KR940003149B1 - 2자유도 제어기 - Google Patents

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내용 없음.

Description

2자유도 제어기

제1도는 종래의 2자유도 PID제어기의 개통도.

제2도는 본 발명의 제1실시예에 의한 PID제어기의 개통도.

제3a 및 b도는 리드/래그(lead/lag) 수단이 등가적으로 어떻게 변환되는지를 설명하는 도면.

제4a 및 b도는 불완전 적분수단이 등가적으로 어떻게 변환되는지를 설명하는 도면.

제5도는 제2도에 보인 PID제어기에 의한 피제어시스템의 특성과 2DOF 계수(α)와(β)간의 관계를 나타내는 그래프.

제6도는 본 발명의 제2실시예에 의한 PID제어기의 개통도.

제7도는 본 발명의 제3실시예에 의한 PI제어기의 개통도.

제8도는 목표 설정 필터(sepoint filter)가 목표설정의 단계별 변동에 어떻게 응답하는지를 나타내는 그래프.

제9도는 제7도에 보인 PI제어기가 그의 공정교란제어 특성을 조절할때 갖는 목표설정치 추종 특성을 나타내는 그래프.

제10도는 본 발명의 제4실시예에 의한 PI제어기에 사용되는 목표설정 필터의 개통도.

제11도는 본 발명의 제5실시예에 의한 PI제어기에 사용되는 목표설정 필터의 개통도.

제12도는 본 발명의 제6실시예에 의한 PI제어기에 사용되는 목표설명 필터의 개통도.

제13도는 본 발명의 제7실시예에 의한 PI제어기의 개통도.

제14a 및 b도는 불완전미분수단이 등가적으로 어떻게 변화되는지를 설명하는 그래프.

제15도는 본 발명의 제8실시예에 의한 PID제어기의 개통도.

제16도는 본 발명의 제9실시예에 의한 PID제어기의 개통도.

제17도는 제16도에 나타낸 PID제어기에 포함된 목표설정필터수단의 가상구조의 개통도.

제18도는 제16도에 나타낸 PID제어기에 사용된 목표설정필터수단의 실제구조의 개통도.

제19도는 제16도에 나타낸 PID제어기에 사용될 수 있는 1차 래그수단만으로 만든 목표설정필터수단의 개통도.

본 발명은 공정교란의 최적제어 및 목표공정치 또는 목표설정치 추종최적제어를 행하는 2자유도 제어기(two degree of freedom controller)에 관한 것이다.

현재 PID제어기는 사업의 각 분야에서 사용되고 있다. 최근에 디지탈 PID제어기가 아날로그 PID제어기 대신 사용증가 추세에 있고 현재에는 설비제어에 필수불가결하다. 디지탈 PID제어기는 다음과 같은 기본연산을 행한다.

MV(S)=Kp{1+1/(T₁S)+(T_DS)/(1+ηT_DS)}E(S)...............(1)

상기식 중 MV(S)는 조작변수, E(S)는 편차, Kp는 비례이득, T₁는 적분시간, T_D는 미분시간, S는 라플라스 연산자, η은 계수, 1/η은 미분 이득이다. 식(1)은 일반적으로 "편차PID제어"로서 알려진 편차(E)의 PID제어를 한정한다.

그러나, 편차 PID제어에서는 목표설정정치(SV)가 대부분의 경우 단계별로 변화한다. 목표설정치 SV의 변화에 따라 PID제어기는 과잉 D(미분)연산을 행하므로, 그에의해 조작변수(MV)가 크게 변동된다. 그 결과로서, PID제어기는 피제어시스템에 충격을 준다. 또다른 방법으로 PID제어기의 목표설정치 추종특성을 오버슈트(overshoot)를 행하므로 그에의해 제어기는 진동적으로 불가피하다.

최근 수년전에 편차가 아닌 PV에관한 DOF연산을 행하는 새로운 타입의 PID제어기가 실용화되었으며, 이 PID제어기는 다음과 같은 연산을 행한다.

MV(S)=Kp[1+1/(T₁S)}E(S)-((T_DS)/(1+ηT_DS)}PV(S)] .......(2)

식 중 PV(S)는 피제어시스템으로 부터 공급되는 제어치이다.

상기식(1)과 (2) 각각은 1자유도 PID제어연산을 한정하며 단 1조의 PID 파라메터만을 설정할 수 있다. 실제의 피제어시스템에서는 공정교란 최선제어를 위한 최적 PID 파리메터와 목표설정치의 최선 추종을 위한 PID파라메터가 상이한 값을 갖고 있다.

1963년에 Issac I. Horowitz가 2자유도 PID(2 DOF PID)의 알고리즘을 발표한 바 있으며, 이는 2조의 파라메터를 독립하여 설정할 수 있으며 또한 PID제어기가 공정교란을 효율적으로 제어할 수 있을 뿐만아니라 목표설정치를 정확하게 추종하는 것을 가능하게 한다. 이 알고리즘은그후 많은 PID제어기에 사용되어 왔으며 고레벨 설비제어를 행하고 있다. 이 2DOF PID 알고리즘에서는 공정 교란을 최적 제어하기 위한 PID파라메터를 우선 설정한다., 목표설정치가 변경되면 PID파라메터들은 새로운 목표설정을 위해 선택된 목표설정 필터의 계수에 따라 자동으로 변화된다.

제1도는 목표설정필터수단(H(S))과 PID제어기(PV타입에 관한 미분)를 포함하는 고용타입의 2DOF PID제어기의 개통도이다. 제1도에 보인바와같이 목표설정필터수단(H(S))은 PID제어기의 입력에 연결되며 리드/래그(lead/lag) 수단(1), 1차 래그수단(2), 불완전 미분수단(3), 감산수단(4), 불완전적분수단(5), 가산수단(6)으로 구성된다. 리그/래그수단(1)은 목표설정치(SV)에 대해서 리드 또는 래그를 부여한다. 1차래그 수단(2)는 설정치(SV)에 대해 1차래그를 부여한다. 불완전 미분수단(3)은 미분이득의 상한을 설정하고 또한 미분연산을 지연시킨다. 감산수단(4)은 불완전 미분수단(3)의 출력으로 부터 1차 래그수단(2)의 출력을 감산한다. 불완전 적분 수단(5)은 감산 수단(4)의 출력을 지연시킨다. 가산수단(6)은 리드/래그수단(1)의 출력돠 불완전미분수단(5)의 출력을 가산한다.

가산수단(6)의 출력(SV₀) 또는 목표설정필터 수단(H(S))의 출력(SV₀)은 목표설정치로서 PID제어기에 공급된다. PV타입에 관한 미분의 PID제어기는 미분연산수단(7), 비선형수단(6), PI-제어연산수단(9), 감산수단(10) 및 불완전 미분수단(11)으로 구성된다. 미분연산수단(7)은 가산수단(6)의 출력과 피제어시스템(12)으로 부터 공급되는 제어치(PV)를 수신하여 출력(SV₀)과 제어치(PV)로 부터 편차(E)를 산출한다.

산출된 편차(E)는 비선형 수단(8)에 입력된다.

비선형 수단(8)은 데드밴드연산(dead-band operation), 편차2승연산(deviation-square operation) 및 이득-변화연산(gain-change operation)을 포함하는 편차(E)에관한 비선형연산을 행하여 출력을 산출한다. 상기 수단(8)의 출력을 PI제어연산수단(9)에 입력된다. 연산수단 (9)은 비선형 수단(8)의 출력에 관한 PI제어연산을 행하여 PI제어치를 산출한다.

상기 PI제어연산은 식(2)의 우측의 첫번재 1항에 의해 정의된다. PI제어치는 감산수단(10)에 공급된다.

한편 제어치(PV)는 피제어시스템(12)으로 부터 불완전 미분수단(11)으로 공급된다, 불완전 미분수단(11)은 제어치(PV)에 관한 불완전 미분연산을 행하여 불완전 미분치를 산출한다. 상기 불완전 미분연산은 식(2)의 우측의 두번째 항에 의해 정의된다. 불완전미분치는 감산수단(10)으로 입력된다. 감산수단(10)은 PI제어치로 부터 불완전미분치를 감산하여 조작변수(MV)를 산출한다.

조작변수(MV)는 공정교란신호(D)를 공급받는 가산기(13)에 공급된다. 가산수단(13)은 변수(MV)와 신호(D)를 합하여 피제어시스템(12)에 공급하므로서 시스템(12)이 제어되어 제어치(PV)를 목표설정치(SV₀)와 동일하게 한다. 즉, (SV₀)=PV임.

그러므로,공정교란제어를 위한 알고리즘 C_D(S)은 다음식으로 나타낸다.

C_D(S)=Kp{1+1/(T₁S)+(T_DS)/(1+ηT_DS)}....................(3)

한편, 목표설정치제어를위한 알고리즘(C_SV(S))은 다음과 같이 정의된다.

C_SV(S)=Kp[α+(1/(T₁S)}-B_O/(1+T₁S)}+(γ_OT_DD)/(1+ηT_DS)]...(4)

우선 2DOF PID제어기가 최적 공정교란제어특성을 가질 수 있는 값으로 파라메터들 (Kp, T₁및 T_D)을 설정한다. 그 다음, 2DOF PID 제어기가 최선의 가능한 목표설정치추종특성을 가질수 있도록 2DOF계수(α,β₀및 γ₀)를 결정한다. 일단 2DOF PID제어기가 최적공정교란제어 특성과 최적목표설정치 추종특성을 갖게되면, 파라메터들(Kp, T₁및 T_D)이 계수에 따라 (α,β₀및 γ₀)에 따라 변화될 수 있어 제어치(PV)의 변화에 대처할 수 있다. 이 결과로서 제어기는 2자유도 PID제어를 행할 수 있다.

상술한 2자유도 PID제어는 많은 점에서 장점을 갖고 있으나 다음과 같은점에서 단점을 갖고 있다.

1. 식(4)으로 부터 명백한 바와같이 2DOF계수들(α,β₀및 γ₀)은 상호 관련되어야 하지만 서로간에 독립되어 있기 때문에, 계수(α)가 변화되면 계수들(β₀및 γ₀)은 독립적으로 변화되어야 하므로 계수들 (β₀및 γ₀)을 조정하기 위해서는 많은 시간이 걸린다.

2. 이미 언급한 바와같이 목표설정필터수단 (H(S))과 PID제어기(PV타입에 관한 미분)는 1차래그수단과 불완전미분수단을 갖고 있으며 설비를 제어하기위해 대부분의 경우에 수십~수천의 2DOF PID제어가 행해진다. 그러므로 설비제어시스템은 수많으 1차래그수단과 수많은 불완전 미분수단을 가질 필요가 있다. 따라서, 시스템의 부하가 커서 시스템의 고속동작이 어렵고 또한 소형화할 수 없다.

