개념 한 쪽
피드백 제어계는 목표값과 실제값을 비교하여 오차를 줄이고자 설계한다. 제어요소는 오차 신호를 받아 구동기를 작동시킬 수 있는 조작량으로 변환하는 역할을 수행하며, 검출부와 조작부 등 다른 구성요소와 구분하여 이해해야 한다. 부궤환은 루프 이득을 낮추어 강건성을 높이며, 단위 피드백이 완전한 추종을 이루려면 전향 이득이 매우 커야 함을 기억해야 한다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기 회원용
가입 없이 오늘의 10문제 바로 풀기 →
출제기준 단원 「제어대상 및 제어장치」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 감도와 피드백 관계 판정 | 1 | 피드백 게인 변화가 시스템 감도에 미치는 영향 가리기 |
| 단위 피드백의 추종 조건 분석 | 1 | 폐루프 전달함수로부터 G의 이상적 조건 도출하기 |
| 부궤환 도입 시 이득 변화 판단 | 1 | 부궤환 적용 후 루프이득의 일반적 변화 방향 밝히기 |
피드백 제어계는 설정부, 조절부(제어요소), 조작부(Actuator), 검출부, 그리고 제어대상으로 구성된 고리로 동작한다. 설정부는 목표값을 제공하고 검출부는 실제 출력을 측정하여 조절부로 보낸다. 제어요소는 설정값과 검출값의 오차를 연산하여 조작부를 구동하기 위한 조작량을 생성하는 핵심 요소이다.
제어요소의 본질적 기능은 입력된 동작신호(오차 신호)를 실제 기계를 움직일 수 있는 물리적 조작량으로 변환하는 데 있다. 따라서 제어요소는 신호의 형태와 크기를 조절하는 연산을 수행하며, 조작부는 이 조작량을 물리적 동작으로 바꾸는 실행 장치 역할을 한다.
피드백의 적용은 시스템 감도(sensitivity)에 영향을 준다. 루프 게인을 증가시키면 감도는 감소하여 외란과 매개변수 변화에 대한 출력의 민감도가 줄어드는 방향으로 시스템이 강건해진다. 반대로 부궤환을 도입하면 일반적으로 폐루프 이득은 감소하여 안정성이 향상되는 트레이드오프가 발생한다.
단위 피드백 계에서 폐루프 전달함수는 T = G/(1+G)로 표현된다. 출력이 입력과 같아지는 완전 추종을 수학적으로 만족시키려면 T가 1이어야 하며, 이는 유한한 G로는 만족할 수 없고 G가 무한대로 커질 때 이상적으로 성취될 수 있음을 이해해야 한다.
단위 피드백 계에서 출력이 입력과 같아지려는 조건을 식으로 확인한다. 폐루프 전달함수 T를 G/(1+G)로 세우고 T = 1로 두면 G/(1+G) = 1이 되며, 이를 정리하면 G = 1 + G로 모순이 발생한다. 따라서 유한한 값으로는 불가능하며 G→∞일 때 T→1로 수렴한다는 결론을 얻는다.
부궤환을 도입한 경우의 이득 변화는 개념적으로 이해한다. 개루프 이득에 피드백이 더해지면 분모에 (1+개루프이득)의 항이 생겨 전체 폐루프 이득은 감소하는 경향을 보이며, 이로 인해 감도는 낮아지고 안정성은 높아진다고 판단한다.
제어시스템의 감도 설명이 아닌 것은?
정답 ④ · 제어시스템에서 감도(Sensitivity)란 시스템의 구성 요소나 프로세스 전달함수의 매개변수가 변할 때, 전체 폐루프 전달함수(출력)가 얼마나 영향을 받는지를 나타내는 척도입니다. 궤환(Feedback) 제어시스템에서는 루프 전달함수의 크기(게인)를 증가시킬수록 외란이나 파라미터 변화가 출력에 미치는 영향이 오히려 '감소'하게 되어 시스템이 더 강건(Robust)해집니다.
감도는 시스템 파라미터 변화에 대한 출력의 민감도를 나타내며, 피드백 게인 증가는 감도를 낮춘다.
단위 피드백 제어계통에서 입력과 출력이 같다면 전향전달 함수 G의 값은?
정답 ④ · 단위 피드백(Unit feedback) 제어 시스템에서 출력이 입력을 정확히 따라가기 위한 조건을 묻는 문제입니다. 폐루프 전달함수는 T = G / (1 + G) 입니다.
단위 피드백계에서 출력이 입력과 같으려면 폐루프 이득이 1이 되어야 하므로 전향전달함수 G는 무한대가 되어야 한다.
어떤 제어계통을 부궤환 제어계통으로 만들면 오픈 루프(open loop)시스템 때보다 루프이득은 일반적인 경우 어떻게 되는가?
정답 ④ · 제어계에 부궤환(Negative Feedback)을 적용하면 시스템의 안정도가 향상되고 외란의 영향이 줄어듭니다. 하지만 전달함수의 특성상 루프이득(Loop Gain)은 부궤환 전달함수에 의해 분모가 (1 + 개루프이득)의 형태로 증가하게 되어, 결과적으로 전체 폐루프 시스템의 이득은 감소하게 됩니다.
부궤환 제어계통은 루프이득을 감소시켜 시스템의 안정성을 향상시킨다.
승강기기사 풀이 세트에서 이 개념의 문제 10개를 바로 풀어 보세요.