제어 시스템

원심 조속기는 초기 비례 제어 메커니즘입니다.

제어 시스템은 제어 루프를 사용하여 다른 장치 또는 시스템의 동작을 관리, 명령, 지시 또는 조절합니다.가정용 보일러를 제어하는 서모스탯을 사용하는 단일 가정용 난방 컨트롤러에서 프로세스나 기계를 제어하는 데 사용되는 대규모 산업용 제어 시스템에 이르기까지 다양합니다.제어 시스템은 제어 엔지니어링 프로세스를 통해 설계됩니다.

연속적으로 변조된 제어의 경우 피드백 컨트롤러는 프로세스 또는 동작을 자동으로 제어하기 위해 사용됩니다.제어시스템은 제어되는 프로세스 변수(PV)의 값 또는 상태를 원하는 값 또는 설정점(SP)과 비교하여 그 차이를 제어신호로 적용하여 플랜트의 프로세스 변수 출력을 설정점과 동일한 값으로 한다.

순차 및 조합 로직에서는 프로그램 가능한 로직 컨트롤러와 같은 소프트웨어 로직이 사용됩니다.^{[clarification needed]}

개방 루프 및 폐쇄 루프 제어

제어 액션에는 오픈루프와 클로즈드루프의 두 가지 일반적인 클래스가 있습니다.오픈 루프 제어 시스템에서 컨트롤러로부터의 제어 동작은 프로세스 변수와는 독립적이다.그 예로는 타이머만으로 제어되는 중앙난방 보일러가 있습니다.제어 동작은 보일러의 전원을 켜거나 끄는 것입니다.공정 변수는 건물 온도입니다.이 컨트롤러는 건물의 온도에 관계없이 일정 시간 동안 난방 시스템을 작동시킵니다.

클로즈드 루프 제어 시스템에서 컨트롤러로부터의 제어 동작은 원하는 실제 프로세스 변수에 따라 달라집니다.보일러와 유사한 경우, 이는 온도 조절기를 사용하여 건물 온도를 모니터링하고 컨트롤러 출력이 온도 조절기에 설정된 온도와 근접하게 유지되도록 신호를 피드백합니다.클로즈드 루프 컨트롤러는 컨트롤러가 프로세스 변수를 설정점과 같은 값으로 제어하기 위한 제어 동작을 확실히 하는 피드백 루프를 가진다.이러한 이유로 폐쇄 루프 컨트롤러는 피드백 ^[1]컨트롤러라고도 불립니다.

피드백 제어 시스템

단일 산업 제어 루프의 예로서, 프로세스 흐름의 연속적인 변조 제어를 보여줍니다.

기본 피드백 루프

리니어 피드백 시스템의 경우 설정점(SP)에서 변수를 조정하기 위해 센서, 제어 알고리즘 및 액추에이터를 포함한 제어 루프가 배치된다.일상적인 예로는 도로 차량의 크루즈 컨트롤이 있습니다. 언덕과 같은 외부 영향으로 인해 속도 변화가 발생하고 운전자가 원하는 설정 속도를 변경할 수 있습니다.컨트롤러의 PID 알고리즘은 차량 엔진의 출력을 제어하여 지연 또는 오버슈트를 최소화하면서 실제 속도를 원하는 속도로 복원합니다.

달성하려는 결과에 대한 감지를 포함하는 제어 시스템은 피드백을 사용하고 있으며 다양한 상황에 어느 정도 적응할 수 있습니다.개방 루프 제어 시스템은 피드백을 이용하지 않고 미리 정해진 방식으로만 작동합니다.

로직 컨트롤

산업 및 상업 기계의 논리 제어 시스템은 역사적으로 사다리 논리를 사용하여 상호 연결된 전기 릴레이와 캠 타이머에 의해 구현되었습니다.오늘날 이러한 시스템은 대부분 마이크로 컨트롤러 또는 보다 전문적인 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)로 구성됩니다.래더 로직의 표기법은 여전히 PLC의 ^[2]프로그래밍 방법으로 사용되고 있습니다.

로직 컨트롤러는 스위치와 센서에 반응할 수 있으며, 액추에이터를 사용하여 기계의 다양한 작동을 시작 및 정지시킬 수 있습니다.로직 컨트롤러는 많은 애플리케이션에서 기계적인 동작의 시퀀스에 사용됩니다.예로는 엘리베이터, 세탁기 및 상호 관련 운영이 있는 기타 시스템이 포함된다.자동순차제어시스템은 작업을 수행하기 위해 일련의 기계식 액추에이터를 올바른 순서로 트리거할 수 있다.예를 들어, 다양한 전기 및 공압 변환기는 골판지 상자를 접어서 접착하고 제품을 채운 다음 자동 포장 기계에 밀봉할 수 있습니다.

