제어공학 (Control Engineering)

제어란 무엇일까요. 우리가 어떤 대상이 '... 했으면 좋겠다'라고 생각했을 때 실제로 그 대상이 '...' 하도록 만드는 것입니다.  흔히 일상에서 볼 수 있는 예제로써 집안의 온도를 시원하게 하기 위해서 에어컨의 동작을 한 예로 들 수 있습니다. 목표 온도가 멀어지면 에어컨은 더 세게 찬 바람을 내뿜으며 또는 목표 온도에 근접하거나 동일할 때는 방 안의 온도가 지속적으로 목표 온도에 유지가 되도록 적절한 세기의 바람을 내뿜는 것 또한 제어입니다. 

필요한 용어에 대해서 먼저 정리를 하겠습니다. 

제어 (Control) 
- 어떤 시스템이 원하는 동작을 하도록 입력을 조절하는 방법, 기술 

시스템 또는 대상이 되는 시스템 (System)
- 로봇, 비행기, 자동차, 자동화 시스템, .......

상태 (State) 
- 육안으로 볼 수 있거나 내부의 현상을 보여주는 것 (위치, 속도, 자세, 회전, 전압.....) 

출력 (Output) 
- 시스템의 상태 일부나 이들이 보여주는 값들이 결합된 결과
- 결과를 파악하기 위해 보통은 센서를 활용함 (ex 엔코더)

플랜트 (Plant)
- 제어의 대상이 되는 구간 또는 물리적인 대상 

지령 값 (reference value) 
- 원하거나 희망하는 값 또는 상태를 의미한다. 에어컨의 방안 온도 조절 예시에서는 내가 원하는 방안 온도를 의미함. 에어컨이 아닌 다른 예시에서는 때로는 함수 형태로 표현이 될 수도 있음. 

측정값 (sensing value) 
- 플랜트에서 얻을 수 있는 모든 정보를 의미함. 말단 즉 출력의 값이 아니라 중간값과 초기값 또한 측정값을 의미함. 예를 들어서 에어컨의 방 안 온도 조절 예시일 때 에어컨 내부의 냉매의 상태 (얼마나 사용했는가, 유속...) 또한 하나의 측정값이 됨. 

제어기 (Controller)
- 제어 동작을 수행하는 회로나 장치를 의미함. 추상적으로는 우리의 알고리즘을 일컫는 용어이기도 함. 

 

제어의 목표 (Objectives)

1. 안정성 (stability) 보장
- 시스템이 원하는 결과를 보여주는 것과 동시에 시스템의 상태 또는 출력이 발산되지 않아야 함 (acceptable transient response + acceptable steady-state error). 발산한다는 의미는 시스템이 폭주 또는 불안정해진다는 의미를 지니며 과격한 물리적 움직임으로 표현될 수도 있으며 안전에 위협을 가할 수도 있는 의미를 지님.  

2. 지령 값 또는 명령 추종 (Command Following)
- 시스템 출력이 원하는 명령이나 지령 값을 따라가기 위한 목표. 때문에 외부로부터 오는 외란 (Disturbance)과 내부의 시스템 또는 센서 측정 중에 오는 잡음 (Noise)을 제거해야 하는 목표를 내재함 (Sensitivity + Robustness).

 

제어의 역사 (History) 

- 그리스 (Float regulator mechanism) 
- 홀란드 16세기 (Temperature regulator)
- 제임스 와트 18세기 (Flyball governor, centrifugal governor for the speed control of a steam engine) 
- Minorsky 1920s (automatic controllers for steering ships) 
- Nyquist 1930s (method for analyzing the stability of controlled systems) 
- ?? 1940s (주파수 응답 방법 개발로 인한 선형 closed-loop 제어 시스템을 설계할수 있게 됨) 
- Evans 1950s (Root-locus 방법의 완전한 개발)
- ?? 1960s (State space 방법, 최적 제어, 적응 제어의 발달) 
- ?? 1980s (Learning을 이용한 제어가 시작됨) 
- 현재 (다양한 공학 분야뿐만 아니라 생물, 의학, 경제 쪽에서도 사용이 되는 이론으로 확장되고 있음)