자동제어 (비례제어, 미분제어, 적분제어)

1. 자동제어란 ?

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어떤 대상 시스템의 상태나 출력을 시스템의 목적에 부합되도록 입력 신호를 기계장치로 부터 적절히 자동 조절하는 방법

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2. 자동제어계의 분류

가. 개루프 (Open-loop) 제어계

▣ 제어 동작이 출력과 관계없이 순차적으로 진행되는 것으로 구조가 간단하고 경제적인 제어계를 개루프 제어계

     (Open-loop system)라 한다. 제어계가 부정확하고 신뢰성은 없으나 출력과 입력이 서로 독립인 제어계이다.

 

  ① 동작신호

    ▣ 기준입력신호와 주피드백신호와의 차로서 제어동작을 시키는 주된 신호

  ② 주피드백신호 (궤환신호)

    ▣ 출력을 기준입력과 비교할 수 있게 피드백되는 신호

  ③ 기준입력

    ▣ 기준입력요소의 출력으로 실제 제어계의 입력

  ④ 기준입력신호

    ▣ 개루프 제어계를 동작시키는 기준으로 직접 제어계에 가해지는 신호

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나. 폐루프(Closed-loop) 제어계

  ① 출력을 되먹임(피드백 : Feedback)시켜 목표값과 비교하여 외란에 대응하여 추종 동작한다.

  ② 신뢰성은 높지만 설비비가 비싸며, 입력과 출력을 비교하는 장치가 반드시 필요하다.

 

다. 피드백제어계의 구성 및 용어

 

  ① 제어대상 (Controlled system)

    ▣ 제어의 대상으로 제어하려고 하는 기계의 전체 또는 그 일부분

  ② 제어장치 (Control device)

    ▣ 제어를 하기 위해 제어대상에 부착되는 장치로 조절부, 설정부, 검출부 등이 있다.

  ③ 제어요소 (Control element)

    ▣ 동작신호를 조작량으로 변환하는 요소이고 조절부와 조작부로 이루어진다.

  ④ 제어량 (Controlled value)

    ▣ 제어대상에 속하는 양으로, 제어대상을 제어하는 것을 목적으로 하는 물리적인 양

       예) 전동기의 회전수를 일정하게 유지시키기 위하여 전압을 변화시켰을 때의 회전수

  ⑤ 목표값 (Desired value)

    ▣ 제어량이 어떤 값을 취하도록 목표로서 외부에서 주어지는 값

  ⑥ 기준입력 (Reference input)

    ▣ 제어계를 동작시키는 기준으로 직접 제어계에 가해지는 신호를 말한다.

  ⑦ 기준입력장치

    ▣ 목표값을 제어할 수 있는 신호로 변환하는 장치

  ⑧ 외란 (Disturbance)

    ▣ 제어량의 변화를 일으키는 신호로서 제어계의 상태를 교란하는 외적 요인

  ⑨ 검출부 (Detecting element)

    ▣ 제어대상 으로 부터 제어에 필요한 신호를 인출하는 부분

  ⑩ 조절기 (Blind type controller)

    ▣ 설정부, 조절부 및 비교부를 합친 것

  ⑪ 조절부 (Controlling units)

    ▣ 제어계가 작용을 하는데 필요한 신호를 만들어 조작부에 보내는 부분

  ⑫ 비교부 (Comarator)

    ▣ 목표값과 제어량의 신호를 비교하여 제어동작에 필요한 신호를 만들어 내는 부분

  ⑬ 조작량 (Manipulated value)

    ▣ 제어장치의 출력인 제어대상의 입력으로 제어장치가 제어대상에 가해지는 제어신호

  ⑭ 동작신호 (편차)

    ▣ 기준입력과 주궤환신호의 편차인 신호로 제어동작을 일으키는 신호

  ⑮ 오차검출기

    ▣ 제어량을 설정값과 비교하여 오차를 계산하는 장치

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3. 피드백 제어계의 특징

  ① 정확도(정확성)가 증가한다.

  ② 대역폭이 크다.

  ③ 구조가 복잡하고 설치비용이 고가이다.

  ④ 시스템의 특성변화에 대한 입력 대 출력비의 감도가 감소한다.

  ⑤ 반드시 입력과 출력의 비교장치가 필요하다.

