자동제어 의 기본개념 및 시퀀스 뜻 #1

■ 자동 제어의 기본 개념

자동제어

자동제어는 시스템이나 프로세스의 동작을 인간의 개입 없이 자동으로 조절하고 관리하는 것을 말합니다.

이는 다양한 분야에서 사용되며, 제조업, 에너지, 교통, 환경 등 다양한 산업과 시스템에서 중요한 역할을 합니다.

자동제어 시스템은 일반적으로 센서를 사용하여 현재 상태를 감지하고, 이 정보를 피드백하여 컨트롤러가 결정을 내리고, 액추에이터를 통해 시스템에 영향을 가해 원하는 동작을 이끌어냅니다.

자동제어 시스템은 다양한 제어 알고리즘과 기술을 사용하여 설계됩니다.

PID(Proportional-Integral-Derivative) 제어, 모델 기반 제어, 인공 신경망을 이용한 제어 등이 널리 사용되며, 각각의 장단점과 적용 분야가 있습니다. 

자동제어의 기본 개념은 시스템이나 프로세스를 원하는 목표 상태로 유지하거나 제어하는 것입니다. 이를 위해선 다음과 같은 단계가 필요합니다

• 센싱(Sensing) : 시스템의 현재 상태를 측정하고 감지합니다. 이는 센서를 통해 이루어집니다.
• 판단(Processing) : 센싱된 데이터를 기반으로 시스템의 상태를 평가하고 원하는 목표 상태와 비교하여 제어 결정을 내립니다.
• 제어(Control) : 판단된 정보에 따라 액추에이터를 조작하여 시스템의 동작을 변경하고 원하는 목표 상태로 유지합니다.
• 피드백(Feedback) : 시스템의 출력을 다시 센싱하여 실제 상태와 목표 상태 간의 차이를 계산하고 이를 다시 제어에 피드백하여 조절합니다.

이러한 단계를 반복하여 자동제어 시스템은 시스템의 안정성을 유지하고 성능을 최적화합니다. 이때 중요한 개념은 제어 시스템의 안정성, 반응성, 신뢰성 등을 고려하여 적절한 알고리즘과 구조를 선택하는 것입니다.

 

▣ 자동제어의 정의

새로운 제어시스템을 만들고 또 현재 있는 시스템을 계속적으로 개선하고 확대시키기 위해서는 제어의 정의와 여기에 사용되는 부품들에 대한 정확한 지식이 필요하다. 일반적으로 제어라 함은 『조작 또는 동작에 의하여 어떤 목적에 적합하도록 양의 증감이나 또는 상태의 변화를 갖게 하든가, 양 또는 상태를 일정하게 유지』하는 것을 말한다.

자동제어(Automatic control)란 어떤 대상시스템의 상태나 출력이 원하는 특성을 얻도록 입력신호를 기계장치로부터 적절히 조절하는 방법이다. 여기서, 제어하고자 하는 대상을 플랜트(plant), 제어동작을 수행하는 장치를 제어기(controller)라고 부른다.

 

(1) 자동제어 / 수동제어

어떤 목적에 적합하도록 제어의 대상에 적당한 조작이나 동작을 주는 것을 제어라 하고 이 제어를 사람이 개입하여 하는 제어를 수동제어, 사람의 개입 없이 제어장치에 의해 자동적으로 수행되는 제어를 자동제어라고 한다.

 

①수동제어 : 사람이 직접 조작하는 제어 (자동차의 운전, 전등의 점등)

사람 : 제어의 판단, 조작

단점 :

ⓐ 원하는 제어 불가능 - 숙련된 기술

ⓑ 지속적인( 연속적인) 주의력 집중 불가능

ⓒ 위험한 장소에 사람 배치 불가능

 

②자동제어: 제어 장치에 의해서 자동적으로 이루어지는 제어

기계 : 제어의 판단, 조작

장점 : 

ⓐ 전 화 교 환 제어의 정확성과 정밀성

ⓑ교통 신호 장치 제어의 정확성과 정밀성

 

(2) 제어장치

제어장치란 제어대상에 조합되어 제어를 수행하는 것을 말하며, 이 제어대상과 제어장치를 주체로 하나의 목적을 가진 체계를 제어계라고 하고, 기본제어계는 조작, 제어대상, 결과(출력)의 순서로 이루어지며, 조작은 입력 또는 그 외의 방법에 의해 소정의 운동을 하게 하는 것이고, 동작이란 어떤 원인이 주어짐에 따라 소정의 작용을 하는 것이며, 조정이란 양 또는 상태를 일정하게 유지하거나 또는 일정한 기준에 맞춰 변화시키는 것이다.

