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자세한 세부 사항
0.1% 초고정밀 PID 제어기의 산업화 구현 및 핵심변수 분석
1. 비례압력조절기란?
산업 현장에서는 온도, 진공 압력, 유량 등 공정 매개변수의 초정밀 제어가 필요한 경우가 많습니다. 산업 분야의 제어 정확도는 고정밀도(1%)와 초고정밀도(0.1%)로 나뉘며, 고급 실험실 및 계측 교정에서는 0.05% 이상의 제어 정확도가 요구되는 경우가 많습니다.
완전한 PID 제어 시스템의 경우 일반적인 제어 루프는 그림 1과 같이 폐쇄 루프 형태입니다.
그림 1에 표시된 것처럼 폐쇄 루프 PID 제어 시스템에서 센서와 액추에이터는 기본적으로 외부에 있으며 다양한 제어 매개변수와 정확도 요구 사항에 따라 선택할 수 있습니다. 산업용 애플리케이션에서 PID 컨트롤러는 기본적으로 독립 제어 기기여야 합니다. 즉, 산업용 PID 컨트롤러는 기본적으로 그림 1과 같이 아날로그-디지털 변환기 ADC, 마이크로컨트롤러 MCU 및 디지털-아날로그 변환기를 통합합니다. .
측정 및 교정 분야와 같은 일부 고정밀 측정 및 제어 상황에서는 PID 컨트롤러의 정확도를 향상시키기 위해 일반적으로 이산 구조의 PID 제어 시스템, 즉 아날로그-디지털 방식이 사용됩니다. 그림 1의 PID 컨트롤러의 컨버터 ADC 및 마이크로 컨트롤러. MCU 및 디지털-아날로그 컨버터는 더 높은 정밀도의 특수 계측기로 대체됩니다. 예를 들어 아날로그-디지털 변환기 ADC는 6.5(또는 7.5) 디지털 전압계로 대체되고 마이크로 컨트롤러 MCU는 컴퓨터 또는 단일 칩 마이크로컴퓨터로 대체됩니다. 디지털-아날로그 변환기는 6자리 디지털 소스 미터로 대체되었습니다. 이러한 구성 요소의 PID 제어 시스템은 제어 정확도를 효과적으로 향상시킬 수 있지만 전체 비용과 양이 크게 향상되므로 산업용 응용 분야의 제어에는 적합하지 않습니다.
본 글에서는 주로 산업용 애플리케이션에 사용되는 통합 PID 컨트롤러 계측기에 초점을 맞추고, 초고정밀 제어에 도움이 될 엔지니어링 애플리케이션 관점에서 0.1% 초고정밀 제어 구현과 관련된 몇 가지 핵심 기술 지표를 소개합니다. PID 컨트롤러의 구현 및 선택에 대한 산업 응용 분야의 프로세스 제어 프로세스입니다.
2. 초정밀 PID 제어기 핵심기술지표 분석
PID 컨트롤러의 0.1% 이상의 초고정밀 제어에 도달하려면 이 세 가지 구성 요소가 각각 고정밀 측정, 계산 및 제어 기능에 도달하기 위한 해당 기술 지표 및 기능 요구 사항을 충족해야 합니다.
(1) 측정 정확도
PID 컨트롤러의 측정 정밀도는 주로 컨트롤러의 외부 센서 입력 획득, 즉 아날로그-디지털 변환기 ADC의 변환 정밀도를 나타냅니다. ADC의 정자는 8등급, 12등급, 16등급, 24등급으로 나누어집니다. 따라서 PID 컨트롤러 측정 정밀도의 핵심 기술 지표는 이 ADC입니다.
PID 신호 입력 범위가 0~10V인 DC 전압을 예로 들어보겠습니다. 그림 2에는 다양한 ADC 비트에 해당하는 최소 측정 가능 전압이 나열되어 있습니다.
그림 2에 표시된 다양한 ADC 비트의 최소 측정 가능 전압 기능에 따라 그림 3과 같이 다양한 센서 신호 전압 값에 대해 0.1% 측정 정확도에 도달하는 데 필요한 ADC 비트를 계산할 수 있습니다. 또한 ADC 숫자 선택 실제 제어의 정확도 요구 사항에 따라 결정될 수 있으며 기술 요구 사항을 충족하는 것이 매우 적합합니다. 결국 AD 숫자가 높을수록 정확도가 높아집니다. 그러나 PID 컨트롤러 장비의 가격이 높을수록 해당 획득 속도는 느려집니다.
(2) 제어 정확도
PID 컨트롤러의 제어 정확도는 주로 외부 액추에이터에 대한 컨트롤러의 아날로그 출력 정확도를 나타냅니다. 자릿수가 높을수록 획득 정확도가 높아집니다.
