개념 한 쪽
비례·적분·미분 동작을 조합하는 제어 기구는 제어 성능을 향상시키기 위해 사용한다는 일반적 개념을 전제로 한다. 전기식 조절기의 특성과 한계, 그리고 PID 동작을 실현하기 위한 전자회로의 필요성 등이 출제 포인트로 등장한다. 기계-전기 유추와 증폭기·자기증폭기 등의 응답 특성도 관련 문항으로 출제된다.
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출제기준 단원 「비례 적분 미분 동작 기구」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 전기식 조절기 기능 구별 | 1 | 전기식 조절기의 장단점과 PID 구현 가능성 판단 |
| 기계-전기 물리량 유추 | 1 | 토크 등 기계량을 전기량에 대응시키는 매핑 이해 |
| 자기증폭기 특성 판별 | 1 | 자기증폭기 또는 자력장치의 응답 속성 판단 |
비례·적분·미분 동작 기구는 입력 신호에 대해 비례 동작, 누적 보상(적분), 변화율에 대한 예측(미분)을 조합하여 제어 성능을 개선하는 제어기 구조를 의미한다는 용어적 정의가 전제된다. 이 개념 자체는 여러 조절 방식의 기능을 명칭으로 정리한 것이므로, 구현 방식에 따라 성능과 제약이 달라진다는 점을 인지해야 한다.
전기식 조절기는 신호 전달이 빠르고 입력과 출력의 선형 특성이 우수하여 다양한 제어에 적용하기 적합하다는 설명이 재료에 포함된다. 그러나 P, I, D와 같은 복잡한 연산을 전기식 장치만으로 간단히 실현하기는 어렵고, PID 동작을 구현하려면 별도의 전자회로나 증폭기가 필요하다는 사실을 명확히 해야 한다.
자력형 장치나 자기증폭기 등 자기적 소자는 구조가 간단하고 전력 증폭도가 큰 장점이 있으나, 전자석 자력 형성이나 자기회로의 시정수 때문에 응답 속도가 느리다는 공통된 단점이 있다. 이 점은 자력제어나 자기증폭기와 같은 장치의 특징을 묻는 문항에서 핵심 판단 기준이 된다.
기계적 물리량과 전기적 물리량을 대응시키는 전기적 유추에서는 구동력인 토크가 전압에 대응한다고 설명된다. 관성은 인덕턴스에, 마찰은 저항에 대응하는 등 기본 대응표를 기반으로 한 문제 풀이가 등장하므로 이러한 기본 매핑을 숙지해야 한다.
문제 유형 예시는 다음과 같다. 전기식 조절기의 장점으로 '빠른 전달'과 '선형성'을 고르는 것은 옳으나, '복잡한 PID 연산이 간단히 구현된다'는 보기는 틀리다. 자기증폭기나 자력제어 관련 보기에서는 '응답속도가 빠르다'는 선지를 오답으로 판정해야 한다. 기계-전기 유추 문제에서는 '토크→전압, 관성→인덕턴스, 마찰→저항'의 대응을 이용하여 정답을 도출한다.
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.
자기증폭기의 특정이 아닌 것은?
정답 ④ · 자기증폭기는 회전부가 없는 정지형 증폭기로, 한 단당 전력 증폭도가 매우 크고 소전력부터 대전력까지 제어가 가능하다는 장점이 있습니다. 하지만 자기회로의 시정수로 인해 응답속도가 느리다는 단점이 있습니다.
자기증폭기는 자기회로 시정수로 인해 응답속도가 느린 것이 주요 단점이다.
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