[논문]PLC에서 구현한 PID 제어의 와인드업 현상 극복

정태수; 남제우; 오연식; 박용운; 이영준

[국내논문] PLC에서 구현한 PID 제어의 와인드업 현상 극복
A breakthrough of PID control windup state using PLC 원문보기

정태수 (LS 산전) , 남제우 (LS 산전) , 오연식 (LS 산전) , 박용운 (LS 산전) , 이영준 (LS 산전)

Since it has an advantage of possibility to control using experimentally given coefficient, PID Control is the most widely used method of control in the field of industry. However, since PID controller is not able to reflect the inherent characteristics of individual systems, it needs to be accompanied by additional techniques to supplement. Also, it has disadvantage that it is hard to find a satisfactory coeffi cient when the state of the system's dynamic characteristics and static characteristics are different each other. When the dynamic one shows up, it means the state of system shows a great amount of difference from that of desired such as the moment of beginning control or change of desired state. But, if the state of the system comes close to the desired state, the static characteristics shows up in the system. There are many solutions suggested to overcome problems according to the conversion of two examples of motion shown above. This paper is to confirm PID control's integration ingredient windup phenomenon, and experiment through technique of pre vention of windup actually using PLC(Programmable Logic Co ntroller), and to verify the change in characteristics of control.

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문제 정의

본 논문에서는 PID 제어의 적분 성분 와인드업 현상을 확인하고 이를 극복하기 위해 고안된 와인드업 방지 기법을 실제로 PLC (Programable Logic Controller)를 이용하여 실험해보고 제어 특성의 변화를 확인해보고자 한다.
본 논문에서는 PID 제어가 제어 대상 시스템의 동특성과 정특성을 모두 반영하지 못하는 경우가 있음을 실제 시스템을 분석하여 제시 하였으며 이 문제를 PID 제어의 적분 성분 와인드업 현상을 방지하는 방법으로 해결할 수 있다는 점을 실제 실험을 통해 제시하였으며 해당 실험과 같이 일반적인 PID 제어 시스템에서 탁월한 제어 성능 향상이 있다는 것을 검증하였다.

가설 설정

MVp(t) 성분이 이미 구동기를 포화 시켰으므로 MVi(t) 가 합산되지 않더라도 PID 제어와 PD 제어가 같은 결과를 갖게 된다. 따라서 적분 연산의 시작점을 늦게 설정함으로써 와인드업 현상을 막을 수 있다는 가설을 수립하였다[3].

제안 방법

그림 1과 같이 시스템의 제어 과정에서 EV(t) 가 큰 경우 MVi(t~) 가 크게 증가하는 것을 막기 위하여 동특성 영역 중 일부 구간에서 적분을 일시 정지하는 실험을 수행하였다. 이는 동특성 영역의 일부 구간에서 PID 제어가 아닌 PD 제어를 수행하는 것을 의미한다.
상태 값은 탱크의 압력으로 시스템이 가지는 최대 압력 10 psi 와 최소 압력 0 psi를 각각 10000과 0으로 스케일링하여 사용했다. 제어 출력은 최대 출력 전압 5 V와 최소 출력 전압 0 V를 각각 10000과 0으로 스케일링하여 사용했다. 목표 상태는 5 psi 즉, 5000을 기본으로 하였고 실험 중 30초 부근에서 와인드업 현상을 확인하기 위해서 목표 상태를 10초간 1 psi 로 변경 후 다시 5 psi로 복구시킨다.
제어 출력은 최대 출력 전압 5 V와 최소 출력 전압 0 V를 각각 10000과 0으로 스케일링하여 사용했다. 목표 상태는 5 psi 즉, 5000을 기본으로 하였고 실험 중 30초 부근에서 와인드업 현상을 확인하기 위해서 목표 상태를 10초간 1 psi 로 변경 후 다시 5 psi로 복구시킨다. 실험에 쓰인 PID 계수는 안정 상태 기준으로 자동 동조된 결과를 두 가지 실험에 동일하게 사용하였다.

성능/효과

이 시스템이 정특성 영역으로 이동할 경우 상대적으로 작아진 상태 오차 때문에 적분 결과가 다시 안정 상태로 복구되는데 오랜 시간이 소요되는 것이다. 결과적으로 빠르게 증가한 적분량은 평형점을 지나치게 되어 오버슈트를 초래하고 시스템의 안정에 부정적인 효과를 미친다.
이 두 경우의 MV(t) 거동을 관찰하면 알 수 있듯이 MV(t) 값이 구동기의 최대 또는 최소 출력을 전달하는 구간이 짧아진 것을 알 수 있다. 두 번째 변화는 안정 상태 도달 시간을들 수 있는데 기존 약 15초 구간에서 안정하던 시스템은 와인드업 방지 후 약 12초 구간에서 안정 상태에 도달하게 되었다. 특히 SV(t) 값이 1000에서 5000으로 복구된 구간을 관찰하면 와인드업 현상을 방지한 시스템의 결과가 그렇게 하지 않은 일반 시스템 대비 25% 미만의 시간으로 안정 상태에 도달하는 것을 알 수 있다.
두 번째 변화는 안정 상태 도달 시간을들 수 있는데 기존 약 15초 구간에서 안정하던 시스템은 와인드업 방지 후 약 12초 구간에서 안정 상태에 도달하게 되었다. 특히 SV(t) 값이 1000에서 5000으로 복구된 구간을 관찰하면 와인드업 현상을 방지한 시스템의 결과가 그렇게 하지 않은 일반 시스템 대비 25% 미만의 시간으로 안정 상태에 도달하는 것을 알 수 있다. 세 번째로 위와 같이 시스템 상태의 진동을 방지시킴으로써 정특성이 나타나기 시작하는 안정 상태 초기 단계의 시스템 제어성이 향상된 것을 확인할 수 있다.
특히 SV(t) 값이 1000에서 5000으로 복구된 구간을 관찰하면 와인드업 현상을 방지한 시스템의 결과가 그렇게 하지 않은 일반 시스템 대비 25% 미만의 시간으로 안정 상태에 도달하는 것을 알 수 있다. 세 번째로 위와 같이 시스템 상태의 진동을 방지시킴으로써 정특성이 나타나기 시작하는 안정 상태 초기 단계의 시스템 제어성이 향상된 것을 확인할 수 있다. 마지막으로 와인드업을 방지하여 일시적으로 기존 PID 제어에서 PD 제어를 적용시킨 후의 시스템 상태의 반응 속도를 들 수 있는데 PV(t) 의 상승, 하강 시 두 시스템 모두 같은 기울기를 가지고 있으므로 와인드업 현상이 방지되어도 시스템 제어 속도에는 영향을 미치지 않는다는 점을 알 수 있다.
세 번째로 위와 같이 시스템 상태의 진동을 방지시킴으로써 정특성이 나타나기 시작하는 안정 상태 초기 단계의 시스템 제어성이 향상된 것을 확인할 수 있다. 마지막으로 와인드업을 방지하여 일시적으로 기존 PID 제어에서 PD 제어를 적용시킨 후의 시스템 상태의 반응 속도를 들 수 있는데 PV(t) 의 상승, 하강 시 두 시스템 모두 같은 기울기를 가지고 있으므로 와인드업 현상이 방지되어도 시스템 제어 속도에는 영향을 미치지 않는다는 점을 알 수 있다.

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