설계 사양을 고려한 제어시스템 식별
Control System Identification Considering Design Specification
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초록
본 논문은 시간 지연이 존재하는 제어시스템 식별문제에서 요구되는 설계사양(오버슈트)을 만족하면서 높은 안정성(Stbility)과 강인성(Rosbustness)을 만족하는 PID 제어기 설계에 대한 연구이다. 제어시스템 식별 문제에서 Yunwana-Seborg의 제어시스템 식별 동조 방법과 Zigler-Nichols가 제안한 방법이 다른 제어기 설계 방법보다 추정된 전달함수의 시간 지연 항의 오차 때문에 작은 시간 지연을 가지고 있는 시스템에 적용하는 경우 좋은 성능과 안정성을 보장하지만 큰 지연 시간은 자기고 있는 시스템에 적용할 경우 Padé 1차 근사 방법으로 유도한 추정된 전달함수의 시간 지연 항과 실제 시간 지연 항과 발생하는 오차가 크기 때문에 실제 제어시스템에서는 적용할 수 없는 단점이 있다. 산업 현장의 많은 부분에서 적용하고 있는 Zigler-Nichols의 루프 동조 방법의 경우 많은 시행착오를 거쳐 제어 파라미터 동조를 하기 때문에 다른 제어기 설계 방법보다 많은 시간이 걸리는 단점이 있다. Cohen-Coon이 제안한 프로세스 반응 곡선을 이용한 제어 파라미터 동조 방법은 루프 동조 방법에 비해 동조 시간이 단축되는 장점이 있으나 폐루프 시스템에서는 적용하고 개루프 시스템에서만 적용하는 단점을 가지고 있다. 루프 동조 방법과 프로세서 반응 곡선을 이용한 방법의 단점을 보완하기 하여 Yunwana-Seborg의 제어시스템 식별 동조 방법을 보완한 Suh가 제안한 방법은 시간 지연항을 Padé 1차 근사로 변환하여 추정된 모델 전달함수와 시간 지연항과 실제 플랜트의 시간 지연항에서 발생하는 오차를 줄이기 위한 제어기 파라미터 동조 방법에 대하여 제시하였으나, 시간 지연 항에서 지연 상수의 값과 비례적으로 위상 조절인자를 설정하여 유도한 방법으로 만족하는 안정성과 성능을 보장하지만 해석적이지 못하다. 본 논문에서는 실제 플랜트에서 발생하는 시간 지연 항과 추정된 전달함수와 시간 지연항 사이에서 발생하는 오차에 대한 문제점을 보완하고 또한 제어 시스템에서 요구되는 설계사양(오버슈트)를 고려하여 초기 설계 시 오버슈트의 설정으로 위상 조절 인자를 결정하여 만족하는 성능과 안정성을 보장하였다.
Abstract
The purpose of this study was to present a PID controller design that achieves high stability and robustness while satisfying a design specification(overshoot) required in the control system identification task under condition of time delay. In the control system identification task, Yunwana-Seborg's control system identification tuning method and Zigler-Nichols' method ensure high performance and stability when they are applied to a system with short time delay since they have less error between time delay of estimated transfer function and real one. However, they are not applicable to system with high time delay since, when they are applied to such system, they have bigger error between time delay of estimated transfer function derived by Pade’1’st approximation method and real one. Zigler-Nichols loop tuning method, which has been applied in many parts of the industry, undergoes control parameter tuning through many trial and error, therefore takes longer time compared to other controller design methods. The control parameter tuning method using the process response curve proposed by Cohen-Coon has the advantage of less tuning time compared to the loop tuning method, however is applicable only to open loop system but not to close loop system. The method proposed by Suh, which modified Yunwana-Seborg's control system identification tuning method, to overcome the shortcomings of the close loop system and method using the processor response curve, presented the control parameter tuning to reduce the error between time delay of estimated transfer function derived by Pade’1’st approximation method and real one. This method was derived by setting a phase regulator proportional to the delay constant value at the time delay and ensured satisfactory stability and performance, but was not analytic. The PID controller design proposed in this paper ensures a performance and stability by overcoming the error between time delay of estimated transfer function and real one occurring at actual plant and determining the phase regulator in the initial design stage through considering a design specification(overshoot) required by control system.
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