계측의 자동화 - 설비 보전 기사

1. 센서와 신호 변환

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가. 센서의 종류

  ▣ 액티브 센서

    ⊙ 대상물에 어떤 에너지를 의식적으로 주고 그 대상물에서 나오는 정보를 감지 또는 검지하거나 또는 주어진 에너지를

         대상물에서 정보 검지가 용이한 에너지로 변환하고 그 에너지를 정보로서 감지하는 기기이다. 대표적인 예로 레이저

         센서가 있다.

  ▣ 패시브 센서

    ⊙ 대상물에서 나오는 정보를 그대로 입력하여 정보를 감지하는 기기이다. 대표적인 예로 적외선 센서가 있다.

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  ① 온도센서

    ▣ 대상물이 가지고 있는 온도의 정보를 감지하는 기기이다. 온도센서는 비접촉형 센서와 접촉형 센서가 있는데 전자는

         물체의 적의광을 수광하고 후자는 물체의 열을 직접 받는 것이다.

  ② 습도 센서

    ▣ 대상물이 가지고 있는 습도의 정보를 감지하는 기기이다. 습도 센서에는 습도에 의한 전기저항의 변화를 이용한 것.

         적외선의 흡수율 변화를 이용한 것 등이 있다. 간단한 구조의 습도 센서에는 어느 습도 이상이 되면 물질이 변색되는

         원리를 이용한 것도 있다.

  ③ 자기센서

    ▣ 자기의 정보를 감지하거나 대상물에 자기 에너지를 의식적으로 주고 그 자기 에너지를 정보로서 검출하는 기기이다.

         자기 센서에는 강재의 표면 흠집을 감지하는 자기탐상 센서, 자계를 검출하는 자기 센서 등이 있다.

  ④ 음파 센서

    ▣ 음파의 정보를 감지하거나 대상물에 음파 에너지를 정보로서 검출하는 기기이다. 음파 센서는 음파로서 인간이 가청

         한 음파, 인간에게 불가청한 초음파 · 초저음파 · 극초음파 등을 사용하고 있다. 또한 음파 센서에는 물체 내부의 결함

         검출에 사용되는 초음파 센서, 재료의 파괴 예지에 사용되는 AE 센서 등이 있다.

  ⑤ 마이크로파 센서

    ▣ 대상물에 마이크로파를 주어서 그 파를 정보로서 검출하거나 대상물에서 발생하는 마이크로파를 검출하는 기기이다.

         마이크로파는 전파의 주파수 구분 가운데 UHF (극초단파, 300 ~ 3,000 MHZ)를 가리킨다. 그러나 때에 따라서는

          VHF (초단파)나 SHF(극극 초단파)의 일부를 UHF에 포함하여 가리키는 경우도 있다.

  ⑥ 방사능 센서

    ▣ 대상물이 가지고 있는 방사능의 정보를 감지하는 기기이다. 방사능 센서는 방사선으로 X선, β선, γ선 등을 사용한다.

         대상물에 방사선을 투사하여 그 파를 정보로서 검출하는 형태에서 물체 내부의 결함 검출에 사용되는 X선 센서, 도금

         두께를 검지하는 β선 센서, 물체의 두께를 검지하는 γ선 센서 등이 있고, 대상물에서 발생하는 방사선을 검지하는 기

         기로서 원자력 발전소 부근의 방사능을 검출하는 방사능 센서, Ge를 사용한 센서, Si를 사용한 센서 등이 있다.

  ⑦ 압력센서

    ▣ 대상물이 가지고 있는 압력의 정보를 감지하는 기기로서 실리콘 압력 센서 등이 있다.

  ⑧ 속도센서

    ▣ 대상물의 속도 정보를 감지하는 기기이다. 속도 센서는 속도정보를 감지하기 위하여 대상물에 음파에너지나 마이크

         로파 에너지를 주고 그 음파 또는 마이크로파 에너지로 부터 속도의 정보를 검출한다.

  ⑨ 화학 센서 : 화학 반응 등의 수단을 사용하여 감지하는 기기이다.

  ⑩ 바이오 센서 : 대상물이 가지고 있는 정보를 주로 생물, 수용기 등 각종 생물의 매커니즘을 사용하여 감지하는 기기이

       다.

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나. 센서용 재료

  ① 반도체 재료

    ▣ 센서로 응용되는 반도체 재료는 주로 광도전 재료, 예를 들면 Ag2S 등의 유화물, ZnO 등의 산화물이나 ZnSe 등의 센

         렌화물이 광전 재료로서 사용되며, 금속반도체로서는 Ge, Si, Se나 Te 등이 광 센서, 자기 센서, 온도 센서로 사용된

          다.

  ② 세라믹 재료

    ▣ 세라믹은 내열, 내식, 내마모성이 우수한 재료로서 센서용 재료로 이용하는 경우는 다음의 3가지 성질이 이용된다.

