PID콘트롤

개요

PID제어란 기본적으로 비례-적분-미분 제어기 PID제어를 말합니다. P -Proportional, I - Integral, D - Derivative에서 앞글자 PID 개념입니다. Proportional의 의미는 비례 대이고 I는 Integral 적분 시간 그리고 D는 Derivative 미분 시간을 제어하는 용어입니다. 온도 컨트롤러나 그와 유사한 컨트롤러에서의 파라미터 값에 의한 내부의 변수의 역할을 수행합니다. 이러한 PID 시정수에 대한 값은 PID제어에서 중요한 역할을 담당합니다. 필드기기에서의 신호 값 (PV=측정값)과 설정값 (SV)에 대한 제어에서 PID의 변수 값에 따라 제어의 형태가 달라지게 됩니다. 온도 컨트롤러에서의 PID 제어 특성은 아래 그래프를 참조합니다.

PID 온도 특성

내용

PID 제어 기법은 실제 응용분야에서 가장 많이 사용되는 대표적인 형태의 제어 기법입니다. PID 제어기는 기본적으로 PV 값에서의 신호를 피드백(feedback) 제어기의 형태를 가지고 있으며, 제어하고자 하는 대상의 출력값(output)을 측정하여 이를 원하고자 하는 참조값(reference value) 혹은 설정값(setpoint)과 비교하여 오차(error)를 계산하고, 이 오차값을 이용하여 제어에 필요한 제어값을 계산하는 구조로 되어 있습니다. 표준적인 형태의 PID 제어기는 아래의 식과 같이 세 개의 항을 더하여 제어값(MV:manipulated variable)을 계산하도록 구성이 되어 있습니다.

TK4S 온도계 사용법

PID 제어는 온도제어측면뿐만 아니라. 모션제어나. 등속도 유속 등등 그 제어 대상은 다양합니다. PID제어는 제어방법 중에 하나입니다. PID 제어의 최적의 계수는 상태와 시스템에 따라서 달라집니다. 이는 사용자의 시스템에 맞는 개별 제어 특성을 고려하여 게인 파라미터(온도계나 기타 제어기기의 내부설정 매뉴얼)를 설정하는 것이 필요하다는 것을 의미한다. 각 제어기기마다 매뉴얼에 따라 사용자가 파라미터를 설정하여 운전하는 것입니다.

PID 온도제어

기타

PID컨트롤에서 측정값을 둔감하게 합니다. Desensitize the gain 온도 변화와 같은 회로의 구성 요소의 변화에 시스템이 덜 민감하도록 만들게 됩니다. 또한 비선형 왜곡을 감소시키는 것입니다 Reduce nonlinear distortion. 즉, 출력을 입력에 비례하도록 만듭니다. 다르게 말하면, 이득을 신호 크기에 무관하도록 일정하게 만드는 것입니다. 노이즈의 효과를 감소시키는 역할을 합니다 Reduce the effect of noise. 회로 자체에서 또는 외부에 의해 원하지 않은 전기 신호가 발생했을 때 이 신호가 출력에 미치는 효과를 최대한 줄입니다. 그리고 입력과 출력의 임피던스를 조절합니다. Control the input and output impedences으로 피드백의 위상에 따라 입력과 출력의 임피던스를 크게 하거나 작게 할 수 있습니다.

 

증폭기의 대역폭을 확장합니다. PID동작은 비례도 작, 적분동작, 미분동작을 조합한 것으로 지연시간이 있는 제어대상에도 뛰어난 제어결과를 가져옵니다. 그것은 비례동작으로 헌팅이 없이 매끄럽게 제어를 할 수 있고 적분동작으로 옵셋트를 자동적으로 수정하고 미분동작으로 외란에 대하여 응답이 빨리 될 수가 있기 때문입니다. ARW기능 PID 또는 PI계의 제어로 일어나는 적분 치는 스타트시에 큰 편차로 적분합니다. 그러므로 온도가 설정치에 도달할 경우에는 상당히 큰 적분치가 되므로 온도가 설정치에 도달하였을 때는 과대한 적분조작양에 의하여 오버슈트가 발생하게 됩니다. 이 관계로 온도가 비례대의 하한 A점에 도달할 때까지의 편차는 적분에서 제외되고 A점부터 적분을 개시하고, 비례 대내에 있어서도 적분전체의 예측치를 적분 조작량에 가하는 것에 따라 오버슈트를 방지할 수 있는 기능이 설계되어 있습니다. 이것이 ARW 기능입니다. 제어결과 가 오버슈트가 큰 경우에는 ARW의 설정치를 작게 합니다. ARW의 설정치를 작게 합니다. ARW를 너무 작게 하면 설정치에 도달할 때까지의 시간이 길게 됩니다. 지금까지의 PID 동작 지금까지의 PID제어에는 오버슈트가 되는 것을 방지하면 외란이 있을 경우 안정이 지연됩니다. 또 2 외란에 대하여 안정을 빨리 하면 오버슈트가 되어 목표치로의 응답이 나쁘게 되고 인위적인 동작이 됩니다. 2차 유도 PID제어에는 3 오버슈트가 없고 응답시간이 빠르고 외란시에 빨리 안정이 됩니다.

PID

스텝응답법에 있어서 측정한 PID정수는 25% 정도를 최적으로 하는 조정법이 있고 최적조정법의 최대공약수를 가지고 있다. 이와 같이 했을 경우, 측정한 PID정수도 문제는 없습니다. 그러나 용도에 따라서 측정한 PID정수가 불합리한 경우도 있습니다. 그때는 PID의 재조정이 필요합니다. 안정이 될 때까지 다소의 시간(조정시간)을 요하여도 문제가 없습니다만 오버슈트가 발생하여 곤란할 경우에는 비례대를 크게 합니다. 오버슈트는 문제 삼지 않습니다만 빨리 안정된 제어상태호 되게 하고 싶을 경우는 비례대를 작게 됩니다. 다만 비례대를 작게 하면 헌팅이 발생합니다. 완만한 헌팅이 발생할 경우나 오버슈트를 반복하여 발생할 경우에는 적분동작이 당한 경우가 원인이므로 적분시간을 크게 하든가, 비례대를 크게 하면 헌팅이 작게 됩니다. 짧은 주기로 헌팅이 발생할 경우에는 제어계의 응답이 빠르고, 미분동작을 강하게 할 경우이며 이때에는 D를 작게 설정합니다.

비례동작(Proportional action) P 동작

제어기는 기준 입력과 현재값과의 편차를 줄이는 방향으로 제어합니다. 그때, 제어장치에 동작신호 Z(t) 그림에서 그래프 가 주어졌을 때, 조작량 y(t)가 얻어지는 경우, 즉 조작량 y(t)가 동작신호 Z(t)에 비례하여 변할 때의 그 관계식은 y(t) = K Z(t)가 된다. 이것을 비례동작이라 한다. 여기서 K는 비례정수로 비례동작을 강하게 할 것인가. 약하게 할 것인가를 결정합니다. 비례정수의 크기가 크면 기준입력에 현재치가 빠르게 접근하나 출력이 진동하여 제어의 안정성에 악영향을 미칠 수 있고, 비례정수의 크기가 작으면 기준입력에 천천히 현재치가 접근하며 잔류편차가 생길 우려가 있습니다.