PID 조정

기술자료 [기초지식]

PID 최적 조정에 대하여

오찬종/광양제철소

제2절 PID 최적조정

PID 조절계를 사용하여 프로세스를 제어하는 경우 PID의 각 정수를 설정하는 기준은 무엇일까. 각 정수 설정이 적절하게 되지 않아 제어 시스템이 불안정하게 되면 안되고 또한, 너무 안정되어 외란이 들어오면 제어편차가 생겨 이로 인한 회복시간이 오래 걸려도 안된다. 제어의 목적에서 생각해보면 잔류편차가 없어야 하고, 안정성이 있으면서 응답이 빨라야 하는 세가지 요소를 만족하는 조정이 되어야 한다.
PID 값에 따라서 제어응답은 여러가지의 형태로 변화되지만 평가기준을 충족시킬 수 있는 폐루프 특성에서 구하는 진폭감쇄비와 프로세스 특성에서 사용되는 제어면적 또는 응답시간을 많이 사용된다.

1. 한계감도법 (Ziegler Nichols)

폐루프에 의해 최적의 PID 정수를 구하는 방법으로는 한계감도법과 현장에서의 최적 조정법이 사용되고 있으나 여기에서는 대표적인 한계감도법에 대해서 설명하였다. 한계감도법은 조절계의 비례동작만으로 값을 구한다는게 특징이다.
구하는 방법으로는 조절계에서 비례대를 줄여가면서 제어 루프가 한계진동이 되도록 한다음 그 결과로서 주기를 구하여 적분및 미분동작을 결정하고, 비례동작은 한계 진동이 발생되었을 때의 비례대에 지글러 니콜스가 만든 산술표에 의해 대입, PID값을 구하여 조절계에 적용시키면 진폭감쇄비가 25％ 정도로 된다.
이 한계감도법의 특징은 루프를 끊을 필요가 없고, 프로세스특성을 모른다고 하더라도 조절계의 게인을 조절하는 것만으로도 설정할 PID 정수를 구할수 있으므로 실용적인 방법으로 많이 사용된다.

    ○ 한계감도법에 의해 PID 정수 구하는 방법
     1) 제어계를 폐루프 구성이 되도록 한다.
     2) 적분시간은 최대,미분시간은 최소로 한다.
     3) 비례대를 최대에서 한계 진동이 발생할 때까지 서서히 줄인다.
     4) 한계 진동의 결과로 주기를 측정한다.

5) 주기 PU 와 한계 진동이 발생된 때의 비례대(PBU)에 의하여 아래표와 같이 PID 정수를 결정한다.

6) 얻어진 PID 정수를 조절계에 입력시켜 진폭 감쇄비가 0.25가 되는지 확인한 다음, 프로세스에 따라 다소 조정이 필요시 조정한다.

2. 과도응답법

프로세스 특성에서 의해 최적의 PID 정수를 구하는 방법으로는 과도응답법과 주파수 응답법이 있으나 여기에서 설명하는 것은 과도 응답법이다.
프로세스에 스텝을답을 가하여 프로세스 게인 KP, 등가 시정수 T, 등가무효시간 L을 구하고, 그 값에서 표에 의해 PID 값을 계산한다. 조절밸브나 검출기, 전송기등은 프로세스 과도응답을 측정할때 입출력 기기가 되므로 그 특성은 프로세스 과도특성 속에 들어 있는 것이다.
      (1) 등가 시정수(T) : 응답곡선에 접선을 그었을때 응답곡선과 접선이
                           수직으로 만나는 지점 A,B 간 걸리는 시간
      (2) 등가 무효시간(L) : 프로세스에 스텝응답을 줄때로 부터 응답곡선과
                             접선이 만나는 A지점까지의 시간
      (3) 프로세스 게인(KP) : 다음식에 의해 구한다.

○ 과도응답법에 의해 PID 정수 구하는 방법