알기 쉬운 자동제어 이야기-제3장 자주 사용되는 제어 방법 ⑵

☞ 알기 쉬운 자동제어 이야기에 대하여~

     기기나 장치에 대한 온도 제어는 어떻게 하고 있는 것일까요? 

     온도 제어에 대해서 알아 보도록 합시다.

 

■ 제3장  자주 사용되는 제어 방법 ⑵

 

1. 소개

2. 시간 비례 제어란?

3. 시간 비례 제어 결과

4. 연속 비례 제어란?

5. 위치비례제어란?

6. 요약 정리

 

 

1. 소개

   지난번에, 자주 사용되는 제어 방법으로서, ON-OFF 제어와 비례제어에 대해 설명했습니다. 어느 쪽의 제어방법을 사용할지는, 요구하는 제어결과의 안정성에 따라 구분하여, 그다지 제어결과의 안정성을 요구하지 않는 경우는 ON-OFF 제어를 이용하고, 보다 안정된 제어 결과를 요구하는 경우는 비례제어를 이용하는 것이 일반적이라는 점에 대해 이야기 했습니다.

비례 제어에는 제어 대상, 조작단의 종류에 따라 시간비례제어, 연속비례제어, 위치비례 제어의 3가지로 나뉘며, 이번에는 각각의 비례제어에 대해 설명합니다.

 

2. 시간 비례 제어란?

   시간 비례 제어는 ON-OFF 제어의 형태를 취한 비례 제어이며, 설정값을 중심으로 한 비례대역 중에서 ON과 OFF 시간의 길이를 설정값과의 편차에 비례시켜 바꾸어 가는 것입니다. (그림 1 참조)

 (그림 1 시간 비례 제어 개요)

 

이 ON과 OFF의 1사이클의 시간은 일정하고, 이 시간을 사이클 타임이라고 부른다. 이 사이클 타임을 일시적으로 10초로 설정했다고 하면, 현재값이 비례대보다 낮은 범위에 있는 경우는, 조절계로부터의 출력은 항상 ON 상태가 된다. 또한, 현재 값이 비례 대역보다 높은 범위에 있으면, 조정계로부터의 출력은 항상 OFF 상태가된다.

 

비례대 내에서는 온도에 따라 ON과 OFF의 시간 비율은 설정값과의 편차에 비례하여 변한다. 예를 들어, 현재값이 설정값보다 낮은 경우, ON 시간이 7초라면, OFF 시간은 3초가 되고, ON 시간이 길어진다. 현재치가 설정치에 도달했을 경우는, ON시간, OFF시간 모두 5초로, 동일하게 된다. 이상의 관계를 표에 나타내면 아래의 표 1과 같이 됩니다.

 

표 1: 시간 비례 제어의 제어 상태 

현재값 상태	조작량
비례대역 외
비례대역 보다 낮다	항상 ON 상태
비례대역 내
설정값보다 낮다	ON 시간이 길고, OFF 시간이 짧다
설정값	ON 시간과 OFF 시간이 동일
설정값보다 높다	ON 시간이 짧고, OFF 시간이 길다
비례대역 외
비례대보다 높다	항상 OFF 상태

 

 

3. 시간 비례 제어 결과

   여기서, 시간 비례 제어 결과를 ON-OFF 제어 결과와 비교해 보겠습니다. 아래 그림 2와 같이, 전기 히터의 제어로 생각해 보면, ON-OFF 제어의 경우, 전기 히터는 ON점과 OFF점(설정값)으로 전환되어 버리므로, 검출 지연 등에 의한 과도한 양은 커져 버립니다. 이에 반해, 시간 비례는, 현재 값이 비례 대역 내에 들어가면, 설정 값과의 편차에 따라서 ON과 OFF의 시간 비율을 바꾸어 가기 때문에, 그림 3과 같이 ON-OFF 제어와 비교해, 검출 지연 등에 의한 과도한 양은 작아도 됩니다.

 

(그림 2 전기 히터의 제어)

 

그러나, 시간 비례 제어는 ON-OFF 동작을 반복하는 제어 형태를 취하기 때문에, 사이클 타임이 지나치게 길면, 너무 과도한 양이 커지고, 제어 결과가 나빠집니다. 반대로 사이클 타임이 너무 짧으면 헌팅이 발생하여 제어 결과가 안정되지 않습니다. 또한, ON-OFF 동작이 빈번하게 일어나기 때문에, 조작단의 수명을 단축시켜 버리게 됩니다.