PLC 소프트웨어는 래더 다이어그램, SFC(순차 함수 차트) 또는 문 목록 ^[3]등 다양한 방법으로 작성될 수 있습니다.

온오프 제어

On-off 제어는 피드백 컨트롤러를 사용하여 2개의 상태를 갑자기 전환합니다.간단한 바이메탈 가정용 서모스탯은 온오프 컨트롤러라고 할 수 있습니다.실내 온도(PV)가 사용자 설정(SP) 아래로 내려가면 히터가 켜집니다.또 다른 예는 공기 압축기의 압력 스위치입니다.압력(PV)이 설정값(SP) 아래로 떨어지면 컴프레서에 전원이 공급됩니다.냉장고와 진공 펌프에도 유사한 메커니즘이 있습니다.이와 같은 간단한 온오프 제어 시스템은 저렴하고 효과적일 수 있습니다.

선형 제어

선형 제어 시스템은 음의 피드백을 사용하여 제어 신호를 생성하여 제어된 PV를 원하는 SP로 유지합니다.서로 다른 기능을 가진 여러 유형의 선형 제어 시스템이 있습니다.

비례 제어

H(s)={\frac {\omega _{n}^{2}}{s^{2}+2\zeta \omega _{n}s+\omega _{n}^{2}}}

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서 \ style 。그는 자연 주파수를 풀었다.

비례제어란 제어변수에 원하는 값(SP)과 측정값(PV)의 차이에 비례하는 보정을 적용하는 선형 피드백 제어 시스템의 일종이다.두 가지 전형적인 기계 예는 변기 플로트 비례 조절 밸브와 플라이볼 거버너입니다.

비례 제어 시스템은 ON-OFF 제어 시스템보다 복잡하지만, 예를 들어 자동차 순항 제어에 사용되는 비례-통합-파생(PID) 제어 시스템보다는 단순하다.ON-OFF 제어는 높은 정확도 또는 응답성을 요구하지 않지만 신속하고 시기적절한 수정 및 대응에는 효과적이지 않은 시스템에 대해 작동합니다.비례제어는 제어밸브 등 조작변수(MV)를 불안정성을 피하면서도 최적의 비례보정량을 적용해 최대한 신속하게 보정을 적용함으로써 이를 극복한다.

비례 제어의 단점은 비례 출력을 생성하는 데 오류가 필요하기 때문에 잔류 SP-PV 오류를 제거할 수 없다는 것입니다.이를 극복하기 위해 PI 컨트롤러를 사용할 수 있습니다.PI 컨트롤러는 비례항(P)을 사용하여 총 오차를 제거하고 적분항(I)을 사용하여 시간에 따른 오차를 적분하여 잔류 오프셋 오류를 제거합니다.

일부 시스템에서는 MV의 범위에 실질적인 제한이 있습니다. 예를 들어 히터는 열을 발생시킬 수 있는 양에 제한이 있으며 밸브는 여기까지만 열 수 있습니다.게인에 대한 조정은 MV가 이러한 한계 사이에 있는 오차 값의 범위를 동시에 변경합니다.이 범위의 폭(오류 변수 단위, 즉 PV 단위)을 비례 대역(PB)이라고 합니다.

용광로 예시

산업용 용해로의 온도를 제어할 때는 일반적으로 용해로의 현재 요구에 비례하여 연료 밸브의 개방을 제어하는 것이 좋습니다.이를 통해 열 충격을 방지하고 열을 보다 효과적으로 가할 수 있습니다.

이득이 낮은 경우 오류가 감지되면 작은 수정 작업만 적용됩니다.시스템은 안전하고 안정적일 수 있지만, 변화하는 조건에 대응하여 느릴 수 있습니다.오류는 비교적 오랜 시간 동안 수정되지 않은 상태로 유지되며 시스템이 초과 감쇄됩니다.비례적 이득이 증가하면 이러한 시스템의 응답성이 향상되고 오류 처리 속도가 빨라집니다.전체 시스템이 심각하게 감쇠되었다고 할 때 게인 설정에는 최적의 값이 있습니다.이 지점을 초과하여 루프 게인이 증가하면 PV의 진동이 발생하며 이러한 시스템은 감쇠되지 않습니다.임계 감쇠 동작을 달성하기 위해 게인을 조정하는 것을 제어 시스템 조정이라고 합니다.

언더댐프 케이스의 경우 용해로는 빠르게 가열됩니다.설정값에 도달하면 히터 하위 시스템과 용해로 벽면에 저장된 열이 측정된 온도를 필요한 온도 이상으로 계속 상승시킵니다.설정값 이상으로 상승한 후, 온도는 다시 떨어지고 결국 다시 열이 가해집니다.히터 하위 시스템의 재가열이 지연되면 용해로 온도가 설정값 아래로 더 내려가 사이클이 반복됩니다.감쇠가 부족한 용해로 제어 시스템에서 발생하는 온도 진동은 바람직하지 않습니다.

