KR102400784B1 - 3-element controller tunning method for boiler Drum level control by least square modeling - Google Patents

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Abstract

Provided is a method for tuning a drum level controller based on a result of analyzing an entire control loop of a three-element controller by a least square method. The method for tuning a three-element controller according to one implementation of the present invention includes: acquiring, by a three-element controller tuning system, data about a steam signal and a drum level according to load fluctuation corresponding to disturbance; modeling, by the three-element controller tuning system, data obtained by extracting a transfer function and an internal transfer function of a multi-stage controller by using the disturbance as an output of an input drum level; performing, by the three-element controller tuning system, primary tuning for a flow rate controller transfer function (GF) for minimizing an effect on the disturbance; performing, by the three-element controller tuning system, primary tuning for a level controller transfer function (GL) which can control an optimal drum level through simulation of a drum level change amount for a change in a set point of the drum level, except for the disturbance in a tuned system; and performing, by the three-element controller tuning system, secondary tuning for the flow rate controller transfer function (GF) and the level controller transfer function (GL) by conducting a set point test in a state where the disturbance is considered and confirming response characteristics. Accordingly, the present invention can be applied to a control system affected by the disturbance and used for optimizing a controller model parameter through system analysis, and can prevent a power plant trip or a serious accident by stably inducing control of the drum level in a power plant.

Description

최소제곱 모델링을 통한 보일러 드럼레벨 3요소 제어기 튜닝 방법{3-element controller tunning method for boiler Drum level control by least square modeling}{3-element controller tuning method for boiler Drum level control by least square modeling}

본 발명은 드럼레벨 제어기 튜닝 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3요소 제어기의 전체제어 루프를 최소제곱법으로 해석한 결과를 기반으로 드럼레벨 제어기를 튜닝하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for tuning a drum level controller, and more particularly, to a method for tuning a drum level controller based on the result of analyzing the entire control loop of the three-element controller using the least squares method.

많은 화력발전소에서 보일러 순환수를 이용해 스팀을 생성하기 위한 드럼을 사용하고 있다. Many thermal power plants use drums to generate steam using boiler circulating water.

이러한 드럼은 일정한 레벨을 유지하여야 하는데, 드럼 레벨이 극단적으로 높거나 낮아지면 보일러가 데미지를 입거나, 터빈내로 물이 유입되어 설비를 망치는 경우가 발생할 수 있다. These drums should be maintained at a constant level, and if the drum level is extremely high or low, the boiler may be damaged or water may flow into the turbine to ruin the equipment.

이러한 사고를 미연에 방지하고자 드럼레벨이 높거나 낮으면 발전소가 트립 로직을 발동 시키게 되는데, 이러한 사고 및 트립을 방지하고자 드럼레벨 제어에는 스팀 유량, 급수유량, 드럼레벨 3가지를 이용하는 3요소 제어기법을 사용하고 있다. To prevent such accidents in advance, the power plant activates trip logic when the drum level is high or low. is using

하지만 부하 변동에 따른 스팀 유량의 변화와 특성은 전체 제어기에 비선형성을 유발하여 일반적인 폐루프 제어시스템과 같이 trial and error 방식을 이용하여 튜닝을 하기 어렵다는 불편함이 존재한다. However, the change and characteristics of the steam flow rate according to the load change cause non-linearity in the entire controller, so there is an inconvenience in that it is difficult to tune using the trial and error method like a general closed-loop control system.

구체적으로, 드럼레벨 제어에 사용되는 3요소 제어는, 고전적인 step input 에 의한 step response 결과를 확인하여 튜닝하는 방식을 사용할 수 없다. Specifically, the three-element control used for drum level control cannot use the tuning method by checking the result of the step response by the classical step input.

그리고 스팀과 유량의 변화가 외란으로 작용하여 정확한 튜닝에도 전문가들도 경험에 의존한 부정확한 튜닝을 진행하며, 오랜 시간이 걸리는 경우가 많다는 문제점이 존재한다. In addition, there is a problem that changes in steam and flow rate act as disturbances, so even for accurate tuning, experts perform inaccurate tuning based on experience, and it often takes a long time.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 3요소 제어기의 전체제어 루프를 최소제곱법으로 해석하여 유량, 드럼레벨에 대한 플랜트를 계산하여, 시스템을 재모델링후 시뮬레이션을 통하여 실제 응답값을 예측하고, PID(Proportional Integral Derivation) 제어기에 대한 튜닝을 실시할 수 있는 보일러 드럼레벨 3요소 제어기 튜닝 방법을 제공함에 있다.The present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to analyze the entire control loop of the three-element controller by the least squares method to calculate the plant for flow rate and drum level, and to remodel the system To provide a boiler drum level three-element controller tuning method that can predict the actual response value through post-simulation and perform tuning for the PID (Proportional Integral Derivation) controller.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 수행예에 따른, 3요소 제어기 튜닝 방법은, 3요소 제어기 튜닝 시스템이, 외란에 해당하는 부하 변동에 따른 스팀 신호와 드럼레벨에 대한 데이터를 획득하는 단계; 3요소 제어기 튜닝 시스템이, 외란을 입력 드럼레벨의 출력으로 하는 전체 다단제어기 전달함수와 내부 전달함수를 추출한 데이터를 이용하여 최소제곱법으로 모델링하는 단계; 3요소 제어기 튜닝 시스템이, 외란에 대한 영향을 최소화하는 유량제어기 전달함수(GF)에 대한 1차 튜닝을 수행하는 단계; 3요소 제어기 튜닝 시스템이, 튜닝이 수행된 시스템에서 외란을 제외한 드럼레벨 세트 포인트(set point)의 변화에 대한 드럼레벨 변화량 시뮬레이션을 통해 최적의 드럼레벨 제어할 수 있는 레벨제어기 전달함수(GL)에 대한 1차 튜닝을 수행하는 단계; 및 3요소 제어기 튜닝 시스템이, 외란이 고려된 상태에서의 세트 포인트 테스트를 진행하고, 응답특성을 확인하여, 유량제어기 전달함수(GF) 및 레벨제어기 전달함수(GL)에 대한 2차 튜닝을 수행하는 단계;를 포함한다.According to an exemplary embodiment of the present invention for achieving the above object, a three-element controller tuning method includes: acquiring, by a three-element controller tuning system, data about a steam signal and a drum level according to a load change corresponding to a disturbance; modeling, by the three-element controller tuning system, the least-squares method using the data extracted from the internal transfer function and the entire multi-stage controller transfer function using disturbance as the output of the input drum level; performing, by the three-element controller tuning system, primary tuning on the flow controller transfer function (GF) to minimize the influence on disturbance; The three-element controller tuning system uses the level controller transfer function (GL) to optimally control the drum level through the simulation of the drum level change amount for the change of the drum level set point excluding disturbances in the system in which the tuning is performed. performing primary tuning for And the three-element controller tuning system performs a set point test in a state in which disturbance is considered, checks the response characteristics, and performs secondary tuning for the flow controller transfer function (GF) and the level controller transfer function (GL) including;

그리고 데이터를 획득하는 단계는, 외란을 입력으로 설정하고, 드럼레벨을 출력으로 설정하는 단계; 드럼 레벨 세트 포인트를 설정하고, 부하를 변동하거나 또는 메인 제어 스팀을 조절하여 스팀량을 변화시켜, 외란 입력신호가 인가되도록 하는 단계; 레벨제어 신호와 스팀 유량변화 신호의 차이값과 유량 값에 대한 데이터를 획득하는 단계; 및 획득된 데이터를 기반으로 스팀 유량변화 신호 값과 드럼레벨 값의 데이터를 획득하는 단계;를 포함할 수 있다. And the step of acquiring the data includes: setting disturbance as an input and setting a drum level as an output; setting the drum level set point, varying the load or adjusting the main control steam to change the steam amount so that a disturbance input signal is applied; obtaining data on a difference value between a level control signal and a steam flow rate change signal and a flow rate value; and acquiring data of a steam flow rate change signal value and a drum level value based on the acquired data.

또한, 모델링하는 단계는, 획득된 데이터를 기반으로 one step ahead pridictor 형태의 모델예측 이산수식을 산출하는 단계; 레벨제어 신호와 스팀 유량변화 신호의 차이값과 유량 값에 대한 데이터를 기반으로 최소제곱법을 이용한 제1 one step ahead predictor 모델을 계산하는 단계; 제1 one step ahead predictor 모델의 파라미터를 산출하기 위해, 모델차수를 결정하는 단계; 및 종속제어 전달함수(ASD)를 산출하는 단계;를 포함할 수 있다. In addition, the modeling includes the steps of calculating a model prediction discrete formula in the form of one step ahead predictor based on the obtained data; Calculating a first one step ahead predictor model using the least squares method based on the data on the flow value and the difference between the level control signal and the steam flow rate change signal; determining a model order to calculate a parameter of the first one step ahead predictor model; and calculating a dependent control transfer function (ASD).

그리고 모델차수를 결정하는 단계는, one step ahead predictor 모델이 수식 1-1로 구현되는 경우, 수식 1-2 및 수식 1-3을 참조하여 모델차수를 결정할 수 있다. In the step of determining the model order, when the one step ahead predictor model is implemented by Equation 1-1, the model order can be determined with reference to Equations 1-2 and 1-3.

(수식 1-1)(Equation 1-1)

Figure 112021118054770-pat00001
Figure 112021118054770-pat00001

(수식 1-2)

Figure 112021118054770-pat00002
(Equation 1-2)
Figure 112021118054770-pat00002

(수식 1-3)

Figure 112021118054770-pat00003
(Equation 1-3)
Figure 112021118054770-pat00003

또한, 종속제어 전달함수(ASD)를 산출하는 단계는, one step ahead predictor 모델의 모델차수가 결정되면, one step ahead predictor 모델을 수식 2-1을 참조하여 이산시간 수식으로 정리한 후, 이산시간 수식을 수식 2-2를 참조하여 z-transform 형태로 정리하여, 종속제어 전달함수(ASD)를 산출할 수 있다. In addition, in the step of calculating the dependent control transfer function (ASD), when the model order of the one step ahead predictor model is determined, the one step ahead predictor model is organized into a discrete time formula with reference to Equation 2-1, and then the discrete time By arranging the equation in the form of z-transform with reference to Equation 2-2, the dependent control transfer function (ASD) can be calculated.

(수식 2-1)

Figure 112021118054770-pat00004
(Equation 2-1)
Figure 112021118054770-pat00004

(수식 2-2)

Figure 112021118054770-pat00005
(Equation 2-2)
Figure 112021118054770-pat00005

yk+1 : 예측 출력 결과 값y k+1 : Prediction output result value

yk : 현재 출력값 y k : current output value

yk-n+1 : 과거 n-1의 출력값 y k-n+1 : Output value of past n-1

uk : 현재 입력값u k : current input

uk-m+1 : 과거 m-1의 입력값u k-m+1 : input value of past m-1

an : 출력값 모델 파라미터a n : output value model parameter

bm : 입력값 모델 파라미터b m : input value model parameter

그리고 플랜트 전달함수(PF)는, 종속제어 전달함수(ASD) 및 유량제어기 전달함수(GF)를 수식 3에 적용하여 산출할 수 있다. And, the plant transfer function (PF) can be calculated by applying the dependent control transfer function (ASD) and the flow controller transfer function (GF) to Equation (3).