 

따라서, 시간 비례 제어에서는, 적절한 사이클 타임의 설정이 양호한 제어 결과를 얻기 위한 중요한 요소가 됩니다. 

(그림 3 시간비례와 ON-OFF 제어의 비교)

 

시간 비례 제어에는 릴레이 출력과 전압 출력이 있으며, 전자(前者)는 전자 개폐기와 후자(後者)는 솔리드 스테이트 릴레이 (SSR)와 조합하여 사용됩니다. 일반적으로 릴레이 출력의 사이클 타임은 10초에서 60초 정도로, 이 사이클 타임을 너무 짧게 하면 전자 개폐기의 수명을 단축시킬 수 있습니다. 반대로, 전압 출력은 무접점 릴레이의 SSR과 조합하여 사용되기 때문에, 사이클 타임은 2~4초 정도로 짧고, 수명 문제도 없기 때문에, 양호한 제어 결과를 얻을 수 있습니다.

 

4.연속 비례 제어란 무엇일까요?

   연속 비례 제어란, 아래 그림 4와 같이 현재값과 설정값의 편차에 따라 조절계로부터 연속적인 출력을 내어, 제어하는 ​​것을 말합니다. 전기히터의 제어를 예로 들면, 조절계를 4~20mA의 출력이 연속적으로 나오는 타입으로 하고, 그 출력을 사이리스터 유닛이라고 불리는 조작기에 입력해, 전기 히터를 연속적으로 제어하는 ​​것을 말합니다.

 

연속 비례 제어는 시간 비례 제어와 같은 ON-OFF 제어 형태를 취하고 있지 않기 때문에, 매끄럽게 조작량을 변화시킬 수 있어, 보다 안정적이고, 정밀도가 좋은 제어 결과를 얻을 수 있습니다. 특히 플랜트, 반도체 제조 장치, 정밀시험장치 등, 높은 안정성, 정밀도를 요구하는 어플리케이션에서 많이 이용되고 있습니다.

 

이하, 연속 비례 제어의 일례로서 사이리스터 유닛에 의한 전기 히터 제어(위상각 제어)에 대하여 설명합니다. 

 

(그림 4 연속 비례 제어의 특성)

아래 그림 5는 사이리스터 유닛을 이용한 전기 히터의 위상각 제어를 나타내는 결선 예입니다. 조절계의 전류 신호에 따라 구동 증폭기(드라이브 앰프)로부터 부하 전원의 위상각에 맞는 트리거 펄스가 나옵니다. 이 펄스가 사이리스터 (트라이악)의 게이트 회로에 표시되어 사이리스터가 ON이 됩니다. 그리고 부하 전원의 전압이 0이 될 때까지 사이리스터는 ON 상태가 됩니다.

 

이와 같이 조절계로부터의 출력에 따라 트리거 펄스를 내는 위치(시간)를 비례적으로 바꾸어 전기 히터에 흐르는 부하 전류를 연속적으로 제어합니다.

 

(그림 5 사이리스터 유닛에 의한 위상각 제어)

(그림 6 전기 히터에 흐르는 부하 전류)

 

5.위치비례제어란?

   위치비례제어란 시간비례제어, 연속비례제어와 마찬가지로 현재값과 설정값의 차이, 즉 편차에 비례한 조작량으로 작용하는 제어동작을 말하며, 조절계의 릴레이 출력으로 전동조절밸브를 개폐하고 가스나 중유의 연소로 등을 제어하기 위해 사용됩니다.

 

아래 그림 7에 나타내는 바와 같이, 설정 온도가 700℃, 비례대는 설정값의 ±100℃(600~800℃)의 범위로 설정했다고 합니다. 열전대에 의한 검출 온도가 비례대역 보다 낮은 온도 범위(600℃ 이하)에 있을 때, 전동 조절 밸브의 모터의 개도는 100%(전개)가 됩니다.