임계 감쇠 시스템에서는 온도가 설정점에 가까워짐에 따라 열입력이 감소하기 시작하고 용해로의 가열 속도가 느려지는 시간이 있으며 시스템은 오버슈트를 회피합니다.오버슈트는 과잉 감쇠 시스템에서도 방지되지만, 과잉 감쇠 시스템은 시스템의 외부 변경(예: 용해로 문 개방)에 대한 초기 반응 설정점에 도달하는 데 불필요하게 느립니다.

PID 제어

PID 컨트롤러 블록 다이어그램

다양한 PID 파라미터(K_p, K_i, K_d)가 시스템의 스텝 응답에 미치는 영향.

순수 비례 컨트롤러는 시스템에서 잔류 오류를 안고 작동해야 합니다.PI 컨트롤러는 이 오류를 제거하지만 여전히 속도가 느리거나 진동이 발생할 수 있습니다.PID 컨트롤러는 응답성이 향상되는 동안 안정성을 유지하는 파생(D) 동작을 도입하여 이러한 최종 결점을 해결합니다.

파생 작용

파생상품은 시간에 따른 오류의 변화율과 관련이 있다.측정된 변수가 설정점에 빠르게 접근하면 액추에이터가 필요한 레벨로 감속할 수 있도록 조기에 해제됩니다. 반대로 측정값이 설정점에서 빠르게 멀어지기 시작하면 해당 속도에 비례하여 추가적인 힘이 가해집니다.

이동 중인 차량의 총이나 카메라와 같은 무거운 물체의 모션 컨트롤이 포함된 제어 시스템에서는 잘 조정된 PID 컨트롤러의 파생 동작을 통해 대부분의 숙련된 작업자보다 설정 지점에 더 잘 도달하고 유지할 수 있습니다.그러나 파생 작용이 지나치게 적용되면 진동이 발생할 수 있습니다.

일체형 액션

Ki 값이 변화하는 스텝 입력에 대한 2차계의 응답 변화.

적분항은 장기 정상 상태 오류의 영향을 확대하여 오류가 제거될 때까지 지속적으로 증가하는 노력을 적용합니다.상기 용해로의 예에서 다양한 온도에서 작동하는 열로 인해 용해로가 설정점에 도달하지 못할 경우, 어떠한 이유로든 적분 작용에 의해 PV 오차가 0으로 감소하고 설정점에 도달할 때까지 설정점에 대한 비례 대역이 점점 더 이동한다.

분당 % 증가

일부 컨트롤러에는 "분당 램프업 %"를 제한하는 옵션이 있습니다.이 옵션은 소형 보일러(3MBTUH)를 안정시키는 데 매우 유용합니다. 특히 여름철에는 가벼운 부하가 걸리는 동안 그렇습니다.유틸리티 보일러 "유닛은 분당 5%의 비율로 부하를 변경해야 할 수 있습니다 (IEA 석탄 온라인 - 2, 2007)"^[4]^{[failed verification]}

기타 기술

PV 또는 오류 신호를 필터링할 수 있습니다.이렇게 하면 바람직하지 않은 주파수에 대한 시스템의 응답을 감소시킴으로써 불안정성 또는 진동을 줄일 수 있습니다.많은 시스템이 공진 주파수를 가지고 있습니다.이 주파수를 걸러냄으로써 진동이 발생하기 전에 보다 강력한 전체 피드백을 적용할 수 있으므로 시스템을 흔들지 않고 응답성이 향상됩니다.

피드백 시스템을 조합할 수 있습니다.캐스케이드 제어에서는 1개의 제어루프가 설정점에 대해 측정된 변수에 제어알고리즘을 적용하지만 프로세스 변수에 직접 영향을 주는 것이 아니라 다른 제어루프에 다양한 설정점을 제공합니다.시스템에 제어해야 하는 여러 다른 측정 변수가 있는 경우, 각 변수에 대해 별도의 제어 시스템이 존재합니다.

많은 애플리케이션에서 제어 엔지니어링은 PID 제어보다 더 복잡한 제어 시스템을 생성합니다.그러한 현장 적용의 예로는 플라이 바이 와이어 항공기 제어 시스템, 화학 공장 및 정유 공장이 있다.모델 예측 제어 시스템은 제어 대상 시스템의 특수 컴퓨터 지원 설계 소프트웨어와 경험적 수학적 모델을 사용하여 설계된다.

