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KR20110101813A - Modeling Techniques and Automatic Tuning PID Control Method of Industrial Heater System Using UDEAS - Google Patents

Modeling Techniques and Automatic Tuning PID Control Method of Industrial Heater System Using UDEAS Download PDF

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KR20110101813A
KR20110101813A KR1020100021086A KR20100021086A KR20110101813A KR 20110101813 A KR20110101813 A KR 20110101813A KR 1020100021086 A KR1020100021086 A KR 1020100021086A KR 20100021086 A KR20100021086 A KR 20100021086A KR 20110101813 A KR20110101813 A KR 20110101813A
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KR
South Korea
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pid
udeas
heater system
imc
tuning
Prior art date
Application number
KR1020100021086A
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Korean (ko)
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KR101721111B1 (en
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김종욱
김만석
김조환
Original Assignee
동아대학교 산학협력단
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Publication date
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    • GPHYSICS
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Abstract

본 발명은 산업용 히터 플랜트 제어 시스템에 적용되는 PID 제어기 의 동조과정을 자동으로 수행하는 자동동조 PID 제어 시스템으로 히터 플랜트의 현장 사용자가 많이 사용하고 있는 PID 제어기에 바탕을 두고 고속 연산 최적화 알고리즘인 uDEAS(univariate Dynamic Encoding Algorithm for Searches)을 이용하여 PID 제어기를 자동 동조하는 시스템으로 구성된 것을 특징으로 하는 uDEAS를 이용한 산업용 히터 시스템의 모델링 기법 및 자동 동조 PID 제어 방법에 관한 것으로, 연산 최적화 기법인 uDEAS를 이용하여 파라메터를 추정하는 방법을 사용함으로 인해서 빠른 모델링을 가능케 하며, 또한 히터 시스템 외에 비슷한 선형 시스템에서도 적용하여 정확하고 보다 빠른 모델링을 할 수 있고, 또한, 본 발명에서 제시한 IMC-PID를 이용한 자동 동조 PID 제어 방법은 종래의 PID 제어를 사용하는 산업용 제어 시스템의 불안정적인 요소를 보완 가능하며, 자동동조가 쉽게 가능해 지므로 산업 환경이나 외란에 대한 제어이득 변경을 용이하게 할 수 있으며 사용자의 편의를 크게 증대할 수 있는 효과가 있다.The present invention is an autotuning PID control system that automatically performs the tuning process of a PID controller applied to an industrial heater plant control system. Based on a PID controller that is frequently used by field users of a heater plant, uDEAS (high speed arithmetic optimization algorithm) The present invention relates to a modeling technique and an automatic tuning PID control method of an industrial heater system using uDEAS, comprising a system for automatically tuning a PID controller using univariate Dynamic Encoding Algorithm for Searches. By using the method of estimating parameters, it enables fast modeling, and also can be applied to similar linear system in addition to heater system for accurate and faster modeling, and also auto-tuning PID using IMC-PID proposed in the present invention. The control method is made of conventional PID The possible complement unstable elements of an industrial control system used, and the automatic tuning so easily possible to facilitate the control gain change for an industrial environment and disturbances, and there is an effect that can greatly increase the user's convenience.

Description

uDEAS를 이용한 산업용 히터 시스템의 모델링 기법 및 자동 동조 PID 제어 방법{Modeling of industrial heater systems and Auto-tuning PID control using uDEAS}Modeling of industrial heater systems and Auto-tuning PID control using uDEAS

본 발명은 섬유 연사공정에서 사용하는 산업용 히터 플랜트 제어 시스템에 적용되는 uDEAS를 이용한 산업용 히터 시스템의 모델링 기법 및 자동 동조 PID 제어 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a modeling technique and an automatic tuning PID control method of an industrial heater system using uDEAS applied to an industrial heater plant control system used in a fiber twist process.

