4. 제어 공학 > 3. 제어 시스템의 기본 구성 및 원리

1. 제어계

 

1.1 제어계의 종류

 

제어 장치는 구성 및 역할에 따라 다음과 같이 크게 개루프 제어계와 폐루프 제어계로 나눌 수 있다.

 

1) 개루프 제어계 

 

- 압력이 적당한 제어량으로 변환되어 곧바로 출력으로 나타나는 제어계이다.

- 구조는 간단하지만 오차가 큰 단점이 있다.

-중요한 제어 장치에서는 적용하지 않는다.

-비교적 간단한 제어에만 한정되어 사용된다.

 

2) 폐루프 제어계

 

- 출력 신호를 다시 검출하려 부궤환시켜 입력과 비교한 후 제어 요소에서 오차를 보정한 후 출력으로 내보내는 제어계이다.

-구조는 다소 복잡하지만 오차가 작아지는 장점이 있다.

-사용 목적상 정확도가 요구되고 동작 속도가 빠른 곳에 적용하는 제어 방식이다.

-폐루프 제어계에서는 입력과 출력 신호를 비교하여 오차를 검출하는 비교부가 필수적인 요소이다.

 

입력 -      비교부      - 제어장치 - 제어대상         -        출력

          (검출부출력)        검출부                (검출부입력)

 

 

3) 폐루프 제어계의 구성 요소

 

- 제어 요소: 조절부와 조작부

 

-비교부 : 입력값과 출력값을 비교하여 오차량을 측정하는 부분

 

-조작량: 제어 요소가 제어 대상에 주는 양

 

 

2. 제어 장치

 

2.1 제어 장치의 분류

 

1) 제어량의 종류에 의한 분류

 

a. 프로세스 제어

 

-주로 생산 공장에서 사용하는 제어

-온도, 압력, 유량, 밀도 등을 제어

 

b. 서보 기구

 

-기계적 변위를 제어량으로 해 목표값 변화에 추종하는 제어

-물체의 위치, 방위(각도), 자세 등을 제어

 

c. 자동 조정

 

-주로 전기적 신호나 기계적 양을 제어

-전압, 전류, 주파수, 회전수, 힘(토크) 등을 제어

 

 

2.2 목표값의 시간적 성질에 의한 분류

 

1) 정치 제어

 

-시간이 지나도 목표값이 변하지 않고 일정 대상을 제어한다.

-예: 프로세스 제어, 자동조정이 해당한다.

 

2) 추치 제어

 

-기능: 시간이 경과할 때마다 목표값이 변하는 대상을 제어한다.

-예: 추종제어, 프로그램 제어, 비율 제어가 해당한다.

 

3) 프로그램 제어

 

-기능: 미리 정해진 절차에 따라 제어하는 것

-예: 엘리베이터 운전, 열차 무인 운전 등이 이에 해당한다.

 

 

2.3 조절부의 동작에 의한 분류

 

1) 비례 제어 (P제어) 

 

-기능: 검출값 편차에 비례하여 조작부를 제어한다.

-특징: 오차가 크고 동작 속도가 느린 단점이 있다.

-전달 함수: G(s) = K     (K: 비례 감도)

 

2) 미분 제어 (D 제어)

 

-기능: 오차가 검출될 때 오차가 변화하는 속도에 대응하여 미분 제어한다.

-특징: 제어 장치의 입력에 대응한 출력 변화를 검출하여 정상 상태에 이르렀을 때 검출 오차가 커지는 것을 미연에 방지한다.

-전달 함수: G(s) = Td S    (Td: 미분시간)

 

 

3) 적분 제어 (I 제어)

 

-기능: 오차가 검출될 때 오차에 해당하는 면적을 계산하기 위해 적분 제어 한다.

-특징: 잔류 편차(오차)를 제거하여 정확도를 높일 수 잇다.

-전달함수: G(s) = 1 / Ti S      (Ti: 적분 시간)

 

 

4) 비례 미분 제어 (PD 제어)

 

-기능: 비례 저의의 속도가 느린 점을 보완하기 위해 미분 동작을 부가한 제어기이다.

-특징: 제어 장치의 응답 속응성을 높일 수 있다.

-전달 함수: G(s) = K ( 1 + TD S)

 

5) 비례 적분 제어 (PI 제어)

 

-기능: 비례 제어의 오차가 큰 점을 보완하기 위해 적분 동작을 부가한 제어계이다.

-특징: 제어 장치의 정확도를 높일 수 있다.

-전달 함수: G(s) = K ( 1 + 1/ Ti S )

 

6) 비례 적분 미분 제어 (PID 제어)

 

-기능: PI 동작에 미분 동작 (D 제어)을 추가한 제어이다.

-특징: 제어 장치의 정확도 및 응답 속응성까지 개선시킬 수 있다.

-전달함수: G(s) = K ( 1 + 1/ Ti S  + TD S)

 

 

3. 변환 기기

 

3.1 변환 기기의 역할과 종류

 

1) 변환 기기의 역할 : 제어 장치는 입력이 매우 다양하므로 제어 요소가 동작하는데 용이하도록 입력을 변환하는 장치가 필수 적이다.

 

2) 변환 기기의 종류

 

-압력 -> 변위: 벨로우스, 다이어프램, 스프링

-변위 -> 압력 : 노즐 플래퍼, 유압 분사관, 스프링

 

 

-변위-> 전압: 차동 변압기, 전위차계

-전압 -> 변위: 전자석, 전자 코일

 

-온도 -> 전압: 열전대