(수식 3)

Figure 112021118054770-pat00006
(Equation 3)
Figure 112021118054770-pat00006

또한, 모델링하는 단계는, 스팀 유량변화 신호 값과 드럼레벨 값의 데이터를 기반으로 최소제곱법을 이용한 제2 one step ahead predictor 모델을 계산하는 단계; 제2 one step ahead predictor 모델의 파라미터를 산출하기 위해, 모델차수를 결정하는 단계; 및 주제어 전달함수(AD)를 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다. In addition, the modeling includes: calculating a second one step ahead predictor model using the least squares method based on the data of the steam flow rate change signal value and the drum level value; determining a model order to calculate a parameter of a second one step ahead predictor model; and calculating the main word transfer function (AD).

그리고 플랜트 전달함수(PL)은, 주제어 전달함수(AD), 종속제어 전달함수(ASD), 드럼레벨 플랜트(P) 및 레벨제어기 전달함수(GL)를 수식 4에 적용하여 산출할 수 있다. And the plant transfer function PL can be calculated by applying the main control transfer function AD, the dependent control transfer function ASD, the drum level plant P, and the level controller transfer function GL to Equation 4.

(수식 4)

Figure 112021118054770-pat00007
(Equation 4)
Figure 112021118054770-pat00007

또한, 유량제어기 전달함수(GF)에 대한 1차 튜닝을 수행하는 단계는, 플랜트 전달함수(PL) 및 플랜트 전달함수(PF)와 레벨제어기 전달함수(GL) 및 유량제어기 전달함수(GF)를 이용하여, 주제어 전달함수(AD)를 재계산하는 단계; 재계산된 전달함수(AD)에 입력 신호를 인가하여 시뮬레이션을 수행하고, 시뮬레이션 수행 결과를 분석하는 단계; 및 시뮬레이션 수행 결과를 기반으로 유량제어기 전달함수(GF)의 pid 게인값을 변화시키면서 응답특성이 기설정된 임계 범위에 도달할 때까지 튜닝을 수행하는 단계;를 포함할 수 있다. In addition, in the step of performing the primary tuning for the flow controller transfer function (GF), the plant transfer function (PL) and the plant transfer function (PF) and the level controller transfer function (GL) and the flow controller transfer function (GF) are re-calculating the main word transfer function (AD) using performing a simulation by applying an input signal to the recalculated transfer function (AD), and analyzing a simulation performance result; and performing tuning until the response characteristic reaches a preset critical range while changing the pid gain value of the flow controller transfer function (GF) based on the simulation performance result.

그리고 주제어 전달함수(AD)를 재계산하는 단계는, 플랜트 전달함수(PL) 및 플랜트 전달함수(PF)와 레벨제어기 전달함수(GL) 및 유량제어기 전달함수(GF)를 수식 5에 적용하여 주제어 전달함수(AD)를 재계산할 수 있다. And the step of recalculating the main control transfer function (AD) is to apply the plant transfer function (PL) and plant transfer function (PF), the level controller transfer function (GL), and the flow controller transfer function (GF) to Equation 5 to apply the main control The transfer function (AD) can be recalculated.

(수식 5)

Figure 112021118054770-pat00008
(Equation 5)
Figure 112021118054770-pat00008

또한, 레벨제어기 전달함수(GL)에 대한 1차 튜닝을 수행하는 단계는, 플랜트 전달함수(PL) 및 플랜트 전달함수(PF)와 레벨제어기 전달함수(GL) 및 유량제어기 전달함수(GF)를 이용하여, 레벨제어 주제어 전달함수를 설계하는 단계; 및 레벨제어 주제어 전달함수를 이용하여, 레벨제어기 전달함수(GL)의 모델 게인 값을 변화시키면서, 응답특성이 기설정된 임계 범위에 도달할 때까지 튜닝을 수행하는 단계;를 포함할 수 있다. In addition, the step of performing the primary tuning for the level controller transfer function (GL) includes the plant transfer function (PL) and the plant transfer function (PF) and the level controller transfer function (GL) and the flow controller transfer function (GF). designing a level control main control transfer function using; and performing tuning until the response characteristic reaches a preset critical range while changing the model gain value of the level controller transfer function (GL) using the level control master control transfer function.

그리고 2차 튜닝을 수행하는 단계는, 플랜트 전달함수(PL) 및 플랜트 전달함수(PF)와 레벨제어기 전달함수(GL) 및 유량제어기 전달함수(GF)를 이용하여, 입출력 전달함수 관계식을 산출하는 단계; 및 입출력 전달함수 관계식을 이용하여, PRBNS(Psudo Random Binari Noise Signal) 혹은 Ramp 함수를 인가하고, 드럼레벨 세트 포인트에 스텝 입력을 인가하여, 외란(D)과 set point(R) 입력에 대한 출력의 전달함수의 변화에 따른 드럼레벨의 스텝 응답(step response) 및 주제어 전달함수(AD)의 스텝 응답을 확인하며, 레벨제어기 전달함수(GL) 및 유량제어기 전달함수(GF)에 대한 2차 튜닝을 수행하는 단계;를 포함할 수 있다. And the step of performing the secondary tuning is to calculate the input/output transfer function relational expression using the plant transfer function (PL) and plant transfer function (PF), the level controller transfer function (GL), and the flow controller transfer function (GF). step; And using the input/output transfer function relational expression, applying a PRBNS (Psudo Random Binari Noise Signal) or Ramp function, and applying a step input to the drum level set point, Check the step response of the drum level and the step response of the main control transfer function (AD) according to the change of the transfer function, and perform secondary tuning for the level controller transfer function (GL) and the flow controller transfer function (GF). performing; may include.

한편, 본 발명의 다른 수행예에 따른, 3요소 제어기 튜닝 시스템은, 외란에 해당하는 부하 변동에 따른 스팀 신호와 드럼레벨에 대한 데이터가 입력되는 입력부; 및 외란을 입력 드럼레벨의 출력으로 하는 전체 다단제어기 전달함수와 내부 전달함수를 추출한 데이터를 이용하여 최소제곱법으로 모델링하고, 외란에 대한 영향을 최소화하는 유량제어기 전달함수(GF)에 대한 1차 튜닝을 수행하며, 튜닝이 수행된 시스템에서 외란을 제외한 드럼레벨 세트 포인트(set point)의 변화에 대한 드럼레벨 변화량 시뮬레이션을 통해 최적의 드럼레벨 제어할 수 있는 레벨제어기 전달함수(GL)에 대한 1차 튜닝을 수행하고, 외란이 고려된 상태에서의 세트 포인트 테스트를 진행하고, 응답특성을 확인하여, 유량제어기 전달함수(GF) 및 레벨제어기 전달함수(GL)에 대한 2차 튜닝을 수행하는 프로세서;를 포함한다.On the other hand, according to another embodiment of the present invention, the three-element controller tuning system, the input unit to which data about the steam signal and drum level according to the load change corresponding to the disturbance is input; And the first order for the flow controller transfer function (GF) that minimizes the influence on the disturbance by modeling the least squares method using the data extracted from the internal transfer function and the entire multi-stage controller transfer function using disturbance as the output of the input drum level 1 for the level controller transfer function (GL) that performs tuning and can control the optimal drum level through the simulation of the drum level change amount for the change of the drum level set point excluding disturbance in the tuning system A processor that performs differential tuning, performs a set point test in a state in which disturbance is considered, checks response characteristics, and performs secondary tuning for flow controller transfer function (GF) and level controller transfer function (GL) includes ;

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 수행예들에 따르면, 신뢰성 있는 제어기 파라미터를 짧은 시간 내에 도출해낼 수 있어, 공정시간 및 공정비용을 절감시킬 수 있다. As described above, according to the exemplary embodiments of the present invention, reliable controller parameters can be derived within a short time, thereby reducing process time and process cost.

또한, 본 발명의 수행예들에 따르면, 외란이 작용하는 제어시스템에 대하여 같은 방식으로 적용하여 시스템 해석을 하여 제어기 모델파라미터 최적화에 사용할 수 있으며, 안정적인 발전소 드럼레벨제어를 유도하여, 발전소 트립 혹은 중대 사고를 방지할 수 있다.In addition, according to the examples of the present invention, it is possible to apply the same method to the control system to which disturbance acts in the same way and use it to optimize the controller model parameters, and induce stable power plant drum level control, so that the power plant trips or critical events are performed. accidents can be prevented.

도 1은 일반적인 3요소 보일러 제어기 구조가 도시된 도면,
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 보일러 드럼레벨 3요소 제어기 튜닝 시스템의 설명에 제공된 도면,
도 3은, 드럼레벨 제어를 위한 3요소 제어기 다단제어 구조가 도시된 도면,
도 4는, 외란을 입력으로 바꾼 3요소 다단제어기 구조가 도시된 도면,
도 5는, 유량제어 루프를 단순화한 외란을 입력으로 받는 드럼레벨 제어기가 도시된 도면, 그리고
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 보일러 드럼레벨 3요소 제어기 튜닝 방법의 설명에 제공된 도면이다. 1 is a view showing a general three-element boiler controller structure;
2 is a view provided for the description of a boiler drum level three-element controller tuning system according to an embodiment of the present invention;
3 is a diagram showing a three-element controller multi-stage control structure for drum level control;
4 is a diagram showing the structure of a three-element multi-stage controller in which disturbance is converted into an input;
5 is a diagram showing a drum level controller receiving disturbance as an input, which simplifies the flow control loop, and
6 is a view provided for the description of the boiler drum level three-element controller tuning method according to an embodiment of the present invention.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

도 1은 일반적인 3요소 보일러 제어기 구조가 도시된 도면이고, 도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 보일러 드럼레벨 3요소 제어기 튜닝 시스템의 설명에 제공된 도면이고, 도 3은, 드럼레벨 제어를 위한 3요소 제어기 다단제어 구조가 도시된 도면이며, 도 4는, 외란을 입력으로 바꾼 3요소 다단제어기 구조가 도시된 도면이고, 도 5는, 유량제어 루프를 단순화한 외란을 입력으로 받는 드럼레벨 제어기가 도시된 도면이다. 1 is a view showing a general three-element boiler controller structure, FIG. 2 is a view provided for the description of a boiler drum level three-element controller tuning system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a drum level control 3 is a diagram showing a multi-stage control structure of a three-element controller for A diagram showing the controller.

본 실시예에 따른 보일러 드럼레벨 3요소 제어기 튜닝 시스템(이하에서는 '3요소 제어기 튜닝 시스템'으로 총칭하기로 함)은, 3요소 제어기의 전체제어 루프를 최소제곱법으로 해석하여 유량, 드럼레벨에 대한 플랜트를 계산하여, 시스템을 재모델링후 시뮬레이션을 통하여 실제 응답값을 예측하고, PID(Proportional Integral Derivation) 제어기에 대한 튜닝을 실시할 수 있다.The boiler drum level three-element controller tuning system (hereinafter, collectively referred to as 'three-element controller tuning system') according to this embodiment interprets the entire control loop of the three-element controller by the least squares method to determine the flow rate and drum level. After calculating the plant, the system is remodeled, the actual response value is predicted through simulation, and the PID (Proportional Integral Derivation) controller can be tuned.