일반적으로 PID 제어기는 간단한 구조와 이해의 용이성 등에 의해 많은 산업 현장 및 여러 제어가 필요한 제어기에 적용되어 왔으며, 현장의 사용자들이 가장 익숙하고 사용하기 편리한 제어시스템이다. 그러나 PID 제어기는 공정 환경이 변화 하거나, 외란에 의한 제어기 파라미터 변경 등 환경이 변경 되었을 경우 새로운 제어 이득 값을 구하는 과정이 복잡하고 많은 시간이 소요되며 현장 사용자들에게 많은 부담을 제공한다. 따라서 대부분의 현장 사용자들은 가장 많이 사용하는 공정 환경에서 동조 작업을 수행한 후, 공정 환경이 변화한 경우에도 새로운 동조 작업을 수행하지 않고 기존 상태로 운전하거나 경험적인 이득 값을 사용하여 새로운 동조 작업을 빠르게 진행하기도 하고, 수동으로 전환하여 사용하는 경우가 많아 제어하는 플랜트의 효율이 감소하고 과도상태에서 플랜트를 제어하는 경우 정상운전에 장애 요인이 되고 있다.
In general, the PID controller has been applied to many industrial sites and controllers requiring various controls due to its simple structure and ease of understanding, and is a control system most familiar and easy to use for users in the field. However, the process of obtaining new control gain value is complicated and time consuming and burdens the field users when the PID controller is changed in process environment or when the controller parameter is changed due to disturbance. Therefore, most field users perform tuning work in the process environment that they use the most, and then, even if the process environment changes, operate without any new tuning work or perform new tuning work using empirical gain values. In many cases, the process can be rapidly changed and used manually. Therefore, the efficiency of the controlling plant is reduced, and when the plant is controlled in a transient state, it is a obstacle to normal operation.

현장 사용자와 관련 전문가들은 PID 제어기 동조 시 시스템 출력단의 응답신호 파형을 검출하여 제어 기준치와 비교하고, 이를 통하여 시스템의 상태 진단 및 제어 파라메터인 비례계수(K P )과 적분계수(T I ), 미분계수(T D )를 조정하게 된다. 그리고 일반적으로 PID 제어기의 자동 동조 기법은 플랜트의 모델이 명확하지 않거나 모델이 작업 조건이나 외란에 의해 변화하는 경우 사용되는 무모델 조정기법으로서 위와 같은 문제를 해결할 수 있지만 그 적용 및 제어가 어려운 문제가 존재한다.
Field users and related experts detect the response signal waveform of the system output stage when tuning the PID controller and compare it with the control reference value. Through this, the system diagnosis and control parameters such as proportional coefficient ( K P ), integral coefficient ( T I ) and derivative The coefficient T D is adjusted. In general, the automatic tuning technique of PID controller is a modelless adjustment technique that is used when the model of the plant is not clear or the model changes due to working conditions or disturbances, but it is difficult to apply and control the above problems. exist.

그리고 종래의 기술로서, 국내 공개특허공보 제1993-0006519호에 PID 제어기의 동조 방법과 국내 등록특허공보 제846554호에 릴레이 되먹임 응답의 적분을 이용하는 자동동조 방법이 제안되어 있지만 상기와 같은 특허들의 경우에는 PID 제어기의 성능을 향상시켜 단위제어기의 고급화를 도모하거나 또는 공정의 임계정보와 주파수 모델을 보다 정확하게 구할 수 있지만 공정의 파라메터를 빠른 속도로 검색하는 데는 한계점이 있었다.
In the prior art, in Korea Patent Publication No. 1993-0006519, a tuning method of a PID controller and an automatic tuning method using an integration of a relay feedback response in Korean Patent Publication No. 846554 have been proposed. In order to improve the performance of the PID controller, the unit controller can be upgraded or the critical information and frequency model of the process can be obtained more accurately. However, there are limitations in retrieving the parameters of the process at high speed.

상기와 같은 문제점들을 해결하기 위한 본 발명은 산업용 히터 플랜트의 제어 방법을 종래 기술이 갖는 상기 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출한 것으로, 복잡하고 난해한 일반 PID 제어기의 동조 과정을 자동으로 수행하기 위한 방법으로 기존의 PID 제어기에 연산 최적화 기법을 이용한 자동 동조 PID 제어기 알고리듬 및 운전과 모니터링을 위한 시스템을 구성하여 현장 사용자가 쉽게 이해하고 적용할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 uDEAS를 이용한 산업용 히터 시스템의 모델링 기법 및 자동 동조 PID 제어 방법을 제공함을 과제로 한다.
The present invention for solving the above problems is created in view of the above problems with the prior art control method of the industrial heater plant, to solve this, a method for automatically performing the tuning process of a complex and difficult general PID controller The modeling technique of the industrial heater system using uDEAS is characterized by the automatic tuning PID controller algorithm using the operation optimization technique and the system for operation and monitoring in the existing PID controller so that users can easily understand and apply it. And an automatic tuning PID control method.

