게이지 압력 0.1~0.6MPa 범위에서 0.1% 초정밀 압력 제어 솔루션 및 평가 시험 결과

게이지 압력 0.1~0.6MPa 범위에서 0.1% 초정밀 압력 제어 솔루션 및 평가 시험 결과

1. 전자식 공기압 조절기 소개
산업 응용 분야에서 요구되는 0.1% 초고정밀 압력 제어를 충족하기 위해, 본 논문에서는 이에 상응하는 해결책을 제안합니다. 제안된 해결책을 상세히 소개하고, 이를 기반으로 제작된 평가 시험 장치와 시험 결과를 제시하여 0.1% 초고정밀 압력 제어에 대한 해결책의 실현 효과를 입증합니다.

2. 전자식 공기압 조절기의 문제를 해결하는 방법은 무엇입니까?
이 솔루션의 핵심은 전자식 공기압 조절기를 기반으로 하며, 전자식 공기압 조절기의 압력 제어 정확도는 일반적으로 높지 않습니다. 따라서 고정밀 압력 센서와 PID 컨트롤러를 연결하여 초고정밀 압력 제어를 구현했습니다. 이 솔루션의 실현 가능성을 검증하고, 특히 초고정밀 PID 컨트롤러가 정밀 제어에 미치는 영향을 확인하기 위해 관련 평가 테스트를 수행했습니다. 평가 테스트 장치의 구조는 그림 1에 나와 있습니다.

평가 시험 장치는 주로 다음과 같은 부분으로 구성됩니다.
(1) 압력 센서: 정확도는 0.05%이고 범위는 절대 압력 0.1~1MPa이며 해당 전압 출력은 0~10V입니다.
(2) 전자식 공기압 조절기: 정확도는 0.25%이고 범위는 절대압 0.1~1MPa이며 제어 전압은 0~10V입니다.
(3) PID 컨트롤러: ADC는 24비트, DAC는 16비트, ADC 범위는 0~10V, DAC 범위는 0~10V입니다.
(4) 다중 채널 데이터 수집기: Agilent 34972A, 5.5/6.5자리 데이터 수집.
(5) 삼방향 파이프 연결구: 압력 용기로 사용되며 압력 센서 및 전자식 공기압 조절기와 연결됩니다.
(6) 컴퓨터: PID 컨트롤러 및 데이터 수집기와 통신하는 데 사용되며, PID 컨트롤러 및 데이터 수집기를 제어, 수집, 표시 및 저장하기 위해 해당 소프트웨어 프로그램을 설치 및 실행합니다.

당사의 이전 평가 테스트 및 제어 프로세스 데이터 분석에 따르면, 산업용 통합 PID 제어기가 0.1%의 제어 정확도를 달성하기 위해서는 다음과 같은 기술 지표를 충족해야 한다고 판단합니다.
(1) 외부 센서는 0.1% 이상의 초고정밀도를 가져야 합니다.
(2) 외부 액추에이터도 높은 정밀도를 가져야 하지만 0.1%의 초고정밀도가 반드시 필요한 것은 아닙니다.
(3) PID 컨트롤러는 최소 16비트가 필요하며, 24비트가 가장 좋습니다.
(4) PID 컨트롤러의 부동소수점 동작은 출력 백분율이 0.01%~0.05%의 조정 기능을 갖도록 보장해야 합니다.
(5) PID 컨트롤러의 DAC 비트 수는 최소 14비트 이상이어야 하며, 최적은 16비트이다. 위의 기술 지표 요구 사항 및 시험 결과에서 알 수 있듯이, 초고정밀 압력 제어를 달성하기 위해서는 외부 압력 센서, 공기 전자식 비례 압력 조절기 및 PID 컨트롤러가 정확도 요구 사항을 충족하는 것 외에도 PID 컨트롤러의 제어 출력과 부동 소수점 연산의 정밀도 또한 충분해야 한다. 이를 위해 16비트 출력 정밀도를 갖는 PID 컨트롤러를 채택하고, 이에 따라 부동 소수점 연산의 정밀도를 향상시켰다. 이러한 개선은 제어 출력의 최소 백분율을 0.1%에서 0.01%로, 제어 출력의 백분율을 소수점 첫째 자리에서 둘째 자리까지 증가시키는 것을 의미한다.

