개념 한 쪽
제어 시스템은 목표값을 유지하거나 추종하기 위해 여러 신호가 오가며 동작한다. 주요 개념으로 목표값, 조작량, 제어량, 외란, 제어명령, 편차 등이 있고 각 용어를 구분하는 것이 기본이다. 문제에서는 신호의 흐름과 각 신호가 시스템에서 어떤 역할을 하는지 따라가며 정답을 찾는 방식으로 출제되는 경우가 많음을 말한다.
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출제기준 단원 「제어량의 종류」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 제어장치 출력 용어 판별 | 1 | 제어기의 출력이자 제어대상 입력인 신호 명칭을 묻는다 |
| 변수 대응 관계 판단 | 1 | 조작수단·조작량·제어량을 구분하여 잘못 짝지어진 것을 찾는다 |
| 장치 분류에 따른 역할 확인 | 1 | 외부 영향 또는 장치 조작이 제어계의 어느 요소인지 식별한다 |
제어량은 제어대상의 실제 출력값 또는 상태를 의미한다. 예로 전동기의 회전수 900 rpm이나 발전기 단자전압과 같은 실제로 측정 가능한 물리량이 제어량에 해당한다. 폐루프 제어에서는 제어량이 목표값과 비교되어 오차가 발생하고, 이 오차가 제어 동작을 결정하는 기초가 된다.
조작량은 제어기가 제어대상에 가하는 출력신호로서 제어대상의 입력에 해당한다. 예로 계자전류처럼 조작자가 조절하거나 제어기가 변화시키는 입력 변수가 조작량이다. 조작량은 제어대상을 어떻게 움직일지 결정하는 직접적인 수단이므로 '조작하는 양'으로 이해한다.
외란은 시스템 경계 밖에서 들어와 제어량을 변화시키는 외부 요인으로서 인위적으로 제어할 수 없는 교란 신호를 의미한다. 예로 외부로 빼앗기는 열량처럼 시스템의 정상 동작을 방해하는 외부 입력이 외란에 해당한다. 외란은 제어기가 미리 예상하지 못한 영향을 주어 편차를 발생시킬 수 있다.
목표값의 특성에 따라 제어 방식 분류가 가능하다. 목표값이 일정하면 정치 제어, 목표값이 임의로 변하면 추종 제어, 목표값이 시간에 따라 미리 정해진 함수이면 프로그램 제어로 분류한다. 제어명령은 목표 상태 달성을 위해 시스템에 가하는 입력신호를 뜻한다.
제어 편차는 기준 입력신호와 제어량의 차이로서 시스템이 얼마나 목표에서 벗어났는지 나타내며 제어기의 동작을 결정하는 기초가 된다. 입력·출력·조작의 관계를 명확히 구분하면 용어 문제를 쉽게 해결한다.
문제에서 "제어장치의 출력이자 제어대상의 입력인 신호"를 묻는다면 조작량을 선택해야 한다. 이는 조작량이 제어기의 출력이면서 제어대상의 입력이라는 정의와 일치한다.
전동기의 회전수를 예로 들어 입력전압을 조정하여 회전수를 900 rpm으로 만들었다면 이 900 rpm은 제어대상의 실제 상태이므로 제어량에 해당한다. 이처럼 '실제 출력값'을 보면 제어량으로 판정한다.
방 온도 조절 예에서 외부로 빠져나가는 열량은 시스템 밖에서 온도를 낮추는 요인이므로 외란으로 분류한다. 외란은 제어자가 인위적으로 바꿀 수 없는 외부 입력이라는 점을 기준으로 식별한다.
제어장치가 제어대상에 가하는 제어신호로 제어장치의 출력인 동시에 제어대상의 입력인 신호는?
정답 ② · 제어공학에서 조작량(Manipulated Variable)은 제어 장치가 제어 대상(Plant)을 목표값에 일치시키기 위해 가하는 제어 신호를 의미합니다. 이는 제어 장치의 출력이자 제어 대상의 입력이 됩니다.
제어장치의 출력이자 제어대상의 입력인 신호는 조작량으로, 제어대상 상태를 변화시키는 직접적인 원인이다.
발전기의 단자전압을 200V로 일정하게 유지하기 위하여 전압계를 보면서 계자저항을 조정하여 계자전류를 조정한다. 다음 중 잘못 짝지어진 것은?
정답 ③ · 문제는 발전기 단자전압을 일정하게 유지하기 위한 제어계 요소의 대응 관계 중 잘못 짝지어진 것을 찾는 것이다. 목표값은 설정하고자 하는 단자전압(여기서는 200V), 조작량은 조작을 통해 변화시키는 입력(계자전류를 조절하기 위해 조정하는 계자저항에 의해 변하는 계자전류), 제어대상은 발전기 그 자체이다.
계자저항은 조작자가 직접 조정하는 입력값인 조작량이며, 제어량은 발전기 단자전압이므로 ③이 잘못 짚어진 것이다.
콘덴서의 정전용량을 변화시켜서 발진기의 주파수를 1kHz로 하고자 한다. 이 때 발진기는 자동제어 용어 중 어느 것에 해당 되는가?
정답 ④ · 발진기의 주파수를 1kHz로 맞추기 위해 콘덴서의 정전용량 값을 변화시키는 행위는, 제어계에서 원하는 목표값(1kHz)을 얻기 위해 시스템에 입력하는 '조작량(Manipulated Variable)'에 해당합니다. 제어대상은 시스템 그 자체이며 목표값은 1kHz, 제어량은 실제 출력되는 주파수입니다.
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