일반예측제어를 이용한 밀폐된 실험실 공간의 온도, 습도 제어 = Temperature and Humidity Control of an Enclosed Room using Generalized Predictive Control

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In the situation where '3 level on-off control' has been popularized in the field for the control of temperature and humidity in a plant, which is usually called a 'constant temperature and humidity unit', this paper presents the results and procedure for obtaining satisfactory performance and efficiency in temperature and relative humidity control in a closed process/test room using GPC (generalized predictive control).
First, it was revealed that temperature control and relative humidity control in a constant temperature and humidity facility are MIMO plants with mutual interference, instability and non-minimum phase.
That is, the temperature control can easily achieve the control purpose through the refrigerator and the reheater, but the humidity control interferes with the temperature decrease when the absolute humidity is reduced due to the condensation of the saturated liquid by the latent heat load of the evaporator of the refrigerator. It has to be heated with a reheater, and at the same time, the flow characteristics of temperature and humidity in the thermo-hygrostat were verified through physical modeling that the plant exhibits a non-minimum phase phenomenon in which thermal reaction is slow and mutual interference occurs. In particular, relative humidity was derived from absolute humidity, and a state variable model with temperature and absolute humidity as outputs was derived. Next, it was revealed that the 3-level on-off controller commonly used in the field is not optimal in controlling the temperature and relative humidity of a constant temperature and humidity facility and has limited performance. In other words, it was verified through experiments that it is a high-cost controller that has a slow reaction speed in following a target value and uses input energy inefficiently.
Therefore in this paper, a GPC-based predictive controller was designed for a MIMO plant that outputs temperature and relative humidity to achieve superior performance and stability at low cost compared to the existing 3-level on-off controller. To this end, first, based on the thermal/dynamic model, mathematical modeling of the system with temperature and relative humidity as outputs was induced. CARIMA was selected as the candidate model structure. For system identification, the PEM algorithm was implemented in the Matlab environment, the identification model was obtained by applying the actual experimental data, and the validity of the noise model verification was confirmed with the chi-square method. A GPC controller for a MIMO plant with 2 outputs and 3 inputs was designed by obtaining the cost function and optimal input, and developed in Matlab code form. Finally, the good tracking performance and stability of this controller were verified through simulation by comparing it with the results of the existing 3-level on-off controller.

국문 초록 (Abstract)

본 논문은 통상 ‘항온항습 설비’로 불리는 플랜트 곧, 밀폐된 공정/시험 공간의 온도와 습도의 제어를 위해 그동안 현장에서 ‘3 레벨 on-off 제어’ 가 대중화되어 있는 상황에서, 일반예측제어기(GPC)를 기반으로 온도 및상대습도 제어에서 만족할만한 성능과 효율을 획득한 결과와 그 과정을 제시한다.
우선, 항온항습 설비에서의 온도제어와 상대습도제어가 상호간섭, 불안정성 및 비최소위상을 갖는 MIMO 플랜트임을 밝혔다. 즉, 온도제어는 냉동 기와 재열기를 통하여 쉽게 제어 목적을 달성할 수 있으나, 습도제어는 냉동기의 증발기 잠열부하에 의한 포화액의 응축으로 절대습도가 감소될때 온도가 저하하는 간섭현상이 일어나므로 재열기로 가열해 주어야 하며, 동시에 항온항습기에서 온도와 습도의 유동 특성은 열 반응이 느리고 상호 간섭이 일어나며, 동시에 비최소위상 현상을 보이는 플랜트임을 물리적 모델링을 통해 검증하였다. 특별히 절대습도에서 상대습도를 유도하 여, 온도와 절대습도를 출력으로 하는 상태변수 모델을 유도하였다. 다음 으로, 현장에서 통상적으로 사용하는 3 레벨 on-off 제어기는 항온항습 설비의 온도 및 상대습도의 제어에서 최적이 아니며, 따라서 그 성능에서 제한적임을 밝혔다. 곧, 목표치 추종 성능에서 반응속도가 느리며 또한 입력에너지를 비효율적으로 사용하는 고비용 제어기임을 실험을 통해 검증하였다.
이에 본 논문에서는 온도와 상대습도를 출력으로 하는 MIMO 플랜트를 대상으로 GPC 기반의 예측제어기를 설계하여 기존의 3 레벨 on-off 제어기보다 저비용의 우월한 성능과 안정성을 달성하였다. 이를 위해 먼저, 열 /동역학 모델에 기반을 두어 온도와 상대습도를 출력으로 하는 시스템의수학적 모델링을 유도하였고, 이를 기초로 시스템 식별을 위한 플랜트 형태를 확정하였고, 플랜트의 비선형적 외란 효과를 제거하는 최적의 입-출력 모델구조는 CARIMA임을 밝히고 이를 후보모델로 채택하였다. 시스템식별은 PEM 알고리즘을 Matlab 환경에서 구현하였으며, 실 실험 데이터를 적용하여 식별모델을 구하였고, 잡음모델 검증은 chi-자승 기법으로 타당성을 확인하였다.
다음으로, 출력 2개 입력 3개인 MIMO 플랜트를 대상으로 하는 GPC 제어기를 비용함수 및 최적입력을 얻어 설계하였고, 이를 Matlab code로개발하였다. 마지막으로, 모의실험을 통하여 본 제어기의 양호한 추종 성능과 안정성을 기존 3레벨 on-off 제어기 결과와 비교함으로써 확인하였다.

참고문헌 (Reference)

1 D.W. Clarke , C. Mohati and P.S . Tuffs, "Generalized predictive Control ? part I", Vol 23 , No . 2, 1987

2 M. E. Duprez , E. Dumont , M. Frere, "Modelling of reciprocating and scroll compressors", 30 , pp . 873-886, 2007

3 C.-H. Tseng , Y.-C. Chang, "Family design of scroll compressors with optimization", 26 , pp . 1074-1086, 2006

4 Tae-Woong Yoon , D. W. Clarke ,, "`` A Reformulation of Receding-Horizon Predictive Control", Pages 1383-1400 , Volume 26 , Issue 7, 1995

5 Minsoo Song , Sang Man Seng , Ki Ho Kang, "GPC-based Assistance Control on Abrupt Avoidance Scenarios", Pages . 107-117, 2013

6 Gaurang Shah , Sebastian Engell, "Tuning MPC for Desired Closed-Loop Performance for MIMO Systems", Pages . 4404-4409, 2011

7 Baik Y. J. , Chang Y. S. , Kim Y. I., "In-situ performance test and prediction of a 10 RT air source heat pump", Vol . 14 , No . 3 , pp . 221-230, 2002

8 D. W. Clarke , C. Mohtadi and P. S. Tuffs ,, "`` Generalized Predictive Control-part II , Extensions and Interpretations", Vol . 23 , No . 2 , Pages . 149-160, 1987

9 Kim J . B. , Shin K. Y. , Kim S. Y. , Jung P. S., "Performance simulation for the optimal design of automotive air-conditioning system", Vol . 12 , No . 6 , pp . 570-580, 2000

10 Baik Y. J. , Chang Y. S. , Kim Y. I., "In-situ Performance Test of a Wet Surface Finned-Tube Evaporator of an Air Source Heat Pump", pp . 65-70, 2000