제어공학-PI제어(1)

1.실험목표

온도 계측의 원리, pc를 사용한 제어의 기본 원리, 온도 제어계의 특성을 학습 할 수 있다.

 

2.실험이론

열전쌍(thermocouple): 서로 다른 두가지 금속을 둥근 모양으로 연결하고 두 점 사이에 온도차를 발생시키면, 이에 비례하는 기전력이 발생하여 전류가 흐르며, 이를 제백효과라 한다. 이러한 원리로 서로 다른 두종류의 금속선이 연결 되어 있을 때 하나의 접점온도(T1), 다른 접점의 온도(T2)로 유지될 때, 무한 내부 저항의 전압계로부터 열기전력을 측정할 수 있다. 이 때 발생하는 기전력과 T1,T2는 금속선의 종류와 온도T1,T2에 따라 정해진다. 따라서 T1을 알고 있으면 기전력을 측정함으로써 T2를 구할 수 있다. 이 처럼 서로 다른 종류의 금속서을 접합한 것을 열전쌍이라 부른다.

 

전력조절기의 작동: 위상 제어 방식을 사용하는 단상용 사이리스터(thy-ristor)식 전력 조절기로서 입력된 전류 신호에 비례하는 교류 전압(0~100VDC)신호를 출력한다. 여기서 사용하는 사이리스터는 트라이악(triac)이며, 두 개의 SCR을 역방향으로 병렬 연결한 것과 같다. 트라이악의 동작은 게이트(G, gate)에 트리거(trigger) 신호가 발생한 때부터 T1~T2 사이의 출력을 내보내며, 한 번의 짧은 신호만 주면 부하 전류가 0이 될 때까지 출력을 내보낸다. 즉, 전압이나 전류가 0이 될 때 출력을 차단시키는 특성이 있다

 

제어기의 작동

①on-off 제어기 : 오차신호(e=목표온도-현재온도)가 양(+)일 때 최대의 제어 신호를 출력하고, 음(-)일 때 최소의 제어 신호를 출력한다.

u=umax(e>0), u=umin(e≦0)

 

②P 제어기 : 오차 신호에 비례 게인(Kp)를 곱하여 제어 신호를 발생시킨다.

u=Kp X e

③PI 제어기 : 오차 신호에 비례 및 적분 요소의 합을 곱하여 제어 신호를 발생시킨다.

 

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전체 시스템의 블록 선도

 

3.실험장치

열전쌍: 동-콘스탄탄(동 55%, 니켈 45%) 소재로 만들어진 T type의 열전쌍

 

열전쌍용 온도 조절기: 본 실험에서는 이 장치의 기능 중 온도 신호 증폭 기능만을 사용하는데, 열전쌍에서 생성되는 E의 값을 수 V의 DC 전압 신호(E*)로 증폭하는 기능을 수행한다. 이 때 열전쌍과 온도 조절기에서, 온도와 출력 전압과의 관계는 아래 식과 같다.

E = T x 0.02498 + 0.01635

(E : 온도 조절기에서 나오는 전압[V], T는 가열로 내 온도[℃])

 

계측 제어용 컴퓨터: 온도 조절기에서 출력되는 전압 E는 A/D 변환기를 거쳐서 제어용 컴퓨터에 입력된다. 또한 컴퓨터로부터 출력되는 제어 입력 u는 DC 0~2V의 크기를 가지는 전압 신호이며, 이 신호는 전압/전류 변환기로 입력된다. 이 때 전압 신호 u는 전압/전류 변환기에 의해 DC 4~20mA의 크기를 가지는 u*전류 신호로 변환되어 전력 조절기로 입력된다.

 

전력 조절기: 본 실험에서 사용되는 전력 조절기는 제어 입력u*(DC4~20mA)에 비례하는 전압(실효치 전압 0~110V AC)을 히터에 공급한다.

 

4.실험 방법

①실험 장비를 준비시킨다.

②제어용 프로그램 화면의 좌측 상단에 있는 제어기 선택 버튼을 클릭해서 "on-off control"을 선택한다.

③목표 온도와 데드 존(dead zone)의 상한치 및 하한치를 설정한다.

④시작 버튼을 누른다.

⑤실험이 완료되면 자동으로 실험 데이터를 저장하기 위한 창이 생성된다. 적절한 파일명과 데이터 저장 위치를 선택한 후 실험 데이터를 저장한다.

⑥제어기 선택 버튼을 클릭해서 "PID control"을 선택한다.

⑦시작 버튼을 누른다.

⑧실험이 완료되면 자동으로 실험 데이터를 저장하기 위한 창이 생성된다. 적절한 파일명과 데이터 저장 위치를 선택한 후 실험 데이터를 저장한다.

⑨제어용 프로그램 화면의 좌측 하단에 있는 종료 버튼을 누른 후 실험을 종료한다.