알기 쉬운 자동제어 이야기-제2장 자주 사용되는 제어 방법 ⑴

☞ 알기 쉬운 자동제어 이야기에 대하여~

     기기나 장치에 대한 온도 제어는 어떻게 하고 있는 것일까요?

     온도 제어에 대해서 알아 보도록 합시다.

 

 

■ 제2장 자주 사용되는 제어 방법 ⑴

여기서는 온도 제어의 구성요소 중 하나인 제어부에 주목하여 자주 사용되는 제어 방법을 설명합니다. 제어 방법에는 크게 ON-OFF 제어와 비례 제어의 2가지가 있으며, 사용하는 제어 대상이나 조작단의 종류, 원하는 제어 결과의 안정성에 따라 구분할 필요가 있습니다.

 

    1. ON-OFF 제어란 무엇일까요?

         1-1. ON-OFF 제어 결과

         1-2. 실제 ON-OFF 제어

         1-3. 자주 사용되는 ON-OFF 제어의 조작단

         1-4. ON-OFF 제어의 단점(결점)

    2.비례 제어란?

          2-1. 편차와 조작량의 관계

    3. 요약 정리 

 

1. 온도 제어란 무엇일까요?

   ON-OFF 제어란, 예를 들면 옛날의 전기 난로의 히터와 같은 동작으로, 전기 난로의 히터가 뜨거워지면 자동적으로 꺼지고, 또 차가워지면 자동적으로 켜지는 등의 동작입니다. 그 ON-OFF 동작을 나타낸 것이 그림 1입니다. ON-OFF의 영역은 오버랩 하는 것은 보통으로 이것을 동작하는 틈(디퍼런셜)이라고 합니다. (그림 1 ON-OFF 동작)

 1-1. ON-OFF 제어 결과

     ON-OFF 제어의 결과는 전기 난로의 ON-OFF 제어를 예로 들면 그림 2의 점선과 같이 설정값 A점에서 히터는 꺼지고 온도는 내려가고 설정값보다 낮은 온도 B점에서는 히터는 들어가고, 온도는 올라갑니다. 이 동작을 반복하여 제어 결과는 A점과 B점 사이에 있습니다.

 

그러나, 실제로는, 센서부의 검출 지연이나 장치의 열전달 지연, 열용량(낭비시간이라고 한다)에 의한 영향 등에 의해, 설정 A점에서 전기 난로의 히터가 OFF가 되어도 당분간(잠시) 온도 상승이 계속되고, 또 온도가 내려가 히터가 ON이 되는 B점에 와도 잠시(당분간) 온도가 계속 떨어지는 것이 보통입니다.

 

그림 2와 같이, 온도가 설정값을 지나치게 초과하는 것을 오버슈트라고 하고, 제어 결과가 파도를 치는 것을 사이클링이라고 합니다. 특히, 사이클링이 커서 제어상 바람직하지 않은 것을 헌팅이라고 합니다.

 

아래의 그림 2  ON-OFF 제어 결과입니다.

 1-2. 실제 ON-OFF 제어    

ON-OFF 제어의 경우 릴레이 접점 출력을 가지는 것이 많으며, 조작단으로서는 릴레이(전자개폐기)나 전자밸브 등이 있으며, 릴레이는 전기 히터 등에 이용하고, 물, 증기, 가스 등의 유체는 전자밸브를 이용하는 경우가 많습니다.

 

ON점・OFF점의 동작 틈새 설정은 제어 대상에 따라 다르지만, 좁게 설정한 경우, 빈번하게 ON, OFF를 반복하므로 일반적으로 제어성은 좋아집니다. 그러나, 동작 간격(틈새)를 너무 좁게 설정하면, 릴레이나 솔레노이드 밸브 등의 조작단의 수명이 짧아져, 헌팅의 우려가 있으므로 주의할 필요가 있습니다. 조작단의 부하에 대하여, 전기 히터의 용량이나 전자 밸브의 구경이 큰 경우는 제어 대상에 크게 영향을 주기 때문에 헌팅할 우려가 있습니다. 그 때문에, 동작 간격(틈새)을 넓게 잡아야 합니다. 

 

1-3. 자주 사용되는 ON-OFF 제어의 조작단

 

        여기서 자주 ON-OFF 제어와 조합하여 사용하는 조작단을 소개합니다.

 

◆ 릴레이

   통상, 릴레이라고 불리는 전자 개폐기의 원리는 전자석과 같으며, 전자 코일에 전류를 흘리거나(励磁 여자), 전류를 차단하거나(非励磁 비여자)함으로써 접점을 개폐하고, 히터 등을 동작 시킵니다.

 

접점에는 N.C(Normally Closed)와 N.O(Normally Open)가 있으며, N.C 접점은 비여자(非励磁)일 때(전류가 흐르지 않을 때) 접점 폐쇄가 되고(닫히고), 여자(励磁)일 때(전류가 흐를 때) 접점이 열립니다. 반대로 N.O는 비여자(非励磁)일 때 접점 열리고, 여자(励磁) 일 때는 접점이 닫힙니다.

