개념 한 쪽
자동제어의 기초 개념은 입력과 출력, 조작량, 제어량, 목표값 같은 용어를 정확히 구분하는 데 있다. 문제는 각 용어의 역할과 신호 흐름을 묻는 기본형이므로 용어의 정의와 인과관계를 분명히 이해하면 정답을 찾기 쉽다.
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출제기준 단원 「자동제어계의 기본적인 용어」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 입력·출력 정의 구분 | 1 | 입력과 출력의 역할을 구별하여 제어량을 고르기 |
| 제어의 기준 신호 식별 | 1 | 제어계를 동작시키는 기준 신호를 묻기 |
| 조작량 대상 판단 | 1 | 조작량이 최종적으로 어떤 대상에 작용하는지 묻기 |
자동제어 시스템은 일반적으로 입력, 제어기, 출력으로 구분한다. 입력은 시스템이 달성하려는 목표값인 기준입력신호(목표값, 설정값)이고, 출력은 시스템이 실제로 만들어낸 결과물로 제어량에 해당한다. 즉 제어대상에서 측정되는 실제 물리량이 제어량이다.
조작량은 제어기가 결정하여 제어대상에 작용하는 신호이며, 조작량은 최종적으로 제어대상(피제어량)에 직접 영향을 준다. 조작 수단(사람이 돌리는 저항 등)과 조작량을 구분해야 하며, 조작량은 조작 수단을 통해 변화하는 물리량을 의미한다.
목표값의 성격에 따라 제어 방식이 달라진다. 목표값이 일정하면 정치 제어라 하고, 목표값이 미리 정해진 시간 함수인 경우에는 프로그램 제어라 한다. 목표값이 임의로 변하면 추종 제어의 개념이 적용된다.
서보 기구는 위치, 방위, 자세 등과 같은 기계적 변위가 제어되는 장치로서 목표값의 변화에 빠르게 따라가도록 설계된 장치이다. 자동조정은 주로 값의 유지에 초점을 맞추며, 프로세스 제어는 연속 공정 변수를 관리하는 데 중점을 둔다.
제어계에서 기준입력신호는 시스템의 동작 기준이 되고, 피드백 신호는 출력값을 측정하여 입력으로 환원하는 역할을 한다. 이들 용어의 역할을 혼동하지 않는 것이 기본 문제 해결의 핵심이다.
발전기 단자전압을 200V로 유지하는 예를 보면 목표값은 200V, 제어대상은 발전기, 제어량은 단자전압, 조작량은 계자전류로 구분한다. 계자저항은 조작 수단이므로 조작량 그 자체로 보아서는 안 된다.
목표값을 시간에 따라 미리 정해진 곡선대로 바꾸는 공정에서는 프로그램 제어를 적용하여 제어량이 그 시간함수를 추종하도록 설계한다. 위치나 자세를 따라가는 장치에서는 서보 기구를 사용하여 빠른 추종성을 확보한다.
발전기의 단자전압을 200V로 일정하게 유지하기 위하여 전압계를 보면서 계자저항을 조정하여 계자전류를 조정한다. 다음 중 잘못 짝지어진 것은?
정답 ③ · 문제는 발전기 단자전압을 일정하게 유지하기 위한 제어계 요소의 대응 관계 중 잘못 짝지어진 것을 찾는 것이다. 목표값은 설정하고자 하는 단자전압(여기서는 200V), 조작량은 조작을 통해 변화시키는 입력(계자전류를 조절하기 위해 조정하는 계자저항에 의해 변하는 계자전류), 제어대상은 발전기 그 자체이다.
계자저항은 조작자가 직접 조정하는 입력값인 조작량이며, 제어량은 발전기 단자전압이므로 ③이 잘못 짚어진 것이다.
제어계를 동작시키는 기준으로 직접 제어계에 가해지는 신호는?
정답 ① · 문제는 제어계를 동작시키는 기준으로 직접 가해지는 신호가 무엇인지 묻고 있다. 제어계에서 목표값을 나타내며 제어 동작의 기준이 되는 신호는 기준입력신호(설정값, set point)이다.
제어계는 기준입력신호(설정값)와 출력을 비교하여 오차를 줄이는 방식으로 동작한다.
제어된 제어대상의 양을 제어량이라고 하는데 이것은 일반적으로 어느 것을 의미하는가?
정답 ① · 문제는 제어된 대상의 양을 의미하는 용어가 무엇인지 묻고 있다. 제어계에서 제어대상이 제공하는 실제 물리적 양은 출력으로 간주되며 이 출력이 피드백 신호로 사용되어 제어 동작을 결정한다.
제어 시스템에서 제어 대상의 실제 양을 측정하여 피드백하는 신호를 출력이라고 한다.
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