  ⑥ 발진을 일으키고, 불안정한 상태로 되어가는 경향이 있다.

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4. 자동제어시스템의 분류

 가. 제어량에 의한 분류

  ① 프로세스제어 (Process control) = 공정제어

    ▣ 온도 · 압력 · 액위 · 유량 · 밀도 · 농도 등과 같은 공정 중의 상태량을 제어량으로 하는 제어이며 외란의 억제를

         주된 목적으로 하는 제어 방식

       (예 : 석유공업, 화학공업의 공정제어)

  ② 서보기구 (Servo mechanism) = 서보제어

    ▣ 물체의 위치 · 방위 · 자체 등 기계적 변위를 제어량으로 해서 목표값의 임의의 변화에 추정하도록 구성된 시스템

         (예 : 선박, 항공기, 로봇 등 운전제어)

  ③ 자동조정 (Automatic regulation)

    ▣ 전압 · 전류 · 주파수 · 회전속도 · 장력 등의 물리량을 제어하는 시스템 (예 : 정전압장치, 발전기의 조속기)

 

나. 목표값에 의한 분류

  ① 정치제어 (Constant value control)

    ㉠ 일정한 목표값을 유지하는 것으로 프로세스 제어, 자동조정이 이에 해당한다. (예 : 연속식 압연기)

    ㉡ 목표값이 시간에 관계없이 항상 일정한 값을 가지는 제어

  ② 추치제어 (Variable value control)

    ▣ 목표값이 시간의 경과에 따라 변화하는 경우의 자동 제어를 말하며, 목표값의 변화가 미리 정해져 있는 경우를

         프로그램 제어, 그 변화가 임의인 경우를 추종 제어라 한다.

    ㉠ 추종제어 (Follow-up Control)

      ⊙ 미지의 시간적 변화를 하는 목표값에 제어량을 추종시키기 위한 제어로 서보기구가 이에 해당한다.

          (예 : 대공포의 포신)

    ㉡ 비율제어 (Ratio contol)

      ⊙ 둘 이상의 제어량을 소정의 비율로 제어하는 것

      ⊙ 목표값이 다른 양과 일정한 비율관계를 가지고 변화하는 경우의 제어

      ⊙ 연료의 유량과 공기의 유량과의 사이의 비율을 연소에 적합한 것으로 유지하고자 하는 제어방식

    ㉢ 프로그램 제어 (Program control) = 프로그래밍 제어

      ⊙ 목표값이 미리 정해진 시간적 변화를 하는 경우 제어량을 그것에 추종 시키기 위한제어

           (예 : 열차 · 산업로봇의 무인운전, 무조종사의 엘리베이터)

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다. 조절부 동작에 의한 분류

  ① 연속제어

    ▣ 여러 개의 제어단계가 연속적으로 연결되어 있어서 한 제어단위는 바로 앞 한 제어 단위의 제어를 받고 다음의 한

          제어단위를 제어하도록 하는 제어

   ㉠ 비례제어 (P동작)

    ▣ 비례 동작을 가하여 하는 방식의 제어를 말한다. 예컨대 실내 온도 등 제어하려는 대상의 편차값을 검출하여 편차에

        비례하는 조작량에 의하여 제어

     ⊙ 잔류편차 (off-set)가 있는 제어

     ⊙ 구조간단 (정상편차)

   ㉡ 미분제어 (D동작)

     ▣ 제어 목표값과 실현값의 차 (편차)의 시간적 변화에 비례하는 제어 신호를 조작부에 주어 미분 동작을 일으키게 하여

          실현값이 목표값에 이르는 지연시간을 작게 하는 것을 목적으로 하는 제어

      ⊙ 오차가 커지는 것을 미연에 방지하고 진동을 억제하는 제어로 rate동작이라고도 한다.

      ⊙ 지연특성이 제어에 주는 악영향을 감소한다.

      ⊙ 동작신호의 기울기에 비례한 조작신호를 만든다.

   ㉢ 적분제어 (I동작)

     ▣ 적분 동작을 가해서 실행하는 방식의 제어를 말한다. 제어량에 편차가 생겼을 때 그 편차의 크기에 따라 조작단 이동

          속도가 비례하며, 제어량의 편차가 없어질 때까지 이 동작을 계속하기 때문에 오프셋(Off-set)이 생기지 않는다.

