[고3] PID 제어기술 (모의기출)

[김종철샘]

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(기술) 정용택, ‘PID 제어 기술’

이 글은 기계나 설비에서 물리량을 제어하기 위해 쓰이는 제어 기술을 소개하고 있다. 측정값을 설정값에 일치시키는 제어 기술에는 여러 방식이 있는데, 물의 온도를 맞추는 온도 조절 장치에는 흔히 ‘on/off 스위치 방식’이 쓰인다. on/off 스위치 방식은 측정값이 설정값보다 낮으면 스위치가 on되고, 측정값이 설정값보다 높으면 스위치가 off된다. on/off 스위치 방식은 조작이 간단하지만 오버슈트와 헌팅이 발생하여 제어 대상의 물리량을 정밀하게 제어하기 어렵다. 이런 결점을 보완하기 위해 P 제어, I 제어, D 제어가 활용된 ‘PID 제어 방식’이 활용된다. P 제어는 설정값의 위아래에 비례대를 설정하여, 비례대 안에서 설정값과 측정값의 편차에 비례하는 조작량을 출력하는 것이다. P 제어를 활용하면 측정값을 설정값에 정밀하게 근접시킬 수 있다. 그러나 P 제어에서는 측정값이 일정하게 유지되는 안정 상태가 되어도 설정값의 위 또는 아래에 오차가 필연적으로 발생하는데, 이를 잔류편차라 한다. I 제어를 P 제어와 같이 활용하면 잔류편차를 없앨 수 있다. PI 제어의 적분 동작이란 측정값과 설정값 사이의 편차의 적분값에 비례하는 조작량을 출력하는 것이다. 적분 동작의 강도는 적분 시간을 통해 조절한다. 그런데 P 제어나 PI 제어를 활용하면 제어 대상의 상태가 급격히 변화할 때 측정값이 설정값에 도달하는 데 긴 시간이 걸린다. 이때 D 제어를 활용하면 측정값을 설정값으로 빠르게 돌아가게 할 수 있다. PD 제어나 PID 제어의 미분 동작이란 측정값과 설정값 사이의 편차가 변하는 속도에 비례하여 조작량을 출력하는 것이다. 미분 동작의 세기는 미분 시간을 통해 조절한다.