PID Control 이란 무엇일까요?

PID?

 

 

PID란 비례(Proportional), 적분(Integral), 미분(Differential)의 앞글자를 따온 단어로,

 

비례와 적분, 미분의 조합을 통해 적절한 값을 도출해 제어에 응용하는 기법입니다.

 

응용 분야에서 가장 많이 사용되고 있는 대표적인 제어기법으로

 

컨트롤러라고 불리는 대부분의 장비에서 사용하는 방식입니다.

 

기본적으로 제어하고자 하는 대상의 출력값을 측정하여 설정값(Set Point)과 비교하여 오차를 계산하고,

 

이 오차값을 이용해 제어에 필요한 제어값을 계산하는 방식으로 진행됩니다.

 

 

PID 제어는 비례, 적분, 미분을 모두 사용하기도 하지만 사용 환경에 따라

 

각각 개별적으로 사용하거나 두 가지만 조합하여 사용하는 경우도 있기 때문에

 

세부적인 제어 방식들에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

 

 

단순 On / Off 제어

 

 

단순히 On / Off 의 제어만 할 경우 입력값을 0(0%)과 최대값(100%), 두 가지만 반복하게 됩니다.

 

따라서 출력값의 변화가 매우 크고, 시간이 지난다고 해도 Set Point 와의 오차는 줄어들지 않습니다. 

 

 

비례 제어(Proportional Control)

 

 

흔히 P 제어라고 불리우는 비례 제어는 설정값과 출력값의 편차에 비례해

 

연속적으로 변화하는 제어 방식으로, 출력값이 설정값에 근접할수록 미세하게 제어가 가능합니다.

 

비례 제어는 출력값과 설정값의 차이가 적어질수록 서서히 감도가 좋아져 규칙적인 사이클이 발생하지만,

 

외란 또는 잔류 편차로 인해 출력값이 설정값과 정확하게 일치하지 못하는 상태가 지속됩니다.

 

 

 

비례 적분 제어(Proportional Integral Control)

 

 

비례 제어에서 발생하는 잔류 편차를 적분 동작으로 제거해 오차를 줄이기 위한 제어 방법입니다.

 

I 제어라고 불리는 적분 제어는 정상상태(Steady State)에서 오차를 제거하는 동작을 합니다.

 

전류 편차를 누적한 후 출력량을 늘려 오차를 제거하는 방식으로

 

적분 동작을 이용해 설정값에 빠르게 도달할 수 있다는 장점이 있습니다.

 

 

 

비례 미분 제어(Proportional Differential Control)

 

 

비례 제어에서 과출력 상태에서 생기는 오차를 를 미분 동작으로 제거하기 위한 제어 방법입니다.

 

D 제어라고 불리는 미분 제어는 급격한 출력값의 변동이 필요할 때,

 

기존의 동작의 편차를 파악해서 출력값을 조절해 오차를 줄이고 다시 안정상태로 돌아가는 동작을 합니다.

 

미분 동작을 이용해 오버슛을 줄이고 안정성을 향상시킬 수 있는 장점이 있습니다.

 

 

 

비례 적분 미분 제어(Proportional Integral Differential Control)

 

 

비례 제어를 기본으로 적분 제어와 미분 제어을 결합한 최종 형태입니다.

 

P 제어에 I 제어를 더해 정상 상태에서 오차를 줄여주고, 응답 속도를 높여줍니다.

 

하지만 외란으로 인한 오차와 응답속도는 적분 동작으로 제어할 수 없기 때문에 D 제어를 추가합니다.

 

PID 제어는 이런식으로 서로의 단점을 보완하고 장점을 극대화 할 수 있습니다.

 

 

 

PlD 제어의 예시

 

 

HFC-300 Vue Software에서 PID 제어하기 

 

 

이제 실제적인 예로 300 Vue Software에서 PID를 제어해 보겠습니다.

 

제조사에서 설정해 놓은 값을 기반으로 P 와 I 와 D 값을 각각 조절해서

 

유량 제어의 정확도가 어떻게 변하는지 살펴보도록 하겠습니다.

 

 

일반 상태

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

위의 사진은 HPM-300 Vue 제품을 이용해 제조사에서 설정해 놓은 PID 값을 기반으로

 

유량 20% -> 80% 와 80% -> 20% 를 제어한 그래프입니다.

 

위 상태를 기준으로 P 와 I 와 D 값을 기준값에서 높였을 때와 낮췄을 때의

 

그래프를 비교해 보도록 하겠습니다.

 

 

 

P를 높였을 때

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                      80% (P Point Up)                                                         20% (P Point Up)

 

 

P 값을 높이니 유량이 매우 불안정하게 제어되는 모습을 보이며 유량이 많을수록

 

흐름 폭이 큰 것을 알수 있습니다.

 

 

 

P를 낮췄을 때

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                     80% (P Point Down)                                                    20% (P Point Down)

 

 

P 값을 낮추면 제어 반응 속도가 매우 느려지며 설정값(Set Point)에 이르는 시간도 매우 길어지게 됩니다.

 

 

 

I를 높였을 때

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                       80% (I Point Up)                                                          20% (I Point Up)

 

 

I 값을 높였을 때는 P 값을 낮췄을 때와 유사하게

 

제어 반응속도가 매우 느려지며 설정값에 이르는 시간이 늘어납니다.

 

 

I를 낮췄을 때

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                        80% (I Point Down)                                                 20% (I Point Down)

 

 

I 값을 낮추면 제어 반응속도는 그대로 유지되지만

 

설정값을 변화시켰을 때 오버슛이 일어나게 되는 모습을 확인할 수 있습니다.

 

 

D를 높였을 때

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                         80% (D Point Up)                                                      20% (D Point Up)

 

 

 

D를 낮췄을 때

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                     80% (D Point Down)                                                   20% (D Point Down)

 

 

D 값을 높였을 때와 낮췄을 때는 설정값 변화시켰을 때 특별한 이상반응이 나타나지 않습니다.

 

D 제어의 경우 외란이 일어나 설정값의 변동이 있을 때 오차를 줄여주는 역할을 하기 때문에

 

정상적인 작동 환경에서는 값의 변화에 따른 제어량 변동이 없는 것으로 보입니다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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