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기계공학의 이해

11. 제어 분야

11.1 개요 1

제어 및자동화분야

공장자동화

로봇분야

비행체시스템

자동차분야

방위산업분야

의료분야

화학공정 생체시스템

◈ 제어 및 자동화 분야

• 고도로 지능화된 산업사회의 어떤 목표를

달성하기 위해서 계측(measurement),

계장(instrumentation), 제어(control),

시스템(system) 분야를 총망라한 것.

• 연구내용

1) 각종 시스템의 물리량을 측정하는 방법

2) 측정 또는 추정된 물리량을 이용하여

원하는 제어목적을 달성하기 위한

제어방법

3) 결정된 제어 동작을 실현하는 방법 등

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기계공학의 이해

11. 제어 분야

11.1 개요 2

◈ 제어의 의미

• 국어사전적 의미

(1) 통제하여 잘 다스리는 것

(2) 상대방을 누르고 자기의 의지대로 동작시키는 것

• 공학에서의 의미

“어떤 대상물을 그대로 방치하면 각각의 법칙에 따라서 변화하는 것을

인간이 적극적으로 대상에 작용을 가함으로써 인간이 원하는 상태로

대상물을 조절하는 것”

• 자동 제어 사람 손에 의하지 않고 컴퓨터와 기계에 의해 자동으로 제어기능을

수행하는 것.

• 수동 제어 사람 손으로 직접 제어 기능을 수행하는 것

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기계공학의 이해

11. 제어 분야

11.1 개요 3

◈ 제어의 기본 원리

예) 보일러의 온도제어

사람이 원하는 온도는 25도이고

현재 물의 온도는 0도이다.

보일러는 기준치인 25도와

실제온도 0도의 차이 값(오차 값)을

읽어서 이 오차 값이 + 값이면

보일러를 가동하고 오차 값이

0도이거나 – 값이면 보일러를

작동하지 않는다.

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기계공학의 이해

11. 제어 분야

11.1 개요 4

제어의 예

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기계공학의 이해

11. 제어 분야

11.1 개요 5

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기계공학의 이해

11. 제어 분야

11.1 개요 6

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기계공학의 이해

11. 제어 분야

11.2 제어의 역사 1

• 자동제어의 개념을 가진 최초의 제어시스템

2000년 전 지금의 이집트인 고대

알렉산드리아의 쿠텐비오즈(Ktesibios;

B.C300-B.C250)가 발명한 물시계

물받이 용기에 물이 일정한 속도로

들어와 수위가 높아지면 그에 따라 용기

속에 떠있는 부표가 올라가게 되고, 그 부표 위에 있으면서 12시간을

가리키는 하나의 지시봉을 가진

작은 인형도 상승하게 되어 현재의

시각을 나타내는 방식.이때 수통 BCDE안의 물높이는 G에

의해서 항상 일정하게 유지됨으로써

일정한 유량을 유지할 수 있게 함.

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기계공학의 이해

11. 제어 분야

11.2 제어의 역사 2

• 자동제어의 개념이 공업에 처음 사용되기 시작

1788년 James Watt 는 증기엔진의

속도를 제어하기 위해 속도조절장치를

개발

두 개의 회전하는 flyball이 회전속도가

증가하면 상승하게 되고 이 flyball에

연결된 증기밸브는 flyball이 상승하면

닫히고 하강하면 열리는 원리로 속도를

제어

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기계공학의 이해

11. 제어 분야

11.2 제어의 역사 3

• 본격적인 제어이론 전개 시작

19세기 후반 맥스웰(James Clerk Maxwell)

증기기관 속도제어 시스템의 안정성을 미분방정식을 이용하여 분석(1868년)

본격적인 수학적 도구에 바탕을 둔 제어 이론이 개발되기 시작

2차 세계 대전 중 무기개발의 필요성으로 제어 기술은 급진전함

1880년대 ~ : PID(비례-적분-미분)제어 확립 오늘날 가장 많이 사용

1950 ~1960년대 : 최적제어 이론 확립

1970 ~1980년대 : 확률제어, 적응제어, 이론(Fuzzy)제어, 인공신경제어 등

PID(Proportion, Integration, Differential)

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기계공학의 이해

11. 제어 분야

11.3 제어 시스템 1

◈ 제어 시스템의 정의

제어 시스템이란 어떤 주어진 목적을 달성하기 위하여 상호작용을 하는

여러 개의 요소가 모여 하나의 복합체를 이루고 있는 실체

모든 제어 시스템은 임의의 입력에

대한 출력을 내보내 주는 블랙박스로

표현함.

