자동제어계의 요소

제어란 어느 목적에 적합하도록 대상의 되는 것에 적당한 조작을 가하는 것을 말한다. 제어는 수동 제어 시스템과 자동제어 시스템으로 구분되며, 자동제어시스템이란 전자회로, 장치, 컴퓨터 등에 의해 제어 대상을 제어의 목적에 맞게 제어하는 것을 말한다.

 

제어 대상은 전동기의 속도, 공장의 제품 진행방향 등이 어떤 것이라도 가능하며, 이것을 제어 시스템을 통해 제어하게 된다.

제어 대상이란 플랜트, 공정 등을 예로 들면 전동기의 속도, 공장의 제품 진행방향, 국가경쟁 등 등 어떤 것이라도 가능하다. 

제어시스템이란 제어하는것과 제어되는 것으로 구분되는데 제어하는 것은 제어장치, 제어되는 것은 제어 대상, 플랜트, 프로세스 등으로 구분된다.

수동 제어시스템이란 사람이 직접 제어하는 것을 말한다.

자동제어시스템이란 전자회로, 컴퓨터, 장치 등에 의해 제어하는 것을 말하는데 자동제어가 실현될 수 있는 분야는 온도, 습도를 조절하는 냉난방장치의 자동제어와 공작기계, 로봇제어, 모터의 속도 제어와 위치제어의 자동제어, 온도, 압력, 유량 등의 상태량 자동제어, 미사일 유도장치 및 비행 유도, 선박이나 항공기의 자동조정장치, 인공위성 자세 제어 등의 자동제어가 있다.

1) 자동제어계

개회로의 제어계

제어계의 입력과 출력이 서로 독립인 제어계로서 이 종류의 제어계는 부정확하고 신뢰성은 없으나 설치비가 저렴하게 드는 제어계이다. 또한, 이 제어계는 미리 정해 놓은 순서에 따라서 제어의 각 단계가 순차적으로 진행되므로 시퀸스제어라고도 한다.

 

이러한 개회로 제어계는 제어시스템이 간단하며, 설치비가 싸다. 제어동작이 출력과 관계가 없어 오차가 많이 생길 수 있으며 이 오차를 교정할 수가 없다는 단점이 있다.

 

교통신호등 제어시스템이 교통량에 관계없이 정해진 시간 간격으로 순차적으로 신호가 켜질 경우 이는 개회로 제어시스템에 해당하며, 가정용 세탁기의 경우 빨래의 세탁상태와는 무관하게 세탁기가 정하여진 순서대로 불림, 세탁, 헹굼, 탈수 등의 과정을 미리 정하여진 시간대로 수행하여 세탁이 완료될 경우 이는 개회로 제어시스템에 해당한다.

2) 폐회로 제어계

피드백 제어계라고 하며 이 계통에서는 제어의 필요성을 판단하여 수정 동작할 수 있다. 설정값이 정확하고 신뢰성이 있는 제어계라 할 수 있다. 유도미사일의 경우 미사일의 특성, 비행경로에 따른 방향, 속도 등을 미리 알고, 미사일의 방향을 시간적으로 프로그램하여 미사일에 입력시킴으로써 목표 비행경로가 설정한 후, 미사일이 경로에 따라 비행하는 도중, 대기의 상태, 바람 방향 등의 영향으로 실제의 비행경로가 목표 비행경로를 벗어나게 되면, 실제의 비행경로를 실시간으로 측정하여 벗어난 비행경로만큼 방향을 수정함으로써 원하는 목표 경로를 비행하여 목표물에 명중하도록 하는 것이 폐회로 제어계이다.

 

폐회로 제어계의 장점은 생산품질 향상이 좋아 균일한 제품을 얻을 수 있고 원료, 연료 및 동력을 절약할 수 있어 인건비를 줄일 수 있다. 또한 생산 속도를 상승시키고, 생산량을 크게 증대시킬 수 있으며, 노동조건의 향상 및 위험한 환경에서도 안정화된다. 생산설비의 수명 연장과 설비 자동화로 원가를 절감할 수 있다.

 

단점은 자동제어의 설비에 많은 비용이 들고 고도화 된 기술이 필요하며, 제어장치의 운전, 수리 및 보관에 고도의 지식과 능숙한 기술이 있어야 한다. 또한 설비의 일부에 고장이 있어도 전 생산 라인에 영향을 미치는 점이 단점이다.

 

피드백 제어는 오차를 자동적으로 정정하게 하는 자동제어 방식을 말하는데 이 제어 회로는 폐회로로 형성되어 있으므로 이것을 폐회로 제어라고도 한다. 피드백 제어계는 입력과 출력을 비교하는 장치가 필수적으로 있어야 한다.

3) 제어계의 구성 용어

목표값 : 제어량이 그 값을 갖도록 목표로 하여 외부에서 주어지는 신호로서 궤환 제어계에 속하지 않으며 설정값이라 한다.

기준 입력 : 제어계를 동작시키는 기준으로서 목표값에 비례하는 신호 입력이다.

주 궤환 신호 : 동작신호를 얻기 위하여 기준입력과 비교되는 신호로서 제어량의 함수 관계가 된다.

동작신호 : 기준입력과 주궤환 신호와의 편차인 신호로서 제어 동작을 일으키는 원인이 되는 신호이다.

제어요소 : 제어 동작 신호를 인가하면 조작량을 변화시키는 것으로서 조절부와 조작부로 구성된다.

조절부 : 조절부로부터 받은 신호를 조작량으로 변환하여 제어 대상에게 보내는 부분이다.

조작량 : 제어요서에서 제어대상에 인가되는 양이다.

외란 : 제어량의 값을 변화시키려는 외부로 부터의 바람직하지 않은 신호이다.

제어량 : 제어를 받는 궤환계의 양이며 제어 대상이 속하는 양이다.

검출부 : 주로 제어 대상으로 부터 제어량을 검출하고 기준 입력 신호와 비교시키는 부분이다.

제어장치 : 제어를 하기 위해서 제어 대상에 부가하는 장치이다.

제어대상 : 제어 시스템에서 직접 제어를 받는 장치로서 장치의 전체 또는 그 일부분을 받는다.

제어편차 : 목표값으로 부터 제어량을 뺀 값으로 정의되며, 이 신호가 동작 신호와 일치되기도 한다.

다변수 시스템 : 단일 입출력이 아니고, 둘 이상의 입력과 둘 이상의 출력을 가진 시스템을 말한다.