공정제어실습 PCT-100 PID 제어 실험

본 내용은 " 공정제어실습 PCT-100 결과레포트 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2025.06.10

문서 내 토픽

• 1. 개방 루프 제어 시스템

  개방 루프 제어 시스템은 출력의 변동을 보상할 수 있는 피드백 메커니즘이 없는 제어 방식이다. 오류 감지를 위한 피드백을 사용하지 않으므로 정확한 제어가 불가능한 경우가 있으나, 구현 비용이 저렴하고 많은 경우에 만족스러운 결과를 제공한다. 예를 들어 모터 속도가 부하 증가로 인해 떨어져도 자동으로 보상할 수 있는 방법이 없다.

• 2. 폐쇄 루프 제어 시스템

  폐쇄 루프 제어 시스템은 출력에서 입력으로의 피드백을 사용하여 부하 및 오류 소스의 변동을 보상한다. 출력값을 측정하여 설정값과 비교하고, 편차의 크기에 따라 보상 제어 동작을 결정한다. 오류가 클수록 필요한 제어작업이 커지며, 이를 '오류 활성화'라고도 한다. 센서 자체에 의한 오류도 발생할 수 있다.

• 3. PID 제어기

  PID 제어기는 3항 알고리즘으로, 오류 신호에서 최대 3개의 고유한 수학 연산을 포함한다. 비례항(오류신호의 크기), 적분항(오류신호의 시간 적분), 미분항(오류신호의 시간도 함수)으로 구성된다. 산업용 컨트롤러는 설정값 변경을 수용하고 진동이나 급격한 오버슈트 없이 출력을 매끄럽고 빠르게 새값으로 구동하도록 설계된다.

• 4. FOPDT 모델 및 실험 결과

  실험에서 Flow Rate와 시간 간의 관계로부터 FOPDT(First Order Plus Dead Time) 모델을 구성하여 K, T, θ 값을 도출했다. 이를 통해 PID 제어기의 P=3×0.45, I=1/208.951, D=0의 값을 결정했다. PCT-100 프로그램에 이 값들을 적용하여 정상상태에 도달하는 시간이 가장 빠른 결과를 얻었으며, 예상과 가깝게 나온 것을 확인했다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 개방 루프 제어 시스템

  개방 루프 제어 시스템은 피드백 없이 미리 정해진 입력만으로 시스템을 제어하는 방식입니다. 이 방식의 장점은 구조가 단순하고 구현 비용이 낮으며 안정성이 우수하다는 점입니다. 그러나 외부 교란이나 시스템 파라미터 변화에 대응할 수 없어 정확도가 떨어집니다. 예를 들어 세탁기의 고정된 세탁 시간이나 신호등의 정해진 주기 같은 환경에서는 효과적이지만, 정밀한 제어가 필요한 산업용 공정에서는 한계가 있습니다. 따라서 개방 루프 제어는 시스템의 특성이 잘 알려져 있고 외부 변수가 적은 단순한 응용에 적합합니다.

• 2. 폐쇄 루프 제어 시스템

  폐쇄 루프 제어 시스템은 출력을 측정하여 목표값과 비교하고 그 오차를 바탕으로 입력을 조정하는 피드백 기반 제어입니다. 이 방식은 외부 교란에 강하고 시스템 파라미터 변화에 적응할 수 있어 정확도가 높습니다. 온도 조절, 속도 제어, 위치 제어 등 다양한 산업 응용에서 필수적입니다. 다만 센서 비용, 신호 처리 복잡도, 피드백 지연으로 인한 불안정성 위험이 있습니다. 적절한 제어기 설계를 통해 안정성과 응답성의 균형을 맞춰야 하므로 개방 루프보다 설계가 복잡합니다.

• 3. PID 제어기

  PID 제어기는 비례(P), 적분(I), 미분(D) 항을 조합하여 오차를 최소화하는 가장 널리 사용되는 제어 알고리즘입니다. P 항은 현재 오차에 빠르게 반응하고, I 항은 정상 상태 오차를 제거하며, D 항은 오버슈트를 억제합니다. 산업 현장에서 약 95% 이상의 제어기가 PID 기반이라는 점에서 그 중요성을 알 수 있습니다. 그러나 비선형 시스템이나 시간 지연이 큰 시스템에서는 성능이 제한적이며, 세 개의 파라미터(Kp, Ki, Kd) 튜닝이 필요합니다. 현대에는 자동 튜닝 기법과 고급 제어 기법과 결합되어 더욱 강력한 제어 성능을 제공합니다.

• 4. FOPDT 모델 및 실험 결과

  FOPDT(First Order Plus Dead Time) 모델은 1차 시스템에 시간 지연을 추가한 간단하면서도 실용적인 시스템 모델입니다. 많은 산업 공정이 이 모델로 잘 표현되므로 제어 설계의 기초가 됩니다. 실험을 통해 시스템의 이득, 시상수, 시간 지연을 파악할 수 있으며, 이를 바탕으로 PID 제어기를 효과적으로 튜닝할 수 있습니다. 실험 결과는 계단 입력 응답으로부터 얻어지며, 정확한 모델 파라미터 추정이 제어 성능을 크게 좌우합니다. 다만 실제 시스템의 비선형성이나 고차 동특성을 완전히 반영하지 못하므로, 모델 기반 제어 설계 후 실제 시스템에서의 검증과 미세 조정이 필수적입니다.