3. 설비를 제어하기 위해 대부분의 경우에 편차를 비선형 연산해야 한다. 비선형 연산은 용이성, 정확성 또는 자유성을 달성할 수 없다.

즉, 설비를 제어하기 위해 대부분의 경우에 편차에 관해 비선형연산을 행한다. 왜냐하면 피제어시스템(12)의 특성때문에 편차(E)만으로는 설비를 제어할 수 없기 때문이다. 이것이 데드-밴드 연산, 편차 2승연산, 이득 변호 연산 및 갭(gap)연산등의 편차(E)에 관한 비선형 연산을 행하기 위해 PI제어연산수단(9)의 입력에 비선형수단(8)을 연결하는 이유이다. 불완전미분수단(11)은 PI제어연산수단(9)의 출력으로 바이패스 되기때문에, 불완전 미분 수단(11)의 출력은 비선형연산을 행하지 않는다. 결국 비선형연산의 결과가 정확하지 않아 2자유도의 PID제어의 신뢰성이 불가피하게 떨어진다.

본 발명의 제1목적은 비례이득의 2DOF계수(α)가 변화될때 미분항의 이득을 자동으로 변경시킬 수 있는 2자유도제어기를 제공하는데 있다.

본 발명의 제2목적은 시간소자을 적게 사용하므로 소형이고, 부하가 작고 또한 고속 동작할 수 있는 2자유도제어기를 제공하는데 있다.

본 발명의 제3목적은 용이성, 정확성, 및 자유성을 갖는 미분연산을 포함하는 비선형 연산을 행하여 시스템을 고효율로 제어할 수 있는 2자유도제어기를 제공하는데 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 2자유도제어기는 피 제어시스템의 제어치와 목표설정치에 따라 공정교란신호에 관해 미분연산을 행하여 목표설정신호를 출력하는 목표설정 필터수단과, 상기 목표설정신호와 상기 제어치간의 편차를 구하여 편차에 관한 PI제어연산을 행하여 조작신호를 출력하는 PI제어연산수단과 그리고 상기 PI제어연산수단에의해 조작신호출력에 공정교란신호를 가산하여 합신호를 구하여 피제어시스템에 공급하는 가산수단을 포함한다.

PI제어연산수단을 편차에 관한 비선형 연성을 행하는 비선형수단을 포함한다.

그러므로, 목표설정 필터수단과 PI제어연산수단은 협조하여 2자유도 PID제어를 쉽게 행한다.

목표설정 필터수단은 PI제어연산수단의 입력에 연결되며 또한 목표 설정치와 제어치에 따라 공정 교란신호에 관한 미분연산을 행하며, PI제어연산수단은 정확성과 자유성을 가지고 비선형 연산을 행할 수 있으므로 2자유도 PID제어를 달성 할 수 있다.

본 발명의 양호한 실시에에서 목표설정 필터수단은 상기 목표설정치를 비례이득의 2자유도 계수와 승산하여 제1승산치를 출력시키는 이득 승산수단과, 상기 목표설정치로 부터 상기 제1승산치를 감산하여 제1의 차값을 출력하는 제1감산수단과, 상기 적분시간에 대해 2자유도 계수를 갖고 제1의 값에 관해 제1래그연산을 행하여 1차래그연산의 제1결과를 출력하는 제1의 1차래그수단과, 상기 제1승산치를 미분시간의 2자유도 계수와 승산하여 제2승산치를 출력하는 미분시간 계수승산수단과, 상기 제2승산치로부터 제어치를 감산하여 제2차의 값을 출력하는 제2감산수단과, 상기 제2의 차값을 수신하고 상기 제2의 차값에 관해 불완전미분연산을 행하여 그 결과를 출력하는 불완전미분수단과, 상기 1차래그연산의 제1결과로부터 상기 불완전미분연산의 결과를 감산하여 제3의 차값을 출력하는 제3감산수단과, 상기 제3의 차값에 관한 1차래그연산을 행하여 1차래그연산의 제2결과를 출력하는 제2의 1차래그수단과, 상기 1차래그연산의 제2결과를 불완전미분연산의 결과에 가산하여 제1합을 출력하는 제1가산수단과, 상기 제1합을 상기 제1승산치에 가산하여 제2합을 구해서 목표설정신호로서 PI제어연산 수단에 공급하는 제2가산수단을 포함한다.

본 발명의 또다른 양호한 실시예에 의하면 상기 목표설정필터수단은 ; 목표설정치를 비례이득의 2자유도 계수와 승산하여 제1승산치를 출력하는 이득계수 승산수단과, 목표설정치로 부터 제1승산치를 감산하여 제1의 차값을 출력하는 제1감산수단과, 상기 제1의 차값에 관해 1차 래그연산을 행하여 그의 제1결과를 출력하기 위해 적분시간에 대해 2자유도계수를 갖는 제1의 1차래그수단과, 미분시간의 2자유계수와 상기 목표설정치를 승산하여 제2승산치를 출력하는 미분시간계수승산수단과, 상기 제2승산치로 부터 제어치를 감산하여 제2의 차값을 출력하는 제2감산수단과, 상기 제2의차값을 수신하여 그에 관해 불완전미분연산을 행해서 그 결과를 출력하는 불완전미분수단과, 상기 제1의 제1차 래그연산의 제1결과로 부터 불완전 미분 연산의 결과를 감산하여 제3의 차 값을 출력하는 제3감산수단과, 상기 제3의 차값에 관해 1차래그연산을 행하여 1차래그연산의 제2결과를 출력하는 제2의 1차래그수단과, 상기 1차래그연산의 제2결과를 불완전미분연산 결과에 가산하여 그 제1합을 출력하는 제1가산수단과, 그리고 상기 제1합을 상기 제1승산치에 가산하여 제2합을 구해서 목표설정신호로서 PI제어연산 수단에 공급하는 제2가산수단을 포함한다.

다른 방법으로 비례이득과 미분시간에 관해 2자유도제어를 달성하는 역할을 하는 목표설정 필터수단은 : 목표설정치를 비례이득의 2자유도계수와 승산하여 제1승산치를 출력하는 이득계수승산수단과, 목표설정치로부터 제1승산치를 감산하여 제1의 차값을 출력하는 제1감산수단과, 미분시간의 2자유도계수와 상기 목표설정치를 승산하여 제2승산치를 출력시키는 미분시간계수승산수단과, 상기 제2승산치로 부터 제어치를 감산하여 제2의 차값을 출력하는 제2감산수단과, 상기 제2의 차 값을 수신하여 그에 관해 불완전미연산을 행해서 그 결과를 출력하는 불완전 미분수단과, 상기 제1의 차값으로 부터 상기 불완전 미분 연산의 결과를 감산하여 제3의차값을 출력하는 제3감산수단과, 상기 제3의 차값에 관해 1차래그연산을 행하여 1차래그연산의 결과를 출력하는 1차래그수단과, 상기 1차래그연산의 결과를 불완전미분연산결과에 가산하여 그 제1합을 출력하는 제1가산 수단과, 그리고 상기 제1합을 상기 제1승산치에 가산하여 제2합을구해서 목표설정 신호로서 PI제어연산 수단에 공급하는 제2가산수단을 포함한다.

본 발명에 의하면 제어치의 미분항을 수신하는 목표설정필터수단과, 상기 미분항에 관해 비선형 연산을 행하기 위해, 편차산출수단, PI제어수단 및 편차산출수단과 PI제어수단간에 연결되는 비선형수단을 포함하는 PI제어연산수단을 포함하는 2자유도제어기가제공된다.

상술한 목적들을 달성하기 위해 본 발명에 의하면 목표설정치를 수신하여 목표설정신호를 발생하는 목표 설정필터수단과, 상기 목표설정치를 비레이득에 대한 2자유도계수와 승산하여 승산치를 출력하는 계수승산수단과, 적분시간동안 적어도 2자유도계수를 가지면 또한 목표설정치로 상기 승산치를 감산하여 차값을 생성하는 1차래그수단과, 상기 차값에 상기 승산치를 가산하여 상기 목표설정신호를 출력하는 수단과, 상기 목표설정신호와 피제어시스템으로부터 공급되는 제어치간의 편차를 구해서 상기 편차에 관해 PI제어연산을 행해서 조작신호를 출력하는 PI제어연산수단과, 그리고 상기 PI제어연산수단에 의해 출력되는 조작신호에 공정교란신호를 가산하여 그 합신호를 피제어시스템에 공급하는 가산수단을 포함하는 2자유도제어기가 제공된다.

상술한 목적들을 달성하기 위해 본 발명에 의하면 목표설정치를 수신하여 목표설정신호를 발생하는 목표설정필터수단과, 상기 목표설정치를 비례이득에 대한 2자유계수와 승산하여 승산치를 출력하는 계수승산수단과, 상기 목표설정치로 부터 상기 승산치를 감산하여 차값을 생성하도록 설계된 제1의 1차래그수단과, 적분시간동안 적어도 2자유도 계수를 가지며 또한 상기 목표설정치를 지연시켜 지연된 목표설정치를 출력하도록 설계된 제2의 1차래그수단과, 그리고 상기 승산치를 상기 제2의 1차래그수단에 의해 출력된 지연되 목표설정치에 가산하여 목표설정신호를 출력하는 수단과, 상기 목표설정신호와 피제어시스템으로 부터 공급되는 제어치간의 편차를 구해서 상기 편차에 관해 PI제어연산을 행해서 조작신호를 출력하는 PI제어연산수단에 의해 출력되는 조작신호에 공정교란신호를 가산하여 그 합신호를 피 제어시스템에 공급하는 가산수단을 포함하는 2자유도제어기가 제공된다.

상기 설명으로 부터 이해될 수 있는 바와같이 종래의 제어기에 사용되는 목표설정필터의 비례이득에 2자유도를 부여하기 위해서 리드/래그 수단을 2성분으로 나눌 수 있다. 첫째가 입력에 비례하는 정적보상성분이고, 둘째가 입력에 대해 1차지연으로 변화하는 동적보상성분이다. 1차래그수단은 동적 보상성분에 직렬로 연결되므로, 2개의 1차래그수단을 사용하여 2DOF PI제어를 달성할 수 있다. 또한, 비례이득의 2자유도계수가 변화하기 때문에 적분시간의 자유도의 크기가 적당한 방향으로 변화하도록 적분시간에도 역시 2자유도를 부여한다.

그때문에 계수승산수단의 비례이득의 2자유도계수를 변화시켜서 공정교란의 최적 제어에 필요한 비례이득 파라메터를 그대로 유지시키면서 목표설정치에 대한 비례 이득을 변결할 수 있다. 그 밖에도, 단지 1차래그수단의 적분시간의 2자유도계수를 변화시켜서 공정교란신호에 대한 적분시간을 유지시키면서 목표설정치에 대한 적분시간을 등가적으로 변경할 수 있다. 그러므로, 완전하 2자유도 PI제어를 달성할 수 있다. 비례이득의 2자유도계수를 변경시켜서 적분시간을 적당한 방향으로 변화시킬 수 있다. 또한 단 2개의 1차래그수단을 사용하여 완전한 2자유도 PI제어를 행할 수 있다.