   ㉠ 결정자체의 성질을 이용한 것 : NTC 서미스터, 고온 서미스터, 산소 가스 센서 등

   ㉡ 입계 (粒界) 및 입자간 석출상의 성질을 이용한 것 : PTC 서미스터, 반도체 콘덴서, ZnO계 바리스터 등

   ㉢ 표면의 성질을 이용한 것 : 안정화 지르코니아, 티탄산바름 반도체, 산화주석(SnO2), CoO-MgO)계 고용체

  ③ 유기재료

    ㉠ 전계 감응 기능 (電界 感應 機能) : 전계 감응 기능에는 압전효과, 전기 광학 효과, 전기 화학반응 등이 포함된다.

      ⓐ 압전효과를 나타내는 고분자에는 폴리불화비닐리덴(PVDF) 이외에 폴리아크릴 니트릴, 아크릴 니트릴 등이 있다.

      ⓑ 유기 재료에 있어서 일렉트로크로미즘은 전기 화학 반응에 의해서 색의 변화를 가져 오며 비오로겐계 색소가 대표

            적이다.

    ㉡ 자계 감응 기능 : 자기 감응 효과로서는 제만 효과, 홀 효과, 조셉슨 효과 또는 자기 공명 흡수 등이 있으며 유기 재료

         로서 관계 깊은 것은 자기 공명 흡수이고 유기 재료 일반으로 인정된다.

    ㉢ 응력 감응 기능 : 압력과 왜형 등이 가해지면 여러 효과가 나오지만 대표적인 것은 가압 도전성이다. 이것은 압력에

              따라 전기저항이 절연 상태에서 수십 Ω 이하로 급속하게 가역적으로 변화하는 현상이다. 이와 같은 성질을 이용

              한 것은 가압 도전성 고무, 가압 도전성 시트 등이 있다.

    ㉣ 광 감응 기능 : 빛이 조사되었을 때 발생하는 변화를 이용하는 소자로서 유기반도체의 광도전 효과에서는 폴리비닐

             칼비졸 + 증감계가 사용되고, 집전 효과에서는 PVDF, TGS 또한 편광에서는 PVA/I​2 필름이 사용된다.

    ㉤ 온도 감응 기능 : 유기 반도체는 세라믹 반도체와 같은 온도 - 저항 특성 (NTC)을 나타낸다.

    ㉥ 분위기 감응 기능 : 가스 분자에 감응하는 유기 재료로서 β - 카로틴 박막은 산소 분자가 흡착하면 현저하게 저항이

                    변화(천배)한다.

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  ④ 금속재료

    ㉠ 기능성 재료 : 센서의 트랜스듀서 기능을 담당하고 경우에 따라 액추에이터 기능 재료

    ㉡ 구성 보조 재료 : 기능성 재료의 기능을 위한 보조 기구 및 센서 구조에 필요한 보조 재료

    ㉢ 기구 · 보조 양용 재료

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  ⑤ 복합 재료 (CM)

     ㉠ 압전성 복합 재료 : 압전 전성형 수중 마이크로폰, 악기용 픽업 (pick - up)이나 초음파 음장 센서에 응용되고 있다.

     ㉡ 도전성 고분자 복합 재료 : 도전성 (導電性) 고무가 많고 대부분이 실리콘 고무와 카본 블랙 또는 은 (Ag) 입자계이다.

          이 외에 전파 차폐 재료, 고온 송전 케이블 동피복 재료, 도전성 유지 강화 플라스틱 등의 응용이 있다. 가압 시에는

           그 부분만 도전성을 나타내는 가압 도전성 고무도 있다. 가종 압력 센서로 이용된다.

     ㉢ 바이메탈 : 열팽창 계수가 큰 금속과 작은 금속의 판을 접합시키면 온도 변화에 따라 변형 또는 내부 응력을 발생하므

           로 온도 센서가 된다. 바이메탈은 온도계나 텔레비전의 색 차이 방지용 온도좌상에 사용된다.

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다. 신호변환

  ① 기계적 변환

    ㉠ 스프링 : 하중을 변위 또는 토크를 각 변위로 변환하는 경우 널리 쓰이는 변환기이다.

    ㉡ 벨로스, 다이어프램 및 부르동 관

      ⓐ 밸로스는 원통 내 · 외의 차압에 으해 축 방향으로 신축하여 변위로 변환된다. 일반적으로 벨로스와 다이어프램은

            비교적 낮은 압력 또는 차압의 측정에 사용된다.

      ⓑ 다이어 프램은 금속 또는 비금속의 탄성막이 있으며, 그 한쪽에 압력이 걸리면 변형하여 변위로 변환된다. 평평하고

           동심원상의 파형의 터를 만들어 변위를 확대하기도 하고 탄성막 자신의 탄성만이 아니고 스프링을 병용(倂用)하여

           하중의 대부분을 스프링에 걸리도록 특성을 개선하기도 한다.

