실험 및 시뮬링크 시뮬레이션 기반 정밀도 개선을 위한 전기히터 On-Off 제어알고리즘 개발 = Development of Electric Heater On-Off Control Algorithm for Precision Improvement with Experiment and Simulink Simulation
저자
발행사항
서울 : 서울과학기술대학교, 2022
학위논문사항
학위논문(석사)-- 서울과학기술대학교 : 건축과 건축공학전공 2022. 8
발행연도
2022
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
서울
형태사항
; 26 cm
일반주기명
지도교수: 김영일
UCI식별코드
I804:11034-200000638120
소장기관
A constant temperature and humidity environment can be kept by placing HVAC facilities inside the room or designing the room itself as a constant temperature and humidity room to precisely minimize the deviation in the target temperature and humidity. To this end, the cooling, heating, humidification, and dehumidification facilities of appropriate capacity should be located, and appropriate control methods should be applied. The constant temperature and humidity is kept when a specific environment such as a computer room, a museum, and a documentary is required rather than a general space. In particular, in the field of research, this environment should be applied to derive precise results. In some cases, On-Off control is applied as a control method for a constant temperature and humidity, but the conventional On-Off control is not suitable as a control method for a constant temperature and humidity due to low control precision.
This research studied the improvement of the control problem while keeping the advantages of the existing On-Off control in light of the necessity of precise temperature control in a thermal environment chamber. the chamber is required constant temperature and is studied about the thermal behavior of an electric heater. The thermal environment chamber and the electric heater, a heating facility, were modeled. And based on modeling, a predicted electric heater On-Off control algorithm was developed that improved control precision by minimizing overshoot and undershoot of the conventional electric heater On-Off control.
This paper conducted (1) simulation modeling simulation and verification based on experiments, (2) analysis of thermal environment chamber's thermal behavior and improvement of On-Off control algorithm through simulation, and (3) verification of control algorithm through simulation and experiments.
Matlab & Simulink, which enables numerical analysis and programming, was used as a simulation program. In particular, Simulink can simulate the control circuit and the physical environment on a block diagram, and it is easy to control and measure various variables. Physical characteristics were modeled through chamber analysis, and the electric heater was modeled with the time constant, dead time, and maximum heat transfer rate based on the experiment. When analyzed with Mean absolute error (MAE) and Root mean square error (RMSE) for the verification of simulation modeling, less than 1°C was derived for the measurement variables (Ta, Tw) in all cases. Through this, it is assumed that the thermal environment chamber modeling of this study can simulate the thermal behavior similar to the actual chamber, and the problem of the existing On-Off control was analyzed through simulation, and the algorithm was modified to improve it. The conventional electric heater On-Off control aims to control the set temperature and within a dead zone, and inputs a control signal suitable for an electric heater. However, due to the influence of the time constant and dead time on the output, there is a change in the power of the electric heater and a time delay in the system operation. The time constant is an intrinsic variable that is involved in linearly changing the output power. and the dead time is a delayed time due to a reaction difference between the control panel and the electric heater. As a result, overshoot and undershoot that are controlled outside the dead zone occur, which is controlled by a larger deviation than the originally targeted temperature deviation.
However, since the time constant and dead time are inherent variables, it is difficult to improve them, so the electric heater is operated in advance within the dead zone to minimize the effects of overshoot and undershoot. The temperature change rate was calculated by comparing the current temperature with the previously measured temperature. Accordingly, the determining factors such as 'stop electric heater when the temperature increases within the dead zone and operation of the electric heater when the temperature decreases' were added to the control algorithm. Simulations and experiments were verified according to each environment in accordance with the derived electric heater On-Off control algorithm of this study, and it was confirmed that overshoot and undershoot were greatly reduced. From the experimental results, it was derived that the control method of this study improved MAE and RMSE by 50% or more. This study suggests that the conventional electric heater On-Off control, which has low precision, could be improved in a control method suitable for a thermal environment chamber for the purpose of constant temperature.