본 발명에 의하면, 목표설정치를 비례이득의 2자유도계수와 의해 승산하여 제1승산치를 출력하는 이득계수승산수단과, 상기 목표설정치를 미분시간의 2자유도 계수와 승산하여 제2승산치를 출력하는 미분시간계수승산수단과, 상기 목표설정치에 관해 1차래그연산을 행하여 1차래그연산의 제1결과를 출력하는 제1의 1차래그수단과, 1차래그연산의 결과를 적분시간의 2자유도계수와 승산하여 제3승산치를 출력하는 적분시간 계수승산수단과, 상기 제2승산치와 피제어시스템으로 부터 공급되는 제어치에 관해 불완전미분연산을 행하여 불완전미분연산의 결과를 출력하는 불완전미분수단과, 상기 제1승산치, 제3승산치및 상기 불완전 미분연산의 결과에 관해 1차래그연산을 행하여 제2결과를 출력하는 제2의 1차래그수단과, 1차래그연산의 제1 및제2결과를 가산하여 목표설정신호를 출력하는 제1가산수단과, 목표설정신호와 제어치간의 편차를 판정하여 상기 편차에 관해 PI-제어연산을 행해서 조작신호를 출력하는 PI제어연산수단과, 그리고 상기 조작신호에 공정교란신호를 가산하여 합신호를 얻어서 피제어시스템에 공급하는 제2가산수단을 포함하는 다른 2자유도제어기가 제공된다.

이 2자유도제어기는 비례이득, 미분시간 및 적분시간에 대해 완전한 2자유도를부여할 수 있다.

본 발명의 기타 목적 및 장점들은 이하에 설명되는 본 발명의 양호한 실시예의 상세한 설명으로 부터 이해될 수 있다.

본 발명의 제1실시예에 의한 2DOF PID제어기를 제2, 3a, 3b, 4a 및 4b도를 참조하여 이하에 설명한다.

제2도에 볼 수 있는 바와같이, 2DOF PID제어기는 목표설정 필터수단(20), PI알고리즘 실행부(22) 및 가산수단(24)를 포함한다. 가산수단(24)은 2DOF PID제어기를 제어하는 시스템(26)에 연결된다.

목표설정 필터수단(20)은 목표설정치(SV)를 수신하도록 설계되며 또한 상기 목표설정치에 관해 연산을 행하여 비례이득(Kp), 적분시간(T₁), 및 미분시간 (T_D)에 대해 2자유도를 부여한다. PI알고리즘실행부(22)는 편차산출수단(28), 비선형수단(30) 및 PI제어수단(32)를 포함한다. 편차산출수단(28)은 목표설정필터수단(20)의 출력(SV₀)과 피제어시스템(26)으로부터 공급되는 제어치(PV)를 수신하여 출력(SV₀)으로 부터 제어치 (PV)를 감산하여 편차(E)를구한다. SV₀-PV=E의 감산을 행한다. 비선형수단(30)은 필요할 경우, 편차(E)에 관해 비선형연산을 행하여 출력을 생성한다. PI제어수단(32)은 비선형수단(30)의 출력에 관해 PI제어연산을 행하여 조작변수(MV)를 생성한다.

가산수단(24)은공정교란신호(D)를 PI알고리즘 실행부(22)에 생성된 조작 변수(MV)에 가산하여 피제어시스템(26)으로 출력하도록 설계된다. 결과적으로 시스템(26)은 SV-SV₀=PV가 되도록 제어된다.

제2도에 나타낸 바와같이 목표설정 필터수단(20)은 이득계수승산수단(34), 상기 승산수단(34)의 출력에 연결되는 제1가산수단(36), 상기 승산기(34)의출력에 연결되는 제1감산수단(38), 제2감산수단(40), 상기 제2감산수단(40)의 출력에 연결되는 제1의 1차래그수단(42), 상기 수단(42)의 출력에 연결되는 제2가산수단(44), 상기 승산수단(34)에 연결되는 시간계수승산수단(46), 상기 승산수단(36)의 출력에 결합되는 제3감산수단(48), 상기 제3감산수단(48)의 출력에 결합되는 불완전 미분수단(50), 그리고 상기 제1감산수단(38)과 제감산수단(40)간에 연결되는 제2의 1차래그수단(52)를 포함한다.

전술한 바와같이, 목표설정 필터수단(20)은 비례이득, 적분시간 및 미분시간에 대해 2자유도를 부여한다. 이 항목들에 대해 2자유도를 부여하기 위해 PI제어연산수단(9)의 출력으로 바이패스되는 불완전미분수단(11)(제1도)의 미분항은목표설정 필터수단(20)에 공급된다. 또한 제어치의 적분과 목표 설정치, 상기 목표설정치의 비례이득 및 적분시간의 1차래그의 미분연산의 공용에 의해 종래의2DOF PID제어기(제1도)보다 구성요소가 적게 소요된다.

우선, 수단(20)의 비례이득에 대해 2자유도를 어떻게 부여하는지를 설명하겠다. 이득계수 승산기 (34)는 비례이득의 2DOF계수(α)와 목표 설정치(SV)를 승산기(34)의 출력즉, SV와 α의 승산치는 제1가산수단(36)과 제1감산수단(38)에 공급된다. 제1감산수단(38)은 목표설정치(SV)로부터 출력 (αSV)을 감산한다. 제1감산수단(38)의 출력 즉, SV와 α SV간의 차는 제2의 1차래그수단(52), 제2공제수단(40), 제1의 1차래그수단(42) 및 제2가산수단(44)를 통해 제1가산수단(36)에 입력된다.

이제 수단(20)이 미분시간에 대해 2자유도를 어떻게 부여하는지에 관해 설명하겠다. 이득계수 승산수단(34)의 출력은 미분시간의 2DOF계수(γ)가 설정되는 시간계수 승산수단(46)으로 입력된다. 시간계수 승산수단(46)은 수단(34)의 출력을 계수(γ)에 의해 승산하여 승산치(α γ SV)를 구한다. 이 승산치는 제3감산수단(48)에 입력된다. 제3감산수단(48)은 상기 승산치(α γ SV)로 부터 시스템(26)의 제어치(PV)를 감산하여 차값(α γ SV-PV)을 구한다. 이 차값은 불완전미분수단(50)을 통해 상기 제2감산수단(40)과 제2가산수단(44)에 공급된다. 제2감산수단(40)의 출력은 상기 제1의 1차래그수단(42)을 통해 제2가산수단에 공급되는 한편 상기 제3감산수단(48)의 출력은 불완전 미분수단(50)을 통해 제2가산수단(44)에 공급된다. 상기 제2가산수단(44)는 제1의 1차래그수단(42)의 출력과 불완전미분수단(50)의 출력을 가산하여 합을 구한다. 이합은 이득계수승산수단(34)의 출력 즉, α SV를 공급받는 제1가산수단(36)에 입력된다. 그 때문에 제1가산수단(36)은 이득계수승산수단(34)과 제2가산수단(44)의 출력들의 합을 출력한다. 이 결과로서, 2자유도가 미분시간에 부여된다.

이제 적분시간에 대해 2자유도가 어떻게 부여되는지에 대해 설명하겠다. 제1감산수단(38)의 출력 즉, SV-α SV는 적분시간의 2DOF계수(β)를 함유하는 제2의 1차래그수단(52)에 공급된다. 수단(52)의 출력은 제2감산수단(40), 제1의 1차래그수단(42) 및 제2가산수단(44)를 통해 제1가산수단(36)으로 입력된다. 제1가산수단(36)은 승산수단(34)과 제2가산수단(44)의 출력을 가산하여 목표설정 필터수단(20)의 출력인 출력(SV₀)을 생성한다.

상술한 목표설정 필터수단(20)이 사용되는 이유에 대해 제3a, 3b, 4a, 4b 및 5도를 참조하여 설명하겠다.

제3a도에 개략적으로 보인 종래의 2DOF PID제어기(제1도)에서 사용되는 리드/래그수단(1)은 제3b도에 나타낸것으로 등가적으로 변환될 수 있다.

즉, 수단(1)은 (1+αT₁S)/(1+T₁S)로 나타낼 수 있으며, 이는 다시 아래와 같이 변환될 수 있다.

(1+αT₁S)/(1+T₁S)

=(α+αT₁S+1-α)/(1+T₁S)

=α+(1-α)/(1+T₁S)..................................(5)

그러므로, 식(5)는 제3b도에 보인 기능 개통도에 의해 나타낼 수 있다.

제4a도 개략적으로 보인 종래의 PID 제어기(제1도)에서 사용된 불완전적분수단(5)는 제4b도에 나타낸 것으로 등가적으로 변환될 수 있다. 즉, 수단(5)는 (T₁S)/(1+T₁S)로 나타낼 수 있고, 이는 다시 다음과 같이 변환될 수 있다.

T₁S/(1+T₁S)=(1+αT₁S-1)/(1+T₁S)

=1-1/(1+T₁S) ............................(6)

그러므로, 식(6)은 제4b도에 보인 기능 개통도로 나타낼 수 있다.

제3b 및 4b도로부터 명백한 바와 같이, 제1의 1차래그수단(42)는 리드/래그수단(1)과 불완전 적분수단(5)로서 사용될 수 있다. 다시말해, 제2도에 보인 목표설정필터수단(20)은 제3b도 및 4b도의 기능계통을 사용하고 또한 약간의 새로운 기술개념을가미하여 설계되었다.

공정교란제어용 알고리즘 C_v(S)는 다음식으로 주어진다.

C_v(S)=MV/PV

=Kp[1+1/(T₁S)+(T_DS)/(1+ηT_DS)]..................(7)

한편, 목표설정치를 제어하기 위한 알고리즘 C_SV(S)은 다음식으로 주어진다.

C_SV(S)=MV/SV

Kp[α+[1/(T₁S)-(1-α)β/(1+βT₁S)]

αγ(T_DS)/(1+ηT_DS)}..........................(8)

식(7)과 (8)로부터 명백히 이해되는 바와 같이 비례이득의 2DOF 계수(α)를 변경할때, 공정교란을 제어하기 위한 알고리즘에 대한 비례이득(Kp)을 유지하면서 목표설정치를 제어하기 위한 알고리즘의 비례이득(Kpα)을 변화시킬 수 있다. 또한 적분시간의 2DOF 계수(β)를 변경할 때 공정교환을 제어하기 위한 알고리즘의 적분시간을 유지하면서 목표설정치를 제어하기 위한 알고리즘의 적분시간을 변화시킬 수 있다. 또한 미분시간의 2DOF 계수(γ)를 변화시킬 때 공정교란을 제어하기 위한 알고리즘의 미분시간을 유지하면서 설정치를 제어하기 위한 알고리즘에 대하 알고리즘의 미분시간을 변화시킬 수 있다. 간단히 말해 완전 2DOP PID 제어를 달성할 수 있다.