(3) 부동소수점 연산 정밀도
테스트 정확도와 제어 정확도에는 PID 컨트롤러의 하드웨어 부분의 정확도가 포함됩니다. PID 컨트롤러의 전반적인 제어 정확도를 실제로 보장하기 위해 컨트롤러에서 사용하는 마이크로프로세서 장치 MCU의 소프트웨어 계산 정확도, 즉 소위 부동 소수점 연산 정확도도 포함됩니다. 그림 2와 같이 PID 컨트롤러의 출력 비율을 예로 들면, 8비트 부동 소수점 연산의 최소 출력 비율은 1%이고, 10비트 및 12비트 부동 소수점 연산의 최소 출력 비율은 1%입니다. 0.1%이다. 0.1%보다 나은 전체 제어 정확도에 도달하려면 최소 출력 비율이 0.01%가 되도록 14비트 및 16비트 부동 소수점 연산을 사용해야 합니다. 즉, 부동 소수점 연산의 비트가 많을수록 출력 비율은 작아집니다. 제어 출력이 미세할수록 해당 제어 정밀도가 높아집니다.
3. 압력제어 사례 분석
KAOLU 의 비례 압력 조절기의 제어 정확도가 제어 효과에 미치는 영향을 입증하기 위해 압력 제어 사례를 사용합니다. 이 경우, 우리 실험의 목적은 0~6bar(게이지압) 범위의 압력을 정밀하게 제어하여 0.1%의 제어 정확도에 도달하는 것입니다. 전체 실험 설정의 구조는 그림 4에 나와 있습니다.
4. 결론
압력 제어 사례에 대한 위의 분석 및 실험적 검증을 통해 산업용 통합 PID 컨트롤러 장비는 0.1%의 제어 정확도에 도달하기 위해 다음 기술 지표를 충족해야 합니다.
(1) 외부센서는 0.1% 이상의 초고정밀도를 가져야 한다.
(2) 외부 액츄에이터도 고정밀도가 필요하지만 반드시 0.1%의 초고정밀도가 필요한 것은 아니다.
(3) PID 제어기의 ADC 비트 수는 최소 16비트 이상이어야 하며, 가장 좋은 것은 24비트입니다. (4) PID 제어기의 부동 소수점 연산은 출력 비율이 0.01% ~ 0.05%의 조정 능력을 갖도록 보장해야 합니다.
(5) PID 제어기의 DAC 비트 수는 최소 14비트에 도달해야 하며 가장 좋은 것은 16비트입니다.
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1. 비례압력조절기란?
산업 현장에서는 온도, 진공 압력, 유량 등 공정 매개변수의 초정밀 제어가 필요한 경우가 많습니다. 산업 분야의 제어 정확도는 고정밀도(1%)와 초고정밀도(0.1%)로 나뉘며, 고급 실험실 및 계측 교정에서는 0.05% 이상의 제어 정확도가 요구되는 경우가 많습니다.
완전한 PID 제어 시스템의 경우 일반적인 제어 루프는 그림 1과 같이 폐쇄 루프 형태입니다.
그림 1에 표시된 것처럼 폐쇄 루프 PID 제어 시스템에서 센서와 액추에이터는 기본적으로 외부에 있으며 다양한 제어 매개변수와 정확도 요구 사항에 따라 선택할 수 있습니다. 산업용 애플리케이션에서 PID 컨트롤러는 기본적으로 독립 제어 기기여야 합니다. 즉, 산업용 PID 컨트롤러는 기본적으로 그림 1과 같이 아날로그-디지털 변환기 ADC, 마이크로컨트롤러 MCU 및 디지털-아날로그 변환기를 통합합니다. .
측정 및 교정 분야와 같은 일부 고정밀 측정 및 제어 상황에서는 PID 컨트롤러의 정확도를 향상시키기 위해 일반적으로 이산 구조의 PID 제어 시스템, 즉 아날로그-디지털 방식이 사용됩니다. 그림 1의 PID 컨트롤러의 컨버터 ADC 및 마이크로 컨트롤러. MCU 및 디지털-아날로그 컨버터는 더 높은 정밀도의 특수 계측기로 대체됩니다. 예를 들어 아날로그-디지털 변환기 ADC는 6.5(또는 7.5) 디지털 전압계로 대체되고 마이크로 컨트롤러 MCU는 컴퓨터 또는 단일 칩 마이크로컴퓨터로 대체됩니다. 디지털-아날로그 변환기는 6자리 디지털 소스 미터로 대체되었습니다. 이러한 구성 요소의 PID 제어 시스템은 제어 정확도를 효과적으로 향상시킬 수 있지만 전체 비용과 양이 크게 향상되므로 산업용 응용 분야의 제어에는 적합하지 않습니다.
본 글에서는 주로 산업용 애플리케이션에 사용되는 통합 PID 컨트롤러 계측기에 초점을 맞추고, 초고정밀 제어에 도움이 될 엔지니어링 애플리케이션 관점에서 0.1% 초고정밀 제어 구현과 관련된 몇 가지 핵심 기술 지표를 소개합니다. PID 컨트롤러의 구현 및 선택에 대한 산업 응용 분야의 프로세스 제어 프로세스입니다.
2. 초정밀 PID 제어기 핵심기술지표 분석
PID 컨트롤러의 0.1% 이상의 초고정밀 제어에 도달하려면 이 세 가지 구성 요소가 각각 고정밀 측정, 계산 및 제어 기능에 도달하기 위한 해당 기술 지표 및 기능 요구 사항을 충족해야 합니다.
