자동제어 개념 1 1

목 차 1 제어란 무엇인가? 2 제어 시스템의 기본 구성 3 개루프제어와 폐루프제어 4 궤환제어 시스템의 시초 5 안정성이란? 목 차 1 제어란 무엇인가? 2 제어 시스템의 기본 구성 3 개루프제어와 폐루프제어 4 궤환제어 시스템의 시초 5 안정성이란? 6 서보제어 7 서보모터와 구동기 8 자동화를 위한 계측 9 시퀀스제어 10 간단한 제어기의 구성 11 디지털 제어 12. 센서 인터페이스 13.지능형 이동로봇 설계의 예 2 2

1 제어란 무엇인가? ◎1.1 우리 주변의 제어 [그림 9-1] 수도꼭지로 더운물과 찬물의 유량을 조절함으로써 물의 온도와 세기를 제어함 [그림 9-2] 폐달을 밟는 힘과 브레이크 잡는 힘으로 속도조절. 자전거 방향은 핸들의 위치를 조절하여 제어함 3 3

⊙ 이와 같이 제어는 시스템이 일상생활에 사용되고 있다. ⊙ [그림 9-3] 실내온도 조절기의 온도조절기의 설정하여 방안의 온도를 제어함. ( 방안의 온도가 높을 시에는 가스밸브가 열리면서 보일러에 물을 끓여 방안에 열을 공급하고, 방안의 온도가 낮을 시에는 보일러가 작동하지 않는다.) ⊙ 이와 같이 제어는 시스템이 일상생활에 사용되고 있다. 4 4

◎ 자동제어와 수동제어 ⊙ 자동제어 : 컴퓨터와 기계에 의해 원하는 양이 제어되는 경우 ⊙ 수동제어 : 사람이 집적하는 제어 ☞ 자동제어를 하는 이유 1. 자동제어를 하지 않으면 안 되는 기술과 위험 지역이어서 사람의 접근이 불가능 한 지역 2. 자동제어를 함으로 해서 편리성과 안정성을 가질 수 있는 경우 ⊙ [그림 9-4] 행성탐사 로봇은 먼 곳이어서 자동제어를 해야만 하는 경우이다. 5

2 제어 시스템의 기본 구성 ☞ 제어 시스템의 기본 구성(1) ○플랜트(plant): 제어해야 할 대상 ○출력 (output): 제어량. 제어하고자 하는 것. ○제어입력(control input): 임의로 변화시킬 수 있는 양. 조작량 ○외란(disturbance):의지대로 할 수 없는 양. 잡음(noise) 6

⊙ [그림 9-5]와 [그림 9-6]은 제어 시스템의 기본구성에 대해 알수 있다 ☞ 제어 시스템의 기본구성(2) ○엑츄에이터(actuator): 조작량을 제어의 목적에 맞게 조절하는 구조 .구동기 ex) 온도조절기의 보일러, 자동차의 엔진 ○제어신호(control signal): 엑츄에이터에 인가하는 조작량을 변화시키는 신호 ○제어기(cotroller): 제어신호를 만들어 주는 것 ex) 운전자 두뇌 ⊙ [그림 9-7] 제어기와 제어대상에 대한 설명표 7

⊙ [그림 9-8] 제어 시스템의 전체 구성 즉, 이때까지 제어 시스템의 구성도 를 블록 선로로 나타낸 것이다. ex) 자동온도 시스템 : 원하는 값(목표치) → 방안의 온도 설정(제어기) → 방안의 온도를 정량 계측하는 장치(센서) → 방안의 온도와 목표치를 적절히 비교하여 제어신호로 보냄 → 엑츄에이터인 보일러를 방안의 온도에 따라 작동시킴. 8

3 개루프제어와 폐루프제어 3.1 개루프제어 ⊙ 개루프 제어 : 실제량에 관계없이 주어진 조건으로 동작하는 제어 ex) 토스트기, 선풍기 ⊙ [그림 9-9] 개루프제어 구성 [그림 9-10] 외란이 가해졌을때 구성 ☞ 개루프제어의 단점 : 외란이 가해지면 그 영향에 의해 제어량이 변화되는 것이다. ex) 나무를 자를때 전동톱의 속도 감소. 9-9

