개별공조시스템을 위한 전기히터의 PID 제어 논문자료

 

개별공조시스템을 위한 전기히터의 PID 제어
A PID Control of Electric Heater for PEM

여기에 제시된 작업은 PEM(개인 환경 모듈)에서 필요한 공급 공기 온도를 달성하기 위해 PID 제어를 구현한 것입니다. PEM에서는 공기가 혼합 챔버 없이 공급 덕트를 통해 흐르는 동안 필요한 온도로 가열됩니다. 이는 PEM의 공기 온도 제어를 어렵게 만듭니다. PEM의 열 전달에 대한 선형 동적 모델이 먼저 얻어집니다. 그런 다음 오버슈트 및 포화 없이 빠른 응답을 제공하기 위한 P, PD 및 PID 유형 제어 시스템을 설계하고 실험적으로 구현합니다. 얻은 데이터는 제어 시스템이 설계 기준을 충족하고 공급 공기 온도를 제어하는데 적절하게 작동한다는 것을 보여줍니다.

[연구 주제]

1. 문제 정의

본 연구는 개별공조시스템의 급기온도 조절을 위하여 급기관 내부에 설치되어 있는 전기히터의 발열량 제어를 수행한 것이다.

선형화된 열전달 지배 방정식의 구성을 위하여 검사체적 방법을 도입하고 히터실과 급기관을 별도의 검사 체적으로 설정하였다.

2. 가설 설정

lumped thermal mass 개념과 lumped heat capacity 개념을 도입하여 시스템 전체를 다섯 개의 대표 온도로 설정하고 각 부분에서의 온도와 열용량은 일정하다고 가정하였다.

히터실과 급기관의 외벽을 검사체적으로 잡았을 경우의 외부로의 대류 열전달 계수는 자연 대류라 가정하고 구할 수 있다.

[연구 방법]

1. 제안 방법

본 연구에서는 응답시간을 최소화하고, 정격초과를 발생시키지 않으면서 일정 급기온도를 유지할 수 있는 PID 제어기를 구성하였다.

또한 두 부분은 다시 내부와 벽면으로 나누어 검사 체적을 설정하여 열전달 지배 방정식을 구성하였다.

전도와대류 열전달을 고려하여 열전달 계수를 결정하였으며, 히터와 급기관에서의 유동은 난류유동으로 간주하였다.

23℃ 부근의 입구 공기 온도를 43℃로 가열시키는 실험을 수행하였으며, 제어기는 정격초과(overshoot)를 발생시키지 않으며, 제어가 수행되는 동안 전기히터의 포화(saturation) 가 일어나지 않는 범위에서 최대 웅답속도를 가질 수 있도록 구성되었다.

비례미분제어기의 사용으로 시스템이 정상 상태까지 도달되는 시간을 단순비례제어기의 경우와 비교하여 약 15% 단축시켰다.

PID 제어기의 설계는 폐루프 극점을 모두 s평면의 실수축상에 위치시킴으로써 시스템의 응답 특성이 정격초과를 나타내지 않으며, 또한 P 제어 또는 PD 제어와 동일한 응답속도를 가지도록 설계되었다.

우선 전기히터를 사용하는 난방장치에 대한 열전달 지배 방정식 올 설정하고, 방정식에 포함된 상태량들올 구하여 이를 수학적으로 모델링하는 작업을 수행하였다 이와 동시에 개별공조시스템에서 사용되고 있는 것과 유사한 전기히터를 사용하는 난방장치를 구성하고, 수학적으로 얻어진 지배 방정식을 근거로 하여 전기히터의 제어를 위한 제어기를 구현하였다.

[연구 결과]

1. 성능/효과

실제 실험에서 제어기의 이득, 특히 적분제어기의 이득을 감소시킴으로써 정격초과를 유발하지 않는 응답 특성을 얻을 수 있었다

본 연구에서 구현된 제어기는 제어를 하지 않은 경우에 비해 향상된 응답 특성올 나타내었다.

응답속도를 증대시키기 위하여 비례제어 이득올 증가시키고, 이에 따라 발생 가능한 정격초과를 억제하기 위하여 사용된 비례-미분 제어는 단순비례제어와 비교하여 시스템의 응답 특성을 향상시키는 것으로 나타났다.

그러나 비례-미분 제어기의 사용에 따라 시스템의 폐루프에 추가되는 영점은 시스템의 정격초과를 유발시키므로 사용상의 주의를 요하는 것으로 나타났다.

본 연구에서 사용된 난방장치는 출구 온도가 설정 온도를 기준으로 하여 요동치는 것과 같이 대단히 불안정하며, 적분제어기는 시스템의 불안정 상태를 증폭시키는 결과를 초래하였다.

비록 적분제어기의 사용으로 정상 상태 오차를 다소간 줄일 수는 있었으나, 단순비례제어 또는 비례-미분 제어의 경우와 비교해 괄목할 수 있는 성능 증대 효과를 나타내지는 못하였다.

PID 제어기는 정격초과 및 전기히터의 포화를 발생시키지 않으면서 시스템의 응답 특성을 향상시킬 수 있다.

▼출처 및 바로가기 : 
https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO200111920724471

[논문]개별공조시스템을 위한 전기히터의 PID 제어