      ⊙ 잔류편차를 제거하기 위한 제어

   ㉣ 비례적분제어 (PI동작)

    ▣ 비례 제어에 적분 동작을 가미한 것으로 제어에 있어서는 외란이 생겨서 그 프로세스 부하의 변화가 지속되는 경우에

         반드시 오프셋(Off-set)이 생기게 되나, 적분 동작을 가함으로써 편차가 지속하는 한 항상 편차를 0으로 복귀시키도록

         조작단 위치를 동작 시키기 때문에 편차가 생기지 않는다.

      ⊙ 간헐현상이 있는 제어

      ⊙ 잔류편차가 없는 제어

      ⊙ 지상보상요소에 대응

      ⊙ 이득교점 주파수가 낮아지며, 대역폭은 감소한다.

   ㉤ 비례미분제어 (PD동작)

    ▣ 비례제어와 비교해서 외란에 의한 급격한 온도변화에 대한 응답이 빠르며, 단시간 내에 제어를 안정화시킨다.

      ⊙ 목표값이 급격한 변화를 보이며, 속응효과가 있다.

   ㉥ 비례적분미분제어 (PID동작)

     ▣ 비례 적분 동작에 미분 동작을 조합시킨 최고도의 제어동작을 말한다. 제어량의 변동에 즉응하여 정정 동작을 하기

          때문에 제어 응답이 빠르고, 사이클링을 억제하며, 잔류 편차도 남지 않는다.

      ⊙ 간헐현상을 제거하기 위한 제어

      ⊙ 사이클링과 오프셋이 제거되는 제어

      ⊙ 정상특성과 응답의 속응성을 동시에 개선시키기 위한 제어

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  ② 불연속 제어

    ▣ 제어신호가 펄스나 디지털코드를 사용하는 제어

      ㉠ 2위치 제어 : ON-OFF 동작, 단속적 제어 동작

      ㉡ 다위치 제어 : 여러 단계로 제어신호를 하는 방식

      ㉢ 샘플링동작 : 전압 · 전류 · 위상을 제어

      ㉣ 시간적 비례동작 : 편차 크기에 따라 ON-OFF 시간을 조정

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【참고】

시퀀스 제어   ▣ 미리 정해진 순서에 따라 각 단계가 순차적으로 진행되는 제어        (예 : 무인커피판매기, 전기다리미) 시퀀스 제어의 특징    ① 원인과 결과가 확실한 제어이다.    ② 미리 정해진 순서에 따라 제어가 된다.    ③ 제어결과에 따라 조작이 자동적이다.

5. 자동제어계의 안정도를 판별하는 방법

   ① 루쓰의 안정판별법

   ② 후르비츠의 안정판별법

   ③ 나이퀴스트의 안정판별법

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6. 변환요소

변환량	변환요소 (장치)
온도 → 전압 (기전력)	열전대, 열반도체식 감지기
온도 → 임피던스(저항)	측온저항, (정온식) 감지선형 감지기
변위 → 전압	포텐셔미터, 차동변압기, 전위차계
변위 → 압력	노즐플래퍼, 유압분사관, 스프링
압력 → 변위	벨로즈, 다이어프램, 스프링
변위 → 임피던스	가변저항기, 용량형 변환기, 가변저항 스프링
전압 → 변위	전자석, 전자코일
광 → 임피던스	광전도셀, 광전트랜지스터
광 → 전압	광전지, 광전다이오드

【 출제 예상 문제】

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1. 작동신호를 조작량으로 변환하는 요소이며, 조절부와 조작부로 이루어진 것은 ? ①

   ① 제어요소            ② 제어대상              ③ 피드백 요소           ④ 기준입력요소

[해설] 제어요소 (Control element) : 동작신호를 조작량으로 변환하는 요소이고, 조절부와 조작부로 구성된다.

