DB1000조절및 PID 관계 작성자 : 김영복

1. 용어 공정 외란(외부온도,생산량) 조작량 제어량(조절량) 출력값 설정값 Heater(전기량:열) Steam(유량:열) 압력

2.제어란? 제어(조절):공정의 계측값을 희망하는 값으로 유지되도록 하는 일련의 행위 조절계:조절량과 설정값의 편차 신호를 바탕으로 여러 가지 연산을 하여 조작량을 결정하여 이에 비례하는 신호를 출력하는 기기

3.수동제어와 자동제어 공 정 수동제어

3.수동제어와 자동제어 자동제어 설정온도 PID 조절계 전기로 4~20 mA DC 조작부 Heater Thyristor Regulator 4~20 mA DC 수십~수백 Ampere의 AC 대전류가 흐름 조작부 전원

4.Feedback 제어 제어 연산 조작부 제어대상 조작량(ＭＶ) 편차(ＤＶ) 조작 신호 ＋ － 목표값（ＳＶ） 요구되는 설정값(SV)과 제어량(PV)을 비교하여，SV와 PV의 차이값을 바탕으로 SV와 PV가 일치하도록 조작량(MV)을 계산, 출력신호를 출력시켜 정정 동작을 행한 제어． 제어 연산 조작부 제어대상 조작량(ＭＶ) 편차(ＤＶ) 　 조작 신호 ＋ － 목표값（ＳＶ） 측정 치 （ＰＶ） 조절 계 SV: setting value PV:process variable DV:deviation variable MV:manipulated variable 제어량 외란( 제어계의 상태를 변화시키는외적 작용)

5.Feedforward 제어 공 정

6.프로세스의 특성 ·제어계는 검출부，조절 계，조작단, 제어 대상의 특성에 따라 제어 결과에 크게 영향을 준다． ·제어계는 검출부，조절 계，조작단, 제어 대상의 특성에 따라 제어 결과에 크게 영향을 준다． 프로세스의 동 특성 프로세스의 정 특성 100 ％ 조작량 (MV) 100 75 50 25 0 25 50 75 100％ 소 중　 대 제어량 (PV) ％ Heater 용량 (MV) ％ 시간　→ 조작량 Ｌ Ｔ 측정 치 100 50 (PV) L:등가 지연시간 　T:등가 시정수시간

7.ON-OFF제어와 연속 제어 ON-OFF제어 설정온도 ON-OFF 조절계 전기로 ON-OFF 신호 조작부 Heater 수십~수백 Ampere의 AC 대전류가 흐름 전원

7-1.ON-OFF제어와 연속 제어 ON 조절계 OFF 설정온도 공정 ON-OFF제어의 운동

7-2. 자동 제어 조절 계 열전대 연속제어 Heater SCR 전기로

7-3.조절계의 기능적 구조

8.제어 동작의 종류 1.2 위치 동작（on-off동작） 2.3 위치 동작 3.비례 동작（Ｐ 동작） 4.비례 동작＋적분 동작（ＰＩ 동작） 5.비례 동작＋미분 동작（ＰＤ 동작） 6.비례 동작＋적분 동작＋미분 동작（ＰＩＤ 동작） 비례 동작（Ｐ 동작）: Proportional action　적분 동작（Ｉ 동작）: Integral action 　　 미분 동작（Ｄ 동작）: Derivative action

9.2위치 동작(on-off동작） 목표 값(SV) TIC → ← 동작 불감대 전자 스위치 소← PV →대 전기로 ON　(MV100%) →　　　← 동작 불감대 전자 스위치 　OFF　　(MV0%) 소← PV →대 전기로 목표 값（SV） 측정값(PV)이 사이클링 (진동)하고 있다. 시간　→

9-1. ２위치 동작（on-off동작） 목표값 (SV) PV 100% 0% 조작량(MV) 시간 → ON ON ON OFF 　0% ON ON ON 조작량(MV) OFF OFF 시간　→ 온도 제어에서 Heater가 ON에서 OFF로 바뀌어도 PV는 잠시는 증가를 계속하였다가 감소한다．마찬가지로 OFF에서 ON로 바뀌어도 PV는 잠시 감소를 계속하였다가 증가하게 된다．

10. 3위치 동작 SV1 SV2 TIC → ←중간 대 냉각액 냉각용 목표값 (SV2) 가열용 목표값 (SV1) 시간 → → ←중간 대 냉각액 밸브 냉각용 목표값 (SV2) 가열용 목표값 (SV1) 시간 → 냉각 ON 가열 OFF 냉각 OFF 가열 OFF 냉각 OFF 가열 ON 측정 치(ＰＶ)