퍼지 논리

퍼지 로직은 논리 컨트롤러의 쉬운 설계를 복잡하고 연속적으로 변화하는 시스템의 제어에 적용하려는 시도입니다.기본적으로 퍼지 논리 시스템에서의 측정은 부분적으로 참일 수 있다.

이 시스템의 규칙은 자연어로 쓰여지고 애매한 논리로 번역됩니다.예를 들어, 용해로의 설계는 다음과 같이 시작됩니다. "온도가 너무 높으면 용해로의 연료를 줄이십시오.온도가 너무 낮으면 연료를 용해로까지 증가시키십시오."

실제 세계로부터의 측정(로 온도 등)은 부울 로직과 반대로 퍼지 처리되어 로직이 계산되고 출력은 제어기기에 디퍼지 처리된다.

강력한 퍼지 설계가 하나의 빠른 계산으로 축소되면 기존의 피드백 루프 솔루션과 유사해지기 시작하고 퍼지 설계가 불필요했던 것처럼 보일 수 있습니다.그러나 퍼지 논리 패러다임은 기존 방법이 다루기 어렵거나 ^{[citation needed]}도출 비용이 많이 드는 대규모 제어 시스템에 확장성을 제공할 수 있다.

퍼지 일렉트로닉스는 디지털 전자제품에서 일반적으로 사용되는 2가지 가치 논리 대신 퍼지 논리를 사용하는 전자 기술입니다.

물리적인 실장

대형 스크린에 플랜트 정보가 표시되는 DCS 제어실.작업자는 컴퓨터 화면에서 공정의 모든 부분을 보고 제어할 수 있으며, 더 큰 화면에서 공장의 개요를 유지할 수 있습니다.

유압식 열 프레스 기계의 제어판

제어 시스템 구현의 범위는 종종 특정 기계 또는 장치를 위한 전용 소프트웨어를 사용하는 소형 제어기에서부터 대규모 물리적 플랜트의 산업 프로세스 제어를 위한 분산 제어 시스템에 이르기까지 다양합니다.

로직 시스템 및 피드백 컨트롤러는 보통 프로그램 가능한 로직 컨트롤러와 함께 구현됩니다.

「」를 참조해 주세요.

레퍼런스

^ "피드백 및 제어 시스템" - JJ Di Steffano, AR Stubberud, IJ Williams.샤움스 개요 시리즈, 맥그로-힐 1967
^ Kuphaldt, Tony R. "Chapter 6 LADDER LOGIC". Lessons In Electric Circuits -- Volume IV. Archived from the original on 12 September 2010. Retrieved 22 September 2010.
^ Brady, Ian. "Programmable logic controllers - benefits and applications" (PDF). PLCs. Archived (PDF) from the original on 2 February 2014. Retrieved 5 December 2011.
^ "Energy Efficient Design of Auxiliary Systems in Fossil-Fuel Power Plants" (PDF). ABB. p. 262. Archived (PDF) from the original on 2014-08-05. Retrieved 2014-04-07.

외부 링크

시스템 제어 Python을 사용하여 루프를 생성, 시뮬레이션 또는 HWIL 제어합니다.Kalman 필터, LQG 제어 등이 포함됩니다.
반자율 비행 방향 - 참조 unmannedaircraft.org
제어 시스템의 설계 및 분석을 위한 제어 시스템 도구 상자.
제어 시스템 제조업체 제어 시스템 설계 및 제조
제어 시스템의 분석, 설계 및 시뮬레이션을 위한 매스매티카 함수
Python Control System(PyConSys) Python으로 제어 루프를 만들고 시뮬레이션합니다.PID 파라미터를 설정하기 위한 AI.

[1] "피드백 및 제어 시스템" - JJ Di Steffano, AR Stubberud, IJ Williams.샤움스 개요 시리즈, 맥그로-힐 1967

[Kuphaldt_LADDER_LOGIC-2] Kuphaldt, Tony R. "Chapter 6 LADDER LOGIC". Lessons In Electric Circuits -- Volume IV. Archived from the original on 12 September 2010. Retrieved 22 September 2010.

[Ian_Brady_PLCs-3] Brady, Ian. "Programmable logic controllers - benefits and applications" (PDF). PLCs. Archived (PDF) from the original on 2 February 2014. Retrieved 5 December 2011.

[4] "Energy Efficient Design of Auxiliary Systems in Fossil-Fuel Power Plants" (PDF). ABB. p. 262. Archived (PDF) from the original on 2014-08-05. Retrieved 2014-04-07.

[1]

[2]

[3]

[4]

v t 일렉트로닉스
나뭇가지	아날로그 일렉트로닉스 디지털 일렉트로닉스 전자 계장 전자 공학 마이크로일렉트로닉스 옵토일렉트로닉스 파워 일렉트로닉스 프린트 일렉트로닉스 반도체 개략도 캡처 온도 관리
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