자동제어 장치의 종류_조절부 동작에 따른 분류

목차

1. 들어가기 전 이론

2. 조절부 동작에 따른 분류

 1) 비례 제어(P동작)

 2)  적분 동작 제어(I 동작)

 3)  미분 동작 제어(D 동작)

 4) 비례 적분 제어(PI 동작)

 5) 비례 미분 제어(PD 동작)

 6) 비례 적분 미분 제어(PID 동작)

 

1. 들어가기 전 이론 

개루프 제어계 구성도

폐루프 제어계 구성도

 

다음과 같이 폐루프 제어계는 위의 사진 개루프 제어계와 달리 위의 박스로 표시된 궤한 제어계가 추가되어있다. 위의 사진에서 폐루프 제어계에는 제어요소 중 하나인 조절부가 있는데 이 조절부가 어떻게 동작을 하냐에 따른 제어 종류가 분류된다.

 

그럼 조절부란?

위의 폐루프 사진의 목표값부터 시작해서 따라가면 기준입력신호와 검출부에서 보낸 신호를 비교한 동작신호를 시스템에 필요한 신호로 만들어 조작부에 보내는 역할을 한다. 

 

예를들어 에어컨의 경우 온도 조절을 위해 목표값이 26도인 경우 검출부에서 현재 방의 온도가 31도라 보내고 두 값을 비교하여 온도를 더 내려야겠단 동작신호를 받은 조절부가 이제 제어시스템이 어떻게 동작하면 되는지 알 수 있는 제어 신호로 바꾸어서 조작부에게 보내는 것이 조절부의 역할이다.  

 

들어가기 전에 각 요소들의 명칭과 역할, 루프 종류에 따른 분류 그리고 제어량에 따른 분류가 궁금하면 아래의 링크로 들어갈 것.

 

☞ 자동제어의 정의 및 분류 이론 확인하러가기

 

 

2. 조절부 동작에 따른 분류

 

1) 비례 제어(P동작)

 

사진과 같이 폐회로 루프의 제어요소만 가져왔을 떄, 조절부에서 보내는 신호가 z(t), 조작부가 제어대상에게 보내는 신호가 y(t)일 때. 이 두 신호가 비례 관계를 가지는 제어를 비례 제어라 부른다.

 

식은 다음과 같다. 여기서 Kp를 비례 감도라 부르며 역수인 1/Kp를 비례대라고 부르는데 기사를 준비하면 자세한 명칭까지 외울 필욘 없다.

 

- 특징 : 

구조가 간단하다.

단순히 비례값에 따라 움직이기에 정상 오차가 생긴다.

잔류편차(off-set)가 생긴다. (기사 준비 시 이 점은 암기)

 

 

 

2)  적분 동작 제어(I 동작)

 

 

 

 

 

오차의 크기가 옆의 사진처럼 시간에 따라 쌓이면서 다음과 같이 면적인 적분값이 생겨난다. 이것의 크기에 비례하여 조작부를 제어할 수 있어 잔류 오차가 없다는 장점이 있다. 

 

 

 

 

 

위의 말이 이해되지 않으면 오차값들이 발생해서 시간에 따라 기록하고 그 기록된 값들을 막대형 그래프로 그려서 합쳐보면 면적이 생긴다. 면적은 우리가 학창시절 배운 적분(잘게 분해한다는 뜻) 수학 방식으로 분해할 수 있고 적분 계산을 통해 생긴 값의 크기에 따라 비례하여 조작부가 조작한다는 의미다.

 

 

 

 

3)  미분 동작 제어(D 동작)

폐루프 제어계 구성도

 

위의 사진처럼 폐루프 회로의 박스로 표시된 궤한부분을 보면 검출부의 신호와 입력신호를 계속 비교하다 보면 두 값 사이에 오차가 발생한다. 오차값은 계속 변화하는데 이 변화하는 속도에 비례하여 조작량을 감산할지 가산할지 결정하는 동작방식이다.

 

예를들어 에어컨이 미분 동작 제어를 하는 경우 목표값 26도와 방 온도값을 비교하는데 처음은 5도 차이였다가 외부의 방해가 없다는 전제에선 점점 빠른 속도로 4도 3도 2도로 오차가 떨어진다. 이런 변화하는 속도에 비례하여 조작량이 목표값에 도달하게끔 온도를 천천히 떨어뜨릴지 좀 더 빨리 떨어뜨릴지 제어시스템에 신호를 보낸다. 

 

장점으로 오차가 커지는 것을 미리 방지할 수 있는데 기사 시험에서 미분 동작의 특징은 자주 다루진 않으니 앞의 비례 제어와 적분 제어의 장단점을 알아두는 게 좋다. 

 

 

 

4) 비례 적분 제어(PI 동작)

 

앞에서 언급한 비례 제어 방식과 적분 제어 방식을 결합한 방식이다. 비례 동작의 경우 잔류편차가 발생하는데 이를 소멸시키기 위해 적분 동작을 추가시켜 잔류 편차가 없다 (기사 준비 시 이 점만 기억하면 됨)는 장점이 있다.

 

 

 

5) 비례 미분 제어(PD 동작)

 

제어 결과에 빨리 도달하기 위해 미분 동작이 추가된 제어로 응답 속응성 개선 (기사 준비 시 이 점만 기억하면 됨) 에 사용된다.

 

 

 

6) 비례 적분 미분 제어(PID 동작)

 

비례 적분 제어기에 미분 동작을 추가한 것으로 오버슈트 감소, 정정 시간을 줄이며 잔류 편차를 없애 (기사 준비 시 이 점만 기억하면 됨) 는 장점이 있다.