변풍량 시스템을 적용한 전기 히트펌프 기반 공조기의 PID 제어기 자동 튜닝 및 외란 강인성 평가

• Published in: 설비공학 논문집, 36(8) Vol. 36; no. 8; pp. 386 - 401
• Main Authors: 정현석(Hyeon Seok Jeong), 이제헌(Je Hyeon Lee), 정석권(Seok Kwon Jeong), 변호원(Ho Won Byun), 최일환(Il Hwan Choi), 김동권(Dong Kwon Kim)
• Format: Journal Article
• Language: Korean
• Published: 대한설비공학회 01.08.2024
• Subjects: 기계공학; Electric heat pump(전기히트펌프); Auto-tuning(자동 튜닝); Variable air volume(변풍량); Direct-expansion air handling unit(직팽식 공조기); Proportional-integral-derivative control(PID 제어); ON/OFF operation(ON/OFF 운전)
• ISSN: 1229-6422; 2465-7611
• DOI: 10.6110/KJACR.2024.36.8.386

본 연구에서는 EHP AHU의 VAV 시스템으로 실내 온도를 정밀하게 제어하기 위해 PID 게인 자동 튜닝 및 제어로의 자동 절환 시스템을 설계하고 실험과 시뮬레이션을 통해 그 타당성과 유효성을 확인하였다. 특히, 외란을 포함한 다양한 운전 조건 하에서도 ON/OFF 운전을 통한 게인 튜닝과 튜닝된 게인을 이용한 PID 제어가 가능함을 입증하였다. 마지막으로 튜닝된 PID 게인값들의 극점 위치 분석을 통해 PID 피드백 제어계의 안정성 및 재현성을 확인하고 전달함수 기반으로 설계된 대조군 제어기와 성능을 비교하여 제안 방식의 유효성을 확인하였다. 본 연구에서 얻은 주요 결과들을 요약하면 다음과 같다. (1) 제안된 자동 튜닝법은 튜닝 동작점 변경과 현열 부하, 급기 온도의 외란 조건 변경 시에도 PID 게인을 온라인상에서 안정적으로 도출함을 확인하였다. (2) 자동 튜닝된 PID 제어기는 현열 부하, 급기 온도, 재열 제습 운전, 외기 도입의 외란 하에서도 VAV 시스템의 제어량인 실내 온도를 정상상태오차 이내로 정밀하게 제어함으로써 강인한 제어성능을 보였다. (3) 튜닝된 PID 게인 값들에 의한 PID 피드백 제어계는 극점 위치 분석을 통해 안정성과 재현성을 담보할 수 있음을 확인하였다. (4) 튜닝된 게인에 의한 PID 제어기는 전달함수 기반으로 설계된 대조군 제어기와의 제어성능 비교 분석을 통해 그 유효성이 확인되었다. 본 논문에서 제안한 PID 게인 자동 튜닝법은 실시간 ON/OFF 운전을 통해 간편하게 진행되며, 튜닝 종료와 동시에 PID 제어로 자동 절환된다. 특히 이 방법은 다양한 운전 조건과 외란의 영향 하에서도 목표 제어량을 설정값으로 정밀하게 제어하므로 VAV 시스템의 고정밀 제어와 에너지 절약에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다. This paper deals with auto-tuning of proportional-integral-derivative (PID) controller gains for a first-order system with dead time under ON/OFF operation and examines the control performance of a tuned PID under various disturbances. Taking thermal noise and heat load into account, an effective auto-tuning and control method for a PID controller of a supply air fan in a direct-expansion type air handling unit (AHU) was proposed. Experiments were conducted under various conditions using a calorimeter as an experimental device instead of using an actual AHU system. The validity of the proposed method was verified by confirming precise control of the indoor temperature to the set value through experiments conducted under various disturbance conditions and operating points. Moreover, the stability and repeatability of the tuned PID controller were verified through analysis of the pole position of the PID closed control system based on the transfer function obtained from the dynamical characteristic experiment. The PID controller with tuned gains demonstrated desirable control performance by maintaining the indoor temperature within the desired range of 24℃±0.3℃. KCI Citation Count: 0