11.제어의 평가(양호,불량) 3.외란에 대한 응답성미분제어 1.안정성: 나쁘다 좋다비례제어 목표값 (SV) (PV의 진동) 2.편차의 대소: 고정편차적분제어 나쁘다 좋다 (PV가 높다) 목표값 (SV) (PV 가 낮다) 3.외란에 대한 응답성미분제어 나쁘다 좋다 목표값 (SV) (PV에의 복귀가 느리다)

12. 비례제어(Proportional Control) m=Kc × (PV-SV) = Kc × DV(e)…MV Kc…..비례감도, 비례계수, Gain PB= 1/Kc×100%(비례밴드) TIC 1.히터가 크면 진동이 심하다 2.히터가 작으면 안정이 느리다. 3.외란에 따라 히터가 달라야 한다. 4.외란에 따라 진동이 심하거나, 안정이 느리다.

12-1. 비례 동작（Ｐ 동작） TIC SV500 전기로 조작량 － ← 0 → ＋편차(DV) 100% 50 0 1000℃ 전기로　　　　　　　　 조작량 － ← 0 → ＋편차(DV) 100% 50 0 1000℃ 250 750 PB25% (MV) PB50%

·비례 대(PB) : Proportional band ·P 동작 조절계의 출력: MV(%)=(100/PB) ｅ ＋50% 1.비례 동작：입력에 비례한 조작량을 출력한 제어 동작． 2.비례대(PB)：출력이 0∼100％변화하는 데에 필요한 입력의 　　　　　 　변화 폭,Full Scale에 대한％로 표현된다． 3.비례 동작의 특징 　　1.비례대를 확대해 가면 ，진동의 주기가 길고，진폭은 　　　작아지고 안정성이 좋아지나 느리다． 　　2.비례대를 확대해 가면，오프셋（고정편차)가 커진다． ·비례 동작(P 동작): Proportional action ·비례 대(PB)　　 : Proportional band ·P 동작 조절계의 출력:　MV(%)=(100/PB) ｅ ＋50% 　PB：비례 대(%)，100/PB：비례　　，ｅ：편차(%)， 50%：초기값

12-3.비례 동작과 오프셋 100% 50 0 1000 ℃ 목표 치(SV) Heater용량:대 Heater용량:중 Heater용량:소 비례대PB50％ PB25％ 조작량 (MV) 비례 동작에서는 비례대 출력과 프로세스 정 특성 곡선의 교차점에서 제어가 안정되기 때문에 ，Offset(고정 편차)가 발생한다．

12-4.비례대（ＰＢ）크기에 의한 제어 결과의 차이 비례대:중 목표값 비례대: 대고정편차 적분제어(I) 비례대:소 (SV) 시간 → 비례대를 크게 하면 주기는 길고，진폭은 작아지지만 ，Offset(정상편차)이 발생한다

13. 적분(I) 제어 비례제어 출력값이 외란 만을 보상하는 경우에는 OFFSET(고정편차) 발생적분제어 m=Kc(e+1/Ti ×∫edt)+50% Kc*e + Ki ×∫edt +50% PI Control

13-1.비례 동작(P)＋적분 동작(I） SV 목표값 (SV) PV 편차 PV MV% P 동작 100% I 동작 Ｉ 동작 I 동작 Ｉ 동작 MV% 조작량 적분 시간　 T I PI 동작 (MV) V% MV I MV P 시간 → 시간 →

13-2. ＰＩ 동작 1.PI 동작으로는 비례 동작에 의하여 발생한 Offset을 적분 동작으로 제거한다． 2.적분 동작은 편차(Offset)가 있으면 ，조작 출력 MV를 증가， 또는 감소 시켜 편차를 제거한다． 3.적분 시간(Ti)은 앞의 그림과 같이 step 편차(e)에서 P 동작의 출력 변화분과 I 동작의 출력 변화분이 같아지는 시간（MV P =MV I 로 되기 까지의 시간)으로 한다．　 ·비례 동작(P 동작): proportional control action ·적분 동작(I 동작): integral control action ·PI 조절계의 출력 　 MV(%)=(100/PB)(ｅ＋1/Ti*∫ edt ） 　　 PB：비례대(%)，100/PB：비례상수，ｅ：편차(%) Ti:적분시간

13-3. 적분 동작의 효과 ·여기에서는 비례대를 일정하게 하고，적분 시간을 단축한 경우의 효과를 나타낸다． ·여기에서는 비례대를 일정하게 하고，적분 시간을 단축한 경우의 효과를 나타낸다． (SV) SV ↑ 긴 적분시간 짧은 적분시간 측정 치(PV) 목표값 조작값 (MV) 시간 → PV 편차 폐로의 제어 예 적분 시간을 단축하면, MV의 증감이 빨라지기 때문에 1.PV는 SV에 단시간에 근접한다． 2.Over shoot나 진동이 발생하기 쉽고, 안정이 나빠진다．