그리고 본 발명에 따른 연산 최적화 기법을 이용한 동조 시스템은 정상적인 PID 제어기 동조 상태에서 초기 PID 계수(K P , T D , T I )를 구하는 단계와; 초기 동조 후 uDEAS를 통해 각 히터 플랜트의 파라메터 값을 계산하는 단계와; 상기 단계에서 계산 한 파라메터 값을 PID 제어기에 적용하는 단계와; 에러 오차가 허용 오차보다 작을 때 현재의 제어신호를 인가하는 단계; 오차가 기준치 이상 발생했을 때 uDEAS를 이용하여 PID 계수를 조정하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 uDEAS를 이용한 산업용 히터 시스템의 모델링 기법 및 자동 동조 PID 제어 방법을 제공함을 다룬 과제로 한다.
The tuning system using the operation optimization technique according to the present invention includes the steps of obtaining an initial PID coefficient K P , T D , T I in a normal PID controller tuning state; Calculating a parameter value of each heater plant through uDEAS after initial tuning; Applying the parameter value calculated in the step to the PID controller; Applying a current control signal when the error error is less than the tolerance; An object of the present invention is to provide a modeling technique and an automatic tuning PID control method for an industrial heater system using uDEAS, comprising adjusting PID coefficients by using uDEAS when an error occurs above a reference value.

상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명은 uDEAS를 이용하여 산업용 히터 시스템을 모델링하는 방법에 있어서, In the present invention for achieving the above object in the method for modeling the industrial heater system using uDEAS,

선형적인 히터 시스템의 특성으로 인하여 3-파라메터 모델의 전달함수를 이용하는 단계; 상기 모델에서 미지의 파라메터를 추정하기 위해 연산 최적화 기법인 uDEAS를 사용하는 단계; 상기 uDEAS로 추정되어진 파라메터를 검증하기 위해 IAE(절대오차의 합)를 적용하는 단계; 상기 파라메터를 기준으로 적정 여부를 판단하여 uDEAS를 반복 수행하여, 적정 파라메터를 선택하고 이를 적용하는 단계;를 포함하는 uDEAS를 이용한 산업용 히터 시스템을 모델링 방법을 과제해결 수단으로 한다.
Using the transfer function of the 3-parameter model due to the nature of the linear heater system; Using uDEAS, an operation optimization technique, to estimate unknown parameters in the model; Applying an IAE (sum of absolute error) to verify a parameter estimated by the uDEAS; The method of modeling an industrial heater system using uDEAS includes a step of determining appropriateness based on the parameter and repeatedly performing uDEAS, selecting the appropriate parameter, and applying the same.

상기 uDEAS의 비용함수는 정적 변수 K, 시간상수 T, 무효 시간 L을 이용한 IAE 성능 지수의 결과 함수로 설정하고, The cost function of uDEAS is set as a result function of IAE performance index using static variable K , time constant T , and invalid time L ,

상기 uDEAS의 비용함수의 파라메터 정적 변수 K, 시간상수 T, 무효 시간 L는 IAE의 성능지수가 최소화 되어 해당 시스템에 잘 동정하느냐에 따라 uDEAS를 반복수행 하여 최적의 파라메터를 추정하는 것을 특징으로 한다.
The parameter static variable K , time constant T , and invalid time L of the cost function of uDEAS are characterized by estimating the optimal parameter by repeatedly performing uDEAS according to whether the performance index of IAE is minimized and well identified in the system.

그리고 본 발명은 IMC-PID를 이용하여 모델링 된 히터 시스템의 자동동조 방법에 대해서, And the present invention relates to an automatic tuning method of a heater system modeled using IMC-PID,

IMC-PID기법을 이용하여 변화하는 히터 시스템에 적용하는 단계; 상기 적용된 IMC-PID 계수를 uDEAS로 찾는 단계; 상기 uDEAS로 구해진 PID 계수를 검증하기 위해 IAE(절대오차의 합)를 적용하는 단계; 상기 PID 계수를 기준으로 적정 여부를 판단하여 uDEAS를 반복 수행하여, 제어 시스템의 PID 계수를 자동 동조하는 단계;를 포함하는 IMC-PID를 이용하여 모델링 된 히터 시스템의 자동동조 방법을 다른 과제 해결 수단으로 한다.
Applying to a changing heater system using the IMC-PID technique; Finding the applied IMC-PID coefficient with uDEAS; Applying an IAE (sum of absolute error) to verify the PID coefficient obtained by the uDEAS; Automatically tuning PID coefficients of a control system by repeatedly performing uDEAS by determining whether the titration coefficients are appropriate based on the PID coefficients, and an automatic tuning method of a heater system modeled using an IMC-PID. It is done.

