가변속 냉동시스템의 정밀 온도 제어를 위한 다입․출력 모델예측 제어기 설계 = Design of Multiple Input-Multiple Output Model Predictive Controller for Precise Temperature Control of Variable Speed Refrigeration System

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 VSRS 기반 오일쿨러 시스템의 강인하고 정밀한 온도 제어를 위해 MPC를 설계하였다. 주요 설계 파라미터인 예측 출력 수 와 예측 입력 수 를 오일출구온도 의 과도 특성을 분석하여 적절한 값으로 선정하였다. 설계된 MPC는 조작기의 물리적 제약조건 하에서 예측 추종 오차와 제어입력 변화량으로 이루어진 목적함수를 최소화하여 최적의 제어입력을 도출하였다. 지령값 변경 및 열부하 증․감 시뮬레이션 및 실험 결과, MPC는 오일출구온도 를 엄밀하게 제어하였으며, 인버터 주파수 의 간섭 영향을 예측하여 과열도 의 오차를 최소화하는 EEV 개도 지령 를 인가하였다. 최종적으로 Dual SISO 기반 PI 제어기와의 제어성능 비교를 통해 설계한 MPC의 유효성을 확인하였다. 본 연구의 주요 결론을 요약하면 다음과 같다.


(1) MPC는 오일출구온도 를 목표 온도에 엄밀히 추종시켰고, 스텝 상의 외란 인가에 대해서도 허용 오차 범위 ±0.1℃ 이내의 강인한 온도 제어를 실현하였다.
(2) MPC 설계 시 예측 출력 수 는 시스템의 미래 상태 예측을 위해 적절하게 큰 값을, 예측 입력 수 는 제어기의 과도한 계산 부담을 줄이기 위해 적절하게 작은 값을 선정해야 한다.
(3) 목적함수의 예측 오차 에 부가된 감쇠 행렬 은 온도 계측 센서의 열잡음으로 인한 과도한 예측 출력을 막고, 제어성능의 열화를 방지하는 데 기여하였다.
(4) MPC는 예측 방정식을 통해 간섭 영향을 예측하여 제어하므로 Dual SISO 기반 PI 제어기와의 비교에서 와 를 모두 더 빠르고 정밀하게 제어하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Variable speed refrigeration systems are composed of multiple input multiple output systems with several state variables. These input/output variables and state variables typically have various constraints, making it challenging to design optimal control considering these constraints. However, model predictive control (MPC) has been gaining attention in process control recently due to its ability to optimally control a multi-input multi-output system with a number of constraints and early constraints reflection. It can predict future outputs while taking into account current constraints through quadratic programming optimization with a mathematical algorithm. Subsequently, it can determine the optimal control input. To verify the validity of MPC, the control performance of MPC was compared with conventional PI control satisfying constraints through Matlab simulation and experiment on the oil cooler system.

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