[싸토리우스 제품 소개] PID 제어 시스템 및 배양기 제어 요소의 이해

싸토리우스 블로그 지기 토리입니다 🙂

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공정을 유지하는 시스템 중

기계를 작동하는 힘만큼 중요한 것이 바로 제어 과정일 텐데요!

오늘은 산업 전반으로 널리 사용되는

PID 제어 시스템에 대해 알아보도록 하겠습니다.

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PID 제어는 목표치와 공정값의 차이를 개선하기 위해서 사용하며,

생물배양기에서도 폭넓게 적용되고 있는데요.

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생물배양기는 다양한 공정 변수를 안정적으로 조절해야

좋은 품질의 의약품을 생산할 수 있습니다.

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배양기 내부 환경은 가스, 공급, 교반, 피드 등

다양한 외부 효과에 의해 실시간으로 변하기 때문에

이에 따른 온도 제어 및 PH와 용존 산소 제어가

안정적으로 이루어져야 하는데요.

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그렇다면,

안정적인 공정값을 유지하기 위해서는 어떻게 해야 할까요?

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공정값을 유지한다는 것은

목표치가 존재한다는 것을 의미하며,

공정값을 확인하기 위해서는 센서가 필요합니다.

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실제로 배양기에서는 다양한 종류의 센서를 통해

내부의 상태를 확인하고 있는데요!

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센서에서 들어오는 값과 사용자가 장비에 입력한 목표치와 비교하여

차이가 발생할 경우,

PID 제어기에서 계산된 값을 바탕으로

배양기의 펌프나 교반기, 밸브 등을 조절하여

알맞은 환경이 유지될 수 있도록 해야 합니다.

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이때, 안정적으로 목표치에 도달하기 위한 설정이

바로 P(비례) / I(적분) / D(미분) 제어 변수를 조절하는 것입니다.

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비례제어는 현재 얼마의 차이가 있고,

이 차이를 없애기 위해 얼만큼 더 움직이면 되겠다고 생각하는 것입니다.

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비례제어는 Gain(Kp)과 %(Proportional Band) 단위의

2가지 방식으로 표현하는데요!

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사용하고 계신 장비에서 단위가 없다면

Gain, %면 PB를 사용하는 장비라고 보시면 됩니다.

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서로 역수 관계이기 때문에 Gain을 늘리면

반응속도가 늘어나고,

PB는 반대로 동작하게 되는 점 참고하세요!

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적분제어는 비례제어를 통해 움직인 결과에서

모자란 양을 채워주는 역할을 하는데요!

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비례제어는 현재의 오차를 정밀하게 반영하지 못하는 단점이 존재하는데

비례제어가 만든 오차의 양을 누적하여 적분제어가 보장 동작을 하게 됩니다.

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적분동작의 핵심은 보상 동작에 사용하기 위한

동작량을 ‘시간’ 단위로 볼지,

혹은 단위 시간에 몇 ‘회’ 단위로 판단할지에 따라 달라지게 되는데

일반적으로 1회 보상 동작을 ‘시간’ 단위로 설정하는

제어기를 많이 사용하며,

이 경우 변수의 크기를 늘릴수록(단위 시간을 늘릴수록)

공정값의 반응 속도가 더뎌진답니다!

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마지막으로 미분제어는 공정값과 목표치의 차이가

단위 시간당 얼마나 변화하는지를 감지하여

미리 보상 동작을 하는 개념으로,

아직 일어나지 않은 오차에 대해 기민한 반응을 보이는데요!

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미분제어는 신속한 반응이 장점이지만,

반대로 생물배양기와 같이 센서에서 변화를 감지하기까지

시간이 다소 소요되는 유체 기반의 공정 황경에서는

미분제어를 사용하지 않습니다.

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미분제어의 경우 시간/회 방식만 존재하며,

미리 계산할 보상 동작에 대해 단위 시간 정보만 필요하기 때문에

적분제어와는 다르게 1가지 방식만 존재한다는 점!

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그럼 이제 간단한 사례를 통해

공정을 제어하는 방법에 대해 알아볼까요?

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첫 번째로 목표치에 공정값이 느리게 도달할 경우는 어떻게 조절하면 될까요?

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이는 반응 속도가 느리다고 판단할 수 있기 때문에

비례 제어가 Gain이라면 값을 증가하거나,

PB라면 값을 감소시켜 반응 속도를 향상시킬 수 있습니다.

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적분 제어의 경우에는 시간/회를 사용하는 경우 값을 감소시켜서

보상동작의 주기를 빠르게 하여 반응 속도를 증가시킬 수 있겠죠?

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목표치에 진동을 하면서 접근하는 경우는 어떨까요?

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이 경우는 생물배양기에서 미분제어를 사용하는 경우

주로 나타나는 현상으로,

미분제어기가 켜졌는지 확인하여 OFF로 만들어 주시거나

비례제어를 조절하여 반응 속도를 감소시키는 방법이 있습니다.

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마지막으로 공정값이 강한 진동을 할 때,

즉 목표치를 기준으로 위아래로

심하게 분안정한 값을 출력할 때의 경우에는

적분 제어기의 단위 시간 값을 늘려서

시간/회 동작이 느리게 반응할 수 있게 조절하고,

복합적으로 비례 제어도 줄여주는 방향을 권장한답니다!

지금까지 PID 제어 시스템과 배양기 제어 요소에 대해 알아보았는데요.

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