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제어공학
제어공학(制御工學, Control Engineering) 은 제어이론을 적용하여 다른 시스템이나 프로세스의 동작을 제어하는 시스템의 설계, 분석 및 구현을 다루는 공학의 한 분야이다. 실제로 센서 등으로 장치의 출력을 측정하고, 피드백을 통해 액추에이터를 재어하고 원하는 동작을 하도록 시스템을 만든다.
제어 대상에 따라 전기공학, 기계공학, 로봇공학, 항공공학(항공우주공학) 등과 결합하여 산업현장에서 많이 적용하여 사용한다.
제어공학의 목표는 시스템에 영향을 미칠 수 있는 교란이나 불확실성을 고려하면서 시스템 또는 프로세스의 원하는 동작을 생성하는 제어 시스템을 설계하는 것이다. 제어공학은 항공기 및 우주선 제어, 로봇 공학, 제조, 발전 및 분배 등을 포함한 광범위한 응용 분야에서 사용된다. 제어 엔지니어는 제어 시스템을 설계하고 분석하기 위해 수학적 모델링, 컴퓨터 시뮬레이션 및 실험 테스트를 포함한 다양한 도구와 기술을 사용한다.
개방 루프 시스템, 폐쇄 루프 시스템 및 하이브리드 시스템을 포함하여 다양한 유형의 제어 시스템이 있다. 개방 루프 시스템은 제어 신호를 조정하기 위해 제어 시스템의 피드백을 사용하지 않는 반면 폐쇄 루프 시스템은 피드백을 사용하여 제어 시스템의 응답에 따라 제어 신호를 조정한다. 하이브리드 시스템은 개방 루프 시스템과 폐쇄 루프 시스템의 조합이다.
개요
제어공학은 제어 이론에 기반하여 동적 시스템의 동작이 원하는 대로 이루어지도록 하는 방법을 연구하는 공학의 한 분야이다.
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.
따로 제어계측공학과가 개설되기도 하는데, 이 경우 대학마다 기계공학쪽에 특화되어 있기도 하고 전기전자공학쪽에 특화된 커리큘럼이 짜여있기도 하다. 메카트로닉스, 공정제어의 바탕이 되는 학문 중 하나이다.
제어공학의 특징으로는 제어 엔지니어가 수학 및 엔지니어링 원리에 대한 기초와 광범위한 기술지식을 보유해야 한다는 특징이 있으며, 제어공학은 항공기, 우주선, 로봇, 제조시스템 등 현대 기술의 많은 영역에서 시스템 및 프로세스의 동작을 제어하는 데 사용되기 때문에 중요하다.
오래전부터 움직이는 모터, 로봇, 드론, 자율이동체 등 이 원하는 성능을 갖도록 고전적인 제어공학이 발전되어 왔다. 점차 시스템이 복잡해지고, 원하는 성능도 높아지면서, 고전적인 제어공학으로 해결하기 힘든 현실적인 제어 문제가 많이 등장하였다. 최근 기존 제어와 비슷한 피드백 형식으로 시스템을 학습하고 원하는 성능을 얻어내는 강화학습은 이런 도전적인 제어 문제 해결에 큰 역할을 하고 있다.
제어(control)란 어떤 대상시스템의 상태나 출력이 원하는 특성을 따라가도록 입력신호를 적절히 조절하는 방법을 말하며, 제어하고자 하는 대상을 플랜트(plant), 제어동작을 수행하는 장치를 제어기(controller)라고 부른다. 제어시스템은 제어기와 플랜트의 연결방식에 따라 개로(Open-loop) 제어시스템과 폐로(closed-loop) 제어시스템으로 분류된다. 제어기를 써서 얻고자 하는 대상플랜트의 출력특성을 제어목표라고 한다. 제어목표에는 안정도(stability), 명령추종(command following), 외란제거(disturbance rejection), 잡음축소(noise reduction) 등이 있으며, 이 가운데 가장 중요한 목표는 안정도이다. 제어기를 설계한다는 것은 제어시스템의 안정도를 이루면서 나머지 제어목표들을 달성하는 제어입력신호를 만들어내는 장치를 구성하는 것을 뜻한다. 그런데 이 제어목표들은 상충관계에 있기 때문에 제어기를 설계할 때에는 이 관계를 잘 절충시켜야 한다.
상세
표준 피드백(Feedback) 제어 시스템은 아래 블록 다이어그램과 같다.
예를 들어, 내가 원하는 각도를 입력하면, 그 각도만큼 모터가 작동하는 모터 위치 제어 시스템이라고 가정하자. 이때 플랜트(plant)는 모터가 되며, 컨트롤러(controller)는 디지털 마이크로 컨트롤러나 아날로그 컨트롤러가 된다. 구동기(actuator)는 컨트롤러에서 출력되는 신호를 플랜트의 입력 형식에 맞게 변환해 주는 장치이며, 컨트롤러가 디지털 컨트롤러라면 PWM이나 DAC와 같은 부품이 된다. 마지막으로 센서(sensor)는 이 경우 위치 제어이므로 모터의 각도를 감지하는 센서로, 증가형 엔코더나 절대형 엔코더, 혹은 경우에 따라 카메라를 이용한 영상처리장치나 자이로센서 등이 된다. 컨트롤러는 센서에서 계측된 내용을 신호로 받아, 내가 원하는 결과값(r)과의 차이를 입력으로 받는다.
컨트롤러의 대표적인 예로는 비례 제어기(Proportional controller), 비례적분 제어기(Proportional Integral controller), 비례적분미분 제어기(PID controller, Proportional Integral Differential controller) 등이 있다.