그러므로, 제2도에 보인 2DOF PID 제어기는 단 3개의 시간수단만이 필요한 반면 제1도에 보인 종래의 PID 제어기는 5개가 필요했다. 그때문에 제2도의 PID 제어기의 코스트와 하중을 종래의 것에 비해 줄일 수 있으며, 제2도의 PID제어기는 제1도의 종래의 것보다 부피가 작고 고속동작할 수 있다. 제2도의 제어기는 시스템(26)에 대하여 완전 2DOF PID제어를 할 수 있다.

제2도에 보인 2DOF PID 제어기에서는 비례 이득의 2DOF 계수(α), 적분시간의 2DOF 계수(β) 및 미분시간의 2DOF계수(γ)가 서로 독립하여 설정될 수 있다. 따라서 계수를 설정하기가 용이하다.

또한, 제2도에 보인 2DOF PID 제어기에 의하면 2DOF 계수(β와 γ)를 조정하기가 용이하다. 이는 이들 2DOF 계수(α)가 식(8)으로부터 이해되는 바와 같이 변경될때 자동으로 조정되기 때문이다.

또한, 제2도에 보인 2DOF PID제어기는 용이성과 정밀성으로 비선형연산을 행할 수 있다. 이는 PI 제어연산수단(9)(제1도)의 출력으로 바이패스되는 불완전미분수단(11)(제1도)과 등가인 성분이 필요없고 또한 제어치의 미분항이 목표설정 필터수단(20)내에 결합되어 있기 때문이다.

제5도는 2DOF 계수(α와 β)에 대한 최적치가 제2도에 보인 2DOF PID 제어기에 의해 제어되는 시스템(26)의 특성에 따라 어떻게 변화하는지를 나타냈다. 시스템(26)의 특성을 L/T로 정의된다. 여기서 L은 시스템(26)의 운휴시간이고, T는 시스템(26)의 시정수이다. 제5도로부터 이해될 수 있는 바와 같이 2DOF 계수(α와 β)는 제2도에 보인 PID 제어기의 실용을 위하 값의 절반만으로 설정할 수 있다. 실제에 있어서, 2DOF 계수(α, β 및 γ)는 다음값으로 하도록 권고되고있다.

α=0, β=4, γ=1.25

본 발명의 제1실시예에 의한 PID 제어기는 1자유도의 생성에서 2자유도의 생성으로 설비제어 PID 시스템의 기반을 향상시켜서 산업의 각종 분야에 크게 기여할 수 있다.

제6도를 참조하여, 본 발명의 제2실시예에 의한 2DOF PID제어기의 목표설정 필터수단(20)을 이제 설명한다.

제1실시예(제2도)에서는 이득계수 승산수단(34)의 출력이 미분시간의 2DOF 계수(γ)에 의해 승산된다.

제6도에 보인 제2실시에에서는 2DOF계수(γ0)가 설정되어 있는 시간계수 승산수단(56)에 목표설정치(SV)가 입력된다. 이밖에 제6도에 보인 목표설정 필터수단(20)은 제2도에 나타낸 것과 동일하며, 제2도에 보인것과 동일한 요소는 제6도에서와 동일번호를 부여하고 상세 설명은 생략한다.

공정교란을 제어하기 위해 2DOF PID 제어기에서 사용되는 알고리즘 C_D(S)은 식(7)에 의해 정의된 제1실시예(제2도)에서 사용된것과 동일하다. 한편, 목표설정치를 제어하기 위해 2DOF PID 제어기에서 사용되는 알고리즘(C_SV(S))은 다음식으로 주어진다.

C_SV(S)=MV/SV

=Kp[α+[1/(T₁S)-(1-α)β/(1+βT₁S)]

+γ0T_DS/(1+ηT_DS)}..............................(9)

상기 실시예에서는 2DOF 계수가 변경될때 미분항의 이득이 자동으로 변화되지 않으며 이것이 제1실시예와 다른것이다.

제7조를 참조하여 본 발명의 제3실시예에 의한 2DOF PI 제어기를 이제 설명하겠다. 제3실시예는 목표설정필터수단 (120)이 전혀 미분항을 갖지 않는것을 제외하고 제2도에 보인 2DOF PID 제어기와 동일하다. 그때문에 제2도에 보인것들과 동일요소는 제7도에서 동일번호로 나타내고 상세한 설명은 생략한다.

제7도에 보인 바와 같이 목표설정 필터(120)은 목표설정치(SV)를 비례이득의 2DOF 계수와 승산하는 2DOF 계수 승산수단(34), 목표설정치(SV)로부터 수단(34)의 출력을 감산하는 감산수단(38), 적당한 1차래그를 부여하기 위해 상기 감산수단(38)의 출력에 직렬로 연결되는 2개의 1차래그수단(52 및42), 그리고 상기 2DOF 계수 승산수단(34)의 출력을 1차래그수단(42)의 출력에 가산하는 가산수단(36)을 포함한다. 가산 수단(36)의 출력은 목표설정치(SV_O)로서 PI 제어수단(32)으로 입력된다.

목표설정필터수단(120)은 설정치(SV)를 수신하며, 또한 상기 목표설정치(SV)에 준하여 비례이득과 적분시간에 관해 2자유도를 행하여 1자유도(1DOF) 제어에서 요구되는 목표설정치(SV_O)를 생성한다. 목표설정치(SV_O)는 피제어시스템(26)으로부터 제어치(PV)를 공급받는 편차 산출수단(28)으로 입력된다. 수단(28)은 목표설정치(SV_O)로부터 제어치(PV)를 감산하여 편차(E)를 구한다. 편차(E)는 PI 제어수단(32)에 공급된다. PI 제어수단(32)는 편차(E)에 관해 PI 제어연산을 행하여 조작변수(MV)를 생성한다. 그렇게 생성된 조작변수(MV)는 공정교란신호(D)가 공급되는 가산수단(24)으로 입력된다. 가산수단(24)은 변수(MV)와 신호(D)를 가산하여 합신호를 생성해서 시스템(26)에 공급한다. 결과적으로, 시스템(26)은 SV-SV_O=PV가 되도록 제어된다.

제7도에 보인 2DOF PI 제어기의 연산을 제8 및 9도를 참조하여 설명하겠다.

목표설정치(SV)가 제8도에 보인 선(a1)으로 나타낸 바와 같이 단계식으로 변화될 때 제3b에 보인 등가회로는 식(5)에 의해 정의된 변환 함수로 인해 선(b1)으로 나타낸 출력(5V)을 생성한다. 우선 선(b1)으로 나타낸 출력특성은 계수(α)에 비례하여 변화하고 도한 (1-α)항은 1/(1+T₁S)에 따라 변화를 유지한다.

그러므로, 선(b1)에 의해 정의된 응답특성이 큰 오버슈트를 가질 경우, 1차래그수단(62)이 (1-α)항에 가산되면 출력특성은 선(C1)으로 나타낸것으로 변화될 것이다. 선(C1)으로 나타낸 이 출력특성은 선(b1)에 의해 정의된 응답특성의 것보다 작은 오버슈트를 갖는다.

목표설정필터수단(120)과 P1 제어수단(32)이 어떻게 협동하여 완전 2DOF PI 제어를 달성하는지에 관해 설명하겠다.

제7도로부터 이해될 수 있는 바와 같이 공정 교란제어를 위한 알고리즘(C_D(S))은 다음과 같다.

C_D(S)=MV/PV=C(S)=Kp{1+1/(T₁S)} ...................(10)

제7도로부터 볼 수 있는 바와 같이 목표 설정치를 제어하기 위한 알고리즘 (C_SV)은 다음과 같다.

C_SV(S)=F(S) C(S)

={α+(1-α)/[(1+βT₁S)(1+T₁S)]}

×Kp{1+1/(T₁S)}

=Kp{α[1+1/(T₁S)

+(1-α)/[(T₁S)(1+βT₁S)]}

=Kp{α[1+1/(T₁S)]

+(1-α)×[1/(T₁S)- β(1+βT₁S)]}

=Kp{α+[1/(T₁S)-(1-α)β/(1+βT₁S)]} .........(11)

식(10)과 식(11)으로부터 명백한 바와 같이, 목표설정치에 대한 비례이득(α Kp)은 2DOF PI제어기(제7도)가 최적공정교란제어특성을 가질 수있는 그러한 값에 Kp와 T₁가 일단 설정되면 공정교란에 대한 비례이득(Kp)을 유지하면서 2DOF 계수(α)를 변경시켜서 변화시킬 수 있다. 또한 목표설정치에 대한 적분시간(β T₁)은 2DOF PI제어기(제7도)가 최적 공정교란제어특성을 가질 수 있는 그러한 값에 Kp와 T₁가 일단 설정되면 공정교란에 대한 적분시간(T₁)를 유지시키면서 2DOF PI 계수(β)를 변경시켜서 변화시킬 수 있다. 따라서 제7도에 나타낸 2DOF PI 제어기는 완전 2DOF PI 제어를 행할 수 있다.

그러므로, 목표설정치에 대한 적분항(I_SV(S))은 다음식으로 주어진다.

I_SV=1/(T₁S)-(1-α)β/(1+βT₁S)]} .........................(12)

식(12)로부터 다음과 같은 것을 구할 수 있다.

(a) β=0일때, I_SV(S)=1/(T₁S)(적분시간 변화없음)

(b) β＞0일때, I_SV(S)＜1/(T₁S)(적분시간을 더 길게했음)

(c) β＜0일때, I_SV(S)＞1/(T₁S)(적분시간을 더 짧게했음)

명백하게 공정교란에 대한 적분시간(βT₁)은 적분시간(T₁)의 2DOF 계수(β)를 단순히 변화시킴으로서 적분시간(T₁)를 유지시키면서 변화시킴으로서 적분시간(T₁)을유지시키면서 등가적으로 변화될 수 있다.

그때문에 제7도에 보인 2DOF PI 제어기는 시스템(26)의 변환함수(G(S))가 e^-25/(1+5S)로 설정될 경우 제9도에 보인 응답특성을 가지면 또한 목표설정치(SV)가 PI 파라메터들을 조정함으로서 단계별로 변화시켜 공정교란의 최적 제어를 달성할 수 있다. 제9도에 보인 곡선(a2)은 α=1과 β=0일 경우 즉, 목표설정 필터수단(120)을 갖지않을 경우 2DOF PI 제어기가 1자유도 PI 제어를 달성한 경우의 응답 특성을 나타낸다. 곡선(a2)으로부터 명백히 볼 수 있는 바와 같이 이 응답특성은 큰 오버슈트를 갖는다.