이를 위해, 3요소 제어기 튜닝 시스템은, 입력부(110), 프로세서(120) 및 출력부(130)를 포함할 수 있다. To this end, the three-element controller tuning system may include an input unit 110 , a processor 120 , and an output unit 130 .

입력부(110)는, 외란에 해당하는 부하 변동에 따른 스팀 신호와 드럼레벨에 대한 데이터를 입력받을 수 있으며, 출력부(130)는, 프로세서가 동작하여 산출되는 데이터를 출력할 수 있다. The input unit 110 may receive a steam signal according to a load change corresponding to the disturbance and data on the drum level, and the output unit 130 may output data calculated by the operation of the processor.

프로세서(120)는, 3요소 제어기의 전체제어 루프를 최소제곱법으로 해석하여 유량, 드럼레벨에 대한 플랜트를 계산하여, 시스템을 재모델링후 시뮬레이션을 통하여 실제 응답값을 예측하고, PID(Proportional Integral Derivation) 제어기에 대한 튜닝을 실시할 수 있다.The processor 120 interprets the entire control loop of the three-element controller by the least squares method to calculate the plant for flow rate and drum level, remodels the system, and then predicts the actual response value through simulation, and PID (Proportional Integral) Derivation) tuning of the controller can be performed.

예를 들면, 프로세서(120)는, 외란을 입력 드럼레벨의 출력으로 하는 전체 다단제어기 전달함수와 내부 전달함수를 추출한 데이터를 이용하여 최소제곱법으로 모델링하고, 외란에 대한 영향을 최소화하는 유량제어기 전달함수(GF)에 대한 1차 튜닝을 수행하며, 튜닝이 수행된 시스템에서 외란을 제외한 드럼레벨 세트 포인트(set point)의 변화에 대한 드럼레벨 변화량 시뮬레이션을 통해 최적의 드럼레벨 제어할 수 있는 레벨제어기 전달함수(GL)에 대한 1차 튜닝을 수행하고, 외란이 고려된 상태에서의 세트 포인트 테스트를 진행하고, 응답특성을 확인하여, 유량제어기 전달함수(GF) 및 레벨제어기 전달함수(GL)에 대한 2차 튜닝을 수행할 수 있다. For example, the processor 120 models the total multi-stage controller transfer function using the disturbance as the output of the input drum level and the data extracted from the internal transfer function by the least squares method, and a flow controller that minimizes the influence on the disturbance. The first tuning for the transfer function (GF) is performed, and the optimal drum level control level through the simulation of the drum level change amount for the change of the drum level set point excluding disturbance in the tuning system Perform the primary tuning for the controller transfer function (GL), perform a set point test in a state where disturbance is considered, and check the response characteristics to determine the flow controller transfer function (GF) and level controller transfer function (GL) Secondary tuning can be performed for .

구체적으로, 프로세서(120)는, 입력부를 통해, 분석하고자 하는 시스템의 데이터 취득 시, 도 1에 예시된 일반적인 3요소 제어기의 로직을 개선하여, 도 3에 예시된 드럼레벨 제어를 위한 3요소 제어기 다단제어 로직 및 도 4에 예시된 외란을 입력으로 바꾼 3요소 다단제어기 및 도 5에 예시된 유량제어 루프를 단순화한 외란을 입력으로 받는 드럼레벨 제어기를 이용하여, 외란을 입력으로 설정하고, 드럼레벨을 출력으로 설정하며, 드럼 레벨 세트 포인트를 설정하고, 부하를 변동하거나 또는 메인 제어 스팀을 조절하여 스팀량을 변화시켜, 외란 입력신호가 인가되도록 하여, 레벨제어 신호와 스팀 유량변화 신호의 차이값(4A)과 유량 값(4B)에 대한 데이터를 획득할 수 있다. 그리고 프로세서는, 획득된 데이터를 기반으로 스팀 유량변화 신호 값(5A)과 드럼레벨 값(5B)의 데이터를 획득할 수 있다. Specifically, the processor 120 improves the logic of the general three-element controller illustrated in FIG. 1 when acquiring data of the system to be analyzed through the input unit, and the three-element controller for drum level control illustrated in FIG. 3 . Using a multi-stage control logic and a three-element multi-stage controller that converts the disturbance illustrated in FIG. 4 into an input, and a drum level controller that receives the disturbance as an input, which is a simplified flow control loop illustrated in FIG. 5, the disturbance is set as an input, and the drum Set the level as an output, set the drum level set point, change the load or adjust the main control steam to change the steam amount, so that a disturbance input signal is applied, the difference between the level control signal and the steam flow rate change signal Data for (4A) and flow rate values (4B) can be obtained. In addition, the processor may acquire data of the steam flow rate change signal value 5A and the drum level value 5B based on the acquired data.

즉, 프로세서(120)는, 도 3의 다단제어 형태의 로직을 도 4의 외란을 입력으로 설정하고, 드럼레벨을 출력으로 설정할 수 있다. That is, the processor 120 may set the multi-step control type logic of FIG. 3 to the disturbance of FIG. 4 as an input and set the drum level as an output.

그리고 프로세서(120)는, 도 4에 도시된 드럼 레벨 세트 포인트를 설정하고, 부하를 변동하거나 또는 메인 제어 스팀을 조절하여 스팀량을 변화시켜, 외란 입력신호가 인가되도록 함으로써, 레벨제어 신호와 스팀 유량변화 신호의 차이값(4A)과 유량 값(4B)에 대한 데이터를 획득할 수 있다. Then, the processor 120 sets the drum level set point shown in FIG. 4, changes the load or adjusts the main control steam to change the steam amount, so that the disturbance input signal is applied, so that the level control signal and the steam flow rate Data on the difference value 4A of the change signal and the flow rate value 4B may be acquired.

이후, 프로세서(120)는, 도 5에 도시된 획득된 데이터를 기반으로 스팀 유량변화 신호 값(5A)과 드럼레벨 값(5B)의 데이터를 획득할 수 있다. Thereafter, the processor 120 may acquire data of the steam flow rate change signal value 5A and the drum level value 5B based on the acquired data shown in FIG. 5 .

여기서, 도 3의 다단제어 형태에서 외란이 없다면, 드럼레벨 set point에 step response 테스트를 통해 시스템을 해석하는 것이 올바르나, 해당 데이터 취득과정에서 드럼레벨 set point 에 step response 테스트를 하지 않는 이유는 외란요소인 부하 변동에 따른 스팀의 변화랑이 드럼 레벨 제어에 비선형 요소로 작용하여 정확한 모델링을 하는데 어려움이 따르기 때문이다. Here, if there is no disturbance in the multi-step control form of FIG. 3, it is correct to interpret the system through a step response test on the drum level set point, but the reason for not performing a step response test on the drum level set point in the process of acquiring the data is the disturbance. This is because the change of steam according to the load change, which is a factor, acts as a non-linear factor in the drum level control, making it difficult to accurately model.

따라서, 프로세서(120)는, 외란 요소인 스팀을 입력으로 보고 드럼레벨을 출력으로 보는 블록선도로 수정하여 드럼레벨 set point를 일정 값으로 고정한 뒤 부하변동 혹은 스팀벨브 조작으로 발생시키는 외란 입력의 변화를 통해 드럼 레벨의 변동 데이터를 획득할 수 있다. Accordingly, the processor 120 views the disturbance element steam as an input and corrects the drum level as an output block diagram to fix the drum level set point to a constant value, and then changes the disturbance input generated by load change or steam valve operation. It is possible to acquire drum level fluctuation data through .

그리고 프로세서(120)는, 최소제곱법으로 모델링하는 경우, 획득된 데이터를 기반으로 one step ahead pridictor 형태의 모델예측 이산수식을 산출하고, 레벨제어 신호와 스팀 유량변화 신호의 차이값과 유량 값에 대한 데이터를 기반으로 최소제곱법을 이용한 제1 one step ahead predictor 모델을 계산하고, 제1 one step ahead predictor 모델의 파라미터를 산출하기 위해, 모델차수를 결정하여, 이를 기반으로 종속제어 전달함수(ASD)를 산출할 수 있다. 이때, 최소제곱법으로 모델링된 데이터들을 기반으로 유량 플랜트와 드럼레벨 플랜트를 유도할 수 있다.And the processor 120, when modeling with the least squares method, calculates a model prediction discrete formula in the form of one step ahead predictor based on the obtained data, and the difference between the level control signal and the steam flow rate change signal and the flow rate value. To calculate the first one step ahead predictor model using the least squares method based on the data for ) can be calculated. In this case, a flow rate plant and a drum level plant can be derived based on the data modeled by the least squares method.

구체적으로, 프로세서(120)는 one step ahead predictor 모델이 수식 1-1로 구현되는 경우, 수식 1-2 및 수식 1-3을 참조하여 모델차수를 결정할 수 있다. Specifically, when the one step ahead predictor model is implemented by Equation 1-1, the processor 120 may determine the model order with reference to Equations 1-2 and 1-3.

(수식 1-1)(Equation 1-1)

Figure 112021118054770-pat00009
Figure 112021118054770-pat00009

(수식 1-2)

Figure 112021118054770-pat00010
(Equation 1-2)
Figure 112021118054770-pat00010

(수식 1-3)

Figure 112021118054770-pat00011
(Equation 1-3)
Figure 112021118054770-pat00011

또한, 프로세서(120)는, 종속제어 전달함수(ASD) 산출 시, one step ahead predictor 모델의 모델차수가 결정되면, one step ahead predictor 모델을 수식 2-1을 참조하여 이산시간 수식으로 정리한 후, 이산시간 수식을 수식 2-2를 참조하여 z-transform 형태로 정리하여, 종속제어 전달함수(ASD)를 산출할 수 있다. In addition, the processor 120, when the dependent control transfer function (ASD) is calculated, when the model order of the one step ahead predictor model is determined, after arranging the one step ahead predictor model into a discrete time formula with reference to Equation 2-1 , the discrete time equation can be arranged in the form of z-transform with reference to Equation 2-2 to calculate the dependent control transfer function (ASD).

(수식 2-1)

Figure 112021118054770-pat00012
(Equation 2-1)
Figure 112021118054770-pat00012

(수식 2-2)

Figure 112021118054770-pat00013
(Equation 2-2)
Figure 112021118054770-pat00013

이때, 파라미터는 다음과 같다. In this case, the parameters are as follows.

yk+1 : 예측 출력 결과 값y k+1 : Prediction output result value

yk : 현재 출력값 y k : current output value

yk-n+1 : 과거 n-1의 출력값 y k-n+1 : Output value of past n-1

uk : 현재 입력값u k : current input

uk-m+1 : 과거 m-1의 입력값u k-m+1 : input value of past m-1

an : 출력값 모델 파라미터a n : output value model parameter

bm : 입력값 모델 파라미터b m : input value model parameter

그리고 프로세서(120)는, 모델링하는 경우, 스팀 유량변화 신호 값과 드럼레벨 값의 데이터를 기반으로 최소제곱법을 이용한 제2 one step ahead predictor 모델을 계산하고, 제2 one step ahead predictor 모델의 파라미터를 산출하기 위해, 모델차수를 결정하여, 이를 기반으로 주제어 전달함수(AD)를 산출할 수 있다. And the processor 120, when modeling, calculates a second one step ahead predictor model using the least squares method based on the data of the steam flow rate change signal value and the drum level value, and the parameter of the second one step ahead predictor model In order to calculate , the model order may be determined, and the main control transfer function AD may be calculated based on this.