 

(그림 7 연소로의 제어 예)

 

검출 온도가 600℃ 이상이 되어 비례대역 내에 있으면, 편차에 비례한 조작량이 작용합니다. 예를 들면, 그림 8에 나타내는 바와 같이 검출 온도가 650℃일 때, 모터의 개도는 75%가 되고, 검출 온도가 정확히 설정값에 도달했을 때, 편차가 없어져 모터의 개도는 50%가 됩니다.

 

또한 검출 온도가 설정 온도를 넘어 높아지면 모터의 개도는 서서히 닫혀 가고, 비례대역의 상한값인 800℃를 넘으면 모터의 개도는 0%(전폐)가 됩니다. 

 

일반적으로 모터의 개도는 0~160°의 범위에서 회전하며, 조작량 50%일 때, 모터 개도는 80°가 됩니다.

 

다음으로 위치비례제어의 조절계(2개의 릴레이 접점 출력)와 모듈트롤 모터(릴레이 접점 입력)가 어떻게 동작하고 제어를 하고 있는지에 대해 설명합니다.

 

아래 그림 9는, 조절계로부터 내는 조작량과 모터의 개도가 정확히 같아져, 조절계 내부에 있는 브릿지 회로가 평형 상태에 있는 경우를 나타내고 있습니다. 이 경우, 모터를 구동시키기위한 조절계의 릴레이 접점 K1과 K2는 오픈 상태가되어 모터는 정지하고 있습니다.

 

다음으로 온도가 하강하고, 조절계로부터의 조작량과 모터의 개도에 차이가 생겨, 브리지 회로의 평형이 깨지면, 조절계의 릴레이 접점 K2가 닫히고, 모터의 단자(2)-(3) 간에 전압이 표시되고, 모터는 열림 방향으로 회전하기 시작합니다. 모터의 회전과 함께, 피드백 포텐션의 와이퍼는 브리지 회로를 재평형하는 방향으로 이동합니다. 모터가 온도 강하만큼 회전하면 브리지 회로가 재평형하여 조절계의 릴레이 접점 K2가 열리고 모터는 그 위치에서 정지합니다.

 

(그림 9 위치 비례 제어에 의한 모터 구동)

 

반대로 온도가 상승하면, 온도가 하강했을 때와 마찬가지로, 조절계로부터의 조작량과 모터의 개도에 차이가 생겨, 브리지 회로의 평형이 깨지고, 조절계의 릴레이 접점 K1이 닫히고, 모터의 단자 (1) - (3) 간에 전압이 표시되고 모터가 닫히는 방향으로 회전하기 시작합니다. 모터가 온도 상승분만큼 회전하면 브리지 회로가 재평형하여 릴레이 접점 K1이 열리고 모터는 그 위치에서 정지합니다.

 

실제 모터의 동작은 아래 그림 10과 같이 모터의 분해능이 있기 때문에 스텝 형상으로 변화합니다. 모터는 온도 변화가 α만큼 변화하면 β만 동작하고, 온도 변화가 α보다 작은 경우에는 모터는 동작하지 않습니다. 이 α는 피드백 포텐션 미터의 유효 권수에 의해 결정되며, 많은 것이 분해능이 높고 제어 정밀도가 좋아집니다.

 

(그림 10 모터의 동작)

 

 또한, 제어 정밀도는 비례대역의 대소에 따라서도 다르고, 작은 쪽이 모터의 개폐 동작이 빈번하게 일어나, 제어 정밀도는 좋아지지만, 극단적으로 좁게 하면 헌팅을 일으켜 버려, 모터의 제품 수명을 줄여 버립니다. 반대로 비례대를 너무 크게 하면, 온도 변화가 크게 변화하지 않는 한, 모터는 동작하지 않기 때문에, 제어 정밀도는 나빠집니다.

 

 

6. 요약 정리

이번에는 시간비례, 연속비례, 위치비례의 3가지 비례제어방법에 대해 설명했습니다. 각각의 제어 방법은, 제어하는 ​​조작단, 구하는 제어 결과에 의해 구분되며, 일반적으로 연속 비례 제어가 가장 제어 결과가 좋습니다.

 

다음 번 제4장에는, 제어의 역사가 시작된 이래, 제어의 주역을 맡고 있는 PID 제어에 대해서 소개하겠습니다.

 

 

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