      ⓒ 부르동 관은 타원형으로 굽어진 장원형 단면 (長圓形 斷面)의 관 끝부분을 고정하고 반대편 부분을 자유단으로 하여

            그 선단을 막은 것이다. 관 내에 압력을 가하면 자유단은 외측으로 이동하며 거의 일정한 직선상을 압력에 비례하

           여 움직인다. 비교적 높은 압력 측정에 쓰인다.

 

    ⓒ 자이로스코프

      ▣ 회전 속도 또는 각속도의 기계적인 검출은 원심력을 이용하여 하중이나 변위로 변환하는 방법과 자이로스코프

           (gyroscope)에 의하여 검출하는 방법 등이 있다. 이 원리는 질량유량계에도 적용된다.

 

 

  ⓓ 바이메탈

     ▣ 유체나 고체의 열팽창을 이용하여 온도를 변위로 바꿀 수 있다. 고체의 열팽창을 이용한 것으로서 온도 계측 뿐만

          아니라 제어 계측에도 이용되는 바이메탈(bimetal)이 있다. 또한 액체의 열팽창을 이용한 것으로 유리관에 수은,

          알코올 등의 액체를 봉입하여 온도를 변위로 변환한 것에 유리 온도계가 있다.

  ⓔ 확대 변환기구 : 레버, 기어, 나사, 평행 박면

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② 압력으로의 변환

  ㉠ 차압검출기구

    ▣ 유체의 동력학적 성질을 이용하여 유량 또는 유속을 압력으로 변환하는 변환기이다. 교축 기구는 유체가 흐르는 관로

         의 단면적을 좁게 한 장치로서 대표적인 것에는 오리피스(orifice), 노즐(nozzle), 벤투리(venturi) 관이 있다.

  ㉡ 압력식 온도계

    ▣ 일정 용기안에 충전한 유체의 압력이 열팽창에 의하여 변화하는 것을 이용하여 온도를 압력으로 직접 변환할 수

        있다.

  ㉢ 노즐 · 플래퍼 기구

    ▣ 고정 오리피스, 노즐 및 플래퍼로 구성되어 있다. 일정 압력원으로 부터의 공기류를 고정 오리피스를 거쳐 노즐과

         플래퍼의 틈 사이로 유도하면 플래퍼의 미소 변위에 따라 노즐의 배압이 크게 변한다.

  ㉣ 분사관

    ▣ 상하를 베어링으로 가볍게 지지한 분사관의 선단 (지름 1.2 ~ 2.5 ㎜)으로 부터 압유를 이것과 마주 놓인 두개의 구멍

         중앙에 있을 때는 두 압력은 같으나 입력 신호에 의하여 좌우 어느 쪽으로 미소 변위하면 한 쪽의 수류(受流) 구멍의

         유압이 다른 쪽 보다 상승하므로 이 때의 차압을 측정하면 변위를 알 수 있다.

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  ③ 전기적 변환

    ㉠ 기초변환

      ▣ 측정량을 전기적인 신호로 변환하면 전달 · 확대 · 증폭하는데 편리하며 특히, 고속으로 변화하는 측정량을 측정할

            경우는 다른 변환에 비하여 응답 지연이 작으며 감도가 높으므로 원격 계측이나 자동 제어 등에 이용되고 있다.

            전기적 변환기를 크게 나누면 다음과 같다.

      ⊙ 측정량의 변화를 전기저항, 인덕턴스, 정전용량 등의 임피던스의 변화로 변환하는 것

      ⊙ 압전효과, 열전효과 등의 물리적 현상에 따라 발생하는 기전력으로 변환하는 것

      ⊙ 측정량의 크기에 대응하는 전압이나 전류의 펄스로 변환하는 것

    ⓐ 간단한 전기 계기

       ◈ 전기적인 양을 지시 또는 기록하는 계기를 전기 계기라 하며, 전기적인 양을 직접 힘으로 변환하여 지시하는 지시형

            전기 계기의 기본 구성 요소는 바늘 등의 가동부를 구동하는 구동 기구와 가동부를 특정의 위치로 정지시키는 제동

            기구 및 내부 변환 회로 등으로 구성되어 있다.

      ⊙ 구동장치

         전기적인 측정량, 즉 전압, 전류, 전력 등의 측정은 전기 자기적인 원리에 의하여 이들의 측정량을 힘으로 변환한다.

          힘을 발생하는 기구에 따라 가동코일형, 가동철편형, 유도형 및 전류력계형, 정전형 등이 있다. 이들 중에서 가장 많

           이 사용되는 계기로서 가동코일형과 가동철편형이 있다. 가동코일형은 정밀급에 널리 쓰이며 가동 철편형은 배전반

          용 계기로 널리 쓰인다. 가동 코일형은 가동 코일에 흐르는 전류와 고정된 영구자석에 의한 자계의 자속밀도와의 사

          이에 자굥하는 전자력을 이용한 것이다.