제9도에 보인 곡선(b2)은 2DOF PI 제어기가 α=0.4과 β=0일 경우 즉, 단지 P에 관해서만 2자유도제어를 달성한 경우의 응답특성을 나타낸다. 곡선(b2)으로 나타낸 응답특성은 또한 곡선(a2)으로 나타낸 것 같이 크지는 않지만 오버슈트를 갖는다.

곡선(C2)는 α=0.4과 β=0일 때 즉, P와 I에 관해 2자유도제어를 달성할때 2DOF PI 제어기가 나타내는 응답특성을 나타낸다. 곡선(C2)으로부터 명백한 바와 같이 이 응답 특성은 아주 작은 오버슈트를 갖는다.

또한 제9도에 보인 (d2)은 α=0, β=0일 경우, 즉 P와 I에 관해 1자유도제어를 달성할 경우, 2DOF PI 제어기가 나타내는 응답특성을 나타낸다. 명백하게 이 응답특성은 불충분하며, 2DOF PI 제어기는 목표 설정치(SV)의 변화에 너무 느리게 응답한다. 제9도로부터 이해될 수 있는 바와 같이 제7도에 나타낸 2DOF PI 제어기는 P와 I에 관해 최적의 2자유도를 달성할 수 있다.

또한 식(11)으로부터 명백한 바와같이 비례 이득의 2DOF 계수(α)가 변화되면 적분시간은 등가적으로 적당한 방향으로 변화된다. 보다 구체적으로, 계수(α)가 클수록 적분시간이 짧고 계수(α)가 작을수록 적분시간이 길다. 다시말해 적분시간은 2DOF PI 제어기의 응답 속도와는 상이한 방향으로 변화한다. 계수(α)가 고정되면 계수(β)만을 변화시켜서 적분시간을 변화시킬 수 있다.

제7도로부터 명백한 바와같이 목표설정 필터수단(120)은 판2개의 1차래그수단(42와 52)만을 포함하며 또한 시스템(26)의 2자유도 제어를 신뢰성있게 행한다. 목표 설정 필터수단(120)은 구조가 간단하다. 그때문에 2DOF PI 제어기상의 하중은 제1도에 보인 종래의 PID제어기상의 것보다 작으므로 PI 제어기는 종래의 것보다 고속으로 동작할 수 있다. 그러므로 제7도에 나타낸 것과동일한 2DOF PI 제어기를 수 10~수 천개 포함하는 설비를 제어하기 위한 2DOF PI 시스템은 소형이며, 부하가 비교적 작으며, 고속동작할 수 있다.

제10~12도는 본 발명의 제4, 제5, 제6실시예에 의한 2개의 2DOF PI 제어기들내에 결합되는 3개의 목표설정필터수단을 나타낸다. 이들 목표설정필터수단 각각은 2개의 1차래그수단을 갖는다.

제10도에 나타낸 목표설정필터수단(120)은 그의 특징이 목표설정치(SV)로부터 계수승산수단(34)의 출력을 감산하는 감산수단(38)의 출력에 1차래그수단(58)과 가산수단(60)이 연결되는 것에 있다. 가산수단(60)은 감산수단(38)의 출력과 1차래그수단(58)의 출력을 합산하여 그 합신호를 1차래그수단(42)에 입력한다. 1차래그수단(42)의 출력은 1차래그수단(58)의 출력이 공급되는 감산수단(62)에 입력된다. 그때문에 감산수단(62)은 1차래그수단(58)의 출력으로부터 1차래그수단(42)의 출력을 감산하여 차값을 구한다. 이 차값은 가산수단(36)에 입력된다.

목표설정치(SV)를 제공하기 위한 제10도의 목표설정 필터에서 사용되는 알고리즘(C_SV(S))은 다음식에 의해 정의된다.

C_SV(S)=Kp{α+1/(T₁S)-(1-α)β/(1+T_1DS)}.............(13)

명백하게 2개의 1차래그수단(42와 58)은 2자유도 PI 제어를 달성하는 역할을 한다.

제11도에 나타낸 목표설정필터수단(120)도 또한 2개의 1차래그수단(42와 58)을 갖고 있다. 목표설정치(SV)로부터 계수승산수단(34)의 출력을 감산하는 감산수단(38)의 출력에 감산수단(64)이 연결되는 것이 특징이다. 감산수단(64)은 감산수단(38)의 출력으로부터 1차래그수단(52)의 출력을 감산한다. 상기 수단(52)의 출력은 목표설정치(SV)를 지연시켜 구한다. 감산수단(64)에 의해 출력되는 신호는 1차래그수단(42)으로 입력된다.

목표설정치(SV)를 제어하기 위해 제11도의 목표설정 필터수단(120)에서 사용되는 알고리즘(C_SV(S))은 다음식에 의해 정의된다.

C_SV(S)=Kp{α+[1/(T₁S)-β/(1+βT₁S)}..................(14)

제12도는 제10도에 나타낸 목표설정수단(120)의 개조를 나타낸다. 개조는 수단(120)이 다른데, 1차래그수단(58)에 감산수단(38)의 출력이 입력되지 않고 목표설정치(SV)가 입력된다는 것이다. 개조에 사용된 알고리즘(C_SV(S))는 다음과 같다.

C_SV(S)=Kp{α+[1/(T₁S)-β/(1+(T₁S)]}..................(15)

그때문에, 제12도에 보인 목표설정 필터수단을 갖는 본 발명의 제6실시예에 의한 2DOF PID 제어기는 2자유도제어를 행할 수 있다.

본 발명의 제7실시예에 의한 2DOF PID 제어기를 제13도를 참조하여 설명하겠다. 제2도에 보인것과 동일부분은 제13도에서 동일번호로 나타내고 상세한 설명은 생략한다.

제13도에 보인 2DOF PID 제어기는 1차래그수단(52)과 등가요소를 사용하지 않으며, 불완전 미분수단(50) 대신 요소들(70,72,74)을 사용하는 것을 제외하고 제2도의 것과 동일하다. 다시말해, 이 2DOF PID 제어기는 목표설정 필터수단 (220), PI 알고리즘 실행수단(22) 및 가산수단(24)을 포함한다. 이 2DOF PID 제어기가 제어할 시스템(26)은 가산수단(24)의 출력에 연결된다.

목표설정필터수단(220)은 목표설정치를 수신하여 연산을 행해서 비례이득(Kp)과 미분시간(T_D)에 2자유도를 부여한다.

PI 알고리즘실행수단(22)은 미분산출수단(8), 비선형수단(30) 및 PI 제어수단(32)을 포함한다. 편차산출수단(28)은 목표설정필터수단(20)의 출력(SV_O)과 피제어시스템(26)으로부터 공급되는 제어치(PV)를 수신하여 출력(SV_O)으로부터 제어치(PV)를 감산하여 편차(E)를 구한다. 즉, SV_O-PV=E의 연산을 행한다. 비선형수단(30)은 편차(E)에 관해 비선형연산을 행하여 출력을 생성한다. PI 제어수단(32)는 비선형수단(30)의 출력에 관해 PI 제어연산을 행하여 조작변수(MV)를 생성한다.

가산수단(24)은 PI 알고리즘실행부(22)에 의해 생성된 조작변수(MV)에 공정교란신호(D)를 가산하여 피제어시스템(26)으로 출력시키도록 설계된다. 결국, 시스템(26)은 SV-SV_O=PV가 되도록 제어된다.

상술한 바와 같이, 목표설정 필터수단(220)은 비례이득과 미분시간에 대해 2자유도를 부여한다. 결국, PI 제어연산수단(9)의 출력으로 바이패스되는 불완전미분수단(11)(제1도)의 미분항은 목표설정필터수단(120)으로 공급된다.

우선, 비례이득에 2자유도를 수단(220)이 어떻게 부여하는지에 대해 설명하겠다. 이득 계수승산기(34)는 비례이득의 2DOF 계수(α)와 목표설정치(SV)를 승산한다. 승산기(34)의 출력 SV와 α의 승산치는 제1가산수단(36)과 제1감산수단(38)에 공급된다. 제1감산수단(38)은 목표설정치(SV)로부터 출력(SV)을 감산한다. 제1감산수단(38)의 출력, 즉 SV와 α SV간의 차는 제2감산수단(44)을 통해 제1가산수단(36)으로 입력된다. 제1가산수단(36)은 제2감산수단(44)의 출력을 이득계수승산수단(34)의 출력에 가산하여 비례이득에 대해 2자유도를 부여한다.

수단(220)이 미분시간에 대해 2자유도를 어떻게 부여하는지에 대해 이제 설명하겠다. 이득계수승산수단(34)의 출력은 미분시간의 2DOF 계수(γ)가 설정되는 시간계수 승산수단(46)에 입력된다. 시간계수승산수단(46)은 계수(γ)와 수단(34)의 출력을 승산하여 승산치(α γ SV)를 구한다. 이 승산치는 제3감산수단(48)에 입력된다. 제3감산수단(48)은 승산치(α γ SV)로부터 시스템(26)이 제어치(PV)를 감산하여 차값(α γ SV-PV)를 구한다. 이 차값은 나눗셈수단(70)에 공급된다. 나눗셈수단(70)의 출력은 제4감산수단(74)에 직접 입력되며, 또한 제3의 1차래그수단(72)를 통해 제4감산수단(74)에 입력된다. 제4감산수단(74)은 나눗셈수단(70)의 출력으로부터 제3의 1차래그수단(72)의 출력을 감산한다. 제4감산수단(74)의 출력은 제2가산수단(44)에 직접 입력되며 또한 제2감산수단(40)과 제1의 1차래그수단(42)를 통해 제2가산수단(44)에 입력된다. 제2가산수단(44)는 제1의 1차래그수단(42)의 출력과 제4감산수단(74)의 출력을 합하여 합신호를 구한다. 이 합신호는 이득계수승산수단(34)의 출력, 즉 αSV가 공급되는 제1가산수단(36)에 입력된다. 그때문에 제1가산수단(36)은 이득계수 승산수단(34)과 제2가산수단(44)의 출력들의 합을 출력한다. 결국, 그 합 즉, 목표설정필터수단(220)의 출력(SV_O)이 PI 알고리즘실행부(22)의 편차산출수단(28)에 입력된다.

제2도에 보인 제1실시예에서 사용된 불완전미분수단(50)은 제14a도에 보인 바와 같이 (T_DS)/(1+_ηT_DS)로서 등가적으로 나타낸다. 이 대수법은 다음과 같이 변화될 수 있다.

T_DS/1+ηT_DS)=(1/η)ηT_DS/(1+ηT_DS)

=(1/η)[1-T_DS/(1+ηT_DS) ..................(16)

식(16)은 제14b도의 기능개통도로 나타낼 수 있다. 그러므로, 불완전미분수단(50)은 제13도에 모두 보이는 바와 같이 분주수단(70), 제3의 1차래그수단(72) 및 제4감산수단(70)의 조합과 등가이다. 공정교란을 제어하기 위한 알고리즘(C_D(S))은 다음식으로 주어진다.