그리고 프로세서(120)는, 유량제어기 전달함수(GF)에 대한 1차 튜닝을 수행하는 경우, 플랜트 전달함수(PL) 및 플랜트 전달함수(PF)와 레벨제어기 전달함수(GL) 및 유량제어기 전달함수(GF)를 이용하여, 주제어 전달함수(AD)를 재계산하고, 재계산된 전달함수(AD)에 입력 신호를 인가하여 시뮬레이션을 수행하고, 시뮬레이션 수행 결과를 분석하여, 시뮬레이션 수행 결과를 기반으로 유량제어기 전달함수(GF)의 pid 게인값을 변화시키면서 응답특성이 기설정된 임계 범위에 도달할 때까지 튜닝을 수행할 수 있다. And the processor 120, when performing the primary tuning for the flow controller transfer function (GF), the plant transfer function (PL) and the plant transfer function (PF), the level controller transfer function (GL) and the flow controller transfer function Using (GF), the main control transfer function (AD) is recalculated, the simulation is performed by applying an input signal to the recalculated transfer function (AD), and the simulation performance results are analyzed, based on the simulation performance results. While changing the pid gain value of the flow controller transfer function (GF), tuning may be performed until the response characteristic reaches a preset critical range.

또한, 프로세서(120)는, 레벨제어기 전달함수(GL)에 대한 1차 튜닝을 수행하는 경우, 플랜트 전달함수(PL) 및 플랜트 전달함수(PF)와 레벨제어기 전달함수(GL) 및 유량제어기 전달함수(GF)를 이용하여, 레벨제어 주제어 전달함수를 설계하는 단계; 및 레벨제어 주제어 전달함수를 이용하여, 레벨제어기 전달함수(GL)의 모델 게인 값을 변화시키면서, 응답특성이 기설정된 임계 범위에 도달할 때까지 튜닝을 수행할 수 있다. In addition, the processor 120, when performing the primary tuning for the level controller transfer function (GL), transfer the plant transfer function (PL) and the plant transfer function (PF) and the level controller transfer function (GL) and the flow controller designing a level control main control transfer function using the function (GF); and the level control master control transfer function, while changing the model gain value of the level controller transfer function GL, tuning may be performed until the response characteristic reaches a preset critical range.

그리고 프로세서(120)는, 2차 튜닝을 수행하는 경우, 플랜트 전달함수(PL) 및 플랜트 전달함수(PF)와 레벨제어기 전달함수(GL) 및 유량제어기 전달함수(GF)를 이용하여, 입출력 전달함수 관계식을 산출하고, 입출력 전달함수 관계식을 이용하여, PRBNS(Psudo Random Binari Noise Signal) 혹은 Ramp 함수를 인가하고, 드럼레벨 세트 포인트에 스텝 입력을 인가하여, 외란(D)과 set point(R) 입력에 대한 출력의 전달함수의 변화에 따른 드럼레벨의 스텝 응답(step response) 및 주제어 전달함수(AD)의 스텝 응답을 확인하며, 레벨제어기 전달함수(GL) 및 유량제어기 전달함수(GF)에 대한 2차 튜닝을 수행할 수 있다. And the processor 120, when performing the secondary tuning, using the plant transfer function (PL) and the plant transfer function (PF), the level controller transfer function (GL), and the flow controller transfer function (GF), input and output transfer Calculate the function relational expression, apply the PRBNS (Psudo Random Binari Noise Signal) or Ramp function, and apply a step input to the drum level set point, using the input/output transfer function relation expression, to generate disturbance (D) and set point (R) Check the step response of the drum level and the step response of the main control transfer function (AD) according to the change of the transfer function of the output to the input, and the level controller transfer function (GL) and the flow controller transfer function (GF) Secondary tuning can be performed.

이후 프로세서(120)는, 실제 결과 값과 시뮬레이션 결과 값을 비교 분석하며 모델링의 정확도를 확인하고, 플랜트 변화가 생길 경우 드럼레벨 제어기에 대한 재튜닝을 수행할 수 있다.Thereafter, the processor 120 compares and analyzes the actual result value and the simulation result value, confirms the accuracy of modeling, and may perform re-tuning of the drum level controller when a plant change occurs.

이를 통해, 신뢰성 있는 제어기 파라미터를 짧은 시간 내에 도출해낼 수 있어, 공정시간 및 공정비용을 절감시킬 수 있으며, 외란이 작용하는 제어시스템에 대하여 같은 방식으로 적용하여 시스템 해석을 하여 제어기 모델파라미터 최적화에 사용할 수 있으며, 안정적인 발전소 드럼레벨제어를 유도하여, 발전소 트립 혹은 중대 사고를 방지할 수 있다.Through this, reliable controller parameters can be derived within a short period of time, reducing process time and process costs. and by inducing stable power plant drum level control, it is possible to prevent power plant trips or serious accidents.

도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 보일러 드럼레벨 3요소 제어기 튜닝 방법의 설명에 제공된 도면이다. 6 is a view provided for the description of the boiler drum level three-element controller tuning method according to an embodiment of the present invention.

본 실시예에 따른 보일러 드럼레벨 3요소 제어기 튜닝 방법(이하에서는 '3요소 제어기 튜닝 방법'으로 총칭하기로 함)은 도 2 내지 도 5를 참조하여 전술한 3요소 제어기 튜닝 시스템에 의해 실행될 수 있다. The boiler drum level three-element controller tuning method (hereinafter, collectively referred to as 'three-element controller tuning method') according to this embodiment can be executed by the three-element controller tuning system described above with reference to FIGS. 2 to 5 . .

도 6을 참조하면, 3요소 제어기 튜닝 방법은, 외란에 해당하는 부하 변동에 따른 스팀 신호와 드럼레벨에 대한 데이터를 획득하고(S610, step 1), 외란을 입력 드럼레벨의 출력으로 하는 전체 다단제어기 전달함수와 내부 전달함수를 추출한 데이터를 이용하여 최소제곱법으로 모델링하고(S620, step 2), 외란에 대한 영향을 최소화하는 유량제어기 전달함수(GF)에 대한 1차 튜닝을 수행하며(S630, step 3), 튜닝이 수행된 시스템에서 외란을 제외한 드럼레벨 세트 포인트의 변화에 대한 드럼레벨 변화량 시뮬레이션을 통해 최적의 드럼레벨 제어할 수 있는 레벨제어기 전달함수(GL)에 대한 1차 튜닝을 수행하고(S640, step 4), 외란이 고려된 상태에서의 세트 포인트 테스트를 진행하고, 응답특성을 확인하여, 유량제어기 전달함수(GF) 및 레벨제어기 전달함수(GL)에 대한 2차 튜닝을 수행할 수 있다(S650, step 5). Referring to FIG. 6 , the three-element controller tuning method acquires the steam signal and drum level data according to the load change corresponding to the disturbance (S610, step 1), and uses the disturbance as the output of the input drum level. Using the data extracted from the controller transfer function and internal transfer function, model the least squares method (S620, step 2), and perform primary tuning on the flow controller transfer function (GF) that minimizes the effect on disturbance (S630) , step 3), performing the primary tuning for the level controller transfer function (GL) that can control the optimal drum level through the simulation of the drum level change amount for the change of the drum level set point excluding disturbance in the tuning system (S640, step 4), perform a set point test in a state where disturbance is considered, check the response characteristics, and perform secondary tuning for the flow controller transfer function (GF) and level controller transfer function (GL) You can (S650, step 5).

< step 2 설명 >< Description of step 2 >

구체적으로, 3요소 제어기 튜닝 방법은, step 1에서 분석하고자 하는 시스템의 데이터를 취득한 이후, step 2에서 외란을 입력 드럼레벨을 출력으로 하는 전체 다단제어기 전달함수(AD)와 내부 전달함수(ASD)를 추출한 데이터를 이용하여 최소제곱법으로 모델링할 수 있다. 이때, 모델링된 데이터들을 기반으로 유량 플랜트(PF) 와 드럼레벨 플랜트(P)를 유도할 수 있다. Specifically, in the three-element controller tuning method, after acquiring the system data to be analyzed in step 1, the total multi-stage controller transfer function (AD) and internal transfer function (ASD) that take the disturbance as the input drum level as the output in step 2 can be modeled using the least squares method using the extracted data. In this case, a flow rate plant (PF) and a drum level plant (P) can be derived based on the modeled data.

예를 들면, 3요소 제어기 튜닝 방법은, step 1을 통해 획득된 데이터를 이용하여 수식 a-1과 같은 one step ahead pridictor 형태의 모델예측 이산수식으로 산출할 수 있다. For example, the three-element controller tuning method can be calculated using the data obtained through step 1 as a model prediction discrete equation in the form of one step ahead predictor as in Equation a-1.

(수식 a-1)

Figure 112021118054770-pat00014
(Formula a-1)
Figure 112021118054770-pat00014

여기서, 파라미터는 다음과 같다. Here, the parameters are as follows.

y k +1 : 이산시간 시스템에서 1 step 이후의 예측 출력 결과 값 y k +1 : Prediction output result value after 1 step in discrete time system

y k : 이산시간 시스템에서 현재 출력값 y k : Current output value in discrete time system

y k-n +1 : 이산시간 시스템에서 과거 n-1 step 의 출력값 y kn +1 : Output value of past n-1 steps in discrete time system

u k : 이산시간 시스템에서 현재 입력값 u k : Current input in discrete-time system

u k-m +1 : 이산시간 시스템에서 과거 m-1 step 의 입력값 u km +1 : Input value of past m-1 step in discrete time system

a n : 이산시간 시스템에서 출력값 모델 파라미터 a n : output value model parameter in discrete time system

b m : 이산시간 시스템에서 입력값 모델 파라미터 b m : input value model parameter in discrete-time system

n : 출력 의 z-transform 다항식 개수 n : the number of z-transform polynomials in the output

m : 입력 의 z-transform 다항식 개수 m : the number of z-transform polynomials in the input

k : 이산시간 step 상태표현, k 면 현재 k+1 은 1 step 이후 예측값, k-n 은 n step 이전의 상태 k : discrete time step state expression, if k, current k+1 is the predicted value after 1 step, kn is the state before n steps

또한, 3요소 제어기 튜닝 방법은, 이산수식 모델에서 모델 파라미터(an-1~a0, bn-1~b0)를 구하기 위해서 수식 b-1과 같은 행렬 형태로 데이터를 변환할 수 있다. In addition, the three-element controller tuning method may convert data into a matrix form as in Equation b-1 in order to obtain the model parameters (an-1 to a0, bn-1 to b0) in the discrete equation model.

그리고 변환된 데이터는 수식 b-2와 같이 정리될 수 있다. And the converted data can be organized as in Equation b-2.

