Development of a Prototype of FEM Simulation Environment for Temperature Controller Design

In many industrial applications, it is very important to control the temperature of the controlled object to the target temperature as closely as possible. Although it is apparent that the great obstacles in controller design are time-delay of the thermal responses of the controlled object and the effect of thermal interference between neighboring heating zones, one more fundamental obstacle is a very large amount of time which is required during repeated experiments in controller design process. Therefore, a convenient simulation environment, which can represent thermal behavior accurately within appropriate time, is needed. In this paper, a prototype of 2D FEM (finite element method) heat transfer simulation environment using MATLAB is constructed to be usefully adopted into industrial applications with temperature controller design.

온도 제어기 설계를 위한 유한 요소법을 이용한 시뮬레이션 환경 프로토타입 구현

온도 제어를 필요로 하는 많은 산업 응용분야에서는 통상적으로 온도제어 대상물체를 특정 목표온도에 매우 가깝게 도달하도록 히터들의 출력을 조절한다. 제어 대상물체의 매우 느린 온도변화 반응과 이웃한 히터들에 의해 발생하는 열 간섭 현상은 다양한 산업 응용분야에서 요구되는 성능을 충족시키는 온도 제어기 설계를 매우 어렵게 하는 요인이며 많은 연구가 지속적으로 이루어지고 있다. 그러나 온도 제어기 설계를 위해서는 반복적인 실험이 매우 중요하지만 대상물체의 가열과 냉각에 매우 많은 시간이 소모되는 개선될 수 없는 현실이 존재한다. 따라서 대상물체의 온도 변화에 대한 수치해석 결과를 적절한 시간 내에 충분히 정확하게 나타낼 수 있으며 제어기 설계에 편리하게 응용 할 수 있는 시뮬레이션 환경이 필요하다. 본 논문에서는 온도 제어를 필요로 하는 산업분야에 유용하게 적용될 수 있는 유한요소법(FEM: Finite Element Method)을 이용한 2D 시뮬레이션 환경의 프로토타입을 MATLAB을 이용해서 구현했다. 개발된 프로토타입은 기본적인 물체 외형 디자인, 추가 경계 설정, 메쉬 생성 및 FEM 수치해석 기능을 갖추고 있으며 예제를 통하여 동작의 유용함과 편리함을 보였다.