C_D(S)=MV/PV

=C(S)+[T_DS/(1+ηT_D)]

×[T₁S)/(1+T₁S)]C(S)

=Kp[1+1/(T₁S)]+[TD S/(1+ηT_DS)]

×[T₁S/(1+T₁S)]×Kp[1+1/(T₁S)]

=Kp[1+1/(T₁S)+T_DS/(1+ηT_DS)] ..................(17)

한편, 목표설정치(SV)를 제어하기 위한 알고리즘(C_SV(S))는 다음과 같이 정의된다.

C_SV(S)=MV/SV

=[(1+αT₁S)/(1+T₁S)]C(S)

+[αγT_DS)/(1+ηT_DS)]

×[T₁S)/(1+T₁S)]C(S)

=[(1+αT₁S)/(1+T₁S)]K_p(1+1/T₁S)]

+[αγT_DS/(1+ηT₁S)]

[T₁S/(1+T₁S)]K_p(1+1/T₁S)]

..............................................(18)

식(17) 및 (18)로부터 명백한 바와같이, 공정교란에 대한 비레이득(K_p)를 유지시키면서 2DOF 계수(α)를 변경시킴으로서 목표설정치에 대한 비레이득(αK_p)을 변화시킬 수 있는 한편 공정교란을 제어하기위한 알고리즘의 미분시간을 유지시키면서 미분시간의 2DOF 계수 (γ)를 변경시킴으로서 목교설정치(SV)를 제어하기위한 알고리즘의 미분시간을 변화시킬 수 있다.

간단히말해, 제13도에 보인 2DOF PID제어기는 P와 D에 대해 완전 2자유도 제어를 행할 수 있다.

그때문에 제13도에 보인 2DOF PID제어기는 단 2개의 시간수단을 필요로 하는 반면 종래의 2DOF PID제어기는 4개의 시간수단을 필요로 한다. 그러므로 저코스트, 소형으로 제조할 수 있어 비교적 부하가 작고 고속동작을 할 수 있다.

더욱이, 제13도에 보인 2DOF PID제어기에 의하면, 비례이득의 2DOF 계수 (α)와 마분시간의 2DOF 계수(γ)가 서로 독립하여 설정 할 수 있기 때문에 그들 계수를 설정하기가 쉽다.

그밖에 비례이득의 2DOF계수(α)가 변화될 때 미분항의 이득이 자동으로 조정되기때문에 이들 2DOF계수를 조정하기가 용이하다.

또한, 미분요소들은 2DOF PID제어기에서 비선형 연산을 신뢰성있게 행할 수 있다.

이는 PI제어연산수단(9)으로 바이패스되는 불완전 미분수단(11)(제1도)과 등가인 요소들을 갖지 않으므로 제어치(PV)의 미분항은 목표 설정필터수단(220)에 입력된다.

제15도를 참조하여 본 발명의 제8실시예에 의한 2DOF PID제어기내에 포함된 목표설정 필터수단(220)에 관해 이제 설명하겠다.

이 목표설정 필터수단(220)은 제6도에 보인 목표설정 필터수단(20)과 두가지 면에서 다르다.

첫째, 1차 래그수단(52)과 등가의 요소가 없고 둘째로 목표설정필터수단(20)(제6도)에 결합사용되는 불완전 미분수단(50) 대신에 제7실시예{(제13도)에서 사용되는 것들과 동일하게 분주수단(70), 1차 래그수단(72) 및 감산수단(74)을 갖고 있다.

그러므로, 공정교란제어를 위해 제8실시예에 적용된 알고리즘(C_D(S))은 식(17)으로 나타내며 또한 목표 설정치(SV)를 제어하기위한 알고리즘(C_SV(S))는 다음식에 의해 정의된다.

C_SV(S)=MV/SV

= Kp{α+γT_DS/(1+ηT_DS)}+Kp/(T₁S)

................................................(19)

식(19)으로부터 명백히 이해될 수 있는 바와 같이 미분항의 이득은 비례이득의 2DOF계수(α)가 변화될때 자동으로 조정될 수 없다.

이점에서, 15도의 목표설정필터수단(220)은 본 발명의 제7실시예의 목표설정필터수단(제13도)과 상이하다.

제16~19도를 참조하여 제9실시예에 의한 2DOF PID제어기를 이제 설명하겠다.

제16도는 2DOF PID제어기를 나타내는 개통도이고, 제17도는 제16도에 나타낸 PID제어기 내에 결합되는 목표설정필터수단(320)의 가상구조를 나타내는 개통도이고, 제18도는 목표설정필터수단(320)의 실제구조를 나타내는 개통도이고, 제19도는 제1차 래그수단만을 포함하는 수단(320)의 개조를 나타내는 개통도이다.

제16도를 참조하여 제9실시예의 기본구성을 설명하겠다.

제16도에 보인바와 같이 2DOF PID제어기는 목표설정필터수단(320), 상기 필터수단(320)의 출력에 결합되는 PI알고리즘실행부(22) 및 상기 실행부(22)의 출력에 연결되는 가산수단(24)을 포함한다. PID제어기에 의해 제어되는 시스템(26)은 가산수단(24)의 출력에 연결된다. PI알고리즘 실행부(22)는 편차 산출수단(28), 상기수단(28)의 출력에 연결되는 비선형수단(30) 및 상기 비선형수단(30)의 출력에 연결되는 PI제어수단(32)을 포함한다.

목표설정필터수단(320)은 목표설정치(SV)와 제어치(PV)를 수신하여 제어치(PV)에 관해 2DOF연산과 미분연산을 행해서 목표설정치(SV_O)를 생성한다. 목표설정치(SV_O)는 PI알고리즘 실행부(22)에 공급된다. 더 구체적으로는 편차산출수단(28)에 입력되다.

수단(28)은 목표설정치(SV_O)로부터 제어치(PV)를 감산하여 편차(E)를 구한다. 편차(E)는 비선형 수단(30)에 입력된다. 비선형수단(30)은 편차(E)에 관해 여러가지 비선형연산을 행하여 출력을 생성한다. 비선형 연산들중에는 데드밴드연산, 편차 2승연산, 이득변화 연산 및 갭연산이 있다. 비선형 수단(30)의 출력은 PI제어수단(32)에 공급된다.

제어수단(32)은 비선형수단(30)의 출력에 관해 PI제어연산을 행하여 조작변수(MV)를 생성한다.

가산수단(24)는 PI알고리즘 실행부(22)에 의해 발생되는 조작변수(MV)에 공정교란신호(D)를 가산하여 그 합을 피제어시스템(26)으로 출력시킨다.

목표설정 필터수단(320)의 내부구성은 너무복잡해서 명확하게 설명하기가 어렵다. 내부구성을 설명하기 위해서 수단(320)은 제17도에 나타낸 것과 같이 변환함수(80,82,84,86,88 및 90), 가산수단(92), 감산수단(96), 가산-감산수단(94)을 포함한다.

우선, 변환함수(80,82,84,86,88 및 90)을 구하겠다. PI제어수단(32)이 행하는 연산은 다음식에 의해 정의된다.

C_O(S)=Kp{1+1/(T₁S)}..................................(20)

제어치(PV)에 대한 응답은 다음과 같이 나타낸다.

PV={H(S)+H(S)P(S)R(S)+M(S)R(S)+

N(S)Q(S)R(S))C_O(S)G(S)/

[1+(1+Q(S)R(S))C_O(S)G(S)]}SV

+[G(S)/[1+(1+Q(S)R(S))C_O(S)G(S)]}D(S)

..................................................(21)

식(21)은 제어치(PV)가 SV성분과 D(S)성분의 조합임을 나타낸다. 식(21)은 공정교란(D(S))의 변화에 따라 공정교란을 최적으로 제어하는 바람직한 제어알고리즘을 나타내도록 적용된다. 식(21)의 제2항의 성분들중 피제어시스템(26)과 공정교란(D(S))의 변환함수(G(S))는 변수들을 알고 있다. 그때문에, 공정교란을 제어하기위한 알고리즘(C_D(S))은 다음과 같은 일반 PID알고리즘을 사용하여 나타낼 수 있다.

C_D(S)={1+Q(S)R(S)}C_O(S)

Kp{1+1/(T₁S)+T_DS/(1+ηT_DS)}

.....................................................(22)

식(20),(21) 및 (22)로부터 다음식을 구할 수 있다.

C_O(S)Q(S)R(S)=T_DS/(1+ηT_DS) ................................(23)

Q(S)R(S)={T_DS/(1+ηT_DS)

×{(T₁S)/(1+T₁S)}.................................(24)

또한, 식(24)로부터 다음과 같이 정의되는 변환함수(88과 90)를 구할 수 있다.

Q(S)=T_DS/(1+ηT_DS)..........................................(25)

R(S)=(T₁S)/(1+T₁S)}.........................................(26)

그 다음, 2DOF PID제어기(제16도)에 최고의 가능한 목표설정추종 특성을 부여하기에 적합한 제어 알고리즘을 나타내겠다. 식(21)의 제1항의 SV성분중에서 G(S) 및 SV는 변경될 수 없고 식(22)의 알고리즘을 변경할 수도 없다.

그러므로, 목표설정치(SV)를 제어하기 위한 알고리즘(Csv(S))은 다음식으로 주어질 수 있다.

Csv(S)={H(S)+H(S)P(S)R(S)+M(S)R(S)

+ N(S)Q(S)R(S)}C_O(S)

=K_p{α₁+[T₁S)-β₁/(1+T₁S)}

+γT_DS/(1+ηT_DS)} ......................................(27)

여기서 α1β1 및 γ1은 2DOF계수 들로서 다음과 같은 의미(significance)들을 갖는다.

(1) 계수(α1)

이는 PID제어기에 최선의 가능한 목표설정 추종특성을 부여하기위해 공정교란을 최적으로 제어하기위해 필요한 비례이득(K_P)을 비례이득(K_P ^*)으로 변환하기 위한 계수이다. 이계수는 K_P와 K_P ^*와 함께 다음과 같은 관계를 갖는다.

(2) 계수(γ1)

이 계수는 PID제어기에 최선의 가능한 목표 설정추종특성을 부여하기 위해 공정교란을 최적으로 제어하기 위해 필요한 미분시간(T_p)을 미분시간(T_p ^*)으로 변환시키는데 사용된다. 계수(γ1)은 K_p, K_p ^*, T_p및 T_p ^*과 함께 다음과 같은 관계를 갖는다.

K_Pㆍγ₁.T_D= K_P ^*.T_D ^*→α₁ㆍ(T_D ^*/T_D)

......................................................(29)

(3) 계수(β1)

이는 PID제어기에 최선의 가능한 목표설정 추종특성을 부여하기위해 공정교란을 최적으로 제어하기위해 필요한 적분시간(T₁)을 적분시간(T₁ ^*)으로 변환시키기위한 계수이다.

