Watlow, 아직도 PID 컨트롤러가 필요할까?

 

컴퓨터 기술이 진보하면서 전통적으로 신뢰를 받아온 PID(Proportional Integral Derivative) 컨트롤러의 역할에 의문을 제기하고 있다. 프로세스가 변화하고 까다로워짐에 따라 새로운 솔루션의 도입이 촉발되고 있어, PID 컨트롤러가 산업 응용 분야에서 살아남을 수 있을까?

 

요한 라이너(Johann Lainer): Watlow Plasmatech GmbH 마케팅 커뮤니케이션 책임자

 

핵심 내용

  • 새로운 기술은 이상적인 목푯값을 달성하고 목푯값 초과를 최소화하도록 설계되었다.
  • 제품 범위가 다양하여 적용 사례에 적합한 컨트롤러 솔루션을 찾는 것이 쉽지 않다.
  • Watlow가 최적의 솔루션을 찾아내는 데 도움이 되고 있다.

 

PID 컨트롤러는 일반적인 자동화 프로세스 제어 애플리케이션에서 유량과 온도, 압력, 충전 레벨 등 산업용 프로세스 변수를 제어하기 위해 사용한다. PID 기술은 이미 100년 전부터 사용되어 왔다. 1992년에 러시아계 미국인 엔지니어인 니콜라스 미노르스키가 공식적인 제어 이론을 개발하였다. PID 컨트롤러는 아날로그 회로로 구현하기 때문에 오랫동안 인기 있는 솔루션이었다. 1980년대, 컴퓨터 성능이 향상되면서 이 솔루션은 컨트롤러를 사용하기 위한 리소스가 필요 없기 때문에 널리 사용되었다.

 

PID 컨트롤러의 일반적인 예시는 바로 자동차의 속도 제어이다. 운전자는 원하는 속도, 즉 원하는 목푯값을 선택한다. 차량 속도는 입력값을 나타내고 가속 페달은 출력값을 나타낸다. 차량이 경사로를 올라가면서 속도가 줄어들면, PID 컨트롤러가 현재 상태를 계산한 후 목푯값 유지를 위해 필요한 사항을 결정하고, 엔진에 더 많은 연료를 공급하여 차량을 가속한다. 반대로 차량이 내리막길을 주행하면, PID 컨트롤러가 연료 공급을 줄여 속도를 목푯값으로 낮추게 된다.

PID 컨트롤러는 기본적으로 P 컨트롤러, I 컨트롤러, D 컨트롤러 등 3가지 제어 방법을 적용한다. P 컨트롤러는 현재 오류에 비례하는 출력값을 내보낸다. 즉 P 컨트롤러가 안정적인 시스템 작동을 제공하지만 항상 정상 상태에서 오차가 있을 수 있고, 독립적으로 사용할 경우, 수동 리셋이 필요하다는 의미이다(비례 부분). I 컨트롤러는 P 컨트롤러와 연동하여 0값에 도달할 때까지(적분 부분) 오류를 통합되면서 정상 상태의 오차를 제거한다. 하지만 I 컨트롤러는 오류의 향후 거동을 예상할 수 없기 때문에 D 컨트롤러를 사용하여 오류가 어떻게 변할 수 있을지 예상할 수 있다(미분 부분). 이러한 3가지 제어 방법의 조합으로 PID 컨트롤러는 제어 시스템에 있어서 최적의 목표를 달성한다.

 

에너지 기술 기업들도 Watlow의 PID 컨트롤러 솔루션에 의지한다.

PID 컨트롤러의 사용

PID 컨트롤러는 일반적으로 온도 또는 압력을 제어하는 애플리케이션에 사용된다. PID 컨트롤러는 온도를 측정하고 팬과 같은 제어 요소에 연결되어 입력 센서에서 데이터를 수신한다. 하지만 PID 컨트롤러는 전체 제어 시스템의 일부일 뿐이며, PID 컨트롤러 적용 사례는 사용 요건에 따라 달라진다는 점에 유의해야 한다. 따라서 적합한 컨트롤러를 선택할 경우 전체 제어 시스템을 고려해야 한다.