 

◆ 전자 밸브(솔레노이드 밸브)

    솔레노이드 밸브(전자밸브)는 구동부에 솔레노이드 코일(전자코일)을 이용하는 조절 밸브로, 솔레노이드 코일(전자코일)에 통전시키면 자력이 발생하여 플런저를 흡인하여 밸브의 개폐를 실시합니다. 솔레노이드 밸브(전자밸브)는 상시폐쇄형과 상시개방형이 있고, 상시폐쇄형은 전자코일에 통전시키면 밸브가 열리고, 상시개형은 전자코일을 통전시키면 밸브가 닫힙니다. 또한, 유체의 종류에 따라 내전용이나 내약용 등을 선택합니다. 설치 장소에 따라서도 방적형이나 내압 방폭형 등을 사용합니다. 

 

1-4. ON-OFF 제어의 단점

       ON-OFF 제어에서는 조작량이 0% 또는 100% 중 어느 하나의 상태가 되고, 이것에 의해 검출 지연 등의 영향으로 제어 결과가 오버슈트되기 쉬워져, 사이클링을 반복합니다. 그 상태를 그림 3에 나타낸 바와 같이 ON-OFF 제어 조절계와 전자밸브로 증기를 제어하는 ​​경우를 생각해 봅니다.

그림 3과 같이 제어대상(여기서는 물)이 이동하는 경우는, 조작량이 변화하고 나서, 제어량이 변화하기까지 지연 시간이 생기기

때문에, 제어 결과는 100%의 조작량일 때, 대폭으로 설정치를 웃돌고(상회하고), 0%의 조작량일 때에는, 대폭으로 설정치를 밑도는(하회하는) 결과가 됩니다. 즉, 이 경우 온수와 냉수가 번갈아 나오게 됩니다. 이러한 경우, ON-OFF 제어로는 안정된 제어 결과를 얻는 것이 어렵습니다.

 

2. 비례 제어란?

    따라서, ON-OFF 제어와 같은 불안정한 제어 결과를 개선하는 방법으로서, 조작량을 0%와 100%의 2개의 상태뿐만 아니라, 어느 범위 내의 제어량의 변화에 ​​따라 0~100 % 사이를 연속적으로 변화시키도록 고안된 것이 비례제어 입니다. (그림 4 참조) 이러한 방법을 도입함으로써, 그림 3과 같은 이동하는 제어 대상에서도 안정된 제어 결과를 얻을 수있습니다. 비례 제어를 실시하는데 있어서 다음과 같은 설정을 수행해야합니다. (그림 4 비례 제어의 관념 )

◆ 비례대역

    비례대역이란 그림 5가 나타내는 바와 같이 조작량을 0~100% 변화시키기 위해서 필요한 제어량(온도나 압력 등)이 변화하는 폭을 말합니다.

 

비례 대역이 좁게 설정되면, 제어량의 작은 변화에도 조작량이 크게 변화해 버립니다. 따라서 조작량의 감도는 올라가(상승하)지만, 제어 결과의 안정성은 나빠지고, 비례대역을 극단적으로 좁게 하면, ON-OFF 제어와 같은 제어 결과가 됩니다. 그와 반대로 비례 대역이 넓어지면 제어량의 변화에​​비해 조작량의 비율이 작아집니다. 따라서 조작량의 감도는 떨어지지만 제어 결과의 안정성은 높아집니다. 따라서, 최적의 제어를 실시하기 위해서는 비례대역의 폭을 조정하는 것이 중요합니다.

(그림 5 비례 제어의 관념)

 ◆ 설정치

   비례 제어에서 설정 값의 역할은 그림 6과 같이 비례 대역의 중심에 정하는 것입니다. 예를 들어, 설정값을 200℃에서 300℃로 변경한 경우, 비례대역도 올바른 설정값 300℃를 중심으로 한 비례대역이 됩니다. (그림 6 설정값)

 ◆ 정동작과 역동작

    비례 제어에는 정 동작과 역 동작의 2가지가 있습니다. 정동작(正動作)은 그림 7과 같이 제어량이 증가하면 조작량도 커집니다. 일반적으로 포지티브 작동(정동작)은 냉각 제어에 이용됩니다. 또, 역동작은 그림 8과 같이 제어량이 증대하면 조작량이 작아지는 것을 말하며, 가열 제어에 많이 이용됩니다.

 (그림 7 정정 동작)

(그림 8 역동작)

2-1. 편차와 조작량의 관계 

   비례 제어에서는, 편차(제어량과 설정값의 차이)에 비례한 조작량이 보정 동작으로서 작용합니다. 그림 9에 나타낸 바와 같은 비례 제어 조절계와 전동 조절 밸브의 조합으로 증기량을 비례 제어하는 ​​예로 생각해 보겠습니다. 비례 제어에서는 그림 10과 같이 설정값과 제어량이 일치했을 때는, 조작량은 정확히 50%가 됩니다. 이 조작량 50%를 기준으로 하여, 편차에 비례한 조작량의 보정이 이루어져, 제어량이 설정값에 가까워집니다. (그림 9 비례 제어에서의 유체 제어)

 

3. 요약 정리

   이 장은 기본적인 제어 방법에 대해 설명했습니다. 현재는, 자원 절약・에너지 절약, 품질의 균일화 및 향상을 위한 안정된 조작 조건이 요구되고 있기 때문에, 대부분의 장치나 공장에서 비례 제어가 이용되고 있습니다.

 

비례 제어에는 제어 대상이나 조작단의 종류에 따라 여러 종류가 있습니다. 다음 3장은 그것에 대해 정리해 보겠습니다.

 

다음 장에, 제3장 자주 사용되는 제어 방법 ⑵ ​를 소개하겠습니다

 

 

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