최적의 비례이득(K_P ^*)은 이득(K_P)을 계수(α)와 승산하여 구할 수 있으며, 또한 최적의 미분시간(T_D ^*)은 이득(Kp)을 계수(α)와 승산하여 구할 수 있으며, 또한 최적의 미분시간(T_p ^*)은 미분시간(T_D)을 γ1/α1와 승산하여 구할 수 있다.

그러나, PID제어기에 최선의 가능한 목표 설정추종특성을 부여하는데 필요한 T₁ ^*은 적분시간(T₁)을 계수와 승산하여 얻을 수 없다.

적분시간에 2자유도를 부여하기 위해 식(23)과 유사한 식을 사용하는 등의 특별한 조치를 취해야 한다. 예를들며, 적분시간(T₁ ^*)은 β1에 대한 값을 변화시킨 다음 적분시간(T₁)을 등가적으로 변화시켜서 구할 수 있다. 더 구체적으로는, PID제어기에 최선의 가능한 목표설정추종 특성을 부여하기 위해 필요한 적분항(I^*(S))은 다음과 같이 정의된다.

I^*(S)=I(S)-포화수단

=I(S)-β₁(1+T₁S)

=1/(T₁S)-β₁(1+T₁S) ................................(30)

* 주 : 포화수단은 1차 래그수단에 해당하며, I(S)는 최선의 가능한 공정교란제어를 부여하는데 필요한 적분항이다.

식(30)에서 β₁은 다음과 같은 값에 설정된다.

(a) β₁=0일때, I^*(S)=I(S)이며, 그에 의해 적분시간은 변화되지 않고 그대로 있는다.

(b) β₁＞0일때, I^*(S)＜I(S)이며, 그에 의해 적분시간은 등가적으로 증가한다.

(c) β₁＜0일때, I^*(S)＞I(S)이며, 그에 의해 적분시간은 등가적으로 감소한다.

다시말해, 식(26)에 의해 한정된 적분시간은 계수(β₁)로 선택된 값에 따라 변화된다.

식(23)을 식(27)에 적용하고, 변환함수(84) 또는 N(S)를 계수(γ₁)로 설명하면, 즉 N(S)=γ₁로 하면 미분항이 상쇄된다. 이 결과로서, 다음식이 유도되고,

{H(S)+H(S)P(S)R(S)+M(S)R(S)}C_O(S)

=K_p{α₁+[1/T₁S)-β₁/(1+T₁S)]}................................(31)

식(20)을 식(31)에 대입하면 식(31)은 다음과 같이 변환된다.

H(S)+H(S)P(S)R(S)+M(S)R(S)

=1/(1+T₁S)+[-β₁/(1+T₁S)][T₁S/(1+T₁S)]

+ α₁T₁S/(1+T₁S).............................................(32)

식(26)과 (32)로부터 변환함수(80, 86 및 82)는 다음과 같이 된다.

H(S)=1/(1+T₁S)

P(S)=-β₁

M(S)=α₁.....................................................(33)

식(25),(26) 및 (33)은 목표설정필터수단(320)이 제18도에 나타낸 것과 같이 단지 1차 래그수단과 리드/래그수단만으로 구성될 수 있음을 나타낸다.

T₁S/(1+T₁S) 및 T_DS/(1+T_DS)는 다음과 같이 재정리될 수 있다.

T₁S/(1+T₁S)=1-1/(1+T₁S)......................................(34)

T_DS/(1+ηT_DS)

=(1/η)[1-1/(1+ηT_DS)](η

0) ...............................(35)

그때문에 목표설정필터수단(320)은 제19도에 보인 구성을 갖는다. 제19도에서 볼수 있는 바와 같이, 변환함수(88)는 감산수단(88a), 1차 래그수단(88b), 및 감산수단(88c)으로 구성될 수도 있으며, 또한 변환함수(90)는 1차 래그수단(90a)과 강산수단(90b)으로 구성된다.

따라서 목표설정필터수단(320)은 단 3개의 1차 래그수단(80,88 및 90)만을 포함한다.

앞에서 이미 언급한 바와 같이 제16~19도에 나타낸 2DOF PID제어기의 제어부는 PI알고리즘에 따라 동작하는 반면, 그의 필퍼부는 목표설정치(SV)와 제어치(PV)를 수신하여 소망하는 지정된 제어알고리즘에 따라 미분연산을 행하는 목표설정필터수단(320)을 갖는다. 그러므로, PID제어기는 2DOF PID알고리즘을 행할 수 있다.

그밖에 PID제어기는 2DOF계수(α1,β1,γ1)를 다음표에 명시된 값으로 설정하기만 하면 1자유도 PID제어, 불완전 2자유도 PID제어, 그리고 불완전 2DOF PID제어를 각각 행할 수 있다.

[표 1]

이미 지적된 바와 같이, 종래의 2DOF PID제어기는 PV타입에 관한 미분의 PID제어를 행하도록 설계된 비선형수단을 갖는 제어부와 목표설정필터수단을 포함한다. 목표설정필터수단과 제어부의 조합은 편차에 관해 완전비선형연산을 행할 수 없다. 대조적으로 본 발명에 의한 2DOF PID제어기의 제어부는 미분연산수단을 전혀 갖고있지 않으며, 그의 목표설정 필터수단은 목표설정치의 제어치를 수신하여 소망하는 지정된 제어 알고리즘에 따라 미분연산을 행한다. 목표설정필터수단의 출력은 비선형 연산과 PI제어연산을 행하는 제어부에 공급된다. 그러므로, 본 발명의 2DOF PID제어기는 용이성, 정확성, 및 자유성을 갖고 P,I 및 D에 관해 비선형연산을 행할 수 있다. 2DOF PID제어기는 고효율로 동작할 수 있다. 더욱이, 본 발명에 의한 2DOF PID제어기는 단 3개의 1차 래그수단을 필요로 하는 반면, 종래의것 (제1도)은 6개의 1차 래그수단을 필요로 한다. 그 때문에 본 발명의 제어기는 종래의 것보다 작고 간단해서 설비제어 PID시스템의 기초를 향상시킬수 있다. 이러한 관점에서 본 발명은 산업의 각종 분야에서 크게 기여할 수 있다.

상술한 실시예들은 비선형수단(30)을 갖고 있으나, 본 발명은 비선형수단을 갖지 않는 2DOF 제어기들에도 적용할 수 있다.

본 분야에서 숙련되자는 본 발명을 쉽게 개조할 수 있다. 따라서, 본 발명은 상술한 특정 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 정신과 청구범위로부터 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지 수정 변경이 가능하다.

Claims (19)