위와 같은 블록 다이어그램은 보통 라플라스 변환으로 모델링된 함수들로 각 블록이 채워지며, 이를 하나의 블럭으로 통합하는 과정을 거쳤을 때 그 블록의 내용을 전달함수(transfer function)라 한다. 시스템의 출력은 아래 그림과 같이 전달함수의 특성에 따라 달라지며, 자세하게는 전달함수의 극점(pole)과 영점(zero)을 복소 평면에 배치했을 때의 그 위치에 따라 달라지며, 그에 따라 결과값의 안정도(stability)나 반응속도, 정상 편차(steady state error)가 달라진다.
제어공학자는 전체 시스템의 출력이 원하는 대로 나오게 만들기 위해 컨트롤러의 특성을 수정하여 플랜트만 존재할 때와는 다르게 전체 시스템의 극점과 영점의 위치를 재배치한다.
제어공학의 종류
- 개방 루프 시스템: 제어 신호를 조정하기 위해 제어 시스템의 피드백을 사용하지 않는 제어 시스템이다. 제어 시스템의 출력은 입력 신호에 의해서만 결정되며 제어 시스템의 응답에 영향을 받지 않는다. 개방 루프 시스템은 간단하고 설계하기 쉽지만 제어되는 시스템의 변화에 적응할 수 없기 때문에 견고하거나 신뢰할 수 없다.
- 폐쇄 루프 시스템: 제어 시스템의 피드백을 사용하여 시스템의 응답에 따라 제어 신호를 조정하는 제어 시스템이다. 폐쇄 루프 시스템은 개방 루프 시스템보다 설계하기가 더 복잡하고 어렵지만 제어되는 시스템의 변경 사항에 적응할 수 있기 때문에 더 견고하고 안정적이다.
- 하이브리드 시스템: 개방형 루프와 폐쇄형 루프 시스템이 결합된 제어 시스템이다. 하이브리드 시스템은 개방 루프 시스템의 단순성과 설계 용이성을 폐쇄 루프 시스템의 견고성과 신뢰성과 결합할 수 있다.
- 선형 시스템: 동작이 선형 방정식으로 설명되는 제어 시스템이다. 선형 시스템은 비교적 분석 및 설계가 간단하며 제어 공학에서 널리 사용됩니다. 비선형 시스템: 동작이 비선형 방정식으로 설명되는 제어 시스템입니다. 비선형 시스템은 선형 시스템보다 분석 및 설계가 더 복잡하고 고급 제어 기술이 필요한 경우가 많다.
- 시불변 시스템: 시간에 따라 동작이 변경되지 않는 제어 시스템이다. 시불변 시스템은 동작이 시간이 지남에 따라 일정하기 때문에 분석 및 설계가 상대적으로 간단하다.
- 시변 시스템: 시간에 따라 동작이 변경되는 제어 시스템이다. 시변 시스템은 동작이 시간에 따라 변하기 때문에 시불변 시스템보다 분석 및 설계가 더 복잡하다.
제어공학의 중요성
제어 시스템은 항공기 및 우주선, 로봇, 제조 시스템, 발전소 등을 포함한 광범위한 시스템 및 프로세스의 동작을 제어하는 데 사용되기 때문에 매우 중요하다. 제어 시스템은 이러한 시스템 및 프로세스의 원하는 동작을 유지하는 동시 영향을 미칠 수 있는 교란 또는 불확실성을 고려하는 데 사용된다. 제어공학은 현대 기술의 많은 영역에서 중요한 역할을 하며 전기, 기계 및 항공 우주 엔지니어와 다른 많은 전문가에게 중요한 연구 분야이다. 제어 엔지니어는 제어 시스템을 설계하고 분석하기 위해 수학적 모델링, 컴퓨터 시뮬레이션 및 실험 테스트를 포함한 다양한 도구와 기술을 사용한다. 일반적으로 제어 공학은 현대 기술과 사회의 여러 측면에 필수적인 다른 시스템이나 프로세스의 동작을 제어할 수 있는 시스템의 설계 및 구현을 가능하게 하기 때문에 중요하다.
제어공학의 예시
제어공학의 한 예는 항공기 제어이다. 항공기 제어 시스템은 광범위한 외란과 불확실성을 고려하면서 항공기의 원하는 비행 경로와 자세를 유지하는 데 사용되는 복잡한 시스템이다. 항공기의 제어 시스템은 일반적으로 위치, 속도, 자세 등과 같은 항공기 상태의 다양한 측면을 측정하는 여러 센서로 구성된다. 이러한 센서는 제어 시스템에 입력을 제공하며 이 정보를 사용하여 항공기의 원하는 비행 경로와 자세를 유지하는 데 필요한 제어 신호를 계산한다. 제어 신호는 방향타, 에일러론 및 엘리베이터와 같은 항공기의 액추에이터에 적용되어 제어 표면의 위치를 조정하여 원하는 제어력을 생성한다. 항공기의 제어 시스템은 센서의 피드백을 사용하여 항공기의 반응에 따라 제어 신호를 조정하기 때문에 폐쇄 루프 시스템이다. 이를 통해 제어 시스템은 항공기 상태의 변화에 적응하고 원하는 비행 경로와 자세를 유지할 수 있다. 제어 공학은 항공기의 동역학, 제어 시스템의 성능 요구 사항 및 제어 신호에 대한 제약 조건을 고려하여 항공기의 제어 시스템을 설계하고 분석하는 데 사용된다. 이를 위해서는 제어 엔지니어가 수학적 모델링, 컴퓨터 시뮬레이션 및 실험 테스트를 포함한 다양한 도구와 기술을 사용해야 한다.
참고자료
같이 보기