      ⊙ 전류, 전압 및 저항계

          가동코일형 계기는 전류계로 주로 사용되나 전압계로도 사용이 가능하다. 전압계로 사용하여 측정 범위를 확대시키

          기 위해서는 계기와 직렬로 적당한 저항을 삽입하면 된다. 이 때 사용되는 외부 저항을 배율기 (multiplier)라 한다. 회

          로망의 특정 부분의 저항을 구하기 위해서는 전류와 전압을 측정하고 옴(ohm)의 법칙을 이용하며, 계기를 회로에 연

          결시키는 방법은 두가지가 있으며 이것을 전압계 - 전류계 방법이라 한다. 두 가지 방법 중에서 선택은 내부저항과

           회로 저항의 상대적인 크기에 의해 정해진다.

   ⓑ 입력 회로의 기본

      ▣ 전류 감지 입력 회로

      ▣ 전압 감지 입력 회로

      ▣ 전압 분할 회로

      ▣ 전압 평형 전위차계 회로

      ▣ 브리지 회로 등

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  ㉡ 변조 변환

     ▣ 저항, 용량 또는 인덕턴스 (Inductance) 등의 임피던스 (Impedence) 소자를 이용하면 입력 신호를 전압 · 전류로 변환

          할 수 있다. 즉, 임피던스 소자가 들어 있는 전기회로에 일정 전압 또는 전류를 공급하여 이것을 입력 신호에 따른 임

          피던스 변화에 의해 변조함으로써 입력 신호에 비례한 전압 · 전류로 변환한다.

    ⓐ 저항 변환

       입력 신호를 저항이나 전기 전도도 등의 도전성의 변화로 변환하고 이것을 전압이나 전류의 변화로 변환하는 변환기

       에는 가변저항, 스트레인 게이지 (strain gauge) 및 측온 저항체 등의 비교적 단순한 저항 소자가 있다.

     ⊙ 가변 저항기 (변위 → 전기저항) : 기계적인 선 변위 또는 회전각 변위를 저항으로 변환한 것으로 가변 저항기가 있다.

          온도계수가 작은 저항체의 표면에 접촉자를 이동시켜 저항 변화를 얻는다.

     ⊙ 저항선 스트레인 게이지 (힘 → 저항) : 저항선이 축방향으로 인장 또는 압축을 받으면 선의 길이와 단면적이 변화하

          여 저항값이 변화한다. 또 저항선의 고유저항 자체도 변화한다. 이것을 이용하여 힘에 의한 미소변위를 저항 변화로

          변환할 수 있으며 이와 같은 원리의 게이지를 스트레인 게이지라 한다.

      ⊙ 저항 온도계 (온도 → 저항) : 금속의 저항은 온도에 의해 변화하며 이것을 이용하여 온도 검출에 사용할 수 있다.

    ⓑ 정전용량 변환 (변위 → 정전용량)

         변위 등의 입력 신호를 정전 용량으로 변화시켜 전압이나 전류의 변화로 변환할 수 있다. 정전용량을 변화시키는

          방식에는 가변 면적식과 가변 간격식 그리고 가변 유전율식이 있으며 미소 치수 변화의 검출에는 가변 간격식을 많

          이 사용한다.

    ⓒ 인덕턴스 (변위 → 인덕턴스)

        입력신호로 코일의 자기 인덕턴스 또는 상호 인덕턴스를 변화시켜 이것을 전압, 전류로 변환할 수 있다. 인덕턴스를

        변화시키는 방법에는 코일 안에 코어 (Core)를 이동시키는 가변 철심형과 코어의 일부에 공극을 만들어 이를 변화시

         키는 가변 공극형이 있다. 따라서 이 변환기의 입력 신호는 변위 또는 힘이다.

    ⓓ 자기 변환 : 인덕턴스 변환기와 차이는 없으나 물성적인 효과를 이용하고 있다.

      ⊙ 자기 스트레인 변환기 : 자성체를 자화하면 그 치수가 변화하여 스트레인을 발생하고 또 역으로 자회된 재료에 외력

          을 가하여 스트레인을 일으키면ㅁ 자화특성이 변화하는 현상을 총칭하여 자기 스트레인 효과 (magneto - striction

          effect)라 한다. 자기 스트레인 재료로는 철, 니켈, 코발트 등의 금속이나 이들을 포함한 합금 또는 페라이트 등의 자

          성체 이며 큰 하중에 대해서는 규소 강관이 실용되고 있다.

      ⊙ 홀 효과 (hall - effect) 변환기 : 게르마늄, 실리콘, 인듐 - 안티몬, 인듐 - 비소 등의 반도체로 만들어진 편상편의 한쪽

           끝에 전류 I를 흐르게 하고 이 전류와 직각으로 전압단자를 설치한다. 여기서 직각으로 자계를 걸면 반도체 내부의

           반송자가 수평으로 이동하여 전압단자에 홀 전압이 발생하는 현상을 말한다.