실 내부에 항온항습기를 배치하거나 실 자체를 항온항습실로 설계하여 목표 온⦁습도에 정밀하게 편차를 최소화함으로써 항온항습 환경을 조성할 수 있다. 이 때 적절한 용량의 냉방, 난방, 가습, 제습 설비를 배치하고 정밀한 환경유지를 위해 그에 적합한 제어방식을 적용해야 한다. 항온항습은 일반적인 공간보다는 전산실, 박물관, 문서고 등 특정 환경을 요구가 될 때, 조성된다. 특히. 연구 분야에서 일정한 온도, 습도에서 정밀한 결과를 도출하기 위해 항온항습 환경이 요구되기도 한다. 설치 및 사용이 용이하여 항온항습 설비의 제어방식으로 On-Off 제어가 적용되는 경우가 있는데, 기존 On-Off 제어는 시정수(Time constant)와 데드타임(Dead time)의 영향으로 제어정밀도가 낮은 문제가 있어 항온항습 설비의 제어방식으로 적합하지 않은 실정이다.
본 연구에서는 항온을 목적으로 하는 열환경챔버에서 정밀한 온도제어 필요성, On-Off 제어가 적용된 전기히터의 열거동을 고려하여 기존 On-Off 제어의 장점은 유지하되, 제어할 때 발생하는 큰 온도 편차 문제 개선에 대해 연구하였다. 이를 위해 열환경챔버와 내부 가열설비인 전기히터를 모델링하였고 모델링을 바탕으로 기존 전기히터 On-Off 제어의 오버슈트, 언더슈트를 최소화하여 제어정밀도를 개선한 본연구의 전기히터 On-Off 제어알고리즘을 개발하였다.
연구 진행은 실험을 기반으로 시뮬레이션 모델링 모사 및 검증, 시뮬레이션을 통한 열환경챔버와 전기히터 열거동 분석 및 On-Off 제어알고리즘 수정 및 개선, 본 연구의 제어알고리즘 시뮬레이션 및 실험을 통한 검증으로 진행되었다.
시뮬레이션 프로그램으로는 수치해석과 프로그래밍을 할 수 있는 Matlab&Simulink를 이용하였다. 특히, Simulink는 제어회로와 물리적 환경을 블록선도 상으로 모사할 수 있고 다양한 변수들에 대해 제어 및 측정이 용이하다. 챔버분석을 통해 물리적 특성을 모델링하였고 실험을 통해 산출된 전기히터의 시정수, 데드타임, 최대 열전달률 등으로 전기히터를 모델링 하였다. 그에 따른 시뮬레이션 결과와 모델링 기반 및 검증실험 1~3을 비교 검증하기 위해 평가지표인 MAE(Mean absolute error), RMSE(Root mean squared error)로 분석했을 때 모든 경우의 측정변수(Ta, Tw)에 대하여 1℃ 미만이 도출되었다. 이를 통하여 본 연구의 열환경챔버 모델링이 실제 챔버와 유사한 열거동 을 모사할 수 있음을 가정하였고, 시뮬레이션을 통하여 기존 On-Off 제어의 문제점을 분석하였고 이를 개선하기 위해 알고리즘을 수정하였다.
기존 전기히터 On-Off 제어는 설정된 온도와 제어하고자 하는 범위인 불감대 내에서의 제어를 목표로 하여 전기히터로 그에 맞는 제어신호를 입력하지만, 출력상에서 시정수와 데드타임의 영향으로 전기히터 출력변화와 가동/정지상에 시간 지연이 발생한다. 시정수는 전기히터 가동/정지 시 출력이 선형적으로 변화하는데 관여하는 고유변수이며, 데드타임은 제어패널과 전기히터 간의 반응 차이로 인해 지연되는 시간이다. 이로 인해 불감대 외로 오버슈트와 언더슈트가 발생해 애초 목표했던 온도 편차보다 큰 편차로 제어가 된다.
하지만 시정수와 데드타임은 고유변수이기 때문에 이를 개선하기는 어려움이 있어 불감대 내에서 사전에 전기히터 가동 및 정지가 되도록 하여 오버슈트와 언더슈트의 영향을 최소화하고자 하였다. 현재 온도와 이전의 측정된 온도를 비교하여 온도변화율을 산출하고 이에 따라 ‘불감대 내에서 온도증가면 전기히터 정지, 온도감소면 전기히터 가동’이라는 판단요소를 제어알고리즘에 추가하였다. 도출된 본 연구의 전기히터 On-Off 제어알고리즘에 따라 각 환경에 따라 시뮬레이션 및 실험을 검증하였고, 오버슈트와 언더슈트가 크게 감소하는 것을 확인하였다. 실험결과에서 기존방식에 비해 개선방식이 MAE, RMSE가 50% 이상 개선됨을 도출하였다. 본 연구를 통해 정밀도가 낮았던 기존 전기히터 On-Off 제어를 항온에 준하는 제어방식으로 개선할 수 있음을 시사하였다.
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