3. 전자식 공기압 조절기 시험 결과
상기 시험 장치를 이용하여 0.1~0.6MPa의 게이지 압력 범위에서 압력 정압 제어 시험을 수행하였다. 압력 설정값은 각각 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6MPa로 설정하여 PID 제어기의 출력 백분율과 제어 전압이 정압 제어에 미치는 영향 및 그 상관관계를 관찰하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
(1) 0.1~0.6MPa의 전체 압력 범위에서 변동률은 0.1% 범위 내에서 제어될 수 있습니다.
(2) 특히 0.3~0.6MPa의 높은 압력 범위에서는 변동률이 0.05% 이내로 안정적으로 제어될 수 있습니다.
(3) 전체 압력 범위의 제어 과정을 관찰하면 압력 제어가 안정화된 후 컨트롤러 출력 백분율의 변화 범위가 기본적으로 ±0.01%임을 알 수 있습니다. 이는 16비트 DAC의 사용과 부동 소수점 연산 정밀도의 증가가 제어 정밀도 향상에 매우 뚜렷한 영향을 미친다는 것을 보여줍니다.
(4) 0.1~0.2MPa의 저압 범위에서는 자체 튜닝 PID 파라미터를 사용하여 0.1%의 변동률을 제어할 수 있지만, 제어 파라미터를 더욱 최적화하면 제어 정확도를 더욱 향상시킬 수 있습니다. 위의 결론을 바탕으로 PID 컨트롤러의 파라미터를 간단히 최적화하여 0.1~0.2MPa의 저압 범위에서 정압 제어를 수행했습니다.

0.2MPa 설정값 제어 시 변동률은 0.05%로 효과적으로 감소하는 반면, 0.1MPa 설정값 제어 시 변동률은 기본적으로 0.1% 수준을 유지하며, 때로는 0.1%를 초과하는 경우도 발생합니다. 그러나 제어 전압 곡선을 관찰해 보면, 0.1MPa 설정값으로 정전압 제어를 시행할 경우 제어 전압 변동률은 기본적으로 0.05% 이내인 반면, 압력 변동률은 0.1%로 나타나는 것을 알 수 있습니다. 이는 주변 온도, 압력 센서 및 전자식 비례 밸브의 정확도 등 다른 외부 요인의 영향 때문일 수 있습니다. 0.1MPa 압력에서는 삼방향 배관 이음쇠 내부 압력이 주변 온도의 영향을 더 쉽게 받으며, 이 압력은 압력 센서의 정확도와 전자식 공기압 조절기의 허용 오차 범위를 초과하기 때문입니다.

4. 결론
위의 해결책과 평가 시험 결과를 통해, 이 해결책이 0.1%의 초고정밀 압력 제어를 완벽하게 달성할 수 있음을 입증했습니다. 구체적인 결론은 다음과 같습니다.
(1) 외부 초고정밀 압력 센서 및 PID 컨트롤러는 전자 공기압 조절기의 압력 제어 정확도를 효과적으로 향상시켜 0.1%의 초고정밀 압력 제어를 달성할 수 있습니다.
(2) 특히 0.2MPa 이상의 압력 범위에서 Kao Lu의 전자 공기압 조절기의 기술 지표인 0.1%를 완전히 달성할 수 있으며, 심지어 0.05%의 더 높은 제어 정확도를 달성할 수도 있습니다.
(3) 0.1%의 초고정밀 압력 제어 과정에서 PID 컨트롤러의 측정 정확도, 제어 정확도 및 부동 소수점 연산은 전체 제어 정확도를 결정하는 핵심 기술 지표입니다. 본 논문에서 기술한 솔루션은 24비트 ADC를 사용합니다. 0.01% 비트 DAC의 출력 비율과 고정밀 부동 소수점 연산은 초고정밀 제어의 요구 사항을 충분히 충족할 수 있음을 입증합니다.
(4) 본 논문의 해법과 실험적 검증을 통해 산업용 0.1% 초고정밀 PID 컨트롤러가 더 낮은 비용으로 초고정밀 제어를 완벽하게 달성할 수 있고 산업 분야의 다른 매개변수를 제어하는 데에도 사용할 수 있음이 입증되었습니다.

비례 압력 조절기에 대한 자세한 정보를 원하시면 Kao Lu 웹사이트를 방문하십시오!