LabVIEW PID Controller란? 쉽게 이해하는 PID 제어기

 

 

LabVIEW를 사용하다 보면 공정 제어나 자동화 시스템 구축할 때 PID Controller(PID 제어기)를 사용하는 경우가 많습니다. 오늘은 LabVIEW PID Controller에 대해 처음 접하는 분들도 이해하기 쉽게 정리해보겠습니다.

PID Controller란 무엇인가?

먼저 PID Controller를 간단히 알아볼게요.
PID는 Proportional(비례), Integral(적분), Derivative(미분)의 약자입니다.
이 세 가지 제어 요소를 조합해 시스템을 원하는 목표값(Setpoint)으로 안정적으로 움직이도록 해주는 제어 알고리즘입니다.

• P(비례 제어): 현재 오차(error)에 비례하여 빠르게 반응합니다.
• I(적분 제어): 오차가 누적되면 그걸 기반으로 추가 보정을 합니다.
• D(미분 제어): 오차의 변화 속도에 따라 미래 오차를 예측해 조정합니다.

쉽게 말해, PID는 '빠르고 정확하게 목표에 도달하면서 튀지 않고 안정적인' 결과를 만들어주는 제어 기법입니다.

LabVIEW에서 PID Controller 사용하기

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LabVIEW는 National Instruments(NI)에서 만든 그래픽 기반 프로그래밍 언어입니다.
PID 제어기를 구현할 때도 복잡한 수식 없이 아이콘과 블록 연결만으로 쉽게 설계할 수 있다는 게 큰 장점입니다.

1. PID Control Toolkit 활용

LabVIEW에는 기본적으로 PID Control Toolkit이 있습니다. 이 안에는 다음과 같은 VI(Virtual Instrument)들이 포함돼 있습니다.

• PID.vi : 기본 PID 제어 알고리즘을 수행합니다.
• Advanced PID.vi : Anti-windup(적분기 포화 방지) 등 추가 기능이 들어간 고급 버전입니다.
• Autotuning 기능 : PID 게인 값(P, I, D)을 자동으로 조정해주는 기능도 제공합니다.

2. PID.vi 기본 구조

PID.vi는 일반적으로 다음과 같은 입력과 출력을 가집니다.

• 입력(Input)
  • Setpoint (목표 값)
  • Process Variable (현재 출력 값)
  • PID Gains (P, I, D 값)
  • dt (루프 시간 간격)
• 출력(Output)
  • Control Output (제어 신호)
  • Internal States (다음 루프에서 사용될 내부 상태)

LabVIEW PID Controller의 장점

• 쉬운 시각적 프로그래밍 : 복잡한 수학 없이 블록 연결만으로 설계 가능
• 실시간 제어에 강함 : DAQ 장비와 연동하여 빠른 반응 가능
• 다양한 튜닝 옵션 : 수동 튜닝, 자동 튜닝 모두 지원
• 시뮬레이션 가능 : 실제 적용 전 시뮬레이션 테스트 가능

LabVIEW로 PID 제어할 때 주의할 점

• Sampling Time(dt)을 정확히 설정하세요.
• 초기 PID 값을 무작정 입력하지 말고 시스템 특성에 맞춰 조정하세요.
• Anti-windup 기능을 고려하세요.
• 시스템 특성을 충분히 이해하고 적용하세요.

LabVIEW PID.vi 실제 사용 예시 코드

다음은 LabVIEW 블록 다이어그램 상에서 PID.vi를 활용하는 간단한 예제입니다.

1. While Loop 생성
2. 루프 안에 PID.vi 삽입
3. 입력 항목 연결:
    - Setpoint: 100 (목표 값 예시)
    - Process Variable: 센서 입력값(Read from DAQ)
    - P Gain: 0.8
    - I Gain: 0.05
    - D Gain: 0.1
    - dt: 0.1 (초당 10Hz)
4. PID.vi 출력값(Control Output)으로 액추에이터 제어
5. Internal States는 shift register에 저장하여 다음 루프에 넘겨줌

TIP! : Shift Register를 사용해 Internal States를 연결하지 않으면 PID.vi가 매 루프마다 초기화되어 원하는 동작이 나오지 않을 수 있습니다.

블록 다이어그램 개요

• Start → While Loop 실행 → Sensor Reading → PID.vi 계산 → Actuator Control → Update Internal States → 반복

LabVIEW PID 튜닝 방법

PID 제어 성능을 높이기 위해 가장 중요한 단계는 '튜닝'입니다.
LabVIEW에서는 다음 두 가지 방법으로 튜닝할 수 있습니다.

1. 수동 튜닝 방법

• Step 1: P값부터 조정합니다. 적당히 빠르면서 진동이 크지 않게 설정합니다.
• Step 2: I값을 추가해 Steady-state error(최종 오차)를 줄입니다.
• Step 3: D값을 조금씩 증가시켜 시스템 반응을 부드럽게 만듭니다.

팁: 각 값을 조정할 때는 한 번에 하나의 파라미터만 변경하세요. 그래야 시스템 반응을 정확히 분석할 수 있습니다.

2. 자동 튜닝(Auto-Tuning)

LabVIEW PID Toolkit에서는 PID Autotuning VI를 이용해 자동으로 최적의 PID 값을 찾을 수도 있습니다.
자동 튜닝을 사용하면 별도의 수작업 없이 빠르게 적절한 값을 얻을 수 있어 편리합니다.

LabVIEW에서 Anti-windup 설정하는 방법

Anti-windup은 적분항(I term)이 과도하게 누적되어 제어기가 포화되는 문제를 방지하는 기능입니다.

Anti-windup을 설정하는 방법

1. Advanced PID.vi 사용하기 : 기본 PID.vi 대신 'Advanced PID.vi'를 사용하면 Anti-windup 기능을 손쉽게 사용할 수 있습니다.
2. 출력 제한 설정 : PID 출력값이 시스템 한계를 초과하지 않도록 Output Limits를 설정합니다.
3. Integrator Clamping 기능 활성화 : 적분항이 포화 조건에서 더 이상 누적되지 않도록 설정할 수 있습니다.

Anti-windup 적용 시 주의사항

• 출력 리밋을 너무 작게 설정하면 시스템 반응이 느려질 수 있습니다.
• Integrator를 아예 끄는 것이 아니라, '조건부'로 차단하는 방식이어야 합니다.

결론

LabVIEW에서 PID Controller를 사용하는 것은 복잡한 수학 없이 직관적으로 강력한 제어 시스템을 구축할 수 있다는 점에서 매우 매력적입니다.
초보자도 쉽게 시작할 수 있지만, 제대로 된 결과를 얻으려면 PID 기본 개념과 시스템 특성 이해가 꼭 필요합니다.

처음이라면 LabVIEW의 예제 프로젝트(Help > Find Examples > PID Control)를 먼저 따라해보는 것을 추천드립니다!