개념 한 쪽
공정제어계는 제어 대상의 상태를 일정하게 유지하거나 목표값을 추적하기 위해 측정·제어기·구동기 등의 구성요소로 이루어지는 시스템이다. 제어의 목적과 작동 방식에 따라 서보와 레귤레이터로 구분하고, 변수의 역할에 따라 피제어 변수와 외란으로 나눈다. 되먹임(피드백)은 출력을 다시 입력으로 돌려보내 시스템 동특성을 바꾸는 수단이다.
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출제기준 단원 「공정제어계의 분류」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 일상기기 제어 구성 판단 | 1 | 에어컨 사례에서 외란과 피드백 구조를 구분하기 |
| 제어 유형 서보 vs 레귤레이터 | 1 | 서보와 레귤레이터의 목적 차이를 식별하기 |
| 되먹임의 동특성 효과 | 1 | 되먹임이 응답 속도에 미치는 영향 설명하기 |
피제어 변수(Controlled Variable)는 제어 시스템으로 유지하거나 조절하고자 하는 대상의 상태 변수를 의미한다. 증류탑의 조성, 압력, 액위 등은 탑 내부 상태로서 피제어 변수에 해당한다. 반면 공급물 조성처럼 탑 외부에서 들어오는 입력은 시스템이 직접 제어하지 못하는 외란(disturbance)으로 분류한다.
외란은 시스템 경계 밖에서 유입되어 출력에 영향을 주는 모든 외부 요인을 뜻한다. 예로 창문 개방 또는 외부 기온 변화로 인해 에어컨의 흡입 공기 온도가 바뀌는 경우를 들 수 있다. 외란은 제어기가 직접 제어하는 대상이 아니므로, 문제 유형에서는 '탑 안=피제어, 탑 밖=외란'으로 단순화하여 접근한다.
조작변수(manipulated variable)는 제어기가 변경하여 피제어 변수를 원하는 값으로 만들기 위해 가하는 물리적 입력이다. 자동차의 핸들을 돌리는 행동이 차량의 진행 방향을 변경하는 조작변수의 예이며, 구동기와 조작변수의 관계를 통해 제어 루프를 구성한다.
서보(servo) 제어와 레귤레이터(regulator) 제어는 목적이 다르다. 서보 제어는 설정점(setpoint)의 변화에 따라 조작변수가 이를 정확히 추적하도록 하는 제어를 의미한다. 반면 레귤레이터는 설정점을 일정하게 유지하면서 외란에 의해 발생하는 편차를 제거하려는 목적을 가진다.
되먹임(피드백) 제어는 시스템의 출력을 다시 입력으로 환류하여 오차를 줄이는 방식이다. 되먹임을 통해 폐루프의 극(pole) 위치를 이동시킬 수 있으므로 개루프보다 응답 속도를 빠르게 하거나 동특성을 개선할 수 있다. 다만 되먹임이 항상 안정성을 보장하지는 않으므로 설계와 조정이 필요하다.
에어컨의 동작을 제어 시스템 관점에서 보면 사용자가 정한 희망 온도가 설정값이고 실내 온도 센서가 현재 값을 측정하여 제어기로 전달한다. 창문 개방이나 외부 기온 변화로 흡입 공기 온도가 변하면 이는 외란으로 작용하여 실내 온도에 영향을 준다. 가정용 에어컨은 주로 설정값에 따라 켜고 끄는 On/Off 제어를 사용하므로 외란이 발생하면 제어기는 그 변화에 대응하여 동작한다는 점을 확인하면 된다.
증류탑 제어 문제에서는 탑 내부의 조성, 압력, 액위 등을 피제어 변수로 판단하고 공급물 조성은 외란으로 판단한다. 문제 풀이 시 '탑 안=피제어, 탑 밖=외란' 규칙을 적용하면 정답을 빠르게 유도할 수 있다.
되먹임 제어에 관한 문제는 '되먹임이 폐루프 극을 이동시켜 응답 속도를 바꿀 수 있다'는 사실을 근거로 판단한다. 따라서 되먹임을 통해 개루프보다 응답이 빨라질 수 있다고 서술된 보기가 맞는 설명임을 확인한다.
서보(servo)제어에 대한 설명 중 옳은 것은?
정답 ① · 서보 제어(servo control)는 설정점(set point)이 시간에 따라 변화할 때, 제어량이 설정점의 변화를 가능한 한 정확하게 추적하도록 조작변수를 제어하는 시스템을 의미합니다. 이는 외부 부하(load) 변화에 대항하여 일정한 설정점을 유지하려는 레귤레이터(regulator) 제어와 대비되는 개념입니다.
서보 제어는 설정점 변화에 따른 조작변수 관계를 다루며, 부하 변화 대응은 레귤레이터 제어다.
여름철 사용되는 일반적인 에어콘(air conditioner)의 동작에 대한 설명 중 틀린 것은?
정답 ③ · 문제는 가정용 에어컨의 동작 특성 중 잘못된 설명을 찾는 것이다. 에어컨은 실내 온도를 기준값과 비교해 제어하는 피드백 시스템이며 설정한 온도가 제어기의 기준값(setpoint)에 해당한다.
되먹임 제어계에 대한 설명으로 옳은 것은?
정답 ④ · 되먹임 제어계를 설치하면 폐루프 전달함수의 분모에 의해 시스템의 극(pole)이 이동하게 되며, 이를 통해 원래 개루프 공정보다 응답 속도(시정수)를 훨씬 빠르게 만들 수 있습니다(보기 4번 참). 반면 되먹임 제어기가 부적절하게 설계되면 안정했던 공정도 불안정해질 수 있으며(보기 1번 틀림), 되먹임 안에 적분기가 없다면 오프셋이 제거되지 않을 수도 있습니다(보기 3번 틀림).
되먹임 제어는 폐루프 극(pole)을 이동시켜 개루프보다 응답 속도를 빠르게 할 수 있다.
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