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2. 계단변화에 대하여 잔류편차가 없는 것이 장점이며, 간헐현상이 있는 제어계는 ? ③

  ① 비례제어계      ② 비례미분제어계       ③ 비례적분제어계      ④ 비례적분미분제어계

[해설] 비례적분제어 (PI동작)

           ▣ 간헐현상이 있는 제어, 잔류편차가 없는 제어

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3. 자동제어계를 제어목적에 의해 분류한 경우를 설명한 것 중 틀린 것은 ? ④

   ① 정치제어 : 제어량을 주어진 일정 목표로 유지시키기 위한 제어

   ② 추종제어 : 목표치가 시간에 따라 일정한 변화를 하는 제어

   ③ 프로그램 제어 : 목표치가 프로그램대로 변화는 제어

   ④ 서보제어 : 선박의 방향제어계인 서보제어는 정치제어와 같은 성질

[해설] 서보 제어 : 서보제어는 추종제어와 같은 성질이다.

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4. 제어량을 조절하기 위하여 제어대상에 주어지는 양으로 제어부의 출력이 되는 것은 ? ④

   ① 제어량         ② 주피드백신호          ③ 기준입력                ④ 조작량

[해설] 조작량 (1) 제어장치의 출력인 동시에 제어대상의 입력으로 제어장치가 제어대상에 가해지는 제어신호

                       (2) 제어요소에서 제어대상에 인가되는 양

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5. 미지의 임의 시간적 변화를 하는 목표값에 제어량을 추종시키는 것을 목적으로 하는 제어는 ? ①

   ① #추종제어            ② 정치제어                ③ 비율제어                        ④ 프로그래밍제어

[해설] 추종제어 (Follow-up control) : 미지의 시간적 변화를 하는 목표값에 제어량을 추종시키기 위한 제어로

                                                          서보기구가 이에 해당된다. (예 : 대공포의 포신)

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6. 제어량에 따라 분류되는 자동제어로 옳은 것은 ? ③

    ① 정치(fixed value)제어                    ② 비율(ratio) 제어

    ③ 프로세스(Process)제어                 ④ 시퀀스 (Sequence) 제어

[해설] 제어량에 의한 분류

   ① 프로세스제어(공정제어)      ② 서보기구(서보제어, 추종제어)       ③ 자동조정

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7. 피드백 제어계의 일반적인 특성으로 옳은 것은 ? ②

   ① 계의 정확성이 떨어진다.

   ② 계의 특성변화에 대한 입력 대 출력비의 감도가 감소한다.

   ③ 비선형과 왜형에 대한 효과가 증대된다.

   ④ 대역폭이 감소한다.

[해설] 피드백제어(Feedback control)의 특성

   ① 정확도(정확성)가 증가한다.

   ② 대역폭이 크다.

   ③ 구조가 복잡하고 설치비용이 고가이다.

   ④ 시스템의 특성변화에 대한 입력 대 출력비의 감도가 감소한다.

   ⑤ 반드시 입력과 출력의 비교장치가 필요하다.

   ⑥ 발진을 일으키고, 불안정한 상태로 되어가는 경향이 있다.

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8. #서보기구 에 있어서의 #제어량 은 ? ②

   ① 유량           ② #위치                 ③ #주파수                 ④ 전압

[해설] 서보기구 : 제어량 - 위치, 방위, 자세

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9. 자동제어계에서 미리 정해 놓은 순서에 따라 각 단계가 순차적으로 진행되는 제어방식은 ? ④

   ① 피드백 제어    ② #서보제어    ③ #프로그램제어    ④ #시퀀스 제어

[해설] 시퀀스 제어 : 미리 정해진 순서에 따라 각 단계가 순차적으로 진행되는 제어    예) 무인 커피판매기

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10. 변위를 전압으로 변환시키는 장치가 아닌 것은 ? ④

① #포텐셔미터 ② #차동변압기 ③ #전위차계 ④ #측온저항

[해설] 변환요소 (변위 → 전압) : 포텐셔미터, 차동변압기, 전위차계

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11. 불연속 제어에 속하는 것은 ? ①

   ① ON-OFF 제어          ② #비례제어             ③ #미분제어                ④ #적분제어

[해설] 불연속 제어 : 2위치 제어 (ON-OFF) 제어, 샘플값 제어

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12. 제어계가 부정확하고 신뢰성은 없으나 입력과 출력이 서로 독립된 제어계는 ? ②

   ① #자동제어계          ② #개회로제어계             ③ #폐회로제어계                ④ #피드백제어계

[해설] 개회로 제어계 : 제어계가 부정확하고 신뢰성은 없으나 입력과 출력이 서로 독립인  제어계