특별한 정의 없이 시스템이라 할 경우

대분류 입장에서 볼 때,

동적시스템이라고 간주함

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기계공학의 이해

11. 제어 분야

11.3 제어 시스템 2

시스템 모델링 및 동적 시스템이란 ?

• 모델링의 의미

실제의 물리적 시스템을 수학적으로

이상화한 것을 말함.

모델링을 함으로써 가상의 제어대상을

만들어 낼 수 있음.

• 동적시스템의 의미

일반적으로 출력 응답에 기억 특성을 지닌

시스템

즉, 어느 시각에서의 출력 값이 그 시각의

입력 값에 따라서만 결정되는 것이 아니고

과거의 입력의 영향을 받게 되는 시스템을

말하는 것으로 미분 방정식 등으로 표현됨

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기계공학의 이해

11. 제어 분야

11.3 제어 시스템 3

◈ 제어 시 고려해야 하는 두 가지

(1) 제어 대상중에 무엇을 제어해야 하는가 ?

(2) 무엇에 의해 그것을 변화시키는가 ?

제어량 제어 대상에 관해서 제어를 해야 하는 양.

조작량 제어량에 영향을 주는 것 중에서 제어의 목적 달성을 위해

인간들이 조작하는 양

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기계공학의 이해

11. 제어 분야

11.3 제어 시스템 4

가장 일반적인 제어 시스템 구조 피드백 제어 시스템

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기계공학의 이해

11. 제어 분야

11.3 제어 시스템 5

• 컨트롤러(Controller, 보상기) : 사람의 두뇌에 해당하는 부분으로 오차신호에 따라

제어 입력을 만들어주는 부분.

• 액추에이터(Actuator, 구동기) : 사람의 손발에 해당하는 부분이며 컨트롤러부터

발생되는 제어신호에 따라 제어대상에 작용하는

조작량을 발생시키는 요소.

• 센서(Sensor) : 사람의 오감에 해당하는 부분으로서 제어대상의 출력을 검출한다.

• 외란(Disturbance) : 외부로부터 제어변수를 교란시키는 입력.

주로 제어대상으로 바로 들어감

예) 미사일 제어 시 강풍이 부는 경우 등

• 목표 값(Reference Input, 기준 값) : 제어량의 목표 치로서 설정하는 값.

• 오차(error, 편차) : 기준입력(목표 값)과 센서에서 측정된 출력 값과의 차

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기계공학의 이해

11. 제어 분야

11.3 제어 시스템 6

제어 시스템의 기본적인 구성

통상 Feedback 요소는 센서에

관련된 것이고 Forward 요소는

수학으로 표현되는 시스템의

동 특성 부분임.

기계시스템 이든, 전기시스템

이든, 공정시스템 이든지 일단

수학적으로 모델링이 되면 물리적

특성과는 상관 없이 해석 및

시뮬레이션이 가능함.

피드백 제어 시스템(폐루프 시스템)의 구성

피드백제어 시스템을 사용하는 이유 :

1) 시스템의 정확한 모델링이 불가능할 때

2) 외란 등에 의해서 시스템이 예측가능하지 않을 때

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11. 제어 분야

11.3 제어 시스템 7

피드 포워드 제어 시스템(개루프 시스템)의 구성

피드 포워드 제어 시스템을 사용하는 경우 :

1) 시스템의 정확한 모델링이 가능하거나 특성이 확실할 때

2) 시스템이 외부 환경으로부터 아무런 영향을 받지 않을 때

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기계공학의 이해

11. 제어 분야

11.3 제어 시스템 8

• Rising Time(상승시간) :

목표 값의 90%까지 도달하는데

걸리는 시간

• Overshoot(오버슈트) :

목표 값을 초과하는 시스템의

최대값을 %로 나타낸 것.