14.미분제어(D: Derivative control) 외란의 변화가 빠르거나 제어계에 지연이 있는 경우 진동이 있으며 안정이 느리다.미분제어 (rate control 또는 Derivative control) m=Kc *( e+ Td*de/dt) +50% =Kc*e +Kd*de/dt +50%PD Control

14-1.비례 동작(P)＋미분 동작(D) SV 목표값 (SV) PV PV MV% P 동작 MV% D 동작 조작량 Ｄ 동작 미분 시간　T D (MV) PD 동작 MV% MV P MV D 시간 → 시간 →

14-2. ＰＤ 동작 ·미분 동작(Ｄ 동작):Derivative action ·ＰＤ 조절계의 출력 1.PD 동작으로는 외란이 크게 발생시에 미분 동작으로 단시간에 크게 출력을 증가 또는 감소시켜, 원래의 PV에 단시간에 되돌리는 작용을 한다.（단,편차를 제로로 하는 작용은 아니다) 2.미분 동작은 PV（ 또는 편차)가 변화하면 ，단시간에 출력이 　증감하기 때문에 제어의 응답성을 크게 한다. 3.미분 시간(T D ) 은 앞의 그림과 같이 기울기 편차(경사 모양)에서 P 동작의 출력 변화분과 D 동작의 출력 변화분이 같게 되는 시간(MV P =MV D 로 되기 까지의 시간)으로 한다． ·비례 동작(Ｐ 동작):Proportional action ·미분 동작(Ｄ 동작):Derivative action ·ＰＤ 조절계의 출력 　 ;MV(%)=(100/PB)( ｅ ＋Td*de/dt ） 　 PB：비례 대(%)，100/PB：비례상수，ｅ：편차(%)，Td：미분시간　　

14-3. 미분 동작의 효과 ·여기에서는 비례대를 일정하게 하고，미분 시간을 단축한 경우의 효과를 표시한다． ·여기에서는 비례대를 일정하게 하고，미분 시간을 단축한 경우의 효과를 표시한다． 목표값 (SV) 미분 시간을 길게 하면，MV의 증감이 빨라지기 때문에 1. PV가 변화할 때，복귀 속도가 빨라진다．　　　　　　　 2.PV가 변화할 때,진동이 발생하기 쉽고,안정성이 나빠진다. θ PV 조작량 긴 미분시간 짧은 미분 시간 (MV) SV 폐로의 제어 예 PV 시간 →

15. ＰＩＤ 동작 스텝 응답 （개방로의 동작） 램프 응답 SV SV PV PV % PID 동작 PID 동작 조작량 I 동작 (MV) (MV) D 동작 P 동작

15-1. ＰＩＤ 동작 1. PID 동작은 P(현재 편차 조절), I(과거)，D(미래) 동작에 의하여 편차의 조절,외란 응답이 좋으며,안정된 제어를 행한다． 2. PID 동작에서 양호한 제어 결과를 얻기 위해서는 최적의 PID 값을 선택해야 한다． ·비례 동작(P 동작): Proportional action ·적분 동작(I 동작): Integral action ·미분 동작(D 동작): Derivative action ·PID 조절계의 출력: MV(%)=(100/PB)( ｅ ＋ 1/Ti*edt ＋ Td*de/dt ） PB：비례 대(%)，100/PB：비례，Ti：적분시간，Td：미분 시간 e： 편차(%) ＊D 동작에서 step편차를 가하면,이론적으로는 크기 무한대,시간폭 제로　 의 출력이 되지만 ，실제의 조절계에서는그림처럼 D동작의출력을 완화시켜 불완전 미분으로 하고 있다．

15-2.PID응용 및 PID값의 예 제어종류 제어형태 Kc Ti Td 온 도 PID 10~50% 1~10분 0.2~3분 온 도 PID 10~50% 1~10분 0.2~3분 압 력 PI 10~30% 10~60초 유 량 100~200% 10~30초 분석값 200~500% 10~20분 2~5분 레 벨 P 5~100% 5~50%

15-3.PID 조절계의 기능적 구조 m Ti Kc Td

16. Auto Tuning 기능 프로세스의 특성에 알맞은 최적의 ＰＩＤ 정수를 PID 조절계 자신이 자동 계산(Auto Tuning)하는 기능．Auto Tuning에는 여러 가지 방식이 있지만 ，여기에서는 Limit Cycling　　　　법의 예를 나타낸다．　　 시간 → 　　　　　 　　　　조작 　　　　　자동 종료 SV PID 동작 Tuning중（2 위치 동작）