3.2 폐루프 제어 ⊙ 폐루프제어 : 제어량을 측정하여서 제어기에 의해 제어 신호를 결정하는 제어 시스템. 귀환시스템 ☞ 폐루프시스템의 장점 : 외란에 의해서도 우수한 성능을 가짐. ( 개루프시스템을 보안) ⊙ [그림 9-11] 전동톱의 폐루프 제어. 특징 : 출력값(제어기) → 속도센서 → 제어기로 보냄 10

4궤환 제어시스템의 시초 ⊙ 궤환제어 시스템의 시초 : 수위 부표 조정기로 물의 높이 조절함 ⊙ [그림 9-12] 수위 부표 조정기의 블록선도이다. ex) 증기엔진 ☞ 자동귀환제어기. 산업공정에서 최초 사용함 증기엔진의 속도를 제어하기 위해 속도조절기사용 ⊙[그림 9-13] 증기기관의 속도제어 시스템과 그에 따른 블록 선도를 나타내었다. 11

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5 안정성이란? [그림 9-14] 원추의 안정성을 [그림 9-15] 부귀환과 정귀환 시스템 ⊙ 안정한 시스템 : 응답이 일정한 크기로 안정되게 유지되는 시스템 ⊙ 안정성 1. 안정 (속도조정기를 가지는 증기엔진) 2. 중립 3. 불안정 (마이크와 스피커가 마주보고 있는 증폭되는 상황) ⊙ 부귀환 시스템 : 속도의 변화에 따라 제어 가능한 시스템 ex) 증기엔진 ⊙ 정귀환 시스템 : 어느정도의 제어량만 가능함 ex) 마이크와 스피커 [그림 9-14] 원추의 안정성을 [그림 9-15] 부귀환과 정귀환 시스템 13

6 서보제어 6.1 서보제어란? ⊙ 서보제어 : 저에대상의 위치, 방향 자세를 제어하는 시스템 ex) 산업용 로봇 ⊙ [그림 9-16] 산업용 로봇 14

6.2 서보 시스템의 엑추레이트 ☞ 엑추레이터를 움직이게 하는 3가지 에너지 형태 1.공압 시스템 : 미세한 제어에 부적합 하나 폭발에 대한 안전성과 단순성, 유지성이 좋아서 산업공정 제어사용 2.유압시스템 : 작은 관성과 작은 중량으로 큰 힘을 제공하. 속도가 빠른 반면에 가격이 비싸고 유압원, 배관이 필요함. 3. 전기 시스템 : 타 시스템에 비해 응답속도는 느리나 제어가 용이함 ⊙ [그림 9-17] 공압 실린더에 대한 원리와 사진. 15

⊙ [그림 9-18] 유압 실린더 ○ 공압모터 : 전차문의 개폐 ○ 유압모터 : 크레인의 팔 ○ 전기모터 : 세탁기와 선풍기의 회전 16

⊙동적 시스템 : 응답이 불연속적으로 급격히 변화할 수 없는 시스템 ex) [그림 9-19] ⊙시정수 : 최종속도의 63%를 가지는데 까지 걸리는 시간 ⊙상승시간 : 최종속도에서 10% ~ 90%까지 변화 하는데 걸리는 시간 ⊙ [그림 9-19] 계단 입력에 대한 응답 ⊙[그림 9-20] 계단응답 특성 19

7 서보모터와 구동기 ⊙스텝 모터 : 디지털로 제어 구성이 간단. 외란에 대한 정밀도가 낮음. 고속토크가 작다. ⊙리니어 모터 : 전기에너지를 직선의 힘으로 변환 시키는 모터 18

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7.2 서보모터 구동기 ⊙ AC-DC 변환 : 교류전력을 직류전력으로 변환 ex) 어댑터 ⊙ DC-DC 변환 : 직류전력의 크기 변환 ex) 직류변환. 컨버터 ⊙ DC-AC 변환 : 직류전력을 교류전력으로 변환 ex) 인버터 ⊙ AC-AC 변환 : 교류전력의 형태의 최대치. 주파수. 위상 중에 하나 이상을 변환 시키는 방식. 교류변환 ex) 사이크로컨버터. 인버터 스탠드 ☞ 서보 모터의 구동 ○스텝모터(펄스형 디지털 신호) ○직류모터 (직류 전압의 가변하여 속도 변화) ○교류모터 (교류전압 크기 주파수 가변 속도 변화) 20

