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

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

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

3 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.

4 PID 제어기의 블록 다이어그램

5 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. .

6 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.

7 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.

8 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.

9 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.

10 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.

11 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.

12 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.

13 자료 출처 제어시스템공학 - 청 문 각 제어시스템공학 - 생능 출판사
제어시스템공학 - 생능 출판사