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초록

영어

This study implemented an optimized PID temperature control system and a heterogeneousplatform- integrated 7-inch HMI monitoring system on a dual-layer control platform for a multi-anaerobic incubator. Chamber thermal dynamics were modeled as a FOPDT transfer function to derive optimal PID parameters (Kp=0.8, Ki=0.11/min, Kd=0.5 min), with anaerobic SOL valve switching disturbances quantitatively modeled per stage (d_max,i = -β·Ta_i, β=0.013 ℃/s) and actively compensated within 60 seconds. Closed-loop FOPDT simulation (rise time 27.8 min, overshoot +0.36℃) matched prototype measurements (28.2 min, +0.3 5℃) with error rates of 1.4% and 2.8%, validating the model; 48-hour continuous operation achieved 0% data loss, sub-2 ms latency, and an HMI refresh cycle of 1.02±0.05s. To the best of the authors' knowledge based on the reviewed literature, this study presents a quantitatively verified disturbance-compensating PID design and a heterogeneous-platform-integrated embedded HMI architecture, providing foundational data for domestic anaerobic incubator control development.

한국어

본 연구에서는 멀티 혐기배양기를 위해 이중 계층 통합 제어 플랫폼에 최적화 PID 온도 제어 시스템 및 이기종 플랫폼 통합 7인치 HMI 모니터링 시스템을 구현하였다. 배양실 열전달 동특성을 FOPDT 전달함수로 수학적 모델링하여 최적 PID 파라미터(Kp=0.8, Ki=0.11 /min, Kd=0.5 min)를 도출하고, 혐기 SOL 밸브 개폐 외란을 Stage별 정량 모델(d_max,i = -β·Ta_i, β=0.013 ℃/s)로 분석하여 60초 이내 능동 보상하는 외란 감지 알고리즘을 구현하였다. FOPDT 폐루프 시뮬레이션 예측값(도달 시간 27.8분, 오버슈트 +0.36℃) 대비 실증값(28.2분, +0.35℃)의 오차율은 각각 1.4%와 2.8%로 나타나 모델 타당성을 정량적으로 확인하였으며, 48시간 연속 운전에서 데이터 손실률 0%, 통신 지연 2 ms 미만, HMI 갱신 주기 1.02±0.05초를 달성하였다. 혐기 외란 대응 PID의 정량적 검증과 이기종 통합 HMI 아키텍처를 함께 제시함으로써, 혐기 배양기 제어 국산화를 위한 기초 자료를 제공한다.

목차

요약
Abstract
Ⅰ. 서론
1.1 연구의 필요성
1.2 관련 연구 동향
1.3 연구 목적
Ⅱ. 시스템 구성
2.1 전체 아키텍처
2.2 온도 제어 서브시스템 하드웨어
2.3 HMI 통합 모니터링 서브시스템 하드웨어
Ⅲ. PID 온도 제어 시스템 설계
3.1 제어 대상 수학적 모델링
3.2 PID 파라미터 설계 및 최적화
3.3 혐기 가스 치환 외란 억제 설계
Ⅳ. HMI 기반 통합 모니터링 시스템 설계
4.1 이기종 HMI 아키텍처 설계
4.2 통신 아키텍처
4.3 HMI 화면 구성
4.4 파라미터 설정 범위
4.5 알람 및 이상 감지 시스템
4.6 데이터 기록
Ⅴ. 성능검증
5.1 PID 온도 제어 시뮬레이션 결과
5.2 실제 프로토타입 실증 결과 및 오차율정량 분석
5.3 반복 정밀도 분석
5.4 4개 챔버 독립 온도 제어 동시 운전
5.5 자체 종합 성능 평가
5.6 시스템 신뢰성 실증
5.7 선행연구 대비 종합 성능 비교
Ⅵ. 결론
REFERENCES

키워드

저자

• 문덕영 [ Duk-Young Moon | 한국폴리텍대Ⅰ대학 성남캠퍼스 반도체융합기계과 교수 ]
• 최지선 [ Ji-Seon Choi | 한국폴리텍대Ⅰ대학 성남캠퍼스 반도체융합기계과 교수 ]
• 정현석 [ Hyun-Seok Jung | 한국폴리텍대학 반도체융합캠퍼스 반도체측정과 교수 ] Corresponding Author

참고문헌

발행기관

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• 간행물명

  차세대융합기술학회논문지 [The Journal of Next-generation Convergence Technology Association]

• 간기

  월간

• pISSN

  2508-8270

• 수록기간

  2017~2026

• 등재여부

  KCI 등재

• 십진분류

  KDC 506 DDC 606