8.1 센서란? 8 자동화를 위한 계측 ⊙ 계측계 : 측정대상물로 부터 관심이 있는 정보를 얻기 위한 계 ⊙ 센서 : 대상물의 상태나 주변에 대한 정보를 검출해 낸는 기기. 트랜스듀서 라고도 한다. 9-21

8.2 센서의 분류 8.2.1 접촉식과 비접촉식 센서 8.2.2 능동식과 수동식 센서 ○ 접촉식 센서 : 기계요소를 집적 닿게 하여 변위 측정 ex) 온도 측정기 ○ 비접촉식 센서 : 대상물에 직접 닿지 않고 측정 ex) 빛. 초음파. 와전류 8.2.2 능동식과 수동식 센서 ○ 수동식 센서 : 신호를 받아들이는 수신부만 있으면 됨. 구조 간단함 ○ 능동식 센서 : 송수신부 모두 있어야 함. 비접촉식이 많음. 8.2.3 인간의 오감과 센서 ○ [표 9.4] 참고 22

8.2.4 서보센서 ⊙ 서보센서 : 위치. 속도와 가속도를 검출하는 센서. ＊속도 = 위치센서 미분 ＊가속도 = 속도 미분 또는 위치센서의 변위를 미분함 ⊙ [표 9.5] 서보센서의 원리와 특징 9-23

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9 시퀀스제어 ⊙ 시퀀스 제어 : 정해놓은 순서에 따라 제어의 각 단계를 순차적으로 진행해 나가는 제어 ex) 전기세탁기. 전기밥솥. 자동차의 운전 등 ※ 시퀀스제어 초기는 전자석을 이용한 유 접전계전기. 유 접전계만으로 시스템 구현이 어려워 지면서 무 접점 시퀀스 제어를 많이 사용함. ○ 무 접전 시퀀스 제어용 장치 : PLC▷마이크로프로세서 개발로 유용성과 발전에 큰 뒷받침. 계전기기를 공장자동화의 핵심기기임 25

⊙ [표 9.6] 계전기제어와 PLC의 비교 ⊙ 계전기의 접점이나 논리소자를 프로그램화 하여 기억시켜서 조합하여 회로를 구성하거나 개방시키는 장치. 사용자가 필요한 시퀀스를 쉽게 얻는 장치임 26

⊙ [그림 9-28] 물탱크의 수위가 항상 일정하게 유지 되도록하는 시스템 ☞ 시퀀스제어의 예 ⊙ [그림 9-28] 물탱크의 수위가 항상 일정하게 유지 되도록하는 시스템 27

9.10.1 개폐 제어기 emin, e(t) < 0 경우 9.10.2 비례 제어기 10 간단한 제어기의 구성 ⊙ 실내온도가 높으면 보일러 OFF 실내온도가 낮으면 보일러 ON c(t) = emax, e(t) > 0 경우 emin, e(t) < 0 경우 ※ 제어신호 : c(t) 오차신호(목표치-현재 제어량) : e(t) 9.10.2 비례 제어기 ⊙ [그림 9-30] 과 같이 비례 관계를 가지는 제어기 c(t) = Kp * e(t) ※제어신호 : c(t) 오차신호 : e(t) 비례상수 Kp : 비례이득 28

⊙ 전체 시스템에 대한 블록선도가는 비례 이득 Kp기 작으면 응답이 느리고 비례 이득 Kp가 크면 불안정 함을 알수 있다. 29

10.3 적분 제어기 10.4 미분 제어기 ⊙ 적분 제어기만 있는 경우 정상오차는 없애고 응답시 진동이 커짐 c(t) = K1 * Intergral e(t) dt ( 적분 범위 0 ~ t0) 10.4 미분 제어기 ⊙ 미분제어기만 사용하면 변화율만 이용 시스템이 불안정 해짐 c(t) = KD * de(t) / dt ☞ 적분 미분 제어기 모두 비례-적분기와 조합 사용 하여야 한다 30