개념 한 쪽
비례·미분 동작 기구 관련 문제는 전기식 조절기의 특성, 자력제어나 자기증폭기 같은 구동 방식의 응답 특성, 기계-전기 사이의 물리량 대응, 그리고 센서 소자의 동작 원리 구분을 묻는다. 핵심은 각 소자와 방식이 갖는 장단점과 물리적 대응 관계를 정확히 이해하는 것이다.
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출제기준 단원 「비례 미분 동작 기구」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 전기식 조절기 약점 판별 | 1 | 전기식의 장점과 한계를 가려 약점 진술 찾기 |
| 기계-전기 물리량 대응 | 1 | 토크 등 기계량을 전기량으로 대응시키기 |
| 센서 원리 구분 | 1 | 광전형과 초전효과 등 센서 동작 원리 구별하기 |
전기식 조절기는 신호를 전기 신호로 빠르게 전달하고 입력과 출력이 비교적 선형 관계를 보이는 장점이 있다. 그러나 복잡한 연산, 예컨대 PID(비례·적분·미분) 동작을 단순 전기식만으로 간편히 구현하기는 어렵고 별도의 전자회로나 증폭 장치가 필요하다는 점을 구분한다.
자력제어는 전자석의 자력을 이용해 동작하는 방식으로 구조가 간단하고 비용이 적게 들며 동작이 확실하다는 장점이 있다. 다만 전자석이 자속을 형성하고 기계부를 구동하는 데 시간이 소요되므로 타력제어에 비해 조작 속도가 느리다는 점을 단점으로 기억한다.
기계계와 전기계의 유추(mapping)는 물리량의 역할 대응에 기초한다. 구동력인 토크는 전기적 유추에서 전압에 대응하며 관성은 인덕턴스, 마찰은 저항, 스프링 상수는 정전용량 계열과 대응된다는 매핑을 사용한다. 이러한 대응표를 바탕으로 제어 계의 성능을 해석한다.
서보전동기는 제어 시스템에서 최종적으로 물리적 동작을 수행하는 조작기기로 분류한다. 정밀한 위치·속도 제어와 빈번한 기동·정지를 요구하므로 속응성·신뢰성이 높아야 하며, 고출력 밀도 특성으로 발열이 크므로 냉각 대책이 필요하다는 사실을 숙지한다.
광전형 센서와 CdS 같은 광저항 소자는 빛에 의한 전기적 특성 변화를 이용하는 장치임을 구분한다. 광전형 소자는 pn 접합에서 빛에 의해 전자-정공이 생성되는 광전 효과를 이용하고, CdS 셀은 빛의 세기에 따라 저항값이 변하는 광저항 소자로서 저항 변화형 센서에 해당한다. 초전 효과(pyroelectric effect)는 온도 변화에 의한 표면 전하 발생 현상으로 광전형 센서와는 원리가 다름을 명확히 한다.
자기증폭기는 정지형 장치로 작은 제어 전류로 큰 출력을 얻을 수 있어 전력 증폭도가 크다는 장점이 있으나, 자기회로의 시정수로 인해 응답 속도가 느리다는 점을 특징으로 파악한다.
대표 문제 1 — 전기식 조절기의 장점 판단 문제: 문제 핵심은 '전기식 조절기가 갖지 않는 특성'을 고르는 것이다. 전기식은 신호 전달이 빠르고 선형성이 우수하므로 이들 항목은 장점으로 분류한다. 반면 PID 같은 복잡한 연산을 전기식만으로 간단히 구현하기 어렵다는 설명이 옳지 않은 장점 진술이므로 정답으로 선택한다.
대표 문제 2 — 토크의 전기적 유추: 토크는 회전을 일으키는 구동력이므로 전기적 유추에서는 전압에 대응한다. 관성은 인덕턴스, 마찰은 저항 등 기본 대응표를 활용하여 다른 선택지를 순차적으로 배제하면 정답을 도출한다.
대표 문제 3 — 광전형 센서의 오개념 판별: 광전형 센서는 빛에 의한 광전 효과로 동작하며 초전 효과는 온도 변화에 따른 현상이므로, "광전형 센서가 초전 효과를 이용한다"는 진술은 옳지 않다. 광과 열의 원리 차이를 이용해 오답을 선택한다.
전기식 조절기의 장점이 아닌 것은?
정답 ④ · 전기식 조절기는 신호 전달 속도가 매우 빠르고 지연이 적으며, 선형 특성이 우수하고 다양한 제어 시스템에 적용 가능하다는 장점이 있습니다. 그러나 PID(비례-적분-미분)와 같은 복잡한 연산 동작을 구현하기 위해서는 별도의 전자 증폭기 및 회로망이 추가로 필요하므로, 'PID 동작이 간단히 실현된다'는 설명은 장점으로 보기 어렵습니다.
전기식 조절기는 기계적 관성으로 인해 복잡한 PID 연산이 어렵다.
토크 T[N∙m]를 전기적 유추로 변환하면?
정답 ④ · 물리적 기계 시스템의 변수들을 전기 회로의 변수로 치환하여 해석하는 것을 전기적 유추(Electrical analogy)라고 합니다. 이때 기계 시스템의 토크(Torque, T)를 전기 시스템의 전압(Voltage, V)에 대응시키는 방식을 '토크-전압 유추'라고 합니다.
토크-전압 유추에서 구동력인 토크는 전위차를 만드는 전압에 대응된다.
광전형 센서에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?
정답 ③ · 문항은 광전형 센서의 특성 중 틀린 것을 찾는 문제이다. 광전형 센서는 빛에 의해 전자·정공이 생성되는 광전효과를 이용하며 pn 접합 소자인 포토다이오드나 포토트랜지스터 등이 대표적이다.
광전 효과는 광전효과를 이용하며, 초전 효과는 온도 변화에 의한 전하 발생 현상이다.
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