     ※ 홀효과 · 홀전압 : 도체에 전류가 흐르게 되면 자유전자는 전류의 반대 방향으로 이동한다. 이 도체에 자기장을 가하

             거나 접근 시키면 홀 효과 (hall effect)에 의해 이동하던 자유전자가 플레밍의 왼손법칙과 로렌츠의 힘을 받고 이동

              방향이 휘게 된다. 또한 홀 효과에 의해 전위차가 발생하게 되고 이로 인해 도체에 홀 전압 (hall voltage)가 형성된

              다. 전류의 이동방향이 바꾸거나 자기장의 방향이 바뀌면 홀효과와 홀전압의 방향도 바뀌게 된다. 홀효과와 홀전

              압은 자기장의 세기가 클수록 커지며 홀전압에 의한 전기장과 자기장의 힘이 서로 평형이 될 때 까지 전하가 쌓이

              게 된다.

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    ㉢ 직동 변환

     ▣ 여러가지 입력 신호를 이에 비례하는 전압 또는 전류의 변화로 직동적으로 변환하는 경우 물리법칙이나 물리 효과를

          이용한다. 대표적인 예로는 전자 유도 작용, 압전 효과, 열전효과 등이 있으며 이들은 전원이 필요 없고 측정량 자체

          에 의해 전압을 발생하므로 기전력 변환이라 한다.

      ⓐ 전자유도 변환기 : 자계 안에 코일을 놓고 이 코일 안을 통과하는 자속을 변화시키면 자속의 변화량에 비례하는 전압

           이 발생되며, 이 때 코일 양단에 적당한 전기적 부하를 접속시키면 전류가 흐르고 측정량을 전류로 변환할 수 있다.

      ⓑ 압전효과 변환기 : 어떤 종류의 결정체로 부터 잘라낸 판상의 작은 조각에 특정 방향으로 부터 힘을 가하면 결정의

           전기축에 직각인 판의 표면에 압력에 비례한 전하가 발생되는 현상을 말하며 수정, 로셀염, 티탄산바륨 등이 널리

           쓰이고 있다.

     ⓒ 열전 효과 변환기 : 서로 다른 2종의 금속, 합판, 반도체 선의 양단을 연결하여 회로를 만들고 두 개의 접점 간에 온도

          차를 주면 회로에 기전력이 발생하는 현상으로 제베크(seebeck) 효과라 한다.

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    ㉣ 광학적 및 기타의 변환

       ⓐ 빛으로의 변환 : 여러 물체의 광학적인 성질을 이용하여 입력 신호를 빛의 강도로 변환할 수 있다.

       ⓑ 빛의 전기적 변환 : 물질이 빛을 흡수하여 자유전자를 발생시켜 기전력이 발생하거나 또는 전도도가 증가하거나 하

            는 현상을 광전 효과라 하며, 광도전 효과와 광기전력 효과 등으로 나눌 수 있다.

       ⓒ 기타 변환

           ⊙ 시간 변환 : 초음파는 예민한 지향성을 가지고 있으며 물질의 경계면에서 반사하는 성질이 있다. 이것을 이용하여

                                 초음파 펄스를 피측정물 내에 발사하고, 이것이 피측정물 내의 경계면, 결함 등에서 반사하여 돌아오

                                  는 시간으로 부터 거리를 알 수 있다.

          ⊙ 주파수 변환 : 발신기로 부터 피측정물 내에 보내지는 초음파의 주파수를 변화시켜 가면 피측정물의 두께가 바로

                                  반 파장의 정수배일 때 입력파와 반사파가 겹쳐서 정상파가 생긴다. 이 점이 공진점이며, 이것을 이용

                                   하여 피측정물의 두께를 주파수로 변환할 수 있다.

          ⊙ 온도 변환 : 가는 금속선에 전류를 흐르게 하면 발열하여 열선으로 된다. 여기서 바람이 가해지면 열 발산이 증가

                                  하여 온도가 변화한다. 즉, 송풍이 온도로 변환된 것이다. 온도가 변하면 열선의 저항이 변하므로 이

                                  것을 측정하여 온도의 변화, 즉 풍속의 크기를 알 수 있다.

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2. 프로세스 제어

가. 피드백 제어의 기초

  ① 제어계의 구성

    ▣ 피드백 제어란 「피드백에 의하여 제어량과 목표값을 비교하고 그들이 일치되도록 정정 동작을 하는 제어」 를 말한다.

         프로세스 제어에서의 제어량은 검출부에서 검지하여 프로세스 변량 (PV : Process variable)으로서 조절계에 가한

         다. 조절계는 설정값 (SV : setting value)과 비교하여 편차를 조절부에서 연산하여 조작 신호 (MV : manipulate

          variable)로 조작부에 상당하는 조절 밸브에 가한다. 조절밸브는 조작신호에 따라 개폐하여 조작량을 조정한다. 이에

         의하여 외란이 생긴 제어편차를 정정한다.

 

  ② 제어계의 특성

    ㉠ 블록선도

      제어계는 그 안정성이나 응답 속도 등으로 평가되며 제어계의 구성요소를 블록과 신호 흐름을 나타내는 선으로 표시한

      것을 블록 선도 (block diagram)라 한다.

