법과 다단 역연산법 모두 기존의 로컬 안티 와인드업 기술만 사용했을 경우에 비해 효과적으로 적분누적 현상을 막는 것을 볼 수 있었다. 종속제어기의 포화는 실제 산업현장에서 빈번하게 일어나는 엑츄에이터의 포화에 해당하는 조건으로, 제안된 다단제어용 안티 와인드업 기술을 적용하면 이를 효과적으로 방지할 수 있음을 알 수 있다.
모사 결과, 다단 역연산법이 다단제어에서 종속제어기의 제어출력의 포화로 인해 발생한 적분누적 현상을 효과적으로 방지하였고 공정이나 제어기 형태에 상관없이 가장 좋은 제어성능을 보였다. 향후 실제 공정 적용을 통해 신뢰성을 확보한다면 산업현장의 다단 제어의 제어성능을 높이는데 큰 기여를 할 수 있을 것이다.
본 연구에서는 다단제어 구조에서 종속제어기(Secondary Controller)의 제어출력이 포화되었을 때, 주제어기(Primary Controller)의 적분누적 현상을 방지하여 제어성능 저하를 막을 수 있는 새로운 다단 안티 와인드업 기술을 개발하였다. 모사를 통하여 개발한 기술이 간단하면서도 효과적으로 주제어기의 적분누적 현상을 제거할 수 있음을 성공적으로 검증하였다.
세 번째 공정은 종속공정의 반응시간이 주공정에 비해 매우 빠른 공정이다. 주공정과 종속공정은 모두 2차 시간지연 모델로 다음과 같다.
제안한 방법들이 종속제어출력의 포화로 인한 주제어기의 적분이 비대해지는 것을 막아 Fig. 4의 제어 결과와 같이 두 번째 공정에서도 제안된 방법들의 제어성능이 보다 우수함을 알 수 있다.
3은 각 방법들의 제어성능을 보여주고 있다. 제안한 방법들이 확실히 기존 방법에 비해 우수한 결과를 보여주고 있다.
다단 조건부 적분법과 다단 역연산법 모두 기존의 로컬 안티 와인드업 기술만 사용했을 경우에 비해 효과적으로 적분누적 현상을 막는 것을 볼 수 있었다. 종속제어기의 포화는 실제 산업현장에서 빈번하게 일어나는 엑츄에이터의 포화에 해당하는 조건으로, 제안된 다단제어용 안티 와인드업 기술을 적용하면 이를 효과적으로 방지할 수 있음을 알 수 있다. 하지만 다단 조건부 적분법는 몇 가지 공정에서 주공정의 출력이 타겟값의 일정 범위 내에서 안정되는데 시간이 오래 걸리는 현상을 보였다.

후속연구

모사 결과, 다단 역연산법이 다단제어에서 종속제어기의 제어출력의 포화로 인해 발생한 적분누적 현상을 효과적으로 방지하였고 공정이나 제어기 형태에 상관없이 가장 좋은 제어성능을 보였다. 향후 실제 공정 적용을 통해 신뢰성을 확보한다면 산업현장의 다단 제어의 제어성능을 높이는데 큰 기여를 할 수 있을 것이다.

참고문헌 (12)

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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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