화학 공정 제어의 기초 동양미래대학교 생명화공과

Chemical Engineering & Systems 화학공정 제어의 특징 화학 반응 (chemical reactions)이 있음 T, P, F(유량), 반응 조건에 민감 가연성 물질, 위험물 사용 비선형 (nonlinear) 시스템 입력과 출력간의 비례 관계가 일반적으로 성립하지 않음 각 공정을 육안으로 확인하기 곤란 반응기, 관로 내에서 거의 모든 공정이 일어남 dead time 이 일반적으로 큼 수송 지연 (transportation lag)이 있음 Chemical Engineering & Systems

예제 - 교반 가열 탱크 과제 : 수온 (T)의 제어 물의 흐름이 있음 수온 조절을 위하여 히터 사용 흘러 들어오는 물의 유량과 온도는 계속 변화 비정상 상태 (unsteady state) T=T(t) Chemical Engineering & Systems

Chemical Engineering & Systems 예제의 제어 전략 온도 감지기 (sensor)의 선정 및 계장 탱크 온도(T)와 온도의 설정점 (TR)간의 오차로부터 출발하여 제어 최종 제어 요소 (final control element)를 결정 탱크의 온도 완충 효과를 감안 Chemical Engineering & Systems

Chemical Engineering & Systems 블럭 선도 (block diagrams) 시스템의 각 구성 요소를 하나의 블럭으로 나타냄 변수들 간의 관계를 총괄적으로 잘 파악할 수 있음 체계적 사고를 유도, 제어 전략 수립을 도움 Chemical Engineering & Systems

Chemical Engineering & Systems 예제의 제어 구성 온도 센서는 온도 측정값을 제어기로 전달 제어기는 자체적인 제어 방식에 따라 열원을 제어 열원으로는 전기 히터 또는 스팀(steam)을 사용 Chemical Engineering & Systems

Chemical Engineering & Systems 예제의 블럭 선도 final control element (최종 제어 요소) controller mechanism (제어부) comparator (비교기) controlled variable (제어 변수) Chemical Engineering & Systems

Chemical Engineering & Systems 기초적인 제어 용어 설정값 (set point) 제어되는 변수의 목표값 (TR) 부하 (load) 제어되는 변수들의 변화를 유발하는 어떤 변수의 변화 (Ti) 오차 (error; e) e = TR - T 되먹임 제어 (feedback control) 오차에 관한 정보를 이용하여 시스템을 제어하는 방식 Chemical Engineering & Systems

기초적인 제어 기술 (1) on-off control 일명 개폐식 제어이며 가장 간단한 제어법 제어기는 최종 제어 요소 (밸브나 스위치등)에 on 또는 off 명령만을 전달 (비례제어의 극단적인 경우에 해당) 잘못 사용하면 시스템이 불안해질 수 있음 특히 dead time이 큰 시스템의 경우 사용 예 가정용 소형 전열기 (커피 포트, 프라이 팬) 저가형 항온 수조, 어항 Chemical Engineering & Systems

기초적인 제어 기술 (2) proportional control 비례 제어 (P-control) 제어기는 오차(e)에 비례하는 출력 신호(압력 또는 전류, 전압)를 발생 p = e KC + ps Kc : 이득(gain) p : 제어기의 출력 신호 e : 목표값 - 측정값 시스템의 특성에 따라 Kc를 조절할 수 있음 진동은 적어지나, 잔류 편차 (offset)가 존재 Chemical Engineering & Systems

Chemical Engineering & Systems 전형적인 응답 곡선 비례 제어 (P-control) 비례 적분 제어 (PI-control) 비례 적분 미분 제어 (PID-control) 비례 미분 제어 (PD-control) Chemical Engineering & Systems

기초적인 제어 기술 (3) proportional-integral control 비례 적분 제어 (PI-control) Kc : 이득(gain) p : 제어기의 출력 신호 e : 목표값 - 측정값 ti: 적분 시간 오차의 적분에 비례하는 항을 비례 작용항 e Kc에 추가 잔류 편차 (offset)가 허용되지 않을 때 사용 비교적 진동이 심한 것이 단점 Chemical Engineering & Systems

