[스마트팜] PID 제어에서 최소 ON/OFF 시간 간격 적용

 

PID 제어에서 최소 ON/OFF 시간 간격 적용하기: 팬 수명과 안정성 보호를 위한 필수 기법

습도, 온도, 조명 등 다양한 자동 제어 시스템에서 팬과 같은 부하를 PID 제어로 관리할 때, **팬이나 스위칭 소자의 수명과 시스템 안정성을 위해 최소 ON/OFF 시간 간격(minimum switching interval)**을 설정하는 것이 매우 중요합니다.

이 글에서는 최소 ON/OFF 시간 간격이 무엇인지, 왜 필요한지, 어떻게 PID 제어에 적용하는지, 그리고 간단한 예제 코드까지 자세히 설명합니다.

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1. 최소 ON/OFF 시간 간격이란?

• 팬이나 릴레이, MOSFET 등의 스위칭 소자는
  너무 잦은 ON/OFF 전환이 수명을 단축시키거나 하드웨어 손상을 초래할 수 있습니다.

• 따라서 한 번 팬을 켰으면 일정 시간은 켜진 상태를 유지, 끈 후에는 일정 시간 OFF 상태를 유지하도록 강제하는 시간 간격을 두는 것입니다.

• 이 시간을 최소 ON/OFF 시간 간격이라고 부릅니다.

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2. 왜 최소 ON/OFF 시간 간격이 필요한가?

• 팬이나 릴레이는 빠른 ON/OFF 전환 시 기계적·전기적 스트레스를 받습니다.

• 제어 신호가 소음이나 센서 노이즈로 급격히 변할 때, 제어기가 자주 팬을 켰다 껐다 하면서 불필요한 스위칭이 발생합니다.

• 최소 시간 간격을 두면, 제어 신호의 불안정성으로 인한 과도한 스위칭을 방지하여 부품 수명과 신뢰성을 향상시킵니다.

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3. PID 제어에서 최소 ON/OFF 시간 간격 적용 방법

기본 아이디어

1. PID 계산 결과에 따라 팬 ON/OFF 명령 결정

2. 마지막 ON/OFF 상태 변경 시점 저장(타임스탬프)

3. 새로 팬 상태를 변경하려 할 때,

   • 마지막 상태 변경 후 최소 ON/OFF 시간 간격이 지났는지 확인

   • 지나지 않았다면 상태 변경하지 않고 기존 상태 유지

   • 지나면 정상적으로 상태 변경 수행

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흐름도 예시

PID 계산 → ON/OFF 목표 결정 →
↓
(마지막 변경 시점과 현재 시간 차 비교)
↓
- 최소 시간 미만: 상태 유지
- 최소 시간 이상: 상태 변경

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4. Python 예제 코드

import time

class FanController:
    def __init__(self, min_switch_interval_sec=5):
        self.min_switch_interval = min_switch_interval_sec  # 최소 ON/OFF 간격 (초)
        self.last_switch_time = 0  # 마지막 스위칭 시점 타임스탬프
        self.fan_on = False        # 현재 팬 상태 (False=OFF, True=ON)

    def pid_output_to_on_off(self, pid_output, on_threshold=50):
        """
        PID 출력값을 ON/OFF 결정에 사용.
        pid_output: 0~100, 팬 ON 임계값(default 50%)
        """
        current_time = time.time()
        time_since_last_switch = current_time - self.last_switch_time

        # 목표 팬 상태 결정 (임계값 기준)
        target_on = pid_output >= on_threshold

        # 최소 ON/OFF 간격 미만이면 상태 유지
        if time_since_last_switch < self.min_switch_interval:
            # 상태 변경 제한
            return self.fan_on

        # 상태 변경 필요하면 수행
        if target_on != self.fan_on:
            self.fan_on = target_on
            self.last_switch_time = current_time
            print(f"Fan state changed to: {'ON' if self.fan_on else 'OFF'} at {time.strftime('%X')}")
        
        return self.fan_on


# 테스트 예제
import random

controller = FanController(min_switch_interval_sec=5)

for _ in range(20):
    # PID 출력값 시뮬레이션 (0~100)
    simulated_pid_output = random.randint(0, 100)
    fan_state = controller.pid_output_to_on_off(simulated_pid_output)
    print(f"PID output: {simulated_pid_output}, Fan state: {'ON' if fan_state else 'OFF'}")
    time.sleep(1)

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5. 코드 설명

• FanController 클래스에 최소 ON/OFF 간격을 min_switch_interval 파라미터로 둠

• pid_output_to_on_off() 함수는 PID 출력과 임계값을 받아 팬 ON/OFF 상태를 결정

• 마지막 상태 변경 시점을 기록하여, 최소 간격 미만이면 상태 변경을 막음

• 이렇게 하면 팬이 너무 자주 켜졌다 꺼지는 것을 방지함

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6. 실제 적용 팁

• 최소 ON/OFF 간격은 팬과 스위칭 소자의 특성에 맞게 조절하세요 (예: 3~10초 권장)

• PID 임계값과 함께 최소 간격을 조절하면, 더욱 안정적인 제어 가능

• 제어 주기와 최소 간격을 적절히 설정해 제어 응답성과 수명을 균형있게 맞추세요

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7. 마무리

최소 ON/OFF 시간 간격 파라미터를 PID 제어에 포함시키면, 팬이나 릴레이 등 스위칭 소자의 과도한 동작을 줄여 시스템 안정성과 부품 수명을 크게 개선할 수 있습니다.

스마트팜, 환기, 제습기 등 다양한 자동화 시스템 설계에 꼭 적용해보세요!