이때, 최소제곱법을 이용하여 모델 파라미터(an-1~a0, bn-1~b0)를 구하는 수식은 도 b-3에 기재된 바와 같다. In this case, the formula for obtaining the model parameters (an-1 to a0, bn-1 to b0) using the least squares method is as described in FIG. b-3.

(수식 b-1)(Formula b-1)

Figure 112021118054770-pat00015
Figure 112021118054770-pat00015

(수식 b-2)

Figure 112021118054770-pat00016
(Formula b-2)
Figure 112021118054770-pat00016

(수식 b-3)

Figure 112021118054770-pat00017
(Formula b-3)
Figure 112021118054770-pat00017

3요소 제어기 튜닝 방법은, 이를 이용하여 정확한 이산시간 수식을 구하고 이를 수식 a-2와 같은 z-transform 형태의 전달함수로 정리할 수 있다. The three-element controller tuning method can use this to obtain an accurate discrete time expression and organize it into a transfer function in the form of z-transform as in Equation a-2.

(수식 a-2)

Figure 112021118054770-pat00018
(Formula a-2)
Figure 112021118054770-pat00018

여기서, 파라미터는 다음과 같다. Here, the parameters are as follows.

H(z) : z 변환 형태의 전체 전달함수 H( z ) : Full transfer function in the form of z transformation

Y(z) : z 변환 형태의 출력 전달함수Y( z ) : Output transfer function in the form of z transformation

U(z) : z 변환 형태의 입력 전달함수U( z ) : Input transfer function in the form of z transformation

또한, 3요소 제어기 튜닝 방법은, 도 4에 도시된 4A, 4B 데이터를 이용하여, 수식 b-1과 같은 형태로 정리할 수 있다. In addition, the three-element controller tuning method can be summarized in the form of Equation b-1 using the data 4A and 4B shown in FIG. 4 .

그 후, 모델 파라미터를 구하기 위해, 수식 b-2 및 수식 b-3을 이용하여 모델차수를 결정하고, 이후, 수식 a-1과 같은 이산시간 수식으로 정리하여, a-2와 같은 z-transform 형태로 정리하고, 이를 통해, 종속제어 전달함수(ASD)를 결정(산출)할 수 있다. Then, in order to obtain the model parameters, the model order is determined using Equation b-2 and Equation b-3, and then arranged with a discrete time equation such as Equation a-1, and z-transform such as a-2 It is arranged in the form, and through this, the dependent control transfer function (ASD) can be determined (calculated).

구체적으로, 3요소 제어기 튜닝 방법은, 종속제어 전달함수(ASD)의 신뢰성을 확인하기 위해 도 4에 도시된 4A 데이터를 종속제어 전달함수(ASD)에 넣어서 출력되는 데이터와 4B 데이터를 비교하여, 모델링에 문제가 있을 경우 an-1~a0의 모델 차수 혹은 bn-1~b0의 모델 차수를 변경해가며 최적의 전달함수 모델 차수를 찾을 수 있다. Specifically, the three-element controller tuning method compares the output data with the 4B data by putting the 4A data shown in FIG. 4 into the dependent control transfer function (ASD) to check the reliability of the dependent control transfer function (ASD), If there is a problem in modeling, the optimal transfer function model order can be found by changing the model order of an-1 to a0 or the model order of bn-1 to b0.

그리고 시뮬레이션 결과와 실제 데이터가 동일하다면, 종속제어 전달함수 (ASD)를 결정하게 된다.And if the simulation result and actual data are the same, the dependent control transfer function (ASD) is determined.

이때, 유량제어기(GF)는 결정되어있는 전달함수이고, ASD 또한 모델링을 통하여 설계된 주제어 전달함수이며, PI를 사용하는 유량제어기 전달함수는 수식 c-1과 같이 z-transform 형태의 전달함수이고, 도 4의 ASD(Z)를 포함하는 시스템 블록은 수식 c-2의 우변과 같은 형태로 표현될 수 있다. At this time, the flow controller (GF) is a determined transfer function, ASD is also a main control transfer function designed through modeling, and the flow controller transfer function using PI is a transfer function in the form of z-transform as shown in Equation c-1, A system block including A SD (Z) of FIG. 4 may be expressed in the same form as the right side of Equation c-2.

즉, ASD를 알고 GF 전달함수를 알고 있다면 도 7의 (2) 수식에서 유량플랜트(PF)를 수식 c-2의 우변으로 넘겨 수식 c-3과 같이 정리 할 수 있다. 이를 토대로 유량에 대한 플랜트 전달함수 PF 를 계산할 수 있다. That is, if you know ASD and know the GF transfer function, you can transfer the flow rate plant (PF) to the right side of Equation c-2 in Equation (2) of FIG. 7 and arrange it as Equation c-3. Based on this, the plant transfer function PF for flow can be calculated.

(수식 c-1)

Figure 112021118054770-pat00019
(Formula c-1)
Figure 112021118054770-pat00019

(수식 c-2)

Figure 112021118054770-pat00020
(Formula c-2)
Figure 112021118054770-pat00020

(수식 c-3)

Figure 112021118054770-pat00021
(Equation c-3)
Figure 112021118054770-pat00021

정리하면, 플랜트 전달함수(PF)는, 종속제어 전달함수(ASD) 및 유량제어기 전달함수(GF)를 수식 c-3에 적용하여 산출할 수 있다. In summary, the plant transfer function (PF) can be calculated by applying the dependent control transfer function (ASD) and the flow controller transfer function (GF) to Equation c-3.

파라미터는 다음과 같다. The parameters are as follows.

GF : 유량제어기 전달함수 GF(z)G F : flow controller transfer function G F (z)

GL : 레벨제어기 전달함수 GL(z)G L : Level controller transfer function G L (z)

PF : 유량플랜트 전달함수 PF(z)P F : flow plant transfer function P F (z)

PL : 드럼레벨 플랜트 전달함수 PL(z)P L : Drum level plant transfer function P L (z)

Y : 드럼레벨 Y(z)Y : drum level Y(z)

R : 드럼레벨 set point R(z)R : drum level set point R(z)

D : 스팀유량에서 유량으로 Scale 된 신호로 시스템 외란 D(z)D: System disturbance D(z) as a signal scaled from steam flow to flow

PG_L : 레벨제어기 전달함수의 비례제어 상수 P G_L : proportional control constant of level controller transfer function

IG_L : 레벨제어기 전달함수의 적분제어 상수I G_L : Integral control constant of the level controller transfer function

PG_F : 유량제어기 전달함수의 비례제어 상수P G_F : proportional control constant of flow controller transfer function

IG_F : 유량제어기 전달함수의 적분제어 상수I G_F : integral control constant of flow controller transfer function

PHI : k-step 현재 출력과 이전 출력, 현재 입력과 이전 출력 raw data 행렬식PHI : k-step current output and previous output, current input and previous output raw data determinant

X : 최소제곱으로 추정하고자 하는 입력과 출력의 모델 파라미터 행렬식X: The model parameter determinant of the input and output to be estimated with least squares

B : k+1 step 의 출력 raw data 행렬식B : output raw data determinant of k+1 step

그리고 3요소 제어기 튜닝 방법은, step 1에서 5A, 5B 데이터를 이용하여, 전술한 수식 b-1과 같은 행렬 형태로 데이터를 변환할 수 있다. In addition, the three-element controller tuning method may convert data into a matrix form as in Equation b-1, using 5A and 5B data in step 1 .

그리고 변환된 데이터는 수식 b-2와 같이 정리될 수 있다. And the converted data can be organized as in Equation b-2.

이때, 최소제곱법을 이용하여 모델 파라미터(an-1~a0, bn-1~b0)를 구하는 수식은 도 b-3에 기재된 바와 같다. 이를 통해, 주제어 전달함수(AD)를 결정(산출)할 수 있다. In this case, the formula for obtaining the model parameters (an-1 to a0, bn-1 to b0) using the least squares method is as described in FIG. b-3. Through this, it is possible to determine (calculate) the main word transfer function (AD).

그리고 3요소 제어기 튜닝 방법은, 주제어 전달함수(AD)의 신뢰성을 확인하기 위해, 도 5의 5A 데이터를 주제어 전달함수(AD)에 넣어서 출력되는 데이터와 5B 데이터를 비교하여, 모델링에 문제가 있을 경우 an-1~a0의 모델 차수 또는 bn-1~b0의 모델 차수를 변경해가며 최적의 전달함수 모델 차수를 찾을 수 있다. And in the three-element controller tuning method, in order to check the reliability of the main control transfer function (AD), the 5A data of FIG. 5 is put into the main control transfer function (AD) and the output data is compared with the 5B data. In this case, the optimal transfer function model order can be found by changing the model order of an-1 to a0 or the model order of bn-1 to b0.

이때, 시뮬레이션 결과와 실제데이터가 같다면 주제어 전달함수(AD)를 결정할 수 있다. At this time, if the simulation result and the actual data are the same, the main control transfer function AD can be determined.

여기서, 레벨제어기 GL는 결정된 전달함수이고, AD 또한 모델링을 통하여 설계된 전체전달함수이다. PI를 사용하는 레벨제어기 전달함수는 수식 c-1 과 같은 z-transform 형태의 전달함수이고, 도 5의 ASD(Z)를 포함하는 시스템 블록은 수식 c-2의 우변과 같은 형태로 표현될 수 있다. Here, the level controller GL is the determined transfer function, and AD is also the overall transfer function designed through modeling. The level controller transfer function using PI is a transfer function of the z-transform form as in Equation c-1, and the system block including A SD (Z) in FIG. 5 is expressed in the same form as the right side of Equation c-2. can

그리고 종속제어 전달함수(ASD), 주제어 전달함수(AD) 및 레벨제어기 전달함수(GL)를 알고 있다면 c-2 수식에서 드럼레벨 플랜트(P)를 우변으로 넘겨 정리한 c-3과 같은 수식으로 정리될 수 있어, 드럼레벨에 대한 플랜트 전달함수(PL)를 계산할 수 있다. And if you know the dependent control transfer function (ASD), main control transfer function (AD), and level controller transfer function (GL), you can use the same formula as c-3, which is organized by passing the drum level plant (P) to the right side in the c-2 equation. This can be sorted out, so that the plant transfer function (PL) for the drum level can be calculated.

즉, 플랜트 전달함수(PL)은, 주제어 전달함수(AD), 종속제어 전달함수(ASD), 드럼레벨 플랜트(P) 및 레벨제어기 전달함수(GL)를 수식 4에 적용하여 산출할 수 있다. That is, the plant transfer function (PL) can be calculated by applying the main control transfer function (AD), the dependent control transfer function (ASD), the drum level plant (P), and the level controller transfer function (GL) to Equation (4).

(수식 4)

Figure 112021118054770-pat00022
(Equation 4)
Figure 112021118054770-pat00022

< step 3 설명 >< Description of step 3 >

3요소 제어기 튜닝 방법은, step 3 과정을 통해 외란에 대한 영향을 최소화하는 유량제어기 전달함수(GF)에 대한 튜닝을 실시하는 경우, step 2에서 구한 PL, PF 와 제어기 전달함수 GL,GF를 이용하여, 전달함수(AD)를 다시 계산하고, 다시 계산된 전달함수 AD에 step input 신호를 인가하여 시뮬레이션 응답 결과를 분석하게 된다. In the three-element controller tuning method, when tuning the flow controller transfer function (GF) that minimizes the effect of disturbance through the step 3 process, PL, PF obtained in step 2 and the controller transfer functions GL, GF are used. Thus, the transfer function (AD) is recalculated, and a step input signal is applied to the recalculated transfer function AD to analyze the simulation response result.

