2.자동제어계의 성격, 용도, 동작 등에 따른 분류

1.1 제어의 일반

제어량 -> 제어편차 -> 조작량 -> 제어량이라는 신호가 순환하는 루프가 피드백 폐 루프(Closed Loop)에 의해 구성되고 있고, 이 폐 루프에 대하여 피드백이 없는 경우의 신호 경로를 개 루프(Open-Loop)라 한다.

가) 개회로 제어계 (Open-loop Control System)

가장 간단하고 복잡하지 않은 장치로서 장점은 있으나 제어 동작이 출력과 전혀 관계가 없어 오차가 많이 생길 수 있고, 이 오차를 교정할 수 없는 단점도 있다. 또한, 이 제어계는 미리 정해놓은 순서에 따라서 제어의 각 단계가 순차적으로 진행되므로 시퀀스 제어라고도 한다.

나) 폐회로 제어계 (Closed-loop Control System)

좀 더 정확하고 신뢰성 있는 제어를 하기 위해 제어계의 출력이 목푯값과 일치하는가를 항상 비교하여, 일치하지 않을 때는 그 오차를 수정하도록 하는 피드백 경로를 가지고 있는 제어계를 말하며, 이 경우 피드백 경로가 있기 때문에 피드백 제어계(Feed-back Control System)라 한다.

마. 제어방식

가) 시퀀스 제어와 스케줄 제어

시퀀스 제어는 프로그램 제어와 조건제어로 분류되며 프로그램 제어에는 핀 보드, 테이프, 카드 캠 등에 의해 미리 제어 동작이 정해져 있어 그 정해진 순서대로 동작하는 제어방식이고, 조건제에는 위치, 전기량, 물리량 등 미리 정해진 조건이 만족하였을 때 그 조건에 의해 동작하는 제어방식이다. 그러나 일반적으로 분류하기는 어렵다.

스케줄 제어의 가장 간단한 방법은 프로그램 타이머에 의한 기기의 간헐적 운전제어 방식 등을 들 수 있다.

나) 피드백(Feed-back) 제어와 피드포워드(Feed-Forward) 제어 수동제어와 자동제어 예 가운데 어느 것이든 하나의 폐 루프가 형성되어 있었으나, 특히 화살표 방향에 주의해 그림 1-3을 보면 「측정-> 비교-> 판단 -> 수정」이라고 하는 방법으로 돌며 마치 흐르고 있는 것 같은 느낌을 준다. 실제 이 흐름에 주목하여 그림 1-5의 자동제어 루프를 본다.

다시 한번 그림 1-5를 의식하면서 그림 1-7의 흐름을 따라가 본다. 검출 부에서 측정한 측정치(측정 결과)가 화살표와 같이 조절기에 가해지면 조절기는 자신이 갖고 있는(기억하는) 목표치와 비교하여 그 차에 따라 판단하여 조작단에 수정신호라고 하는 「명령」을 전달하여 측정치가 목표치와 일치하도록 수정 동작을 하여 갈라진 곳에서 수정 동작을 고정한다. 여기서 측정치와 목표치의 차를 제어편차라 하며 이 제어편차에만 의지하여 그것을 O(zero)로 일치한 수정을 가하여 양호한 제어 상태를 이끌 수 있게 된다. 동시에 수정한 결과는 다시 한번 검출 부에서 검출되어 비교되고 그 결과에 따라서 다시 수정량을 판단하는 방법으로 제어편차에 의지하여 행하는 이와 같은 제어 루프는 이미 알고 있는 대로의 결과가 루프 속을 통하여 행해지는 것이 아니고 한 바퀴 돌아서 다시 처음으로 돌아오므로(피드백 되어오므로) 이 방식을 피드백 제어라 부르고 있다. 그리고 이것들을 자동으로 행해지도록 하는 것이 피드백 자동제어이며, 또 이 피드백 제어계를 가리켜 피드백 루프(Feed back Loop)라 부르고 있다. 현재 우리 생활 중에서 많은 기기가 피드백 제어에 의해 자동 운전되고 있다. 예를 들면 우리 주변에서 룸에어컨은 실내 온도를 설정하면 설정온도가 되도록 모터를 기동 /정지시키거나 전동기의 회전수를 변화시켜 실온을 제어한다. 이 경우는 실온을 계측하면서 실온이 설정온도보다 낮으면 전동기의 회전수를 내리거나 정지시켜 실온이 내리는 것을 방지하고 반대로 실온이 설정온도보다 높으면 전동기의 회전수를 높여 실온이 상승하는 것을 방지한다. 이러한 온도제어 외에 유량제어, 액면 제어, 펌프의 운전 대수제어 등에 적용되고 있다. 이처럼 피드백 제어는 제어 결과가 제어 편차에 반영되는 데(최종적으로는 제어량에 반영됨) 대해 피드포워드 제어는 제어 결과에 의하지 않고 목푯값으로부터 제어량을 변위시키는 요인을 예측, 제어할 수 있는 조작량을 결정하며 제어하는 것이다. 이 제어의 특징은 목푯값으로부터 제어량을 변위시키는 요인을 파악하여 그 행동을 예측함으로써 다음에 제어할 조작량을 결정하기 때문에 원리적으로는 제어 지연이 발생하지 않고 예측(추정)하는 데에도 온라인에 의한 예측 연산이 필요하기 때문에 의한 디지털 제어(DDC 제어 : Direct Digital Control 제어)가 대부분이며 비교적 대규모 장치가 있어야 한다.

 

1.2 자동제어의 분류

자동제어계는 그 계의 성격, 용도, 구성, 동작 등에 따라 분류되며 그 응용되는 분야도 대단히 광범위할 뿐만 아니라, 제어 이론의 급속한 발전과 실제 적용이 확대됨에 따라 제어의 명칭이 늘어나고 있다.

 

가. 제어량의 종류에 의한 분류

가) 프로세스 제어 (Process Control)

어떤 장치에 원료를 넣어 이것에 물리적, 화학적 처리를 가하여 목적하는 제품을 만드는 공정을 프로세스라 하며 온도, 유량, 압력, 액면, 효율 등의 공업 프로세스의 상태량을 제어량으로 하는 제어

나) 서보기구 (Servo Mechanism)

물체의 위치, 각도(자세, 방향) 등을 제어량으로 하고 목표치의 임의의 변화에 추종하는 것과 같이 구성된 제어장치를 서보기구 또는 서보계(Servo System)라 한다.

예) 공작기계, 공업용 로봇, 로켓, 비행기 및 선박의 방향 제어계, 미사일 발사대의 자

동 위치 제어계, 추적용 레이더 등

다) 자동조정 (Automatic Regulation)

제어량은 회전수, 전압, 전력, 주파수, 온도 등이 있지만 목표치는 장시간 계속하여 고정하고 있다.

예) 증기 기관의 조속기