상기 IMC-PID를 적용하여 종래의 비례계수(T P )과 적분계수(K I ), 미분계수(K P )를 찾는 PID 기법이 아닌 필터 계수 T F 만 조정하고, By applying the IMC-PID, only the filter coefficient T F is adjusted, not the PID technique for finding the proportional coefficient ( T P ), the integral coefficient ( K I ), and the differential coefficient ( K P ).

상기 필터 계수 T F 를 uDEAS를 이용하여 조정하며, The filter coefficient T F is adjusted using uDEAS,

상기 찾아진 필터 계수 T F 를 IAE 성능 지수의 결과 함수를 이용하여 적정 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 IMC-PID를 이용하여 모델링되며, The found filter coefficient T F is modeled using an IMC-PID, characterized by determining whether the titration is appropriate using a result function of an IAE performance index.

상기 필터 계수의 적정 여부와 해당 플랜트의 오차 여부에 따라 uDEAS를 이용하여 자동으로 필터계수를 찾는 것을 특징으로 한다.
The filter coefficients may be automatically found using uDEAS according to whether the filter coefficients are appropriate and the error of the corresponding plant.

따라서, 상기의 과제 해결 수단에 의한 본 발명에서 제시한 산업용 히터 시스템의 플랜트 모델링 기법은 복잡한 계산식을 필요로 하지 않고 연산 최적화 기법인 uDEAS를 이용하여 파라메터를 추정하는 방법을 사용함으로 인해서 빠른 모델링을 가능케 하며, 또한 히터 시스템 외에 비슷한 선형 시스템에서도 적용하여 정확하고 보다 빠른 모델링을 할 수 있다.
Therefore, the plant modeling method of the industrial heater system proposed by the present invention by the above-mentioned problem solving means does not require a complicated calculation equation, and enables fast modeling by using a method of estimating a parameter using uDEAS, which is an operation optimization technique. In addition, it can be applied to similar linear system in addition to heater system for accurate and faster modeling.

또한, 본 발명에서 제시한 IMC-PID를 이용한 자동 동조 PID 제어 방법은 종래의 PID 제어를 사용하는 산업용 제어 시스템의 불안정적인 요소를 보완 가능하며, 자동동조가 용이해 지므로 산업 환경이나 외란에 대한 제어이득 변경을 용이하게 할 수 있으며 사용자의 편의를 크게 증대할 수 있는 효과가 있다.
In addition, the automatic tuning PID control method using the IMC-PID proposed in the present invention can compensate for the unstable elements of the industrial control system using the conventional PID control, and the automatic tuning is easy to control the industrial environment or disturbance. The gain can be easily changed and the user's convenience can be greatly increased.

도 1은 본 발명인 uDEAS를 이용한 산업용 히터 시스템의 모델링 기법 및 자동 동조 PID 제어 방법를 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명에서 uDEAS를 이용하여 추정된 히터 시스템의 스텝응답을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명에서 적용한 IMC-PID의 구조를 도시한 블록도이다.
1 is a flowchart illustrating a modeling technique and an automatic tuning PID control method of an industrial heater system using the present invention uDEAS.
Figure 2 is a graph showing the step response of the heater system estimated using uDEAS in the present invention.
3 is a block diagram showing the structure of an IMC-PID applied in the present invention.

이하, 상기의 효과를 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 기술적 구성을 첨부된 도면을 중심으로 상세히 설명하면 다음과 같다. 그리고 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 uDEAS를 이용한 산업용 히터 시스템의 모델링 기법 및 자동 동조 PID 제어 방법을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위 내에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the preferred technical configuration of the present invention for achieving the above effects in detail as follows. In the following description, only the parts necessary for understanding the modeling technique and the automatic tuning PID control method of the industrial heater system using the uDEAS according to the present invention will be described. Note that it will be omitted from.

본 발명을 첨부된 도면인 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면 아래의 내용과 같다.
Referring to the present invention with reference to the accompanying drawings, Figures 1 to 3 as follows.

