공조냉동기계기사 제어계의 기초 — 목표값과 되먹임

제어계에는 신호마다 부르는 이름이 있다. 목표값은 제어량이 그 값에 맞도록 제어계에 주어지는 외부 신호, 곧 설정값이다. 궤환 신호는 출력의 일부를 되돌려 보내는 내부 신호이고, 동작 신호는 비교기에서 나오는 출력이다. 그래서 제어계 밖에서 목표치를 정해 넣는 신호를 묻는 자리에서는 목표값이 답이 되고, 내부에서 순환하는 신호로 설명한 선지가 오답이 된다. 목표값을 직접 쓰기 곤란할 때는 되먹임 요소가 측정한 값이 목표값과 비교된다.

요소마다 맡은 일도 갈린다. 제어요소는 제어장치에서 나온 신호를 물리적인 조작량으로 바꾸어 제어대상에 직접 작용하는 부분이며 조작부와 조절부로 이루어진다. 목표값을 만들어 내는 것은 기준입력요소, 출력을 되돌려 보내는 것은 되먹임요소, 두 값을 비교하는 것은 제어장치 곧 비교기의 몫이다. 이 기능들을 서로 바꾸어 놓은 선지가 함정으로 깔린다.

용어도 함께 물어본다. 제어 대상에서 실제로 측정되어 제어되는 결과 변수가 제어량이고, 목표값에 이르도록 제어기가 가하는 입력이 조작량이다. 전동기의 회전수를 900 rpm으로 만들려고 인가전압을 바꾸는 경우 900 rpm은 제어량, 인가전압은 조작량, 전동기는 제어대상이 된다.

블록선도는 제어계 안에서 각 요소의 신호가 어떻게 전달되는지를 블록과 화살표로 그려 낸 도표다. 신호가 지나가는 길을 한눈에 보여 주는 것이 목적이므로, 전달함수나 방정식의 해법을 직접 나타내거나 직렬과 병렬 접속만을 그리는 도표라는 설명은 그 정의와 다르다. 전달함수는 초기값이 모두 0인 선형계에서 출력의 라플라스 변환을 입력의 라플라스 변환으로 나눈 값이다. 시간 영역의 함수가 아니라 s-영역의 함수이므로, 입력과 출력 신호의 시간함수 비라고 적은 설명이 틀린 것이 된다.

제어 목적에 따라 장치와 방식의 이름이 정해진다. 물체의 위치나 방위나 자세 같은 기계적 변위를 제어량으로 하여 목표값의 임의 변화에 추종하도록 짠 장치는 서보기구다. 온도와 유량과 압력 같은 상태량을 제어량으로 하고 공정에 가해지는 외란의 억제를 주된 목적으로 하는 것은 프로세스 제어이며, 서보기구나 정치제어가 이 목적을 대신하지 못한다. 목표값이 다른 양과 일정한 비율 관계를 가지며 변하는 것은 비율제어이고, 목표값을 일정하게 유지하여 편차를 없애는 것은 정치제어다. 실내 온도를 늘 18 ℃로 잡아 두려고 자동냉난방기를 설치한 경우가 정치제어의 예가 된다. 되먹임 제어는 출력 결과를 입력에 반영하여 기계가 스스로 판단하고 고치는 방식이며, 프로그램 순서대로 움직이는 시퀀스 제어나 외부 명령만 따르는 개방 루프 제어와 구별된다.