개념 한 쪽
제어 동작은 시간 연속성에 따라 비례·적분·미분 등의 역할을 구분하여 설명한다는 점이 핵심이다. PI 제어는 정상 상태 오차를 제거하는 반면 위상 지연을 초래하여 대역폭을 낮출 수 있다. 미분 제어는 오차의 변화율에 미리 반응하여 진동을 억제하는 역할을 한다.
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출제기준 단원 「제어동작의 시간 연속성에의한 제어」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| PI 특성 판단 | 1 | PI 제어의 정상 상태 특성과 위상 지연 영향 구분 |
| 서보 적용 장치 식별 | 1 | 원뿔주사 방식의 서보 제어 적용 분야를 가리기 |
| 지연 요소 분류 | 1 | 파이프와 같은 물리 요소를 지연 요소로 판정하기 |
비례 제어(P 동작)는 순간의 오차 크기에 따라 조작량을 결정하는 기본적인 동작으로 즉시적인 반응을 제공한다는 특징이 있다. 그러나 비례만으로는 정상 상태에서 잔류편차(offset)가 남을 수 있다는 점을 인지해야 한다는 사실을 설명한다.
적분 제어(I 동작)는 오차를 시간적으로 누적하여 조작량을 증가시키므로 잔류편차를 제거하는 역할을 수행한다는 점을 명확히 한다. 적분 항은 정상 상태 오차를 해소하는 장점이 있으나 누적 특성으로 인해 위상 지연을 유발하고 시스템의 안정성을 저하시켜 간헐현상이나 발진을 발생시킬 수 있다는 단점을 가지고 있다는 점을 서술한다.
미분 제어(D 동작)는 오차의 시간적 변화율에 비례하여 조작량을 결정하므로 오차가 급격히 커지기 전에 보상하여 진동을 억제하고 시스템 응답을 예측적으로 개선한다는 특성을 갖는다고 정리한다. 미분은 '예측'적인 역할로 비례와 적분과 구별된다는 점을 강조한다.
PI 제어기는 비례와 적분을 결합한 형태로 정상 상태 오차 제거라는 장점을 가지면서도 적분으로 인한 위상 지연으로 대역폭이 감소하고 응답 속도가 느려질 수 있다는 trade-off가 존재한다는 점을 설명한다. 물리적 시스템에서는 파이프나 용기처럼 유체의 이동이나 축적이 있는 요소가 지연 요소로 모델링되며, 이러한 지연은 시스템 응답에 시간 지연을 추가하는 1차 지연 요소로 취급된다는 사실을 기술한다.
PI 제어기의 전달함수는 비례 이득 Kp에 적분항을 더한 형태 Kp(1 + 1/sT)로 표현된다는 점을 제시한다. 이 표현은 비례항과 적분항의 병렬 결합을 나타내며 PI의 정상 상태 오차 제거 특성과 적분으로 인한 위상 지연 특성을 수식적으로 연결하는 간단한 예가 된다.
파이프와 같은 요소는 유체의 이동에 시간이 걸리므로 지연 요소로 모델링한다는 예를 든다. 파이프는 내부 부피와 저항 때문에 입력 변화가 출력에 즉시 반영되지 않으므로 1차 지연 요소로 볼 수 있다는 설명을 예로 제시한다.
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.
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