 

    ⓐ 블록 : 입 · 출력 사이의 전달 특성을 나타내는 신호 전달 요소로 4각의 블록과 화살표선을 가지고 있다.

    ⓑ 가산점 : 신호의 부호에 따라 가산을 한다. 따라서 신호의 차원은 일치되어 있어야 한다.

    ⓒ 인출점 : 신호의 분기를 말한다.

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   ㉡ 전달함수 : 신호 전달 요소를 표현하는 것으로서 보통 전달함수 (transfer function)가 사용되며 라플라스 변환에 의하

                         여 정의된다. 즉, 전달 요소 입력 신호 x(t) 및 출력신호 y(t)의 초기값을 0으로 했을 때의 라플라스 변환을

                         각각 X(s), Y(s)라 하고 그 입 · 출력의 신호의 비 Y(s) / X(s)를 G(s)로 표시하며, 이 G(s)를 전달함수라고

                          한다.

 

  ㉢ 라플라스 변환

       전달함수는 전달 요소의 특성을 주파수 영역에서 표현한 것으로 시간 영역에서 어떤 특성을 가지는 것은 주파수 영역

       에서도 특정한 특성을 나타낸다. 시간함수 f(t)와 주파수 함수 F(ω) 사이의 변환에는 푸리에 변환 (fourier transform)이

        사용된다.​

   ㉣ 과도 응답

      입력 신호가 어떤 정상 상태에서 다른 상태로 변화했을 때 출력 신호가 정상 상태에 도달하기 까지의 특성을 과도 특성

      이라고 하며 과도 응답 (transient response)으로 표시한다. 과도 응답을 얻기 위한 입력 신호에 의하여 스텝 응답 (step

       response), 임펄스 응답(impulse response), 램프 응답 (ramp response) 등이 있으며 단위 스텝 신호 v(t)를 가했을 때

       의 스텝 응답은 많이 사용된다.

   ㉤ 주파수 응답

      라플라스 변환에 의하여 전달 요소의 과도 응답이 구해지면, 전달요소의 주파수 응답(frequency response)을 아는 것도

       중요하다. 정현파 입력 신호를 가한 경우 정상 상태에서 출력 신호의 입력 신호에 대한 진폭비 (gain) 및 위상 지연이

       입력신호의 주파수에 의하여 변화하는 특성을 주파수 특성이라고 하며 주파수 응답에 의하여 표시한다. 주파수 특성

       을 표시하는 것으로서 주파수 전달함수가 사용되며 주파수 전달함수는 전달함수의 s를 jω로 대체함으로써 얻을 수

        있다.

​

  ③ 피드백 제어와 안정성

    ㉠ 1차 전달함수의 게인

      ▣ 조절계의 게인을 충분히 크게 하면 제어량은 목표값과 일치되며 외란의 영향은 0이 된다. 그러나 실제로는 프로세스

           의 지연 때문에 조절계의 게인을 충분히 올리 수 없는 경우가 많고 안정성이 문제가 된다. 제어량이 감쇠 진동을 하

           는 경우를 안정, 일정 진폭의 지속 진동을 하는 경우를 안정한계, 발산 진동을 하는 경우를 불안정이라 한다.

    ㉡ 게인 여유와 위상 여유

      ⓐ 게인 여유 (GM : gain margin) : 위상이 -180°가 되는 주파수에서의 게인이 1에 대하여 어느 정도 여유가 있느지를 표

           시하는 값이다.

      ⓑ 위상 여유 (PM : phase margin) : 게인이 1이 되는 주파수에서의 위상이 -180 ° 에 대하여 어느 정도의 여유가 있는지

           를 표시하는 값이다.

 

나. 프로세스 특성

  ① 프로세스의 자유도, 제어량 및 조작량

    ▣ 평형 상태에 있는 프로세스에서 서로 독립적으로 변화시킬 수 있는 프로세스 변수의 개수를 프로세스의 자유도라고

          한다.

  ② 프로세스 특성

    ㉠ 정특성 (static characteristic)

      ▣ 입력 신호에 여러가지 크기의 스텝 신호를 가했을 때 정상 상태의 특성을 말한다. 자기 평형성의 어떤 프로세스에서             는 조작량의 크기에 대한 제어량의 크기를 나타내는 성질, 즉 프로세스의 정(靜) 게인을 말한다. 조작량 · 제어량은

            반드시 같은 차원이 되지 않으며, 이 경우 전달요소가 차원을 가지게 된다.

    ㉡ 동특성 (dynamic characteristic)

      ▣ 입력 신호 x(t)에 대한 출력 신호 y(t)의 특성으로 시간 영역에서는 인벌류션 적분이고, 주파수 영역에서는 전달함수

           또는 주파수 전달함수로 관련 지을 수 있다.

