자동제어의 정의 및 분류

 

 

1. 자동제어란?

 자동제어는 영어로 Automatic control로 말 그대로 사람 없이 자동으로 어떤 일을 원하는 목표 상태에 도달하게끔 진행하는 모든 시스템을 말합니다. 이 시스템은 하나의 기계나 단순한 부품의 동작을 관여할 수도 있고, 무수히 많은 장치와 시스템을 연결하고 결합시켜 모든 작동을 관리하고 명령하며 규제하는 집합체일 수도 있습니다. 이를위해 시스템은 다양한 요소의 장치와 시스템이 상호 연결되어 하나의 시스템으로서 어떠한 목표값에 도달하기 위한 작업을 반복할 수 있습니다. 그럼 이러한 자동제어는 어떤 방식으로 어떻게 동작하는지에 대해 몇 가지 기준에 따라 분류할 수 있습니다. 분류는 아래와 같습니다.

 

* 전기기사 내용을 기준으로 했습니다. 또한 기사를 목적으로 공부하시는 분은 어떻게 분류되고 무엇이 있는지 정도로 가볍게 읽으시면서 이해까지만 하시면 됩니다. 억지로 외울 필요는 없는 부분입니다.

 

 

 

2. 자동제어계의 구성

2.1 자동제어 시스템의 형태에 따른 분류

 

(1) 개회로 제어계(open loop control system)

 개회로 제어계 = 시퀀스 제어계라고도 불리는 제어방식입니다. 자동제어 시스템은 형태에 따라 크게 두가지로 분류할 수 있습니다. 바로 입력과 출력을 비교할 수 있는 장치의 유무에 따라 개회로 제어계와 폐회로 제어계로 나뉩니다. 그 중에서 개회로 제어계는 입력과 출력을 비교하는 장치가 없어 구조가 간단한 장치입니다. 그 덕에 특징은 다음과 같습니다.

 

- 구조가 간단하고 설치비가 저렴하다.

- 입력과 출력을 비교하는 장치가 없어 오차가 많이 생길 수 있으며 오차를 교정할 수도 없다.

개회로 제어계의 구성도

 

(2) 폐회로 제어계(closed loop control system)

 폐회로 제어계 = 계회로 제어계라고도 불리는 제어방식입니다. 입력과 출력을 비교하는 장치를 통해 제어계의 출력값과 목표값을 비교하여 일치 여부에 따라 생긴 차를 통해 비례하는 동작 신호가 제어계로 다시 보내져 오차를 수정하는 제어계입니다. 특징은 다음과 같습니다.

 

- 목표값을 정확히 달성한다

- 시스템 특성 변화에 대한 입력 대 출력의 감도가 감소한다.

- 대역폭이 증가한다.

- 제어계가 복잡해지고 제어기의 가격이 비싸다.

- 입력과 출력을 비교하는 장치를 필수로 하기 때문에 출력을 검출하는 센서가 필요하다.

- 설비의 일부가 고장날 경우 전 생산 라인에 영향을 미칠 수 있다.

- 제어장치의 운전, 수리 및 보관을 위한 고도의 지식과 능숙한 기술을 요한다.

폐루프 제어계의 구성도

- 제어계의 구성도 : 기사 시험을 준비하시면 여기서 조절부와 조작부를 합쳐서 제어요소라고 하는 것을 암기하세요. 이 부분에서 자주 출제되는 문제 입니다.

 

예시) 에어컨

목표값 : 25°C

기준입력 : 25°C

조작량 : 냉풍

외란 : 햇빛에 의한 온도 변화, 외부 공기 유입에 의한 온도 변화 등

조작량 : 냉풍

제어량 : 출력(목표값을 맞추기 위한 냉풍 강도 조절)

검출부 : 온도 센서(검출부는 그냥 센서라고 아시면 됩니다)

 

 

 

2.2 자동제어 장치의 분류

 

(1) 자동제어계의 제어량에 의한 분류

1) 프로세스 제어(=공정 제어)

 온도, 압력, 농도, 유량, 액위, 밀도 등과 같은 생산 공정 중의 상태량을 제어량으로 하는 제어입니다.

예를들어 시멘트나 석유, 화학단지와 같은 공장에서 주로 사용하는 제어방식입니다. 공장 같은 경우 제품 생산을 위한 공정 과정 중에 온도나 압력, 농도 등의 값들을 제어해야하는 제어량으로 시스템이 구성됩니다.

 

2) 서보 제어(=추종 제어)

 물체의 위치, 방위, 자세 등의 기계적 변위를 제어량으로 해서 목표값의 임의의 변화에 추종하도록 구성된 제어입니다. 유도 미사일의 경우 제어값인 대상의 위치에 따라 목표물을 추적하여 타겟을 명중시키는 것으로 대표적인 서보 제어 방식의 예시 중 하나입니다.

 

3) 자동 조정 제어(=정치 제어)

 전압, 주파수, 전류, 회전 속도, 힘 등의 전기적, 기계적 양을 제어량으로 하는 제어입니다. 예를들어 한국전력공사에서 한국의 기준 주파수인 60Hz를 유지하기 위해 이러한 시스템을 이용합니다.  

 

 

(2) 자동제어계의 목표값 설정에 의한 분류

1) 정치제어

 정확하게는 목표값의 시간적 성질에 따라 분류됩니다. 정치제어의 경우 목표값이 시간에 대하여 변하지 않는 제어로 앞에서 언급한 프로세스 제어와 자동 조정 제어가 정치제어에 속합니다. 프로세스 제어의 경우 공장에서 제품을 정해진 규격과 품질에 따라 계속해서 생산해야지, 시간이 변한다고 제품의 규격을 바꾸거나 품질을 바꾸진 않는 것을 떠올리시면 됩니다. 자동 조정 제어에서도 갑자기 한국전력공사에서 주파수를 바꾸어 전력의 품질이 바뀌는 일 없이 앞으로도 계속 대한민국은 60HZ의 전압을 공급받는 것을 떠올리시면 됩니다.

 

2) 추치제어

 목표값이 시간에 따라 변화하거나 따라가는 제어입니다. 변화하는 목표값에 추종하여 출력을 변동을 동시에 조정하는 제어  방식으로 추종제어와 프로그램 제어 및 비율제어로 구분됩니다.

 ① 추종제어(=서보제어) 

       목표값이 시간에 따라 임의로 변하는 제어  예시) 서보기구, 유도미사일, 추적용 레이저

 

 ② 프로그램 제어

       목표값의 변화가 미리 정해져 있어 정해진 대로 변하는 제어  예시) 무인열차, 무인자판기, 엘리베이터

     추종제어는 변화량이 정해져 있지 않고 임의로 시간적 변이에 따라 변화하는 제어라면 프로그램 제어의         경우 이미 프로그램 내에서 정해진 변화값에 따라 변화하는 제어입니다. 예시로 엘리베이터의 경우 최저         층과 최고층 그리고 각 층이 정해져 있어 그 외의 없는 층으로 갈 수는 없습니다.

 

③ 비율제어

       목표값이 다른 것과 일정한 비율을 유지하도록 제어