동특성_Dynamic Characteristic

안녕하세요 레이닝덕 레덕입니다!

 

 

 동특성

공정의 동특성은 크게 Self-Regulating/Non-Self-Regulating/ Open Loop Unstable Process로 구분될 수 있습니다. Self-Regulating 공정이란 압력이 일정한 경우 스스로 평형상태에 도달하는 공정을 말합니다. 유출량이 일정하게 제한된 탱크를 생각했을 때, 탱크로 공급되는 유량 또한 일정하다면 공급유량에 따라 수위가 달라지고 달라진 수두압이 탱크 바닥에서의 유출량을 변화시켜 결국 유입량과 유출량이 같아지는 새로운 일정 수위에 도달하게 됩니다. 많은 공정들이 이러한 특성을 보이며 다른 말로는 'Process with Compensation'이라 부릅니다. 예를 들어 열교환 공정에서 열 유입률이 일정하다면 열 유출률(유입 매질에 전달되거나 외부로 손실)이 열 유입량과 정확히 일치할 때까지 온도는 증가하거나 감소하게 됩니다. 대부분의 공정은 Self-Regulating 공정입니다.

 

Non-Self-Regulating 공정은 유량 제어기에 의해서 탱크에서의 유출량은 일정하게 조절되며 앞서 와 같이 탱크 수위에 영향을 받지 않습니다. 이때는 유입량이 유출량과 같지 않다면 수위가 지속적으로 상승하여 탱크가 넘치거나 수위가 지속적으로 하강하여 탱크가 비게 될 것입니다. 이러한 이유로 Non-Self-Regulating 공정을 다른 말로 'Integrating Process'라 합니다. 실제로는 수위제어 루프 및 액체-증기 시스템의 압력 제어 루프가 Integrating Process 특성을 보입니다. 이 압력 제어 루프에서는 열 유입량이 열배출량을 초과하면 압력이 지속 증가하게 됩니다. Self-Regulating 공정이 Non-Self-Regulating 공정보다 훨씬 많이 존재합니다.

 

몇몇 공정은 Open Loop 상태(피드백 제어를 하지 않는 경우)에서 불안정합니다. 이런 공정은 Runaway 공정이라 불리는데, 대표적인 예는 재킷형 발열 반응기(Jacketed Exothermic Reactor)입니다. 반응기 온도가 증가하면 반응률이 증가합니다. 반응률의 증가로 인하여 더 많은 열이 생성되고 반응물과 재킷의 온도차로 인해 더 많은 열이 소비됩니다. 이때 열전달이 충분치 않을 경우 더 많이 생성된 열로 인해 온도는 계속 상승하게 됩니다.

 

 동적 응답의 유형

가장 간단한 유형의 Self-Regulating Process는 질량 또는 에너지의 저장이 한 곳에서 이루어지는 공정입니다. 예를 들어, 잘 혼합되는 용기 내에서 일정하게 흐르는 유체가 가열됩니다. 용기 외벽 및 가열 코일에 저장되는 열의 양이 무시할 수 있는 수준이라면 주어지는 열은 모두 유체 자체에 저장되게 됩니다. 열 유입이 계단 형태로 증가할 경우 이에 대한 온도의 응답은 전형적인 1차 지연 응답으로 공정 이득과 시정수 두 개의 공정 모델 파라미터를 통해 표현될 수 있습니다.

다른 기본적인 응답 유형은 '순수 부동 시간(Pure Deadtime)'입니다. 대게 질량 혹은 에너지의 물리적 이동과 연관되며 종종 'Transport Lag'라고 불립니다. 예를 들어 보온이 아주 잘된 배관이 있을 때, 일정한 거리를 두고 두 위치에서 온도를 측정한다면 두 측정 데이터는 두 포인트를 유체가 이동하는데 걸리는 시간을 제외하고 완전히 동일하게 나타날 것입니다. 이러한 공정은 부동 시간(Dead Time)을 나타내는 하나의 모델 파라미터를 이용하여 표현될 수 있습니다.

 

1차 지연과 부동 시간은 개별적인 '요소'로 간주될 수 있으며, 실제 공정의 동특성을 표현하기 위해 수많은 방식으로 결합될 수 있습니다. 실제 대부분의 Self-Regulating 공정은 앞서 언급된 것처럼 간단하지는 않습니다. 질량이나 에너지의 저장은 공정의 여러 곳에서 분산되어 이루어지며, 실제 물질이 이동하는데 소요되는 시간 또한 존재합니다. 이에 대한 정확한 해석 및 이해는 쉽지 않습니다. 그래서 몇몇 기본적인 조합에 대해 설명하고 이에 대한 예시를 통해 공정의 동작, 응답에 관한 직관적인 이해를 해보겠습니다.

 

 

 

레이닝 덕입니다.

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