산업 현장에서 0.1% 초정밀 PID 제어기 구현 및 주요 매개변수 분석

산업 현장에서 0.1% 초정밀 PID 제어기 구현 및 주요 매개변수 분석

1. 비례 압력 조절기란 무엇입니까?
산업 현장에서는 온도, 진공 압력, 유량과 같은 공정 변수의 초정밀 제어가 요구되는 경우가 많습니다. 산업 현장에서의 제어 정확도는 고정밀(1%)과 초고정밀(0.1%)로 구분되며, 고수준 실험실 및 계측 교정에서는 0.05% 이상의 제어 정확도가 요구되는 경우가 흔합니다.

완전한 PID 제어 시스템의 경우, 일반적인 제어 루프는 그림 1에서와 같이 폐루프 형태입니다.

그림 1에서 보는 바와 같이, 폐루프 PID 제어 시스템에서 센서와 액추에이터는 기본적으로 외부 장치이며, 제어 매개변수 및 정확도 요구 사항에 따라 선택할 수 있습니다. 산업 현장에서는 PID 컨트롤러가 독립적인 제어 장치로 요구되는 경우가 많으므로, 산업용 PID 컨트롤러는 그림 1과 같이 아날로그-디지털 변환기(ADC), 마이크로컨트롤러(MCU), 디지털-아날로그 변환기(DAC)를 통합한 형태로 구성됩니다.

측정 및 교정 분야와 같이 높은 정밀도가 요구되는 일부 측정 및 제어 환경에서는 PID 컨트롤러의 정확도를 향상시키기 위해 일반적으로 이산 구조의 PID 제어 시스템이 사용됩니다. 즉, 그림 1의 PID 컨트롤러에서 아날로그-디지털 변환기(ADC)와 마이크로컨트롤러(MCU)를 사용하는 대신, ADC와 DAC를 더 높은 정밀도의 특수 계측기로 대체하는 방식이 사용됩니다. 예를 들어, ADC는 6.5자리(또는 7.5자리) 디지털 전압계로, MCU는 컴퓨터 또는 단일 칩 마이크로컨트롤러로, DAC는 6.5자리 디지털 소스 미터로 대체할 수 있습니다. 이러한 구성 요소로 이루어진 PID 제어 시스템은 제어 정확도를 효과적으로 향상시킬 수 있지만, 전체적인 비용과 부피가 크게 증가하여 산업 현장의 제어에는 적합하지 않습니다.

본 논문은 산업 현장에 적용되는 통합 PID 제어기를 중심으로, 0.1% 초고정밀 제어 구현에 관련된 몇 가지 핵심 기술 지표를 공학적 응용 관점에서 소개한다. 이는 산업 현장에서의 초고정밀 공정 제어 과정에서 PID 제어기의 구현 및 선정에 도움을 줄 것이다.

2. 초고정밀 PID 컨트롤러의 주요 기술 지표 분석
0.1%보다 더 정밀한 PID 컨트롤러 제어를 위해서는 이 세 가지 구성 요소가 각각 고정밀 측정, 계산 및 제어 기능을 수행하기 위한 해당 기술 지표 및 기능 요구 사항을 충족해야 합니다.

(1) 측정 정확도
PID 컨트롤러의 측정 정밀도는 주로 컨트롤러가 외부 센서 입력을 획득하는 방식, 즉 아날로그-디지털 변환기(ADC)의 변환 정밀도를 의미합니다. ADC의 등급은 8, 12, 16, 24 등으로 나뉘므로, PID 컨트롤러 측정 정밀도의 핵심 기술 지표는 바로 이 ADC의 변환 정밀도입니다.

PID 신호 입력 범위가 0~10V인 DC 전압을 예로 들어 보겠습니다. 그림 2는 서로 다른 ADC 비트에 해당하는 최소 측정 전압을 보여줍니다.

그림 2에 나타낸 각 ADC 비트의 최소 측정 가능 전압을 기준으로, 다양한 센서 신호 전압 값에 대해 0.1% 측정 정확도를 달성하는 데 필요한 ADC 비트 수를 그림 3과 같이 계산할 수 있습니다. 또한, ADC 비트 수는 실제 제어의 정확도 요구 사항에 따라 선택할 수 있으며, 기술적 요구 사항을 충족하는 데 매우 적합합니다. ADC 비트 수가 많을수록 정확도가 높아지지만, PID 제어 장비의 가격이 높아질수록 데이터 획득 속도는 느려집니다.

(2) 제어 정확도
PID 컨트롤러의 제어 정확도는 주로 컨트롤러의 아날로그 출력과 외부 액추에이터 간의 신호 정확도를 의미합니다. 자릿수가 높을수록 측정 정확도가 높아집니다.

(3) 부동소수점 연산 정밀도
테스트 정확도와 제어 정확도는 PID 컨트롤러의 하드웨어 부분 정확도와 관련이 있습니다. PID 컨트롤러의 전반적인 제어 정확도를 진정으로 보장하려면 컨트롤러에 사용되는 마이크로프로세서(MCU)의 소프트웨어 계산 정확도, 즉 부동 소수점 연산 정확도도 포함됩니다. PID 컨트롤러의 출력 백분율을 예로 들면, 그림 2에서와 같이 8비트 부동 소수점 연산의 최소 출력 백분율은 1%이고, 10비트 및 12비트 부동 소수점 연산의 최소 출력 백분율은 0.1%입니다. 0.1%보다 더 나은 전체 제어 정확도를 달성하려면 최소 출력 백분율이 0.01%가 되도록 14비트 및 16비트 부동 소수점 연산을 사용해야 합니다. 즉, 부동 소수점 연산 비트 수가 많을수록 출력 백분율이 작아집니다. 제어 출력이 정밀할수록 제어 정밀도가 높아집니다.

3. 압력 제어 사례 분석
본 연구에서는 압력 제어 사례를 통해 카오루(Kao Lu) 비례 압력 조절기의 제어 정확도가 제어 효과에 미치는 영향을 보여줍니다. 이 실험의 목적은 0~6bar(게이지 압력) 범위에서 0.1%의 제어 정확도를 달성하도록 압력을 정밀하게 제어하는 것입니다. 전체 실험 장치의 구성은 그림 4에 나타나 있습니다.


4. 결론
위의 분석 및 압력 제어 사례에 대한 실험적 검증을 통해 산업용 통합 PID 제어기가 0.1%의 제어 정확도를 달성하기 위해서는 다음과 같은 기술 지표를 충족해야 합니다.
(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 컨트롤러의 ADC 비트 수는 최소 16비트여야 하며, 24비트가 가장 좋습니다. (4) PID 컨트롤러의 부동소수점 연산은 출력 백분율이 0.01%~0.05%의 조정 능력을 갖도록 해야 합니다.
(5) PID 컨트롤러의 DAC 비트 수는 최소 14비트에 도달해야 하며, 최적은 16비트입니다.


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