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자동제어
자동제어(自動制御, automatic control)란 제어 대상에 미리 설정한 목표값과 검출된 되먹임(feedback) 신호를 비교하여 그 오차를 자동적으로 조정하는 제어를 말한다.[1]
역사
1784년 제임스 와트가 증기기관을 실용화하였을때, 원심조속기(원심력을 이용해서 속도를 제어하는 장치)를 사용하여 기관의 회전수를 제어한 것이 자동제어의 시작이라고 한다. 일설에 의하면, 팬테일기어(fantail gear)에 의한 풍차의 방향제어가 그 최초라고도 한다. 어쨌든 그 시작은 18세기이지만, 그 후 별로 큰 진보가 없다가 본격적인 실용단계에 도달한 것은 제2차 세계대전 후이다. 그 이유는 통일된 이론이 없었고 공학 전반에 걸친 기술이 빈약하였기 때문이다. 그러나 제2차 세계대전 전 E.J.루스나 A.휘르비츠의 안정이론, 블랙이나 H.보드 또는 하젠이나 H.나이퀴스트 등의 선형되먹임계의 안정론에 관한 논문은 높이 평가되고 있으며, 또 하젠의 명명에 의한 서보메커니즘(servomechanism)에 관한 논문도 대전 전의 일이다.[1]
발전
전후에는 전쟁 중에 병기개발을 통해 얻은 각종의 서보기술이 일반 공업에 응용되어 광범위하게 보급되었다. 이론적으로도 선형제어이론은 1940년대에 확립되었으며, 그 후반부터 1950년대에 걸쳐 비선형제어이론, 통계적 제어이론, 샘플 값 제어이론, 다 변수 제어이론으로 확장·발전되어 갔다. 점차 반도체를 비롯하여 새로운 전자부품이 개발되어 각종 공업에서 자동제어의 응용이 한층 높아졌으며, 제어 자체도 좁은 뜻의 되먹임제어에서 벗어나 되먹임제어의 좋은 점도 채택되어, 제어대상도 종래의 설정 값에 소정의 점의 온도나 압력을 유지하는 제어에서, 시스템 전체의 최적운전을 노리는 최적제어나 최적화제어로 진전하였다. 1960년대에 들어와서는 다른 분야에서 급속히 발전하여 온 컴퓨터 기술이 제어분야에 적극적으로 파고들어, 제어는 더욱 그 진전에 박차를 가하게 되었다. 즉 정보처리부에 컴퓨터가 도입되어 그 기능이 높아짐과 동시에, 목적하는 시스템 자체도 대규모 복잡화되고 있다.
이론적으로도 대규모적인 계, 최적계를 추구하는 고도의 수법이 개발되어, 상태벡터의 도입이나 R.벨만, L.S.폰트리아긴의 제창에 의한 동적계획법·최대원리·기타 수학적인 수법의 도입에 의해 현저하게 진보하고 있다. 시스템적으로도 시스템공학·정보공학 등 제어에 대한 개념은 매우 다방면으로 이용되어가고 있다. 제어장치 자체도 공정제어에 사용되는 조절장치를 예로 들면, 공기식·유압식의 것이 먼저 실용화되고, 나아가서는 이들을 전자식으로 바꾸고, 최근에는 이들 아날로그제어에서 점차 디지털화하여 이들의 제어를 디지털계산기로 직접 행할 수 있는 형으로 발전하였다. 이와 같이 제어장치를 디지털화하여 정보 처리부·조작부까지를 일관해서 디지털신호로 동작시켜, 직접 컴퓨터로부터 나온 디지털신호로 제어하는 시스템을 직접계수제어라 한다.[1]
분류
정보처리를 디지털로 하고, 이러한 관리 하에서 종래의 아날로그제어를 행하는 제어방식을 감시제어라 한다. 최근에는 이와 같은 계산기를 도입한 계산제어방식이 상당히 진전되어 계급적 제어시스템이 체계화되어 있다. 이와 같은 제어에 사용되는 계산기를 제어용 계산기라 하며, 특히 신뢰도를 높이는 데에 중점을 두고 설계되어 있다. 자동제어는 제어를 하기 위한 정보, 즉 제어신호가 전해지는 경로의 개폐상황에 따라 폐 루프제어(closed-loop control)와 개 루프제어(open-loop control)의 두 가지로 분류된다. 개 루프제어는 시퀀스제어(sequential control) 같이 1개의 동작이 끝나면 그 결과에 따라서 다음 동작이 개시되는 식으로 순차동작을 일으켜 목적을 달성하는 방식의 것인데, 가공공정의 자동화 등 공정자동화의 주체를 이루는 것이다. 이에 대해 폐 루프제어는 제어의 질의 개선에 효과가 있는 방식이며, 제어결과를 입력 측으로 되돌려(feedback:되먹임) 결과를 소요목적에 합치하도록 한 것이다. 제어의 대부분, 이론의 거의 전부가 폐 루프에 관한 것이며, 좁은 뜻의 자동제어는 이 방식이다.[1]
제어 공학
제어 이론에 기반하여 동적 시스템의 동작이 원하는 대로 이루어지도록 하는 방법을 연구하는 공학의 한 분야다. 미분방정식에서 나아가, 라플라스 변환이나 푸리에 변환 Z 변환과 같은 수학적 방법들이 동원되며, 이를 이용하여 제어를 해야 하는 대상(이하 플랜트)을 모델링하거나 근사화(approximation)한 모델링을 수행하고, 특정한 입력에 대하여 플랜트가 원하는 동작을 수행하도록 컨트롤러를 설계한다. 전기전자공학과, 화학공학과, 기계공학과등에서 개설되는 과목이며 따로 제어공학과가 개설되기도 한다. 메카트로닉스, 공정제어의 바탕이 되는 학문 중 하나이다. 선수과목으로 공학수학, 시스템동역학, 회로이론이 요구된다.[2]
생활속 자동제어
자동제어가 점점 발전함으로 인해서 인간의 노동 시간을 최소화하고 공장 작업 효율 안전을 보장할 수 있습니다. 자동제어를 통해서 가장 많이 발전을 한 것은 운송 수단이라고 할 수 있으며 자동 주행 자동 주차 등 가능해지면서 인간이 개입하는 부분이 감소 되고 있다.
