개념 한 쪽
피드백 제어계는 설정·검출·제어요소·조작부·제어대상으로 나뉘며 각 요소의 역할을 명확히 이해해야 문제를 정확히 풀 수 있다. 특히 제어요소와 조작부, 검출부의 기능을 혼동하면 오답을 유도하므로 요소별 역할을 구분하여 암기한다.
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출제기준 단원 「직능별 구성의 용어 정의」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 감도 개념 판단 | 1 | 피드백 게인 변화가 시스템 감도에 미치는 영향 판별 |
| 단위 피드백의 추종 조건 | 1 | 폐루프 전달함수 식으로 출력과 입력의 일치 조건 분석 |
| 제어요소·조작부 구분 | 1 | 제어요소와 조작부, 검출부 중 신호 변환 역할을 구분 |
피드백 제어계의 기본 구성은 설정부(목표값 입력), 검출부(출력 측정), 조절부 또는 제어요소(오차 연산 및 제어 결정), 조작부(구동기·액추에이터) 및 제어대상(제어 받는 기계)으로 정의한다. 제어요소는 설정값과 검출값의 오차를 받아 연산을 수행하고 구동기를 작동시키기 위한 조작량을 생성하는 역할을 한다.
조작부(Actuator)는 제어요소가 만든 제어동작 신호를 실제 물리적 조작량으로 변환하여 제어대상을 직접 움직이는 최종 장치이다. 즉, 제어요소가 '명령'을 만들면 조작부가 그 명령을 물리적 힘·움직임 등으로 바꿔 제어대상에 전달한다.
검출부는 제어대상의 현재 상태를 측정하여 피드백하는 센서 계통으로서, 출력값을 검출하여 제어요소로 전달하는 기능을 수행한다. 검출부의 역할은 제어계의 폐루프 동작을 가능하게 하는 핵심 요소이므로 검출과 제어요소, 조작부의 구분을 명확히 해야 한다.
피드백의 적용은 시스템 특성에 영향을 준다한다. 예를 들어 부궤환은 루프 이득을 일반적으로 감소시켜 안정성과 강건성을 높이는 경향이 있다. 단위 피드백에서 출력이 입력과 같아지려면 이론적으로 전향 전달함수의 이득이 무한대로 커져야 하므로 유한 이득으로 완전 추종을 달성할 수 없음을 이해한다.
감도는 시스템 파라미터 변화에 대한 출력의 민감도를 나타내며, 피드백 게인을 증가시키면 감도는 감소하여 시스템이 외란이나 파라미터 변화에 덜 민감해진다한다. 이런 관계는 피드백 설계의 기본 원리로 활용한다.
제어요소의 정의를 묻는 문항에서는 '오차 신호를 받아 조작량을 생성하는가'를 기준으로 정답을 판단한다. 조작부가 제어동작 신호를 물리적 동작으로 바꾸는 장치라는 설명이 보이면 조작부에 관한 보기로 분류한다. 단위 피드백 문제에서는 폐루프 전달함수 T=G/(1+G)를 세워 T→1을 만들려면 G→∞가 필요함을 확인하면 정답을 도출한다.
부궤환 관련 문항에서는 '부궤환 적용 시 루프 이득이 감소한다'는 원칙을 바탕으로 선지를 검토한다. 감도 관련 문항에서는 '피드백 게인 증가 = 감도 감소'를 기억하여 오답을 소거한다.
제어시스템의 감도 설명이 아닌 것은?
정답 ④ · 제어시스템에서 감도(Sensitivity)란 시스템의 구성 요소나 프로세스 전달함수의 매개변수가 변할 때, 전체 폐루프 전달함수(출력)가 얼마나 영향을 받는지를 나타내는 척도입니다. 궤환(Feedback) 제어시스템에서는 루프 전달함수의 크기(게인)를 증가시킬수록 외란이나 파라미터 변화가 출력에 미치는 영향이 오히려 '감소'하게 되어 시스템이 더 강건(Robust)해집니다.
감도는 시스템 파라미터 변화에 대한 출력의 민감도를 나타내며, 피드백 게인 증가는 감도를 낮춘다.
단위 피드백 제어계통에서 입력과 출력이 같다면 전향전달 함수 G의 값은?
정답 ④ · 단위 피드백(Unit feedback) 제어 시스템에서 출력이 입력을 정확히 따라가기 위한 조건을 묻는 문제입니다. 폐루프 전달함수는 T = G / (1 + G) 입니다.
단위 피드백계에서 출력이 입력과 같으려면 폐루프 이득이 1이 되어야 하므로 전향전달함수 G는 무한대가 되어야 한다.
어떤 제어계통을 부궤환 제어계통으로 만들면 오픈 루프(open loop)시스템 때보다 루프이득은 일반적인 경우 어떻게 되는가?
정답 ④ · 제어계에 부궤환(Negative Feedback)을 적용하면 시스템의 안정도가 향상되고 외란의 영향이 줄어듭니다. 하지만 전달함수의 특성상 루프이득(Loop Gain)은 부궤환 전달함수에 의해 분모가 (1 + 개루프이득)의 형태로 증가하게 되어, 결과적으로 전체 폐루프 시스템의 이득은 감소하게 됩니다.
부궤환 제어계통은 루프이득을 감소시켜 시스템의 안정성을 향상시킨다.
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