    ㉢ 외란 (disturbance)

      ▣ 프로세스에는 제어계의 상태를 문란하게 하려는 외적 작용, 즉 외란이 존재한다. 외란은 들어 오는 장소, 크기, 형태

           등 여러가지이며, 프로세스의 입력신호에 가해지는 단위 스텝 신호로 대표되는 수가 많다.

  ③ 프로세스 모델

    ㉠ 비례요소 : 관로 속에 흐르는 액체는 관성에 의한 지연을 무시하면 비례요소 (Proport ional control element) 로 볼수

                          있다. 단위량 만큼 밸브 개도를 바꾸었을 때 유량의 변화량 k가 비례 게인이다.

    ㉡ 불감시간 요소

      ⓐ 밸트 컨베이어의 예를 보면 불감 시간 요소 (dead time element)를 가진 호퍼의 출구와 평량기까지의 거리를 ℓ, 컨베

           이어의 속도를 v라 하면 분체가 잘라지기 시작하여 평량되기 까지의 시간은 ℓ/v이다. 이것을 불감시간 (dead time)이

           라 하고 통상 L로 표시하며, 불감시간 L의 라플라스 변환은 e-Ls 이다.

      ⓑ 게인은 주파수에 관계없이 항상 일정하고, 위상은 주파수와 함께 한없이 지연되며, 불감시간요소는 제어가 곤란하

            다.

   ㉢ 적분요소

     ⓐ 정량 유출 탱크의 액위계는 적분요소 (integral element)의 프로세스이다.

     ⓑ 전달함수로 표시하면 다음과 같다.​

         게인은 ωT=1 의 주파수에서 1이 된다. -20 dβ/dec의 오른쪽 아래로 내려가는 직선이 된다. ω = 0 에서의 게인은 ∞ 이

         며 위상은 주파수에 관계없이 90° 늦어진다.

    ㉣ 1차 지연요소

       ⓐ 탱크 액위계는 1차 지연요소 (first order lag element)의 계이므로 다음과 같다.​

      ⓑ RC = T (시정수)로 놓으면,​

         전달함수로 표시하면 다음과 같다.​

    ⓒ 스텝응답에서 t=0에서 응답 곡선에 접선을 그리고, 그것이 최종값에 도달하기까지의 시간이 시정수 T가 된다. 또한

         시정수 T를 경과했을 때의 값은 최종 도달값의 63.2%가 된다.

    ⓓ 게인은 ωT= 1 의 주파수를 절점 주파수로 하고 그 보다 낮은 주파수에서의 점근선은 게인이 일정한 직선이며, 그 보

         다 높은 주파수에서는 -20dβ/dec 의 점근선에 따라 저하한다. 점점 주파수에서의 게인은 -3dβ이다. 위상은 절점 주파

         수에서 45° 늦고 주파수와 함께 90° 지연에 접근한다.

 

  ㉤ 2차 지연요소

    ⓐ 1차 지연요소를 2단 직렬로 접속한 2차 지연 요소 (second order lag element)의 전달함수는 각 1차 지연 요소의 전달

         함수의 적이 된다. 이와 같은 후단의 영향이 전단에 미치지 못하는 직렬 접속을 캐스케이드 (cascade) 접속이라 한다.

         전단 탱크의 전달함수는 다음과 같다.​

    ⓑ 여기서, 후단 탱크의 입력 X2(s)는 전단 탱크의 유출량이므로​

       따라서 전체의 전달함수는 다음과 같다.​

    ⓒ 2차 지연계의 스텝 응답에서 2차 이상의 지연계가 되면 t=0에서의 상승 경사는 0이 되며 도중에 변곡점을 가지고 있

          으므로 이미 지연을 단일의 시정수로 표시할 수는 없다. 게인도에서는 1/T1가 1/T2의 주파수에 절점이 있으며 주파

          수가 높은 쪽의 절점을 초과하면 점근선은 2 × 90° = 180° 까지 지연된다.

 

  ㉥ 고차 지연계

     ⓐ 1차 지연계가 다수 직렬로 접속된 계를 고차 지연계라 한다.

     ⓑ 지연의 차수가 증가될 수록 상승이 시작되기 까지의 시간이 길어지며 불감 시간요소가 가해진 것 같은 특성을 나타

          낸다.

     ⓒ 고차 지연계의 특성을 변곡점에서 접선을 그리고 '불감 시간 + 시정수'로 근사시키는 것은 많이 실시되고 있다. 이 때

         의 불감시간을 등가 불감시간, 시정수를 등가 시정수라고 하며 이것을 전달함수로 표시하면 다음과 같다.​

 다. 조절계의 제어동작

  ① 단일 루프 제어계

    ㉠ ON-OFF 제어

      ⓐ 편차의 극성에 따라 출력을 ON 또는 OFF하므로 2위치 조절계라고도 한다. ON 또는 OFF일 때의 조작량은 제어량

            을 목표값으로 유지하기 위해서 너무 크거나 너무 작기 때문에 진동 (cycling)이 생긴다.