도 1은 본 발명에 따른 자동동조 PID 제어기의 구조 및 흐름도로서, 초기 동조 단계에서는 히터 플랜트를 모델링하여 초기 PID 계수의 영역을 결정하게 되며 이를 바탕으로 uDEAS를 이용하여 동조를 하기 위한 임의의 초기 탐색점을 생성한다. 이를 디코딩하여 성능 지수의 계수를 측정하고 비용함수를 계산한다. 비용함수를 계산한 해가 개선되지 않았을 경우 위의 과정을 다시 반복하게 되며 해가 개선되었을 경우 해당 계수를 초기 PID 계수로 결정한다.
1 is a structure and flowchart of an autotuning PID controller according to the present invention. In an initial tuning step, a heater plant is modeled to determine an area of an initial PID coefficient. Based on this, an initial search for tuning using uDEAS is performed. Create a point. Decode it to measure the coefficient of performance index and calculate the cost function. If the solution for calculating the cost function is not improved, the above process is repeated. If the solution is improved, the coefficient is determined as the initial PID coefficient.

또한 온라인 동조 단계에서는 초기 동조에서 구해진 계수 값을 이용하여 에러 오차를 확인한다. 에러 오차를 확인하는 방법은 히터 시스템에 대한 시뮬레이션으로 구하게 된다. 에러 오차가 허용 오차보다 작을 경우 이 값을 플랜트 제어기에 인가하여 플랜트를 제한. 하지만, 에러 오차가 허용 오차보다 클 경우 uDEAS를 이용하여 PID 계수를 다시 결정한다. 제어되는 플랜트는 출력 값으로 온도를 반환하며 출력 온도와 제어 기준치와 비교하여 시스템의 상태진단 및 제어 계수를 조정한다.
In the online tuning step, the error error is checked using coefficient values obtained in the initial tuning. The method of checking the error error is obtained by simulation of the heater system. If the error error is less than the tolerance, apply this value to the plant controller to limit the plant. However, if the error error is larger than the allowable error, uDEAS is used to determine the PID coefficients again. The controlled plant returns the temperature as an output value and adjusts the system diagnostics and control coefficients by comparing the output temperature with the control reference.

본 발명에서는 동조를 위해 제어 대상인 히터 플랜트를 모델링하여 해당 파라메터를 검출한다. 히터 플랜트를 모델링하기 위해 3-파라메터 모델을 사용하며 3-파라미터 모델의 전달함수는 아래 수학식 1과 같다.
In the present invention, the parameter is detected by modeling a heater plant to be controlled for tuning. A 3-parameter model is used to model the heater plant, and the transfer function of the 3-parameter model is shown in Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001

Figure pat00001

상기 수학식에서 T는 시간상수(time constant)이며, K는 정적변수(static gain), L은 무효시간(dead time)을 나타낸다. 이 값들은 측정된 단위 응답 데이터로부터 도식적으로 찾는 경우가 많았다. 본 발명에서는 상기 수학식을 스텝 입력에 대한 응답으로 나타내서 연산최적화 기법을 사용하여 파라메터를 추정한다. 상기 수학식을 스텝 입력에 대한 응답식으로 나타내면 아래다음 수학식 2와 같다.
In the above equation, T is a time constant, K is a static gain, and L is a dead time. These values were often found graphically from the measured unit response data. In the present invention, the equation is expressed as a response to the step input to estimate the parameter using an operation optimization technique. When the equation is expressed as a response to the step input, Equation 2 below is given.

[수학식 2][Equation 2]

Figure pat00002

Figure pat00002

상기 수학식에서 yo는 상온을 나타내며, 측정값으로부터 직접 구할 수 있다. 여기서 측정값을 롤 히터에 대한 스텝응답이며 도 2은 롤 히터의 스텝응답을 나타낸다. 상기 수학식에서 연산 최적화 기법으로 찾아야 할 파라미터들은 K, T, L로 총 3개가 된다.
In the above equation, y o represents room temperature and can be obtained directly from the measured value. Here, the measured value is the step response to the roll heater, and FIG. 2 shows the step response of the roll heater. In the above equation , three parameters , K, T, and L, to be found by the operation optimization technique, are totaled.

본 발명에서는 연산 최적화 기법을 이용하여 상기 파라미터들을 추정(estimation)한다. 파라메터는 성능지수 값이 최소가 되도록 결정해야 한다. 본 발명에서는 추정오차의 절대값(Integral Absolute Error, IAE)인 성능지수를 최소화해야 하며 최소화시켜야 할 비용함수는 다음 수학식과 같이 정의 된다.
In the present invention, the parameters are estimated by using an operation optimization technique. The parameter should be determined so that the figure of merit is minimized. In the present invention, the performance index, which is the absolute value of the estimated error (Integral Absolute Error, IAE), should be minimized, and the cost function to be minimized is defined as the following equation.