17. ARW기능 (Acceptable Range Width) PID, PI계 제어의 값은 ⇒ 운전시 (Start시점)부터 큰 편차의 적분함으로 설정치(SV)에 도달할 때는 상당히 큰 적분치로 적산하여 Over Shoot가 발생 온도 설정치 비례대 ⓐ 과잉 적분치에 대한 Over Shoot 적분치 ARW 없는 때의 적분 초기치 시간 ARW 온도가 ⓐ에 도달하기 까지 적분적산을 제외시키고 비례대 내에서 적분동작을 Start 하여 Over Shoot를 방지하는 기능

18.Over Shoot/억제기능 목표값 (SV) 목표값 (SV) 목표값 (SV) PV PV의 SV 도달은 빠르지만 Over Shoot발생 목표값 (SV) PV 목표값 (SV) PV PV의 SV 도달은 빠르지만 Over Shoot가 발생한다. PV의 SV 도달은 느리다．

Gyro-Navi 18-1신 학습형 Over Shoot 억제기능 SV값 예측목표값 PV값 시간 제어 안정시간 다음 운전시 적용

19.조절계의 정/역 동작 기능 SV 0 1000℃ 100% 조작량 50 MV － ← 0 → ＋편차(DV) 조절계에는 PV가 증가하면 MV도 증가하는 동작과 ，PV가 증가하면 MV는 역으로 감소하는 역 동작의 출력이 있다．조절 계에서 프로세스에 맞추어 설정한다.(그림은 P 동작에서의 예) SV 조작량 － ← 0 → ＋편차(DV) 100% 50 0 1000℃ 역 동작의 출력(가열 제어등에서 사용) 정 동작의 출력(냉각 제어 등에서 사용) MV 일반적인 온도 제어를 예로 들면 ，가열 제어등 온도를 올리는 제어는 역 동작,역으로 냉각 제어등 온도를 내리는 제어는 정 동작으로 사용한다． ＊여기에서는 가열 제어를 염두에 둔 역 동작으로 조작량의 그래프를 표시하고 있다．

20.ＰＩＤ 조절계의 종류와 조작단

20-1.on-off servo형 조절계 유량 제어로의 사용 예 조절계와의 접속 FIC 유량 FT Ｍ 전동 밸브 조절계와의 접속　　　　 FIC FT M2:open　M1:comm 　　M3:close　　　 Ｍ 유량 밸브의 개폐 피드　백 저항 R1:open　　　 RC:comm　　 R2:close　　　 전동 밸브 V 조절 계 Control motor부 전동 밸브등 control motor로 조작단을 움직이는 조절계가 on-off servo형 조절계이다. Cotrol motor를 정회전 또는 역회전시키는 것으로 밸브의 개폐를 할 수 있습니다. Motor의 회전각(밸브의 개도등에 비례)은 feed back 저항에 의하여 조절계에 feed back되어, 조작량에 비례하여 밸브의 개폐를 할 수 있다． (사용전에 조절계와 조작단의 연결을 조정할 필요가 있음)

20-2.전류 출력형 조절계 100%(20mA) 75%(16mA) 50%(12mA) 25%(8mA) 0%(4mA) 조작량 (MV) 목표 치SV 전기로에서의 사용 예 TIC 조절계의 조작량에 비례하는 출력을 4∼20mADC등의 직류 전류 신호로 출력한다．

21. 제어 형태의 예 1.고정값 제어: 설정값이 시간 경과에 따라 변화하지 않는 제어． 2.프로그램 제어：미리 결정된 패턴에 따라 ＳＶ가 시간의 흐름에 따라 변화하는 제어． 3.비율 제어(Ratio Control)：2종 이상의 프로세스 양을 각각 일정한 비율로 유지하도록 하는 제어． 4.Cascade제어：피드백 제어계에서 1대의 조절계의 조작 신호 (MV)가 다른 조절계의 목표값(SV)이 되는 2개의 조절계가 연동되어 행해지는 제어．

21-1. 프로그램 제어 목표값 (SV) ← 온도 시간 → 조절계에 미리 설정된 프로그램 패턴에 따라 시간　→ 조절계에 미리 설정된 프로그램 패턴에 따라 　ＳＶ가 시간과 함께 변화하는 제어 조절계 본체에 프로그램 설정 기능을 가진 프로그램 조절계 이외에도 PC, 프로그램 설정기 등 외부신호로 조절계의 SV값을 원격에서 설정하는 방법이 있다.

21-2.프로그램 제어의 기능도

21-3. 비율 제어의 예 기준 유량 비율설정기 FT Ｒ PV1 SV PV2 유량조절계 FIC MV 추종 유량 ·2개의 제어량을 일정한 비율로 제어할 때에 사용한다． ·비율 설정기의 MV로 조절계의 SV를 원격에서 설정한다.

21-4.Cascade 제어의 예 PV TIC 1차 조절계 MV SV 2차 조절계 히터 조작부

21-5.Cascate제어의 기능구조