(1) 측정 정확도
PID 컨트롤러의 측정 정밀도는 주로 컨트롤러의 외부 센서 입력 획득, 즉 아날로그-디지털 변환기 ADC의 변환 정밀도를 나타냅니다. ADC의 정자는 8등급, 12등급, 16등급, 24등급으로 나누어집니다. 따라서 PID 컨트롤러 측정 정밀도의 핵심 기술 지표는 이 ADC입니다.
PID 신호 입력 범위가 0~10V인 DC 전압을 예로 들어보겠습니다. 그림 2에는 다양한 ADC 비트에 해당하는 최소 측정 가능 전압이 나열되어 있습니다.
| ADC(비트) | 최소 사용 가능 전압(mV) |
| 8 | 3.906E+01 |
| 10 | 9.766E+00 |
| 12 | 2.441E+00 |
| 14 | 6.104E-01 |
| 16 | 1.526E-01 |
| 18 | 3.815E-02 |
| 20 | 9.537E-03 |
| 22 | 2.384E-03 |
| 24 | 5.960E-04 |
| 아날로그 신호(mV) | 0.1% 측정 정확도의 전압 값 | 필요한 ADC(비트) |
| 10000 | 1.00E+01 | 10 |
| 5000 | 5.00E+00 | 12 |
| 1000 | 1.00E+00 | 14 |
| 500 | 5.00E-01 | 16 |
| 100 | 1.00E-01 | 18 |
| 50 | 5.00E-02 | 18 |
| 10 | 1.00E-02 | 20 |
| 5 | 5.00E-03 | 22 |
| 1 | 1.00E-03 | 24 |
그림 2에 표시된 다양한 ADC 비트의 최소 측정 가능 전압 기능에 따라 그림 3과 같이 다양한 센서 신호 전압 값에 대해 0.1% 측정 정확도에 도달하는 데 필요한 ADC 비트를 계산할 수 있습니다. 또한 ADC 숫자 선택 실제 제어의 정확도 요구 사항에 따라 결정될 수 있으며 기술 요구 사항을 충족하는 것이 매우 적합합니다. 결국 AD 숫자가 높을수록 정확도가 높아집니다. 그러나 PID 컨트롤러 장비의 가격이 높을수록 해당 획득 속도는 느려집니다.
(2) 제어 정확도
PID 컨트롤러의 제어 정확도는 주로 외부 액추에이터에 대한 컨트롤러의 아날로그 출력 정확도를 나타냅니다. 자릿수가 높을수록 획득 정확도가 높아집니다.
(3) 부동소수점 연산 정밀도
테스트 정확도와 제어 정확도에는 PID 컨트롤러의 하드웨어 부분의 정확도가 포함됩니다. PID 컨트롤러의 전반적인 제어 정확도를 실제로 보장하기 위해 컨트롤러에서 사용하는 마이크로프로세서 장치 MCU의 소프트웨어 계산 정확도, 즉 소위 부동 소수점 연산 정확도도 포함됩니다. 그림 2와 같이 PID 컨트롤러의 출력 비율을 예로 들면, 8비트 부동 소수점 연산의 최소 출력 비율은 1%이고, 10비트 및 12비트 부동 소수점 연산의 최소 출력 비율은 1%입니다. 0.1%이다. 0.1%보다 나은 전체 제어 정확도에 도달하려면 최소 출력 비율이 0.01%가 되도록 14비트 및 16비트 부동 소수점 연산을 사용해야 합니다. 즉, 부동 소수점 연산의 비트가 많을수록 출력 비율은 작아집니다. 제어 출력이 미세할수록 해당 제어 정밀도가 높아집니다.
3. 압력제어 사례 분석
KAOLU 의 비례 압력 조절기의 제어 정확도가 제어 효과에 미치는 영향을 입증하기 위해 압력 제어 사례를 사용합니다. 이 경우, 우리 실험의 목적은 0~6bar(게이지압) 범위의 압력을 정밀하게 제어하여 0.1%의 제어 정확도에 도달하는 것입니다. 전체 실험 설정의 구조는 그림 4에 나와 있습니다.
4. 결론
압력 제어 사례에 대한 위의 분석 및 실험적 검증을 통해 산업용 통합 PID 컨트롤러 장비는 0.1%의 제어 정확도에 도달하기 위해 다음 기술 지표를 충족해야 합니다.
(1) 외부센서는 0.1% 이상의 초고정밀도를 가져야 한다.
(2) 외부 액츄에이터도 고정밀도가 필요하지만 반드시 0.1%의 초고정밀도가 필요한 것은 아니다.
(3) PID 제어기의 ADC 비트 수는 최소 16비트 이상이어야 하며, 가장 좋은 것은 24비트입니다. (4) PID 제어기의 부동 소수점 연산은 출력 비율이 0.01% ~ 0.05%의 조정 능력을 갖도록 보장해야 합니다.
(5) PID 제어기의 DAC 비트 수는 최소 14비트에 도달해야 하며 가장 좋은 것은 16비트입니다.
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