개념 한 쪽
목표값 성질에 의한 제어는 비례, 적분, 미분 등 각 동작의 물리적 의미와 계의 정상특성을 기준으로 분류하고 대응 보상요소를 결정하는 관점이다. PI 제어는 정상상태 오차를 제거하는 특성과 위상 지연을 동시에 가지므로 지상 보상과 대응시키는 패턴을 학습해야 한다.
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출제기준 단원 「목표값 성질에 의한 제어」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| PI 제어 특성 판별 | 1 | PI 제어의 정상상태 오차와 위상 영향 관계를 가리기 |
| 요소 특성 분류 | 1 | 파이프 등 물리적 장치의 제어 요소 분류를 묻기 |
| 보상요소 대응 | 1 | PI 제어와 맞는 보상요소(지상 보상) 대응을 고르기 |
PI 제어기는 비례 동작(P)과 적분 동작(I)을 결합한 제어 방식으로 설명한다. 비례 동작은 현재 오차 크기에 비례하여 출력을 결정하고, 적분 동작은 오차의 누적에 의해 잔류편차를 제거하여 정상상태 오차를 없앤다.
적분 항을 포함한 PI 제어는 정상상태의 정밀도를 높이는 장점이 있으나, 적분 작용은 신호를 누적하는 특성 때문에 위상 지연을 유발한다. 이 위상 지연은 이득 교점 주파수를 낮추어 대역폭을 감소시키는 결과를 낳아 응답 속도나 안정성 측면에서 불리하게 작용할 수 있다.
제어기 설계에서는 이러한 특성에 따라 보상요소를 선택한다. PI 제어의 정상특성 개선 목적에는 저주파 이득을 높이고 위상을 뒤로 지연시키는 지상 보상요소(Lag compensator)가 대응된다고 본다. 반대로 진상 보상은 위상을 앞으로 당겨 응답 성능을 개선하는 용도로 구분한다.
현실 장치의 모델링 측면에서는 파이프나 용기처럼 물리적 이동·축적을 수반하는 요소는 지연 요소로 분류한다. 이러한 지연 요소는 입력 변화가 출력으로 즉시 전달되지 않고 시간이 걸리므로 계의 응답 특성에 영향을 준다.
PI 제어를 적용하면 정상상태 오차가 제거되는 효과가 생기나 시스템에 위상 지연이 추가되어 이득 교점 주파수가 낮아지고 대역폭이 줄어드는 현상이 발생한다고 설명한다. PI 제어의 목적과 특성에 비추어 지상 보상요소를 대응시키면 정상특성 개선과 관련한 설계 판단을 쉽게 할 수 있다고 예시를 든다.
파이프는 내부 유체 이동과 축적 때문에 시간 지연을 유발하므로 제어 계의 모델에서는 1차 지연요소로 다루어야 한다고 예시를 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.
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.
P I 제어동작은 프로세스제어계의 정상특성 개선에 흔히 사용된다. 이것에 대응하는 보상요소는?
정답 ② · PI(비례-적분) 제어동작은 정상 상태에서의 오차를 줄이고(적분), 응답 속도를 개선하는(비례) 역할을 합니다. 이와 대응되는 보상요소는 지상(위상 지연) 보상요소(Lag compensator)입니다.
PI 제어는 정상 상태 오차 제거와 응답 속도 향상을 위해 지상(위상 지연) 보상요소를 사용하여 저주파 이득을 높인다.
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