1. 피제어시스템(26)의 목표설정치(SV)와 제어치(PV)에 따라 공정교란신호에 관해 미분연산(D)을 행하여 목표설정신호를 출력하는 목표설정 필터수단(20,220)과, 상기 목표설정신호와 상기 제어치간의 편차(E)를 구하여 편차에 관한 PI제어연산을 행하여 조작신호(MV)를 출력하는 PI제어연산수단(22)과, 그리고 상기 PI제어연산수단에 의해 출력된 조작신호에 공정교란신호를 가산하여 합신호를 구하여 피제어시스템에 공급하는 가산수단(24)을 포함하는 것이 특징인 2자유도 PID제어기.
2. 제1항에 있어서, 상기 PI제어연산수단은 편차에 관한 비선형연산을 행하는 비선형수단(30)을 포함하는 것이 특징인 2자유도 PID제어기.
3. 제1항에 있어서, 상기 목표설정필터수단(20)은 : 상기 목표설정치를 비례이득의 2자유도 계수와 승산하여 제1승산치를 출력하는 이득 계수승산수단(34)과, 상기 목표설정치로부터 상기 제1승산치를 감산하여 제1의 차값을 출력시키는 제1감산수단(38)과, 상기 제1의 차값에 관해 제1래그연산을 행하여 1차 래그연산의 제1결과를 출력하며, 적분시간에 대해 2자유도 계수를 갖는 제1의 1차 래그수단(52)과, 상기 제1승산치를 미분시간의 2자유도 계수와 승산하여 제2승산치를 출력하는 미분시간계수승산수단(46)과, 상기 제2승산치로부터 제어치를 감산하여, 제2의 차값을 출력하는 제2감산수단(48)과, 상기 제2의차 값을 수신하고 상기 제2의 차값에 관해 불완전 미분연산을 행하여 그 결과를 출력하는 불완전 미분수단(50)과, 상기 1차 래그연산의 제1결과로부터 상기 불완전 미분연산의 결과를 감산하여 제3의 차 값을 출력하는 제3감산수단(40)과, 상기 제3의 차 값에 관한 1차 래그연산을 행하여 1차 래그연산의 제2결과를 출력하는 제2의 1차 래그수단(42)과, 상기 1차 래그연산의 제2결과를 불완전 미분산연산의 결과에 가산하여 제1합을 출력하는 제1가산수단(44)과, 상기 제1합을 상기 제1승산치에 가산하여 제2합을 구해서 목표설정 신호로서 PI제어연산수단에 공급하는 제2가산수단(36)을 포함하는 것이 특징인 2자유도 PID제어기.
4. 제3항에 있어서, 상기 불완전 미분수단(50)은 : 상기 제2의차 값을 소정의 수로 나누어 몫을 출력하는 나눗셈수단(70)과, 상기 나눗셈수단으로부터 출력된 몫에 관해 1차 래그연산을 행하여 출력을 생성하는 제3의 1차 래그수단(72)과, 상기 몫으로부터 상기 제3의 1차 래그 수단의 출력을 감산하여 상기 제3감산수단과 상기 제1가산수단에 공급할 상기 불완전 미분수단의 출력을생성하는 제4감산수단(74)을 포함하는 것이 특징인 2자유도 PID제어기.
5. 제3항에 있어서, 상기 PI-제어연산수단은 편차에 관해 비선형연산을 행하는 비선형수단(30)을 포함하는 것이 특징인 2자유도 PID제어기.
6. 제1항에 있어서, 상기 목표설정 필터수단(20)은 상기 목표설정치를 비례이득의 2자유도 계수와 승산하여 제1승산치를 출력하는 이득계수승산수단(34)과, 상기 목표설정치로부터 제1승산치를 감산하여 제1의 차값을 출력하는 제1감산수단(38)과, 상기 제1의 차값에 관해 제1래그연산을 행하여 상기 제1래그연사의 제1결과를 출력하며, 적분시간동안 2자유도계수를 갖는 제1의 1차 래그수단(52)과, 미분시간의 2자유도계수와 상기 목표설정치를 승산하여 제2승산치를 출력하는 미분시간계수 승산수단(56)과, 상기 제2승산치로부터 제어치를 감산하여 제2의 차값을 출력하는 제2감산수단(48)과, 상기 제2의 차값을 수신하여 그에 관해 불완전 미분연산을 행하여 불완전 미분연산의 결과를 출력하는 불완전 미분수단(50)과, 상기 1차래그연산의 제1결과로부터 상기 불완전 미분연산의 결과를 감산하여 제3의 차값을 출력하는 제3감산수단(40)과 제3의 차 값에 관해 1차 래그연산을 행하여 1차 래그연산의 제2결과를 출력하는 제2의 1차래그수단(42)과, 상기 1차 래그연산의 제2결과를 상기 불완전 미분연산결과에 가산하여 제1합을 출력하는 제1가산수단(44)과, 그리고 상기 제1합을 상기 제1승산치에 가산하여 제2합을 구해서 목표설정신호로서 PI제어연산수단에 공급하는 제2가산수단(36)을 포함하는 것이 특징인 2자유도 PID 제어기.
7. 제6항에 있어서, 상기 불완전 미분수단(50)은 상기 제2의 차값을 소정의 수로 나누어 몫을 출력하는 나눗셈수단(70)과, 상기 나눗셈수단으로부터 출력된 몫에 관해 1차 래그연산을 행하여 출력을 생성하는 제3의 1차래그수단(72)과, 상기 몫으로부터 상기 제3의 1차 래그수단의 출력을 감산하여 상기 제3감산수단과 상기 제1가산수단에 공급되는 상기 불완전 미분수단의 출력을 생성하는 제4감산수단(74)을 포함하는 것이 특징인 2자유도 PID제어기
8. 제6항에 있어서, 상기 PI-제어연산수단은 편차에 관해 비선형연산을 행하는 비선형 수단(30)을 포함하는 것이 특징인 2자유도 PID제어기.
9. 제1항에 있어서, 상기 목표 설정필터수단(20)은 상기 목표설정치를 비례이득의 2자유도계수와 승산하여 제1승산치를 출력하는 이득계수승산수단(34)과, 상기 목표설정치로부터 상기 제1승산치를 감산하여 제1의 차값을 출력하는 제1감산수단(38)과, 미분시간의 2자유도계수와 상기 목표설정정치를 승산하여 제2승산치를 출력하는 미분시간계수승산수단(46)과, 상기 제2승산치로부터 제어치를 감산하여 제2의 차 값을 출력하는 제2감산수단(48)과, 상기 제2의 차값을 수신하여 상기 제2의 차값에 관해 불완전 미분연산을 행해서 불완전 미분연산 결과를 출력하는 불완전 미분수단(70,72,74)과, 상기 제1의 차값으로부터 상기 불완전 미분연산의 결과를 감산하여 제3의 차값을 출력하는 제3감산수단(40)과, 제3의 차값에 관해 1차 래그연산을 행하여 1차 래그연산의 결과를 출력하는 1차 래그수단(42)과, 상기 1차 래그연산의 결과를 상기 불완전 미분연산결과에 가산하여 그 제1합을 출력하는 제1가산수단(44)과, 그리고 상기 제1합을 상기 제1승산치에 가산하여 제2합을 구하여 목표설정신호로서 상기 PI제어연산수단에 공급하는 제2가산수단(36)을 포함하는 것이 특징인 2자유도 PID제어기.
10. 제9항에 있어서, 상기 불완전 미분수단(50)은 상기 제2의 차값을 소정의 수로 나누어 몫을 출력하는 나눗셈수단(70)과, 상기 나눗셈수단으로부터 출력된 몫에 관해 1차 래그연산을 행하여 출력을 생성하는 제2의 1차 래그수단(72)과, 상기 몫으로부터 상기 제2의 1차 래그수단의 출력을 감산하여 상기 제3감산수단과 상기 제1가산수단에 공급되는 상기 불완전 미분수단의 출력을 생성하는 제4감산수단(74)을 포함하는 것이 특징인 2자유도 PID제어기.
11. 제9항에 있어서, 상기 PI-제어연산수단은 편차에 관해 비선형연산을 행하는 비선형수단(30)을 포함하는 것이 특징인 2자유도 PID제어기.
12. 제1항에 있어서, 상기 목표설정필터 수단(20)은 상기 목표설정치를 비례이득의 2자유도 계수와 승산하여 제1승산치를 출력하는 이득계수승산수단 (34)과, 상기 목표설정치로부터 상기 제1승산치를 감산하여 제1의 차값을 출력하는 제1감산수단(38)과, 미분시간의 2자유도계수와 상기 목표설정치를 승산하여 제2승산치를 출력하는 미분시간 계수승산수단(56)과, 상기 제2승산치로부터 제어치를 감산하여 제2의 차값을 출력시키는 제2감산수단(48)과, 상기 제2의 차 값을 수신하여 상기 제2의 차값에 관해 불완전 미분연산을 행해서 불완전연산의 결과를 출력하는 불완전 미분수단(70,72,72)과, 상기 제1의 차값으로부터 상기 불완전 미분연산의 결과를 감산하여 제3의 차값을 출력하는 제3감산수단(40)과, 상기 제3의 차값에 관해 1차 래그연산을 행하여 1차 래그연산의 결과를 출력하는 1차 래그수단(42)과, 상기 1차 래그연산의 결과를 상기 불완전 미분연산결과에 가산하여 그 제1합을 출력하는 제1가산수단(44)과, 그리고 상기 제1합을 상게 제1승산치에 가산하여 제2합을 구하여 목표설정신호로서 상기 PI제어연선수단에 공급하는 제2가산수단(36)을 포함하는것이 특징인PID제어기.
13. 제12항에 있어서, 상기 불완전 미분수단(50)은 상기 제2의 차값을 소정의 수로 나누어 몫을 출력하는 나눗셈수단(70)과, 상기 나눗셈수단으로부터 출력된 몫에 관해 1차 래그연산을 행하여 출력을 생성하는 제2의 1차 래그수단(72)과, 상기 몫으로부터 상기제 3의 1차 래그 수단의 출력을 감산하여 상기 제3감산수단과 상기 제1가산수단에 공급되는 상기 불완전 미분수단의 출력을 생성하는 제4감산수단(74)을 포함하는 것이 특징인 2자유도 PID제어기.
14. 제13항에 있어서, 상기 PI-제어연산수단은 편차에 관해 비선형연산을 행하는 비선형수단(30)을 포함하는 것이 특징인 2자유도 PID제어기.
15. 목표설정치를 수신하여 목표설정신호를 발생하는 목표설정필터 수단(120)과 상기 목표설정치를 비례이득에 대한 2자유도계수와 승산하여 승산치를 출력하는계수승산수단(34)과, 적분시간에 대해 적어도 2자유도계수를 가지며 또한 상기 목표설정치로부터 상기 승산치를 감산하여 차값을 생성하는 1차 래그수단(38,52,58,42)과, 상기 차값에 상기 승산치를 가산하여 상기 목표설정신호를 출력하는 수단(36)과 상기 목표설정신호와 피제어시스템으로부터 공급되는 제어치간의 편차를 구해서 상기 편차에 관해 PI제어연산을 행하여 조작신호를 출력하는 PI제어연산수단(28,32)과, 그리고 상기 PI제어연산수단에 의해 출력되는 조작신호에 공정교란신호를 가산하여 합신호를 구하여 합신호를 상기 피제어시스템에 공급하는 가산수단(24)을 포함하는 것이 특징인 2자유도 PID제어기.
16. 제15항에 있어서, 상기 1차 레그수단은 상기 목표설정치로부터 승산치를 감산하여 차값을 출력하는 감산수단(34)과, 상기 차값을 수신하며 또한 직렬로 연결되는 2개의 1차 래그수단(52,42)를 포함하며 그중 하나(52 또는 42)는 적분시간에 대해 2자유도계수를 갖는 직렬로 연결된 2개의 1차 래그수단(52,42)을 포함하는 것인 특징인 2자유도 PID제어기.
17. 목표설정치를 수신하여 목표설정신호를 발생하는 목표설정필터 수단(120)을 포함하는 2자유도 PID제어기에 있어서, 상기 목표설정필터 수단(120)은 상기 목표설정치를 비례이득에 대한 2자유도계수와 승산하여 승산치를 출력하는 계수승산수단(34)과, 상기 목표설정치로부터 상기 승산치를 감산하여 차값을 생성하는 제1의 1차래그수단(42)와, 그리고 상기 목표설정치를 지연시켜서 지연된 목표설정치를 출력하며 또한 적분시간에 대해 2자유도계수를 갖는 제2의 1차래치수단(52,58)과, 상기 제2의 1차래그수단에 의해 지연된 목표설정치에 상기 승산치를 가산하여 상기 목표설정치를 출력하는 수단(36)과, 상기 목표설정치와 피제어시스템으로부터 공급되는 제어치간의 편차를구하여 그 편차에 관해 PI제어연산을 행해서 조작신호를 출력하는 PI제어연산수단(28,32)과, 상기 PI제어연산수단에 의해 출력된 조작신호에 공정교란신호를 가산하여 합신호를 구해서 피제어시스템에 공급하는 가산수단 (24)를 포함하는 것이 특징인 2자유도 PID제어기.
18. 목표설정치를 비례이득의 2자유도계수와 승산하여 제1승산치를 출력하는 이득계수승산수단(82)과, 상기 목표설정치를 미분시간의 2자유도계수와 승산하여 제2승산치를 출력하는 미분시간계수승산수단(84)과, 상기 목표설정치에 관해 1차 래그연산을 행하여 1차 래그연산의 제1결과를 출력하는 제1의 1차 래그수단(80)과, 1차래그연산의 결과를 적분시간의 2자유도계수와 승산하여 제3승산치를 출력하는 적분시간계수승산수단(86)과, 상기 제2승산치와 피제어시스템으로부터 공급되는 제어치에 관해 불완전 미분연산을 행하여 불완전 미분연산의 결과를 출력하는 불완전 미분수단(88,96)과, 상기 제1승산치, 제3승산치 및 상기 불완전 미분연산의 결과에 관해 1차 래그연산을 행하여 제1래그연산의 제2결과를 출력하는 제2의 1차 래그수단(94,90)과, 1차 래그연산의 제1 및 제2결과를 가산하여 목표설정신호를 출력하는 제1가산수단(92)과, 목표설정신호와 제어치간의 편차를 구하여 상기 편차에 관해 PI-제어연산을 행해서 조작신호를 출력하는 PI제어연산수단(28,30,32)과 상기 조작신호에 공정교란신호를 가산하여 합신호를 얻어서 피제어시스템에 공급하는 제2가산수단(24)를 포함하는 것이 특징인 2자유도 PID제어기.
19. 제18항에 있어서, 상기 PI-제어연산수단은 편차에 관해 비선형연산을 행하는 비선형수단(30)을 포함하는 것이 특징인 2자유도 PID제어기.

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