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure pat00003

Figure pat00003

상기 수학식에서 N은 히터의 온도 측정점 개수이다. Tf는 시뮬레이션을 수행한 총 시간을 나타내며, 이는 적분을 이산적으로 표현하기위해 사용한다. 도 2는 상기 수학식 3을 연산최적화 기법을 사용하여 추정한 히터 플랜트 온도와 실제 히터 플랜트 온도의 구간별 상승 시간을 비교한 것이다. 본 발명은 상기 수학식에서 추정되어진 파라메터를 수학식 1에 적용하여 히터 시스템에 대한 모델링 방법을 제안한다.
In the above equation, N is the number of temperature measurement points of the heater. T f represents the total time the simulation was performed, which is used to represent the integral discretely. FIG. 2 compares Equation 3 with the rise time of each section of the heater plant temperature estimated using the operation optimization technique and the actual heater plant temperature. The present invention proposes a modeling method for a heater system by applying a parameter estimated in Equation 1 to Equation 1.

또한, 본 발명에서 추정된 히터 시스템에 대한 모델을 제어하기 위해 사용하는 PID 제어기는 IMC-PID 제어기로 구조는 도 3과 같다. IMC-PID는 기존 PID 제어기 구조에 비해 내부안정성이 보장되고, 모델링 오차가 거의 없다고 가정할 때 출력이 입력을 완전히 추종하는 완전 제어기 구조를 가진다. 일반적인 IMC-PID 구조는 도 3과 같이 시간지연 항을 포함한 1차 모델을 공칭모델로 사용하는 구조이다. 공칭 모델(플랜트의 모델)은

Figure pat00004
로 분리가능하며 여기서,
Figure pat00005
은 최소 위상,
Figure pat00006
은 크기가 1인 비최소위상이라고 가정한다. 필터
Figure pat00007
는 공칭폐루프 전달함수를 설계자가 원하는 형태로 구성할 수 있으며, 해당 필터는 공칭모델의 최소 위상 부분을 보상할 수 있도록 선정한다. 필터
Figure pat00008
를 최소 위상 부분을 보상할 수 있도록 선정하면 다음 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.
In addition, the PID controller used to control the model for the estimated heater system in the present invention is an IMC-PID controller structure is shown in FIG. The IMC-PID has internal stability compared to the conventional PID controller structure, and has a complete controller structure in which the output completely follows the input, assuming that there is little modeling error. The general IMC-PID structure uses a primary model including a time delay as a nominal model as shown in FIG. 3. The nominal model (model of the plant)
Figure pat00004
Can be separated from
Figure pat00005
Is the minimum phase,
Figure pat00006
Assumes a non-minimum phase of size 1. filter
Figure pat00007
The nominal closed-loop transfer function can be configured in the form desired by the designer, and the filter is selected to compensate for the minimum phase portion of the nominal model. filter
Figure pat00008
If to select to compensate for the minimum phase portion can be expressed as shown in Equation 4.

[수학식 4]
[Equation 4]

Figure pat00009

Figure pat00009

상기 수학식에서

Figure pat00010
는 필터 계수이며, n은
Figure pat00011
의 차수가 된다. 이를 이용하여 제어기 P를 나타내면 다음 수학식 5와 같이 표현할 수 있다.
In the above equation
Figure pat00010
Is the filter coefficient and n is
Figure pat00011
Is the order of. If controller P is represented using this, it can be expressed as Equation 5 below.

[수학식 5]
&Quot; (5) "

Figure pat00012

Figure pat00012

또한, 공칭 모델을 실제 플랜트로 근사화 하기 위해

Figure pat00013
를 3-파라메터 1차 근사 모델이라고 가정한다. 1차 근사화
Figure pat00014
되는 다음 수학식 6과 같이 표현할 수 있다.
Also, to approximate the nominal model to the actual plant
Figure pat00013
Is assumed to be a 3-parameter first approximation model. 1st approximation
Figure pat00014
It can be expressed as Equation 6 below.