이때, 3요소 제어기 튜닝 방법은, 시뮬레이션 결과 과소 과도응답에 따라 GF 의 pid 게인값을 변화 시켜 가며 step input이 재계산된 AD 전달함수의 출력결과 값에 변화를 관찰하며 필요로 하는 응답특성이 나올 때까지 튜닝을 실시할 수 있다.At this time, the three-element controller tuning method changes the pid gain value of GF according to the under-transient response as a result of the simulation and observes the change in the output result value of the AD transfer function whose step input is recalculated to produce the required response characteristics. Tuning can be performed until

즉, 3요소 제어기 튜닝 방법은, 재계산된 전달함수(AD)에 입력 신호를 인가하여 시뮬레이션을 수행하고, 시뮬레이션 수행 결과를 분석하고, 시뮬레이션 수행 결과를 기반으로 유량제어기 전달함수(GF)의 pid 게인값을 변화시키면서 응답특성이 기설정된 임계 범위에 도달할 때까지 튜닝을 수행할 수 있다. That is, in the three-element controller tuning method, a simulation is performed by applying an input signal to the recalculated transfer function (AD), the simulation execution result is analyzed, and the pid of the flow controller transfer function (GF) is based on the simulation execution result. While changing the gain value, tuning may be performed until the response characteristic reaches a preset critical range.

이때, 3요소 제어기 튜닝 방법은, 플랜트 전달함수(PL) 및 플랜트 전달함수(PF)와 레벨제어기 전달함수(GL) 및 유량제어기 전달함수(GF)를 수식 5에 적용하여 주제어 전달함수(AD)를 재계산할 수 있다. At this time, the three-element controller tuning method is the main control transfer function (AD) by applying the plant transfer function (PL) and plant transfer function (PF), the level controller transfer function (GL), and the flow controller transfer function (GF) to Equation 5. can be recalculated.

(수식 5)

Figure 112021118054770-pat00023
(Equation 5)
Figure 112021118054770-pat00023

< step 4 설명 >< Description of step 4 >

3요소 제어기 튜닝 방법은, 스팀 변화량의 외란인 드럼레벨이 잘 유지되도록 레벨제어기 전달함수(GL)에 대한 튜닝을 수행하는 경우, step 2에서 구한 PL, PF와 알고있는 제어기 전달함수 GL, GF를 이용하여 수식 6의 레벨제어 주제어 전달함수를 설계할 수 있다.In the three-element controller tuning method, when tuning the level controller transfer function (GL) so that the drum level, which is a disturbance of the amount of steam change, is well maintained, the PL and PF obtained in step 2 and the known controller transfer functions GL and GF are used. Using this, the level control main control transfer function of Equation 6 can be designed.

(수식 6)

Figure 112021118054770-pat00024
(Equation 6)
Figure 112021118054770-pat00024

그리고 3요소 제어기 튜닝 방법은, 레벨제어 주제어 전달함수를 이용하여 드럼레벨 set point를 변화시켜 나오는 step response 결과를 확인하며 레벨제어기 전달함수 GL의 모델게인 PG_L,IG_L을 튜닝하며 안정적인 응답특성이 나올 때까지 튜닝을 수행할 수 있다. And the three-element controller tuning method uses the level control main control transfer function to check the step response result from changing the drum level set point, and tunes the model gains PG_L, IG_L of the level controller transfer function GL when stable response characteristics are obtained. Tuning can be performed up to

즉, 3요소 제어기 튜닝 방법은, 레벨제어 주제어 전달함수를 이용하여, 레벨제어기 전달함수(GL)의 모델 게인 값을 변화시키면서, 응답특성이 기설정된 임계 범위에 도달할 때까지 튜닝을 수행할 수 있다. That is, in the three-element controller tuning method, tuning can be performed until the response characteristic reaches a preset critical range while changing the model gain value of the level controller transfer function (GL) using the level control master control transfer function. there is.

< step 5 설명 >< Description of step 5 >

3요소 제어기 튜닝 방법은, step 2를 통해 얻은 PL, PF와 step 3 및 step 4를 통해 얻은 안정적인 제어기 전달함수 GL, GF를 이용하여 수식 7과 같은 입출력 전달함수 관계식을 생성할 수 있다. In the three-element controller tuning method, the input/output transfer function relational expression as shown in Equation 7 can be created using PL and PF obtained through step 2 and the stable controller transfer functions GL and GF obtained through steps 3 and 4.

(수식 7)

Figure 112021118054770-pat00025
(Equation 7)
Figure 112021118054770-pat00025

그리고 3요소 제어기 튜닝 방법은, 입출력 전달함수 관계식을 이용하여, PRBNS(Psudo Random Binari Noise Signal) 혹은 Ramp 함수를 인가하고, 드럼레벨 세트 포인트에 스텝 입력을 인가하여, 외란(D)과 set point(R) 입력에 대한 출력의 전달함수의 변화에 따른 드럼레벨의 스텝 응답(step response) 및 주제어 전달함수(AD)의 스텝 응답을 확인하며, 레벨제어기 전달함수(GL) 및 유량제어기 전달함수(GF)에 대한 2차 튜닝을 수행할 수 있다. And the three-element controller tuning method uses the input/output transfer function relational expression, applies a PRBNS (Psudo Random Binari Noise Signal) or a Ramp function, and applies a step input to the drum level set point, the disturbance (D) and the set point ( R) Check the step response of the drum level and the step response of the main control transfer function (AD) according to the change of the transfer function of the output to the input, and the level controller transfer function (GL) and the flow controller transfer function (GF) ) can be second-ordered.

한편, 본 수행예에 따른 장치와 방법의 기능을 수행하게 하는 컴퓨터 프로그램을 수록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있음은 물론이다. 또한, 본 발명의 다양한 수행예에 따른 기술적 사상은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 형태로 구현될 수도 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터에 의해 읽을 수 있고 데이터를 저장할 수 있는 어떤 데이터 저장 장치이더라도 가능하다. 예를 들어, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광디스크, 하드 디스크 드라이브, 등이 될 수 있음은 물론이다. 또한, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 저장된 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드 또는 프로그램은 컴퓨터간에 연결된 네트워크를 통해 전송될 수도 있다.On the other hand, it goes without saying that the technical idea of the present invention can also be applied to a computer-readable recording medium containing a computer program for performing the functions of the apparatus and method according to the present embodiment. In addition, the technical ideas according to various implementations of the present invention may be implemented in the form of computer-readable codes recorded on a computer-readable recording medium. The computer-readable recording medium may be any data storage device readable by the computer and capable of storing data. For example, the computer-readable recording medium may be a ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical disk, hard disk drive, or the like. In addition, the computer-readable code or program stored in the computer-readable recording medium may be transmitted through a network connected between computers.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 수행예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 수행예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형수행가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형수행들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.In addition, although preferred embodiments of the present invention have been illustrated and described above, the present invention is not limited to the specific implementation examples described above, and the technical field to which the present invention belongs without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims In addition, various modifications can be made by those of ordinary skill in the art, and these modifications should not be individually understood from the technical spirit or perspective of the present invention.

110 : 입력부
120 : 프로세서
130 : 출력부110: input unit
120 : processor
130: output unit

Claims (13)

3요소 제어기 튜닝 시스템이, 외란에 해당하는 부하 변동에 따른 스팀 신호와 드럼레벨에 대한 데이터를 획득하는 단계;
3요소 제어기 튜닝 시스템이, 외란에 해당하는 부하 변동에 따른 스팀 신호를 입력 데이터로 하고, 드럼레벨을 출력 데이터로 하는 전체 다단제어기 전달함수와 내부 전달함수인 종속제어 전달함수(ASD)에서 추출한 데이터를 이용하여 최소제곱법으로 모델링하는 단계;
3요소 제어기 튜닝 시스템이, 외란에 대한 영향을 최소화하는 유량제어기 전달함수(GF)에 대한 1차 튜닝을 수행하는 단계;
3요소 제어기 튜닝 시스템이, 튜닝이 수행된 시스템에서 외란을 제외한 드럼레벨 세트 포인트(set point)의 변화에 대한 드럼레벨 변화량 시뮬레이션을 통해 최적의 드럼레벨 제어할 수 있는 레벨제어기 전달함수(GL)에 대한 1차 튜닝을 수행하는 단계; 및
3요소 제어기 튜닝 시스템이, 외란이 고려된 상태에서의 세트 포인트 테스트를 진행하고, 응답특성을 확인하여, 유량제어기 전달함수(GF) 및 레벨제어기 전달함수(GL)에 대한 2차 튜닝을 수행하는 단계;를 포함하며,
데이터를 획득하는 단계는,
외란을 입력으로 설정하고, 드럼레벨을 출력으로 설정하는 단계;
드럼 레벨 세트 포인트를 설정하고, 부하를 변동하거나 또는 메인 제어 스팀을 조절하여 스팀량을 변화시켜, 외란 입력신호가 인가되도록 하는 단계;
레벨제어 신호와 스팀 유량변화 신호의 차이값과 유량 값에 대한 데이터를 획득하는 단계; 및
획득된 데이터를 기반으로 스팀 유량변화 신호 값과 드럼레벨 값의 데이터를 획득하는 단계;를 포함하고,
모델링하는 단계는,
획득된 데이터를 기반으로 one step ahead predictor 형태의 모델예측 이산수식을 산출하는 단계;
레벨제어 신호와 스팀 유량변화 신호의 차이값과 유량 값에 대한 데이터를 기반으로 최소제곱법을 이용한 제1 one step ahead predictor 모델을 계산하는 단계;
제1 one step ahead predictor 모델의 파라미터를 산출하기 위해, 모델차수를 결정하는 단계; 및
종속제어 전달함수(ASD)를 산출하는 단계;를 포함하며,
모델차수를 결정하는 단계는,
제1 one step ahead predictor 모델이 수식 1-1로 구현되는 경우, 수식 1-2 및 수식 1-3을 참조하여 모델차수를 결정하고,
종속제어 전달함수(ASD)를 산출하는 단계는,
제1 one step ahead predictor 모델의 모델차수가 결정되면, 제1 one step ahead predictor 모델을 수식 2-1을 참조하여 이산시간 수식으로 정리한 후, 이산시간 수식을 수식 2-2를 참조하여 z-transform 형태로 정리하여, 종속제어 전달함수(ASD)를 산출하며,
종속제어 전달함수(ASD) 및 유량제어기 전달함수(GF)의 데이터를 입력 데이터로 하고, 출력 데이터를 드럼레벨 플랜트 전달함수(PL)에 전달하는 유량 플랜트 전달함수(PF)는,
종속제어 전달함수(ASD) 및 유량제어기 전달함수(GF)를 수식 3에 적용하여 산출하고,
모델링하는 단계는,
스팀 유량변화 신호 값과 드럼레벨 값의 데이터를 기반으로 최소제곱법을 이용한 제2 one step ahead predictor 모델을 계산하는 단계;
제2 one step ahead predictor 모델의 파라미터를 산출하기 위해, 모델차수를 결정하는 단계; 및
주제어 전달함수(AD)를 산출하는 단계;를 더 포함하고,
유량 플랜트 전달함수(PF)의 데이터를 입력 데이터로 하고, 드럼레벨을 출력 데이터로 하는 드럼레벨 플랜트 전달함수(PL)은,
주제어 전달함수(AD), 종속제어 전달함수(ASD), 드럼레벨 플랜트(P) 및 레벨제어기 전달함수(GL)를 수식 4에 적용하여 산출하며,
유량제어기 전달함수(GF)에 대한 1차 튜닝을 수행하는 단계는,
드럼레벨 드럼레벨 플랜트 전달함수(PL) 및 유량 플랜트 전달함수(PF)와 레벨제어기 전달함수(GL) 및 유량제어기 전달함수(GF)를 이용하여, 주제어 전달함수(AD)를 재계산하는 단계;
재계산된 주제어 전달함수(AD)에 입력 신호를 인가하여 시뮬레이션을 수행하고, 시뮬레이션 수행 결과를 분석하는 단계; 및
시뮬레이션 수행 결과를 기반으로 유량제어기 전달함수(GF)의 pid 게인값을 변화시키면서 응답특성이 기설정된 임계 범위에 도달할 때까지 튜닝을 수행하는 단계;를 포함하며,
주제어 전달함수(AD)를 재계산하는 단계는,
드럼레벨 플랜트 전달함수(PL) 및 유량 플랜트 전달함수(PF)와 레벨제어기 전달함수(GL) 및 유량제어기 전달함수(GF)를 수식 5에 적용하여 주제어 전달함수(AD)를 재계산하고,
레벨제어기 전달함수(GL)에 대한 1차 튜닝을 수행하는 단계는,
드럼레벨 플랜트 전달함수(PL) 및 유량 플랜트 전달함수(PF)와 레벨제어기 전달함수(GL) 및 유량제어기 전달함수(GF)를 이용하여, 레벨제어 주제어 전달함수를 설계하는 단계; 및
레벨제어 주제어 전달함수를 이용하여, 레벨제어기 전달함수(GL)의 모델 게인 값을 변화시키면서, 응답특성이 기설정된 임계 범위에 도달할 때까지 튜닝을 수행하는 단계;를 포함하고,
2차 튜닝을 수행하는 단계는,
드럼레벨 플랜트 전달함수(PL) 및 유량 플랜트 전달함수(PF)와 레벨제어기 전달함수(GL) 및 유량제어기 전달함수(GF)를 이용하여, 입출력 전달함수 관계식을 산출하는 단계; 및
입출력 전달함수 관계식을 이용하여, PRBNS(Psudo Random Binari Noise Signal) 혹은 Ramp 함수를 인가하고, 드럼레벨 세트 포인트에 스텝 입력을 인가하여, 외란(D)과 set point(R) 입력에 대한 출력의 전달함수의 변화에 따른 드럼레벨의 스텝 응답(step response) 및 주제어 전달함수(AD)의 스텝 응답을 확인하며, 레벨제어기 전달함수(GL) 및 유량제어기 전달함수(GF)에 대한 2차 튜닝을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3요소 제어기 튜닝 방법.
(수식 1-1)
Figure 112022033170316-pat00040

