개념 한 쪽
제어계는 동작 방식과 보상요소에 따라 성능과 안정성이 달라진다. 비례(P), 적분(I), 미분(D) 등 기본 동작의 역할과 특성을 이해하고, 물리적 요소가 시스템에 주는 시간지연 특성을 구분해야 한다. 또한 특정 동작 방식은 응용 분야와 직접 연결되므로 용어를 보고 적용 대상을 분별할 수 있다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기 회원용
가입 없이 오늘의 10문제 바로 풀기 →
출제기준 단원 「제어장치의 전력원(에너지원)에 의한 제어」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 서보 적용 분야 판단 | 1 | 특정 스캔 방식의 용도를 응용 분야와 연결하여 가리기 |
| PI 제어 특성 이해 | 1 | PI 제어의 정상상태 성능과 주파수 응답 특성의 관계 설명하기 |
| 물리 요소의 제어 모델 구분 | 1 | 파이프 등 물리적 장치를 지연 요소로 분류하는 이유를 설명하기 |
제어 동작은 비례, 적분, 미분의 기능으로 구분된다. 비례 동작은 현재 오차에 비례해 출력을 내므로 즉응성이 있지만 정상상태에서 잔류편차가 발생하기 쉽다. 적분 동작은 오차의 누적량에 따라 출력을 조정하여 잔류편차를 제거하는 역할을 한다. 미분 동작은 오차의 변화율에 반응하여 조작량을 조절하므로 급격한 오차 확산을 미연에 방지하는 예측적 역할을 수행한다.
PI 제어기는 비례와 적분을 결합한 형태로 정상상태 오차를 제거하는 장점이 있으나, 적분 작용이 주는 위상 지연으로 인해 전체 시스템의 이득 교점 주파수가 낮아지고 대역폭이 감소하는 특성을 보인다. 이로 인해 제어 정밀도는 개선되지만 응답 속도나 안정성 면에서 트레이드오프가 발생한다.
실제 물리적 구성 요소는 제어 이론상의 요소와 대응된다. 예컨대 파이프나 용기 같은 유체 통로는 내부 유량이나 축적에 의해 입력 변화가 출력으로 즉시 전달되지 않고 시간이 소요되므로 지연 요소로 분류한다. 보상 설계에서는 정상 상태 성능 개선을 위해 지상(lag) 보상을, 과도 응답 개선을 위해 진상(lead) 보상을 선택하는 패턴을 적용한다.
제어 장치의 적용 분야 판단은 용어와 동작 원리를 연결하여 결정한다. 예를 들어 원뿔주사처럼 특정 스캔 방식은 표적 추적용 서보 시스템과 결부되므로 응용 분야를 연상하여 정답을 선별하는 것이 유효하다.
원뿔주사(Cone Scan) 방식은 안테나 빔을 회전시키며 표적의 각도 오차를 검출하고 서보를 구동하는 방식으로, 움직이는 표적을 추적하는 레이더의 서보 제어에 적용된다고 이해한다. PI 제어기의 전달함수는 비례 이득 Kp와 적분 항의 결합으로 Kp(1 + 1/sT) 형태로 표현된다고 기억한다. 파이프는 유체 이동과 축적 때문에 입력 변화가 지연되어 나타나므로 지연 요소로 모델링한다고 정리한다.
PＩ제어동작은 정상특성 즉, 제어의 정도를 개선하는 지상요소인데 이것을 보상하는 지상보상의 특성으로 옳은 것은?
정답 ④ · PI 제어기는 비례 작동과 적분 작동을 결합한 것으로, 적분 작용에 의해 정상 상태 오차(정정 오차)를 제거하여 제어의 정도를 향상시키는 특징이 있습니다. 하지만 적분기가 저역 필터의 특성을 가지므로 고주파수 영역에서 위상 지연이 발생하여 이득 교점 주파수(위상 교차 주파수)가 낮아지고, 결과적으로 시스템의 대역폭이 감소하여 응답 속도가 느려지는 경향이 있습니다.
PI 제어기는 적분 작용으로 정상 상태 오차를 제거하지만, 위상 지연을 유발하여 이득 교점 주파수를 낮추고 대역폭을 감소시키는 특성이 있다.
비행기 등과 같은 움직이는 목표값의 위치를 알아보기 위한 즉, 원뿔주사를 이용한 서보용 제어기는?
정답 ② · 문제는 원뿔주사(conical scan) 방식을 이용해 움직이는 표적의 위치를 추적하는 서보용 장치를 묻고 있다. 원뿔주사는 안테나 빔을 회전시켜 각도 오차를 검출해 서보를 구동하는 레이더의 표적추적 방식이므로 추적레이더가 해당된다.
원뿔주사 방식의 서보 제어기는 움직이는 표적을 추적하는 레이더 시스템에 사용된다.
파이프는 무슨 요소에 해당되는가?
정답 ④ · 제어 공학에서 파이프나 용기와 같은 시스템 요소는 입력의 변화가 출력으로 즉각적으로 나타나지 않고, 부피 및 저항 등으로 인해 일정한 '시간 지연'을 가지고 반응하는 특성을 보입니다. 이러한 시스템의 동특성은 1차 지연 요소(First-order lag element) 또는 지연 요소로 모델링됩니다.
파이프는 유체 흐름에 시간 지연을 유발하므로 1차 지연 요소에 해당한다.
승강기기사 풀이 세트에서 이 개념의 문제 10개를 바로 풀어 보세요.