주거 공간에서도 자동 제어 시스템을 쉽게 접할 수 있습니다. 바로 엘리베이터로 버튼을 눌러 원하는 층수로 움직이도록 명령을 내리게 되며 자동 제어로 인해서 원하는 곳으로 이동이 가능한 것입니다. 정위치를 이탈하지 않도록 정지를 할 수 있는 회로가 추가되어 설치를 하고 있다.
첨단 전자 기술인 ESP 프로그램을 기반으로 사용하고 있으며 차량에 제어 장치가 접목되면서 달리는 차량의 속도 회전 미끄러짐을 1초 단위로 계산하고 운전자가 제어할 수 있을 정도로 제어가 가능하도록 개입하여 차량에 도입을 하고 있다.
디지털 제어 시스템은 제어 알고리즘을 제어기 내의 메모리에 저장을 하고 다양한 제어 설비에 도입되어 사용할 수 있도록 발전하고 있습니다. 자동 제어 기술은 더욱 급격히 발달을 할 것이며 생활에 접목되면서 더 이상 없어서는 안 되는 것으로 이르게 되었다.[3]
자동차 제어장치
차체자세 제어장치라고 불리는 장치로 제조사에 따라 VDC, TCS, ESP, ECS, VSC 등으로 다양하게 불린다. ABS와 함께 차량의 안정적인 주행을 돕는 장치로 운전자가 인지하기 전에 주행에 관여한다. VSC(Vehicle Stability Control) 시스템은 차가 회전할 때 앞뒤 측 슬립이 감지되면 자동으로 제동력과 엔진 토크를 조절해 각 바퀴를 독립적으로 제어해 차체를 안정화시키는 장치다. ABS는 차량이 직진 중 제동을 해야만 제어가 되지만 VSC는 좌우로 회전할 때 제어한다. 또한, 운전자의 제동이 없더라도 차의 자세가 불안정하면 자동으로 제어한다.[4]
관련 기사
자동제어 업계는 지난해 탄소중립 이슈가 대두되고 국제사회의 상호압박이 강화되는 한편 ESG경영 이슈, 탄소중립 목표설정 등 이벤트가 발생하며 수요확대를 위한 기반이 조성됐다.
이에 따라 주로 건물에너지 최적화시스템에 대한 컨설팅 수요가 증가했으며 특히 건축물 및 신재생에너지는 RE100 정책확산 및 탄소중립 목표달성을 위한 제로에너지빌딩(ZEB) 확대 등으로 시장수요가 높아진 상황이다.
이러한 시장분위기로 대부분 자동제어업계는 실적개선을 이뤘으나 업계 관계자들은 산업계가 정책목표 및 요구사항을 충족시켜주지 못하고 있어 이러한 요구사항에 끌려가는 형국이라고 지적했다. 이에 따라 여건이 무르익었는데도 시장활성화가 더디다는 것이다.[5]
동영상
각주
- ↑ 1.0 1.1 1.2 1.3 신한콘트롤테크, 〈자동제어란 무엇인가?〉, 《네이버 블로그》, 2014-02-20
- ↑ 〈제어 공학〉, 《나무위키》
- ↑ 신한콘트롤테크, 〈생활 속에서 사용되는 자동제어〉, 《네이버 블로그》, 2021-12-09
- ↑ 〈ABS와 VSC의 차이는〉, 《모토야》, 2016-09-21
- ↑ 여인규 기자, 〈원자재·전쟁·코로나19…악재 가중된 2021년 악몽 자동 제어〉, 《칸》, 2022-05-08
참고자료
- 〈제어 공학〉, 《나무위키》
- 신한콘트롤테크, 〈자동제어란 무엇인가?〉, 《네이버 블로그》, 2014-02-20
- 신한콘트롤테크, 〈생활 속에서 사용되는 자동제어〉, 《네이버 블로그》, 2021-12-09
- 여인규 기자, 〈원자재·전쟁·코로나19…악재 가중된 2021년 악몽 자동 제어〉, 《칸》, 2022-05-08
- 〈ABS와 VSC의 차이는〉, 《모토야》, 2016-09-21
같이 보기