(수식 1-2)
Figure 112022033170316-pat00041

(수식 1-3)
Figure 112022033170316-pat00042

(수식 2-1)
Figure 112022033170316-pat00043

(수식 2-2)
Figure 112022033170316-pat00044

yk+1 : 예측 출력 결과 값
yk : 현재 출력값
yk-n+1 : 과거 n-1의 출력값
uk : 현재 입력값
uk-m+1 : 과거 m-1의 입력값
an : 출력값 모델 파라미터
bm : 입력값 모델 파라미터
(수식 3)
Figure 112022033170316-pat00045

(수식 4)
Figure 112022033170316-pat00046

(수식 5)
Figure 112022033170316-pat00047

acquiring, by the three-element controller tuning system, data on a steam signal and a drum level according to a load change corresponding to a disturbance;
The three-element controller tuning system uses the steam signal according to the load change corresponding to the disturbance as input data and the drum level as the output data. modeling using the least squares method;
performing, by the three-element controller tuning system, primary tuning on the flow controller transfer function (GF) to minimize the influence on disturbance;
The three-element controller tuning system uses the level controller transfer function (GL) to optimally control the drum level through the simulation of the drum level change amount for the change of the drum level set point excluding disturbances in the system in which the tuning is performed. performing primary tuning for and
The 3-element controller tuning system performs a set-point test in a state in which disturbance is considered, checks the response characteristics, and performs secondary tuning for the flow controller transfer function (GF) and level controller transfer function (GL). step; including,
The steps to acquire data are:
setting a disturbance as an input and setting a drum level as an output;
setting the drum level set point, varying the load or adjusting the main control steam to change the steam amount so that a disturbance input signal is applied;
obtaining data on a difference value between a level control signal and a steam flow rate change signal and a flow rate value; and
Including; acquiring data of the steam flow rate change signal value and the drum level value based on the acquired data;
The modeling steps are:
calculating a model prediction discrete equation in the form of a one step ahead predictor based on the obtained data;
Calculating a first one step ahead predictor model using the least squares method based on the data on the flow value and the difference between the level control signal and the steam flow rate change signal;
determining a model order to calculate a parameter of the first one step ahead predictor model; and
Including; calculating a dependent control transfer function (ASD);
The steps to determine the model order are:
When the first one step ahead predictor model is implemented by Equation 1-1, the model order is determined with reference to Equations 1-2 and 1-3,
Calculating the dependent control transfer function (ASD) comprises:
When the model order of the first one step ahead predictor model is determined, the first one step ahead predictor model is organized into a discrete-time formula with reference to Equation 2-1, and then the discrete-time formula is converted to z- with reference to Equation 2-2. In the form of transform, the dependent control transfer function (ASD) is calculated,
The flow plant transfer function (PF), which takes the data of the dependent control transfer function (ASD) and the flow controller transfer function (GF) as input data, and transfers the output data to the drum level plant transfer function (PL),
Calculate the dependent control transfer function (ASD) and flow controller transfer function (GF) by applying Equation 3,
The modeling steps are:
Calculating a second one step ahead predictor model using the least squares method based on the data of the steam flow rate change signal value and the drum level value;
determining a model order to calculate a parameter of a second one step ahead predictor model; and
Calculating the main word transfer function (AD); further comprising,
The drum level plant transfer function (PL) with the data of the flow rate plant transfer function (PF) as input data and the drum level as the output data is,
It is calculated by applying the main control transfer function (AD), the dependent control transfer function (ASD), the drum level plant (P) and the level controller transfer function (GL) to Equation 4,
The step of performing the first tuning for the flow controller transfer function (GF) is,
recalculating the main control transfer function (AD) using the drum level drum level plant transfer function (PL) and the flow rate plant transfer function (PF), the level controller transfer function (GL), and the flow controller transfer function (GF);
performing a simulation by applying an input signal to the recalculated main control transfer function (AD), and analyzing a simulation performance result; and
performing tuning until the response characteristic reaches a preset critical range while changing the pid gain value of the flow controller transfer function (GF) based on the simulation performance result;
The step of recalculating the main word transfer function (AD) is,
The main control transfer function (AD) is recalculated by applying the drum level plant transfer function (PL) and flow plant transfer function (PF), and the level controller transfer function (GL) and the flow controller transfer function (GF) to Equation 5,
The step of performing the first tuning for the level controller transfer function (GL) is,
designing a level control main control transfer function using the drum level plant transfer function (PL) and the flow rate plant transfer function (PF), the level controller transfer function (GL), and the flow controller transfer function (GF); and
performing tuning until the response characteristic reaches a preset critical range while changing the model gain value of the level controller transfer function (GL) using the level control master control transfer function;
The second tuning step is:
calculating an input/output transfer function relational expression using the drum level plant transfer function (PL) and the flow rate plant transfer function (PF), the level controller transfer function (GL), and the flow controller transfer function (GF); and
Using the input/output transfer function relational expression, a PRBNS (Psudo Random Binari Noise Signal) or Ramp function is applied, and a step input is applied to the drum level set point, and the output is transferred to the disturbance (D) and set point (R) inputs Check the step response of the drum level and the step response of the main control transfer function (AD) according to the change of the function, and perform secondary tuning for the level controller transfer function (GL) and the flow controller transfer function (GF) A three-element controller tuning method comprising the;
(Equation 1-1)
Figure 112022033170316-pat00040

(Equation 1-2)
Figure 112022033170316-pat00041

(Equation 1-3)
Figure 112022033170316-pat00042

(Equation 2-1)
Figure 112022033170316-pat00043

(Equation 2-2)
Figure 112022033170316-pat00044

y k+1 : Prediction output result value
y k : current output value
y k-n+1 : Output value of past n-1
u k : current input
u k-m+1 : input value of past m-1
a n : output value model parameter
b m : input value model parameter
(Equation 3)
Figure 112022033170316-pat00045

