열교환기의 유체온도 제어를 위한 피드포워드 제어기를 가진 PID 제어

Abstract

열교환기는 고온의 유체와 저온의 유체가 전열 벽을 사이에 두고 고온에서 저온으로 열을 이동시키는 장치로 화학, 선박 등의 다양한 분야에서 사용되고 있다. 열교환기의 유체온도 제어의 경우 시간지연이 크거나 혹은 외란이 크게 작용할 경우 원하는 결과를 얻기 어렵다. 이 문제를 해결하기 위해 피드포워드(feedforward) 제어기를 PID 제어기에 결합시키는 방법을 생각할 수 있다.

본 논문에서는 열교환기의 온도제어를 위해 피드포워드 제어기를 결합한 PID 제어기를 설계한다. 피드포워드 제어기는 외란의 영향을 줄이기 위해 외란을 미리 측정하여 제어입력에 반영시킨다. 피드포워드 제어기와 PID 제어기의 파라미터는 최적화 기법의 하나인 RCGA로 동조한다. 이때 평가함수로 Integral Absolute Error를 사용한다. 전체 제어시스템의 목표값 추종 성능을 개선하기 위해 외란을 고정하고 목표값을 계단상으로 변경시키면서 PID 제어기의 파라미터들을 동조한다. 제안한 방법의 타당성을 확인하기 위해 기존의 동조법인 Z-N의 폐루프 동조법, IMC 동조법과 시뮬레이션을 통해 비교 검토한다.

|A heat exchanger is a device that moves heat from a high temperature to a low temperature between the heat transfer wall, and is used in various fields such as chemicals and ships. In the fluid temperature control of a heat exchanger, it is difficult to obtain the desired result if the time delay is great or the disturbance is large. To solve this problem, a method of combining a feedforward controller with a PID controller can be thought. This paper proposed a method to control temperature of the heat exchanger by combining the feedforward controller with the PID controller. In order to reduce the influence of disturbances, a sensor measures the disturbance in advance and a feedforward controller reflects it in the control input. For the parameter tuning of the controller, RCGA, one of the optimization tools, was used. At this time, Integral Absolute Error was used as an evaluation function. The parameters of the PID controller were tuned while fixing the disturbance and changing the setpoint value stepwise to improve the setpoint tracking performance of the entire control system. In order to identify the validity of the proposed method, comparison and review were carried out through the closed loop tuning method of Z-N, IMC tuning method which are the existing tuning methods and the simulation.