 

▣ 자동제어의 분류

자동제어를 분류하는 방식에는 되먹임제어(feedback control)와 시퀀스제어(sequence control)가 있다.

이 중 시퀀스제어란 미리 정해진 순서에 따라 제어의 각 단계를 점차로 진행해 나가는 제어라 정의하고 있으며, 불연속적인 작업을 행하는 공정제어 등에 널리 이용된다.

이는 일종의 스위치나 버튼을 사용하여 전기회로의 부하를 운전하기도 하고, 부하의 운전상태나 고장상태를 알리기도 하는 일련의 제어를 말하는 것으로 근래에 사용되는 전기회로는 모두 이러한 시퀀스회로로 만들어져 있으며, 예로 빌딩이나 공장 등에서 엘리베이터를 움직이고 고장을 알리기도 하고, 세탁기, 냉장고, 자동판매기 등도 시퀀스로 움직이고 있다.

되먹임제어(피드백제어)는 피드백에 의해 제어량을 목표값과 비교하여 일치시키도록 정정 동작을 하는 제어이다.

무접점 소자를 이용한 제어회로에는 PLC 등의 전자회로를 사용한 것이 있고, 유접점 소자는 버튼스위치나 각종 계전기(Relay)를 사용한 것이다.

 

▣ 자동제어의 필요성

일반적으로 사람이 가지고 있는 작업 능력은 매우 우수하다고 할 수 있다. 간단한 손작업이라도 그것과 동일한 작업을 기계로 실행하려면 때때로 매우 높은 수준의 복잡한 장치가 필요하기도 하고 혹은 불가능할 때도 있다. 또한, 사람은 어느 정도 돌발적인 사태에 대해서 적절한 판단을 내릴 수가 있고 새로운 작업에 대해서도 비교적 신속히 작업에 익숙해질 수가 있으며, 어떠한 정밀 기계를 이용해도 도저히 흉내낼 수 없는 고도의 능력을 가지고 있다.

그러나, 반면에 사람이 기계에 도저히 미치지 못하는 점도 있다. 우선 단조로운 작업을 장시간 연속해서 작업할 수 있는 능력과 많은 힘이 소요되는 작업에 대해서는 기계에 훨씬 미치지 못하게 된다. 따라서, 사람이 하기 힘든 작업을 기계화와 자동화를 함으로써 사람이 하는 것보다 정확하게 계속적으로 작업을 할 수 있다. 결국 사람 대신 자동 제어계로 대행시키면 제어의 정확도와 정밀도를 높일 수 있게 되는 것이다.

 

이것을 생산 공정이나 기계 장치 등에 이용하면 다음과 같은 이점이 있다.

① 제품의 생산 속도를 증가시킨다.

② 제품의 품질이 향상되고 제품의 균일화로 인해 불량품이 감소한다.

③ 수동 조작을 위한 작업자가 필요 없으므로 노동력이 줄어 인건비가 절감된다.

④ 생산 설비에 일정한 힘을 가하므로 수명이 길어진다.

⑤ 힘이 드는 작업을 자동화함으로써 노동 조건이 향상된다.

 

☞  자동제어의 발달 및 영향

⊙ 에너지원의 발달 순서

• 인력 및 가축력(육체노동) ⇒ 풍력 및 수력(수공업) ⇒ 석 탄(산업혁명) ⇒ 전력 및 석유(기계화)

 

1) 필요성의 원인

• 기계화의 영향

1. 기계의 대용량화
2. 복잡화, 고속화
3. 주의력, 신속성, 정확성 강력한 조작력
   1. 예) 항공기의 고속화 , 발전소의 대용량화
4. 조속기의 발명(Watt) 회전수 문제 해결, 증기기관의 실용화
5. 제어의 발전
   1. 예) 원동기의 속도 조절, 발전기의 전압 및 주파수
6. 군사상의 목적으로 발전 어뢰의 자동조종, 포탑의 제어
7. 각종 화학 공업 프로세스의 계장, 공작기계의 제어

 

2) 자동제어의 장점

1. 제품의 균일화 불량품 감소
2. 원자재 및 연료 절약
3. 연속 작업 가능
4. 고속 작업 가능
5. 정밀 작업 가능
6. 위험이 있는 장소에서의 작업 기계로 대치
7. 위험한 사고 방지 가능
8. 투자 자본의 절약이 가능
9. 노력 절감이 가능

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