[수학식 6]
&Quot; (6) "

Figure pat00015

Figure pat00015

상기 수학식에서도 수학식 1과 유사하게 표현할 수 있으며, 근사화된 모델로 수학식 1과 차이를 두기 위해 시간상수는

Figure pat00016
이며, 정상상태이득(steady state gain)은
Figure pat00017
는 , 무효시간은
Figure pat00018
으로 나타낸다. 상기 수학식을 수학식 4와 5를 이용해 정리하면 다음 수학식 7처럼 나타낼 수 있다.
The above equation may be expressed similarly to Equation 1, and a time constant may be expressed to approximate the Equation 1 with an approximated model.
Figure pat00016
And steady state gain is
Figure pat00017
, Invalid time is
Figure pat00018
Represented by When the equations are arranged using Equations 4 and 5, they can be expressed as Equation 7 below.

[수학식 7]
&Quot; (7) "

Figure pat00019

Figure pat00019

상기 수학식 중 비최소위상은 지수함수 형태로 되어 있기에 연산하기가 상당히 복잡하므로 연산의 간소성을 위하여 이를 1차 파데 근사(Pade-Approximation)하여 나타낸다. 다음 수학식 8은 비최소 위상을 1차 파데 근사하여 나타낸 것이다.
Since the non-minimum phase of the above equation is in the form of an exponential function, it is very complicated to calculate, so it is represented by first-order Pade-Approximation for simplicity of operation. Equation 8 shows the non-minimum phase by approximating the first Pade.

[수학식 8][Equation 8]

Figure pat00020

Figure pat00020

상기 수학식 7과 수학식 8을 수학식 5에 대입하여 정리하면 다음 수학식 9처럼 나타낼 수 있다.
When the equations (7) and (8) are substituted into equation (5), the equations (7) and (8) may be expressed as in equation (9).

[수학식 9][Equation 9]

Figure pat00021

Figure pat00021

IMC-PID에 적용하는 PID 전달함수는 다음 수학식 10과 같다.
The PID transfer function applied to the IMC-PID is shown in Equation 10 below.

[수학식 10]
[Equation 10]

Figure pat00022

Figure pat00022

상기 수학식에서 K(=KP), Td, Ti는 각각 비례계수, 적분 시간계수, 미분 시간계수를 나타낸다. 상기 수학식을 수학식 9와 대응하여 제어기 설게 변수간의 관계를 다음 수학식 11처럼 유도할 수 있다.
In the above equation, K (= K P ), T d , and T i represent the proportional coefficient, the integral time coefficient, and the derivative time coefficient, respectively. In relation to Equation 9, the relationship between the controller design variables may be derived as in Equation 11 below.

[수학식 11][Equation 11]

Figure pat00023

Figure pat00023

상기 수학식에서 IMC-PID 제어기의 설계변수는

Figure pat00024
이며 이 값을 이용하여 PID 계수를 결정하게 된다. uDEAS를 이용하여 상기 설계 변수인
Figure pat00025
를 추정하게 되며 이에 대한검증은 역시 상기 내용에서 설명한 IAE 성능지수를 최소화 하는 방법을 이용한다.
In the above equation, the design variable of the IMC-PID controller is
Figure pat00024
This value is used to determine PID coefficients. Using uDEAS, the design variable
Figure pat00025
The verification is also performed using a method of minimizing the IAE performance index described above.

Q(S) : 강인성필터(F) 포함되어 있는 필터모델
G(S) : 제어대상 플랜트
GO(S) : 플랜트의 공칭 모델
Q (S): Filter model with toughness filter (F)
G (S): Plant to be controlled
G O (S): nominal model of the plant

Claims (8)