      ⓑ 항온조, 전기로 등에 이용되는 항온기는 이 동작의 대표적인 예이며, 정밀도가 매우 높은 공정 제어에는 사용이 곤란

           하다.

 

  ㉡ 비례제어

     ⓐ 입력에 비례하는 크기의 출력을 내는 제어 동작을 비례동작 (proportional action) 또는 P 동작이라고 한다.

     ⓑ Y(s) = Kc · X(s) 여기서, Kc는 비례게인이다. 실제의 조절계에서는 비례 게인 대신 비례대 (PB : proportional band)가

          사용되며 비례대 PB는 PB= 1/Kc × 100 %이다.

 

  ㉢ 비례적분 제어

    ⓐ 적분 제어의 동작을 I 동작 또는 리셋 동작 (reset action)이라고도 하며, 입력 X(s)에 비례하고 적분 시간에 반비례하

         는 크기의 출력 Y(s)은​

        T1은 적분시간이다.

 

  ㉣ 비례 미분 제어

     ⓐ 미분 동작은 D 동작 또는 레이트 동작 (rate action)이라고 하며, 입력 X(s)의 미분시간(입력의 변화율, 즉 레이트)에

         비례하는 크기의 출력 Y(s)를 낸다.

        Y(s) = TDs X(s), 여기서, TD 는 미분시간이다.

     ⓑ 미분 동작은 입력의 변화 속도에 비례하는 출력을 내는 동작이므로 단독으로 사용할 수 없으며 반드시 P 동작 또는

          PI 동작과 함께 사용된다.

  ㉥ 비례 적분 미분 제어

      ▣ 비례, 적분, 미분의 3동작을 합성한 것이 PID 동작이다. PID 동작의 기본식은

 

  ② 복합 루프 제어계

     ▣ 피드백 제어계에서 하나의 제어 장치 (1차 조절계)의 출력 신호에 의하여 다른 제어장치 (2차 조절계)의 목표값을 변

          화시켜 실시하는 제어를 캐스케이드 제어 (cascade control)라고 한다.

    ㉠ 캐스케이드 제어

      ▣ 종합부의 캐스케이드 제어 예를 보면 온도 유량 제어계 만큼 1차와 2차의 사이에 고유주기의 차가 없으므로 2차 조

           절계는 비례 제어를 주체로 해서 제어계의 응답을 될 수 있는 한 빨리 한다. 또 2차 제어계에 비선형이 있으면 1차 제

           어계의 1차 전달함수의 게인이 변동하여 바람직하지 못하다.

 

    ㉡ 비율제어 : 두개 이상의 변량 사이에 어떤 비례 관계를 유지시키는 제어를 비율 제어라고 하며 연소로의 공연비 제어

                          등 일반적으로 유량 사이의 비율을 제어하는데 사용된다.

 

    ㉢ 선택제어

      ▣ 선택 제어계는 측정값의 선택제어와 하나의 조작량에 대하여 제어량이 다른 두 개의 조절계의 출력을 선택하여

           제어하는 오버라이드 제어가 있다.

​

다. 시퀀스 제어

  ① 시퀀스 제어의 종류 : 시퀀스 제어 (sequence control)는 다음의 2가지로 분류된다.

    ㉠ 프로그램 제어 (공정형) : 미리 정해진 프로그램(공정)에 따라 제어를 진행해 나간다.

    ㉡ 조건 제어 (감시형) : 내부 · 외부 상태를 감시하고 그 조건에 따라 제어를 행한다. 프로그램 제어의 예로서는 전자동

         세탁기를 들 수 있다. 조건 제어의 예로서는 엘리베이터가 여기에 해당한다. 프로세스 제어에 있어서 시퀀스 제어는

         프로그램 제어와 조건제어가 혼재되어 있는 경우도 많다.

  ② 시퀀스 제어의 기술 방식

    ⓐ 릴레이 회로 (relay circuit) : 시퀀스 제어 회로는 오래 전부터 릴레이, 타이머 등을 사용해서 실현되어 왔으므로 그 릴

         레이 회로도가 기술 형식으로서 사용되고 있다.

    ⓑ 논리회로 (logic circuit) : 논리 기호를 사용해서 기술한 것으로 회로의 기호는 KS 등에서 규정된 것이 사용되고 있다.

    ⓒ 플로 차트 (flow chart) : 컴퓨터 프로그램 작성과 같이 플로 차트를 사용해서 기술한 방식이다.

    ⓓ 타임 차트 (time chart) : 시간의 추이에 따라 시퀀스 제어기 사이의 상호 동작을 그림으로 나타내는 방식이다.

    ⓔ 디시전 테이블 (decision table) : 조건과 그에 대응하는 조작을 테이블상에 매트릭스형으로 표시하는 방식이다.

    ⓕ 동작 (motion diagram) : 스텝의 진행에 따라 시퀀스 제어기의 동작 상태를 그림으로 나타내는 방식이다.

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