(Equation 4)
Figure 112022033170316-pat00046

(Equation 5)
Figure 112022033170316-pat00047

 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 외란에 해당하는 부하 변동에 따른 스팀 신호와 드럼레벨에 대한 데이터가 입력되는 입력부; 및
요소 제어기 튜닝 시스템이, 외란에 해당하는 부하 변동에 따른 스팀 신호를 입력 데이터로 하고, 드럼레벨을 출력 데이터로 하는 전체 다단제어기 전달함수와 내부 전달함수인 종속제어 전달함수(ASD)에서 추출한 데이터를 이용하여 최소제곱법으로 모델링하고, 외란에 대한 영향을 최소화하는 유량제어기 전달함수(GF)에 대한 1차 튜닝을 수행하며, 튜닝이 수행된 시스템에서 외란을 제외한 드럼레벨 세트 포인트(set point)의 변화에 대한 드럼레벨 변화량 시뮬레이션을 통해 최적의 드럼레벨 제어할 수 있는 레벨제어기 전달함수(GL)에 대한 1차 튜닝을 수행하고, 외란이 고려된 상태에서의 세트 포인트 테스트를 진행하고, 응답특성을 확인하여, 유량제어기 전달함수(GF) 및 레벨제어기 전달함수(GL)에 대한 2차 튜닝을 수행하는 프로세서;를 포함하고,
프로세서는,
외란을 입력으로 설정하고, 드럼레벨을 출력으로 설정하고, 드럼 레벨 세트 포인트를 설정하고, 부하를 변동하거나 또는 메인 제어 스팀을 조절하여 스팀량을 변화시켜, 외란 입력신호가 인가되도록 하며, 레벨제어 신호와 스팀 유량변화 신호의 차이값과 유량 값에 대한 데이터를 획득하고, 획득된 데이터를 기반으로 스팀 유량변화 신호 값과 드럼레벨 값의 데이터를 획득하고,
프로세서는,
모델링하는 경우, 획득된 데이터를 기반으로 one step ahead predictor 형태의 모델예측 이산수식을 산출하고, 레벨제어 신호와 스팀 유량변화 신호의 차이값과 유량 값에 대한 데이터를 기반으로 최소제곱법을 이용한 제1 one step ahead predictor 모델을 계산하며, 제1 one step ahead predictor 모델의 파라미터를 산출하기 위해, 모델차수를 결정하고, 종속제어 전달함수(ASD)를 산출하며,
프로세서는,
모델차수를 결정하는 경우, 제1 one step ahead predictor 모델이 수식 1-1로 구현되는 경우, 수식 1-2 및 수식 1-3을 참조하여 모델차수를 결정하고,
프로세서는,
제1 one step ahead predictor 모델의 모델차수가 결정되면, 제1 one step ahead predictor 모델을 수식 2-1을 참조하여 이산시간 수식으로 정리한 후, 이산시간 수식을 수식 2-2를 참조하여 z-transform 형태로 정리하여, 종속제어 전달함수(ASD)를 산출하며,
종속제어 전달함수(ASD) 및 유량제어기 전달함수(GF)의 데이터를 입력 데이터로 하고, 출력 데이터를 드럼레벨 플랜트 전달함수(PL)에 전달하는 유량 플랜트 전달함수(PF)는,
종속제어 전달함수(ASD) 및 유량제어기 전달함수(GF)를 수식 3에 적용하여 산출하고,
프로세서는,
모델링하는 경우에, 스팀 유량변화 신호 값과 드럼레벨 값의 데이터를 기반으로 최소제곱법을 이용한 제2 one step ahead predictor 모델을 계산하고, 제2 one step ahead predictor 모델의 파라미터를 산출하기 위해, 모델차수를 결정하며, 주제어 전달함수(AD)를 산출하고,
유량 플랜트 전달함수(PF)의 데이터를 입력 데이터로 하고, 드럼레벨을 출력 데이터로 하는 드럼레벨 플랜트 전달함수(PL)은,
주제어 전달함수(AD), 종속제어 전달함수(ASD), 드럼레벨 플랜트(P) 및 레벨제어기 전달함수(GL)를 수식 4에 적용하여 산출하며,
프로세서는,
유량제어기 전달함수(GF)에 대한 1차 튜닝을 수행하는 경우에, 드럼레벨 드럼레벨 플랜트 전달함수(PL) 및 유량 플랜트 전달함수(PF)와 레벨제어기 전달함수(GL) 및 유량제어기 전달함수(GF)를 이용하여, 주제어 전달함수(AD)를 재계산하고, 재계산된 주제어 전달함수(AD)에 입력 신호를 인가하여 시뮬레이션을 수행하고, 시뮬레이션 수행 결과를 분석하고, 시뮬레이션 수행 결과를 기반으로 유량제어기 전달함수(GF)의 pid 게인값을 변화시키면서 응답특성이 기설정된 임계 범위에 도달할 때까지 튜닝을 수행하며,
프로세서는,
주제어 전달함수(AD)를 재계산하는 경우에, 드럼레벨 플랜트 전달함수(PL) 및 유량 플랜트 전달함수(PF)와 레벨제어기 전달함수(GL) 및 유량제어기 전달함수(GF)를 수식 5에 적용하여 주제어 전달함수(AD)를 재계산하고,
프로세서는,
레벨제어기 전달함수(GL)에 대한 1차 튜닝을 수행하는 경우에, 드럼레벨 플랜트 전달함수(PL) 및 유량 플랜트 전달함수(PF)와 레벨제어기 전달함수(GL) 및 유량제어기 전달함수(GF)를 이용하여, 레벨제어 주제어 전달함수를 설계하고,
레벨제어 주제어 전달함수를 이용하여, 레벨제어기 전달함수(GL)의 모델 게인 값을 변화시키면서, 응답특성이 기설정된 임계 범위에 도달할 때까지 튜닝을 수행하며,
프로세서는,
2차 튜닝을 수행하는 경우에, 드럼레벨 플랜트 전달함수(PL) 및 유량 플랜트 전달함수(PF)와 레벨제어기 전달함수(GL) 및 유량제어기 전달함수(GF)를 이용하여, 입출력 전달함수 관계식을 산출하고,
입출력 전달함수 관계식을 이용하여, PRBNS(Psudo Random Binari Noise Signal) 혹은 Ramp 함수를 인가하고, 드럼레벨 세트 포인트에 스텝 입력을 인가하여, 외란(D)과 set point(R) 입력에 대한 출력의 전달함수의 변화에 따른 드럼레벨의 스텝 응답(step response) 및 주제어 전달함수(AD)의 스텝 응답을 확인하며, 레벨제어기 전달함수(GL) 및 유량제어기 전달함수(GF)에 대한 2차 튜닝을 수행하는 것을 특징으로 하는 3요소 제어기 튜닝 시스템.
(수식 1-1)
Figure 112022033170316-pat00048

(수식 1-2)
Figure 112022033170316-pat00049

(수식 1-3)
Figure 112022033170316-pat00050

(수식 2-1)
Figure 112022033170316-pat00051

(수식 2-2)
Figure 112022033170316-pat00052

yk+1 : 예측 출력 결과 값
yk : 현재 출력값
yk-n+1 : 과거 n-1의 출력값
uk : 현재 입력값
uk-m+1 : 과거 m-1의 입력값
an : 출력값 모델 파라미터
bm : 입력값 모델 파라미터
(수식 3)
Figure 112022033170316-pat00053

(수식 4)
Figure 112022033170316-pat00054

(수식 5)
Figure 112022033170316-pat00055
an input unit to which data about a steam signal and drum level according to a load change corresponding to disturbance is input; and
The element controller tuning system uses the steam signal according to the load change corresponding to the disturbance as input data, and the entire multi-stage controller transfer function using the drum level as the output data and data extracted from the internal transfer function, the dependent control transfer function (ASD). Modeled by the least squares method using First tuning is performed on the level controller transfer function (GL) that can control the optimal drum level through simulation of the amount of change in drum level for change By checking, a processor that performs secondary tuning for the flow controller transfer function (GF) and the level controller transfer function (GL); includes;
The processor is
Set disturbance as input, set drum level as output, set drum level set point, change the amount of steam by varying the load or by adjusting the main control steam, so that the disturbance input signal is applied, and the level control signal and data on the difference value and flow value of the steam flow rate change signal, and data of the steam flow rate change signal value and the drum level value based on the acquired data,
The processor is
In the case of modeling, a model prediction discrete equation in the form of one step ahead predictor is calculated based on the obtained data, and the method using the least squares method is used based on the difference value between the level control signal and the steam flow rate change signal and the flow rate value. In order to calculate the 1 one step ahead predictor model and to calculate the parameters of the first one step ahead predictor model, the model order is determined, the dependent control transfer function (ASD) is calculated,
The processor is
When determining the model order, if the first one step ahead predictor model is implemented by Equation 1-1, determine the model order by referring to Equations 1-2 and 1-3,
The processor is
When the model order of the first one step ahead predictor model is determined, the first one step ahead predictor model is organized into a discrete-time formula with reference to Equation 2-1, and then the discrete-time formula is converted to z- with reference to Equation 2-2. In the form of transform, the dependent control transfer function (ASD) is calculated,
The flow plant transfer function (PF), which takes the data of the dependent control transfer function (ASD) and the flow controller transfer function (GF) as input data, and transfers the output data to the drum level plant transfer function (PL),
Calculate the dependent control transfer function (ASD) and flow controller transfer function (GF) by applying Equation 3,
The processor is
In the case of modeling, to calculate the second one step ahead predictor model using the least squares method based on the data of the steam flow rate change signal value and the drum level value, and to calculate the parameters of the second one step ahead predictor model, the model Determine the order, calculate the main word transfer function (AD),
The drum level plant transfer function (PL) with the data of the flow rate plant transfer function (PF) as input data and the drum level as the output data is,
It is calculated by applying the main control transfer function (AD), the dependent control transfer function (ASD), the drum level plant (P) and the level controller transfer function (GL) to Equation 4,
The processor is
In the case of performing the first tuning for the flow controller transfer function (GF), the drum level drum level plant transfer function (PL) and the flow plant transfer function (PF) and the level controller transfer function (GL) and the flow controller transfer function ( GF), recalculating the main word transfer function (AD), applying an input signal to the recalculated main word transfer function (AD), performing a simulation, analyzing the simulation performance results, and based on the simulation performance results While changing the pid gain value of the flow controller transfer function (GF), tuning is performed until the response characteristic reaches a preset critical range,
The processor is
In the case of recalculating the main control transfer function (AD), the drum level plant transfer function (PL) and the flow plant transfer function (PF), and the level controller transfer function (GL) and the flow controller transfer function (GF) are applied to Equation 5 to recalculate the main word transfer function (AD),
The processor is
In the case of performing the first tuning for the level controller transfer function (GL), the drum level plant transfer function (PL) and the flow rate plant transfer function (PF) and the level controller transfer function (GL) and the flow controller transfer function (GF) Using , design the level control main control transfer function,
By using the level control master control transfer function, while changing the model gain value of the level controller transfer function (GL), tuning is performed until the response characteristic reaches a preset critical range,
The processor is
In the case of performing secondary tuning, using the drum level plant transfer function (PL) and flow plant transfer function (PF), the level controller transfer function (GL), and the flow controller transfer function (GF), the input/output transfer function relational expressions are calculate,
Using the input/output transfer function relational expression, a PRBNS (Psudo Random Binari Noise Signal) or Ramp function is applied, and a step input is applied to the drum level set point, and the output is transferred to the disturbance (D) and set point (R) inputs Check the step response of the drum level and the step response of the main control transfer function (AD) according to the change of the function, and perform secondary tuning for the level controller transfer function (GL) and the flow controller transfer function (GF) A three-element controller tuning system, characterized in that
(Equation 1-1)
Figure 112022033170316-pat00048

(Equation 1-2)
Figure 112022033170316-pat00049

(Equation 1-3)
Figure 112022033170316-pat00050

(Equation 2-1)
Figure 112022033170316-pat00051

(Equation 2-2)
Figure 112022033170316-pat00052

y k+1 : Prediction output result value
y k : current output value
y k-n+1 : Output value of past n-1
u k : current input
u k-m+1 : input value of past m-1
a n : output value model parameter
b m : input value model parameter
(Equation 3)
Figure 112022033170316-pat00053

(Equation 4)
Figure 112022033170316-pat00054

(Equation 5)
Figure 112022033170316-pat00055
KR1020210137123A 2021-10-15 2021-10-15 3-element controller tunning method for boiler Drum level control by least square modeling KR102400784B1 (en)

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KR20200088427A (en) * 2017-11-17 2020-07-22 차이나 아카데미 오브 텔레커뮤니케이션즈 테크놀로지 Method and apparatus for switching pscell
KR102216713B1 (en) * 2020-07-16 2021-02-16 한전케이피에스 주식회사 Transfer function linearization to use Least Square Method and System for controller tuning based on pre-response

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CASCADE GENERALIZED PREDICTIVE CONTROL-APPLICATIONS IN POWER PLANT CONTROL(2006) 1부.* *
출원번호 10-2020-0088427 특허출원서(2021.02.09.) 1부.*
화력발전소 보일러 드럼수위제어 시뮬레이션에 관한 연구(1999.10.09.) 1부.* *

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