개념 한 쪽
추종제어는 목표 신호를 따라 출력이 맞춰지도록 하는 제어의 한 갈래로, 비례·적분·미분 동작의 조합인 PID가 흔히 사용된다. 제어동작은 연속적으로 출력을 조절하는 방식과 2위치처럼 켜고 끄는 불연속 방식으로 나뉜다. 전자밸브은 전기 신호로 유체 흐름을 두 상태로 전환하는 2위치 동작의 대표적 예이다.
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출제기준 단원 「추종제어」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| PID 특징 판별 | 1 | PID 구성요소의 기능과 전반적 특성을 판별하기 |
| 연속 vs 불연속 구분 | 1 | 제어동작이 연속인지 불연속인지 구분하기 |
| 장치 동작 방식 식별 | 1 | 전기 신호에 의한 밸브의 2위치 동작 여부 확인하기 |
PID 제어는 비례(P), 적분(I), 미분(D)의 세 동작을 조합하여 제어 성능을 개선하는 방식이다. 비례 동작은 현재 오차에 비례하여 조작량을 생성하고, 적분 동작은 오차의 누적에 반응하여 잔류편차를 제거하며, 미분 동작은 오차의 변화율에 반응하여 과도 응답을 억제한다.
PID의 조합은 정정시간을 줄이고 잔류편차를 없애며 오버슈트를 줄이는 방향으로 작용한다. 다만 미분 작용을 과도하게 적용하면 오히려 불안정성이 증대될 수 있음을 문제 해결 시 유의한다. PID는 각 요소가 '현재·과거·변화율'을 담당한다는 키워드로 기억한다.
제어동작은 출력의 연속성으로 분류할 수 있다. 비례·적분·미분 동작은 출력이 연속적으로 변하는 연속 제어에 해당하고, 설정값을 기준으로 온·오프만을 선택하는 2위치 동작은 불연속 제어에 해당한다. 온오프 제어는 출력이 두 개 상태로만 존재하므로 제어 정밀도가 낮고 진동이 생길 수 있다.
현장에서의 장치 동작 예로 전자밸브가 있다. 전자밸브는 전기 신호의 인가로 플런저 등이 움직여 유로를 전환하는 장치로, 기본적으로 유체 흐름을 '열림'과 '닫힘' 두 상태로 전환하는 2위치 동작을 수행한다. PID 같은 제어 알고리즘 용어는 밸브의 기계적 동작 분류와 혼동해서는 안 된다.
문제에서는 PID 제어의 장점들을 물어볼 때 '안정성이 작아진다'와 같은 보기가 나오면 오답으로 처리한다. 또한 연속 동작과 불연속 동작을 구분하는 문제에서는 온오프 제어·2위치동작을 불연속으로, P/I/D 계열을 연속으로 구별해야 한다. 전자밸브 관련 지문에서는 밸브가 유체를 두 상태로 전환한다는 점을 근거로 2위치 동작을 정답으로 삼는다.
제어동작 중 PＩD(비례적분미분)동작을 이용했을 때의 특징에 해당되지 않은 것은?
정답 ④ · 문제는 PID 제어를 사용했을 때 나타나는 특성 중 해당되지 않는 것을 찾는 것이다. PID 제어는 비례로 현재 오차를 줄이고 적분으로 잔류편차를 제거하며 미분으로 오버슈트를 억제하여 정정시간과 오버슈트, 잔류편차를 동시에 개선하고 응답의 안정성을 높이는 목적을 가진다.
PID 제어는 비례·적분·미분 동작을 조합해 응답 속도와 안정성을 모두 최적화하는 제어 방식입니다.
제어요소의 동작 특성 중 연속동작이 아닌 것은?
정답 ④ · 문항은 제어 요소의 동작 특성 중 연속동작이 아닌 것을 고르는 문제이다. 연속 제어는 출력이 연속적으로 변화하는 방식으로 비례·비례적분·비례미분 제어는 모두 연속 신호를 생성하지만 온오프 제어는 출력이 켜기/끄기 두 상태만 가지는 이산적 동작이므로 연속동작이 아니다.
연속 제어는 조절량을 연속적으로 변화시키지만, 온오프 제어는 전류의 유무만 판단하므로 연속 동작이 아니다.
전자밸브는 무슨 동작을 하는가?
정답 ① · 문항은 전자밸브의 동작 유형을 묻고 있다. 전자밸브는 전자기 신호로 솔레노이드 등을 작동시켜 통로를 열거나 닫는 두 가지 상태로 전환하는 2위치(On/Off) 동작이 기본이다.
전자밸브는 전자기 신호에 따라 유체 흐름의 방향을 전환하는 2위치 동작을 수행한다.
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