정보제어공학과 2003030478 박민욱 mindsaga@naver.com P I D 제어 정보제어공학과 2003030478 박민욱 mindsaga@naver.com

목 차 1. PID 제어란? 2. P, PI, PID 제어기의 특성 3. 제어기의 특성과 각 요소 4. PID 제어기의 정리 5. 자료 출처

PID 제어란? 제어 변수와 기준 입력 사이의 오차에 근거하여 계통의 출력 이 기준 전압을 유지하도록 하는 피드백 제어 의 일종. 실제 산업현장에서 쓰이는 자동제어 방식 가운데서 가장 흔 히 이용되는 제어 방식. P(Proportional) 은 비례 제어, I (Integral) 은 적분 제어, D(Differential) 은 미분 제어들을 조합한것. P 제어에 의해서 어떠한 헌팅도 없이 부드러운 운전을 달성 할 수 있으며, I 제어에 의해서 정상상태 오차를 보정할 수 있 고, D 제어에 의해서 피드백 값에 영향을 미치는 외란 에 대 한 빠른 응답을 가지도록 할 수 있다. 제어하고자 하는 대상의 출력 값을 측정하여 이를 원하고자 하는 참조 값 혹은 설정 값과 비교하여 오차(error)를 계산하 고, 이 오차값을 이용하여 제어에 필요한 제어 값을 계산하는 구조로 되어 있다.

PID 제어기의 블록 다이어그램

PID 제어기의 특성 On/off 제어 단순한 On/Off 제어의 경우에는 제어 조작양은 0%와 100% 사이를 왕래 하므로 조작양의 변화가 너무 크고, 실제 목표 값에 대해 지나치게 반복하기 때문에 목표 값의 부근에서 凸凹 를 반복하는 제어로 되고 만다. .

P(비례) 제어 비례 제어란 기준 신호와 되먹임 신호 사이의 차인 오차 신호에 적당한 비례상수 이득을 곱해서 제어신호를 만든 다. on/off 에 대해 조작 량을 목표 값과 현재 위치와의 차에 비례한 크기가 되도록 하며, 서서히 조절 하는 제어 방법이 비례 제어라고 하는 방식이다. 이렇게 하면 목표 값에 접근하면 미묘한 제어를 가할 수 있기 때문에 미세하게 목표 값에 가까이 할 수 있다. 아주 단순한 시스템의 경우를 제외 하고는 단독으로 쓰이는 경우가 없다.

PI(비례적분) 제어 P 제어로 잘 제어할 수 있을 것 같지만 실제로는 제 어 량이 목표 값에 접근하면 문제가 발생한다. P 제어의 특성 그래프를 보면 일정 크기의 정상상태 오차가 계속 남아있게 된다. 이는 P 제어로는 처리 할 수 없는 작은 오차(잔류편차)이므로  P 제어 만으로는 없앨 수가 없다.  이 미소한 오차인 잔류편차를 없애기 위해 사용되는 것이 I 제어이다. 즉, 미소한 잔류편차를 시간적으로 누적하여, 어떤 크기로 된 곳에서 조작 량을 증가하여 편차를 없애는 식으로 동작시킨다. 이와 같이, 비례 동작에 적분 동작을 추가한 제어를 "PI 제어"라 부른다. 정상상태 오차를 없애기 위해 사용되며 반응속도가 느려지는 단점이 있다.

PI 제어기의 특성 그래프 파란 선은 P 제어에 의한 조작 량이고, 녹색 선이 I 제어에 의한 조작 량이다. 그림을 보면 I 제어는 일정 시간 동안 오차가 누적되어 일정 값을 넘어서면 시작하게 된다.

D(미분) 제어와 PID 제어 PI 제어로 실제 목표 값에 가깝게 하는 제어는 완벽 하게 할 수 있다. 그러나 또 하나 개선의 여지가 있다. 그것은 제어 응답의 속도이다. PI 제어에서는 확실히 목표 값으로 제어할 수 있지만, 일정한 시간(시정수) 이 필요하다. 이때 정수가 크면 외란 이 있을 때의 응 답 성능이 나빠진다. 그래서 필요하게 된 것이 미분 동작이다. 이것은 급격히 일어나는 외란 에 대해 편차 를 보고, 전회 편차와의 차가 큰 경우에는 조작 량을 많이 하여 기민하게 반응하도록 한다. 즉 D 제어는 오차 값의 변화를 보고 조작 량을 결정 하는 방법이다.

PID 제어기의 특성 그래프 D 제어는 오차의 변화의 반대방향으로 제어가 이루어지게 된다. 즉 오차의 값을 미분한(즉 빨간 선의 기울기)의 반대방향으로 조작량을 변화시킨다. 그렇기 때문에 빨간 선과 파란 선을 비교하면 서로 반대의 모양으로 급격하게 조작 이 변하는 것을 볼 수 있다.

제어기의 특성과 각 요소 Overshoot 목표 값에 비해서 최고로 오차가 커지는 부분이 얼마인가를 보는 것이다. 이 값이 너무 커지면 시스템에 무리를 줄 수도 있다. 정착시간 제어는 어차피 완전히 100% 수렴 할 수는 없다. 그래서 목표 값의 ±2%에 들어가면 제어가 완료된 것으로 본다. 그 시간이 짧을 수록 좋은 제어기이다. C. 정상상태 오차 제어 량이 목표량의 일정범위에 도달하였으나 없어지지 않고 남아있는 오차이다.

PID 제어기 정리 P 제어는 PID 제어기에서 반드시 사용하는 가장 기본적인 제어이며 구현하기 쉽다. 그러나 이 제어만으로는 I 제어 가 플랜트에 없을 경우에 정상상태 오차가 발생한다. I 제어는 정상상태 오차를 없애기 위해 사용된다. 그러나 계수조정이 잘못되면 시스템이 불안정해지고 반응속도가 느려진다. D 제어는 잘 활용하면 안정성과 응답속도를 빠르게 하는 데 시스템에 잡음성분이 있을 경우 제어입력에 나쁜 영향 을 미치는 단점이 있다. D 제어는 편차의 미분을 바탕으로 수행되기 때문에 매우 민감한 제어이다. 그러므로 외부의 신호나 잡음에 의해서 영향을 받을 수 있으며, 시스템이 쉽게 불안정하게 된다. 일반적으로 D 제어는 유량이나, 압력, 온도와 같은 프로세 서 제어에 필요하지는 않다.

자료 출처 제어시스템공학 - 청 문 각 제어시스템공학 - 생능 출판사 제어시스템공학 - 생능 출판사 http://kr.blog.yahoo.com/kkhpys/1045 http://maxpulse.tistory.com/139 http://blog.daum.net/sq599/12721901