공정 Identification과 PID 제어기 조율을 위한 소프트웨어 개발

임희진, 이정석, 박선원

한국과학기술원 화학공학과

Development of a Software for Process Identification and

PID Controller Tuning

Heejin Lim, Jeongseok Lee, and Sunwon Park

Department of Chemical Engineering, KAIST

1. 서  론

지금까지 여러 가지 PID 조율 방법들이 연구되어왔으나 개발된 방법들을 현실에서 사용하기에는 어려운 점이 많았다. 제어기 조율 변수 값들이 필요할 때마다 표를 보고 계산하고, 다른 툴을 이용하여 제어기 테스트를 하는 등의 작업을 매 조율 때마다 반복해야하는 불편함이 있었다. 이러한 불편함을 줄이고 보다 손쉽게 제어기를 다루고, 또 그 성능을 시각적으로 비교하기 위해 Connecticut 대학의 Doug Cooper 교수는 PC용 소프트웨어인 Control Station을 개발하였다. Control Station은 제어계와 제어기 성능을 시각적으로 보여주고 비교하는 데에는 매우 뛰어나지만 사용자가 제어기 테스트를 할 때 사용하기 불편하며 최근에 개발된 우수한 PID 조율방법을 적용하기가 어렵다는 단점이 있다.

본 연구에서 개발된 KCON(KAIST CONtrol system)은 PC에서 윈도우를 바탕으로 실행되는 새로운 공정 인식 및 PID 조율 소프트웨어이다. 개발된 소프트웨어는 주어진 공정 데이터를 인식하여 공정 변수들을 구하고, 제어기 변수들을 계산하여 닫힌 루프 테스트를 수행한다. 이 때 조율 방법으로 IMC(Internal Model Control) 뿐만 아니라 최근에 개발된 방법인 DCLR(Desired Closed Loop Response) 방법을 이용하여 제어기 변수를 구한다.

2. 본  론

2.1 KCON의 구성

KCON의 개발 목표는 최신의 제어기 조율 방법을 실제적으로 이용하는 데에 있다. 이러한 목표에 부합하여 사용자가 편리하게 사용할 수 있으며, 또한 쉽게 결과를 시험해 볼 수 있도록 개발하였다.

KCON의 구성 모듈로는 Identification & Result, 그리고 Controller Test가 있다. Identification & Result는 주어진 데이터를 이용하여 공정 변수들과 제어기 변수들을 계산하고 그 결과 값들을 사용자에게 보여준다. Controller Test 모듈은 Identification & Result에서 구해진 공정 변수들과 제어기 변수들을 이용하여 닫힌 루프 테스트를 수행한 결과를 보여준다.

2.2 Identification & Result

Identification & Result 모듈은 파일을 읽고 변수들을 계산한다. 공정 인식을 위해 주어지는 파일은 반드시 ASCII 숫자로만 구성된 시간, 조작 변수, 제어 변수의 순서의 세 열로 이루어져야 한다. 이 때 모든 데이터는 일정 시간 간격으로 얻어진 것이어야 한다. 읽어들인 데이터는 Fig. 1에서 보는 바와 같이 화면상에서 볼 수 있다.

이 모듈에서는 주어진 데이터를 이용하여 공정 변수와 제어기 변수의 계산을 수행한다. 우선 ARX-LS(AutoRegressive eXogeneous-Least Square)방법을 이용하여 공정을 인식하여 공정 변수들은 구한 후, 이 값들을 이용하여 IMC와 DCLR의 방법으로 제어기 변수를 계산한다.

Fig.  읽어들인 데이터의 출력

Fig.  데이터 차트와 공정 변수, 제어 변수의 출력

계산된 결과는 Fig. 2에서 볼 수 있는 Results 창에서 확인할 수 있다. 공정 변수, 제어기 변수와 함께 데이터 그래프를 볼 수 있다. 이 그래프에서는 조작 변수와 제어 변수, 그리고 얻어진 공정 변수에 의해 계산된 제어 변수를 시각적으로 볼 수 있어서 이 공정 변수가 얼마나 현실성 있는 값인지 판단할 수 있다.

2.3 Controller Test

Controller Test에서는 앞서 계산된 공정 변수와 제어기 변수를 이용하여 제어기 테스트를 수행한다. Identification & Result 모듈에서 이 모듈로 넘어오면, 앞에서 구해진 변수들이 기본값으로 들어가 있다. 일반적인 닫힌 루프 블록 선도를 이용하여 입력된 공정 변수들과 제어기 변수들을 이용하여 제어가 되는 모습을 시각적으로 살펴볼 수 있다.

Fig. 3에서 이 모듈의 화면을 볼 수 있다.

Fig.  Controller Test 화면

이 모듈에서는 사용자의 편리를 위해 사용자가 구한 다른 공정 변수와 제어기 변수들을 Fig. 4에서 볼 수 있는 사용자 입력 창에서 입력한 후 테스트 해 볼 수 있도록 하였다. 블록 선도의 Controller나 Process 버튼을 클릭하면 사용자 입력 창을 볼 수 있다. 이 창에서는 사용자가 원하는 제어 방법, 제어기 종류를 선택할 수 있으며, 이 소프트웨어 외부에서 구한 변수 값들을 입력할 수도 있다. 이러한 입력으로 사용자가 구한 값들과 소프트웨어 내에서 계산된 값들의 제어기 성능을 비교해 볼 수 있다.

Fig.  Controller Test 모듈의 사용자 입력 창

3. 결  론

본 연구에서는 PC와 Windows를 바탕으로 하는 새로운 공정 인식 및 PID 조율 소프트웨어인 KCON을 개발하였다. KCON을 사용하여 조업데이터로부터 모델을 구하고 최근의 PID 조율 방법을 이용하여 제어기 변수를 계산하고 이렇게 구해진 제어기 변수를 닫힌 루프 시스템에 적용하여 직접적으로 테스트하였다. 계산 결과와 테스트 결과를 모두 시각적으로 보여줌으로써 공정 변수의 현실성과 제어기 변수의 안정성을 쉽게 살펴볼 수 있으며 사용자가 최신의 제어 방법 중 하나인 DCLR 방법의 성능을 손쉽게 시험하고 다른 것들과 비교할 수 있다.

앞으로 MIMO 시스템의 제어기 변수를 구하고 테스트할 수 있도록 확장하고, 더 많은 사용자들이 쉽게 접하게 하기 위해 인터넷에서의 이용이 가능하도록 하겠다.

감  사

포항공대 지능자동화 연구센터(ERC)를 통한 한국과학재단의 부분적 재정 지원에 감사드립니다.

참고문헌

[1] Lee, Y., Lee, M., and Park, S., "PID controller tuning to obtain desired closed-loop responses for SI/SO system", AIChE Journal, 44, 106 (1998)

[2] Dale E. Seborg, Thomas F. Edgar, and Duncan A. Mellichamp, "Process Dynamics and Control", 1989, John Wiley & Sons, Inc.

[3] Lennart Ljung, "System Identification: Theory for the User", Prentice-Hall, Inc., New Jersey, 1987

[4] Ioan D. Landau, "System identification and control design", Prentice-Hall, Inc., New Jersey, 1990

[5] W. Fred Ramirez, "Process control and identification", Academic Press Inc., San Diego, 1994

[6] 이용호, □공정 모델에 의거한 PID 제어기의 튜닝 방법과 모델 예측 제어기를 하위 PID 루프에 연결하는 방법에 관한 연구□, 박사학위논문, 한국과학기술원, 1998