적용 사례에서 온도 또는 압력을 유지해야 한다면 PID 제어 회로가 적절한 솔루션일 수 있다. 하지만 프로세스의 시작 단계와 종료 단계에서 PID 컨트롤러가 적합하지 않을 수 있다. 따라서 PID 컨트롤러가 사용 사례에 적합한지를 결정하기 위해서는 먼저 전체 시스템에 대한 이해가 필요하다.

 

PID가 업그레이드되다

프로세스에 하나 이상의 컨트롤러를 사용하여 개선할 수 있다.

PID 컨트롤러는 다양한 이유에서 지지층이 높게 형성되어 있다. 이 기술은 이해하기 쉽고 수많은 적용 사례에 효과적이다. 이 제어 기술이 발전하면서 일련의 장점을 제공하고 있다. 현대화된 제어 기술은 다운타임을 줄여 시간을 벌고, 생산 증가와 연료 감소 그리고 비용 절감 등 다양한 장점이 있다. 새로운 기술은 이상적인 목푯값으로 빨리 복귀하고 동시에 목푯값 초과를 최소화하도록 설계되어, 기업은 프로세스가 조금만 개선되어도 시간과 비용을 절감할 수 있다.

특정한 경우, 부가 장치 또는 다수의 PID를 사용하여 다른 결과를 얻을 수 있다. 예를 들어, 순방향 컨트롤러가 PID 컨트롤러에 대한 추가 장치로 사용된다. 순방향 컨트롤러는 목푯값에 빠르고 안정적으로 도달하도록 PID 컨트롤러를 돕는다. 순방향 컨트롤러 구현이 비싸고 시간도 많이 들 수 있지만 정확도 향상과 에너지 감소 그리고 정비 비용 감축의 이점을 제공한다.

MPC (Model Predictive Controller, 모델 예측 컨트롤러)는 시스템 입출력을 조정하여 효과적인 제어를 결정한다. 또한 MPC는 입력 변수를 이용하여 시스템 내에서 어떤 일이 벌어질지 예측하는 예측 범위를 사용한다. 기존의 PID 컨트롤러가 유닛 솔루션인 반면에 MPC는 사용될 시스템에 맞게 조정된다.

재정의 컨트롤러는 별도의 프로세스 변수를 계산하기 위한 두 개의 PID 컨트롤러와 컨트롤러 출력 선택을 위한 스위치를 사용한다. 이 스위치는 최소 출력값과 최대 출력값 등 정해진 조건을 기반으로 어떤 PID 컨트롤러를 선택해야 하는지 결정한다. 이러한 구성은 단일 PID를 사용하는 것보다 다소 복잡하지만 경쟁 우위를 제공하는 개선을 이룰 수 있다.

 

올바르게 선택하기

PID 컨트롤러는 특히 플랜트 산업의 애플리케이션 제어에 사용된다.

시중에 나와있는 다양한 제품들을 고려할 때 적용 사례에 맞는 솔루션을 찾는 것은 쉽지 않다. 1922년부터 열 시스템을 제조하는 Watlow를 통해 쉽게 결정을 내릴 수 있다. Watlow에는 원하는 목표를 달성하기 위해 최적의 솔루션을 선택하는 데 도움이 되는 전문가들이 있다. 여기에 다양한 프로세스에 대한 PID 모델과 일련의 온도 컨트롤러 그리고 프로세스 컨트롤러에 대한 컨설팅도 포함되어 있다. 컴퓨터 기술이 발전하면서 PID 컨트롤러의 미래가 불투명했지만, 오늘날에도 많은 응용 분야에서 PID 컨트롤러가 중요한 시스템 구성 요소임이 입증되고 있다. 이러한 다재다능한 컨트롤러가 부가 장치와 결합하여 유연한 솔루션과 정확한 결과를 제공한다. 하지만 PID 컨트롤러가 원하는 결과를 얻기 위해서는 세부사항을 잘 이해하고 적용할 시스템에 적합한지 이해해야 한다.