제어 시스템의 종류 | 선형 및 비선형 제어 시스템
제어 시스템은 다른 장치의 동작을 관리하고, 명령하며, 지시하거나 조절하여 원하는 결과를 달성하는 장치들의 시스템입니다. 즉, 제어 시스템의 정의는 다른 시스템을 제어하여 원하는 상태를 달성하는 시스템으로 간소화할 수 있습니다. 다양한 제어 시스템의 유형이 있으며, 이를 크게 선형 제어 시스템과 비선형 제어 시스템으로 분류할 수 있습니다. 이러한 제어 시스템의 유형에 대해 아래에서 자세히 설명하겠습니다.
선형 제어 시스템
선형 제어 시스템을 이해하기 위해서는 먼저 중첩 원칙을 이해해야 합니다. 중첩 원리는 두 가지 중요한 속성을 포함하고 있으며, 이들은 아래에 설명되어 있습니다:
동차성: 입력에 상수 A를 곱하면 출력도 같은 값의 상수(A)로 곱해진다고 할 때, 시스템은 동차적이라고 합니다.
가법성: 시스템 S가 있고, 첫 번째로 입력 a1을 주었을 때, 출력 b1을 얻었다고 가정합니다. 두 번째로 입력 a2를 주었을 때, 출력 b2를 얻었다고 가정합니다.
이제 이번에는 이전 입력의 합(a1 + a2)을 입력으로 주었을 때, 출력이 (b1 + b2)라고 가정하면, 시스템 S는 가법성을 따르는 것입니다. 이제 선형 제어 시스템을 동차성과 가법성을 따르는 제어 시스템의 유형으로 정의할 수 있습니다.
선형 제어 시스템의 예시
단순 저항 네트워크와 일정한 DC 전원을 고려해보겠습니다. 이 회로는 동차성과 가법성을 따릅니다. 모든 불필요한 효과는 무시되고 각 요소의 이상적인 동작을 가정하면, 우리는 선형 전압과 전류 특성을 얻을 것이라고 말할 수 있습니다. 이것이 선형 제어 시스템의 예시입니다.
비선형 제어 시스템
비선형 제어 시스템을 단순히 동차성 원칙을 따르지 않는 제어 시스템으로 정의할 수 있습니다. 실제로 모든 제어 시스템은 비선형 시스템이며 (선형 제어 시스템은 이론적으로만 존재합니다). 설명 함수는 특정 비선형 제어 문제를 분석하는 근사적인 절차입니다.
비선형 시스템의 예시
비선형 시스템의 잘 알려진 예시는 자기화 곡선 또는 DC 기계의 무부하 곡선입니다. 여기서 DC 기계의 무부하 곡선에 대해 간략히 설명하겠습니다: 무부하 곡선은 공기 간극 플럭스와 필드 와인딩 mmf 사이의 관계를 보여줍니다. 아래의 곡선에서 볼 수 있듯이, 초기에는 와인딩 mmf와 공기 간극 플럭스 사이에 선형 관계가 있지만, 이후 포화 상태가 발생하여 비선형 제어 시스템의 비선형 특성이 나타납니다.
아날로그 또는 연속 시스템
이러한 제어 시스템의 유형에서는 시스템에 대한 입력으로 연속 신호가 사용됩니다. 이러한 신호는 시간에 대한 연속 함수입니다. 사인파 형태의 신호 입력 소스, 사각파 형태의 신호 입력 소스 등 다양한 연속 입력 신호 소스가 있을 수 있으며, 신호는 연속 삼각형 형태일 수도 있습니다.
디지털 또는 이산 시스템
이러한 제어 시스템의 유형에서는 시스템에 대한 입력으로 이산 신호(또는 펄스 형태의 신호)가 사용됩니다. 이러한 신호는 시간의 이산 간격을 가집니다. 스위치를 사용하여 사인파 형태의 신호 입력 소스, 사각파 형태의 신호 입력 소스 등을 이산 형태로 변환할 수 있습니다.
이제 디지털 또는 이산 시스템이 아날로그 시스템보다 갖는 다양한 장점이 있으며, 이러한 장점은 아래에 나열되어 있습니다:
디지털 시스템은 아날로그 시스템보다 비선형 제어 시스템을 더 효과적으로 처리할 수 있습니다.
이산 또는 디지털 시스템의 경우 아날로그 시스템에 비해 전력 요구량이 적습니다.
디지털 시스템은 아날로그 시스템보다 높은 정확도를 가지고 있으며, 다양한 복잡한 계산을 쉽게 수행할 수 있습니다.
디지털 시스템은 아날로그 시스템보다 신뢰성이 높으며, 작은 크기와 컴팩트한 설계를 가지고 있습니다.
디지털 시스템은 논리 연산을 기반으로 작동하여 정확도가 크게 향상됩니다.
일반적으로 이산 시스템은 아날로그 시스템보다 손실이 적습니다.
단일 입력 단일 출력 시스템
이것들은 또한 SISO 유형의 시스템으로 알려져 있습니다. 이 시스템은 하나의 입력에 대해 하나의 출력을 가지며, 온도 제어, 위치 제어 시스템 등의 다양한 예시가 있습니다.
다중 입력 다중 출력 시스템
이것들은 또한 MIMO 유형의 시스템으로 알려져 있습니다. 이 시스템은 여러 입력에 대해 여러 출력을 가지며, PLC 유형의 시스템 등의 다양한 예시가 있습니다.
집합 매개변수 시스템
이러한 제어 시스템의 유형에서는 다양한 활성 및 비활성 구성 요소들이 한 점에 집중되어 있다고 가정하며, 따라서 이러한 시스템을 집합 매개변수 시스템이라고 부릅니다. 이러한 시스템의 분석은 미분 방정식을 포함하여 매우 쉽습니다.
분산 매개변수 시스템
이러한 제어 시스템의 유형에서는 다양한 활성(예: 인덕터 및 캐패시터) 및 비활성 매개변수(예: 저항)가 길이에 따라 균일하게 분포되어 있다고 가정하며, 따라서 이러한 시스템을 분산 매개변수 시스템이라고 부릅니다. 이러한 시스템의 분석은 편미분 방정식을 포함하여 약간 어렵습니다.
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