기초적인 제어 기술 (4) proportional-integral-derivative control 비례 적분 미분 제어 (PID-control) Kc : 이득(gain) p : 제어기의 출력 신호 e : 목표값 - 측정값 ti: 적분 시간 td: 미분 시간 비례 작용항, 오차의 적분항, 미분항의 3개 조절항을 보유 잔류 편차가 없고 진동도 매우 적어 안정 성능이 우수하여 중,고급 제어기에 널리 사용 Chemical Engineering & Systems

기초적인 제어 기술 (5) proportional-derivative control 비례 미분 제어 (PD-control) Kc : 이득(gain) p : 제어기의 출력 신호 e : 목표값 - 측정값 td: 미분 시간 비례 작용항, 오차의 미분항을 보유 잔류 편차가 없으나 진동이 심함 시스템의 잡음(noise)에 취약 일반적으로 자주 사용되지 않음 Chemical Engineering & Systems

상호 작용(interaction)이 있는 시스템 시스템 일부에 가한 제어 조작이 전체 시스템에 영향을 줄 수 있음에 유의 (a)에서 두 탱크의 액위 (level)는 상호 독립적임 (b)에서는 두 탱크의 액위는 서로 긴밀한 영향을 미침 Chemical Engineering & Systems

Chemical Engineering & Systems Dead time과 수송 지연 복잡한 공정에서 일반적으로 존재 화학 반응, 유체의 수송, 열 및 물질 전달과 관련 화학 공정의 제어 난이도를 높이는 요인 양질의 제어를 위해서 반드시 감안해야 함 Chemical Engineering & Systems

Chemical Engineering & Systems 제어계의 안정성 (stability) 제어 신뢰성 측면에서 대단히 중요 안정한 계 (stable system) 모든 유한한 크기의 입력에 대하여 출력이 유한하게 되는 계 부하 변동에 대한 응답의 진폭이 점차적으로 감쇠 불안정한 계 (unstable system) 경우에 따라 응답의 진폭이 점증, 시스템의 파괴에 이름 Chemical Engineering & Systems

실제 제어계의 구성 예 온도 제어, 전자식 제어기, 공압식 제어 밸브 변환기 (transducer) 온도 신호를 4-20mA 전류 신호로 변환 제어기 (controller) 변환기 출력을 받아 소정의 제어 방식에 따라 처리, 전환기로 출력함 공압전환기(converter) 제어기의 제어 출력을 3-15psig의 공압 신호로 전환 공압 신호는 공압식 제어 밸브(control valve)를 구동 Chemical Engineering & Systems

고급 제어 기술 (advanced control) 다단 제어 (cascade control) 복잡한 계를 내부 루프와 외부 루프로 나누어 종합 제어 천천히 움직이는 부하를 조정하는데 유리 앞먹임 제어 (feedforward control) 공정에 특정한 부하가 빈번히 발생하는 경우 사용 비율 제어(ratio control) 일정 성분비의 혼합물을 만들기 위해 둘 이상의 흐름을 결합시켜 제어하는 경우 사용 불감 시간 보상 (dead time compensation) 커다란 수송 지연을 가지고 있는 계를 제어하기 위한 방법 Chemical Engineering & Systems

PLC (programmable logic controllers) 사용자의 목적에 따라 프로그래밍이 가능 복잡하고 능동적 (active)이며 유연한 (flexible) 제어가 가능 컴퓨터와 연결하여 (‘interfacing’) 데이터 처리 및 송수신이 가능 일반 자동 제어 분야 (기계, 전자공업등)에서 널리 이용 화학공업 분야에서도 사용이 증가하는 추세 Chemical Engineering & Systems

Chemical Engineering & Systems 컴퓨터와 화학 공정 제어 하드웨어 가격 하락/성능 향상 PID 제어기, PLC의 일반화 고급 제어 기술의 실현 디지탈 제어 (digital control) 분산 제어 시스템(distributed system) 인터페이싱 (interfacing) 기술의 중요성 Chemical Engineering & Systems