uDEAS를 이용하여 산업용 히터 시스템을 모델링하는 방법에 있어서,
선형적인 히터 시스템의 특성으로 인하여 3-파라메터 모델의 전달함수를 이용하는 단계; 상기 모델에서 미지의 파라메터를 추정하기 위해 연산 최적화 기법인 uDEAS를 사용하는 단계; 상기 uDEAS로 추정되어진 파라메터를 검증하기 위해 IAE(절대오차의 합)를 적용하는 단계; 상기 파라메터를 기준으로 적정 여부를 판단하여 uDEAS를 반복 수행하여, 적정 파라메터를 선택하고 이를 적용하는 단계;를 포함하는 uDEAS를 이용한 산업용 히터 시스템을 모델링 방법.
In the method for modeling an industrial heater system using uDEAS,
Using the transfer function of the 3-parameter model due to the nature of the linear heater system; Using uDEAS, an operation optimization technique, to estimate unknown parameters in the model; Applying an IAE (sum of absolute error) to verify a parameter estimated by the uDEAS; Determining whether the titration is appropriate based on the parameter, and repeatedly performing uDEAS, selecting an appropriate parameter and applying the same. The method of modeling an industrial heater system using uDEAS includes;
제 1항에 있어서,
상기 uDEAS의 비용함수는 정적 변수 K, 시간상수 T, 무효 시간 L을 이용한 IAE 성능 지수의 결과 함수로 설정하는 것을 특징으로 하는 uDEAS를 이용한 산업용 히터 시스템의 모델링 방법.
The method of claim 1,
The cost function of the uDEAS is set as a function of the result of the IAE performance index using the static variable K , time constant T , invalid time L.
제 1항에 있어서,
상기 uDEAS의 비용함수의 파라메터 정적 변수 K, 시간상수 T, 무효 시간 L는 IAE의 성능지수가 최소화 되어 해당 시스템에 잘 동정하느냐에 따라 uDEAS를 반복수행 하여 최적의 파라메터를 추정하는 것을 특징으로 하는 uDEAS를 이용한 산업용 히터 시스템의 모델링 방법.
The method of claim 1,
The parameter static variables K , time constant T , and invalid time L of the cost function of uDEAS are minimized by the performance index of the IAE, and the uDEAS is repeatedly estimated according to whether they are well identified in the system. Modeling method of industrial heater system using.
IMC-PID를 이용하여 모델링 된 히터 시스템의 자동동조 방법에 대해
IMC-PID기법을 이용하여 변화하는 히터 시스템에 적용하는 단계; 상기 적용된 IMC-PID 계수를 uDEAS로 찾는 단계; 상기 uDEAS로 구해진 PID 계수를 검증하기 위해 IAE(절대적분오차)를 적용하는 단계; 상기 PID 계수를 기준으로 적정 여부를 판단하여 uDEAS를 반복 수행하여, 제어 시스템의 PID 계수를 자동 동조하는 단계;를 포함하는 IMC-PID를 이용하여 모델링 된 히터 시스템의 자동동조 방법.
Auto-tuning method of heater system modeled using IMC-PID
Applying to a changing heater system using the IMC-PID technique; Finding the applied IMC-PID coefficient with uDEAS; Applying an absolute integration error (IAE) to verify the PID coefficient obtained with the uDEAS; Automatically tuning PID coefficients of a control system by repeatedly performing uDEAS by determining whether the titration coefficient is appropriate based on the PID coefficients. The automatic tuning method of the heater system modeled using the IMC-PID.
제 4항에 있어서,
상기 IMC-PID를 적용하여 종래의 비례계수(T P )과 적분계수(K I ), 미분계수(K P )를 찾는 PID 기법이 아닌 필터 계수 T F 만 조정하는 것을 특징으로 하는 IMC-PID를 이용하여 모델링 된 히터 시스템의 자동동조 방법.
The method of claim 4, wherein
The applying IMC-PID to the IMC-PID, characterized in that for adjusting the filter coefficients T F not the PID technique to find the conventional proportional coefficient (T P) and the integral coefficient (K I), the differential coefficient (K P) only Auto-tuning method of heater system modeled using.
제 4항에 있어서,
상기 필터 계수 T F 를 uDEAS를 이용하여 조정하는 것을 특징으로 하는 IMC-PID를 이용하여 모델링 된 히터 시스템의 자동동조 방법.
The method of claim 4, wherein
Autotuning method of the heater system modeled using IMC-PID, characterized in that the filter coefficient T F is adjusted by using uDEAS.
제 4항에 있어서,
상기 찾아진 필터 계수 T F 를 IAE 성능 지수의 결과 함수를 이용하여 적정 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 IMC-PID를 이용하여 모델링 된 히터 시스템의 자동동조 방법.
The method of claim 4, wherein
Autotuning method of the heater system modeled using the IMC-PID characterized in that determining the appropriate filter coefficient T F by using a result function of the IAE performance index.
제 4항에 있어서,
상기 필터 계수의 적정 여부와 해당 플랜트의 오차 여부에 따라 uDEAS를 이용하여 자동으로 필터계수를 찾는 것을 특징으로 하는 IMC-PID를 이용하여 모델링 된 히터 시스템의 자동동조 방법.
The method of claim 4, wherein
Autotuning method of a heater system modeled using IMC-PID characterized in that the filter coefficients are automatically found using uDEAS according to whether the filter coefficients are appropriate and the error of the corresponding plant.
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