• Settling Time(정착시간) :

오차 값이 최종 값의 1%범위 내로

안정이 될 때까지 걸리는 시간

• Steady-State Error(정상상태 오차) :

시스템 최종 값과 목표 값과의 차이

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기계공학의 이해

11. 제어 분야

11.4 제어 동작 1

P(비례) 제어

• 비례제어기(Proportional Controller; 이하

P 제어기)는 제어기 중 가장 간단한 경우임

• 오차신호 e(t)를 단순 증폭(Kp)하여

제어신호로 보내는 경우임.

이때 Kp 의 값이 크면 클수록 Rising Time이빨라지지만 오버슈트와 Settiling Time이

커질 가능성이 있음

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기계공학의 이해

11. 제어 분야

11.4 제어 동작 2

PD(비례-미분) 제어

비례제어기에

미분제어기를 추가할 경우오버슈트와 Settling Time을감소시킬 수 있다.

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기계공학의 이해

11. 제어 분야

11.4 제어 동작 3

PI(비례-적분) 제어

I 제어기를 이용할 경우Settling Time 등은증가하지만 정상상태오차를감소할 수 있다.

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기계공학의 이해

11. 제어 분야

11.4 제어 동작 4

PID(비례-적분-미분) 제어

세가지를 모두 조합할 경우가장 빠르면서 정확한 제어를얻을 수 있다.

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기계공학의 이해

11. 제어 분야

11.5 응용 1

태양에너지를 이용한 조명 On-Off시스템

낮 시간동안 태양광선에 의해

태양전지에서 전류가 발생되면

충전부에 충전이 되면서 센서로

전류신호 감지 스위치OFF밤이 되어 태양전지에서 전류가

발생되지 않으면 센서에 전류가

없으므로 스위치 ON

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기계공학의 이해

11. 제어 분야

11.5 응용 2

보일러의 온도제어 시스템

온도조절기에서 원하는 온도 설정

온도센서는 실내온도를 감지하여

설정된 온도와 비교하여 제어기로

신호를 보냄.

제어기에서는 이 오차신호를 받아

적당한 제어입력을 만들어 솔레노이드

밸브에 지령을 내림.

솔레노이드 밸브는 지령에 따라

연료의 양을 조절함으로써 온도조절을

실시.

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기계공학의 이해

11. 제어 분야

11.5 응용 3

차량의 전자제어 현가 장치ECS(Electronic Control Suspension System)

차체 진동을 가속도계가 검출하고

검출된 진동에 따라 제어기에서

제어입력을 발생시켜 구동기에 있는

솔레노이드 밸브에 지령을 내림.

솔레노이드 밸브의 작동으로

감쇠계수를 변화시켜 진동을 줄이는

방법.

저속 주행 시에는 감쇠 값이 클때

진동을 많이 줄일 수 있고

고속 주행 시에는 감쇠 값이 작을때

진동을 많이 줄일 수 있음.

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기계공학의 이해

11. 제어 분야

11.5 응용 4

DVD 플레이어 구동 제어 시스템

Sled에 있는 Laser가 발광하면내부에 있는 렌즈와 거울로 조합된장치를 지나 광 디스크 면에 레이저초점이 맺히게 되고 이 초점이반사되어 PD(Photo Detector)에검출된다.

검출된 신호는 RF앰프를 지나각각의 포커싱, 트래캥, 스핀들모터의 오차신호를 분류하여제어기로 보내어 지고 제어기는각각 오차를 줄이기 위해제어신호를 모터 드라이브로 보내어각각 시스템을 제어한다.

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기계공학의 이해

11. 제어 분야

11.6 제어 및 자동화분야의 미래 목표

• 기술이 발전할 수록 점점 더 복잡한 제어문제가 등장함

초소형 무인항공기, 자율 잠수함, 지능형 무인자동차, 인간형 서비스 로봇

무인 생산시스템, 고 효율 연료 제어,

• 제어 및 자동화 분야는 공학과 수학에 대한 튼튼한 기초를 배경으로 기계공학,

전기전자공학, 항공우주공학, 화학공학, 의공학, 생물학, 경제학 분야에

이르기까지 방대한 영역에서 새로운 문제를 정의하고 해결할 수 있는 능력을

배양할 수 있어야 함.