Today, CAD(Computer Aided Design)is an indispensable tool for the chemical engineering, especially for process design and control. Most chemical processes are multivariable systems that are much more difficult to design and operate than single-input/single-output processes, due to the interactions between the input/output variables.
Those systems can be controlled by centralized controllers or by decentralized multi-loop controllers. Practically, multi-loop controllers are broadly used because they have the merits as hardware simplicity, design simplicity, and failure tolerance. However, we should solve both the loop pairing and controller tuning problems to use these multi-loop controllers.
So far, the pairing and tuning problems are handled separately: the former was handled by interaction measures(steady state and/or frequency dependent measures) and the latter was handled by tuning each controller based on Ziegler-Nichols method or IMC PID tuning method and detuning of the SISO controllers for system stability.
Recently, a new approach to solve those problems using the linear quadratic optimal control (LQOC) theory was proposed (Lie and Balchen, 1991) to deal with the pairing and tuning problems simultaneously as well as to improve the closed loop performance. However, the solvability of the optimization problem is not guaranteed.
The objective of this study is to develop a multi-loop controller design tool based on the closed-loop performance optimization method. The tool can be used for troubleshooting of existing controllers and/or designing a new controller. Our system has a well organized GUI(Graphic User Interface)which provides a convenient working environment.
오늘날 화학공학에서 특히 공정 설계, 공정 제어 분야에서 CAD(Computer Aided Design)의 이용은 중요하다. 대부분의 화학 공정은 다변수 시스템이다. 그런데 다변수 시스템에서는 입출력 변수들의 interaction이 존재하므로, 단일 입력 단일 출력의 단변수 시스템에 비해 설계하거나 제어하기 어렵다.
다변수 시스템은 집중 제어기(centralized control) 또는 비집중 제어기 (decentralized control)의 두가지 방법으로 제어될 수 있다. 실질적으로는 하드웨어 장치의 간편성, 설계의 단순성, failure tolerance 등 때문에 비집중 제어기의 한 종류인 다중-루프 제어기 (multi-loop controller)가 널리 쓰인다. 그러나 이러한 제어기를 사용하기 위해서는 loop pairing과 제어기 tuning라는 두가지 문제를 해결해야만 한다.
지금까지 기존의 방법들에서는 pairing 과 tuning 문제를 따로따로 다루어 왔다. 즉, 전자는 interaction measure (steady state 또는 frequency dependent) 를 이용해서, 후자는 각 루프를 독립적으로 Ziegler-Nichols 나 IMC tuning 한 후에 시스템이 안정성을 위해 detuning하는 방법을 이용해서 다뤄 졌다.
최근에 이르러, 동시에 pairing과 tuning 문제를 해결하고, 또한 closed-loop의 성능을 향상시키기 위한 방법이 Lie 와 Balchen (1991)에 의해서 제안되었다. 이 방법은 linear quadratic optimal control (LQOC) 이론에 기반을 두고 있다. 그러나 이 방법의 문제점은 이 방법에 의해 만들어진 최적화 문제가 항상 쉽게 풀리지 않는다는 점이다.
본 논문의 목적은 closed-loop 성능 최적화에 기반을 둔 다중-루프 제어기 설계 방법을 제시하고 이 새로운 방법의 구현을 편리하게 하는 도구를 개발하는 것이다. 이 설계 도구는 기존 제어기의 troubleshooting이나 새로운 제어기의 설계에 사용될 수 있다. 또한 이 시스템은 잘 구성된 GUI(Graphic User Interface)를 지니고 있어서 사용자에게 편리한 작업 환경을 제공한다.
